(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させると共に反射面で全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
前記内部全反射プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記プローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、
前記内部全反射プリズムの前記反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、前記テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、
前記内部全反射プリズムにおいて、
前記入射面には前記テラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、
前記出射面には前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、
前記入射面と前記反射面との間には、前記テラヘルツ波発生素子で発生した前記テラヘルツ波を前記反射面に向けて平行光化又は集光する光学面が設けられ、
前記入射面に対して前記反射面が鈍角となっており、
前記テラヘルツ波発生素子は、前記ポンプ光の入射軸に対して非同軸で前記テラヘルツ波を発生させるアンテナ素子であり、
前記テラヘルツ波検出素子は、前記プローブ光の入射軸に対して非同軸で前記テラヘルツ波を検出するアンテナ素子であり、
前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光と、前記テラヘルツ波検出素子に入射する前記プローブ光とは、同軸かつ互いに反対向きに前記内部全反射プリズムに導光されることを特徴とする全反射分光計測装置。
【請求項２】
前記反射面と前記出射面との間には、前記反射面で全反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出素子に向けて集光する光学面が更に設けられ、
前記出射面に対して前記反射面が鈍角となっていることを特徴とする請求項１記載の全反射分光計測装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光の角度を調整する第１の調整ミラーと、
前記テラヘルツ波検出素子に入射する前記プローブ光の角度を調整する第２の調整ミラーとを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の全反射分光計測装置。
【請求項４】
前記入射面において、前記テラヘルツ波発生素子を位置決めする段差部が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の全反射分光計測装置。
【請求項５】
前記出射面において、前記テラヘルツ波検出素子を位置決めする段差部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の全反射分光計測装置。
【請求項６】
レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させると共に第１反射面で全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
前記内部全反射プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記プローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、
前記内部全反射プリズムの前記第１反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、前記テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、
前記内部全反射プリズムにおいて、
前記入射面には前記テラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、
前記出射面には前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、
前記入射面と前記第１反射面との間には、前記テラヘルツ波発生素子で発生した前記テラヘルツ波を平行光化又は集光する光学面と、前記光学面によって平行光化又は集光した前記テラヘルツ波を前記第１反射面に向けて反射させる第２反射面とが設けられ、
前記入射面に対して前記第２反射面が鈍角となっていることを特徴とする全反射分光計測装置。
【請求項７】
前記第１反射面と前記出射面との間には、前記第１反射面で全反射した前記テラヘルツ波を前記出射面側に反射させる第３反射面と、前記第３反射面で反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出素子に向けて集光する光学面とが更に設けられ、
