(57)【要約】【課題】テラヘルツパルス光装置を構成する機器に市販の部品を利用可能として製造コストを下げる。【解決手段】テラヘルツパルス光を被測定試料２に照射して得られた反射パルス光をテラヘルツパルス光検出器６で検出する。そして、ポンプパルス光を光電検出装置１７で検出した基準信号ＳＲと、テラヘルツパルス光検出器６で検出されたテラヘルツパルス光の振幅に比例する電流信号ＳＩを電流・電圧変換器１３で変換した電圧信号ＳＶとを周波数変換器２０において局部発振器１９から発振されるローカル信号ＳＬＯで周波数変換して中間周波数を有するように構成し、この中間周波数を有する基準信号ＳＲ″で電圧信号ＳＶ″をロックイン増幅してテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を測定する。【選択図】  図１
2004163281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源から照射されたレーザーパルス光で励起されてテラヘルツパルス光を放射するテラヘルツパルス光源と、前記テラヘルツパルス光が照射された被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受けて電流信号を出力するテラヘルツパルス光検出器と、前記電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、
前記レーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数を検出して基準信号として出力する基準信号検出器と、
ローカル信号を発振する局部発振器と、
前記基準信号を前記ローカル信号で周波数変換を行い変換された基準信号として出力する基準信号用周波数変換器と、
前記電圧信号を前記ローカル信号で周波数変換を行い変換された電圧信号として出力する電圧信号用周波数変換器と、
前記変換された基準信号を利用して前記変換された電圧信号から前記被測定試料の情報を含む物性信号を検出する微小信号検出器とを有することを特徴とするテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項２】
前記基準信号用周波数変換器と前記電圧信号用周波数変換器がそれぞれ平衡変調器若しくは位相検出器を有し、
前記基準信号用周波数変換器が、前記平衡変調器若しくは前記位相検出器で、前記ローカル信号と前記基準信号の乗算をして前記周波数変換を行い、
前記電圧信号用周波数変換器が、前記平衡変調器若しくは前記位相検出器で、前記ローカル信号と前記電圧信号の乗算をして前記周波数変換を行うように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項３】
前記基準信号用周波数変換器が前記基準信号検出器と一体に構成され、前記ローカル信号と前記基準信号を混合して前記周波数変換を行うように構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項４】
前記電圧信号用周波数変換器が前記電流・電圧変換器と一体に構成され、前記ローカル信号と前記電圧信号を混合して前記周波数変換を行うように構成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項５】
前記変換された基準信号と前記変換された電圧信号から下側波帯信号を抽出するフィルターを有し、
前記微小信号検出器が、前記変換された基準信号の下側波帯信号を利用して前記変換された電圧信号の下側波帯信号から前記物性信号を検出するように構成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項６】
前記変換された基準信号と前記変換された電圧信号の下側波帯信号の周波数が１０．７ＭＨｚまたは４５５ＫＨｚであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項７】
前記局部発振器の発振周波数を調整する発振周波数調整器を有し、
前記レーザー光源の機差で異なる前記レーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数に対応して、前記発振周波数調整器で局部発振器の発振周波数を調整することにより、前記変換された基準信号と前記変換された電圧信号の周波数が一定値になるように構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スイッチ素子に数１０フェムト秒の近赤外領域レーザーパルス光を照射して発生するテラヘルツパルス光を被測定試料に照射し、この被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受信して得られた電流信号を変換した電圧信号から、被測定試料の情報を含む信号を抽出して計測するテラヘルツパルス光計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツパルス光の応用の一つとしてテラヘルツパルス光計測装置が提案されている。この装置では、テラヘルツパルス光を半導体や誘電体等の各種被測定試料に照射して、被測定試料を透過させるか若しくは被測定試料で反射させた後、そのパルス光の電場強度の時間変化を検出し、フーリエ変換により各波長の電場強度と位相情報を得る。これにより従来の装置では得られない若しくは得ることが難しかった各種被測定試料の物性データを非破壊で得ることが可能となっている。
