(57)【要約】【課題】テラヘルツパルス光検出器から出力される信号の増幅処理を改善し、テラヘルツパルス光の受信処理を高速化及び高精度化する。【解決手段】テラヘルツパルス光を励起するポンプパルス光のパルスの繰り返し周波数を光電検出装置１７で検出して基準信号ＳＲとし、この基準信号ＳＲを用いてテラヘルツパルス光検出器６から出力された電流信号ＳＩから変換された電圧信号ＳＶをロックインアンプ１４によりロックイン増幅することで、測定結果の高速化及び高精度化を実現する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源と、前記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・電圧変換器とを有するテラヘルツパルス光計測装置において、
前記レーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数に関連した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、
前記基準信号を利用して前記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】
前記微小信号検出器がシングル・フェーズ・ロックインアンプで構成される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】
前記微小信号検出器がデュアル・フェーズ・ロックインアンプで構成される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４】
レーザー光源と、前記レーザー光源から放射されたレーザーパルス光を変調するメカニカルチョッパーと、前記メカニカルチョッパーで変調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その振幅に比例した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、前記メカニカルチョッパーの変調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、前記基準信号を利用して前記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し、
前記微小信号検出器がデュアル・フェーズ・ロックインアンプで構成され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５】
前記デュアル・フェーズ・ロックインアンプが、
前記基準信号を４逓倍した信号を生成する信号逓倍器と、
前記信号逓倍器により４逓倍された信号から前記基準信号と同じ周波数であり、且つ、位相が９０度異なる二つの信号を生成して調整された基準信号として出力する移相器を有し、
前記デュアル・フェーズ・ロックインアンプが、前記二つの調整された基準信号を用いて前記電圧信号から前記物性信号を出力するように構成されることを特徴とする請求項３または４に記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項６】
前記微小信号検出器から出力される前記物性信号から一定バイアス信号を除去して補正された物性信号を出力する引き算器を有することを特徴とする請求項１から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】
前記微小信号検出器から出力される前記物性信号から、前記物性信号に含まれる前記一定バイアス信号を検出する一定バイアス検出状態と、前記引き算器により前記物性信号から前記一定バイアス信号を除去する一定バイアス除去状態とを切り替える状態切り替え器を有することを特徴とする請求項６に記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項８】
前記状態切り替え器により前記一定バイアス検出状態が選択されているときに、前記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停止させるテラヘルツパルス光停止器を有することを特徴とする請求項７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測定している。
【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