前記出射面に対して前記第３反射面が鈍角となっていることを特徴とする請求項６記載の全反射分光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波を用いた全反射分光計測装置として、例えば特許文献１に記載の全反射テラヘルツ波測定装置がある。この従来の全反射テラヘルツ波測定装置は、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法により被測定物の光学定数に関する情報を取得する装置である。この装置には、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子を設け、かつ出射面にテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子を設けた一体型プリズムが用いられている。一体型プリズム内においてテラヘルツ波が全反射する反射面には被測定物が配置され、当該反射面でテラヘルツ波が全反射する際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分に基づいて、被測定物の光学定数に関する情報が取得される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２４４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した一体型プリズムには、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を反射面に向けて平行光化する光学面が設けられている。この光学面のサイズは、テラヘルツ波発生素子から出射するテラヘルツ波の広がり角度の大きさに依存する。大きな広がり角を持つテラヘルツ波に対応した光学面を形成しようとすると、光学面のサイズを大きくしなくてはならず、結果として内部全反射プリズムが大型化してしまうという問題がある。一方、光学面のサイズがテラヘルツ波の広がり角度に対して不十分になると、テラヘルツ波の損失が大きくなり、信号強度の低下による全反射分光計測の精度低下が問題となる。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、装置の大型化を回避しつつ計測精度を確保できる全反射分光計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る全反射分光計測装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させると共に反射面で全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、内部全反射プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、内部全反射プリズムの反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、内部全反射プリズムにおいて、入射面にはテラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、出射面には前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、入射面と反射面との間には、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を反射面に向けて平行光化又は集光する光学面が設けられ、入射面に対して反射面が鈍角となっていることを特徴としている。
【０００７】
この全反射分光計測装置では、テラヘルツ波発生素子が設けられた内部全反射プリズムの入射面に対し、被測定物が配置される反射面が鈍角となっている。これにより、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を曲率半径の小さい面で入射させることが可能となり、テラヘルツ波の広がり角度に対して光学面のサイズを最小化できる。したがって、装置の大型化を回避できる。また、このことは、同一のサイズの光学面で対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできることを意味し、テラヘルツ波の損失を抑えることで反射分光計測の精度を確保できる。
【０００８】
また、反射面と出射面との間には、反射面で全反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子に向けて集光する光学面が更に設けられ、出射面に対して反射面が鈍角となっていることが好ましい。この場合、光学面において、反射面で全反射したテラヘルツ波を曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波の広がり角度に対して光学面のサイズを最小化できる。また、同一のサイズの光学面で対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできるので、テラヘルツ波の損失を抑えることができる。
【０００９】
また、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光の角度を調整する第１の調整ミラーと、テラヘルツ波検出素子に入射するプローブ光の角度を調整する第２の調整ミラーとを更に備えたことが好ましい。これにより、テラヘルツ波発生素子に対するポンプ光の入射角度、及びテラヘルツ波検出素子に対するプローブ光の入射角度を最適化でき、反射分光計測の精度を一層確保できる。
【００１０】
また、テラヘルツ波発生素子は、ポンプ光の入射軸に対して非同軸でテラヘルツ波を発生させる素子であることが好ましい。この場合、ポンプ光の一部が戻り光としてレーザ光源に到達することを抑制できるので、レーザ光源の動作の安定化が図られる。
【００１１】
また、入射面において、テラヘルツ波発生素子を位置決めする段差部が形成されていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波の損失がより効果的に抑えられ、反射分光計測の精度を確保できる。
【００１２】
また、出射面において、テラヘルツ波検出素子を位置決めする段差部が形成されていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波の損失がより効果的に抑えられ、反射分光計測の精度を確保できる。
【００１３】
