(57)【要約】【課題】対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行う。【解決手段】アンテナ５６は、テラヘルツパルス光を試料１００の２次元領域に一括照射し、その透過パルス光を電気光学結晶６１の２次元領域が一括受光する。一次的にチャーピングされかつパルス光Ｌ５５と同期したプローブパルス光が、結晶６１の２次元領域に一括照射される。検光子６５は、結晶６１を通過してパルス光Ｌ５５により偏光状態が変調されたプローブパルス光の特定偏光成分を抽出する。光ファイバ束６６は、特定偏光成分のみ抽出されたプローブパルス光を、結晶６１の各部位に対応するもの毎に、二次的にチャーピングしてそのパルス幅をそれぞれ拡大させる。光電変換素子アレイ６７は、チャーピングの後のプローブパルス光を、それぞれ光電変換する。【選択図】　　　　図１
2004020352.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツパルス光を電気光学結晶に導びくとともに、一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を前記電気光学結晶に導き、
前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出し、
偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記特定偏光成分の抽出の前又は後に二次的にチャーピングを行い、
前記特定偏光成分の抽出及び前記二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を光電変換することを特徴とするテラヘルツパルス光計測方法。
【請求項２】
前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツパルス光計測方法。
【請求項３】
前記二次的なチャーピングを、光ファイバを用いて行うことを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツパルス光計測方法。
【請求項４】
前記電気光学結晶に導かれる前記テラヘルツパルス光は、対象物体を透過又は反射したものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のテラヘルツパルス光計測方法。
【請求項５】
テラヘルツパルス光を対象物体に照射するテラヘルツパルス光照射部と、
前記対象物体を透過又は反射したテラヘルツパルス光を受光する電気光学結晶と、
一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶に照射するプローブパルス光照射部と、
前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部と、
偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記検光部により特定偏光成分を抽出する前又は後に二次的にチャーピングを行うチャーピング部と、
前記検光部による特定偏光成分の抽出及び前記チャーピング部による二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を、光電変換する光電変換部と、を備え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６】
前記チャーピング部は、前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うことを特徴とする請求項５記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項７】
前記チャーピング部は、光ファイバを含むことを特徴とする請求項５又は６記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項８】
テラヘルツパルス光を対象物体の２次元領域に一括照射するテラヘルツパルス光照射部と、
前記対象物体の前記２次元領域を透過又は反射したテラヘルツパルス光を、前記対象物体の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する電気光学結晶と、
一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部と、
前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出する検光部と、
偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記検光部により特定偏光成分を抽出する前又は後に、前記電気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ二次的にチャーピングを行うチャーピング部と、
前記検光部による特定偏光成分の抽出及び前記チャーピング部による二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ光電変換する光電変換部と、を備え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９】
前記チャーピング部は、前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うことを特徴とする請求項８記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項１０】
