(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の異なる波長の光パルスを生成可能な光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された光パルスを第１の光パルスと第２の光パルスに分岐する光パルス分岐部と、
前記第１の光パルスが照射されてテラヘルツ波を生成するテラヘルツ波発生部と、
測定対象の試料に照射されて透過または反射した前記テラヘルツ波と前記第２の光パルスが照射されるテラヘルツ波検出部と、
機械的な移動を伴わずに、波長に応じて変化する光学的性質を利用して、前記光パルス分岐部から前記テラヘルツ波検出部までの前記第２の光パルスの光路長が前記第２の光パルスの波長に応じて変化するように構成される遅延光学系と、
を含む、ことを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記遅延光学系は、プリズムペアを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを通過した前記第２の光パルスを前記プリズムペアに戻す反射ミラーを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを２つ含む、ことを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項５】
前記遅延光学系は、回折格子対を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項６】
前記遅延光学系は、前記回折格子対を通過した前記第２の光パルスを前記回折格子対に戻す反射ミラーを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
【請求項７】
前記遅延光学系は、前記回折格子対を２つ含む、ことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
【請求項８】
前記遅延光学系は、チャープミラーを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。
【０００３】
例えば、テラヘルツ波を用いた計測装置として、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ  ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＴＨｚ−ＴＤＳ）を用いた計測装置が知られている。例えば、特許文献１に開示されたＴＨｚ−ＴＤＳを用いた計測装置では、まず、フェムト秒レーザーから出射された光パルスは、ビームスプリッターで２つの経路に分けられる。一方の光パルス（ポンプ光）は、ＬＴ−ＧａＡｓ上にアンテナを形成した光伝導素子に照射され、テラヘルツ波を発生させる。発生したテラヘルツ波は対象物体に照射され、対象物体を透過したテラヘルツ波は検出用の光伝導素子に入射する。他方の光パルス（プローブ光）は、遅延手段を経て、検出用の光伝導素子に照射される。この他方の光パルスは、検出用の光伝導素子において対象物体を透過したテラヘルツ波を検出するときのゲート信号として用いられる。
【０００４】
このようなＴＨｚ−ＴＤＳを用いた計測装置において、対象物体をイメージングする際には、対象物体を透過したテラヘルツ波の時間波形が必要となる。時間波形の取得には、検出用の光伝導素子に入射するテラヘルツ波と光パルス（プローブ光）とに少しずつ異なる時間差をつける必要がある。例えば、特許文献１の計測装置では、ミラーを機械的に移動させる遅延手段を用いることで、プローブ光の光路長を可変にしてテラヘルツ波と光パルス（プローブ光）との間に時間差をつけている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５６６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、特許文献１の計測装置では、上述したように、ミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変化させる。しかし、ミラーを機械的に移動させることでプローブ光の光路長を変化させると時間が掛かってしまい、測定時間が長くなってしまうという問題がある。特に、ＴＨｚ−ＴＤＳを用いたイメージングでは、一画素ごとの測定時間が長くなるため、その影響が大きい。
【０００７】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、測定時間を短縮することができる計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る計測装置は、
複数の異なる波長の光パルスを生成可能な光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された光パルスを第１の光パルスと第２の光パルスに分岐する光パルス分岐部と、
前記第１の光パルスが照射されてテラヘルツ波を生成するテラヘルツ波発生部と、
測定対象の試料に照射されて透過または反射した前記テラヘルツ波と前記第２の光パルスが照射されるテラヘルツ波検出部と、
前記第２の光パルスの波長に応じて、前記光パルス分岐部から前記テラヘルツ波検出部までの前記第２の光パルスの光路長が変化するように構成される遅延光学系と、
を含む。
【０００９】
このような計測装置では、光パルス生成部が複数の異なる波長の光パルスを生成し、遅延光学系が第２の光パルスの波長に応じて光パルス分岐部からテラヘルツ波検出部までの第２の光パルスの光路長を変化させるため、第２の光パルスの光路長の変更を電気的に行うことができる。したがって、このような計測装置では、例えば遅延光学系がミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変化させる場合と比べて、測定時間の短縮を図ることができる。
【００１０】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、プリズムペアを含んでいてもよい。
【００１１】
このような計測装置では、遅延光学系はプリズムペアを用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、プリズムペアは、例えば回折格子対等の他の光学素子に比べて、光の損失が小さい。したがって、このような計測装置では、効率よく第２の光パルスを遅延させることができる。
【００１２】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを通過した前記第２の光パルスを前記プリズムペアに戻す反射ミラーを含んでいてもよい。
【００１３】
このような計測装置では、遅延光学系はプリズムペアを用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。
【００１４】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記プリズムペアを２つ含んでいてもよい。
【００１５】
このような計測装置では、遅延光学系は２つのプリズムペアを用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。
【００１６】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、回折格子対を含んでいてもよい。
【００１７】
このような計測装置では、遅延光学系は回折格子対を用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、回折格子対は、例えばプリズムペアに比べて、アライメントが容易である。
【００１８】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記回折格子対を通過した前記第２の光パルスを前記回折格子対に戻す反射ミラーを含んでいてもよい。
【００１９】
このような計測装置では、遅延光学系は回折格子対を用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。
【００２０】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、前記回折格子対を２つ含んでいてもよい。
【００２１】
このような計測装置では、遅延光学系は２つの回折格子対を用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。