また、本発明に係る全反射分光計測装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させると共に第１反射面で全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、内部全反射プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備え、内部全反射プリズムの第１反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、内部全反射プリズムにおいて、入射面にはテラヘルツ波発生素子が一体に設けられ、出射面にはテラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、入射面と第１反射面との間には、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を平行光化又は集光する光学面と、光学面によって平行光化又は集光したテラヘルツ波を第１反射面に向けて反射させる第２反射面とが設けられ、入射面に対して第２反射面が鈍角となっていることを特徴としている。
【００１４】
この全反射分光計測装置では、テラヘルツ波発生素子が設けられた内部全反射プリズムの入射面に対し、光学面によって平行光化又は集光したテラヘルツ波を第１反射面に向けて反射させる第２反射面が鈍角となっている。これにより、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を曲率半径の小さい面で入射させることが可能となり、テラヘルツ波の広がり角度に対して光学面のサイズを最小化できる。したがって、装置の大型化を回避できる。また、このことは、同一のサイズの光学面で対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできることを意味し、テラヘルツ波の損失を抑えることで反射分光計測の精度を確保できる。
【００１５】
また、第１反射面と出射面との間には、第１反射面で全反射したテラヘルツ波を出射面側に反射させる第３反射面と、第３反射面で反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出素子に向けて集光する光学面とが更に設けられ、出射面に対して第３反射面が鈍角となっていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波を曲率半径の小さい面で入射させることが可能となり、テラヘルツ波の広がり角度に対して光学面のサイズを最小化できる。したがって、装置の大型化を回避できる。また、このことは、同一のサイズの光学面で対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできることを意味し、テラヘルツ波の損失を抑えることで反射分光計測の精度を確保できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る全反射分光計測装置によれば、装置の大型化を回避しつつ計測精度を確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る全反射分光計測装置を示す図である。
【図２】図１に示した全反射分光計測装置に用いられる一体型プリズムを示す側面図である。
【図３】被測定物の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。
【図４】比較例に係る一体型プリズムの一例を示す側面図である。
【図５】テラヘルツ波の広がり角度と光学面のサイズとの関係を示す図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムの更なる変形例を示す側面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムの更なる変形例を示す側面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す斜視図である。
【図１２】本発明の変形例に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る全反射分光計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る全反射分光計測装置を示す図である。同図に示すように、全反射分光計測装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源２と、テラヘルツ波発生素子３２・内部全反射プリズム３１・テラヘルツ波検出素子３３が一体となった一体型プリズム３と、テラヘルツ波を検出する検出部４とを備えている。また、全反射分光計測装置１は、上記構成要素の動作を制御する制御部５と、検出部４からの出力に基づいてデータ解析を行うデータ解析部６と、データ解析部６における処理結果を表示する表示部７とを備えている。
【００２０】
レーザ光源２は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源２からは、例えば平均パワー１２０ｍＷ、繰り返しレート７７ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザが出力される。レーザ光源２から出射したフェムト秒パルスレーザは、ミラー１１，１２を経て、ビームスプリッター１３によってポンプ光４８とプローブ光４９とに二分される。プローブ光４９が伝播するプローブ光用光路Ｃ１には、ミラー１４，１５及びレンズ１６が設けられており、プローブ光４９は、レンズ１６で集光されて後述のテラヘルツ波検出素子３３に入射する。
【００２１】
一方、ポンプ光４８が伝播するポンプ光用光路Ｃ２には、遅延部２１と、変調器２２とが設けられている。遅延部２１は、一対のミラー２３，２４と、可動ステージ２６上に設置された反射プリズム２５によって構成され、反射プリズム２５の位置を一対のミラー２３，２４に対して前後させることで、ポンプ光４８の遅延調節が可能となっている。また、変調器２２は、例えば光チョッパによってポンプ光４８の透過と遮断を切り替える部分である。変調器２２は、制御部５からの信号に基づいて、例えば１ｋＨｚでポンプ光４８の透過と遮断の変調を行う。