【０００３】
テラヘルツパルス光の放射や、被測定試料を透過若しくは被測定試料で反射したテラヘルツパルス光の検出には、光スイッチ素子と呼ばれる半導体デバイスを使用している。光スイッチ素子にバイアス電圧を印加した状態で数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外領域波長のレーザーパルス光（「ポンプパルス光」と呼ばれる）を照射すると、このポンプパルス光に励起されてテラヘルツパルス光が放射される。また、テラヘルツパルス光の検出には、光スイッチ素子が上述のレーザーパルス光（「プローブパルス光」と呼ばれる）で励起されたときにテラヘルツパルス光が入射するとこのテラヘルツパルス光の振幅に比例した電流が流れる性質を利用しており、テラヘルツパルス光の測定は、この電流を電圧に変換して行っている。
【０００４】
このテラヘルツパルス光検出器から出力される電流信号は微弱信号であるため、メカニカルチョッパーでポンプパルス光の変調を行い、電流信号を電圧信号に変換した後にこのメカニカルチョッパーの周波数を基準信号として利用してロックインアンプにてロックイン増幅を行ってテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を測定していた（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
阪井清美、谷正彦，「解説−テラヘルツ光エレクトロニクス−」，応用物理，社団法人応用物理学会，平成１３年，第７０巻，第２号，ｐ．１４９−１５５
【非特許文献２】
阪井清美，「総説−テラヘルツ時間領域分光法−」，分光研究，社団法人日本分光学会，平成１３年，第５０巻，第６号，ｐ．２６１−２７３
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このテラヘルツパルス光検出器（光スイッチ素子）から出力される電流信号は、パルス幅が狭く（０．１［ｐｓ］程度）、且つ、パルス間隔が広い（２０［ｎｓ］程度）形状であるインパルス的な高周波であることや、光スイッチ素子はインピーダンスが高いことからノイズの影響や減衰による信号の劣化を起こしやすく、また、ロックイン増幅を行うためには高速な処理が必要であることから、これらに対応するために装置が高価になるという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、電圧信号と基準信号のそれぞれを局部発振器から発振されるローカル信号で周波数変換し（この変換された周波数を「中間周波数」と呼ぶ）、この変換された基準信号を用いて変換された電圧信号をロックイン増幅するように構成することで、テラヘルツパルス光計測装置を構成する部品に安価な市販品の使用を可能とし、テラヘルツパルス光計測装置を安価に製造し、また、安定した動作を行うようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置は、レーザー光源から照射されたレーザーパルス光で励起されてテラヘルツパルス光を放射するテラヘルツパルス光源と、このテラヘルツパルス光が照射された被測定試料からの透過パルス光若しくは反射パルス光を受けて電流信号を出力するテラヘルツパルス光検出器と、この電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、レーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数を検出して基準信号として出力する基準信号検出器（例えば、実施形態における光電検出装置１７）と、ローカル信号を発振する局部発振器と、基準信号をローカル信号で周波数変換を行い変換された基準信号として出力する基準信号用周波数変換器と、電圧信号をローカル信号で周波数変換を行い変換された電圧信号として出力する電圧信号用周波数変換器と、変換された基準信号を利用して変換された電圧信号から被測定試料の情報を含む物性信号を検出する微小信号検出装置（例えば、実施形態におけるロックインアンプ１４）とを有するように構成される。
【０００９】
なお、基準信号用周波数変換器と電圧信号用周波数変換器がぞれぞれ平衡変調器若しくは位相検出器を有し、この平衡変調器若しくは位相検出器でローカル信号と基準信号の乗算をし、また、ローカル信号と電圧信号の乗算をして周波数変換（いわゆるヘテロダイン処理）を行うように構成することができる。
【００１０】
