(57)【要約】【課題】被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる光学解析装置及び光学解析方法を提供することを目的とする。【解決手段】テラヘルツ波発生モジュール１０は、テラヘルツ波発生部１１と、第１の周波数信号Ｆ１に基づいてテラヘルツ波Ｔの偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替える偏光切替部１３と、を含み、電場ベクトル計測部４０は、第１の周波数信号Ｆ１を参照することにより、テラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとを検出し、光学パラメータ解析部５０は、第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを決定する。【選択図】図２
2019095249.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析装置であって、
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生モジュールと、
前記テラヘルツ波発生モジュールによって発生した前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波発生モジュールとテラヘルツ波検出部との間の前記テラヘルツ波の光路上に配置された前記被測定物の配置部と、
前記テラヘルツ波検出部によって検出された前記テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、
前記電場ベクトル計測部による前記電場ベクトルの計測結果に基づいて、前記被測定物の光学パラメータを解析する光学パラメータ解析部と、
所定の周波数信号を生成する周波数信号生成部と、を備え、
前記テラヘルツ波発生モジュールは、
光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、
前記周波数信号に基づいて前記テラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替える偏光切替部と、を含み、
前記電場ベクトル計測部は、前記周波数信号を参照することにより、前記第１の偏光状態における前記テラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、前記第２の偏光状態における前記テラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出し、
前記光学パラメータ解析部は、前記第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、前記第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から前記被測定物の光学パラメータを決定する、光学解析装置。
【請求項２】
前記光学パラメータ解析部は、前記配置部に前記被測定物が配置されていない状態で得られた前記第１の電場ベクトルをリファレンスとして前記第１の解析データを得ると共に、前記配置部に前記被測定物が配置されていない状態で得られた前記第２の電場ベクトルをリファレンスとして前記第２の解析データを得る、請求項１に記載の光学解析装置。
【請求項３】
前記電場ベクトル計測部は、
前記周波数信号に対応する第１の参照信号、及び前記第１の参照信号に対して位相が反転した第２の参照信号を生成する参照信号生成部と、
前記第１の参照信号を用いて前記第１の電場ベクトルを検出し、前記第２の参照信号を用いて前記第２の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を有する請求項１又は２に記載の光学解析装置。
【請求項４】
前記偏光切替部は、
印加電圧に応じて前記テラヘルツ波発生部に向かう前記光の偏光状態を切り替える電気光学素子と、
前記周波数信号に基づく周期で前記電気光学素子に電圧を印加する電圧印加部と、を含む請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学解析装置。
【請求項５】
前記偏光切替部は、
前記電気光学素子の前段に配置された１／２波長板と、
前記電気光学素子の後段に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板の後段に配置された非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶の後段に配置されたテラヘルツ波長板と、を有し、
前記非線形光学結晶で発生した直線偏光の前記テラヘルツ波の偏光状態を右回りの円偏光と左回りの円偏光との間で切り替える、請求項４に記載の光学解析装置。
【請求項６】
前記偏光切替部は、
前記電気光学素子の前段に配置された１／２波長板と、
前記電気光学素子の後段に配置された非線形光学結晶と、
前記非線形光学結晶の後段に配置されたテラヘルツ波長板と、を有し、
前記非線形光学結晶で発生した直線偏光の前記テラヘルツ波の偏光状態を右回りの円偏光と左回りの円偏光との間で切り替える、請求項４に記載の光学解析装置。
【請求項７】
前記テラヘルツ波発生部は、非線形光学結晶によって構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学解析装置。
【請求項８】
前記光学パラメータは、光学軸の方位角、屈折率、吸光係数、及び誘電率の少なくとも一つを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学解析装置。
【請求項９】
前記テラヘルツ波は、複数の周波数成分を含み、
前記光学パラメータ解析部は、前記複数の周波数成分毎に前記光学パラメータを決定する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学解析装置。
【請求項１０】
前記光学パラメータ解析部は、前記複数の周波数成分毎に解析された前記光学パラメータの散らばりの指標を導出する、請求項９に記載の光学解析装置。
【請求項１１】
異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析方法であって、
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生工程と、
前記被測定物に入力された前記テラヘルツ波の電場ベクトルを計測するサンプル計測工程と、
前記サンプル計測工程で得られた前記電場ベクトルの計測結果に基づいて、前記被測定物の光学パラメータを解析する解析工程と、を含み、
前記テラヘルツ波発生工程では、光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させると共に、所定の周波数信号に基づいて前記テラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替え、
前記サンプル計測工程では、前記周波数信号を参照することにより、前記第１の偏光状態における前記テラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、前記第２の偏光状態における前記テラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出し、
前記解析工程では、前記第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、前記第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から前記被測定物の光学パラメータを決定する、光学解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学解析装置及び光学解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、異方性材料の光学的なパラメータを導出する方法がある。例えば非特許文献１には、異方性材料の回転角度ごとにテラヘルツ波の時間波形を取得し、軸の方位を決定した後に、各軸の複素屈折率を導出する方法が開示されている。また、非特許文献２には、円偏光のテラヘルツ波パルスで異方性材料をプローブし、その結果を所定の計算式を用いて解析することで複屈折パラメータを導出する方法が開示されている。特許文献１には、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を円偏光としてテラヘルツ波のプローブを行うことにより、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−９９３０９号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Y. Kim etal., "Investigationof THz birefringence measurement and calculation inAl2O3and LiNbO3", Appl.Opt. 50, 2906, （2011）
【非特許文献２】HS.Katletz et al.,"Polarization sensitive terahertz imaging: detection ofbirefringence andoptical axis", Opt.Express 20, 23025, （2012）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に記載された方法では、異方性材料を所定の角度ずつ回転させながら、角度ごとに時間波形を取得するため、計測に手間と時間を要するおそれがある。また、軸の方位を高分解能で決定するためには、細かく角度を変化させて時間波形を取得する必要があり、簡便な計測が困難である。