【００２２】
ポンプ光用光路Ｃ２を伝播したポンプ光４８は、ミラー２８を経てレンズ２７で集光され、一体型プリズム３に入射する。図２に示すように、一体型プリズム３を構成する内部全反射プリズム３１は、例えばＳｉによって形成されており、入射面３１ａ側にはテラヘルツ波発生素子３２が一体に固定され、出射面３１ｂ側にはテラヘルツ波検出素子３３が一体に固定されている。内部全反射プリズム３１の上面は平坦な反射面３１ｃとなっており、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物３４が載置される。
【００２３】
また、内部全反射プリズム３１の底面において、入射面３１ａと反射面３１ｃとの間には、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられている。さらに、反射面３１ｃと出射面３１ｂとの間には、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面３１ｂに向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これらの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅは、内部全反射プリズム３１の底面を所定の形状に曲面加工することによって形成されている。
【００２４】
テラヘルツ波発生素子３２としては、例えばＺｎＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などを用いることができる。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子３２として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子３２にポンプ光４８が入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。
【００２５】
テラヘルツ波検出素子３３としては、例えばＺｎＴｅなどの電気光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子を用いることができる。テラヘルツ波検出素子３３として、電気光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射すると、プローブ光４９がポッケルス効果によって複屈折を受ける。プローブ光４９の複屈折量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に比例する。したがって、プローブ光４９の複屈折量を検出することで、テラヘルツ波Ｔを検出することができる。
【００２６】
ここで、内部全反射プリズム３１は、側面視において台形状をなしており、入射面３１ａと反射面３１ｃとがなす開放角θ１、及び出射面３１ｂと反射面３１ｃとがなす開放角θ２がいずれも１３５°程度の鈍角となっている。そして、ポンプ光４８は、入射面３１ａに対して略垂直となるように入射し、テラヘルツ波発生素子３２からは、ポンプ光４８と同軸にテラヘルツ波Ｔが発生し、第１光学面３１ｄに対して垂直に近い状態で入射する。第１光学面３１ｄで反射したテラヘルツ波Ｔは、反射面３１ｃで全反射した後、第２光学面３１ｅにおいて曲率半径の小さい面で反射し、出射面３１ｂに入射する。
【００２７】
テラヘルツ波Ｔを検出する検出部４は、図１に示すように、例えばλ／４波長板４１と、偏光素子４２と、一対のフォトダイオード４３，４３と、差動増幅器４４と、ロックイン増幅器４７とによって構成されている。テラヘルツ波検出素子３３で反射したプローブ光４９は、ミラー４５によって検出部４側に導かれ、レンズ４６で集光されてλ／４波長板４１を経由した後、ウォラストンプリズムなどの偏光素子４２によって垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とに分離される。このプローブ光４９の垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とは、一対のフォトダイオード４３，４３によってそれぞれ電気信号に変換され、差動増幅器４４によってその差分が検出される。差動増幅器４４からの出力信号は、ロックイン増幅器４７によって増幅された後、データ解析部６に入力される。
【００２８】
テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射した場合、差動増幅器４４からはテラヘルツ波Ｔの電場強度に比例した強度の信号が出力され、テラヘルツ波検出素子３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射しなかった場合、差動増幅器４４からは信号が出力されないこととなる。また、テラヘルツ波Ｔが内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃで反射するときに放射されるエバネッセント波は、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに載置される被測定物３４と相互作用を起こし、被測定物３４が載置されていない場合に比べてテラヘルツ波Ｔの反射率が変化する。したがって、このテラヘルツ波Ｔの反射率の変化を計測することで、被測定物３４の分光特性を評価することができる。
【００２９】
データ解析部６は、例えば全反射分光計測装置１の専用の解析プログラムに基づいて全反射分光計測のデータ解析処理を行う部分であり、物理的には、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ、入力装置、及び表示部７などを有するコンピュータシステムである。データ解析部６は、ロックイン増幅器４７から入力された信号に基づいてデータ解析処理を実行し、解析結果を表示部７に表示させる。