あるいは、基準信号用周波数変換器が基準信号検出器と一体に構成され、ローカル信号と基準信号を混合して周波数変換を行い、また、電圧信号用周波数変換器が電流・電圧変換器と一体に構成され、ローカル信号と電圧信号を混合して周波数変換を行うように構成することができる。
【００１１】
また、変換された基準信号と変換された電圧信号から下側波帯信号を抽出するフィルターを有し、微小信号検出器が、変換された基準信号の下側波帯信号を利用して、変換された電圧信号の下側波帯信号から物性信号を検出するように構成することができる。
【００１２】
なお、この変換された基準信号と変換された電圧信号の下側波帯信号の周波数が１０．７ＭＨｚまたは４５５ＫＨｚであるように構成することが好ましい。
【００１３】
さらに、局部発振器の発振周波数を調整する発振周波数調整器（例えば、実施形態におけるプログラマブルカウンター４１）を有し、レーザー光源の機差で異なるレーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数に対応して、発振周波数調整器で局部発振器の発振周波数を調整することにより、変換された基準信号と変換された電圧信号の周波数が一定値になるように構成することが好ましい。ここで、機差とは、レーザー光源から放射されるレーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数が、基準となる周波数からの誤差を有しており、この誤差（ばらつき）の範囲を指す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
【第１の実施形態】
まず、図１を用いて第１の実施形態について説明するとともに、本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置の構成について説明する。テラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光を被測定試料に照射し、被測定試料で反射させた後のテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を検出し、フーリエ変換により各波長の電場強度と位相情報を得るものである。テラヘルツパルス光は空気中の水蒸気等に吸収される性質を有しているため、テラヘルツパルス光の光路及びその光路上に配設されている機器は、被測定試料２に照射する部分を除いて真空チャンバー１に格納されている。テラヘルツパルス光計測装置は、この真空チャンバー１に加えて、ハーフミラー７（７ａ，７ｂ）、ミラー８（８ａ〜８ｄ）、時間遅延装置９、レーザー光源１０、バイアス電源１１、電流・電圧変換器１３、ロックインアンプ１４、Ａ／Ｄ変換器１５、コンピュータ１６、光電検出装置１７、引き算器１８、局部発振器１９及び周波数変換器２０（２０ａ，２０ｂ）を有して構成されている。
【００１６】
真空チャンバー１には、光スイッチ素子（図示せず）を有するテラヘルツパルス光源３と、テラヘルツパルス光源３から出射されたテラヘルツパルス光を被測定試料２に集光照射する照明光学系４と、光スイッチ素子（図示せず）を有するテラヘルツパルス光検出器６と、被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光をテラヘルツパルス光検出器６に集光結像する結像光学系５とが配設されている。
【００１７】
レーザー光源１０は、数１０フェムト秒のパルス幅を有する近赤外領域波長のレーザーパルス光を発光し、レーザー光源１０から出射されたレーザーパルス光はハーフミラー７ａに入射する。ハーフミラー７ａに入射したレーザーパルス光の約半分は反射し、残りの大部分のレーザーパルス光は透過する。
【００１８】
ハーフミラー７ａで反射したレーザーパルス光は、さらにハーフミラー７ｂに入射し、一部が透過し、残りの大部分が反射する。そして、ハーフミラー７ｂで反射したレーザーパルス光は、ポンプパルス光としてテラヘルツパルス光源３に入射する。テラヘルツパルス光源３の光スイッチ素子には、バイアス電源１１よりバイアス電圧が印加されている。この状態でテラヘルツパルス光源３の光スイッチ素子にポンプパルス光が入射すると、このポンプパルス光に励起されてテラヘルツパルス光が放射される。テラヘルツパルス光源３から放射されたテラヘルツパルス光は、照明光学系４で集光されて被測定試料２に照射される。そして、被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光は、結像光学系５で集光されてテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に照射される。
【００１９】