【０００６】
また、非特許文献２に記載された方法では、用いる計算式の性質上、被測定物が所定の厚みを有している場合、又は、被測定物の進相軸と遅相軸との屈折率差が大きい場合でなければ測定が困難である。また、同方法では、異方性材料に屈折率の波長分散がないことが前提となっているため、吸収ピークなどの分布を持つ材料の測定が困難である。このように、非特許文献２に記載の方法では、測定することができる被測定物に制限があり、簡便な計測が困難である。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる光学解析装置及び光学解析方法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】
【０００８】
一実施形態の光学解析装置は、異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析装置であって、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生モジュールと、テラヘルツ波発生モジュールによって発生したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、テラヘルツ波発生モジュールとテラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波の光路上に配置された被測定物の配置部と、テラヘルツ波検出部によって検出されたテラヘルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、電場ベクトル計測部による電場ベクトルの計測結果に基づいて、被測定物の光学パラメータを解析する光学パラメータ解析部と、所定の周波数信号を生成する周波数信号生成部と、を備え、テラヘルツ波発生モジュールは、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部と、周波数信号に基づいてテラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替える偏光切替部と、を含み、電場ベクトル計測部は、周波数信号を参照することにより、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出し、光学パラメータ解析部は、第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを決定する。
【０００９】
上記の光学解析装置では、被測定物を透過した第１の偏光状態のテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態のテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとが電場ベクトル計測部によって計測される。そして、これらの計測結果が光学パラメータ解析部によって解析されることで、被測定物の光学パラメータを含む第１の解析データ及び第２の解析データが得られる。ここで、被測定物の光学パラメータは、テラヘルツ波の偏光状態に依存しないので、第１の解析データ及び第２の解析データのいずれにおいても、正しい光学パラメータの値は共通している。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを一意に定めることができる。また、上記の光学解析装置では、周波数信号生成部によって生成された周波数信号に基づいて、被測定物を透過するテラヘルツ波の偏光状態が、互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替えられると共に、当該周波数信号の参照により、テラヘルツ波の第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとが電場ベクトル計測部によってそれぞれ検出される。これにより、テラヘルツ波の偏光状態を簡便に切り替えることが可能となり、被測定物の光学パラメータの決定に用いられる第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルを効率的に計測することができる。したがって、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。
【００１０】
また、光学パラメータ解析部は、配置部に被測定物が配置されていない状態で得られた第１の電場ベクトルをリファレンスとして第１の解析データを得ると共に、配置部に被測定物が配置されていない状態で得られた第２の電場ベクトルをリファレンスとして第２の解析データを得てもよい。このように、被測定物が配置されていない状態でのテラヘルツ波をリファレンスとすることによって、光学パラメータの絶対値を導出することができる。
【００１１】
また、電場ベクトル計測部は、周波数信号に対応する第１の参照信号、及び第１の参照信号に対して位相が反転した第２の参照信号を生成する参照信号生成部と、第１の参照信号を用いて第１の電場ベクトルを検出し、第２の参照信号を用いて第２の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を有してもよい。これにより、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを精度良く弁別して検出することができる。
【００１２】
また、偏光切替部は、印加電圧に応じてテラヘルツ波発生部に向かう光の偏光状態を切り替える電気光学素子と、周波数信号に基づく周期で電気光学素子に電圧を印加する電圧印加部と、を含んでもよい。この場合、簡単な構成でテラヘルツ波の偏光状態の切り替えを実施できる。
【００１３】
また、偏光切替部は、電気光学素子の前段に配置された１／２波長板と、電気光学素子の後段に配置された１／４波長板と、１／４波長板の後段に配置された非線形光学結晶と、非線形光学結晶の後段に配置されたテラヘルツ波長板と、を有し、非線形光学結晶で発生した直線偏光のテラヘルツ波の偏光状態を右回りの円偏光と左回りの円偏光との間で切り替えてもよい。右回りの円偏光及び左回りの円偏光を用いることで、第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルから第１の解析データ及び第２の解析データを取得する際の演算の複雑化を防止できる。
【００１４】
また、偏光切替部は、電気光学素子の前段に配置された１／２波長板と、電気光学素子の後段に配置された非線形光学結晶と、非線形光学結晶の後段に配置されたテラヘルツ波長板と、を有し、非線形光学結晶で発生した直線偏光のテラヘルツ波の偏光状態を右回りの円偏光と左回りの円偏光との間で切り替えてもよい。右回りの円偏光及び左回りの円偏光を用いることで、第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルから第１の解析データ及び第２の解析データを取得する際の演算の複雑化を防止できる。
【００１５】
また、テラヘルツ波発生部は、非線形光学結晶によって構成されてもよい。非線形光学結晶は、光の入射によってテラヘルツ波を発生させると共に該テラヘルツ波の偏光状態を変換する性質を有する。この性質を利用して、テラヘルツ波の第１の偏光状態及び第２の偏光状態を好適に実現することができる。
【００１６】
また、光学パラメータは、光学軸の方位角、屈折率、吸光係数及び誘電率の少なくとも一つを含んでもよい。
【００１７】
また、テラヘルツ波は、互いに異なる複数の周波数成分を含み、光学パラメータ解析部は、複数の周波数成分ごとに光学パラメータを決定してもよい。この場合、例えば、周波数成分ごとに取得された光学パラメータの平均を求めることによって、計測精度を高めることができる。
【００１８】
また、光学パラメータ解析部は、複数の周波数成分ごとに解析された光学パラメータの散らばりの指標を導出してもよい。例えば、異方性材料の光学軸の方位を決定する場合などに、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。
【００１９】
一実施形態の光学解析方法は、異方性を有する被測定物の光学パラメータを解析する光学解析方法であって、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生工程と、被測定物に入力されたテラヘルツ波の電場ベクトルを計測するサンプル計測工程と、サンプル計測工程で得られた電場ベクトルの計測結果に基づいて、被測定物の光学パラメータを解析する解析工程と、を含み、テラヘルツ波発生工程では、光の入射によってテラヘルツ波を発生させると共に、所定の周波数信号に基づいてテラヘルツ波の偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替え、サンプル計測工程では、周波数信号を参照することにより、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを検出し、解析工程では、第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第１の解析データと、第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づく第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを決定する。
【００２０】