【００２２】
本発明に係る計測装置において、
前記遅延光学系は、チャープミラーを含んでいてもよい。
【００２３】
このような計測装置では、遅延光学系はチャープミラーを用いることによって第２の光パルスの波長に応じて光路長を変化させることができる。また、チャープミラーは、例えば高屈折率層および低屈折率層の膜厚を調整することで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、このような計測装置では、遅延光学系としてチャープミラーを用いることで、設計の自由度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本実施形態に係る計測装置の構成を模式的に示す図。
【図２】本実施形態に係る計測装置のテラヘルツ波発生部を模式的に示す平面図。
【図３】本実施形態に係る計測装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。
【図４】本実施形態に係る計測装置の光パルス生成部の構成を説明するための図。
【図５】本実施形態に係る計測装置の多波長出力部の光源を模式的に示す斜視図。
【図６】本実施形態に係る計測装置の多波長出力部の光源を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る計測装置のテラヘルツ波時間波形の取得方法の説明図。
【図８】本実施形態の第１変形例に係る計測装置を模式的に示す図。
【図９】本実施形態の第２変形例に係る計測装置を模式的に示す図。
【図１０】本実施形態の第３変形例に係る計測装置を模式的に示す図。
【図１１】本実施形態の第４変形例に係る計測装置を模式的に示す図。
【図１２】チャープミラーを模式的に示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２６】
１．  計測装置
まず、本実施形態に係る計測装置１００の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置１００の構成を模式的に示す図である。
【００２７】
計測装置１００では、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）を用いて、計測を行う。テラヘルツ時間領域分光法とは、テラヘルツ波を試料Ｓに入射させ、試料Ｓを透過または反射した後のテラヘルツ波の波形を時間分解計測し、その波形をフーリエ変換することにより周波数ごとの振幅と位相を得るという分光法である。ここで、テラヘルツ波とは、周波数が１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に３００ＧＨｚ以上１０ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
【００２８】
計測装置１００は、図１に示すように、光パルス生成部１０と、光パルス分岐部２０と、テラヘルツ波発生部３０と、遅延光学系４０と、テラヘルツ波検出部５０と、を含む。計測装置１００は、さらに、ミラー６０，６２，６４，６６，６８，７０，７２を含む。
【００２９】
光パルス生成部１０は、複数の異なる波長の光パルス（レーザー光）を生成することができる。光パルス生成部１０は、波長の異なる光パルスを所定の時間間隔で、順次、射出
する。ここで、光パルスとは、短時間に急峻に強度が変化する光をいう。光パルス生成部１０で生成された光パルスのパルス幅は、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。光パルス生成部１０の構成については後述する。光パルス生成部１０から射出された光パルスは、光パルス分岐部２０に入射する。
【００３０】
光パルス分岐部（ビームスプリッター）２０は、光パルス生成部１０にて生成された光パルスをポンプ光（第１の光パルス）Ｌ１とプローブ光（第２の光パルス）Ｌ２に分岐する。すなわち、光パルス生成部１０にて生成された光パルスは、光パルス分岐部２０によって、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに分割される。図示の例では、光パルス分岐部２０は、光パルス生成部１０から射出された光パルスの一部を反射させてポンプ光Ｌ１とし、光パルス生成部１０から射出された光パルスの一部を透過してプローブ光Ｌ２とする。
【００３１】
テラヘルツ波発生部３０は、光パルス分岐部２０で分岐されたポンプ光Ｌ１が照射されてテラヘルツ波を生成する。図示の例では、光パルス分岐部２０で分岐されたポンプ光Ｌ１は、ミラー６０で反射されて、テラヘルツ波発生部３０に入射する。テラヘルツ波発生部３０は、例えば、光伝導アンテナ（Ｐｈｏｔｏ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ａｎｔｅｎｎａ、ＰＣＡ）である。図２は、テラヘルツ波発生部３０を模式的に示す平面図である。テラヘルツ波発生部３０は、図２の例では、ダイポール型の光伝導アンテナである。
【００３２】
テラヘルツ波発生部３０は、基板３２と、基板３２上に設けられた１対の電極３６，３８と、を有している。基板３２は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板と、ＳＩ−ＧａＡｓ基板上に設けられている低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、を有している。１対の電極３６，３８は、ギャップ３４を介して対向配置されている。１対の電極３６，３８間の距離は適宜設定されるが、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。電極３６，３８の材質は、例えば、Ａｕである。
【００３３】
テラヘルツ波発生部３０では、ギャップ３４にポンプ光Ｌ１が照射されることにより、自由電子が励起される。そして、この自由電子を電極３６，３８間に電圧を印加することによって加速させる。これにより、テラヘルツ波が発生する。
【００３４】
ミラー６２，６４は、図１に示すように、テラヘルツ波発生部３０で発生したテラヘルツ波を、試料Ｓに導くための光学素子である。ミラー６２，６４は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。
【００３５】
ミラー６６，６８は、試料Ｓに照射されて透過したテラヘルツ波を、テラヘルツ波検出部５０に導くための光学素子である。ミラー６６，６８は、例えば、楕円面ミラー、放物面ミラー等である。
【００３６】
遅延光学系４０は、プローブ光Ｌ２の波長に応じて、光パルス分岐部２０からテラヘルツ波検出部５０までのプローブ光Ｌ２の光路長が変化するように構成されている。遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２の光路長を波長に応じて変化させることにより、プローブ光Ｌ２に光学的な時間遅延を生じさせ、プローブ光Ｌ２がテラヘルツ波検出部５０に入射するタイミングを制御する。
【００３７】
遅延光学系４０は、図示の例では、２つのプリズムペア（プリズム対）４２，４４を含む光学系である。２つのプリズムペア４２，４４は、対称（面対称）に配置されている。
【００３８】
第１プリズムペア４２は、第１プリズム４２ａと、第２プリズム４２ｂと、を有している。第２プリズムペア４４は、第３プリズム４４ａと、第４プリズム４４ｂと、を有している。
【００３９】
第１〜第４プリズム４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂは、入射光の波長が短いほど大きく屈折（回折）する性質を有する。第１〜第４プリズム４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂの光学的性質（形状や、屈折率等）は、例えば、等しい。
【００４０】
遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２が、第１プリズム４２ａ、第２プリズム４２ｂ、第３プリズム４４ａ、第４プリズム４４ｂをこの順で通過することで、プローブ光Ｌ２の波長に応じてプローブ光Ｌ２の光路長（いわゆる光学的距離）が変化する。例えば、遅延光学系４０において、プローブ光Ｌ２の波長がλ１のときの光路長（第１プリズム４２ａに入射してから第４プリズム４４ｂから射出されるまでの光路長）をＬλ１とし、プローブ光Ｌ２の波長がλ２（λ１＜λ２）のときの光路長をＬλ２とすると、Ｌλ１＜Ｌλ２の関係が成り立つ。遅延光学系４０では、２つのプリズムペア４２，４４による屈折角の波長依存性を利用して波長の異なるプローブ光Ｌ２に対して光路差をつけている。
