(57)【要約】【課題】測定対象物が流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる全反射テラヘルツ波測定装置を提供する。【解決手段】全反射テラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、内部多重全反射プリズム３１、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ，５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。内部多重全反射プリズム３１は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波を入射面３１ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに４つの反射面３１ｃ〜３１ｆで全反射させて、該テラヘルツ波を出射面３１ｂから合波部１６へ出力する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出力する光源と、
前記光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、
前記分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、
前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を入射面に入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに複数の反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部多重全反射プリズムと、
前記内部多重全反射プリズムの前記出射面から出力されたテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これら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、
前記内部多重全反射プリズムの前記複数の反射面それぞれに配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する、
ことを特徴とする全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項２】
前記分岐部から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、前記分岐部から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えることを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項３】
前記内部多重全反射プリズムの前記入射面に前記テラヘルツ波発生素子が一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項４】
前記内部多重全反射プリズムの前記入射面に設けられた前記テラヘルツ波発生素子にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバを更に備えることを特徴とする請求項３記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項５】
前記内部多重全反射プリズムの前記入射面の側に、前記内部多重全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項６】
前記内部多重全反射プリズムの前記出射面に前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられていることを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項７】
前記内部多重全反射プリズムの前記出射面に設けられた前記テラヘルツ波検出素子にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバを更に備えることを特徴とする請求項６記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項８】
前記内部多重全反射プリズムの前記出射面の側に、前記内部多重全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されている、ことを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項９】
前記内部多重全反射プリズムの前記入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、前記内部多重全反射プリズムの前記出射面から出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあることを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【請求項１０】
前記測定対象物としての流動体および前記内部多重全反射プリズムのうち一方を他方に対して相対的に移動させる移動手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全反射テラヘルツ波測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている（特許文献１を参照）。
【０００３】
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えばフェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。そのうちポンプ光はテラヘルツ波発生素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）に入射される。
【０００４】
テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびプローブ光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、この電気光学結晶においてテラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の情報が得られる。
【０００５】
テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得に際しては、測定対象部でのテラヘルツ波の透過または反射だけでなく、特許文献１に開示されているように、プリズムの一平面においてテラヘルツ波を全反射させてエバネセント成分を生じさせ、該平面上の測定対象物に対してテラヘルツ波のエバネセント成分を照射することで、テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得が行われる場合がある。特許文献１の記載によれば、テラヘルツ波の全反射を利用する技術では測定対象物が固体に限定されない等の効果を奏するとされている。
【特許文献１】特開２００４−３５４２４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示された技術は、測定対象物として固体だけでなく液体等の流動体をも測定することができるものの、テラヘルツ波を全反射させるプリズムの一平面上に測定対象物を配置する必要がある。しかし、測定対象物が流動体である場合、その流動的な測定対象物をプリズムの一平面上に配置して安定な測定を行うことは困難である。また、測定対象物に対して１回の全反射のみによるテラヘルツ波のエバネセント成分を照射するだけであるので、測定感度が低い。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、測定対象物が流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる全反射テラヘルツ波測定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】
【０００８】
