(57)【要約】【課題】光スイッチ素子から出力される電流信号をＳ／Ｎ良く有効に検出する。【解決手段】テラヘルツパルス光計測装置を構成するテラヘルツパルス光検出器６の筐体６ｂの上部に光スイッチ素子６ａを配設し、その近傍に電流・電圧変換器１３を配設して一体に形成することにより、光スイッチ素子６ａと電流・電圧変換器１３の配線距離を短くし、光スイッチ素子６ａから出力される電流信号ＳＩに対するノイズの影響と電流信号ＳＩの減衰を防ぎ、Ｓ／Ｎの良い計測を行い計測結果の精度を向上させる。【選択図】  図１
2004163280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内部が真空状態に維持された真空チャンバーと、
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、
前記電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、
前記電圧信号を増幅する増幅器と、
前記増幅器により増幅された信号を処理して前記テラヘルツパルス光を計測する処理回路とを有したテラヘルツパルス光計測装置において、
前記テラヘルツパルス光検出器及び前記電流・電圧変換器を一体的に保持し、前記電圧信号を出力する筐体を有し、
前記筐体を前記チャンバー内部に設置し、且つ、前記増幅器及び前記処理回路を前記チャンバー外部に設置して、前記筐体と前記増幅器とを信号線を介して電気的に接続した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】
チャンバー内部が真空状態に維持された真空チャンバーと、
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、
前記電流信号をアナログ処理するアナログ処理回路と、
前記アナログ処理回路からのアナログ信号をデジタル処理して前記テラヘルツパルス光を計測するデジタル処理回路とを有したテラヘルツパルス光計測装置において、
前記テラヘルツパルス光検出器と前記アナログ処理回路とを一体的に保持した筐体を有し、
前記筐体を前記チャンバー内部に設置し、且つ、前記デジタル処理回路を前記チャンバー外部に設置して、前記筐体と前記デジタル処理回路とを信号線を介して電気的に接続したことを特徴とするテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項３】
前記アナログ信号処理回路は、前記テラヘルツパルス光検出器からの前記電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、前記電流・電圧変換器からの前記電圧信号をロックイン増幅するロックイン増幅器とで構成され、
前記デジタル信号処理回路は、前記ロックイン増幅された前記電圧信号に基づきデジタル処理し、前記テラヘルツパルス光の電場強度と位相情報を算出することを特徴とする請求項２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用いた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の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可した状態で数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。従来は図３（Ａ）に示すように、光スイッチ素子３０とリセプタクル３１を図示しない構造体に固定し、ボンディング等の方法により光スイッチ素子３０とリセプタクル３１とを接続し、リセプタクル３１からコネクタを用いて電流信号をテラヘルツパルス光検出器の外部に引き出し、外付けされた電流・電圧変換器で電圧信号に変換していた（例えば、非特許文献１〜３参照。）。
【０００４】
【非特許文献１】
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
【非特許文献２】
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３】
阪井清美、外５名，「半導体及び高温超伝導体によるテラヘルツ電磁波の発信」，通信総合研究所季報，独立行政法人通信総合研究所，平成９年１２月，Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４，ｐ．６３７−６５０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光スイッチ素子から出力されるテラヘルツパルス光の振幅に比例した電流信号は、図３（Ｂ）に示すようなパルス形状をしており、パルス幅ｔ１が０．１［ｐｓ］、パルス間隔ｔ２が２０［ｎｓ］程度であるようなインパルス的な高周波であり、さらに、光スイッチ素子のインピーダンスは高いため、光スイッチ素子から電流・電圧変換器までの配線距離が長いと、ノイズの影響を受け易く、且つ、減衰による信号の劣化が起こるため、微弱信号の抽出を困難にするという問題があった。
【０００６】