【００３０】
図３は、被測定物３４の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、テラヘルツ波Ｔが内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに対しＰ偏光で入射した場合を仮定する。
【００３１】
図３に示すように、まず、全反射分光計測装置１を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する（ステップＳ０１，Ｓ０２）。リファレンス測定では、光学定数が既知である物質（例えば空気）について測定し、サンプル測定では光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Ｔｒｅｆとサンプル測定結果Ｔｓｉｇとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Ｒｒｅｆ、リファレンス位相Φｒｅｆ、サンプル振幅Ｒｓｉｇ、サンプル位相Φｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ０３）。
【００３２】
次に、リファレンス振幅Ｒｒｅｆとサンプル振幅Ｒｓｉｇとの比Ｐを式（１）によって求め、リファレンス位相Φｒｅｆとサンプル位相Φｓｉｇとの位相差Δを式（２）によって求める（ステップＳ０４）。
【数１】
0005877942.tif 000002
【数２】
0005877942.tif 000003
さらに、上述した比Ｐと位相差Δとを用いて値ｑを式（３）のように定める（ステップＳ０５）。
【数３】
0005877942.tif 000004
【００３３】
ここで、内部全反射プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角をθｉ（図２参照）とし、リファレンス測定及びサンプル測定においてスネルの法則より求められる屈折角をそれぞれθｒｅｆ，θｓｉｇとする。さらに、フレネルの反射式を用いると、式（３）におけるＰｅ−ｉΔは、以下の式（４）で表すことができる。
【数４】
0005877942.tif 000005
【００３４】
上記式（４）を式（３）に代入し、式の変形を行うと、以下の式（５）が得られる。
【数５】
0005877942.tif 000006
【００３５】
また、内部全反射プリズム３１を構成する物質の複素屈折率をｎｐｒｉｓｍとし、被測定物３４の複素屈折率をｎｓａｍｐｌｅとした場合、スネルの法則は以下の式（６）のようになり、被測定物３４の複素屈折率の２乗は、式（７）で表される。したがって、式（５）を式（７）に代入することで、被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、これにより、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ０６）。
【数６】
0005877942.tif 000007
【数７】
0005877942.tif 000008
【００３６】
以上説明したように、全反射分光計測装置１では、テラヘルツ波発生素子３２が設けられた内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに対し、被測定物３４が配置される反射面３１ｃが鈍角となっている。これにより、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを第１光学面３１ｄによって曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第１光学面３１ｄのサイズを最小化できる。したがって、装置の大型化を回避できる。また、このことは、同一のサイズの第１光学面３１ｄで対応できるテラヘルツ波Ｔの広がり角度を大きくできることを意味し、テラヘルツ波Ｔの損失を抑えることで反射分光計測の精度を確保できる。
【００３７】
また、全反射分光計測装置１では、テラヘルツ波検出素子３３が設けられた内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂに対し、被測定物３４が配置される反射面３１ｃが鈍角となっている。これにより、第２光学面３１ｅにおいて、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面３１ｂに向けて曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第２光学面３１ｅのサイズを最小化できる。また、同一のサイズの第２光学面３１ｅで対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできるので、テラヘルツ波Ｔの損失を抑えることができる。
【００３８】
テラヘルツ波Ｔの広がり角度と第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅのサイズとの関係に関し、例えば図４に示すように、入射面３１ａと反射面３１ｃとがなす開放角θ１、及び出射面３１ｂと反射面３１ｃとがなす開放角θ２がいずれも９０°となっている内部全反射プリズム１１２によって構成された一体型プリズム１１１を想定する。この比較例では、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔが第１光学面３１ｄに対して鈍角で入射すると共に、第２光学面３１ｅにおいて反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔが出射面３１ｂに向けて鈍角に反射することとなる。
【００３９】