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、テラヘルツパルス光検出器（具体的には、テラヘルツパルス光検出器に配設されてテラヘルツパルス光の検出を行う光スイッチ素子）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いという問題があり、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する手段を改善して、計測処理の高速化及び計測結果の高精度化を行う必要があった。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みなされたものであり、電流・電圧変換器から出力される電圧信号から被測定試料の情報を含む信号を抽出する処理を改善することで、テラヘルツパルス光の計測処理を高速化及び高精度化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、レーザー光源と、この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、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・電圧変換器とを有するように構成され、レーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数に関連した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、この基準信号を利用して電圧信号から被測定試料の情報を含む物性信号（例えば、実施形態におけるロックイン増幅した信号ＳＬ）を検出する微小信号検出器（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、この微小信号検出器は、シングル・フェーズ・ロックインアンプか、若しくはデュアル・フェーズ・ロックインアンプで構成されることが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置は、レーザー光源と、このレーザー光源から放射されたレーザーパルス光を変調するメカニカルチョッパーと、このメカニカルチョッパーで変調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出するテラヘルツパルス光源と、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その振幅に比例した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・電圧変換器とを有するテラヘルツパルス光計測装置において、メカニカルチョッパーの変調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、実施形態におけるメカニカルチョッパー１２のチョッパー駆動装置１２ｄ）と、この基準信号を利用して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器とを有し、この微小信号検出器がデュアル・フェーズ・ロックインアンプで構成される。
【００１１】
このとき、デュアル・フェーズ・ロックインアンプが、基準信号を４逓倍した信号を生成する信号逓倍器（例えば、実施形態における逓倍回路２２）と、この信号逓倍器により４逓倍された信号から基準信号と同じ周波数であり、且つ、位相が９０度異なる二つの信号を生成して調整された基準信号として出力する移相器を有し、デュアル・フェーズ・ロックインアンプがこの二つの調整された基準信号を用いて電圧信号から物性信号を出力するように構成することが好ましい。
【００１２】
あるいは、微小信号検出器から出力される物性信号から一定バイアス信号を除去して補正された物性信号を出力する引き算器を有するように構成することが好ましい。
【００１３】
また、微小信号検出器から出力される物性信号から、この物性信号に含まれる一定バイアス信号を検出する一定バイアス検出状態と、引き算器により物性信号から一定バイアス信号を除去する一定バイアス除去状態とを切り替える状態切り替え器（例えば、実施形態における状態切り替えスイッチ２０）とを有するように構成することが好ましい。
【００１４】
このとき、状態切り替え器により一定バイアス検出状態が選択されているときに、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停止させるテラヘルツパルス光停止器（例えば、実施形態におけるシャッター２１）を有するように構成することが好ましい。
【００１５】
【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。
【００１６】
【第１の実施例】
まず、図１を用いて本発明に係るテラヘルツ受信回路において、ロックイン増幅する基準信号としてレーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数（このレーザーパルス光で励起されてテラヘルツパルス光源から放射されるテラヘルツパルス光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）を利用することにより、テラヘルツパルス光計測装置の高速化及び高精度化をする場合を説明し、合わせて本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置について説明する。
【００１７】
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及び光電検出装置１７を有して構成されている。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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で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。