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・電圧変換器を光スイッチ素子と一体にしてテラヘルツパルス光検出器を形成し、テラヘルツパルス光計測装置内に配設することにより、光スイッチ素子からの電流信号のＳ／Ｎを改善し、計測結果の精度を向上させることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、第１の本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置は、チャンバー内部が真空状態に維持された真空チャンバーと、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、電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、電圧信号を増幅する増幅器（例えば、実施形態におけるロックインアンプ１４）と、増幅器により増幅された信号を処理してテラヘルツパルス光を計測する処理回路（例えば、実施形態におけるＡ／Ｄ変換器１５及びコンピュータ１６）とを有して構成される。そして、このテラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光検出器及び電流・電圧変換器を一体的に保持し、電圧信号を出力する筐体を有し、この筐体をチャンバー内部に設置し、且つ、増幅器及び処理回路をチャンバー外部に設置して、筐体と増幅器とを信号線を介して電気的に接続して構成される。
【０００８】
第２の本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置は、チャンバー内部が真空状態に維持された真空チャンバーと、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、電流信号をアナログ処理するアナログ処理回路（例えば、実施形態における電流・電圧変換器１３及びロックインアンプ１４）と、アナログ処理回路からのアナログ信号をデジタル処理してテラヘルツパルス光を計測するデジタル処理回路（例えば、実施形態におけるＡ／Ｄ変換器１５及びコンピュータ１６）とを有して構成される。そして、このテラヘルツパルス光計測装置は、テラヘルツパルス光検出器とアナログ処理回路とを一体的に保持した筐体を有し、筐体をチャンバー内部に設置し、且つ、デジタル処理回路をチャンバー外部に設置して、筐体とデジタル処理回路とを信号線を介して電気的に接続して構成される。
【０００９】
なお、アナログ処理回路は、テラヘルツパルス光検出器からの電流信号を電圧信号に変換する電流・電圧変換器と、電流・電圧変換器からの電圧信号をロックイン増幅するロックイン増幅器とで構成され、デジタル処理回路は、ロックイン増幅された電圧信号に基づきデジタル処理し、テラヘルツパルス光の電場強度と位相情報を算出するように構成されることが好ましい。
【００１０】
【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。まず、本発明に係るテラヘルツパルス光検出器を適用するテラヘルツパルス光計測装置について図２を用いて説明する。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、ミラー８（８ａ〜８ｅ）、時間遅延装置９、レーザー光源１０、バイアス電源１１、メカニカルチョッパー１２、ロックインアンプ１４、Ａ／Ｄ変換器１５及びコンピュータ１６を有して構成されている。
【００１１】
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、この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６ａ及び電流・電圧変換器１３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。
【００１２】
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７に入射する。ハーフミラー７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。
【００１３】
ハーフミラー７で反射したレーザーパルス光の光路上には、メカニカルチョッパー１２の櫛の歯状ディスク１２ｂが配設されている。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制御を行う。メカニカルチョッパー１２を透過したレーザーパルス光はミラー８ａで反射して、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。
【００１４】
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かかっている。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６ａに照射される。
【００１５】
一方、ハーフミラー７を透過したレーザーパルス光は、ミラー８ｂ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８ｃ，８ｄ，８ｅの順に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６ａ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れるために時間遅延を生じ、光スイッチ素子６ａ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。
【００１６】
テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子６ａは、この光スイッチ素子６ａ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を出力する仕組みになっている。光スイッチ素子６ａ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、信号線を介してロックインアンプ１４に渡される。
【００１７】
ここで、ポンプパルス光は、上述の通りメカニカルチョッパー１２の櫛の歯状ディスク１２ｂの歯数及び回転数に比例した周波数で振幅変調された光であるため、この光で励起されたテラヘルツパルス光も同じ周波数で変調されており、さらには被測定試料２で反射し被測定試料２の各種物性情報を含んだ反射パルス光も同じ周波数を含んでいるため、光スイッチ素子６ａから出力される電流信号ＳＩ及び電流・電圧変換器１３で出力される電圧信号ＳＶもこの振幅変調された周波数を含んでいる。このため、メカニカルチョッパー１２からの基準信号ＳＲに同期して電流・電圧変換器１３で変換された電圧信号ＳＶをロックインアンプ１４でロックイン増幅することが可能であり、ロックイン増幅された信号ＳＬをＡ／Ｄ変換器１５に出力する。Ａ／Ｄ変換器１５でこの信号ＳＬをディジタル信号ＳＤに変換してコンピュータ１６に出力する。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。
【００１８】
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６ａ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６ａ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。
【００１９】
テラヘルツパルス光検出器６の光スイッチ素子６ａから出力される電流信号ＳＩは図３（Ｂ）を用いて説明したとおり、パルス幅が狭く、且つ、パルス間隔が広いインパルス的な高周波であることや、光スイッチ素子６ａはインピーダンスが高いことなどから、伝送距離が長いとノイズの影響を受けやすく、また、減衰による信号の劣化も起こしやすい。このような電流信号ＳＩの特徴により、電流・電圧変換器１３は、テラヘルツパルス光検出器６の近傍に配設することにより、検出された電流信号ＳＩのＳ／Ｎを向上させることができ精度の良い測定結果を得ることができる。
【００２０】
本発明に係るテラヘルツパルス光検出器６は、このようなことに鑑み、図１に示すように筐体６ｂの上部に光スイッチ素子６ａを配設し、下部に基板上に形成された電流・電圧変換器１３を配設することにより、両者を一体として形成して、真空チャンバー１内に配設する構成としている。このため、光スイッチ素子６ａと電流・電圧変換器１３の配線距離を短くすることができ、ノイズの影響を受けにくい。なお、電流・電圧変換器１３は光スイッチ素子６ａの近傍に一体に配設されることで同様の効果を得るため、筐体６ｂの下部の側面や後面に配設しても良いし、または、光スイッチ素子６ａが配設されている筐体６ｂの上部側面に配設されても良い。また、電流・電圧変換器１３を光スイッチ素子６ａと一体にして真空チャンバー１内に配設することにより、ロックインアンプ１４との配線距離が長くなるが、電流・電圧変換器１３では電流信号ＳＩを電圧信号ＳＶに変換する際に、合わせて増幅を行っているため、ノイズや信号の減衰による影響は受けにくい。もちろん、この電流・電圧変換器１３に小型ロックイン増幅回路等を搭載させればより良い事は言うまでもない。更に、Ａ／Ｄ変換器１５も真空チャンバー１内に配置する構成でも良い。このような構成をとれば、更にノイズに強い回路となる。
【００２１】
なお、この実施例では、電圧信号ＳＶのロックイン増幅にメカニカルチョッパー１２で振幅変調して基準周波数としたが、本発明がこの方式に限定されるものではない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係るテラヘルツパルス光測定装置によれば、テラヘルツパルス光を検出するテラヘルツパルス光検出器と、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を電圧信号に変換する電流・電圧変換器とを一体にして形成することにより、テラヘルツパルス光検出器から出力される電流信号へのノイズや電流信号の減衰を防ぎ、電流信号のＳ／Ｎを良くすることで、計測結果の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るテラヘルツパルス光検出器の構造を示す斜視図である。
【図２】本発明に係るテラヘルツパルス光計測装置の構成を示すブロック図である。
【図３】光スイッチ素子の構成とその電流信号を示す図であり、（Ａ）は従来の光スイッチ素子の配設方法を示す図であり、（Ｂ）は、光スイッチ素子から出力される電流信号の形状を示す図である。
【符号の説明】
１  真空チャンバー
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
６ａ  光スイッチ素子
６ｂ  筐体
１３  電流・電圧変換器
１４  ロックインアンプ
１５  Ａ／Ｄ変換器
１６  コンピュータ
【図１】
2004163280.tif 000003
【図２】
2004163280.tif 000004
【図３】
2004163280.tif 000005