(57)【要約】【課題】  テラヘルツ時間領域分光装置において光軸上に配置させた複数のレンズを用いて光路長を変化させる時間遅延機構を提供する。【解決手段】  テラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニットにおいて、レーザー光の光軸を中心として、入射面が該光軸と垂直になるように配設した複数のレンズと、レンズの一つから入射したレーザー光を折り返し他のレンズより出射可能に配設したミラーと、レンズに対するレーザー光の入射位置を移動することによって光路長を可変とする手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2011169876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光の光軸を中心として、入射面が該光軸と垂直になるように配設した複数のレンズと、
前記レンズの一つから入射したレーザー光を折り返し他のレンズより出射可能に配設したミラーと、
前記レンズに対する前記レーザー光の入射位置を移動することによって光路長を可変とする手段と、
を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニット。
【請求項２】
レーザー光の光軸を中心として、入射面が該光軸と垂直になるように配設した複数のホログラムと、
前記ホログラムの一つから入射したレーザー光を折り返し他のホログラムより出射可能に配設したミラーと、
前記ホログラムに対する前記レーザー光の入射位置を移動することによって光路長を可変とする手段と、
を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニット。
【請求項３】
前記レンズあるいは前記ホログラムが、前記ミラーと一体化して形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載されたテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニット。
【請求項４】
前記レーザー光が入射する前記レンズあるいは前記ホログラムと、前記レーザー光が出射する前記レンズあるいは前記ホログラムとをセットとした奇数のセットを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載されたテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニット。
【請求項５】
前記時間遅延ユニット内の前記レーザー光の出射位置に配置され、同一光路を通って戻り前記レーザー光を入射位置に戻す平板ミラーと、前記同一光路上に存在する前記入射レーザー光と前記戻りレーザー光とを分割する偏光ビームスプリッタと、を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニット。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の前記時間遅延ユニットを搭載したことを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間遅延ユニットおよびそれを用いたテラヘルツ時間領域分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波（ＴＨｚ波）は、周波数１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ、波長３０μｍ〜３ｍｍの領域に存在する電磁波であり、プラスチックや布、紙、半導体などを透過し、物質固有の吸収スペクトルを有することから、物性分析や検査、透視イメージングなどの技術への応用が期待されている。
【０００３】
このＴＨｚ波を用いた代表的な周波数分光計測法として、テラヘルツ時間領域分光（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Time-Domain Spectrometry）測定法がある。ＴＨｚ−ＴＤＳ測定では、ＴＨｚ波パルスの時間波形を計測するために、ＴＨｚ波発生器にフェムト秒レーザー（ポンプ光）を照射して発生させて、測定試料を透過したフェムト秒レーザー（プローブ光）をテラヘルツ波検出器に照射するタイミングを変える時間遅延ユニットが必要となる。
【０００４】
これに対し、従来の時間遅延ユニットでは、可動ステージ上に配置したミラーを光軸方向と平行に並進することにより、ＴＨｚ波のサンプリング時間を遅延させていた。
【０００５】