【００２１】
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。
【００２２】
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に変換されるとともに増幅されてロックインアンプ１４に渡される。
【００２３】
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（テラヘルツ繰り返し周波数）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。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で検出してその信号を同調増幅器等で構成される処理回路１７ｂによりＳ／Ｎを改善した上で基準信号ＳＲとしてロックインアンプ１４に渡ことにより、テラヘルツ繰り返し周波数で電圧信号ＳＶをロックイン増幅することができる。テラヘルツ繰り返し周波数は、光電検出装置１７によってレーザパルス光の繰り返し周波数を１／ｎ倍（ｎは整数）したものでも良い。最大ではレーザパルス光の繰り返し周波数となる。
【００２４】
なお、ロックインアンプ１４は、測定信号（上述の電圧信号ＳＶ）と基準信号（参照信号とも呼ばれる。上述の基準信号ＳＲ）を位相検出器（ＰＳＤ）で乗算することにより、測定信号から基準信号の周波数成分に相当する信号を抽出し、この信号の振幅に比例した直流信号を出力する（ロックイン増幅する）微小信号検出器として利用されている。
【００２５】
ロックインアンプ１４で電圧信号ＳＶをロックイン増幅した信号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。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の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化を測定した結果のディジタル信号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。
【００２６】
なお、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たが、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の材質特性により適切な方法が選択される。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の実施例及び第３の実施例でも同様にであり、被測定試料２の材質特性により選択される。
【００２７】
以上説明したように、テラヘルツパルス光検出器６から出力される電流信号ＳＩを変換した電圧信号ＳＶを処理して被測定試料２の物性情報を含む信号を出力するテラヘルツパルス光計測装置を上述のように構成することにより、測定信号（光スイッチ素子から出力される電流信号ＳＩまたは電流・電圧変換器１３で変換された電圧信号ＳＶ）のサンプリング周期をテラヘルツ繰り返し周波数（レーザー光源１０から出射されるレーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数であり、約５０ＭＨｚ）にすることができるため、測定を高速化することができ、且つ、測定結果を高精度化することができる。また、メカニカルチョッパーを無くすことにより、振動源が無くなるため、テラヘルツパルス光計測装置において、メカニカルチョッパーからの振動対策を行う必要がなくなる。
【００２８】
ここで、ロックインアンプ１４から出力されるロックイン増幅された信号ＳＬはアナログデータであるため、Ａ／Ｄ変換器１５に渡されてディジタル信号ＳＤに変換されるが、上述したようにロックイン増幅された信号ＳＬは直流信号であるため、一定バイアス信号（直流成分）が重畳されている。このためＡ／Ｄ変換器１５のダイナミックレンジが有効に使用できないため、信号の再現精度が悪くなるという問題がある。この問題を解決する方法を第２の実施例で説明する。
【００２９】
【第２の実施例】
図２を用いて、ロックインアンプ１４から出力されるロックイン増幅された信号ＳＬより一定バイアス信号を除去する方法について説明する。テラヘルツパルス光計測装置において、レーザーパルス光によりテラヘルツパルス光を放射して被測定試料２に照射し、その反射パルス光を測定する方法は第１の実施例と同様であり符号等も同様であるため、本実施例では一定バイアス信号を除去するために加えられた部分について説明を行う。本実施例では、ロックインアンプ１４の出力から一定バイアス信号を除去するために、引き算器１８と、プログラマブル電源（Ｄ／Ａ変換器）１９と、状態切り替えスイッチ２０及びシャッター２１が加えられている。
【００３０】