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、(3) 分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生素子と、(4) テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を入射面に入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに複数の反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部多重全反射プリズムと、(5) 内部多重全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これら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、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射プリズムの複数の反射面それぞれに配置された測定対象物についての情報を重畳して、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により効率よく取得することを特徴とする。
【０００９】
この全反射テラヘルツ波測定装置では、光源から出力された光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光として出力される。分岐部から出力されたポンプ光はテラヘルツ波発生素子に入力され、このテラヘルツ波発生素子でテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波は、内部多重全反射プリズムの入射面に入力され、内部多重全反射プリズムの内部で伝播するとともに複数の反射面で全反射されて、内部多重全反射プリズムの出射面から外部へ出力される。内部多重全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とは、テラヘルツ波検出素子に入力されて、このテラヘルツ波検出素子によりテラヘルツ波とプローブ光との間の相関が検出される。このとき、内部多重全反射プリズムの複数の反射面それぞれに配置された測定対象物についての情報は、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により効率よく取得される。
【００１０】
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、分岐部からテラヘルツ波検出素子に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、分岐部からテラヘルツ波検出素子に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えるのが好適である。この場合には、光路長差調整部により、テラヘルツ波およびプローブ光それぞれがテラヘルツ波検出素子に入力されるタイミングが調整され、また、そのタイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。なお、この光路長差調整部は、ポンプ光，プローブ光およびテラヘルツ波の何れの光学系に設けられてもよい。
【００１１】
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子が一体に設けられているのが好適であり、また、この内部多重全反射プリズムの入射面に設けられたテラヘルツ波発生素子にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバを更に備えるのが好適である。内部多重全反射プリズムの入射面の側に、内部多重全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部多重全反射プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられているのが好適であり、また、この内部多重全反射プリズムの出射面に設けられたテラヘルツ波検出素子にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバを更に備えるのが好適である。また、内部多重全反射プリズムの出射面の側に、内部多重全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。
【００１２】
このように、内部多重全反射プリズムにテラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子が一体に設けられていることにより、これらの取り扱いが容易であり、また、小型化が可能である。また、内部多重全反射プリズムに一体に設けられたテラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子にポンプ光またはプローブ光を導く光ファイバが更に設けられていることにより、更に、これらの取り扱いが容易である。また、内部多重全反射プリズムにコリメート作用または集光作用を奏する光学素子（例えばレンズや軸外し放物面鏡）が形成されていれば、テラヘルツ波発生素子またはテラヘルツ波検出素子が光導電アンテナ素子である場合に好都合である。
【００１３】
内部多重全反射プリズムの入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、内部多重全反射プリズムの出射面から出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあるのが好適である。この場合には、この内部多重全反射プリズムの位置に、内部多重全反射プリズムおよび測定対象物の何れかを選択して配置すれば、全反射測定法と透過測定法とを切り替えることができる。
【００１４】
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、測定対象物としての流動体および内部多重全反射プリズムのうち一方を他方に対して相対的に移動させる移動手段を更に備えるのが好適である。この場合には、測定が効率的に行われ得る。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、測定対象物が流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明の実施形態の構成と対比されるべき第１比較例および第２比較例の構成について先ず説明し、その後に、これら比較例の構成と対比しつつ実施形態の構成について説明する。
【００１７】
（第１比較例）
先ず、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８について説明する。図１は、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置８は、テラヘルツ波を用いて透過測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００１８】
光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光を出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光としてミラーＭ４へ出力する。
【００１９】
チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０に到るまでのポンプ光の光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。
【００２０】
テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光を入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。
【００２１】
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０.０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過することで測定対象物Ｓの情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部１６に入力される。なお、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。