また、レーザー光を傾斜状の透明誘電体板を透過させ、該透明誘電体を光軸方向と垂直に並進させることによって光路長差を制御する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】深澤亮一、“テラヘルツ時間領域分光法と分析化学”、ぶんせき、Ｖｏｌ．６、ｐｐ２９０−２９６、２００５
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特願２００５―５１３０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のテラヘルツ時間領域分光装置では、可動ミラーの移動距離には限界があり、測定の高速化の妨げとなっていた。図１２（ａ）に示す可動ミラーを適用した遅延時間ユニット１００の場合、例えば、２０ｍｍの光路長差を作るのに、遅延時間ユニット１００を１０ｍｍ移動させることとなる。また、上記の特許文献１に記載されている光路長調整ユニットでは、図１２（ｂ）に示すような傾斜状の透明誘電体板を、例えば、屈折率が１．５程度のガラス材（ＢＫ７）で作製し、頂角を２０度とした場合、この板を動かして、同様に２０ｍｍの光路長差を生じさせるには、約３０ｍｍ動かす必要があり、可動ミラーの例より一層移動距離が長くなる。以上のような従来の遅延時間ユニットでは、テラヘルツ時間領域分光装置における測定の高速化に問題を抱える。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の一つの態様は、レーザー光の光軸を中心として、入射面が該光軸と垂直になるように配設した複数のレンズと、前記レンズの一つから入射したレーザー光を折り返し他のレンズより出射可能に配設したミラーと、前記レンズに対する前記レーザー光の入射位置を移動することによって光路長を可変とする手段と、を有することを特徴とするテラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニットに関する。
【発明の効果】
【００１０】
上記本発明の一態様によれば、本時間遅延ユニットにより、従来の可動ミラーよりも短い距離を動かすことで時間遅延量を制御することが可能となり、高速なテラヘルツ時間領域分光装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の時間遅延ユニットを適用するテラヘルツ時間領域分光装置の基本構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態になる複数のレンズを用いた時間遅延ユニットの構成例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態になる本発明のレンズを用いた時間遅延ユニット内の光路を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態になる時間遅延ユニット移動に伴うビームの入射／出射位置を表す図（その１）である。
【図５】本発明の実施の形態になる時間遅延ユニット移動に伴うビームの入射／出射位置を表す図（その２）である。
【図６】本発明の実施の形態になるビーム出射位置にミラーを配置させて反射ビームを同一光路に戻す時間遅延ユニットの構成例を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態になるホログラムを用いた時間遅延ユニットの構成例を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態になるホログラムを用いた時間遅延ユニット内の光路を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態になるレンズとミラーを一体化した時間遅延ユニットの構成例を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態になるホログラムとミラーを一体化した時間遅延ユニットの構成例を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態になる時間遅延ユニットを用いたテラヘルツ時間領域分光装置の構成例を示す図である。
【図１２】時間遅延ユニットの従来例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態につき、図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の時間遅延ユニットを適用するテラヘルツ時間領域分光装置の基本構成を示す。
【００１４】
テラヘルツ時間領域分光装置（ＴＨｚ−ＴＤＳ）において、フェムト秒レーザー１光源からのレーザー光は、ミラー２及びビームスプリッタ３によって、ポンプ光とプローブ光に分離される。ポンプ光は、集光レンズ４を介してＴＨｚ波発生器５に照射され、テラヘルツ波（以降、ＴＨｚ波と表現する）を励起させ、発生したＴＨｚ波は、非軸放物面ミラー６によって集光され、測定試料７に照射される。測定試料７を透過したＴＨｚ波は、非軸放物面ミラー６によって集光され、ＴＨｚ波検出器９に入射する。