引き算器１８は、ロックインアンプ１４から出力されるロックイン増幅された信号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′を出力するものである。また、プログラマブル電源１９は、コンピュータ１６からの出力データを受けて動作し、一定バイアス信号ＳＢを出力するように構成されている。
【００３１】
状態切り替えスイッチ２０は、コモン端子２０ｃがＡ／Ｄ変換器１５の入力側に接続され、切り替え接点の一方２０ａがロックインアンプ１４と引き算器１８の中間に接続され、切り替え接点の他方２０ｂが引き算器１８の出力側に接続されており、ロックインアンプ１４からの出力信号ＳＬを直接Ａ／Ｄ変換器１５に渡す状態（接点２０ａが閉じている状態）と、引き算器１８で一定バイアス信号ＳＢを除去して補正した信号ＳＬ′をＡ／Ｄ変換器１５に渡す状態（接点２０ｂが閉じている状態）とを切り替える働きをする。
【００３２】
シャッター２１は、遮光板２１ａとロータリーソレノイド等を備えた駆動装置２１ｂを有して構成されており、遮光板２１ａがハーフミラー７ｂで反射されたポンプパルス光を遮光するように配設されているため、駆動装置２１ｂで遮光板２１ａを一定角度回転させて、テラヘルツパルス光源３に入射するポンプパルス光の光路の開閉制御をすることができる。なお、状態切り替えスイッチ２０とシャッター２１はその動作が連動するように構成されており（図示せず）、後述するように、一定バイアス検出状態（シャッター２１がポンプパルス光の光路を閉じ、且つ、状態切り替えスイッチの接点２０ａが閉じた状態）と一定バイアス除去状態（シャッター２１がポンプパルス光の光路を開き、且つ、状態切り替えスイッチの接点２０ｂが閉じた状態）を切り替えることができるように構成されている。
【００３３】
このような構成であるために、一定バイアス検出状態においては、遮光板２１ａによりポンプパルス光の光路が閉ざされており、テラヘルツパルス光検出器６から出力される電流信号ＳＩはゼロとなり、電流・電圧変換器１３から出力される電圧信号ＳＶもゼロとなる。そのため、ロックインアンプ１４から出力されるロックイン増幅された信号ＳＬにはこのロックインアンプ１４によって一義的に決まる一定バイアス信号ＳＢのみが含まれている。よって、状態切り替えスイッチ２０により、ロックインアンプ１４とＡ／Ｄ変換器１５が直接接続されているため、状態切り替えスイッチ２０を経由して（一方の接点２０ａとコモン端子２０ｃを通り）一定バイアス信号ＳＢのみが含まれる電圧信号ＳＶがＡ／Ｄ変換器１５に渡されてディジタル信号に変換された信号ＳＤとなるため、このディジタル信号ＳＤからコンピュータ１６は一定バイアス信号ＳＢの大きさを得ることができる。
【００３４】
一方、一定バイアス除去状態においては、遮光板２１ａによりポンプパルス光の光路が開かれており、上述のように被測定試料２の物性データを有する信号に一定バイアス信号ＳＢが重畳された状態でロックイン増幅された信号ＳＬがロックインアンプ１４から出力され、引き算器１８に渡される。このときコンピュータ１６は、一定バイアス検出状態において取得した一定バイアス信号ＳＢと同じ信号を出力するようにプログラマブル電源１９を制御し、このコンピュータ１６の制御に従ってプログラマブル電源１９は一定バイアス信号ＳＢを出力し引き算器１８に渡す。よって、Ａ／Ｄ変換器１５には、状態切り替えスイッチ２０の接点２０ｂとコモン端子２０ｃを通って引き算器１８により一定バイアス信号ＳＢが除去された信号ＳＬ′が渡される。
【００３５】
以上のように、システム動作として、被測定試料２の測定動作の最初にシャッター２１によりポンプパルス光の光路を閉じ、同時に状態切り替えスイッチ２０の接点２０ａを閉じることにより一定バイアス信号を検出しコンピュータ１６で取得・記憶を行った後に、シャッター２１によりポンプパルス光の光路を開き、同時に状態切り替えスイッチ２０の接点２０ｂを閉じることにより引き算器１８により一定バイアス信号を除去して測定動作に入るというルーティン動作をおこなうことにより、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、高精度の処理を行うことができる。また、このような構成とすることにより、ビット数の少ない高速のＡ／Ｄ変換器を利用することも可能となる。
【００３６】
なお、シャッター２１として遮光板２１ａを用いることで説明を行ったが、櫛の歯状のディスクを用いてステップ的動作をさせて、ポンプパルス光の光路の開閉動作を行っても良いことは言うまでもない。また、本実施例ではシャッター２１をハーフミラー７ｂとテラヘルツパルス光源３の間の光路上に配設したが、被測定試料２にテラヘルツパルス光を照射する直前Ａや、被測定試料２で反射した直後Ｂ、または、テラヘルツパルス光検出器６に入射する前Ｃの位置に配設されても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
上述した第１の実施例及び第２の実施例では、ロックインアンプ１４に位相検出器（ＰＳＤ）を１個使ったシングル・フェーズ・ロックインアンプを用いた場合を説明した。しかし、シングル・フェーズ・ロックインアンプの場合、測定信号と基準信号の位相の調整をしなければならず、測定者に負担をかけることになる。このため、この測定信号と基準信号の位相の調整をなくすデュアル・フェーズ・ロックイアンプを使った方法について、第３の実施例で説明する。