【００２２】
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５を通過して、合波部１６に入力される。なお、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光の光学系を、以下では「プローブ光学系」という。４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部１４を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部１４は、分岐部１２から合波部１６に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路と、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光学系の光路との差を、調整することができる。
【００２３】
合波部１６は、テラヘルツ波発生素子２０から出力され測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波と、分岐部１２から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波してテラヘルツ波検出素子４０へ出力する。この合波部１６は、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーであるペリクルであるのが好適である。
【００２４】
テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、合波部１６から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する。このときの複屈折量はテラヘルツ波の電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量はテラヘルツ波の電場強度に依存する。
【００２５】
偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムであり、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光を入力し、この入力したプローブ光を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３Ａ，５３Ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光の２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。
【００２６】
差動増幅器５４は、光検出器５３Ａ，５３Ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光の通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波の電場強度に依存する値を有する。このようにして、測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出し、テラヘルツ波の電場振幅を検出して、測定対象物Ｓの情報を得ることができる。
【００２７】
このテラヘルツ波測定装置８は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部Ｓを透過して合波部１６に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５により直線偏光とされ、合波部１６に入力される。
【００２８】
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００２９】
ただし、このような透過測定法では、水によるテラヘルツ波の吸収が大きいことから、通常、測定対象物Ｓは乾燥した固体に限定される。次に説明する第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、このような問題点を解決し得るものである。
【００３０】
（第２比較例）
次に、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９について説明する。図２は、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、プリズム３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００３１】
図１に示された第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成と比較すると、この図２に示される第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波光学系上にプリズム３０を備える点で相違する。プリズム３０は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波を入射面３０ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面３０ｃで全反射させ、その全反射した後のテラヘルツ波を出射面３０ｂから合波部１６へ出力する。プリズム３０はダフプリズムであり、入射面３０ａに入力されるテラヘルツ波の主光線と、出射面３０ｂから出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にある。プリズム３０の反射面３０ｃの上に測定対象物Ｓが配置される。
【００３２】
このテラヘルツ波測定装置９では、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、プリズム３０の入射面３０ａに入力されて、プリズム３０の内部を伝播するとともにプリズム３０の反射面３０ｃで全反射される。その全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち反射面３０ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、プリズム３０の反射面３０ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３０ｃの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、プリズム３０の内部を伝播し、プリズム３０の出射面３０ｂから外部へ出力される。プリズム３０から出力されたテラヘルツ波は、プローブ光学系を経たプローブ光とともに、合波部１６に入力される。
【００３３】
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００３４】
このような全反射測定法では、プリズム３０の反射面３０ｃの上に配置される測定対象物Ｓが水分を含んでいても、測定が可能である。ただし、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０までテラヘルツ波が伝播する空間において水分が無い又は少ないことが望ましい。
【００３５】
この全反射測定法では、テラヘルツ波を全反射させるプリズム３０の反射面３０ｃ上に測定対象物Ｓを配置する必要がある。しかし、測定対象物Ｓが流動体である場合、その流動的な測定対象物Ｓをプリズム３０の反射面３０ｃ上に配置して安定な測定を行うことは困難である。また、測定対象物Ｓに対してテラヘルツ波のエバネセント成分を照射するのは１度だけであり、測定感度が低い。以下に説明する本実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、このような問題点を解決し得るものである。
【００３６】
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１について説明する。図３は、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、内部多重全反射プリズム３１、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００３７】