前記チャーピング部は、光ファイバ束を含むことを特徴とする請求項８又は９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、テラヘルツパルス光計測方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
テラヘルツ光は、周波数がおおよそ０．１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の電磁波であり、現在は、テラヘルツパルス光の波形を瞬時に、光電変換して計測することは不可能である。
【０００３】
このため、一般的に、テラヘルツパルス光の計測には、ポンプ−プローブ法と呼ばれる計測手法が採用されている。このポンプ−プローブ法では、同じ波形のテラヘルツパルス光が所定周波数（例えば、数ｋＨｚからＭＨｚオーダーの繰り返し）で到来することを前提とし、テラヘルツパルス光を発生させるポンプパルス光と、テラヘルツパルス光の検出タイミングを決定するプローブパルス光との間に時間遅延（光路長差）を設け、その時間遅延を徐々に変えて、各時間遅延の時点におけるテラヘルツパルスの電場強度を光電変換して計測することにより、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を計測する。
【０００４】
したがって、ポンプ−プローブ法により得られた時系列波形の各時点における電場強度は、それぞれ互いに異なる時間中に発生したパルスにおける、前記時間遅延に対応する波形位置での、電場強度を示している。すなわち、ポンプ−プローブ法は、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）ではない。このため、ポンプ−プローブ法では、繰り返しで到達するテラヘルツパルス光の各パルスの波形が全く同一であれば、ポンプ−プローブ法により適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形が得られるが、テラヘルツパルス光を用いて観察しようとする対象物体が生物のような動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得ることはできない。
【０００５】
これに対し、Ｚ．Ｊｉａｎｇ及びＸ．−Ｃ．Ｚｈａｎｇによって、チャーピングされたプローブパルス光を利用したテラヘルツパルス光計測手法（説明の便宜上、「チャーピング計測手法」という。）が提案されている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，　Ｖｏｌ．７２，　Ｎｏ．１６，　２０　Ａｐｒｉｌ　１９９８，　ｐｐ．１９４５−１９４７）。このチャーピング計測手法では、レーザ装置からのパルス光をビームスプリッタで２つのパルス光に分割し、一方のパルス光をポンプパルス光として用いてテラヘルツパルス光を発生させる。このテラヘルツパルス光を電気光学結晶の一点に集光させる。分割された他方のパルス光をチャーピング手段でチャーピングし、このチャーピングされたパルス光をプローブパルス光として用い、このプローブパルス光を細い線状の光束のまま電気光学結晶の前記一点に照射する。そして、電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光を検光子で特定偏光成分を抽出し、偏光したプローブパルス光を回折格子で分光し、この分光により空間的に分離されたプローブパルス光の各波長成分をそれぞれ光電変換素子アレイの各々の光電変換素子（光検出素子）で電気信号に変換する。前記回折格子及び前記光電変換素子アレイは、分光器を構成している。ここで、パルス光がチャーピングされているとは、パルス光に含まれる短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅れて（あるいは進んで）いる状態をいう。
【０００６】
この従来のチャーピング計測手法によれば、チャーピングされかつテラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光が電気光学結晶に導かれるので、プローブパルス光の各波長成分は、テラヘルツパルス光の単一パルスにおける各時点での電場強度により偏光状態が変調され、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分の強度は、テラヘルツパルス光の単一パルスにおける各時点での電場強度を示すことになる。そして、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分は、当該波長に応じて分光により空間的に分離され、その位置に配置されている光電変換素子によりその強度が電気信号として検出される。したがって、特定偏光成分の抽出後のプローブパルス光の各波長成分の強度に応じた出力信号が各位置の光電変換素子から得られる。すなわち、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形が、空間的な位置系列波形（光電変換素子の位置に対する光電変換素子の出力信号）に変換されることになる。
【０００７】
したがって、前記従来のチャーピング計測手法によれば、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができる。このため、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合でも、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の計測を行うことができる。
【０００８】