【００４１】
具体的には、第１プリズム４２ａでは、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）は長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも大きく屈折する。第２プリズム４２ｂでは、第１プリズム４２ａと同様に、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）は長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも大きく屈折する。これにより、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の進行方向と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の進行方向とは、同じ方向となる。
【００４２】
また、第２プリズムペア４４においても同様に、第３プリズム４４ａでは、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）は長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも大きく屈折する。第４プリズム４４ｂでは、第３プリズム４４ａと同様に、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）は長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも大きく屈折する。これにより、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の進行方向と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の進行方向とは同じ方向となり、第４プリズム４４ｂから射出された、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）とは、同じ光路をとる。
【００４３】
ここで、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも、第２プリズム４２ｂ中を伝搬する光路上の幾何学的な距離が大きい。同様に、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも、第３プリズム４４ａ中を伝搬する光路上の幾何学的な距離が大きい。このため、遅延光学系４０における光路上の幾何学的な距離は、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも短波長のプローブ光（λ１）の方が大きいが、遅延光学系４０における光路上の光学的な距離（光路長）は、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）よりも短波長のプローブ光（λ１）の方が小さくなる。
【００４４】
このようにして、遅延光学系４０では、２つのプリズムペア４２，４４によって、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させている。例えば、波長に応じた光路差を大きくするためには、第１プリズム４２ａと第２プリズム４２ｂとの間の光学的距離（第３プリズム４４ａと第４プリズム４４ｂとの間の光学的距離）を大きくすればよい。
【００４５】
なお、本実施形態では、プローブ光Ｌ２の光路上に遅延光学系４０を設けてテラヘルツ波検出部５０に入射するタイミングを制御している。言い換えれば、遅延光学系４０によって、プローブ光Ｌ２とポンプ光Ｌ１との相対的な光路長の差を変化させている。しかし、プローブ光Ｌ２とポンプ光Ｌ１との相対的な光路長の差を変化させることができれば本実施形態の構成に限定されない。すなわち、遅延光学系４０がポンプ光Ｌ１の光路上に設けられ、ポンプ光Ｌ１の光路長を変化させてもよい。また、プローブ光Ｌ２の光路上およびポンプ光Ｌ１の光路上の両方に遅延光学系４０が設けられ、双方の光路長を変化させつつ、各々の相対的な光路長の差を変化させてもよい。
【００４６】
ミラー７０，７２は、遅延光学系４０で遅延されたプローブ光Ｌ２をテラヘルツ波検出部５０に導くための光学素子である。
【００４７】
テラヘルツ波検出部５０は、測定対象の試料Ｓに照射されて透過したテラヘルツ波とプローブ光Ｌ２が照射される。テラヘルツ波検出部５０は、例えば、光伝導アンテナである。図３は、テラヘルツ波検出部５０を模式的に示す平面図である。テラヘルツ波検出部５０は、図３の例では、ダイポール型の光伝導アンテナである。
【００４８】
テラヘルツ波検出部５０は、基板５２と、基板５２上に設けられ、１対の電極５６，５８と、を有している。基板５２は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板と、ＳＩ−ＧａＡｓ基板上に設けられている低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、を有している。１対の電極５６，５８は、ギャップ５４を介して対向配置されている。１対の電極５６，５８間の距離は適宜設定されるが、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。電極５６，５８の材質は、例えば、Ａｕである。
【００４９】
テラヘルツ波検出部５０では、基板５２の表面（電極５６，５８が形成された面）側からギャップ５４に試料Ｓを透過したテラヘルツ波が照射され、かつ、基板５２の裏面側からギャップ５４にプローブ光Ｌ２が照射される。プローブ光Ｌ２によって基板５２中に発生したキャリアはテラヘルツ波に伴う振動電場で加速されるため、テラヘルツ波の振動電場に比例した電流が流れる。すなわち、テラヘルツ波検出部５０では、電極５６，５８間に、テラヘルツ波とプローブ光Ｌ２とが同時に照射されると、照射されたテラヘルツ波の強度（振動電場）に応じた電流が電極５６，５８に流れる。この電流を電極５６，５８に接続された電流計で計測することより、テラヘルツ波の振動電場の強度を計測することができる。
【００５０】
なお、上述のテラヘルツ波発生部３０およびテラヘルツ波検出部５０は、光伝導アンテナ（ＰＣＡ）に限定されない。例えば、テラヘルツ波発生部３０およびテラヘルツ波検出部５０は、非線形光学結晶を用いた方式であってもよい。
【００５１】
次に、光パルス生成部１０の構成について説明する。
【００５２】
図４は、光パルス生成部１０の構成を説明するための図である。光パルス生成部１０は、図４に示すように、多波長出力部１２と、光スイッチング部１６と、制御部１８と、を有している。
【００５３】
多波長出力部１２は、互いに波長の異なる複数の光パルスを出力する。多波長出力部１２は、複数（ｎ個（ｎは２以上の自然数））の光源（第１光源１２−１、第２光源１２−２、第３光源１２−３、・・・、第ｎ光源１２−ｎ）を有している。ｎ個の光源１２−１〜１２−ｎは、互いに異なる波長の光パルスを出力する。例えば、ｎ個の光源１２−１〜１２−ｎは、第１光源１２−１、第２光源１２−２、第３光源１２−３、・・・、第ｎ光源１２−ｎの順で、生成される光パルスの波長が長い。すなわち、第１〜第ｎ光源１２−１〜１２−ｎのうち、第１光源１２−１から出力される光パルスの波長が最も長く、第ｎ光源１２−ｎから出力される光パルスの波長が最も短い。ｎ個の光源１２−１〜１２−ｎから出力されるパルス光のパルス幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。各光源１２−１〜１２−ｎから出力されるパルスのパルス幅は、例えば、等しい。各光源１２−１〜１２−ｎの構成については、後述する。
【００５４】
光スイッチング部１６は、多波長出力部１２を構成している各光源１２−１〜１２−ｎと接続されている。光スイッチング部１６は、制御部１８から入力される波長制御信号に基づいて、ｎ個の光源１２−１〜１２−ｎのうちの１つを選択して出力する。光スイッチ
ング部１６としては、例えば、電気光学効果や音響光学効果に基づくＮ×１光スイッチを用いる。光パルス生成部１０では、光スイッチング部１６によって光パルスの波長を電気的に切り替えて出力することができる。
【００５５】