図２に示された第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成と比較すると、この図３に示される第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１は、プリズム３０に替えて内部多重全反射プリズム３１を備える点で相違する。また、この全反射テラヘルツ波測定装置１では、図４に示されるように、流動体である測定対象物Ｓが容器６０に入れられ、その測定対象物Ｓに内部多重全反射プリズム３１が挿入される。
【００３８】
内部多重全反射プリズム３１は、入射面３１ａ，出射面３１ｂおよび４つの反射面３１ｃ〜３１ｆを有する。この内部多重全反射プリズム３１は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されミラーＭ９で反射されたテラヘルツ波を入射面３１ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに４つの反射面３１ｃ〜３１ｆで全反射させて、該テラヘルツ波を出射面３１ｂからミラーＭ１０を経て合波部１６へ出力する。
【００３９】
内部多重全反射プリズム３１は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されるテラヘルツ波の波長において透明であって、測定対象物Ｓの屈折率より高い屈折率を有する材料からなり、例えばシリコンからなるのが好ましい。シリコンは、テラヘルツ波の波長帯において透明であり、波長１ＴＨｚにおいて屈折率が３.４である。また、例えば、測定対象物Ｓの主成分が水であるとして、水の波長１ＴＨｚにおける屈折率が２.０である。このとき、臨界角は３６度（＝sin-1(2.0/3.4)）であるから、この臨界角より大きい入射角（図示されるように例えば４５度）であるときに全反射が生じる。測定対象物Ｓが気体である場合も同様に全反射が生じる。
【００４０】
内部多重全反射プリズム３１は、容器６０に入れられた測定対象物Ｓに挿入され、４つの反射面３１ｃ〜３１ｆのうち３つの反射面３１ｃ〜３１ｅそれぞれにおける全反射箇所が測定対象物Ｓに接する。内部多重全反射プリズム３１は、多角柱形状（例えば図示されるように六角柱形状）を有しているのが好まし。この場合、多角柱形状の複数の側面が入射面，出射面および反射面の何れかとなり、上面および底面を保持具により保持することができる。
【００４１】
この全反射テラヘルツ波測定装置１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、ミラーＭ９により反射された後、内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａに入力されて、内部多重全反射プリズム３１の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム３１の反射面３１ｃ〜３１ｆそれぞれで全反射される。
【００４２】
そのうち反射面３１ｃ〜３１ｅそれぞれにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム３１の反射面３１ｃ〜３１ｅそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂから外部へ出力される。内部多重全反射プリズム３１から出力されたテラヘルツ波は、ミラーＭ１０により反射されて、プローブ光学系を経たプローブ光とともに合波部１６に入力される。
【００４３】
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００４４】
なお、光路長差調整部１４においてミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光学系の光路長が調整されることで、合波部１６に入力されるテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのタイミング差が調整される。前述したように、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。このことから、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光の入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
【００４５】
以上のように、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１は、内部多重全反射プリズム３１の複数の反射面それぞれに配置された測定対象物Ｓについての情報を重畳して、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する。このことから、測定対象物Ｓが流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。また、反射角度、反射回数を明らかにできるので定量評価可能である。
【００４６】
なお、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０までテラヘルツ波が伝播する空間において水分が無い又は少ないことが望ましい。したがって、この空間において窒素パージを行うのが好ましい。
【００４７】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２について説明する。図５は、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置２は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、ビームスプリッタ１７、テラヘルツ波発生素子２０、内部多重全反射プリズム３１、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００４８】
図３に示された第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成と比較すると、この図５に示される第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２は、内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａにテラヘルツ波発生素子２０が一体的に設けられている点で相違し、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂにテラヘルツ波検出素子４０が一体的に設けられている点で相違し、また、合波部１６に替えてビームスプリッタ１７を備える点で相違する。また、この全反射テラヘルツ波測定装置２では、図６に示されるように、流動体である測定対象物Ｓが容器６０に入れられ、その測定対象物Ｓに内部多重全反射プリズム３１が挿入される。
【００４９】
内部多重全反射プリズム３１に対してテラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０を一体化するに際しては、内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａにテラヘルツ波発生素子２０が接着剤により接合され、また、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂにテラヘルツ波検出素子４０が接着剤により接合される。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波の波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０それぞれの屈折率と内部多重全反射プリズム３１の屈折率との間の中間または同等の屈折率を有するのが好ましい。
【００５０】
また、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｂとテラヘルツ波検出素子４０との接合位置において、プローブ光の波長で反射率が高いのが好ましい。反射面３１ｂに誘電体多層膜が形成されていて、これにより、テラヘルツ波に対して透明であって、プローブ光波長に対して高反射率とされていてもよい。
【００５１】
この全反射テラヘルツ波測定装置２は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３およびミラーＭ９により順次に反射されて、内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａに入力されて、内部多重全反射プリズム３１の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム３１の反射面３１ｃ〜３１ｆそれぞれで全反射される。