なお、電気光学結晶に導かれるチャーピングされたプローブパルス光は、テラヘルツパルス光のパルス幅内（すなわち、継続時間中）においてのみテラヘルツパルス光の変調を受ける。したがって、たとえ、プローブパルス光のチャーピングの程度を高めて（すなわち、プローブパルス光の長波長成分と短波長成分との時間差を拡大して）、プローブパルス光のパルス幅を拡げても、テラヘルツパルス光のパルス幅は極短いので、前記分光器を用いることなく、電気光学結晶を通過したプローブパルス光をそのまま光電変換してテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に応じた時系列波形信号を得ることは、不可能である。このため、前記従来のチャーピング計測手法では、前記分光器を用いることにより、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を空間的な位置系列波形に変換しているのである。
【０００９】
ところで、いわゆる時系列変換テラヘルツ分光として知られているように、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を計測すれば、その時系列波形を例えばフーリエ変換することにより分光情報（各周波数成分ごとの強度）を得ることができ、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形は分光情報を含んでいる。
【００１０】
このような分光情報は、対象物体の一点だけでなく、対象物体の２次元領域の各部位（各点）についてそれぞれ得ることが、好ましい。そこで、従来から、対象物体の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得るテラヘルツパルス光計測装置として、図６に示す計測装置及び図７に示す計測装置が提案されている。
【００１１】
まず、図６に示す計測装置について説明する。図６は、従来のテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。
【００１２】
図６に示す計測装置では、レーザ装置等からなるフェムト秒パルス光源１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ１が、ビームスプリッタ２で２つのパルス光Ｌ２，Ｌ３に分割される。説明の便宜上、図６に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を定義する。
【００１３】
ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光Ｌ２は、テラヘルツ光発生器としてのダイポールアンテナ等を用いた光伝導アンテナなどの光スイッチ素子６を励起して、この光スイッチ素子６からテラヘルツパルス光を発生させるための、ポンプパルス光（パルス励起光）となる。光スイッチ素子６には、バイアス電源７からバイアス電圧が印加されている。ポンプパルス光Ｌ２は、平面反射鏡３〜５を経て、光スイッチ素子６に入射され、これにより、光スイッチ素子６からテラヘルツパルス光Ｌ４が発生する。
【００１４】
ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光Ｌ３は、テラヘルツパルス光を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ３は、平面反射鏡８、２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡９、及び平面反射鏡１０〜１２を経て、テラヘルツ光検出器としてのダイポールアンテナ等を用いた光伝導アンテナなどの光スイッチ素子１３へ導かれる。可動鏡９は、移動機構１４により矢印Ａ方向に移動可能となっている。可動鏡９の移動量に応じて、プローブパルス光Ｌ３の光路長が変わり、プローブパルス光Ｌ３が光スイッチ素子１３へ到達する時間が遅延する。
【００１５】
光スイッチ素子６から発生したテラヘルツパルス光Ｌ４は、軸外し放物面鏡１５を経て平行光に変換された後、軸外し放物面鏡１６を経て集光位置に集光される。この集光位置には、測定対象物体としての試料１００の測定部位が配置される。試料１００は、移動機構１９により、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に２次元に移動可能になっている。これにより、試料１００の２次元領域の各測定部位を順次テラヘルツパルス光Ｌ４の集光位置に移動させることができる。すなわち、試料１００の測定部位を２次元に走査させることができる。
【００１６】
試料１００の測定部位を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５は、軸外し放物面鏡１７，１８を経て、光スイッチ素子１３に集光される。光スイッチ素子１３によって、プローブパルス光Ｌ３が照射された時点でのテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度が、電流信号に変換される。この信号が信号処理回路及びパーソナルコンピュータ等からなる制御・処理部２０に、取り込まれる。
【００１７】
この図６に示す計測装置では、制御・処理部２０による制御下で、移動機構１９により試料１００が前述したように２次元に走査され、試料１００の２次元領域の各測定部位が前記集光位置に順次位置している際に、移動機構１４によりプローブパルス光の遅延時間が順次変えられて、各遅延時間ごとの時点のテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度を示す信号が制御・処理部２０に取り込まれる。これにより、試料１００の２次元領域の各測定部位について、当該測定部位を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形が計測される。