上記の光学解析方法では、被測定物を透過した第１の偏光状態のテラヘルツ波の第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態のテラヘルツ波の第２の電場ベクトルとを計測し、これらの計測結果を解析することによって、被測定物の光学パラメータを含む第１の解析データ及び第２の解析データを取得する。ここで、被測定物の光学パラメータは、テラヘルツ波の偏光状態に依存しないので、第１の解析データ及び第２の解析データのいずれにおいても、正しい光学パラメータの値は共通している。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物の光学パラメータを一意に定めることができる。また、上記の光学解析方法では、周波数信号に基づいて、被測定物を透過するテラヘルツ波の偏光状態が互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に切り替えられると共に、当該周波数信号の参照により、テラヘルツ波の第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとがそれぞれ検出される。これにより、テラヘルツ波の偏光状態を簡便に切り替えることが可能となり、被測定物の光学パラメータの決定に用いられる第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルを効率的に計測することができる。したがって、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、被測定物の光学パラメータを簡便に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、一実施形態の光学解析装置を示す構成図である。
【図２】図２は、テラヘルツ波発生モジュールを示す構成図である。
【図３】図３は、テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。
【図４】図４は、電場ベクトル計測部及び光学パラメータ解析部の構成例を示すブロック図である。
【図５】図５は、光学パラメータ解析部による解析結果を説明するための図である。
【図６】図６は、光学パラメータ解析部による解析結果を説明するための図である。
【図７】図７は、光学パラメータ解析部による解析結果を説明するための図である。
【図８】図８は、光学パラメータ解析部による解析結果を説明するための図である。
【図９】図９は、一実施形態の光学解析方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第１変形例によるテラヘルツ波発生モジュールを示す構成図である。
【図１２】図１２は、第２変形例による光学解析装置を示す構成図である。
【図１３】図１３は、第３変形例による光学パラメータ解析部の解析結果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の光学解析装置及び光学解析方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２４】
図１は、本実施形態に係る光学解析装置１を示す図である。光学解析装置１は、複屈折材料のような光学的な異方性を有する被測定物Ｓの光学パラメータを解析する。光学パラメータは、例えば被測定物Ｓの光学軸の方位角、屈折率、吸光係数、誘電率等である。図１に示すように、光学解析装置１は、テラヘルツ波発生モジュール１０と、テラヘルツ波検出素子（テラヘルツ波検出部）３０と、被測定物Ｓの配置部１９とを含んでいる。テラヘルツ波発生モジュール１０から出力されたテラヘルツ波Ｔは、配置部１９に配置された被測定物Ｓに入射される。被測定物Ｓに入射されたテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３０によって検出される。以下、光学解析装置１について詳細に説明する。
【００２５】
光学解析装置１は、出射光Ｌとしてフェムト秒レーザを出射する光源２と、光源２からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ３と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ６と、テラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生モジュール１０と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子３０と、テラヘルツ波発生モジュール１０とテラヘルツ波検出素子３０との間の光路上に配置された配置部１９と、プローブ光Ｌａの偏光を調整する偏光調整部３２と、プローブ光Ｌａを検出する光検出器３４と、電場ベクトル計測部４０と、光学パラメータ解析部５０とを備える。
【００２６】
光源２から出射されるフェムト秒レーザは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷとなっている。遅延ステージ６は、例えばビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ６ａと、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー６ｂ，６ｃとを有している。遅延ステージ６を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー８によってテラヘルツ波発生モジュール１０に導光される。
【００２７】
図２は、テラヘルツ波発生モジュール１０を示す構成図である。テラヘルツ波発生モジュール１０には、ミラー８によって導光されたポンプ光Ｌｂが入射する。本実施形態では、ミラー８からテラヘルツ波発生モジュール１０に入射するポンプ光Ｌｂの偏光状態は、水平方向を基準偏光方向（０°）とする直線偏光である。テラヘルツ波発生モジュール１０は、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生部１１と、テラヘルツ波発生部１１から発生するテラヘルツ波Ｔの偏光状態を切り替える偏光切替部１３とを有している。
【００２８】
テラヘルツ波発生部１１は、例えば、光学的等方媒質であるＺｅＴｅの（１１１）面を切り出した非線形光学結晶によって構成されている。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。テラヘルツ波発生部（非線形光学結晶）１１に入射されたポンプ光Ｌｂは、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。このテラヘルツ波Ｔは、例えば０．１〜３ＴＨｚの帯域の周波数成分を含む。本実施形態では、非線形光学結晶１１の結晶軸の方向は、基準偏光方向と一致している。非線形光学結晶１１の結晶軸に対して、入射したポンプ光Ｌｂの偏光方向が角度θだけ傾いている場合には、非線形光学結晶１１で発生するテラヘルツ波Ｔの偏光方向の角度は、入射したポンプ光Ｌｂの偏光方向に対して−２θだけ傾く。一方、非線形光学結晶１１の結晶軸と入射されたポンプ光Ｌｂの偏光方向とが一致する場合には、非線形光学結晶１１で発生するテラヘルツ波Ｔの偏光方向は、入射されたポンプ光Ｌｂの偏光方向と一致する。
【００２９】
偏光切替部１３は、電場ベクトル計測部４０から出力される第１の周波数信号Ｆ１（図１参照）に基づいて、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に交互に切り替える。本実施形態における偏光切替部１３は、例えば、１／２波長板１４、ポッケルスセル１５（電気光学素子）、ポッケルスセル駆動部１６（電圧印加部）、１／４波長板１７、及びテラヘルツ波長板１８によって構成されている。
【００３０】
１／２波長板１４は、ポッケルスセル１５の前段（すなわち、光の進行方向における上流側）に配置されている。具体的には、１／２波長板１４は、ミラー８（図１参照）とポッケルスセル１５との間の光路上に配置されている。本実施形態では、１／２波長板１４は、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を０°の直線偏光から４５°の直線偏光に変換する。
【００３１】
ポッケルスセル１５は、電気光学効果によってポンプ光Ｌｂの偏光状態を制御する素子である。ポッケルスセル１５は、１／４波長板１７の後段（すなわち光の進行方向における下流側）に配置されている。ポッケルスセル１５は、１／２波長板１４と１／４波長板１７との間の光路上に配置されている。ポッケルスセル１５は、１／２波長板１４から非線形光学結晶１１に向かうポンプ光Ｌｂの偏光状態を印加電圧に応じて切り替える。本実施形態では、ポッケルスセル１５の結晶軸の方向は、基準偏光方向と一致している。ポッケルスセル１５は、電圧が印加されている期間では、１／４波長板として機能し、電圧が印加されていない期間では、１／４波長板として機能せず、入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態をそのまま維持する。
【００３２】
ポッケルスセル駆動部１６は、ポッケルスセル１５と電気的に接続されている。ポッケルスセル駆動部１６には、電場ベクトル計測部４０から第１の周波数信号Ｆ１（図１参照）が入力される。ポッケルスセル駆動部１６は、第１の周波数信号Ｆ１に基づく周期（例えば１ｋＨｚ）でポッケルスセル１５に電圧を印加する。このポッケルスセル駆動部１６により周期的に印加される電圧によって、ポッケルスセル１５を通過するポンプ光Ｌｂの偏光状態が左回りの円偏光と４５°の直線偏光との間で周期的に切り替えられる。
【００３３】