【００５２】
そのうち反射面３１ｃ〜３１ｅそれぞれにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム３１の反射面３１ｃ〜３１ｅそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。
【００５３】
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８，ビームスプリッタ１７およびミラーＭ１０により順次に反射されて、テラヘルツ波検出素子４０に入力される。ミラーＭ１０からテラヘルツ波検出素子４０に入力されたテラヘルツ波は、テラヘルツ波検出素子４０を通過した後に、内部多重全反射プリズム３１の出射面３１ｂで反射され、再びテラヘルツ波検出素子４０を通過してミラーＭ１０へ出力される。
【００５４】
テラヘルツ波およびプローブ光は、互いに同軸となるように、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。テラヘルツ波検出素子４０からミラーＭ１０へ出力されたプローブ光は、ミラーＭ１０で反射されて、ビームスプリッタ１７を透過する。そして、プローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
【００５５】
以上のように、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２は、内部多重全反射プリズム３１の複数の反射面それぞれに配置された測定対象物Ｓについての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する。このことから、測定対象物Ｓが流動体であっても容易かつ高感度に測定することができる。また、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０が内部多重全反射プリズム３１に一体化されて設けられているので、これらの取り扱いが容易であり、この点でも容易に測定することができ、また、小型化が可能である。また、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０に到るまでテラヘルツ波が空間伝播することなく内部多重全反射プリズム３１内部を伝播するので、窒素パージを行う必要がなく、この点でも容易に測定することができ、また、小型化が可能である。さらに、内部多重全反射プリズム３１の入射面３１ａおよび出射面３１ｂそれぞれにおけるテラヘルツ波の損失が低減されるので、この点でも高感度に測定することができる。
【００５６】
次に、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２の変形例について説明する。以下に説明する変形例は、図６に示された内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の構成に関するものである。
【００５７】
図７は、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示される内部多重全反射プリズム３２は、図５中の内部多重全反射プリズム３１に替えて用いられるものであって、入射面３２ａにテラヘルツ波発生素子２０が一体的に設けられ、また、出射面３２ｂにテラヘルツ波検出素子４０が一体的に設けられている。また、内部多重全反射プリズム３２は、入射面３２ａ近傍の内部にレンズ３２ｐが形成され、出射面３２ｂ近傍の内部にレンズ３２ｑが形成されている。レンズ３２ｐは、テラヘルツ波発生素子２０で発生して内部多重全反射プリズム３２の内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する。レンズ３２ｑは、内部多重全反射プリズム３２の内部を伝播してテラヘルツ波検出素子４０へ出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する。
【００５８】
テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに内部多重全反射プリズム３２の入射面３２ａに入力されレンズ３２ｐによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム３２の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム３２の反射面３２ｃ〜３２ｆそれぞれで全反射される。そのうち反射面３２ｃ〜３２ｅそれぞれにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム３２の反射面３２ｃ〜３２ｅそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、レンズ３２ｑにより集光されて出射面３２ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム３２の出射面３２ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。
【００５９】
このような内部多重全反射プリズム３２は、図８で説明されるような工程を経て製造され得る。すなわち、内部多重全反射プリズム３２と外形が同じであるプリズム３２Ａが用意され（同図（ａ））、同図中の破線で示される位置でプリズム３２Ａが切断されて部材３２Ｂ，３２Ｃおよび３２Ｄとされる（同図（ｂ））。このとき、切断位置は、レンズ３２ｐ，３２ｑが設けられるべき中心位置である。次に、部材３２Ｂ，３２Ｃおよび３２Ｄの何れかの切断面に凹部を形成し（同図（ｃ））、その凹部に樹脂や粉末を充填し、部材３２Ｂ，３２Ｃおよび３２Ｄを元通りに接合して、樹脂の硬化または粉末の押し固めを行う。このようにして、内部多重全反射プリズム３２を製造することができる。
【００６０】
なお、レンズ３２ｐ、３２ｑの形状は、上記凹部に充填される樹脂の屈折率とプリズム３２Ａの屈折率との関係に依る。すなわち、テラヘルツ波長においてプリズム３２Ａの屈折率より樹脂の屈折率が高い場合には、レンズ３２ｐ，３２ｑの形状は凸レンズとされる。逆にプリズム３２Ａの屈折率より樹脂の屈折率が低い場合には、レンズ３２ｐ，３２ｑの形状は凹レンズとされる。例えば、プリズム３２Ａはシリコンからなり、凹部に充填される樹脂はポリエチレンからなる。
【００６１】
図９は、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示される内部多重全反射プリズム３３は、図５中の内部多重全反射プリズム３１に替えて用いられるものであって、入射面３３ａにテラヘルツ波発生素子２０が一体的に設けられ、また、出射面３３ｂにテラヘルツ波検出素子４０が一体的に設けられている。また、内部多重全反射プリズム３３は、入射面３３ａにレンズ３３ｐが形成され、出射面３３ｂにレンズ３３ｑが形成されている。レンズ３３ｐは、テラヘルツ波発生素子２０で発生して内部多重全反射プリズム３３の内部を伝播するテラヘルツ波に対してコリメート作用を奏する。レンズ３３ｑは、内部多重全反射プリズム３３の内部を伝播してテラヘルツ波検出素子４０へ出力されるテラヘルツ波に対して集光作用を奏する。
【００６２】
レンズ３３ｐは、入射面３３ａに形成された凹部に樹脂等が充填されたものである。レンズ３３ｑは、出射面３３ｂに形成された凹部に樹脂等が充填されたものである。なお、レンズ３３ｐ、３３ｑの形状は、上記凹部に充填される樹脂の屈折率とプリズム３３の屈折率との関係に依る。すなわち、テラヘルツ波長においてプリズム３３の屈折率より樹脂の屈折率が高い場合には、レンズ３３ｐ，３３ｑの形状は凸レンズとされる。逆にプリズム３３の屈折率より樹脂の屈折率が低い場合には、レンズ３３ｐ，３３ｑの形状は凹レンズとされる。
【００６３】
テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに内部多重全反射プリズム３３の入射面３３ａに入力されレンズ３３ｐによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム３３の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム３３の反射面３３ｃ〜３３ｆそれぞれで全反射される。そのうち反射面３３ｃ〜３３ｅそれぞれにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム３３の反射面３３ｃ〜３３ｅそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、レンズ３３ｑにより集光されて出射面３３ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム３３の出射面３３ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。
【００６４】
その他、内部多重全反射プリズムの入射面または出射面の側の内部または表面にフレネルレンズが形成されていてもよい。内部にフレネルレンズを形成する場合、レーザ加工により形成することも可能であるし、また、図８で説明した工程と同様にして、プリズムを切断し、その切断面にフレネルレンズを形成し、その後に元通りに接合すればよい。このようにレンズが形成されていることにより、テラヘルツ波をコリメートまたは集光することができ、また、イメージを転送することもできる。
【００６５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３について説明する。図１０は、第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置３は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、光路長差調整部１４、テラヘルツ波発生素子２１、内部多重全反射プリズム３３、テラヘルツ波検出素子４１、信号発生部５６および同期検出部５７を備える。
【００６６】
この全反射テラヘルツ波測定装置３では、図１１に示されるように、内部多重全反射プリズム３３の入射面３３ａにテラヘルツ波発生素子２１が一体的に設けられ、内部多重全反射プリズム３３の出射面３３ｂにテラヘルツ波検出素子４１が一体的に設けられている。内部多重全反射プリズム３３は、図９に示された構成を有する。また、テラヘルツ波発生素子２１およびテラヘルツ波検出素子４１それぞれとして、図１２に示されるような光導電アンテナ素子が用いられる。
【００６７】
図１２に示される光導電アンテナ素子１００は、テラヘルツ波発生素子２１またはテラヘルツ波検出素子４１として用いられるものであって、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、このＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＧａＡｓ層１０２と、このＧａＡｓ層１０２上に形成された１対の電極１０３および電極１０４と、を有する。ＧａＡｓ層１０２は、ＭＢＥにより低温（例えば２００〜２５０℃）でエピタキシャル成長されたものであり、例えば厚さ１〜３μｍである。電極１０３および電極１０４は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極であり、アンテナの長さが例えば２０μｍ〜２ｍｍであり、両者間の間隔が例えば３〜１０μｍである。低温エピタキシャル成長で形成されたＧａＡｓ層１０２は、キャリアの寿命が短く、キャリアの移動度が高く、また、インピーダンスが高い。
【００６８】
テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間に電圧が印加されているときに、電極１０３と電極１０４との間のＧａＡｓ層１０２の領域にポンプ光が照射されると、ＧａＡｓ層１０２内で電子正孔対が発生する。この電子は、電極１０３と電極１０４との間に印加されている電圧により加速されて移動する。これにより、電極１０３と電極１０４との間に電流が生じるとともに、テラヘルツ波が発生する。テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間には、信号発生部５６により一定周期の電圧が印加される。
【００６９】
テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この相関に基づいてテラヘルツ波のスペクトルを求めることができ、さらに測定対象物の情報を得ることができる。テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に生じる電流は、同期検出部５７により、テラヘルツ波発生素子２１におけるテラヘルツ波発生の周期（すなわち、信号発生部５６による電圧印加の周期）に同期して検出される。
【００７０】
この全反射テラヘルツ波測定装置３は以下のように動作する。光源１１から出力されたレーザ光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３およびミラーＭ９により順次に反射されて、内部多重全反射プリズム３３の入射面３３ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２１に入力される。テラヘルツ波発生素子２１としての光導電アンテナ素子１００では、電極１０３と電極１０４との間に一定周期の電圧が信号発生部５６により印加されており、電極１０３と電極１０４との間にポンプ光が入力され、これによりテラヘルツ波が発生する。
【００７１】
テラヘルツ波発生素子２１から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちに内部多重全反射プリズム３３の入射面３３ａに入力されレンズ３３ｐによりコリメートされて、内部多重全反射プリズム３３の内部を伝播するとともに内部多重全反射プリズム３３の反射面３３ｃ〜３３ｆそれぞれで全反射される。そのうち反射面３３ｃ〜３３ｅそれぞれにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分に存在する。このことから、内部多重全反射プリズム３３の反射面３３ｃ〜３３ｅそれぞれで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち各反射面の近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、レンズ３３ｑにより集光されて出射面３３ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部多重全反射プリズム３３の出射面３３ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４１に入力される。
【００７２】
分岐部１２から出力されミラーＭ４〜Ｍ８，Ｍ１１およびＭ１０により順次に反射されて到達したプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に入力される。また、内部多重全反射プリズム３３の出射面３３ｂから出力されたテラヘルツ波も、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に入力される。
【００７３】
テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この電流は、同期検出部５７により、信号発生部５６による電圧印加の周期に同期して検出される。これにより、テラヘルツ波のスペクトルが求められ、さらに測定対象物Ｓの情報が得られる。
【００７４】
この第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３も、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２が奏する効果と同様の効果を奏することができる。また、図２と同様に、ポンプ光をチョッピングする方法で検出可能である。このとき、信号発生部５６は直流電圧を出力しており、光チョッパに同期して同期検出部５７で検出できる。
【００７５】