【００１８】
このように、図６に示す計測装置では、前述したポンプ−プローブ法と試料１００の移動による走査とを利用して、試料１００の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光Ｌ５の電場強度の時系列波形を計測する。
【００１９】
次に、図７に示す計測装置について説明する。図７は、従来の他のテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。
【００２０】
図７に示す計測装置では、レーザ装置等からなるフェムト秒パルス光源２１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ２１が、平面反射鏡２２を経た後に、ビームスプリッタ２３で２つのパルス光Ｌ２２，Ｌ２３に分割される。
【００２１】
ビームスプリッタ２３で分割された一方のパルス光Ｌ２２は、テラヘルツ光発生器としての大口径光伝導アンテナ２９を励起してテラヘルツパルス光を発生させるためのポンプパルス光（励起パルス光）となる。なお、光伝導アンテナのうち「大口径」と呼ばれるものは、電極間の間隔が例えば数ｍｍ乃至数ｃｍ程度のものである。ポンプパルス光Ｌ２２は、ビームエキスパンダ２４でその断面が拡張された後、平面反射鏡２５，２６、２枚もしくは３枚の平面反射鏡が組み合わされてなる可動鏡２７、及び平面反射鏡２８を経て、大口径光伝導アンテナ２９へ導かれる。大口径光伝導アンテナ２９の電極間には、バイアス電源３０からバイアス電圧が印加されている。その結果、大口径光伝導アンテナ２９からテラヘルツパルス光Ｌ２４が放射され、このテラヘルツパルス光Ｌ２４が測定対象物体としての試料１００の２次元領域を照射する。なお、可動鏡２７は、移動機構３１により矢印Ｂ方向に移動可能となっている。可動鏡２７の移動量に応じて、ポンプパルス光Ｌ２２の光路長が変わり、ポンプパルス光Ｌ２２が大口径光伝導アンテナ２９へ到達する時間が遅延する。
【００２２】
試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ２５は、結像光学系を構成するレンズ３２，３３を経てビームスプリッタ３４を透過した後に、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶３５に入射する。レンズ３２，３３の焦点距離は共にｆであり、前段のレンズ３２は試料１００から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置され、後段のレンズ３３は電気光学結晶３５から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されている。したがって、レンズ３２，３３によって、試料１００を透過したテラヘルツパルス光Ｌ２５による試料１００の２次元領域の像が、電気光学結晶３５の対応する２次元領域に結像される。
【００２３】
ビームスプリッタ２３で分割された他方のパルス光Ｌ２３は、テラヘルツパルス光Ｌ２５を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ２３は、平面反射鏡３６〜３８を経た後にビームエキスパンダ３９でテラヘルツパルス光Ｌ２５の断面に応じて拡張され、偏光子４０を通過した後に直線偏光光となり、更に、ビームスプリッタ３４で反射された後に電気光学結晶３５に入射する。電気光学結晶３５に入射した直線偏光光であるプローブパルス光は、電気光学結晶３５の前述した２次元領域を透過する。その透過光の偏光状態は、テラヘルツパルス光Ｌ２５により生じた電気光学結晶３５の複屈折変化（すなわち、テラヘルツパルス光２５の電場強度変化）に応じて、楕円偏光に変化する。このとき、テラヘルツパルス光Ｌ２５の電場強度の情報は、直線偏光からの差としてプローブパルス光の偏光状態が担っている。すなわち、プローブパルス光は、電気光学結晶３５を通過して、テラヘルツパルス光Ｌ２５により、偏光状態が変調される。電気光学結晶３５を透過したプローブパルス光は、検光子４１で特定偏光成分を抽出した後に、２次元ＣＣＤカメラ４２により光強度分布が検出される。前記光強度分布を示す２次元ＣＣＤカメラ４２からの画像信号は、パーソナルコンピュータ等からなる制御・処理部４４に取り込まれる。すなわち、テラヘルツパルス光Ｌ２５の電場強度の分布（各部位ごとの電場強度）が、一括してデータとして制御・処理部４４に取り込まれる。
【００２４】
この図７に示す計測装置では、制御・処理部４４による制御下で、移動機構３１によりポンプパルス光Ｌ２２の遅延時間が順次変えられて、各遅延時間ごとの時点の電場強度をＣＣＤカメラ４２から電気信号として順次得ることによって、試料１００の２次元領域の各部位ごとのテラヘルツパルス光Ｌ２５の電場強度の時系列波形が計測される。
【００２５】