このため、図５に示すように、第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅの大きさを長さ（一体型プリズムの長手方向に対する長さ）Ｌ及び高さ（一体型プリズムの高さ方向に対する長さ）Ｈで表すとすると、上記一体型プリズム１１１では、テラヘルツ波Ｔの広がり角θＴが±６°の場合でＬ＝１．７ｍｍ、Ｈ＝０．７ｍｍの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅが必要となる。また、テラヘルツ波Ｔの広がり角θＴが±２５°の場合でＬ＝２７ｍｍ、Ｈ＝１５ｍｍの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅが必要となる。
【００４０】
これに対し、本実施形態では、入射面３１ａと反射面３１ｃとがなす開放角θ１、及び出射面３１ｂと反射面３１ｃとがなす開放角θ２がいずれも１３５°と鈍角になっていることで、テラヘルツ波Ｔの広がり角θＴが±６°の場合でＬ＝０．２９ｍｍ、Ｈ＝０．００２ｍｍの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅを用いればよく、テラヘルツ波Ｔの広がり角θＴが±２５°の場合でＬ＝２．５ｍｍ、Ｈ＝０．２３ｍｍの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅを用いればよい。
【００４１】
なお、上述した実施形態では、第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅを曲面形状としているが、コリメート機能・集光機能を有する面であればよく、球面形状や、楕円面・放物面といった非球面形状であってもよい。図６に示すように、第１光学面３１ｄを楕円面形状とすることにより、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面３１ｃに向けて集光するようにしてもよい。また、第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅが全反射条件を満たさないような場合には、第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅに金属コーティング膜を適宜形成してもよい。
［第２実施形態］
【００４２】
図７は、本発明の第２実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。同図に示すように、第２実施形態では、テラヘルツ波発生素子３２に入射するポンプ光４８の角度を調整する第１の調整ミラー５１と、テラヘルツ波検出素子３３に入射するプローブ光４９の角度を調整する第２の調整ミラー５２とを更に備えた一体型プリズム５３を用いる点で第１実施形態と異なっている。このような構成により、第１実施形態の作用効果に加え、テラヘルツ波発生素子３２に対するポンプ光４８の入射角度、及びテラヘルツ波検出素子３３に対するプローブ光４９の入射角度を最適化でき、反射分光計測の精度を一層確保できる。
［第３実施形態］
【００４３】
図８は、本発明の第３実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。同図に示すように、第３実施形態では、一体型プリズム６３を構成する内部全反射プリズム６１の形状が左右対称となっていない点で第１実施形態と異なっている。より具体的には、内部全反射プリズム６１において、入射面６１ａと反射面６１ｃとがなす開放角θ１が１３５°となっており、及び出射面６１ｂと反射面６１ｃとがなす開放角θ２が９０°となっている。また、第１光学面６１ｄが曲面形状であるのに対し、第２光学面６１ｅは平面形状となっている。
【００４４】
このような構成においても、第１実施形態と同様に、テラヘルツ波発生素子３２が設けられた内部全反射プリズム６１の入射面６１ａに対し、被測定物３４が配置される反射面６１ｃが鈍角となっている。これにより、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを第１光学面６１ｄに対して垂直に近い状態で入射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第１光学面６１ｄのサイズを最小化できる。
【００４５】
また、この内部全反射プリズム６１では、第２光学面６１ｅが平面形状となっており、第２光学面６１ｅで反射したテラヘルツ波Ｔは、集光せずに出射面６１ｂに入射するようになっている。このため、第２光学面６１ｅと出射面６１ｂとの間のテラヘルツ波Ｔの伝播距離が短くて済み、出射面６１ｂ側の内部全反射プリズム６１の長さを小さくすることができる。したがって、装置の大型化を一層回避できる。
【００４６】
なお、図９は、本発明の第３実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムの更なる変形例を示す側面図である。同図に示すように、この変形例では、一体型プリズム７３を構成する内部全反射プリズム７１の形状が左右対称となっていない点で第３実施形態と共通しているが、テラヘルツ波検出素子３３が設けられた出射面７１ｂが内部全反射プリズム７１の底面に設定されている点で第３実施形態と異なっている。また、この内部全反射プリズム７１では、第２光学面は設けられておらず、反射面７１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔは、出射面７１ｂに直接入射するようになっている。
【００４７】
このような構成においても、第１実施形態と同様に、テラヘルツ波発生素子３２が設けられた内部全反射プリズム７１の入射面７１ａに対し、被測定物３４が配置される反射面７１ｃが鈍角となっている。これにより、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを第１光学面７１ｄによって曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第１光学面７１ｄのサイズを最小化できる。