制御部１８は、光パルス生成部１０から出力される光パルスの波長が連続的に変化するように、光スイッチング部１６に波長制御信号を送る。制御部１８は、例えば、第１光源１２−１、第２光源１２−２、第３光源１２−３、・・・、第ｎ光源１２−ｎの順で各光源１２−１〜１２−ｎの光パルスを選択して出力するように、光スイッチング部１６を制御する処理を行う。これにより、光パルス生成部１０からは、異なる波長の光パルスが順次出力される。
【００５６】
ここで、多波長出力部１２を構成している各光源１２−１〜１２−ｎについて説明する。各光源１２−１〜１２−ｎは、それぞれ短光パルス発生装置からなる。図５は、多波長出力部１２の各光源１２−１〜１２−ｎとなる短光パルス発生装置１の一例を模式的に示す斜視図である。図６は、短光パルス発生装置１を模式的に示す図５のＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【００５７】
短光パルス発生装置１は、図５および図６に示すように、光パルスを生成するパルス源２と、光パルスに周波数チャープを付与する周波数チャープ部４と、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部６と、を含む。
【００５８】
パルス源２は、光パルスを生成する。パルス源２が生成する光パルスのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は特に限定されないが、例えば１ｐｓ（ピコ秒）以上１００ｐｓ以下である。パルス源２は、例えば、量子井戸構造（第１コア層１０８）を有する半導体レーザーであり、図示の例では、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザーである。なお、パルス源２は、例えば、ＤＢＲレーザーやモード同期レーザー等の半導体レーザーであってもよい。また、パルス源２は、半導体レーザーに限定されず、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であってもよい。パルス源２で生成された光パルスは、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、および第２クラッド層１１０で構成されている光導波路８を伝搬する。
【００５９】
周波数チャープ部４は、パルス源２で生成された光パルスに周波数チャープを付与する。周波数チャープ部４は、例えば半導体材料で構成されており、量子井戸構造を有している。図示の例では、周波数チャープ部４は、量子井戸構造を有している第１コア層１０８を有している。光パルスが周波数チャープ部４の光導波路８を伝搬すると、光カー効果により光導波路材料の屈折率が変化し、電界の位相が変化する（自己位相変調効果）。この自己位相変調効果により、光パルスに周波数チャープが付与される。ここで、周波数チャープとは、光パルスの周波数が時間的に変化する現象をいう。
【００６０】
周波数チャープ部４は、半導体材料で構成されているため、１ｐｓから１００ｐｓ程度のパルス幅を持つ光パルスに対して応答速度が遅い。そのため、周波数チャープ部４では、光パルスに、当該光パルスの強度（電界振幅の２乗）に比例した周波数チャープ（アップチャープやダウンチャープ）が付与される。ここで、アップチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに増加する場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの周波数が時間とともに減少する場合をいう。言い換えると、アップチャープとは、光パルスの波長が時間とともに短くなる場合をいい、ダウンチャープとは、光パルスの波長が時間とともに長くなる場合をいう。
【００６１】
群速度分散部６は、周波数チャープが付与された光パルスに対して波長（周波数）に応
じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部６は、周波数チャープが付与された光パルスに対して、光パルスのパルス幅が小さくなるような群速度差を生じさせることができる（パルス圧縮）。例えば、群速度分散部６では、アップチャープされた光パルスに負の群速度分散（異常分散）を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。
【００６２】
また、群速度分散部６では、ダウンチャープされた光パルスに、正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。群速度分散部６で圧縮された光パルスのパルス幅は特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。
【００６３】
群速度分散部６は、モード結合する距離で配置されている２つの光導波路８，９を有している。すなわち、２つの光導波路８，９は、いわゆる結合導波路を構成している。なお、モード結合する距離とは、光導波路８および光導波路９を伝搬する光が、互いに行き来することが可能な距離である。群速度分散部６では、２つの光導波路８，９におけるモード結合により、大きな群速度差を生じさせることができる。
【００６４】
次に、短光パルス発生装置１の構造について説明する。短光パルス発生装置１は、パルス源２、周波数チャープ部４、および群速度分散部６が同一基板１０２上に設けられている。
【００６５】
短光パルス発生装置１は、基板１０２と、バッファー層１０４と、第１クラッド層１０６と、第１コア層１０８と、第２クラッド層１１０と、キャップ層１１２と、第２コア層１１４と、第３クラッド層１１６と、キャップ層１１８と、絶縁層１２０，１２２と、第１電極１３０と、第２電極１３２と、を含んで構成されている。
【００６６】
基板１０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板１０２は、パルス源２が形成される第１領域１０２ａと、周波数チャープ部４が形成される第２領域１０２ｂと、群速度分散部６が形成される第３領域１０２ｃと、を有している。
【００６７】
バッファー層１０４は、基板１０２上に設けられている。バッファー層１０４は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。
【００６８】
第１クラッド層１０６は、バッファー層１０４上に設けられている。第１クラッド層１０６は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００６９】
第１ガイド層１０８ａは、第１クラッド層１０６上に設けられている。第１ガイド層１０８ａは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００７０】
ＭＱＷ層１０８ｂは、第１ガイド層１０８ａ上に設けられている。ＭＱＷ層１０８ｂは、例えば、ＧａＡｓウェル層と、ＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸構造を有している。図示の例では、ＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数（ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層の積層数）は、第１〜第３領域１０２ａ〜１０２ｃの上方において、同じである。なお、第１領域１０２ａの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第２領域１０２ｂの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数と、第３領域１０２ｃの上方におけるＭＱＷ層１０８ｂの量子井戸数とが、異なっていてもよい。
【００７１】
第２ガイド層１０８ｃは、ＭＱＷ層１０８ｂ上に設けられている。第２ガイド層１０８ｃは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２ガイド層１０８ｃには、ＤＦＢ型の共振器を構成する周期構造が設けられている。周期構造は、第１領域１０２ａの上方に設け
られている。周期構造は、屈折率の異なる２つの層１０８ｃ，１１０によって構成されている。第１ガイド層１０８ａ、およびＭＱＷ層１０８ｂ、第２ガイド層１０８ｃにより、ＭＱＷ層１０８ｂに生じる光（光パルス）を伝播する第１コア層１０８を構成することができる。
【００７２】