一方、ハーフミラー７ａを透過したレーザーパルス光は、ミラー８ａで反射されて時間遅延装置９に入射する。時間遅延装置９は、直角ミラー９ａを搭載しモーター９ｂにより矢印方向に精密移動するステージ（図示せず）を構成し、リニアエンコーダ等の直線移動検出器９ｃにより正確に検出されたステージの移動量により、ステージコントローラ９ｄがステージを精密駆動する。時間遅延装置９に入射したレーザーパルス光は、直角ミラー９ａで反射して出射し、ミラー８ｂ，８ｃ，８ｄの順で反射してプローブパルス光としてテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に照射される。このプローブパルス光はステージ上の直角ミラー９ａの移動により光路長が変化させられるために時間遅延を生じ、テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子におけるテラヘルツパルス光の受信波形の再現に用いられる。
【００２０】
テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子は、この光スイッチ素子にプローブパルス光が照射された瞬間に入射しているテラヘルツパルス光の電場強度を検出し電流信号ＳＩを出力する特性を有している。光スイッチ素子から出力された電流信号ＳＩは、電流・電圧変換器１３で電圧信号ＳＶに変換されるともに増幅されて出力される。
【００２１】
ここで、テラヘルツパルス光源３で放射されたテラヘルツパルス光は、ポンプパルス光で励起されているため、このポンプパルス光と同じパルスの繰り返し周波数（レーザー光源１０から放射されるレーザーパルス光で励起されてテラヘルツパルス光源３から放射されるテラヘルツパルス光のパルスも同じ繰り返し周波数を有するため、以降の説明では「テラヘルツ繰り返し周波数」と呼ぶ）を有している。このため、被測定試料２で反射したテラヘルツパルス光がテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子に入射して、この光スイッチ素子から出力される電流信号ＳＩ及び電流・電圧変換器１３から出力される電圧信号ＳＶもこのテラヘルツ繰り返し周波数を含んでいる。
【００２２】
よって、ハーフミラー７ｂを透過したレーザーパルス光を光電検出装置１７に照射し、光電検出器１７ａで検出してレーザー光のパルスの繰り返し周波数（テラヘルツ繰り返し周波数）を検出して基準信号ＳＲを生成し、この基準信号ＳＲを利用して上述の電圧信号ＳＶをロックイン増幅することにより、被測定試料２の物性情報を含んだ信号を検出することが可能となる。なお、光電検出装置１７は、光電検出器１７ａと同調増幅器等で構成された処理回路１７ｂ及び駆動電源１７ｃで構成されており、光電検出器１７ａで検出した信号を処理回路１７ｂによりＳ／Ｎを改善した上で基準信号ＳＲとして出力する。
【００２３】
なお、本実施例では、基準信号ＳＲと被測定試料２の物性データを含む電圧信号ＳＶを中間周波数に変換（いわゆるヘテロダイン処理）した後にロックインアンプ１４でロックイン増幅するように構成されている。基準信号ＳＲと電圧信号ＳＶを中間周波数に変換するために、本実施例におけるテラヘルツパルス光計測装置は、局部発振器１９と周波数変換器２０（２０ａ，２０ｂ）を有して構成されている。さらに周波数変換器２０は、平衡変調器２１（２１ａ，２１ｂ）、フィルタ２２（２２ａ，２２ｂ）及び増幅器２３（２３ａ，２３ｂ）を有して構成されている。
【００２４】
基準信号ＳＲと電圧信号ＳＶは、それぞれ平衡変調器２１ａ，２１ｂで局部発振器１９から発振されるローカル信号ＳＬＯと乗算されて変換された基準信号ＳＲ′及び変換された電圧信号ＳＶ′として出力される。このとき、基準信号ＳＲまたは電圧信号ＳＶに含まれるテラヘルツ繰り返し周波数をｆ１とし、局部発振器１９の発振周波数をｆ２とすると、平衡変調器２１ａ，２１ｂにて乗算された信号には、テラヘルツ繰り返し周波数ｆ１と局部発振器の発振周波数ｆ２の和と差の周波数成分ｆ３が含まれ、次式（１）で表される。
【００２５】
【数１】
ｆ３＝ｆ１±ｆ２                                            （１）
【００２６】
そして、この変換された基準信号ＳＲ′と変換された電圧信号ＳＶ′とをローパスフィルタまたはバンドパスフィルターで構成されるフィルター２２ａ，２２ｂを通過させて、それぞれの信号の下側波帯信号（テラヘルツ繰り返し周波数ｆ１と局部発振器の発振周波数ｆ２の差の周波数成分）を抽出してから増幅器２３ａ，２３ｂで信号を整えることにより、中間周波数（上述の下側波帯信号の周波数ｆ３＝ｆ１−ｆ２）に変換された基準信号の下側波帯信号ＳＲ″と変換された電圧信号の下側波帯信号ＳＶ″とを得ることができる。なお、平衡変調器２１（２１ａ，２１ｂ）は位相検出器（ＰＳＤ）で構成することも可能である。また、フィルター２２（２２ａ，２２ｂ）と増幅器２３（２３ａ，２３ｂ）を分けて構成したが、この２つの機能を上述の下側波帯信号の周波数（ｆ３＝ｆ１−ｆ２）を選択（共振）して増幅する同調増幅器で実現することも可能である。
【００２７】