１／４波長板１７は、ポッケルスセル１５の後段に配置されている。具体的には、１／４波長板１７は、ポッケルスセル１５と非線形光学結晶１１との間の光路上に配置されている。１／４波長板１７は、本実施形態では、１／４波長板１７は、ポッケルスセル１５から入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態を左周りの円偏光から０°の直線偏光に変換する。また、１／４波長板１７は、ポッケルスセル１５から入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態を４５°直線偏光のまま維持する。したがって、非線形光学結晶１１は、入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態が０°の直線偏光である場合には、０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。また、非線形光学結晶１１は、入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態が４５°の直線偏光である場合には、−９０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。
【００３４】
テラヘルツ波長板１８は、非線形光学結晶１１の後段に配置されている。テラヘルツ波長板１８は、非線形光学結晶１１とテラヘルツ波検出素子３０（図１参照）との間の光路上に配置されている。テラヘルツ波長板１８は、テラヘルツ波Ｔに適用可能な１／４波長板である。本実施形態では、テラヘルツ波長板１８は、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を０°の直線偏光から右回りの円偏光（第１の偏光状態）に変換する。また、テラヘルツ波長板１８は、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を−９０°の直線偏光から左回りの円偏光（第２の偏光状態）に変換する。
【００３５】
以上の構成を有するテラヘルツ波発生モジュール１０の作用をまとめると、１／２波長板１４は、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を０°の直線偏光から４５°の直線偏光に変換し、ポッケルスセル１５は、ポッケルスセル駆動部１６による電圧の印加の有無により、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を左回りの円偏光又は４５°の直線偏光に周期的に変換する。また、１／４波長板１７は、左回りの円偏光のポンプ光Ｌｂを０°の直線偏光に変換する一方、４５°の直線偏光のポンプ光Ｌｂの偏光状態をそのまま維持する。非線形光学結晶１１は、０°の直線偏光のポンプ光Ｌｂが入射した場合には、０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させ、４５°の直線偏光のポンプ光Ｌｂが入射した場合には、−９０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。テラヘルツ波長板１８は、０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔに変換し、−９０°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔに変換する。したがって、テラヘルツ波発生モジュール１０では、第１の周波数信号Ｆ１に基づいて、右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔと左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔとが周期的に出力されることとなる。
【００３６】
図１に戻り、被測定物Ｓが配置される配置部１９は、テラヘルツ波発生モジュール１０とテラヘルツ波検出素子３０との間の光路上に配置されている。そのため、配置部１９に被測定物Ｓが配置されている場合、テラヘルツ波発生モジュール１０から出射されたテラヘルツ波Ｔは、被測定物Ｓを透過してテラヘルツ波検出素子３０に入射する。一方、配置部１９に被測定物Ｓが配置されていない場合、テラヘルツ波発生モジュール１０から出射されたテラヘルツ波Ｔは、被測定物Ｓを透過することなく、テラヘルツ波検出素子３０に入射する。配置部１９は、被測定物Ｓの厚さ方向をテラヘルツ波Ｔの伝播方向に一致させるように配置されたホルダ等によって構成され得る。
【００３７】
プローブ光Ｌａは、ミラー９を経て偏光調整部３２に導光される。偏光調整部３２は、偏光子３６と、１／４波長板３７とによって構成されている。偏光調整部３２に導光されたプローブ光Ｌａは、偏光子３６によって所定方向の直線偏光となり、さらに、１／４波長板３７によって円偏光となる。
【００３８】
円偏光となったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ３８により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子３０に導光され、他方は、第２の光検出器３４Ｂに導光される。
【００３９】
テラヘルツ波検出素子３０は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面３０ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子３０の他方面３０ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面３０ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。
【００４０】
図３は、テラヘルツ波検出素子３０におけるテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥＴは、振幅｜ＥＴ｜と、方位θＴとによって表される。方位θＴは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。
【００４１】
テラヘルツ波検出素子３０に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調され、偏光状態が楕円偏光などに変化する。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａで反射して無偏光ビームスプリッタ３８に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、回転検光子３９に入射し、他方は戻り光となる。
【００４２】
回転検光子３９は、モータなどにより、検光子が面内で回転する素子である。回転検光子３９は、所定の周波数を有する第２の周波数信号Ｆ２を生成し、該第２の周波数信号Ｆ２の周波数で回転する。第２の周波数信号Ｆ２の周波数は、第１の周波数信号Ｆ１とは独立して、例えば２０Ｈｚ〜１００Ｈｚ程度に設定される。プローブ光Ｌａが検光子に入射すると、特定の直線偏光のみが出力される。したがって、検光子が回転する場合、プローブ光Ｌａが変調される。回転検光子３９で変調されたプローブ光Ｌａは、第１の光検出器３４Ａに入射する。戻り光は、１／４波長板３７によって直線偏光に近い楕円偏光となり、大部分が偏光子３６でカットされる。
【００４３】
第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、例えばフォトダイオードである。第１の光検出器３４Ａは、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する光検出器であり、回転検光子３９によって変調されたプローブ光Ｌａを検出する。第２の光検出器３４Ｂは、パワー変動のモニタリングに用いられる光検出器であり、テラヘルツ波検出素子３０に向かわずに無偏光ビームスプリッタ３８を透過したプローブ光Ｌａを検出する。
【００４４】
図４は、電場ベクトル計測部４０及び光学パラメータ解析部５０の構成例を示すブロック図である。電場ベクトル計測部４０は、テラヘルツ波検出素子３０によって検出されたテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する。同図に示すように、電場ベクトル計測部４０は、差動検出器４１と、参照信号生成部４２と、第１のロックイン検出器４５Ａ，４５Ｂと、第２のロックイン検出器４６Ａ，４６Ｂと、電場ベクトル検出部４７とを有している。
【００４５】
差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分を検出する部分である。差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分に基づく検出信号Ｄを第１のロックイン検出器４５Ａ，４５Ｂにそれぞれ出力する。この検出信号Ｄは、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを示す第１の検出信号Ｄ１、及び、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを示す第２の検出信号Ｄ２を含んでいる。差動検出を行うことにより、プローブ光Ｌａにおけるパワー変動成分が除去される。このとき、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、テラヘルツ波Ｔが入射しない状態で、差動検出器４１の検出信号Ｄの強度がゼロとなるように感度調整されていることが好ましい。
【００４６】
参照信号生成部４２は、周波数信号生成部４３と、第１の参照信号生成器４４Ａと、第２の参照信号生成器４４Ｂとを有する。周波数信号生成部４３は、ポッケルスセル駆動部１６と電気的に接続されている。周波数信号生成部４３は、所定の周波数（例えば１ｋＨｚの繰り返し周波数）を有する第１の周波数信号Ｆ１を生成する。周波数信号生成部４３は、生成した第１の周波数信号Ｆ１をポッケルスセル駆動部１６に出力する。