次に、第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の変形例について説明する。以下に説明する変形例は、図１１に示された内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の構成に関するものである。図１３は、第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。この図に示されるように、内部多重全反射プリズム３３の入射面３３ａに設けられたテラヘルツ波発生素子２１にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバ７１が設けられ、また、内部多重全反射プリズム３３の出射面３３ｂに設けられたテラヘルツ波検出素子４１にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバ７２が設けられている。
【００７６】
また、テラヘルツ波発生素子２１およびテラヘルツ波検出素子４１それぞれを含む部分は、光ファイバ７１，７２の先端部を含めて、防水対策が施されているのが好ましい。このようにすることにより、テラヘルツ波発生素子２１およびテラヘルツ波検出素子４１と共に内部多重全反射プリズム３３を測定対象物Ｓ中に完全に浸すことが可能となり、内部多重全反射プリズム３３の上面である反射面３３ｆにおけるテラヘルツ波のエバネセント成分も有効利用することができる。
【００７７】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４について説明する。図１４は、第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置４は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、内部多重全反射プリズム３４、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３Ａ、光検出器５３Ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
【００７８】
図３に示された第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成と比較すると、この図１４に示される第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４は、内部多重全反射プリズム３１に替えて内部多重全反射プリズム３４を備える点で相違する。また、この全反射テラヘルツ波測定装置４では、流動体である測定対象物Ｓが容器６０に入れられ、その測定対象物Ｓに内部多重全反射プリズム３４が挿入される。
【００７９】
内部多重全反射プリズム３４は、入射面３４ａ，出射面３４ｂおよび反射面３４ｃ〜３４ｅを有する。入射面３４ａおよび出射面３４ｂは互いに平行である。これら入射面３４ａおよび出射面３４ｂに対して反射面３４ｃは垂直である。反射面３４ｄおよび反射面３４ｅは、反射面３４ｃに対して対向する側にあり、Ｖ字型の切り欠き部を構成している。なお、入射面３４ａおよび出射面３４ｂそれぞれは、内部を伝播して臨界角以上の入射角で入射するテラヘルツ波に対しては反射面として作用する。
【００８０】
この内部多重全反射プリズム３４では、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、入射面３４ａに対して垂直に入力されて内部に導入され、反射面３４ｄにおいて全反射された後、入射面３４ａ，出射面３４ｂおよび反射面３４ｃにおいて全反射される。そして、反射面３４ｅにおいて全反射された後のテラヘルツ波は、出射面３４ｂに対して垂直に出力される。
【００８１】
このような内部多重全反射プリズム３４を用いた第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４も、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の動作と同様に動作し、また、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１が奏する効果と同様の効果を奏することができる。
【００８２】
反射面３４ｃにおけるテラヘルツ波の全反射位置は、入射面３４ａと出射面３４ｂとの間の中心位置にあるのが好ましい。この場合、内部多重全反射プリズム３４の入射面３４ａに入力されるテラヘルツ波の主光線と、内部多重全反射プリズム３４の出射面３４ｂから出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあることになる。このようにすることにより、この内部多重全反射プリズム３４の位置に、内部多重全反射プリズム３４および測定対象物の何れかを選択して配置すれば、全反射測定法と透過測定法とを切り替えることができる。
【００８３】
Ｖ字型の切り欠き部を構成する反射面３４ｄおよび反射面３４ｅは、テラヘルツ波を高い反射率で反射させるために、金属膜が蒸着されているのが好ましい。また、反射面３４ｃにも金属膜が蒸着されているのが好ましく、この場合には、反射面３４ｃにおけるテラヘルツ波の反射は分光結果に寄与せず、反射面３４ｃにおけるテラヘルツ波の入射角は任意でよいので、入射面３４ａおよび出射面３４ｂそれぞれにおけるテラヘルツ波の入射角の自由度が高くなる。
【００８４】
入射面３４ａのうちのテラヘルツ波入射領域には、入力されたテラヘルツ波のうち特定方位の偏光性分を透過させる偏光子が設けられていてもよい。また、反射面３４ｄには、テラヘルツ波のうち特定方位の偏光性分を反射させる偏光子が設けられていてもよい。このような偏光子として、例えば、複数本の金属線が並列配置されてなるワイヤグリッド偏光子が好ましい。
【００８５】
図１５は、第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４において内部多重全反射プリズム３４に替えて用いられ得る内部多重全反射プリズム３５を説明する図である。この内部多重全反射プリズム３５も、入射面３５ａ，出射面３５ｂおよび反射面３５ｃ〜３５ｅを有する。入射面３５ａおよび出射面３５ｂは互いに平行である。これら入射面３５ａおよび出射面３５ｂに対して反射面３５ｃは垂直である。反射面３５ｄおよび反射面３５ｅは、反射面３５ｃに対して対向する側にあり、Ｖ字型の切り欠き部を構成している。なお、入射面３５ａおよび出射面３５ｂそれぞれは、内部を伝播するテラヘルツ波に対しては反射面として作用する。
【００８６】
この内部多重全反射プリズム３５でも、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、入射面３５ａに対して垂直に入力されて内部に導入され、反射面３５ｄにおいて全反射された後、入射面３５ａ，出射面３５ｂおよび反射面３５ｃにおいて全反射される。そして、反射面３５ｅにおいて全反射された後のテラヘルツ波は、出射面３５ｂに対して垂直に出力される。
【００８７】
特に、この内部多重全反射プリズム３５では、Ｖ字型の切り欠き部を構成する反射面３５ｄおよび反射面３５ｅそれぞれは、対向する反射面３５ｃに対して２２.５度の傾斜を有している。これにより、反射面３５ｄおよび反射面３５ｅそれぞれは、金属膜が蒸着されていなくても、テラヘルツ波を全反射させることができる。また、入射面３５ａ，出射面３５ｂおよび反射面３５ｃそれぞれにおけるテラヘルツ波の入射角は４５度となる。
【００８８】
なお、内部多重全反射プリズム３４，３５それぞれにおいて、入射面のうちのテラヘルツ波入射領域に、テラヘルツ波発生素子が一体的に設けられていてもよいし、テラヘルツ波をコリメートするレンズが設けられていてもよいし、ポンプ光をテラヘルツ波発生素子に導く光ファイバが接続されていてもよい。また、内部多重全反射プリズム３４，３５それぞれにおいて、出射面のうちのテラヘルツ波出射領域に、テラヘルツ波検出素子が一体的に設けられていてもよいし、テラヘルツ波を集光するレンズが設けられていてもよいし、プローブ光をテラヘルツ波検出素子に導く光ファイバが接続されていてもよい。
【００８９】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置について説明する。以下に説明する第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置では、測定対象物としての流動体および内部多重全反射プリズムのうち一方を他方に対して相対的に移動させる移動手段が設けられている。なお、以下では、内部多重全反射プリズムおよび当該周辺について主に説明する。
【００９０】