ロックインアンプ１４は、平衡変調器（若しくは位相検出器）１４ａとフィルタ１４ｂを有して構成されている。ロックインアンプ１４に入力した変換された基準信号の下側波帯信号ＳＲ″と変換された電圧信号の下側波帯信号ＳＶ″とをこの平衡変調器１４ａで乗算する。上述のように平衡変調器で２つの信号を乗算すると、それぞれの信号が持つ周波数の和と差の周波数成分を持つ信号が出力される。ここで、基準信号ＳＲと電圧信号ＳＶとは同じテラヘルツ繰り返し周波数ｆ１を有しているため局部発振器の発振周波数ｆ２で変換された基準信号の下側波帯信号ＳＲ″と変換された電圧信号の下側波帯信号ＳＶ″も同じ中間周波数ｆ３を有している。よって、この２つの信号を平衡変調器１４ａで乗算すると中間周波数ｆ３の２倍の周波数を持った信号（和の周波数成分）と直流信号（差の周波数成分）が出力される。この信号をローパスフィルタまたはバンドパスフィルターで構成されたフィルター１４ｂを通過させて直流信号を抽出することにより、変換された電圧信号の下側波帯信号ＳＶ″を変換された基準信号の下側波帯信号ＳＲ″でロックイン増幅して得られた直流信号ＳＬを得ることができ、このロックイン増幅された信号ＳＬは被測定試料２の物性データを含んだテラヘルツパルス光の振幅の時間変化信号である。
【００２８】
ロックインアンプ１４でロックイン増幅された信号ＳＬは、Ａ／Ｄ変換器１５に渡され、ディジタル信号ＳＤに変換されて、コンピュータ１６に渡されるが、ロックイン増幅された信号ＳＬには、被測定試料２の物性データを含んだ信号とともに装置によって一義的に決まる一定バイアス信号（直流成分）が重畳されており、Ａ／Ｄ変換器１５のダイナミックレンジを有効に使うことができない。よって、本実施例では、引き算器１８を有し、ロックイン処理された信号ＳＬから一定バイアス信号ＳＢを除去して補正された信号ＳＬ′を生成し、この信号ＳＬ′をＡ／Ｄ変換器１５で処理している。このような構成にすると、Ａ／Ｄ変換器１５のダイナミックレンジを有効に使えるだけでなく、ビット数の少ない高速のＡ／Ｄ変換器を利用することができるという利点がある。
【００２９】
コンピュータ１６は、時間遅延装置９のステージコントローラ９ｄを制御して上述したようにプローブパルス光がテラヘルツパルス光検出器６に到達するタイミングをずらしながら、この制御により得られたテラヘルツパルス光の電場強度の時間変換を測定して、その結果をディジタル信号ＳＤにして収集し、このディジタル信号ＳＤをフーリエ変換して各波長の電場強度と位相情報を算出する。
【００３０】
ここで、電流・電圧変換器１３の実施例について図２〜５を用いて説明する。図２は電流・電圧変換器１３を共振回路を有した差動増幅器で実現した例である。電流・電圧変換器１３は、光スイッチ素子３０から出力される電流信号ＳＩを電圧信号に変換する抵抗値の高い抵抗３１，３２と、この電圧信号を増幅するとともにインピーダンスを変換する共振回路を有した差動増幅器から構成されており、この差動増幅器は、トランジスター３４，３５と、抵抗３６，３７と、コンデンサー３８，３９，４１と、センタータップ４２ａを有したコイル４２とコイル４３とから構成されている。なお、コイル４２とコイル４３はトランス４５を構成している。
【００３１】
抵抗３１，３２は直列に接続されて、光スイッチ素子３０の両端に接続されている。トランジスター３４のソースには並列に接続された抵抗３６とコンデンサー３８が接続されており、さらに、並列に接続された抵抗３７とコンデンサー３９を介してトランジスター３５のソースが接続されている。また、コンデンサー４１とコイル４２は並列に接続されて共振回路４４を構成しており、この共振回路４４の両端がトランジスター３４，３５のドレインに接続されている。なお、コイル４２のセンタータップ４２ａは電源４６に接続されている。また、抵抗３１，３２の両端はトランジスター３４，３５のゲートに接続され、さらに抵抗３１，３２の接続点３３と抵抗３６，３７の接続点４０が接地されており基準電圧として作用する。そして、コイル４２の一端が接地され、他端から電圧信号ＳＶが出力される。
【００３２】
抵抗３１，３２で電流信号ＳＩが電圧信号に変換され、トランジスター３４，３５のゲートに入力されると、共振回路４４の共振周波数で抽出されて増幅され、トランス４５でインピーダンスが変換されて、コイル４３から電圧信号ＳＶとして出力される。このとき、共振回路４４の共振周波数をテラヘルツ繰り返し周波数にすることによりその周波数成分が選択して増幅されるため、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００３３】
図３はソース接地型増幅器を利用して電流・電圧変換器１３を実現した場合を示している。電流・電圧変換器１３は、光スイッチ素子３０から出力される電流信号ＳＩを電圧信号に変換する抵抗値の高い抵抗４７と、この電圧信号を増幅するとともにインピーダンスを変換する増幅器とから構成されており、この増幅器は、トランジスター４８と、抵抗４９と、コンデンサー５０，５１と、タップ付きコイル５２及びコイル５３とから構成されている。なお、コイル５２，５３はトランス５５を構成している。
【００３４】