【００４７】
第１の参照信号生成器４４Ａは、周波数信号生成部４３と電気的に接続されている。第１の参照信号生成器４４Ａは、第１の周波数信号Ｆ１に対応する第１の参照信号Ｒ１を生成する。第１の参照信号Ｒ１は、第１の周波数信号Ｆ１の周波数において０と１との間で周期的に変動する。第２の参照信号生成器４４Ｂは、周波数信号生成部４３と電気的に接続されている。第２の参照信号生成器４４Ｂは、第１の参照信号Ｒ１に対して位相が反転した第２の参照信号Ｒ２を生成する。第２の参照信号Ｒ２は、第１の周波数信号Ｆ１の周波数において０と１との間で周期的に変動する。第２の参照信号Ｒ２と第１の参照信号Ｒ１との間には、任意の遅延が与えられていてもよく、０と１の信号の時間的幅が任意に調整できてもよい。これにより、実際のポッケルスセル１５の動作に合わせて精度よく第１の検出信号Ｄ１と第２の検出信号Ｄ２とを分離できる。
【００４８】
第１のロックイン検出器４５Ａは、差動検出器４１及び第１の参照信号生成器４４Ａと電気的に接続されている。第１のロックイン検出器４５Ａには、差動検出器４１からの検出信号Ｄが入力される。また、第１のロックイン検出器４５Ａには、第１の参照信号生成器４４Ａからの第１の参照信号Ｒ１が入力される。第１のロックイン検出器４５Ａは、第１の参照信号Ｒ１を参照することにより、検出信号Ｄに含まれる第１の検出信号Ｄ１及び第２の検出信号Ｄ２のうち第１の検出信号Ｄ１のみを検出する。
【００４９】
第１のロックイン検出器４５Ｂは、差動検出器４１及び第２の参照信号生成器４４Ｂと電気的に接続されている。第１のロックイン検出器４５Ｂには、差動検出器４１からの検出信号Ｄが入力される。また、第１のロックイン検出器４５Ｂには、第２の参照信号生成器４４Ｂからの第２の参照信号Ｒ２が入力される。第１のロックイン検出器４５Ｂは、第２の参照信号Ｒ２を参照することにより、第１の検出信号Ｄ１及び第２の検出信号Ｄ２のうち第２の検出信号Ｄ２のみを検出する。
【００５０】
第２のロックイン検出器４６Ａは、第１のロックイン検出器４５Ａ及び回転検光子３９と電気的に接続されている。第２のロックイン検出器４６Ａは、第１のロックイン検出器４５Ａからの第１の検出信号Ｄ１をロックイン検出する。本実施形態の第２のロックイン検出器４６Ａは、２位相ロックイン検出器であり、参照信号の周波数に同期して変化する第１の検出信号Ｄ１の振幅と位相とを同時に検出する。第２のロックイン検出器４６Ａは、例えば参照信号の周波数を回転検光子３９からの第２の周波数信号Ｆ２の周波数の２倍の周波数として第１の検出信号Ｄ１のロックイン検出を行う。
【００５１】
第２のロックイン検出器４６Ｂは、第１のロックイン検出器４５Ｂ及び回転検光子３９と電気的に接続されている。第２のロックイン検出器４６Ｂは、第１のロックイン検出器４５Ｂからの第２の検出信号Ｄ２をロックイン検出する。本実施形態の第２のロックイン検出器４６Ｂは、２位相ロックイン検出器であり、参照信号の周波数に同期して変化する第２の検出信号Ｄ２の振幅と位相とを同時に検出する。第２のロックイン検出器４６Ｂは、第２のロックイン検出器４６Ａと同様に、例えば参照信号の周波数を回転検光子３９からの第２の周波数信号Ｆ２の周波数の２倍の周波数として第２の検出信号Ｄ２のロックイン検出を行う。第１のロックイン検出器４５Ａ，４５Ｂ、及び、第２のロックイン検出器４６Ａ，４６Ｂは、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）により構成されてもよく、コンピュータ上のソフトウェアとしてプログラムにより構成されてもよい。
【００５２】
電場ベクトル検出部４７は、第２のロックイン検出器４６Ａ，４６Ｂのそれぞれと電気的に接続されている。電場ベクトル検出部４７は、第２のロックイン検出器４６Ａからの第１の検出信号Ｄ１に基づいて、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルを検出し、第２のロックイン検出器４６Ｂからの第２の検出信号Ｄ２に基づいて、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルを検出する。電場ベクトル検出部４７は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。
【００５３】
ここで、テラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルの検出方法について以下に説明する。なお、以下の説明は、第１の電場ベクトルの検出方法、及び第２の電場ベクトルの検出方法の両方に共通する。従って、以下の説明では、第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとを区別せずに単に「電場ベクトル」として説明し、第１の検出信号Ｄ１と第２の検出信号Ｄ２とを区別せずに単に「検出信号」として説明する。
【００５４】
検出信号に含まれる振幅ＡＬ及び位相φＬと、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜ＥＴ｜及び方位θＴとの間には、下記の関係が成り立つ。下記式におけるＡＣは、テラヘルツ波検出素子３０として用いる電気光学結晶の非線形光学定数及び厚さ、プローブ光Ｌａの波長などに基づいて決定される定数である。下記式により、第２のロックイン検出器４６Ａ，４６Ｂからの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。
【数１】
2019095249.tif 000003
【数２】
2019095249.tif 000004
【００５５】
なお、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合には、下記式が成立する。この場合には、検出信号に含まれる振幅ＡＬを、そのままテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜ＥＴ｜としてもよい。
【数３】
2019095249.tif 000005
【００５６】
また、２位相ロックイン検出器は、参照信号の位相に従ってＡＬｃｏｓφＬとＡＬｓｉｎφＬとをそれぞれ出力することができる。テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合、これらの出力とテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分との間には、下記式が成立する。したがって、第２のロックイン検出器から出力される２つの出力に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する信号ＥＴｘ，ＥＴｙが得られることとなる。本実施形態では、例えば、ＥＴｘが水平方向を軸方向としており、ＥＴｙが垂直方向を軸方向としている。
【数４】
2019095249.tif 000006
【数５】
2019095249.tif 000007
【００５７】
光学パラメータ解析部５０は、電場ベクトル検出部４７と電気的に接続されている。光学パラメータ解析部５０は、電場ベクトル検出部４７によって計測された電場ベクトルに基づいて、被測定物Ｓの光学パラメータを解析する部分である。光学パラメータ解析部５０は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。光学パラメータ解析部５０と電場ベクトル検出部４７とは、同一のコンピュータシステムによって構成されてもよい。例えば、光学パラメータ解析部５０は、計測された電場ベクトルのデータをメモリ等に保存しておき、必要に応じて呼び出すことができる。
【００５８】
本実施形態の光学パラメータ解析部５０では、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第１の解析データを取得する。また、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルと回転行列との積をフーリエ変換して得られるスペクトルデータに基づいて第２の解析データを取得する。そして、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを決定する。以下、さらに詳細に説明する。なお、以下の説明においても、第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとを区別せずに単に「電場ベクトル」として説明する。
【００５９】
上述の通り、電場ベクトル検出部４７では、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する信号ＥＴｘ，ＥＴｙが得られる。すなわち、電場ベクトルをＥとすると、Ｅは以下の式によって表される。
【数６】
2019095249.tif 000008
【００６０】
光学パラメータ解析部５０では、以下の式に示すように、電場ベクトルＥに回転行列をかけることによって、元の基準となる軸から任意の解析角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥ’を取得する。本実施形態では、解析角度θが０°〜１８０°の範囲に設定されており、設定された範囲内において、任意の角度刻みで電場ベクトルＥ’が取得される。電場ベクトルＥ’では、信号ＥＴｘの軸から角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥの成分がＥＴｘ’として取得され、信号ＥＴｙの軸から角度θだけ傾いた軸における電場ベクトルＥの成分がＥＴｙ’として取得される。
【数７】