第２クラッド層１１０は、第１コア層１０８上に設けられている。第２クラッド層１１０は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層である。
【００７３】
図示の例では、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、および第２クラッド層１１０によって、光導波路８が構成されている。光導波路８は、第１コア層１０８の端面１０９ａから、端面１０９ａと反対側の第１コア層１０８の端面１０９ｂまで、延在している。
【００７４】
パルス源２では、第１電極１３０と第２電極１３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、第１コア層１０８（ＭＱＷ層１０８ｂ）において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光（光パルス）を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路８内で光（光パルス）の強度が増幅される。
【００７５】
バッファー層１０４、第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０は、基板１０２の第１領域１０２ａ，第２領域１０２ｂ，第３領域１０２ｃにわたって設けられている。すなわち、これらの層１０４，１０６，１０８，１１０は、パルス源２、周波数チャープ部４、および群速度分散部６に共通の層であり、連続している層である。光導波路８は、パルス源２、周波数チャープ部４、および群速度分散部６において連続している第１クラッド層１０６、第１コア層１０８、第２クラッド層１１０で構成される。
【００７６】
キャップ層１１２は、第２クラッド層１１０上であって、基板１０２の第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方に設けられている。キャップ層１１２は、第２電極１３２とオーミックコンタクトすることができる。キャップ層１１２は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層である。
【００７７】
キャップ層１１２と、第１領域１０２ａおよび第２領域１０２ｂの上方に設けられている第２クラッド層１１０の一部とは、柱状部１１１ａを構成している。例えば、パルス源２では、柱状部１１１ａの各層の積層方向から見た平面形状によって、電極１３０，１３２間の電流経路が決定される。
【００７８】
絶縁層１２０は、図５に示すように、第２クラッド層１１０上であって、柱状部１１１ａの側方に設けられている。さらに、絶縁層１２０は、第２領域１０２ｂの上方のキャップ層１１２上に設けられている。絶縁層１２０は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
【００７９】
第１電極１３０は、基板１０２の下の全面に設けられている。第１電極１３０は、該第１電極１３０とオーミックコンタクトする層（図示の例では基板１０２）と接している。第１電極１３０は、基板１０２を介して、第１クラッド層１０６と電気的に接続されている。第１電極１３０は、パルス源２を駆動するための一方の電極である。第１電極１３０としては、例えば、基板１０２側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、第１電極１３０は、基板１０２の第１領域１０２ａの下方にのみ設けられていてもよい。
【００８０】
第２電極１３２は、キャップ層１１２の上面であって、第１領域１０２ａの上方に設け
られている。さらに、第２電極１３２は、絶縁層１２０上に設けられていてもよい。第２電極１３２は、キャップ層１１２を介して、第２クラッド層１１０と電気的に接続されている。第２電極１３２は、パルス源２を駆動するための他方の電極である。第２電極１３２としては、例えば、キャップ層１１２側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。
【００８１】
第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０上に設けられている。より具体的には、第２コア層１１４は、第２クラッド層１１０上であって、第３領域１０２ｃの上方に設けられている。第２コア層１１４は、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００８２】
第３クラッド層１１６は、第２コア層１１４上に設けられている。第３クラッド層１１６は、例えば、例えばｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００８３】
図示の例では、第２クラッド層１１０、第２コア層１１４、および第３クラッド層１１６によって、光導波路９が構成されている。
【００８４】
光導波路８および光導波路９は、モード結合する距離で配置されている。すなわち、光導波路８および光導波路９とは、結合導波路を構成している。
【００８５】
キャップ層１１８は、第３クラッド層１１６上に設けられている。キャップ層１１８は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。キャップ層１１８と、第３クラッド層１１６の一部とは、柱状部１１１ｂを構成している。
【００８６】
絶縁層１２２は、図５に示すように、第３クラッド層１１６上であって、柱状部１１１ｂの側方に設けられている。さらに、絶縁層１２２は、キャップ層１１８上に設けられている。絶縁層１２２は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
【００８７】
ここで、多波長出力部１２を構成する各光源１２−１〜１２−ｎは、それぞれ上述した短光パルス発生装置１のパルス源２（ＤＦＢレーザー）から出力されるレーザー光の波長が異なっている。すなわち、多波長出力部１２を構成する光源１２−１〜１２−ｎは、ＤＦＢ型の共振器を構成する周期構造の周期が異なっている。これにより、多波長出力部１２の各光源１２−１〜１２−ｎは、互いに異なる波長の光パルスを出力することができる。
【００８８】
２．  計測装置の動作
次に、計測装置１００の動作について説明する。図７は、計測装置１００におけるテラヘルツ波（信号光）の時間波形の取得方法を説明するための図である。
【００８９】
光パルス生成部１０において、まず、制御部１８は、第１光源１２−１で生成された光パルスが選択されるように光スイッチング部１６に波長制御信号を送る。これにより、光パルス生成部１０から第１光源１２−１で生成された光パルスが射出される。なお、第１光源１２−１は、多波長出力部１２において、最も波長が長い光パルスを生成する光源である。
【００９０】
光パルス生成部１０から射出された光パルスは、光パルス分岐部２０によってポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２とに分割される。ポンプ光Ｌ１は、ミラー６０を介して、テラヘルツ波発生部３０を照射する。これにより、テラヘルツ波発生部３０からテラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波発生部３０で発生したテラヘルツ波は、ミラー６２，６４を介して試料Ｓを照射する。そして、試料Ｓを透過したテラヘルツ波は、ミラー６６，６８を介し
てテラヘルツ波検出部５０を照射する。
【００９１】
一方、光パルス分岐部２０で分割されたプローブ光Ｌ２は、遅延光学系４０に入射する。遅延光学系４０において、プローブ光Ｌ２は、波長に応じた光路長が与えられ、ポンプ光Ｌ１との間に光学的な時間遅延が生じる。遅延光学系４０から射出されたプローブ光Ｌ２は、ミラー７０，７２を介してテラヘルツ波検出部５０を照射する。これにより、テラヘルツ波検出部５０では、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路差に応じた遅延時間でテラヘルツ波を検出することができる。
【００９２】
ここで、光パルス生成部１０では、制御部１８は、光スイッチング部１６が第１光源１２−１、第２光源１２−２、第３光源１２−３、・・・、第ｎ光源１２−ｎの順で各光源１２−１〜１２−ｎの光パルスを選択して出力するように、光スイッチング部１６を制御する。すなわち、光パルス生成部１０から射出される光パルスの波長が連続的に変化する（連続的に波長が短くなる）ため、遅延光学系４０において、プローブ光Ｌ２の光路長は連続的に変化する（連続的に光路長が長くなる）。したがって、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路差に応じた遅延時間は連続的に変化する（遅延時間は連続的に長くなる）。