図１６に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図３に示された第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成に加えて、測定対象物Ｓが入れられた容器６０を移動させる移動手段としてステージ８０およびベルトコンベア８１を備える。図中で光学系１Ａは、全反射テラヘルツ波測定装置１の構成のうち光源１１から光検出器５３Ａ，５３Ｂに到る迄のポンプ光，プローブ光およびテラヘルツ波それぞれの光学系（ただし、内部多重全反射プリズム３１を除く）を含むものである。内部多重全反射プリズム３１は、この光学系１Ａに対して支持具８２により固定されていて、位置が固定されている。測定対象物Ｓが入れられた容器６０は、ステージ８０上に載せられてベルトコンベア８１上を水平移動し、また、ベルトコンベア８１により所定位置まで来たところでステージ８０と共に上下移動する。ステージ８０と共に上方に移動したところで、このステージ８０上に載せられている容器６０に入れられた測定対象物Ｓに内部多重全反射プリズム３１が挿入されて測定が行われ、測定が終了するとステージ８０が下方に移動する。このようにして、複数の容器６０それぞれに入れられた測定対象物Ｓが順次に測定される。
【００９１】
図１７に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図１３に示された内部多重全反射プリズム３３を含む第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成（図１０）を備えるものであり、その内部多重全反射プリズム３３に支持具８３が取り付けられている。内部多重全反射プリズム３３の入射面に、テラヘルツ波発生素子２１が一体的に設けられ、このテラヘルツ波発生素子２１にポンプ光を導くポンプ光用光ファイバ７１が設けられている。また、内部多重全反射プリズム３３の出射面に、テラヘルツ波検出素子４１が一体的に設けられ、このテラヘルツ波検出素子４１にプローブ光を導くプローブ光用光ファイバ７２が設けられている。支持具８３は、内部多重全反射プリズム３３の入射面，出射面および反射面のいずれでもない面に固定されている。この場合、支持具３３を持って内部多重全反射プリズム３３を移動させることにより、容器６０内の測定対象部Ｓに内部多重全反射プリズム３３が挿入されて測定が行われる。内部多重全反射プリズム３３を測定対象物Ｓ中に完全に浸すことで、内部多重全反射プリズム３３の上面である反射面におけるテラヘルツ波のエバネセント成分も有効利用することができる。
【００９２】
図１８に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図１３に示された内部多重全反射プリズム３３を含む第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成（図１０）を備えるものであり、その内部多重全反射プリズム３３が移動機構８４により上下移動可能となっている。測定対象物Ｓが入れられた容器６０は、ベルトコンベア８１上を水平移動する。或る容器６０が内部多重全反射プリズム３３の下方に来たときに、内部多重全反射プリズム３３は、移動機構８４により下方に移動して、容器６０に入れられた測定対象物Ｓに挿入されて測定が行われ、測定が終了すると移動機構８４により上方に移動する。図１９に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図１３に示された内部多重全反射プリズム３３を含む第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成（図１０）を備えるものであり、樋６１に流れている測定対象物Ｓに移動機構８４により内部多重全反射プリズム３３が挿入される。この場合、測定対象物Ｓは樋８１を流れることで移動して測定される。
【００９３】
図２０に示される全反射テラヘルツ波測定装置は、図１５に示された内部多重全反射プリズム３５を含む第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４の構成（図１４）を備えるものであり、樋６１に流れている測定対象物Ｓに内部多重全反射プリズム３５が挿入される。この場合、測定対象物Ｓは樋８１を流れることで移動して測定される。また、図２１に示されるように、内部多重全反射プリズム３５の入射面にテラヘルツ波発生素子２０が一体的に設けられ、内部多重全反射プリズム３５の出射面にテラヘルツ波検出素子４０が一体的に設けられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。
【図２】第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成図である。
【図３】第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成図である。
【図４】第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１における内部多重全反射プリズム３１および当該周辺を説明する図である。
【図５】第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２の構成図である。
【図６】第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２における内部多重全反射プリズム３１および当該周辺を説明する図である。
【図７】第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。
【図８】内部多重全反射プリズム３２の製造工程を説明する図である。
【図９】第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。
【図１０】第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成図である。
【図１１】第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３における内部多重全反射プリズム３３および当該周辺を説明する図である。
【図１２】光導電アンテナ素子の斜視図である。
【図１３】第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３における内部多重全反射プリズムおよび当該周辺の変形例を説明する図である。
【図１４】第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４の構成図である。
【図１５】第４実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置４において用いられ得る内部多重全反射プリズム３５を説明する図である。
【図１６】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【図１７】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【図１８】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【図１９】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【図２０】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【図２１】第５実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００９５】
１〜４…全反射テラヘルツ波測定装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、１６…合波部、１７…ビームスプリッタ、２０，２１…テラヘルツ波発生素子、３１〜３５…内部多重全反射プリズム、４０，４１…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３Ａ，５３Ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、５６…信号発生部、５７…同期検出部、６０…容器、７１，７２…光ファイバ、Ｍ１〜Ｍ１１…ミラー、Ｓ…測定対象物。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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