光スイッチ素子３０の両端には抵抗４７が接続されており、この抵抗４７の一端がトランジスター４８のゲートに接続され、他端が接地されている。トランジスター４８のソースは並列に接続された抵抗４９とコンデンサー５０を介して接地されている。そして、並列に接続されたコンデンサー５１とコイル５２が共振回路５４を構成しており、この共振回路５４の一端がトランジスター４８のドレインに接続されている。なお、コイル５２のタップ５２ａは電源５６に接続されており、コイル５２とトランス５５を構成するコイル５３の一端が接地されており、コイル５３の他端から電圧信号ＳＶが出力される。
【００３５】
抵抗４７で電流信号ＳＩが電圧信号に変換され、この電圧信号がトランジスター４８のゲートに入力されると、共振回路５４の共振周波数で選択されて増幅され、トランス５５でインピーダンス変換されて、コイル５３から電圧信号ＳＶとして出力される。このときも、共振回路５４の共振周波数をテラヘルツ繰り返し周波数とすることによりその周波数成分が選択されて増幅されるため、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００３６】
図４は、電流信号ＳＩを電圧信号に変換する際に、抵抗ではなく共振回路を用いて実現した例を示している。電流・電圧変換器１３は、光スイッチ素子３０から出力される電流信号ＳＩを電圧信号に変換する並列に接続されたコンデンサー５７とコイル５８とから構成される第１の共振回路６０及びコイル５８，５９で構成されるトランス６１と、この電圧信号を増幅するとともにインピーダンス変換を行うエミッタ接地の増幅器とから構成されており、この増幅器は、トランジスター６５と、抵抗６３，６４，６６と、コンデンサー６２，６７，６８及びコイル６９，７０とから構成されている。なお、コイル６９，７０はトランス７２を構成している。
【００３７】
この電流・電圧変換器１３を構成する増幅器において、電源７３から順に抵抗６３，６４がこの順で直列に接続されており、抵抗６４の一端が接地されている。この抵抗６３，６４の接続点７４にコンデンサー６２の一端が接続され他端が接地されている。また、この接続点７４にコイル５９の一端が接続され他端がトランジスター６５のベースに接続されている。並列に接続されたコンデンサー６８とコイル６９は第２の共振回路７１を構成しており、この第２の共振回路７１の一端がトランジスター６５のコレクタに接続されるとともに他端が電源７３に接続されている。また、トランジスター６５のエミッターは並列に接続された抵抗６６とコンデンサー６７を介して接地されている。そして、コイル６９とトランス７２を構成するコイル７０の一端が接地されるとともに他端から電圧信号ＳＶが出力される。
【００３８】
光スイッチ素子３０から出力された電流信号ＳＩは、第１の共振回路６０の共振周波数で選択されて、コイル５９から電圧信号として出力され、エミッター接地増幅器を構成するトランジスター６５のベースに入力する。そして第２の共振回路７１の共振周波数で抽出されて増幅され、トランス７２でインピーダンスが変換されて、コイル７０から電圧信号ＳＶとして出力される。このとき、第１及び第２の共振回路６０，７１の共振周波数を同一にすればより信号の選択度が高まりＳ／Ｎがより良くなる。
【００３９】
図５は、電流・電圧変換器１３をバッファー増幅器と差動増幅器を用いて実現した例であり、抵抗値の高い抵抗７５，７６と、バッファー増幅器７８，７９と、差動増幅器８０と、コンデンサー８１及びコイル８２，８３とから構成される。なお、コイル８２，８３はトランス８５を構成している。
【００４０】
抵抗７５，７６は直列に接続されて光スイッチ素子３０の両端に接続されており、この直列に接続された抵抗７５，７６の両端がそれぞれ、バッファー増幅器７８，７９の入力に接続される。なお、抵抗７５，７６の接続点７７は接地されており、基準電圧として作用する。バッファー増幅器７８の出力は差動増幅器の正相入力に接続され、バッファー増幅器７９の出力は差動増幅器の逆相入力に接続される。さらに、コンデンサー８１とコイル８２が並列に接続されて共振回路８４が構成されており、この共振回路８４の一端が差動増幅器８０の出力に接続されるとともに、他端が電源８６に接続されている。そして、コイル８３の一端が接地され、他端から電圧信号ＳＶが出力される。
【００４１】
光スイッチ素子３０から出力された電流信号ＳＩは、抵抗７５，７６で電圧信号に変換され、バッファー増幅器７８，７９でインピーダンスが変換されて差動増幅器８０に出力される。そして、差動増幅器８０で増幅された電圧信号は、共振回路８４の共振周波数で選択されて、コイル８３からインピーダンスが変換されて電圧信号ＳＶとして出力される。ここでも、共振回路８４は上記の例と同様に信号のＳ／Ｎを改善する作用をする。
【００４２】
以上説明したような構成によると、基準信号ＳＲと電圧信号ＳＶとが特定の中間周波数に変換されるため、安定した処理をすることができる。本実施例におけるテラヘルツ繰り返し周波数ｆ１は４８ＭＨｚ程度であるため、局部発振器１９の発振周波数ｆ２を３７．３ＭＨｚまたは５８．７ＭＨｚにすると上述の中間周波数ｆ３は式（１）の下側波帯信号より１０．７ＭＨｚとなり、この周波数はＦＭ受信機の中間周波数となるため、後段のフィルター２２や増幅器２３にＦＭ受信機用として市販されている安価で安定した部品を利用することができる。