2019095249.tif 000009
【００６１】
次に、電場ベクトルＥ’が取得されたそれぞれの解析角度θにおいて、透過計測の解析を実行し、所望の光学パラメータを導出する。本実施形態では、配置部１９に被測定物Ｓが配置された状態で計測された電場ベクトルをサンプル計測結果とし、配置部１９に被測定物Ｓが配置されていない状態で計測された電場ベクトルをリファレンス計測結果とする。例えば、屈折率実部を求める場合、サンプル計測結果及びリファレンス計測結果で取得された電場ベクトルＥ’のＥＴｘ’成分をフーリエ変換してスペクトルデータを求める。そして、スペクトルデータの位相成分におけるサンプル計測結果とリファレンス計測結果との差、及び、被測定試料の厚さに基づいて、それぞれの解析角度θと屈折率実部との関係を示す解析データが取得される。解析データは、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔに基づく第１の解析データと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔに基づく第２の解析データとを含む。なお、被測定物Ｓの直交する二軸（遅相軸及び進相軸）の差（例えば屈折率差）のみを取得したい場合には、リファレンス計測結果は不要である。この場合、サンプル計測結果のみを計測すればよい。
【００６２】
図５、６は、解析データの一例である。この例では、電場ベクトル検出部４７によって計測された電場ベクトルＥの軸から光学軸が２０°傾いた状態で配置された被測定物Ｓを測定したときの解析データを示している。すなわち、この被測定物Ｓは、基準となる信号ＥＴｘが得られる軸を０°として、２０°の位置に遅相軸を有し、１１０°の位置に進相軸を有している。遅相軸における屈折率実部の値はｎｏ＝２．４であり、進相軸における屈折率実部の値はｎｅ＝２．０となっている。
【００６３】
図５は、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを用いて計測された第１の解析データを示すグラフである。この例では、入射されるテラヘルツ波Ｔの偏光状態が右回りの円偏光となっている。また、図６は、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔを用いて計測された第２の解析データを示すグラフである。この例では、入射されるテラヘルツ波Ｔの偏光状態が左回りの円偏光となっている。いずれのグラフにおいても横軸が解析角度θであり、縦軸が算出された屈折率実部の値である。
【００６４】
図７は、第１の解析データを示すグラフと第２の解析データを示すグラフとを重ね合わせたものである。図７に示されるように、２つのグラフは、解析角度θが２０°の位置と１１０°の位置との２か所で交差している。光学パラメータ解析部５０は、第１の解析データを示すグラフと第２の解析データを示すグラフとの交点における光学パラメータを導出する。すなわち、上記の例では、光学パラメータ解析部５０は、遅相軸及び進相軸の位置として交点における方位角である２０°及び１１０°を導出する。また、光学パラメータ解析部５０は、屈折率実部の値として、一方の交点である２０°における屈折率実部の値２．４と他方の交点である１１０°における屈折率実部の値２．０を導出する。
【００６５】
また、本実施形態では、被測定物Ｓに入射されるテラヘルツ波Ｔが少なくとも１〜２ＴＨｚの帯域の周波数成分を含んでいる。そこで、光学パラメータ解析部５０では、異なる周波数成分に対してそれぞれ第１の解析データ及び第２の解析データを導出してもよい。この場合、光学パラメータ解析部５０は、それぞれの周波数成分における光学パラメータを導出することができる。図８は、１ＴＨｚ〜２ＴＨｚの周波数帯において導出された一方の光学軸の方位をプロットしたグラフである。光学パラメータ解析部５０では、各周波数成分で求められた方位の平均の値を算出して、光学軸の方位の値を決定することができる。
【００６６】
図９は、本実施形態における光学解析方法を示すフローチャートである。光学解析方法は、上述の光学解析装置１を用いて実行され得る。図９に示されるように、光学解析方法は、リファレンス計測工程Ｓ１、サンプル計測工程Ｓ２、解析データ取得工程Ｓ３及び光学パラメータ決定工程Ｓ４を有している。
【００６７】
リファレンス計測工程Ｓ１では、配置部１９に被測定物Ｓが配置されていない状態で、第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルとを計測する。また、サンプル計測工程Ｓ２では、配置部１９に被測定物Ｓが配置されている状態で、被測定物Ｓを透過した第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルとを計測する。リファレンス計測工程Ｓ１及びサンプル計測工程Ｓ２は、同様の環境条件の下で実施される。
【００６８】
図１０は、リファレンス計測工程Ｓ１及びサンプル計測工程Ｓ２に共通する電場ベクトルの計測方法を示すフローチャートである。図１０に示すように、この電場ベクトルの計測方法では、まず、光源２によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ１１：レーザ出射ステップ）。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、遅延ステージ６を通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ１２：遅延ステップ）。
【００６９】
遅延ステージ６を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生モジュール１０に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ１３：偏波切替ステップ及びテラヘルツ波発生ステップ）。このとき、非線形光学結晶１１から発生するテラヘルツ波Ｔの偏光状態は、周波数信号生成部４３から出力された第１の周波数信号Ｆ１に基づいて、互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態の間で周期的に交互に切り替えられる。なお、ステップＳ１３は、本実施形態におけるテラヘルツ波発生工程に含まれる。テラヘルツ波発生モジュール１０で発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３０に入射する（ステップＳ１４：テラヘルツ波検出ステップ）。この際、サンプル計測工程Ｓ２では、テラヘルツ波Ｔが被測定物Ｓを透過している。一方、リファレンス計測工程Ｓ１では、テラヘルツ波Ｔが被測定物Ｓを透過することなく、テラヘルツ波検出素子３０に入射する。
【００７０】
一方、プローブ光Ｌａは、偏光調整部３２に導光され、偏光状態が円偏光となる（ステップＳ１５：偏光状態調整ステップ）。偏光状態が円偏光となったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ１６：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、テラヘルツ波Ｔの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。
【００７１】
プローブ後のプローブ光Ｌａは、回転検光子３９によって変調され（ステップＳ１７：プローブ光変調ステップ）、第１の光検出器３４Ａによって検出される（ステップＳ１８：プローブ光検出ステップ）。また、プローブに用いられなかったプローブ光Ｌａは、第２の光検出器３４Ｂによって検出される。
【００７２】
次に、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂからの検出信号がそれぞれ差動検出器４１に出力され、差動検出が行われる。また、第１の参照信号生成器４４Ａによって第１の参照信号Ｒ１が生成され、第２の参照信号生成器４４Ｂによって第２の参照信号Ｒ２が生成される（ステップＳ１９：差動検出ステップ及び参照信号生成ステップ）。差動検出器４１からの検出信号Ｄは、第１のロックイン検出器４５Ａ，４５Ｂにそれぞれ出力される。第１の参照信号Ｒ１は、第１のロックイン検出器４５Ａに出力され、第２の参照信号Ｒ２は、第１のロックイン検出器４５Ｂに出力される。
【００７３】
第１のロックイン検出器４５Ａに第１の参照信号Ｒ１が入力されると、この第１の参照信号Ｒ１の参照により、検出信号Ｄに含まれる第１の検出信号Ｄ１及び第２の検出信号Ｄ２のうち、第１の検出信号Ｄ１のみが検出される。また、第１のロックイン検出器４５Ｂに第２の参照信号Ｒ２が入力されると、この第２の参照信号Ｒ２の参照により、第２の検出信号Ｄ２のみが検出される（ステップＳ２０：第１のロックイン検出ステップ）。検出された第１の検出信号Ｄ１は、第２のロックイン検出器４６Ａに出力され、第２の検出信号Ｄ２は、第２のロックイン検出器４６Ｂに出力される。
【００７４】
第１のロックイン検出器４５Ａからの第１の検出信号Ｄ１が第２のロックイン検出器４６Ａに出力されると、例えば、回転検光子３９からの第２の周波数信号Ｆ２の周波数の２倍の周波数を参照信号として第１の検出信号Ｄ１のロックイン検出が行われる。また、第１のロックイン検出器４５Ｂからの第２の検出信号Ｄ２が第２のロックイン検出器４６Ｂに出力されると、例えば、第２の周波数信号Ｆ２の周波数の２倍の周波数を参照信号として第２の検出信号Ｄ２のロックイン検出が行われる（ステップＳ２１：第２のロックイン検出ステップ）。第２のロックイン検出器４６Ａからの第１の検出信号Ｄ１は、電場ベクトル検出部４７に出力され、この第１の検出信号Ｄ１に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルの振幅及び方向が検出される。また、第２のロックイン検出器４６Ｂからの第２の検出信号Ｄ２は、電場ベクトル検出部４７に出力され、この第２の検出信号Ｄ２に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ２２：電場ベクトル検出ステップ）。