【００９３】
テラヘルツ波検出部５０では、上述したように、ポンプ光Ｌ１とプローブ光Ｌ２との光路差に応じた遅延時間でテラヘルツ波を検出するため、図７に示すように、テラヘルツ波の異なる位置（位相）において、テラヘルツ波の強度（振動電場）に応じた信号（電流）を取得することができる。この信号をプロットすることで、テラヘルツ波の時間経過が記録され、横軸がプローブ光Ｌ２の時間、縦軸が信号強度（電流値）で示されるテラヘルツ波の時間波形が得られる。
【００９４】
また、試料Ｓを支持するステージ（図示せず）を移動させることで、試料Ｓにおけるテラヘルツ波の照射領域を変更し、当該領域ごとにテラヘルツ波の時間波形を取得することにより、試料Ｓのイメージングを行うことができる。
【００９５】
なお、上述したように、光パルス生成部１０から射出される光パルスの波長は変化するため、ポンプ光Ｌ１の波長も変化する。すなわち、テラヘルツ波発生部３０に照射されるポンプ光Ｌ１の波長は変化する。次式は、ＰＣＡ理論式である。
【００９６】
【数１】
0006485624.tif 000002
【００９７】
ここで、ＥＴＨｚはテラヘルツの電磁波を表し、Ｊはフェムト秒レーザーを照射したときに流れる電流である。また、μ０は真空中の透磁率であり、Ｒは反射率であり、ｑは電気素量であり、μｅは電子の磁気モーメントであり、Ｅｂｉａｓは印加バイアスであり、ｈはプランク定数であり、νは振動数（ｃ／λ）であり、τｃはキャリア寿命であり、τｐは励起光パルス幅であり、Ｌｇａｐはギャップ長であり、ｗｇａｐはギャップ幅である。
【００９８】
上記式において、波長依存性を持つのは反射率Ｒと振動数νである。反射率が波長による変化が小さいと仮定すれば、ＰＣＡで発生するテラヘルツ波電磁波強度は波長に依存する。
【００９９】
したがって、計測装置１００では、上述した手法で得られたテラヘルツ波の時間波形の強度を、例えばポンプ光Ｌ１の波長に対するＰＣＡで発生するテラヘルツ波の強度分布で補正する。ここで、ポンプ光Ｌ１の波長に対するＰＣＡで発生するテラヘルツ波の強度分布は、試料Ｓがない状態でポンプ光Ｌ１の波長を変化させて、ＰＣＡで発生するテラヘルツ波を測定することで求めることができる。なお、上記のＰＣＡ理論式を用いて、テラヘルツ波の時間波形の強度を補正してもよい。
【０１００】
計測装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１０１】
計測装置１００では、光パルス生成部１０が複数の異なる波長の光パルスを生成し、遅延光学系４０がプローブ光Ｌ２の波長に応じて光パルス分岐部２０からテラヘルツ波検出部５０までのプローブ光Ｌ２の光路長を変化させる。そのため、計測装置１００では、プローブ光Ｌ２の光路長の変更を電気的に行うことができる。したがって、計測装置１００では、例えば遅延光学系がミラーを機械的に移動させてプローブ光の光路長を変更する場合と比べて、測定時間の短縮を図ることができる。よって、例えば、計測装置１００において、ＴＨｚ−ＴＤＳを用いたイメージングを行う場合でも、トータルの測定時間を短くすることができる。
【０１０２】
計測装置１００では、遅延光学系４０は、プリズムペア４２，４４を２つ含む。これにより、遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、プリズムペア４２，４４は、回折格子対等の他の光学素子に比べて、光の損失が小さい。したがって、遅延光学系４０では、効率よくプローブ光Ｌ２を遅延させることができる。
【０１０３】
３．  計測装置の変形例
次に、本実施形態に係る計測装置の変形例について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する本実施形態の変形例に係る計測装置（計測装置２００，３００，４００，５００）において、上述した計測装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０１０４】
３．１．  第１変形例
まず、第１変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図８は、第１変形例に係る計測装置２００を模式的に示す図である。
【０１０５】
上述した計測装置１００では、図１に示すように、遅延光学系４０は、２つのプリズムペア４２，４４で構成されていた。
【０１０６】
これに対して、計測装置２００では、図８に示すように、遅延光学系４０は、１つのプリズムペア４２と、ミラー（反射ミラー）２１０と、を含む。
【０１０７】
ミラー２１０は、プリズムペア４２を通過したプローブ光Ｌ２をプリズムペア４２に戻すための光学素子である。ミラー２１０は、プローブ光Ｌ２が第１プリズム４２ａに入射してから第２プリズム４２ｂを通ってミラー２１０に到達するまでの光路を戻るように、プローブ光Ｌ２を反射させる。そのため、遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２は、第１プリズム４２ａに入射し、第１プリズム４２ａおよび第２プリズム４２ｂを通過して、ミラー２１０で反射され、再び、もとの経路に戻る。すなわち、ミラー２１０で反射されたプローブ光Ｌ２は、第２プリズム４２ｂおよび第１プリズム４２ａを通過して、第１プリズム４２ａから射出される。これにより、図１に示す２つのプリズムペア４２，４４を用いた光学系と同様に、プローブ光Ｌ２の波長に応じて、光路長を変化させることができる。
【０１０８】
なお、計測装置２００では、ミラー２１０をプローブ光Ｌ２の入射方向に対して垂直な位置から微小角度傾けることで、第１プリズム４２ａに入射するプローブ光Ｌ２の光路と、第１プリズム４２ａから射出されるプローブ光Ｌ２の光路と、をずらすことができる。これにより、遅延光学系４０から遅延させたプローブ光Ｌ２を取り出すことができる。
【０１０９】
計測装置２００は、さらに、第１プリズム４２ａから射出されたプローブ光Ｌ２をミラー７０に導くためのミラー２２０を含む。
【０１１０】
計測装置２００の動作は、計測装置１００の動作と同様であるため、その説明を省略する。
【０１１１】
計測装置２００では、遅延光学系４０は、プリズムペア４２と、プリズムペア４２を通過したプローブ光Ｌ２をプリズムペア４２に戻すミラー２１０と、を含む。これにより、遅延光学系４０では、上述したように、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、計測装置２００では、例えば２つのプリズムペアを用いる場合（例えば図１参照）と比べて、プリズムの数を減らすことができる。
【０１１２】
３．２．  第２変形例
次に、第２変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図９は、第２変形例に係る計測装置３００を模式的に示す図である。
【０１１３】
上述した計測装置１００では、図１に示すように、遅延光学系４０は、２つのプリズムペア４２，４４で構成されていた。
【０１１４】
これに対して、計測装置３００では、図９に示すように、遅延光学系４０は、回折格子対３１０，３１２を含む。
【０１１５】
遅延光学系４０は、図示の例では、２つの回折格子対３１０，３１２を含む光学系である。２つの回折格子対３１０，３１２は、対称（面対称）に配置されている。
【０１１６】
第１回折格子対３１０は、第１回折格子３１０ａと、第２回折格子３１０ｂと、を有している。第２回折格子対３１２は、第３回折格子３１２ａと、第４回折格子３１２ｂと、を有している。
【０１１７】
第１〜第４回折格子３１０ａ，３１０ｂ，３１２ａ，３１２ｂは、入射光の波長が長いほど大きく回折する性質を有する。第１〜第４回折格子３１０ａ，３１０ｂ，３１２ａ，３１２ｂの光学的性質（形状や、格子の周期、波長に対する回折角の大きさ等）は、例えば、等しい。第１回折格子３１０ａの回折面と第２回折格子３１０ｂの回折面とは、例え
ば、平行である。同様に、第３回折格子３１２ａの回折面と第４回折格子３１２ｂの回折面とは、例えば、平行である。
【０１１８】
遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２が、第１回折格子３１０ａ、第２回折格子３１０ｂ、第３回折格子３１２ａ、第４回折格子３１２ｂによってこの順で回折（反射）されることで、プローブ光Ｌ２の波長に応じてプローブ光Ｌ２の光路長が変化する。例えば、遅延光学系４０において、プローブ光Ｌ２の波長がλ１のときの光路長（第１回折格子３１０ａに入射してから第４回折格子３１２ｂから射出されるまでの光路長）をＬλ１とし、プローブ光Ｌ２の波長がλ２（λ１＜λ２）のときの光路長をＬλ２とすると、Ｌλ１＜Ｌλ２の関係が成り立つ。遅延光学系４０では、２つの回折格子対３１０，３１２による回折角（回折光と回折格子法線とのなす角）の波長依存性を利用して波長の異なるプローブ光Ｌ２に対して光路差をつけている。
【０１１９】
具体的には、第１回折格子３１０ａでは、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも回折角が大きい。そのため、第１回折格子３１０ａと第２回折格子３１０ｂとの間の空間では、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）が、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも長い光学的距離を伝搬する。これにより、第１回折格子対３１０において、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長は、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くなる。第２回折格子３１０ｂでは、第１回折格子３１０ａと同様に、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも回折角が大きい。これにより、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の進行方向と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の進行方向とは、同じ方向となる。
【０１２０】
また、第２回折格子対３１２においても同様に、第３回折格子３１２ａでは、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも回折角が大きい。そのため、第３回折格子３１２ａと第４回折格子３１２ｂとの間の空間では、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）が短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも長い光学的距離を伝搬する。これにより、第２回折格子対３１２において、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長は、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くなる。第４回折格子３１２ｂでは、第３回折格子３１２ａと同様に、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）よりも回折角が大きい。これにより、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の進行方向と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の進行方向とは、同じ方向となり、第４回折格子３１２ｂから射出された、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）と長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）とは、同じ光路をとる。
【０１２１】
このようにして、遅延光学系４０では、２つの回折格子対３１０，３１２を用いることによって、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させている。例えば、波長に応じた光路差を大きくするためには、第１回折格子３１０ａと第２回折格子３１０ｂとの間の光学的距離（第３回折格子３１２ａと第４回折格子３１２ｂとの間の光学的距離）を大きくすればよい。
【０１２２】
計測装置３００の動作は、計測装置１００の動作と同様であるため、その説明を省略する。
【０１２３】
計測装置３００では、遅延光学系４０は、２つの回折格子対３１０，３１２を含む。これにより、遅延光学系４０では、上述したように、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、回折格子対３１０，３１２は、例えばプリズム対に比べて、アライメントが容易である。また、回折格子３１０ａ，３１０ｂ，３１２ａ，３１２ｂは、回折格子の周期構造を変えることで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、計測装置３００では、遅延光学系４０として回折格子対３１０，３１２を用
いることで、設計の自由度を高めることができる。
【０１２４】
３．３．  第３変形例
次に、第３変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図１０は、第３変形例に係る計測装置４００を模式的に示す図である。
【０１２５】
上述した計測装置３００では、図９に示すように、遅延光学系４０は、２つの回折格子対３１０，３１２で構成されていた。
【０１２６】
これに対して、計測装置２００では、図１０に示すように、遅延光学系４０は、１つの回折格子対３１０と、ミラー（反射ミラー）４１０と、を含む。
【０１２７】
ミラー４１０は、回折格子対３１０を通過したプローブ光Ｌ２を回折格子対３１０に戻すための光学素子である。ミラー４１０は、プローブ光Ｌ２が第１回折格子３１０ａに入射してから第２回折格子３１０ｂで回折されてミラー４１０に到達するまでの光路を戻るように、プローブ光Ｌ２を反射させる。そのため、遅延光学系４０では、プローブ光Ｌ２は、第１回折格子３１０ａに入射し、第１回折格子３１０ａおよび第２回折格子３１０ｂで回折されて、ミラー４１０で反射され、再び、もとの経路に戻る。すなわち、ミラー４１０で反射されたプローブ光Ｌ２は、第２回折格子３１０ｂおよび第１回折格子３１０ａで回折されて、第１回折格子３１０ａから射出される。これにより、図９に示す２つの回折格子対３１０，３１２を用いた光学系と同様に、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。
【０１２８】
なお、計測装置４００では、ミラー４１０をプローブ光Ｌ２の入射方向に対して垂直な位置から微小角度傾けることで、第１回折格子３１０ａに入射するプローブ光Ｌ２の光路と、第１回折格子３１０ａから射出されるプローブ光Ｌ２の光路と、をずらすことができる。これにより、遅延光学系４０から遅延させたプローブ光Ｌ２を取り出すことができる。
【０１２９】
計測装置４００は、さらに、第１回折格子３１０ａから射出されたプローブ光Ｌ２をミラー７０に導くためのミラー４２０を含む。
【０１３０】
計測装置４００の動作は、計測装置３００の動作と同様であるため、その説明を省略する。
【０１３１】
計測装置４００では、遅延光学系４０は、回折格子対３１０と、回折格子対３１０を通過したプローブ光Ｌ２を回折格子対３１０に戻すミラー４１０と、を含む。これにより、遅延光学系４０では、上述したように、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、計測装置４００では、例えば２つの回折格子対を用いる場合（例えば図９参照）と比べて、回折格子の数を減らすことができる。
【０１３２】
３．４．  第４変形例
次に、第４変形例に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図１１は、第４変形例に係る計測装置５００を模式的に示す図である。
【０１３３】
上述した計測装置１００では、図１に示すように、遅延光学系４０は、２つのプリズムペア４２，４４で構成されていた。
【０１３４】
これに対して、計測装置５００では、図１１に示すように、遅延光学系４０は、チャープミラー５１０，５１２を含む。遅延光学系４０は、さらに、ミラー５２０，５２２を含
む。
【０１３５】
遅延光学系４０では、図１１に示すように、第１チャープミラー５１０と第１ミラー５２０とのペアと、第２チャープミラー５１２と第２ミラー５２２とのペアとが、対称（面対称）に配置されている。第１チャープミラー５１０の反射面と第１ミラー５２０の反射面とは、例えば、平行である。また、第２チャープミラー５１２の反射面と第２ミラー５２２の反射面とは、例えば、平行である。
【０１３６】