【００４３】
また、このテラヘルツ繰り返し周波数ｆ１は、レーザー光源の機差により、４８±２ＭＨｚ程度のばらつきがある。よって、局部発振器１９の発振周波数ｆ２を３７．３±２ＭＨｚまたは５８．７±２ＭＨｚ付近で数ＭＨｚ程度の可変範囲を持たせれば、テラヘルツ繰り返し周波数ｆ１のばらつきを局部発振器１９の発振周波数ｆ２の調整をすることにより吸収して中間周波数ｆ３を常に１０．７ＭＨｚに設定することができるため、テラヘルツパルス光計測装置のレーザー光源１０の機差を吸収することが可能である。
【００４４】
ここで、局部発振器１９の構成例を図６を用いて説明する。局部発振器１９は、水晶振動子８７、発振器８８、分周器８９、位相検出器９０、電圧制御発振器９１及びプログラマブルカウンター９２から構成される。発振器８８は水晶振動子８７を用いて発振を行い、この信号が分周器８９で分周されて位相検出器９０に渡される。位相検出器９０は電圧制御発振器９１及びプログラマブルカウンター９２とともにフェイズロックループ（ＰＬＬ）を構成しており、位相検出器９０の出力を電圧制御発振器９１に入力し、この電圧制御発振器９１の出力をプログラマブルカウンター９２で１／Ｎに分周して位相検出器９０に負帰還することにより、位相検出器９０に入力する信号の周波数をＮ倍した信号を生成する。
【００４５】
ここで、発振器８８の発振周波数を１ＭＨとし、分周器８９で１／１０に分周するように構成すると、位相検出器９０に入力する信号の周波数は０．１ＭＨｚになる。よって、プログラマブルカウンタ９２で、電圧制御発振器９１からの出力を１／３５０〜１／４００に分周して位相変換器９０に負帰還するように構成すれば、結果として、３５．０ＭＨｚ〜４０．０ＭＨｚ（３７．３±２ＭＨｚ）の出力が可能な局部発振器１９とすることができる。よって、プログラマブルカウンタ９２で分周する量を調整すると上述のレーザー光源１０の機差に対応した調整を行うことができる。なお、５８．７±２ＭＨｚの出力が可能な局部発振器１９も同様の構成で実現可能である。
【００４６】
なお、上記の中間周波数がＡＭ受信機に使用されている４５５ＫＨｚになるように局部発振器１９を選定することにより、ＡＭ受信機に使用されている安価で安定した部品が利用できることは言うまでもない。
【００４７】
上述したテラヘルツパルス光計測装置では、被測定試料２でテラヘルツパルス光を反射させてこの反射パルス光をテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子で検出しているが、テラヘルツパルス光源３から出射されたテラヘルツパルス光が被測定試料２を透過するように構成し、この透過パルス光をテラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子で検出するように構成することも可能であり、被測定試料２の材質特性により選択される。この被測定試料２へテラヘルツパルス光を照射してその透過パルス光若しくは反射パルス光を計測する方法は、後述の第２の実施形態でも同様であり、被測定試料２の材質特性により選択される。
【００４８】
【第２の実施形態】
次に第２の実施形態として、中間周波数に変換する周波数変換器の機能を、光電検出装置１７及び電流・電圧変換器１３に持たせて実現した場合について図７を用いて説明する。なお、テラヘルツパルス光を被測定試料２に照射してその反射パルス光を受信して反射スペクトラムを得る方法は第１の実施形態と同様であり、構成及び符号も同様であるため、ここでは、中間周波数に変換する機能を中心に説明する。また、真空チャンバー１内の構成も第１の実施形態と同様であるため、図７では省略している。
【００４９】
第１の実施形態では、基準信号ＳＲと電圧信号ＳＶとを平衡変調器によりヘテロダイン処理して中間周波数に変換していたが、ここでは、光電検出装置１７及び電流・電圧変換器１３に局部発振器１９のローカル信号ＳＬＯを直接入力して中間周波数を有する基準信号ＳＲ′と中間周波数を有する電圧信号ＳＶ′を直接出力するように構成している。
【００５０】
さらに、光電検出装置１７及び電流・電圧変換器１３から出力された中間周波数ｆ３を持つ基準信号ＳＲ′と電圧信号ＳＶ′をローパスフィルター若しくはバンドパスフィルターで構成されるフィルター２４ａ，２４ｂを通過させて下側波帯信号ＳＲ″，ＳＶ″を抽出する。そして、第１の実施例と同様にこの２つの信号ＳＲ″，ＳＶ″を用いてロックインアンプ１４でロックイン増幅した後に、このロックイン増幅した信号ＳＬをＡ／Ｄ変換器１５でディジタル信号ＳＤに変換し、さらに、コンピュータ１６で反射スペクトラムを計算する。なお、図７では、ロックインアンプ１４の出力ＳＬを直接Ａ／Ｄ変換器１５に入力してディジタル信号ＳＤに変換しているが、第１の実施例と同様に、一定バイアス信号を除去してからＡ／Ｄ変換しても良いことは言うまでもない。
【００５１】