【００１５】
一方、プローブ光は、ミラー１０を介して、時間遅延ユニット１００に入射し、入射光と平行となる逆方向に時間遅延ユニット１００から出射し、該出射光が、集光レンズ１１を介して検出器９に照射される。なお、時間遅延ユニット１００を搭載したステージを移動しプローブ光の光路長を変化させることによって、プローブ光が検出器９へ到達する時間を遅延させている。
【００１６】
そして、ＴＨｚ波検出器９では、ＴＨｚ波の入射よって電場が生じ、その時、プローブ光が照射されると該電場強度に応じた検出信号が計測される。
【００１７】
（実施例１）
以下に、図２〜図５を用いて、複数のレンズを用いた場合の時間遅延ユニットの構造を説明する。
【００１８】
図２に示すように、時間遅延ユニット１００は、入射したレーザービームが直角に蛇行し、ビームが中心を通るように配置された複数のミラー１０２、１０３と、ビームが通る経路である光軸を中心に入射面が該光軸と垂直となるように同一平面上に配置された複数のレンズ１０１とを備えた光学系ユニットを有する。
【００１９】
さらに、時間遅延ユニット１００は、該光学系ユニットを搭載する可動ステージ３０を光軸に対して垂直方向に移動させるステージコントローラ２０を有する。
【００２０】
レンズ１０１の焦点距離は、（光軸上でのレンズとミラーとの距離）＋（隣り合う２つのレンズの距離の１／２）となっている。
【００２１】
以下に、本発明の時間遅延ユニットの移動距離に対する効果について述べる。
【００２２】
図３において、具体例として、レンズ１０１の直径を１０ｍｍ、焦点距離を１０ｍｍとすると、レンズ１０１の中心から５ｍｍの位置に入射したレーザー光の光路長は、レンズ１０１の中心に入射したものより約１．１８ｍｍ長くなる。
【００２３】
こうした原理にしたがい、従来例で示したのと同様、２０ｍｍの光路長差を生じさせるには、例えば、レンズ１０１を１８個並べた時間遅延ユニット１００を用いた場合、約４．９ｍｍの移動距離となる。これは、前述したように、従来の可動ミラーによる時間遅延ユニットの移動距離は１０ｍｍ必要としたが、本発明の構成になる時間遅延ユニットでは、約１／２以下の移動距離に減少させることが可能となる。
【００２４】
以上のように、本発明の実施例１の時間遅延ユニットにより、従来方法よりも可動部分の移動距離を短くすることが可能となり、テラヘルツ時間領域分光装置における測定時間の短縮化を図ることができる。
【００２５】
なお、時間遅延ユニット１００を並進させてもレーザーの出射位置を同一点にするためには、レンズ１０２の個数を２×（奇数）とする必要がある。その背景につき、以下、図４、５を用いて説明する。
【００２６】
時間遅延ユニット１００の移動に伴うビームの入射／出射位置について、図４は、レンズの数が２×（奇数）の場合を示し、図５は、レンズの数が２×（偶数）の場合を示している（（２×）は、レンズ２つをセットとして入射／出射ビームが形成されることを意味している）。
（Ａ）レンズの数が２×（奇数）の場合（図４）
光路長を延ばすために、ビームの入射位置が（１）にある状態から、時間遅延ユニット１００を上方向に動かして、ビームの入射位置が（２）にある状態にした場合、入射位置が（１）から（２）にずれた分だけ、出射位置も同方向で（１）から（２）の位置にずれるため、時間遅延ユニット１００を動かして光路長を延ばしても、出射位置のずれは起こらない。
（Ｂ）レンズの数が２×（偶数）の場合（図５）
一方、この場合は、ビームの入射位置を（１）から（２）にずらした場合、出射位置は逆方向に（１）から（２）の位置にずれるため、時間遅延ユニット１００を動かして光路長を延ばすと出射位置のずれが起こる。
【００２７】
したがって、レンズ１０２の個数を２×（奇数）とする必要がある。
【００２８】
（実施例２）
図６は、ビーム出射位置にミラーを配置させて反射ビームを同一光路に戻す場合の光学系の構成例を示している。
【００２９】
実施例１で示した時間遅延ユニット１００のビームの最終のレンズを通ったビームの出射位置にミラー１０４を配置し、このミラー１０４で反射したビームは同一光路を通って最初の入射位置に戻る構造になっている。この場合には、実施例１のようにレンズのセット数は奇数とする制約はなくなる。
【００３０】
上記構造の時間遅延ユニット１００においては、同一光路上に存在する入射光と戻り光を分割するため、レーザーの波長帯域においてｐ偏光成分は透過し、ｓ偏光成分は反射する偏光ビームスプリッタ１０６を設置する。また、ｐ偏光で直線偏光の入射光を円偏光に、反転して戻ってきた円偏光の戻り光をｓ偏光の直線偏光に変換する１／４波長板１０５を設置する。