【００７５】
再び図９に戻り、解析データ取得工程Ｓ３では、リファレンス計測工程Ｓ１で得られた第１の電場ベクトル、及びサンプル計測工程Ｓ２で得られた第１の電場ベクトルに基づいて第１の解析データを取得する。また、解析データ取得工程Ｓ３では、リファレンス計測工程Ｓ１で得られた第２の電場ベクトル、及び第２のサンプル計測工程Ｓ２で得られた第２の電場ベクトルに基づいて第２の解析データを取得する。
【００７６】
続いて、光学パラメータ決定工程Ｓ４では、解析データ取得工程Ｓ３で取得された第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを決定する。解析データ取得工程Ｓ３及び光学パラメータ決定工程Ｓ４は、光学パラメータ解析部５０によって実行される。なお、これらの工程Ｓ３，Ｓ４は、本実施形態における解析工程に含まれる。
【００７７】
以上説明した光学解析装置１及び光学解析方法では、被測定物Ｓに入力された第１の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと第２の偏光状態のテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルとを計測し、これらの計測結果を解析することによって、被測定物Ｓの光学パラメータを含む第１の解析データ及び第２の解析データを取得する。ここで、被測定物Ｓの光学パラメータは、テラヘルツ波Ｔの偏光状態に依存しないので、第１の解析データ及び第２の解析データのいずれにおいても、正しい光学パラメータの値は共通している。そのため、第１の解析データと第２の解析データとの交点から被測定物Ｓの光学パラメータを一意に定めることができる。
【００７８】
また、光学解析装置１及び光学解析方法では、第１の周波数信号Ｆ１に基づいて、被測定物Ｓを透過するテラヘルツ波Ｔの偏光状態が互いに異なる第１の偏光状態（右回りの円偏光）及び第２の偏光状態（左回りの円偏光）の間で周期的に切り替えられると共に、第１の周波数信号Ｆ１に基づく第１の参照信号Ｒ１及び第２の参照信号Ｒ２の参照により、テラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと第２の電場ベクトルとがそれぞれ検出される。これにより、テラヘルツ波Ｔの偏光状態を簡便に切り替えることが可能となり、被測定物Ｓの光学パラメータの決定に用いられる第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルを効率的に計測することができる。具体的には、リファレンス計測工程Ｓ１及びサンプル計測工程Ｓ２のそれぞれの工程において、第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルを１度に計測することが可能となる。したがって、被測定物Ｓの光学パラメータを簡便に計測することができる。
【００７９】
また、光学パラメータ解析部５０は、配置部１９に被測定物Ｓが配置されていない状態で得られた第１の電場ベクトルをリファレンスとして第１の解析データを得ると共に、配置部１９に被測定物Ｓが配置されていない状態で得られた第２の電場ベクトルをリファレンスとして第２の解析データを得てもよい。このように、被測定物Ｓが配置されていない状態でのテラヘルツ波をリファレンスとすることによって、計測されたテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルをリファレンスとして用いているので、光学パラメータの絶対値を導出することができる。なお、リファレンスを用いない場合は、進相軸と遅相軸とにおける光学パラメータ同士の差を導出することができる。
【００８０】
また、電場ベクトル計測部４０は、第１の周波数信号Ｆ１に対応する第１の参照信号Ｒ１、及び第１の参照信号Ｒ１に対して位相が反転した第２の参照信号Ｒ２を生成する参照信号生成部４２と、第１の参照信号Ｒ１を用いて第１の電場ベクトルを検出し、第２の参照信号Ｒ２を用いて第２の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部４７と、を有してもよい。これにより、第１の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第１の電場ベクトルと、第２の偏光状態におけるテラヘルツ波Ｔの第２の電場ベクトルとを精度良く弁別して検出することができる。
【００８１】
また、偏光切替部１３は、印加電圧に応じて非線形光学結晶１１に向かうポンプ光Ｌｂの偏光状態を切り替えるポッケルスセル１５と、第１の周波数信号Ｆ１に基づく周期で電気光学素子に電圧を印加するポッケルスセル駆動部１６と、を含んでもよい。この場合、簡単な構成でテラヘルツ波Ｔの偏光状態の切り替えを実施できる。
【００８２】
また、偏光切替部１３は、１／２波長板１４と、１／４波長板１７と、非線形光学結晶１１と、テラヘルツ波長板１８と、を有し、非線形光学結晶１１で発生した直線偏光のテラヘルツ波Ｔの偏光状態を右回りの円偏光と左回りの円偏光との間で切り替えてもよい。右回りの円偏光及び左回りの円偏光を用いることで、第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルから第１の解析データ及び第２の解析データを取得する際の演算の複雑化を防止できる。
【００８３】
また、テラヘルツ波発生部１１は、非線形光学結晶によって構成されてもよい。非線形光学結晶は、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させると共に該テラヘルツ波Ｔの偏光状態を変換する性質を有する。この性質を利用して、テラヘルツ波Ｔの第１の偏光状態及び第２の偏光状態を好適に実現することができる。
【００８４】
また、テラヘルツ波Ｔは、互いに異なる複数の周波数成分を含み、光学パラメータ解析部５０は、複数の周波数成分ごとに光学パラメータを決定してもよい。この場合、例えば、周波数成分ごとに取得された光学パラメータの平均を求めることによって、計測精度を高めることができる。
【００８５】
また、光学パラメータ解析部５０は、複数の周波数成分ごとに解析された光学パラメータの散らばりの指標を導出してもよい。例えば、異方性材料の光学軸の方位を決定する場合などに、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。
【００８６】
（第１変形例）
図１１は、上記実施形態の第１変形例によるテラヘルツ波発生モジュール１０Ａを示す構成図である。上記実施形態と本変形例との相違点は、本変形例によるテラヘルツ波発生モジュール１０Ａが、偏光切替部１３に代えて偏光切替部１３Ａを有している点である。偏光切替部１３Ａは、１／２波長板１４、ポッケルスセル１５Ａ、ポッケルスセル駆動部１６、及びテラヘルツ波長板１８を有している。
【００８７】
本変形例では、１／２波長板１４は、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を０°の直線偏光から２２．５°の直線偏光に変換する。ポッケルスセル１５Ａは、電圧が印加されている期間に１／２波長板として機能する点で、上記実施形態のポッケルスセル１５とは異なる。ポンプ光Ｌｂの進行方向におけるポッケルスセル１５Ａの厚さは、例えば２５ｍｍである。ポッケルスセル駆動部１６により周期的に印加される電圧によって、１／２波長板１４から入射してポッケルスセル１５Ａを通過するポンプ光Ｌｂの偏光状態が２２．５°の直線偏光とー２２．５°の直線偏光との間で周期的に切り替えられる。
【００８８】
また、本変形例では、非線形光学結晶１１は、１／２波長板１４から入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態が２２．５°の直線偏光である場合には、２２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。また、非線形光学結晶１１は、１／２波長板１４から入射したポンプ光Ｌｂの偏光状態が−２２．５°の直線偏光である場合には、１１２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。
【００８９】
テラヘルツ波長板１８は、非線形光学結晶１１の後段に配置されている。具体的には、テラヘルツ波長板１８は、非線形光学結晶１１とテラヘルツ波検出素子３０との間の光路上に配置されている。テラヘルツ波長板１８は、テラヘルツ波Ｔに適用可能な１／４波長板である。本変形例では、テラヘルツ波長板１８は、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を２２．５°の直線偏光から右回りの円偏光（第１の偏光状態）に変換する。また、テラヘルツ波長板１８は、入射したテラヘルツ波Ｔの偏光状態を１１２．５°の直線偏光から左回りの円偏光（第２の偏光状態）に変換する。
【００９０】