【００３８】
【第３の実施例】
図３を用いて、ロックインアンプ１４にデュアル・フェーズ・ロックインアンプを用いた場合について説明を行う。なお、第２の実施例と同様に、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測定する方法は第１の実施例と同じであり、構成及び符号は同様であるため、ここでは、デュアル・フェーズ・ロックインアンプを適用したロックインアンプ１４の部分を中心に説明を行う。
【００３９】
デュアル・フェーズ・ロックインアンプは、基準信号から、基準信号と周波数が同じで且つ位相が９０度異なる２つの信号を生成し、この２つの信号をぞれぞれ基準信号に利用して、ロックイン増幅するものである。そのため、ロックインアンプ１４は、逓倍回路２２と、移相器２３と、平衡変調器２４（２４ａ，２４ｂ）と、ローパスフィルタ２５（２５ａ，２５ｂ）及びバッファアンプ２６（２６ａ，２６ｂ）を有して構成される。
【００４０】
光電検出装置１７で検出された基準信号ＳＲは、まず、逓倍回路２２で４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４に変換される。図３において、逓倍回路２２は、平衡変調器２２ａ，２２ｃと、フィルター及びバッファー機能を持つ処理回路２２ｂ，２２ｄを有して構成されている。平衡変調器２２ａは２つの入力（信号端子及びキャリア端子）を有しており、同じ基準信号ＳＲを入力することにより２逓倍された信号を出力し、それを処理回路２２ｂで雑音等の除去及びインピーダンス変換がされた信号ＳＲ・ｆ２として出力する。さらに、この２逓倍された信号ＳＲ・ｆ２に対して平衡変調器２２ｃと処理回路２２ｄで入力された信号を２逓倍する処理が行われ、結果として４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４が得られる。
【００４１】
上述した平衡変調器２２ａ，２２ｃの動作を数式で表すと以下のようになる。まず平衡変調器に入力させる２つの信号ＶｓとＶｒを式（１），（２）に示す。
【００４２】
【数１】
Ｖｓ＝Ｖｓ・ｓｉｎ（ωｔ＋α）                                  （１）
Ｖｒ＝Ｖｒ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）                                  （２）
この２つの信号Ｖｓ，Ｖｒを平衡変調器の信号端子及びキャリア端子に入力すると、その出力Ｖｏは式（３）で表される。
【００４３】
【数２】
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【００４４】
このように、平衡変調器の出力Ｖｏは、２つの信号Ｖｓ，Ｖｒの和と差の信号となる。ところが上述したように、逓倍回路２２においては、同一の信号を平衡変調器２２ａ，２２ｃに入力するため、平衡変調器からの出力Ｖｏの周波数は式（４）に示すように入力された信号の周波数の２倍となり、２逓倍器として動作することになる。
【００４５】
【数３】
Ｖｏ＝１／２Ｖｓ・Ｖｒ−１／２Ｖｓ・Ｖｒ・ｃｏｓ（２ωｔ＋２α）  （４）
【００４６】
図３においては、逓倍回路２２をブロック図で表現しているが、実際の回路で構成した例を図４に示す。図４（Ａ）は、逓倍回路２２における平衡変調器２２ａ（または２２ｃ）と処理回路２２ｂ（または２２ｄ）で構成される２逓倍器に対応する部分を、トランジスタＴｒ１と、コイルＬ１〜Ｌ３、コンデンサーＣ１〜Ｃ４及び抵抗Ｒ１で構成した場合を示している。なお、コイルＬ１はセンタータップを有しており、コイルＬ２はタップを有しており、コイルＬ２とコイルＬ３はトランスを構成している。
【００４７】
コイルＬ１とコンデンサーＣ１は並列に接続されており、周波数ｆである信号（図３における基準信号ＳＲに相当）は、コイルＬ１のセンタータップに入力されて、コイルＬ１とコンデンサーＣ１で２逓倍されて、トランジスターＴｒ１のベースに入力する。そして、トランジスターＴｒ１、抵抗Ｒ１、コンデンサーＣ２〜Ｃ４及びコイルＬ２は、エミッター接地の増幅回路を構成しており、トランジスターＴｒ１のベースから入力された２逓倍された信号はこの増幅回路で増幅される。なお、トランジスターＴｒ１のコレクタにはコンデンサーＣ３，Ｃ４がこの順で接続されており、Ｃ４は接地されている。また、コンデンサーＣ３とコイルＬ２は並列に接続されており、コイルＬ２のタップは電源に接続されている。よって、トランジスタＴｒ１で構成される増幅器の出力はコイルＬ２とコイルＬ３とから構成されるトランスでインピーダンス変換されてコイルＬ３より２逓倍された周波数２ｆを持つ信号（図３における２逓倍された信号ＳＲ・ｆ２に相当）として出力される。
【００４８】