【００３１】
まず、同一光路上に存在する入射光と戻り光を分割するため、レーザー光源は、ｐ偏光で直線偏光のレーザー光を発するものを用いる。偏光ビームスプリッタ１０６を透過したｐ偏光で直線偏光のビームは、１／４波長板１０５によって円偏光に変換され、時間遅延ユニット１００内のミラーで奇数回反射された円偏光の戻り光の回転方向は反転する。
【００３２】
したがって、この反転した戻り光が、再び１／４波長板１０５を透過すると、ｓ偏光成分の直線偏光に変わる。そして、この戻り光が偏光ビームスプリッタ１０６によって反射され、入射光と戻り光を分割する。
【００３３】
このようにして、実施例１と同様に、光路長差を２０ｍｍ生じさせるのに、約３．４ｍｍ動かせばよく、従来可動ミラーによる方法の約１／３の可動距離でよいこととなる。
【００３４】
以上のように、本発明の実施例２の時間遅延ユニットにより、従来の可動ミラーよりも可動部分の移動距離を短くすることが可能となり、本発明の時間遅延ユニットを適用したテラヘルツ時間領域分光装置における計測の高速化が図れる。
【００３５】
（実施例３）
図７および図８を用いて、本発明の実施例３のホログラムを利用した時間遅延ユニットについて説明する。
【００３６】
本発明の実施例３の時間遅延ユニット１００は、実施例２におけるレンズ１０１の代わりに、回折効果により平凸レンズとして作用してレンズ１０１と同一の焦点距離を有するホログラム１１０に置き換えたものである。ホログラム１１０以外の部分は、実施例２と同様であるので、詳細は省略する。したがって、同様に、本発明の実施例３の時間遅延ユニット１００により、従来の可動ミラーよりも可動部分の移動距離を短くすることが可能となる。
【００３７】
（実施例４）
図９は、本発明の実施例４におけるレンズとミラーが一体化された時間遅延ユニットを示す。
【００３８】
本発明の実施例４の時間遅延ユニット１００は、実施例２におけるレンズ１０１とミラーを一体化したものであり、その詳細については省略する。本発明の実施例４の時間遅延ユニット１００により、従来の可動ミラーよりも可動部分の移動距離を短くすることが可能となり、さらに、位置調整を行う手間を省くことが可能となる。
【００３９】
（実施例５）
図１０は、本発明の実施例５におけるホログラムとミラーが一体化された時間遅延ユニットを示す。
【００４０】
本発明の実施例５の時間遅延ユニット１００は、実施例３におけるホログラム１１０とミラーを一体化したものであり、その詳細については省略する。本発明の実施例４の時間遅延ユニット１００により、従来の可動ミラーよりも可動部分の移動距離を短くすることが可能となり、さらに、位置調整を行う手間を省くことが可能となる。
【００４１】
（実施例６）
図１１は、本発明の実施例６におけるテラヘルツ時間領域分光装置の例を示す。
【００４２】
本発明の実施例６のテラヘルツ時間領域分光装置は、従来のテラヘルツ時間領域分光装置において可動ミラーの代わりに、実施例３で述べてきた時間遅延ユニット１００を例として配置したものである。同一距離の時間遅延を与えることを想定すると、可動部分の移動距離が短いため、測定の高速化が実現できる。
【００４３】
なお、本実施例では、一例として実施例３のホログラムを用いた時間遅延ユニットの適用例について示したが、勿論、他の実施例１、２、４、５に述べたいずれの時間遅延ユニットを適用するのでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、テラヘルツ時間領域分光装置の時間遅延ユニットに関する。
【符号の説明】
【００４５】
１  フェムト秒レーザー
２、１０  ミラー
３  ビームスプリッタ
４，１１  集光レンズ
５  発生器
６、８  非軸放物面ミラー
７  測定試料
９  検出器
２０  ステージコントローラ
３０  ステージ
１００  時間遅延ユニット
１０１  レンズ
１０２，１０３，１０４、１０７  ミラー
１０５  １／４波長板
１０６  偏光ビームスプリッタ
【図１】
2011169876.tif 000003
【図２】
2011169876.tif 000004
【図３】
2011169876.tif 000005
【図４】
2011169876.tif 000006
【図５】
2011169876.tif 000007
【図６】
2011169876.tif 000008
【図７】
2011169876.tif 000009
【図８】
2011169876.tif 000010
【図９】
2011169876.tif 000011
【図１０】
2011169876.tif 000012
【図１１】
2011169876.tif 000013
【図１２】
2011169876.tif 000014