［第４実施形態］
【００４８】
図１０は、本発明の第４実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。同図に示すように、第４実施形態では、ポンプ光と非同軸にテラヘルツ波Ｔを発生させる素子をテラヘルツ波発生素子３２として用いている点で第１実施形態と異なっている。このような素子としては、例えばＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ｓＬＮなどの非線形光学結晶、ＩｎＡｓなどの半導体結晶が挙げられる。このような構成によっても、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４９】
また、この一体型プリズム８３では、テラヘルツ波発生素子３２に対して斜めにポンプ光４８を入射させることができる。また、テラヘルツ波検出素子３３をアンテナ素子で構成することにより、テラヘルツ波検出素子３３に対して斜めにプローブ光４９を入射させることができる。したがって、ポンプ光４８がテラヘルツ波発生素子３２で反射した戻り光及びプローブ光４９がテラヘルツ波検出素子３３で反射した戻り光がレーザ光源２側に到達することを抑制でき、レーザ光源２の動作の安定化が図られる。
［第５実施形態］
【００５０】
図１１は、本発明の第５実施形態に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す斜視図である。同図に示すように、第５実施形態では、一体型プリズム９３を構成する内部全反射プリズム９１の入射面９１ａにテラヘルツ波発生素子３２を位置決めする段差部９４が設けられている。そして、テラヘルツ波発生素子３２を段差部９４に突き当てることにより、入射面９１ａにおけるテラヘルツ波発生素子３２の位置決めがなされている。
【００５１】
同様に、内部全反射プリズム９１の出射面９１ｂには、テラヘルツ波検出素子３３を位置決めする段差部９５が設けられている。そして、テラヘルツ波検出素子３３を段差部９５に突き当てることにより、出射面９１ｂにおけるテラヘルツ波検出素子３３の位置決めがなされている。段差部９４，９５によってテラヘルツ波発生素子３２及びテラヘルツ波検出素子３３を精度良く位置決めすることで、テラヘルツ波Ｔの損失が効果的に抑えられ、反射分光計測の精度を確保できる。
［他の変形例］
【００５２】
図１２は、本発明の変形例に係る全反射分光計測装置に用いる一体型プリズムを示す側面図である。同図に示すように、この変形例では、一体型プリズム１０３を構成する内部全反射プリズム１０１において、入射面１０１ａと被測定物３４が載置される第１反射面１０１ｃとの間に、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを平行光化又は集光する第１光学面１０１ｄと、光学面１０１ｄによって平行光化又は集光したテラヘルツ波Ｔを第１反射面１０１ｃに向けて反射させる第２反射面１０１ｆとが設けられ、入射面１０１ａに対する第２反射面１０１ｆの開放角θ１が鈍角となっている。
【００５３】
また、内部全反射プリズム１０１では、第１反射面１０１ｃと出射面１０１ｂとの間には、第１反射面１０１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面１０１ｂ側に反射させる第３反射面１０１ｇと、第３反射面１０１ｇで反射したテラヘルツ波Ｔをテラヘルツ波検出素子３３に向けて集光する第２光学面１０１ｅとが更に設けられ、出射面１０１ｂに対する第３反射面１０１ｇの開放角θ２が鈍角となっている。
【００５４】
この構成によれば、テラヘルツ波発生素子３２で発生したテラヘルツ波Ｔを第１光学面１０１ｄによって曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第１光学面１０１ｄのサイズを最小化できる。したがって、装置の大型化を回避できる。また、このことは、同一のサイズの第１光学面１０１ｄで対応できるテラヘルツ波Ｔの広がり角度を大きくできることを意味し、テラヘルツ波Ｔの損失を抑えることで反射分光計測の精度を確保できる。
【００５５】
また、第２光学面１０１ｅにおいて、第１反射面１０１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面１０１ｂに向けて曲率半径の小さい面で反射させることが可能となり、テラヘルツ波Ｔの広がり角度に対して第２光学面１０１ｅのサイズを最小化できる。また、同一のサイズの第２光学面１０１ｅで対応できるテラヘルツ波の広がり角度を大きくできるので、テラヘルツ波Ｔの損失を抑えることができる。このような変形例の構成は、例えばテラヘルツ波発生素子３２として光導電アンテナを用いる場合であって、発生するテラヘルツ波Ｔの放射角度が光軸に対して±３０°〜±４５°程度の広範囲にわたる場合に特に有効となる。
【符号の説明】
【００５６】
１…全反射分光計測装置、２…レーザ光源、３，５３，６３，７３，８３，９３，１０３…一体型プリズム、１３…ビームスプリッター（分岐部）、３１，６１，７１，９１，１０１…内部全反射プリズム、３１ａ，６１ａ，７１ａ，９１ａ，１０１ａ…入射面、３１ｂ，６１ｂ，７１ｂ，９１ｂ，１０１ｂ…出射面、３１ｃ，６１ｃ，７１ｃ，９１ｃ，１０１ｃ，１０１ｆ，１０１ｇ…反射面、３１ｄ，６１ｄ，７１ｄ，９１ｄ，１０１ｄ…第１光学面、３１ｅ，６１ｅ，９１ｅ，１０１ｅ…第２光学面、３２…テラヘルツ波発生素子、３３…テラヘルツ波検出素子、３４…被測定物、４８…ポンプ光、４９…プローブ光、５１…第１の調整ミラー、５２…第２の調整ミラー、９４，９５…段差部、Ｔ…テラヘルツ波。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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