ここで、電流信号ＳＩから中間周波数ｆ３を有する電圧信号ＳＶ′を出力する電流・電圧変換器１３の実施例について図８を用いて説明する。電流・電圧変換器１３はカップリングコンデンサー９３，９４と、トランジスター（デュアルゲートＦＥＴ）９８と、抵抗９５〜９７，１００と、コンデンサー９９，１０１と、コイル１０２，１０３とを有する増幅器から構成されている。なお、コイル１０２，１０３はトランス１０５を構成している。
【００５２】
カップリングコンデンサー９３と抵抗９５は直列に接続されており、抵抗９５の一端が接地され、カップリングコンデンサー９３と抵抗９５の接続点がトランジスター９８の第１のゲートに接続されている。また、電源１０６から抵抗９６，９７の順で直列に接続されており、抵抗９７が接地されている。この抵抗９６，９７の接続点には、カップリングコンデンサー９４が接続されるとともに、トランジスター９８の第２のゲートが接続されている。また、トランジスター９８のソースは、並列に接続された抵抗１００とコンデンサー１０１を介して接地されている。さらに、コンデンサー９９とコイル１０２が並列に接続されて共振回路１０４を構成しており、この共振回路１０４の一端が電源１０６に接続されるとともに、他端がトランジスター９８のドレインに接続されている。そして、コイル１０３の一端が接地されて、他端から電圧信号ＳＶ′が出力される。
【００５３】
光スイッチ素子（図示せず）から出力された電流信号ＳＩ（テラヘルツ繰り返し周波数ｆ１を有している）はカップリングコンデンサー９３を介してトランジスター９８の第１のゲートに入力する。また、局部発振器１９から出力されたローカル信号ＳＬＯ（局部発振器１９の発振周波数ｆ２を有している）は、カップリングコンデンサー９４を介してトランジスター９８の第２のゲートに入力する。トランジスター（デュアルゲートＦＥＴ）９８のゲートに入力された２つの信号は混合されて増幅され、混合された信号は２つの入力信号が有する周波数の和と差の周波数成分ｆ３（式（１）で示される）を持つ。また、この増幅器を構成する共振回路１０４の共振周波数を中間周波数ｆ３にすることにより、ｆ３の周波数成分を抽出して増幅する。さらに、増幅された電圧信号はトランス１０５でインピーダンスが変換されて電圧信号ＳＶ′として出力される。
【００５４】
なお、光電検出装置１７も、上述の電流・電圧変換器１３と同様に、中間周波数ｆ３を持つ基準信号ＳＲ′を出力するように構成することができる。
【００５５】
このような構成によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、周波数変換器が光電検出装置１７及び電流・電圧変換器１３と一体に構成されるため、装置をコンパクトにすることができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上のような構成によれば、基準信号と電圧信号のそれぞれを局部発振器から発振されるローカル信号で周波数変換して、この変換された基準信号を用いて変換された電圧信号を処理してテラヘルツパルス光の振幅の時間変化信号を得るように構成されているため、この周波数変換後の処理を行う部品  に市販のもの（例えば、ＦＭ受信機用に製造された増幅器やフィルター）を使用することが可能となり、装置が安価に製造でき、また、安定した動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施例を示すテラヘルツ分光装置のブロック図である。
【図２】第１の実施例において電流・電圧変換器の電流・電圧変換を抵抗で実現し、信号の増幅を作動増幅器で実現した場合の回路図である。
【図３】第１の実施例において電流・電圧変換器の電流・電圧変換を抵抗で実現し、信号の増幅をソース接地の増幅器で実現した場合の回路図である。
【図４】第１の実施例において電流・電圧変換器の電流・電圧変換を共振回路で実現し、信号の増幅をエミッタ接地の増幅器で実現した場合の回路図である。
【図５】第１の実施例において電流・電圧変換器の電流・電圧変換を抵抗で行い、信号の増幅をバッファー増幅器及び作動増幅器で実現した場合の回路図である。
【図６】本実施例における局部発振器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る第２の実施例を示すテラヘルツ分光装置のブロック図である。
【図８】第２の実施例において電流・電圧変換器に信号混合機能を持たせた場合の回路図である。
【符号の説明】
２  被測定試料
３  テラヘルツパルス光源
６  テラヘルツパルス光検出器
１０  レーザー光源
１３  電流・電圧変換器
１４  ロックインアンプ（微小信号検出装置）
１７  光電変換装置（基準信号検出器）
１９  局部発振器
２０  周波数変換器
２１  平衡変調器
２２  フィルター
４１  プログラマブルカウンター（発振周波数調整器）
ＳＩ  電流信号
ＳＶ  電圧信号
ＳＲ  基準信号
ＳＬＯ  ローカル信号
【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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