このように、図７に示す計測装置では、前述したポンプ−プローブ法と、電気光学結晶３５を用いたテラヘルツパルス光及びプローブパルス光の２次元領域への一括照射とを利用して、試料１００の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光Ｌ２５の電場強度の時系列波形を得る。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来のポンプ−プローブ法では、前述したように、テラヘルツパルス光を用いて観察しようとする対象物体が生物のような動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、適切にテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得ることはできない。したがって、前記従来のポンプ−プローブ法を利用している図６に示す従来の計測装置や図７に示す従来の計測装置では、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などには、対象物体の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができない。
【００２７】
一方、前記従来のチャーピング計測手法では、前述したように、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができるので、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合などでも、対象物体を透過又は反射したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができる。
【００２８】
しかしながら、前記従来のチャーピング計測手法では、分光器を用いることにより、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を空間的な位置系列波形に変換しているので、当該分光器が不可欠である。したがって、例えば、当該分光器が存在することにより、空間的な位置系列波形を得るために、試料での空間情報を得ることができなくなるし、光ファイバなどを用いて空間情報を保持した場合、多数の分光器を必要とするため、大きな空間を必要とするだけでなく装置の価格的にも高価になるなどの問題が生じる。
【００２９】
また、前記従来のチャーピング計測手法では、テラヘルツパルス光を電気光学結晶の一点に集光し、細い線状のプローブパルス光を電気光学結晶の前記一点に照射しているので、対象物体の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を計測するには、図６に示す従来の計測装置と同様に対象物体を２次元に移動させて走査させなければならない。このように対象物体を２次元に走査させると、対象物体の２次元領域のある部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得た時点と、他の部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を得た時点とが、互いに異なることになる。したがって、結局、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡る実時間計測ができず、対象物体が生物のように動く物体である場合や対象物体を動かしながら観察する場合には、対象物体の２次元領域の各部位のテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を、適切に得ることができない。
【００３０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、分光器を要することなく、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測方法及び装置を提供することを目的とする。
【００３１】
また、本発明は、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測装置を提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるテラヘルツパルス光計測方法は、テラヘルツパルス光を電気光学結晶に導びくとともに、一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を前記電気光学結晶に導き、前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光の特定偏光成分を抽出し、偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記特定偏光成分の抽出の前又は後に二次的にチャーピングを行い、前記特定偏光成分の抽出及び前記二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を光電変換するものである。
【００３３】
本発明の第２の態様によるテラヘルツパルス光計測方法は、前記第１の態様において、前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うものである。ここで、二次的なチャーピングを一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うとは、一次的なチャーピングにより短長波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅れている場合には、短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に更に遅らせることにより二次的なチャーピングを行い、一次的なチャーピングにより長波長成分ほど短波長成分に比べて時間的に遅れている場合には、長波長成分ほど短波長成分に比べて時間的に更に遅らせることにより二次的なチャーピングを行うことをいう。この点は、後述する第６及び第９の態様についても同様である。
【００３４】