図１２は、第１チャープミラー５１０を模式的に示す断面図である。第１チャープミラー５１０は、図１２に示すように、基板５０００と、高屈折率層５０１０と、低屈折率層５０１２と、を有している。第１チャープミラー５１０では、基板５０００上に、高屈折率層５０１０と低屈折率層５０１２とが交互に積層されている。第１チャープミラー５１０は、誘電体多層膜ミラーの一種である。
【０１３７】
第１チャープミラー５１０では、波長に応じて反射される膜（ミラー表面からの深さ）が異なり、入射した光の波長に応じた光路長を与えることができる。図示の例では、積層された高屈折率層５０１０と低屈折率層５０１２の膜厚は、長波長の光ほど深い膜（ミラー表面からの深さ）で反射されるように調整されている。そのため、第１チャープミラー５１０において、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くなる。
【０１３８】
第２チャープミラー５１２は、図１２に示す第１チャープミラー５１０と同様な構成を有している。すなわち、第２チャープミラー５１２では、第１チャープミラー５１０と同様に、波長に応じて反射される膜（ミラー表面からの深さ）が異なり、入射した光の波長に応じた光路長を与えることができる。なお、第１チャープミラー５１０、第２チャープミラー５１２ともに、図１２に示す例とは逆に、短波長の光ほど深い膜で反射されるように設計されていても良い。
【０１３９】
第１ミラー５２０および第２ミラー５２２は、第１チャープミラー５１０で反射されたプローブ光Ｌ２を第２チャープミラー５１２に導くためのミラーである。
【０１４０】
遅延光学系４０では、２つのチャープミラー５１０，５１２を利用して波長の異なるプローブ光Ｌ２に対して光路差をつけている。
【０１４１】
具体的には、第１チャープミラー５１０では、長波長の光ほど深い膜で反射されるため、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長は短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くなる。第１チャープミラー５１０で反射されたプローブ光Ｌ２は、ミラー５２０，５２２を介して第２チャープミラー５１２に入射する。第２チャープミラー５１２では、第１チャープミラー５１０と同様に、長波長の光ほど深い膜で反射されるため、長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長は、短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くなる。
【０１４２】
このようにして、遅延光学系４０では、２つのチャープミラー５１０，５１２によって、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させている。
【０１４３】
なお、ここでは、チャープミラー５１０，５１２が、長波長の光ほど深い膜で反射させて長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長を短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも長くした場合について説明したが、チャープミラー５１０，５１２を短波長の光ほど深い膜で反射させて長波長のプローブ光Ｌ２（λ２）の光路長を短波長のプローブ光Ｌ２（λ１）の光路長よりも短くしてもよい。
【０１４４】
また、ここでは、遅延光学系４０が、２つのチャープミラー５１０，５１２を有する例について説明したが、遅延光学系４０を構成するチャープミラーの数は特に限定されない。例えば、ミラー５２０，５２２に変えてチャープミラーを配置してもよい。すなわち、この場合、遅延光学系４０は、４つのチャープミラーを有する。
【０１４５】
計測装置５００では、遅延光学系４０は、チャープミラー５１０，５１２を含む。これにより、遅延光学系４０では、上述したように、プローブ光Ｌ２の波長に応じて光路長を変化させることができる。また、チャープミラー５１０，５１２は、高屈折率層５０１０および低屈折率層５０１２の膜厚を調整することで光学的性質を容易に変更することができる。したがって、計測装置５００では、遅延光学系４０としてチャープミラー５１０，５１２を用いることで、設計の自由度を高めることができる。
【０１４６】
３．５．  第５変形例
上述した計測装置１００の例では、光パルス生成部１０は、図４に示すように、多波長出力部１２が出力する互いに波長の異なる複数の光パルスを光スイッチング部１６で選択して出力することにより複数の異なる波長の光パルスを射出していたが、本変形例では、光パルス生成部１０は複数の異なる波長の光パルスを生成可能であれば様々な構成を有することができる。
【０１４７】
例えば、本変形例では、図５および図６に示す短光パルス発生装置１の温度を制御することで波長を変化させて、複数の異なる波長の光パルスを生成してもよい。
【０１４８】
具体的には、本変形例では、例えば、短光パルス発生装置１に加熱するための加熱素子（ヒーター）と短光パルス発生装置１を冷却するための冷却素子（ペルチェ素子等）を備え、この加熱素子と冷却素子を制御して短光パルス発生装置１に与える熱量を変化させることで、光パルスの波長を変化させる。これにより、光パルス生成部１０では、複数の異なる波長の光パルスを生成することができる。
【０１４９】
また、例えば、本変形例では、図４に示す光源１２−１〜１２−ｎに変えて互いに異なる波長の光パルスを生成する複数のフェムト秒ファイバーレーザーや、複数のチタンサファイアレーザーを用いてもよい。すなわち、光パルス生成部１０では、互いに異なる波長の光パルスを生成する複数のフェムト秒ファイバーレーザー（またはチタンサファイアレーザー）を光スイッチング部１６で切り替えることで複数の異なる波長の光パルスを生成してもよい。
【０１５０】
３．６．  第６変形例
上述した計測装置１００の例では、テラヘルツ波発生部３０で発生したテラヘルツ波を試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部５０で検出したが、本変形例では、テラヘルツ波発生部３０で発生したテラヘルツ波を試料Ｓに照射し、試料Ｓを反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部５０で検出してもよい。
【０１５１】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１５２】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構
成を含む。
【符号の説明】
【０１５３】
１…短光パルス発生装置、２…パルス源、４…周波数チャープ部、６…群速度分散部、８，９…光導波路、１０…光パルス生成部、１２…多波長出力部、１６…光スイッチング部、１８…制御部、２０…光パルス分岐部、３０…テラヘルツ波発生部、３２…基板、３４…ギャップ、３６，３８…電極、４０…遅延光学系、４２…第１プリズムペア、４２ａ…第１プリズム、４２ｂ…第２プリズム、４４…第２プリズムペア、４４ａ…第３プリズム、４４ｂ…第４プリズム、５０…テラヘルツ波検出部、５２…基板、５４…ギャップ、５６，５８…電極、６０，６２，６４，６６，６８，７０，７２…ミラー、１００…計測装置、１０２…基板、１０２ａ…第１領域、１０２ｂ…第２領域、１０２ｃ…第３領域、１０４…バッファー層、１０６…第１クラッド層、１０８…第１コア層、１０８ａ…第１ガイド層、１０８ｂ…ＭＱＷ層、１０８ｃ…第２ガイド層、１０９ａ，１０９ｂ…端面、１１０…第２クラッド層、１１１ａ，１１１ｂ…柱状部、１１２…キャップ層、１１４…第２コア層、１１６…第３クラッド層、１１８…キャップ層、１２０，１２２…絶縁層、１３０…第１電極、１３２…第２電極、２００…計測装置、２１０，２２０…ミラー、３００…計測装置、３１０…第１回折格子対、３１０ａ…第１回折格子、３１０ｂ…第２回折格子、３１２…第２回折格子対、３１２ａ…第３回折格子、３１２ｂ…第４回折格子、４００…計測装置、４１０，４２０…ミラー、５００…計測装置、５１０…第１チャープミラー、５１２…第２チャープミラー、５２０…第１ミラー、５２２…第２ミラー、５０００…基板、５０１０…高屈折率層、５０１２…低屈折率層
【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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