図４（Ｂ）は、逓倍回路２２を位相検出器（ＰＳＤ）２７と、電圧制御発振器（ＶＳＯ）２８及び１／４分周器２９で４逓倍器（図３における逓倍回路２２に相当）を構成した例を示している。ここでは、周波数ｆである信号（図３における基準信号ＳＲに相当）と１／４分周器２９からの出力を反転して位相検出器２７で乗算してその結果を電圧制御発振器２８に出力し、さらに、電圧制御発振器２８の出力を１／４分周器２９に渡して負帰還構成としているため、電圧制御発振器２８から４逓倍された信号４ｆ（図３における４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４に相当）が出力される。
【００４９】
図３において、逓倍回路２２で４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４は、移相器２３に入力されて基準信号ＳＲと周波数が同じで且つ位相が９０度異なる二つの基準信号ＳＲ・０とＳＲ・９０が生成される。この移相器２３を２つのＤ型フリップフロップ２３ａ，２３ｂで構成した例を図５に示す。図５において、４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４はフリップフロップ２３ａ，２３ｂのＣＫにクロックとして入力される。そして、第１のフリップフロップ２３ａのＱ出力を第２のフリッププロップ２３ｂのＤ入力に接続し、第２のフリップフロップ２３ｂのＱの反転出力を第１のフリップフロップ２３ａのＤ入力に接続する。このような構成にすると、４逓倍された信号ＳＲ・ｆ４の４周期を１周期とする信号が第１及び第２のフリップフロップ２３ａ，２３ｂのＱ及びＱの反転出力から出力され、また、第２のフリップフロップ２３ｂのＱの反転出力が第１のフリップフロップ２３ａのＤ入力に入っているため、第１のフリップフロップ２３ｂのＱ及びＱの反転出力は、第２のフリップフロップ２３ａのＱ及びＱの反転出力より１クロック遅れた（つまり、第１及び第２のフリップフロップ２３ａ，２３ｂから出力される信号はＳＲ・ｆ４の４周期で１周期が構成されるため、位相が９０度遅れた）信号となる。よって、第２のフリップフロップ２３ｂのＱ出力を基準信号ＳＲ・０とし、第１のフリップフロップ２３ａのＱの反転出力を基準信号ＳＲ・９０とすることで、周波数が基準信号ＳＲと同じで、位相が９０度違う２つの基準信号を得ることができる。
【００５０】
図３において、移相器２３で生成された二つの基準信号ＳＲ・０とＳＲ・９０は、それぞれ、平衡変調器２４ａ，２４ｂに入力されて、電流・電圧変換器１３から出力された電圧信号ＳＶと乗算されて、ローパスフィルタ２５ａ，２５ｂに出力され、バッファーアンプ２６ａ，２６ｂを介してロックイン増幅された二つの信号ＳＬ・０，ＳＬ・９０として出力される。平衡変調器２４ａ，２４ｂで基準信号ＳＲ・０とＳＲ・９０が電圧信号ＳＶと乗算されると、後述するように基準信号ＳＲ・０とＳＲ・９０の周波数に対応した電圧信号ＳＶの信号が直流成分として出力され、その他の雑音成分は交流成分として出力される。そこで、ローパスフィルタ２５ａ，２５ｂで交流成分を除去し、バッファーアンプ２６ａ，２６ｂでインピーダンス変換をすることにより、それぞれ位相が９０度異なる基準信号ＳＲ・０とＳＲ・９０で電圧信号ＳＶがロックイン増幅された信号ＳＬ・０，ＳＬ・９０を得ることができる。
【００５１】
ロックイン増幅された信号ＳＬ・０とＳＬ・９０は、Ａ／Ｄ変換器１５でディジタル信号ＳＤ・０とＳＤ・９０に変換されてコンピュータ１６に渡される。コンピュータ１６では、ディジタル信号ＳＤ・０とＳＤ・９０からテラヘルツパルス光検出器６で検出されるテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化を算出し、さらにその結果からフーリエ変換を行って、被測定試料２の反射スペクトルを出力する。ここで、位相の９０度異なる基準信号ＳＲ・０，ＳＲ・９０で測定信号（電圧信号ＳＶに相当）をロックイン処理した結果ＳＬ・０，ＳＬ・９０から基準信号と測定信号の位相に関わりなく、基準信号で測定信号をロックイン処理した結果を得るための算出方法を説明する。まず、基準信号から位相が９０度違う２つの基準信号が生成されるため、式（２）で表される基準信号Ｖｒは、それぞれ式（５）、式（６）で表される２つの基準信号Ｖｒ・０，Ｖｒ・９０になる（なお、以降の説明では、式（１）〜（４）で用いた２つの信号Ｖｒ，Ｖｓをそれぞれ、基準信号、測定信号として扱う）。
【００５２】
【数４】
Ｖｒ・０  ＝Ｖｒ・ｓｉｎ（ωｔ＋β）                            （５）
Ｖｒ・９０＝Ｖｒ・ｓｉｎ（ωｔ＋β＋９０）                      （６）
そして、この２つの信号を、式（１）で表される測定信号と乗算すると、式（３）から、以下の二つの信号Ｖｏ・０，Ｖｏ・９０が式（７），式（８）として求められる。
【００５３】
【数５】
2004163284.tif 000004
【００５４】
この式（７）及び式（８）で示される信号Ｖｏ・０及びＶｏ・９０は第１項が直流成分で、第２項が２倍の周波数を持った交流成分で構成されている。よって、上述したように、この２倍の周波数を持った交流成分をローパスフィルタ２５ａ，２５ｂで除去して、バッファーアンプ２６ａ，２６ｂでインピーダンスを変換すると、式（９）及び式（１０）で示される信号Ｖｏ・０，Ｖｏ・９０（図１におけるロックイン処理された信号ＳＬ・０，ＳＬ・９０に相当する）が得られる。
【００５５】
【数６】