本発明の第３の態様によるテラヘルツパルス光計測方法は、前記第１又は第２の態様において、前記二次的なチャーピングを、光ファイバを用いて行うものである。
【００３５】
本発明の第４の態様によるテラヘルツパルス光計測方法は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記電気光学結晶に導かれる前記テラヘルツパルス光は、対象物体を透過又は反射したものである。
【００３６】
本発明の第５の態様によ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対象物体に照射するテラヘルツパルス光照射部と、前記対象物体を透過又は反射したテラヘルツパルス光を受光する電気光学結晶と、一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶に照射するプローブパルス光照射部と、前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光から特定偏光成分を抽出する検光部と、偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記検光部によって特定偏光成分を抽出する前又は後に二次的にチャーピングを行うチャーピング部と、前記検光部による特定偏光成分の抽出及び前記チャーピング部による二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を、光電変換する光電変換部と、を備えたものである。
【００３７】
本発明の第６の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第５の態様において、前記チャーピング部は、前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うものである。
【００３８】
本発明の第７の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第５又は第６の態様において、前記チャーピング部は、光ファイバを含むものである。
【００３９】
本発明の第８の態様によ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対象物体の２次元領域に一括照射するテラヘルツパルス光照射部と、前記対象物体の前記２次元領域を透過又は反射したテラヘルツパルス光を、前記対象物体の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する電気光学結晶と、一次的にチャーピングされかつ前記テラヘルツパルス光と同期したプローブパルス光を、前記電気光学結晶の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部と、前記電気光学結晶を通過して前記テラヘルツパルス光により偏光状態が変調された前記プローブパルス光から特定偏光成分を抽出する検光部と、偏光状態が変調された前記プローブパルス光に対して、そのパルス幅が拡大するように、前記検光部によって特定偏光成分を抽出する前又は後に、前記電気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ二次的にチャーピングを行うチャーピング部と、前記検光部による特定偏光成分の抽出及び前記チャーピング部による二次的なチャーピングの後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ光電変換する光電変換部と、を備えたものである。
【００４０】
本発明の第９の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第８の態様において、前記チャーピング部は、前記二次的なチャーピングを、前記一次的なチャーピングと同符号の群速度分散により行うものである。
【００４１】
本発明の第１０の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第８又は第９の態様において、記チャーピング部は、光ファイバ束を含むものである。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるテラヘルツパルス光計測方法及び装置について、図面を参照して説明する。
【００４３】
図１は、本発明の一実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、図１に示す計測装置において用いられているパルス伸長器６２を示す概略斜視図である。なお、図２は、ほぼ図１における紙面奥側から手前側を見たものとして示しているが、図面表記の便宜上、図２におけるピックアップ用平面鏡７５の傾きは図１におけるピックアップ用平面鏡７５の傾きとは一致させていない。また、図２において、光の様子はその中心のみを示し、光の発散及び収束は無視して示している。
【００４４】
本実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置では、レーザ装置等からなるフェムト秒パルス光源５１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ５１が、平面反射鏡５２を経た後に、ビームスプリッタ５３で２つのパルス光Ｌ５２，Ｌ５３に分割される。フェムト秒パルス光源５１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ５１の繰り返し周期は、例えば、１ｋＨｚ程度とされる。本発明では、前記従来のポンプ−プローブ法とは異なり、本質的にフェムト秒パルス光Ｌ５１は単一パルスのみでもよいが、試料１００が動くものであったり試料１００を動かして観察したりする場合などに、いわば動画を得るように、経時的に連続して試料１００を観察するためには、フェムト秒パルス光Ｌ５１は繰り返しパルスであることが好ましい。