以上の構成を有するテラヘルツ波発生モジュール１０Ａの作用をまとめると、１／２波長板１４は、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を０°の直線偏光から２２．５°の直線偏光に変換し、ポッケルスセル１５Ａは、ポッケルスセル駆動部１６による電圧の印加の有無により、ポンプ光Ｌｂの偏光状態を２２．５°の直線偏光又は−２２．５°の直線偏光に周期的に変換する。また、非線形光学結晶１１は、２２．５°の直線偏光のポンプ光Ｌｂが入射した場合には、２２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させ、−２２．５°の直線偏光のポンプ光Ｌｂが入射した場合には、１１２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを発生させる。テラヘルツ波長板１８は、２２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔに変換し、１１２．５°の直線偏光のテラヘルツ波Ｔを左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔに変換する。したがって、テラヘルツ波発生モジュール１０Ａでは、第１の周波数信号Ｆ１に基づいて、右回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔと左回りの円偏光のテラヘルツ波Ｔとが周期的に出力されることとなる。このような形態であっても、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、右回りの円偏光及び左回りの円偏光を用いることで、第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトルから第１の解析データ及び第２の解析データを取得する際の演算の複雑化を防止できる。
【００９１】
（第２変形例）
図１２は、上記実施形態の第２変形例による光学解析装置１Ａを示す構成図である。本変形例では、配置部１９が、被測定物Ｓを移動させるステージ１９Ａである点で、上記実施形態の光学解析装置１とは相違する。ステージ１９Ａは、テラヘルツ波発生モジュール１０から発生したテラヘルツ波Ｔの進行方向に対して垂直な平面上において被測定物Ｓの位置を調整する。また、ステージ１９Ａは、光学パラメータ解析部５０と電気的に接続されており、当該平面上における被測定物Ｓの位置を示す位置情報Ｐを光学パラメータ解析部５０に出力する。
【００９２】
光学解析装置１Ａでは、このステージ１９Ａを用いて被測定物Ｓの位置を移動させながら、被測定物Ｓの位置情報Ｐを取得すると共にテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測することができるので、被測定物Ｓの各位置における光学パラメータを取得することができる。更に、ステージ１９Ａからの位置情報Ｐを利用して、被測定物Ｓの各位置における光学パラメータを該位置情報Ｐにマッピングすることができる。
【００９３】
なお、本変形例では、最初に所定の位置で被測定物Ｓのテラヘルツ波Ｔの電場ベクトル（すなわち第１の電場ベクトル及び第２の電場ベクトル）を計測した後、被測定物Ｓの位置を移動させて被測定物Ｓの各位置におけるテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測する際、すなわち２回目以降のテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの計測の際には、リファレンス計測工程Ｓ１を省くことができる。その理由は、被測定物Ｓの各位置におけるテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを取得する為に必要な参照電場ベクトル（すなわちリファレンス計測工程Ｓ１で得られた電場ベクトル）は共通であるので、最初に被測定物Ｓのテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを測定する際に得られた参照電場ベクトルを光学パラメータ解析部５０に一度記憶させておけば、その後の電場ベクトルの測定において再度参照電場ベクトルを測定する必要は無いからである。
【００９４】
（第３変形例）
上記実施形態では、光学パラメータ解析部５０が、異なる周波数成分のそれぞれに対して第１の解析データ及び第２の解析データを導出して、各周波数成分における光学パラメータを導出する例を示した。本変形例は、光学パラメータ解析部５０の機能に、周波数成分ごとに解析された光学パラメータの散らばりの指標を導出する機能が追加されている点のみにおいて上記実施形態と相違する。
【００９５】
上記実施形態の光学パラメータ解析部５０では、異なる周波数成分ごとに、直交する２つの軸（進相軸、遅相軸）の方位角が導出される。図１３は、１ＴＨｚ〜２ＴＨｚの周波数帯において導出された進相軸及び遅相軸の方位をプロットしたグラフの一例である。図１３に示されるように、進相軸及び遅相軸の方位は、周波数によってばらつきがみられる。光学パラメータ解析部５０では、進相軸及び遅相軸のそれぞれの方位の散らばりの指標を導出する。散らばりの指標は、例えば分散、標準偏差等であってよい。そして、光学パラメータ解析部５０は、散らばりの度合いが小さい方の軸の方位を選択する。さらに、光学パラメータ解析部５０では、選択された軸における方位の平均の値を算出することによって、一方の軸の方位の値を決定する。そして、光学パラメータ解析部５０は、決定された方位の値に直交する方位を算出することによって、他方の方位の値を決定する。このように、散らばりの度合いの小さいパラメータを選択することによって、計測精度を高めることができる。
【００９６】
以上、上記実施形態及び各実施例について図面を参照して詳述したが、具体的な構成は上記実施形態及び各実施例に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。また、被測定物Ｓを透過したテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの計測は、上記計測方法以外の他の計測方法によって実行され得る。例えば、テラヘルツ波検出素子３０として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。
【００９７】
また、上記実施形態及び各実施例において、偏光切替部１３がテラヘルツ波Ｔを右回りの円偏光及び左周り円偏光に切り替える例を示したが、これに限定されない。偏光切替部１３は、テラヘルツ波Ｔを互いに異なる第１の偏光状態及び第２の偏光状態に切り替えることができればよく、例えば、テラヘルツ波Ｔを、右回りの楕円偏光と左回りの楕円偏光とに切り替えてもよく、右斜め４５°の直線偏光と左斜め４５°の直線偏光とに切り替えてもよい。
【００９８】
また、光学軸の方位及び屈折率実部を解析する例を示したが、これに限定されず、他の光学パラメータとして吸収係数、誘電率等を解析することができる。この場合、同一の被測定物において、すでに光学軸の方位が解析されている場合には、既に解析されている光学軸の方位を用いて他の光学パラメータを導出することができる。
【００９９】
また、第１の解析データと第２の解析データとの交点の導出においては、実際にグラフ同士を重ね合わせる必要はなく、演算によって交点の値を導出することができる。
【０１００】
また、異方性材料の複素屈折率を取得する例を示したが、これに限定されない。例えば、右回りの円偏光及び左周り円偏光のそれぞれに対する被測定物Ｓの応答が得られるので、これらを比較することで被測定物Ｓの旋光性、円二色性を取得することができる。
【０１０１】
また、参照信号生成部４２が周波数信号生成部４３を有していたが、ポッケルスセル駆動部１６が周波数信号生成部４３を有していてもよい。また、回転検光子３９が第２の周波数信号Ｆ２を生成していたが、第２のロックイン検出器４６Ａ，４６Ｂが第２の周波数信号Ｆ２を生成してもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１，１Ａ…光学解析装置、１０，１０Ａ…テラヘルツ波発生モジュール、１１…テラヘルツ波発生部（非線形光学結晶）、１３，１３Ａ…偏光切替部、１４…１／２波長板、１５，１５Ａ…ポッケルスセル、１６…ポッケルスセル駆動部、１７…１／４波長板、１８…テラヘルツ波長板、１９…配置部、３０…テラヘルツ波検出素子、４０…電場ベクトル計測部、４１…差動検出器、４２…参照信号生成部、４３…周波数信号生成部、４４Ａ…第１の参照信号生成器、４４Ｂ…第２の参照信号生成器、４５Ａ，４５Ｂ…第１のロックイン検出器、４６Ａ，４６Ｂ…第２のロックイン検出器、４７…電場ベクトル検出部、５０…光学パラメータ解析部、Ｆ１…第１の周波数信号、Ｆ２…第２の周波数信号、Ｒ１…第１の参照信号、Ｒ２…第２の参照信号、Ｓ…被測定物、Ｔ…テラヘルツ波。
【図１】
2019095249.tif 000010
【図２】
2019095249.tif 000011
【図３】
2019095249.tif 000012
【図４】
2019095249.tif 000013
【図５】
2019095249.tif 000014
【図６】
2019095249.tif 000015
【図７】
2019095249.tif 000016
【図８】
2019095249.tif 000017
【図９】
2019095249.tif 000018
【図１０】
2019095249.tif 000019
【図１１】
2019095249.tif 000020
【図１２】
2019095249.tif 000021
【図１３】
2019095249.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月19日(2018.7.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
上述の通り、電場ベクトル検出部４７では、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する信号ＥＴｘ，ＥＴｙが得られる。すなわち、電場ベクトルをＥとすると、Ｅは以下の式によって表される。
【数６】
2019095249.tif 000023