Ｖｏ・０  ＝１／２Ｖｓ・Ｖｒ・ｃｏｓ（α−β）                （９）
Ｖｏ・９０＝１／２Ｖｓ・Ｖｒ・ｃｏｓ（α−β−９０）          （１０）
【００５６】
ここで、α−βをγに置き換え、さらに、Ｖｒは基準信号であるため一定として１／２Ｖｒをκに置き換えて、式（９）、式（１０）を表すと式（１１）、式（１２）となり、さらに式（１２）を正弦関数で表現すると式（１３）になる。
【００５７】
【数７】
Ｖｏ・０  ＝１／２κＶｓ・ｃｏｓγ                          （１１）
Ｖｏ・９０＝１／２κＶｓ・ｃｏｓ（γ−９０）                （１２）
Ｖｏ・９０＝１／２κＶｓ・ｓｉｎγ                          （１３）
【００５８】
よって、式（１１）及び式（１３）で得られた信号をコンピュータ１６で式（１４）で表される計算をすることにより、測定信号と基準信号の初期位相α及びβに依存しない信号κＶｓを得ることができる。
【００５９】
【数８】
（Ｖｏ・０２＋Ｖｏ・９０２）１／２＝κＶｓ                    （１４）
【００６０】
以上のように、ロックインアンプ１４として、デュアル・フェーズ・ロックインアンプを利用することにより、測定信号と基準信号の位相差を調整する必要が無くなり、測定前の調整が不要となる。なお、上記の説明では、ロックイン処理された信号ＳＬ・０，ＳＬ・９０を直接Ａ／Ｄ変換器１５に渡してＡ／Ｄ変換をしていたが、第２の実施例で説明した方法により、ロックイン処理された信号ＳＬ・０，ＳＬ・９０に重畳されている一定バイアス成分を除去してＡ／Ｄ変換器１５でＡ／Ｄ変換をすることにより、Ａ／Ｄ変換器１５のダイナミックレンジを有効に利用でき、変換精度を上げることができる。
【００６１】
本実施例では、ロックインアンプ１４でロックイン増幅するための基準信号として、レーザー光源１０から照射されるレーザーパルス光のテラヘルツ繰り返し周波数を検出して利用していたが、図６に示すように、テラヘルツパルス光をメカニカルチョッパー１２で変調して、このメカニカルチョッパー１２の変調周波数をデュアル・フェーズ・ロックインアンプ１４の基準信号として利用しても被測定試料２の情報を含む信号の検出は可能である。この場合、図６に示すように、メカニカルチョッパー１２はテラヘルツパルス光源３に照射されるポンプパルス光を変調するように、ハーフミラー７ａで反射したレーザーパルス光の光路上に、櫛の歯状ディスク１２ｂが配設される。メカニカルチョッパー１２は、モーター１２ａで櫛の歯状ディスク１２ｂを回転駆動させ、回転検出器１２ｃとチョッパー駆動装置１２ｄで一定速度での回転を行う。よって、チョッパー駆動装置１２ｄからメカニカルチョッパーの変調周波数を基準信号ＳＲとしてロックインアンプ１４に渡すことにより、上述の方法でロックイン増幅することができる。なお、メカニカルチョッパー１２を利用する場合、光電検出装置は不要のため、ハーフミラー７ｂはミラーで良い。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、テラヘルツパルス光検出器から出力される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物性信号を抽出する微小信号検出器の基準信号としてレーザーパルス光のパルスの繰り返し周波数を利用することにより処理の高速化及び高精度化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係るテラヘルツ分光装置のブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係るテラヘルツ分光装置のブロック図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係るテラヘルツ分光装置のブロック図である。
【図４】逓倍装置の回路例を示す回路図であり、（Ａ）は２逓倍器の回路例を示すものであり、（Ｂ）は４逓倍器の回路例を示すものである。
【図５】移相器の回路例を示す回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例にメカニカルチョッパーを適用した場合のブロック図である。
【符号の説明】
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
１２  メカニカルチョッパー
１３  電流・電圧変換器
１４  ロックインアンプ（増幅器）
１７  光電検出装置（基準信号検出器）
１８  引き算器
２０  状態切り替えスイッチ（状態切り替え器）
２１  シャッター（テラヘルツパルス光停止器）
２２  逓倍回路（信号逓倍器）
２３  移相器
ＳＩ  電流信号
ＳＶ  電圧信号
ＳＲ  基準信号
【図１】
2004163284.tif 000005
【図２】
2004163284.tif 000006
【図３】
2004163284.tif 000007
【図４】
2004163284.tif 000008
【図５】
2004163284.tif 000009
【図６】
2004163284.tif 000010