【００４５】
ビームスプリッタ５３で分割された一方のパルス光Ｌ５２は、テラヘルツ光発生器としての大口径光伝導アンテナ５６を励起してテラヘルツパルス光を発生させるためのポンプパルス光（励起パルス光）となる。大口径光伝導アンテナ５６に代えて、ダイポールアンテナ等を用いた光導電アンテナや電気光学結晶などの他のテラヘルツ光発生器を用いてもよいことは、言うまでもない。ポンプパルス光Ｌ５２は、ビームエキスパンダ５４でその断面が拡張された後、平面反射鏡５５を経て、大口径光伝導アンテナ５６へ導かれる。大口径光伝導アンテナ５６の電極間には、バイアス電源５７からバイアス電圧が印加されている。その結果、大口径光伝導アンテナ５６からテラヘルツパルス光Ｌ５４が放射され、このテラヘルツパルス光Ｌ５４が測定対象物体としての試料１００の２次元領域を一括照射する。
【００４６】
このように、本実施の形態では、フェムト秒パルス光源５１、平面反射鏡５２、ビームスプリッタ５３、ビームエキスパンダ５４、平面反射鏡５５及び大口径光伝導アンテナ５６が、テラヘルツパルス光Ｌ５４を試料１００の２次元領域に一括照射するテラヘルツパルス光照射部を構成している。
【００４７】
試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５５は、結像光学系を構成するレンズ５８，５９を経てビームスプリッタ６０を透過した後に、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶６１に入射する。本実施の形態では、レンズ５８，５９の焦点距離は共にｆであり、前段のレンズ５８は試料１００から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置され、後段のレンズ５９は電気光学結晶６１から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置されている。したがって、レンズ５８，５９によって、試料１００を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５５による試料１００の２次元領域の像が、電気光学結晶６１の対応する２次元領域に結像される。このように、本実施の形態では、電気光学結晶６１は、試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５５を、試料１００の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光する。もっとも、本発明では、電気光学結晶６１が、試料１００の２次元領域で反射されたテラヘルツパルス光を、試料１００の前記２次元領域に対応する２次元領域で一括受光するように、構成してもよい。
【００４８】
ビームスプリッタ５３で分割された他方のパルス光Ｌ５３は、テラヘルツパルス光Ｌ５５を検出するためのプローブパルス光となる。このプローブパルス光Ｌ５３は、これをチャーピングするチャーピング部としてのパルス伸長器６２により、一次的にチャーピングされる。
【００４９】
本実施の形態では、パルス伸長器６２は、チャープパルス増幅を行うレーザ装置において用いられているパルス伸長器と同様に構成され、入射したプローブパルス光Ｌ５３に含まれる短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅らせるように構成されている。具体的には、パルス伸長器６２は、図１及び図２に示すように、再帰反射器（Ｒｅｔｒｏ−ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）７１と、反射型回折格子７２と、凹面鏡７３と、平面反射鏡７４と、ピックアップ用平面鏡７５とから構成されている。パルス伸長器６２に入射して再帰反射器７１を通過した細い線状のプローブパルス光Ｌ５３は、回折格子７２（これ以降は発散光となる。）→凹面鏡７３→平面鏡７４→凹面鏡７３→回折格子７２（これ以降は平行光となる。）→再帰反射器７１→回折格子７２（これ以降は収束光となる。）→凹面鏡７３→平面鏡７４→凹面鏡７３→回折格子７２（これ以降は細い線状の光となる。）→平面鏡７５の経路を通り、外部に射出される。なお、本発明では、一次的なチャーピングを行うチャーピング部は、前述した構成を持つパルス伸長器６２に限定されるものではない。
【００５０】
パルス伸長器６２により一次的にチャーピングされたプローブパルス光Ｌ５３は、ビームエキスパンダ６３でテラヘルツパルス光Ｌ５５の断面に応じて拡張され、偏光子６４を通過した後に直線偏光光となり、更に、ビームスプリッタ６０で反射された後に電気光学結晶６１の前記２次元領域に入射する。このように、本実施の形態では、フェムト秒パルス光源５１、平面反射鏡５２、ビームスプリッタ５３、パルス伸長器６２、ビームエキスパンダ６３、偏光子６４及びビームスプリッタ６０が、一次的にチャーピングされかつテラヘルツパルス光Ｌ５５と同期したプローブパルス光Ｌ５３を、電気光学結晶６１の前記２次元領域に一括照射するプローブパルス光照射部を構成している。
【００５１】
電気光学結晶６１に入射した直線偏光光であるプローブパルス光Ｌ５３は、電気光学結晶６１の前記２次元領域を透過する。その透過光の各波長成分の偏光状態は、テラヘルツパルス光Ｌ５５により生じた電気光学結晶６１の複屈折変化（すなわち、テラヘルツパルス光Ｌ５５の電場強度変化）に応じて、楕円偏光に変化する。このとき、テラヘルツパルス光Ｌ５５の単一パルスにおける各時点での電場強度の情報は、直線偏光からの差としてプローブパルス光の各波長成分の偏光状態が担っている。すなわち、プローブパルス光Ｌ５３の各波長成分は、電気光学結晶６１を通過して、テラヘルツパルス光Ｌ５５により、偏光状態が変調される。
【００５２】
電気光学結晶６１を透過したプローブパルス光Ｌ５３は、検光子６５で特定偏光成分のみ抽出された後に、チャーピング部としての光ファイバ束６６によって、そのパルス幅が拡大するように、電気光学結晶６１の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ二次的にチャーピングされる。光ファイバ束６６の各光ファイバの入力端６６ａは、電気光学結晶６１の前記２次元領域に対応する２次元領域に分布するように配置されている。本実施の形態では、光ファイバ束６６の各光ファイバとして、パルス伸長器６２による一次的なチャーピングと同符号の群速度分散によりチャーピングを行うものが用いられている。すなわち、光ファイバ束６６の各光ファイバとして、短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅らせる分散特性（正方向の分散特性）を持つ光ファイバが用いられている。正方向の分散特性を持つ光ファイバは一般的なものである。本実施の形態では、このような一般的な光ファイバを用いるとともに一次及び二次のチャーピングの群速度分散の符号を同符号にするために、パルス伸長器６２を、短波長成分ほど長波長成分に比べて時間的に遅らせるように構成している。もっとも、光ファイバ束６６の各光ファイバとして、負方向の分散特性を持つ光ファイバを用いてもよい。また、本実施の形態のように、一次及び二次のチャーピングの群速度分散の符号が同一符号であれば、光ファイバ束６６の長さを比較的短くしつつ所望のパルス幅（後述する光電変換部で光の強度の時間変化が測定可能なパルス幅）を得ることができるが、一次及び二次のチャーピングの群速度分散の符号が逆符号であっても、光ファイバ束６６の長さを十分に長くすれば、所望のパルス幅を得ることは可能である。なお、本発明では、二次的なチャーピングを行うチャーピング部は、前記光ファイバ束６６に限定されるものではない。
【００５３】
光ファイバ束６６によりそれぞれ二次的にチャーピングされたプローブパルス光Ｌ５３は、光電変換部としての１次元又は２次元のフォトダイオードアレイ（マルチチャンネル光検出器）等の光電変換素子アレイ６７により、電気光学結晶６１の前記２次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ光電変換される。なお、光電変換素子アレイ６７の各光電変換素子の受光部には、光ファイバ束６６の各光ファイバの射出端が対向配置されている。
【００５４】
光電変換素子アレイ６７の各光電変換素子から時間経過に従って得られる出力信号の時間変化は、信号処理回路及びパーソナルコンピュータ等からなる処理部６８に時系列波形データとして取り込まれる。処理部６８は、取り込んだ前記２次元領域の各部位にそれぞれ対応する時系列波形をＣＲＴ等の表示部６９にそのまま表示させたり、必要に応じて、各部位にそれぞれ対応する時系列波形をフーリエ変換して各部位毎に分光情報（各周波数成分ごとの強度）を得て、これらを表示部６９に表示させたりする。なお、例えば、各光電変換素子にそれぞれ対応してメモリを用意することにより、コンピュータの転送速度を無視した高速な測定することも可能である。
【００５５】
ここで、本実施の形態における各部でのプローブパルス光Ｌ５３の様子の一例を、図３及び図４に模式的に示す。図３（ａ）は、パルス伸長器６２へ入射する前のプローブパルス光Ｌ５３を示す波形図である。図３（ｂ）は、パルス伸長器６２により一次的にチャーピングされた後でかつ光ファイバ束６６へ入射する前のプローブパルス光Ｌ５３を示す波形図である。図４（ａ）は、図３（ｂ）に示すプローブパルス光Ｌ５３に含まれる最も波長の短い短波長成分と最も波長の長い長波長成分を示す波形図である。図３（ｃ）は、光ファイバ束６６により二次的にチャーピングされた後のプローブパルス光Ｌ５３を示す波形図である。図４（ｂ）は、図３（ｃ）に示すプローブパルス光Ｌ５３に含まれる最も波長の短い短波長成分と最も波長の長い長波長成分を示す波形図である。なお、図３（ｃ）及び図４（ｂ）では、テラヘルツパルス光Ｌ５５による変調を無視して示している。
【００５６】
図３及び図４に示す例では、フェムト秒パルス光源５１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ５１（したがって、パルス伸長器６２へ入射する際のプローブパルス光Ｌ５３）のパルス幅は、図３（ａ）に示すように１００ｆｓ程度である。観測しようとするテラヘルツパルス光Ｌ５５の時間領域が１０ｐｓ程度である場合には、図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すように、パルス伸長器６２により、プローブパルス光Ｌ５３を１０ｐｓ程度に拡げればよい。例えば、観察しようとするテラヘルツパルス光Ｌ５５の周波数が２ＴＨｚ以下である場合、現在、光電変換素子ではＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードで遮断周波数が２ＧＨｚのものがあり、デジタルロックインアンプで帯域が２ＧＨｚでサンプリングが１６Ｇｓ／ｓｅｃのものがあるので、これらを用いるときには、図３（ｃ）及び図４（ｂ）に示すように、光ファイバ束６６により、プローブパルス光Ｌ５３を１０ｎｓ程度に拡げればよい。例えば、光ファイバ束６６として、波長８００ｎｍで１５９０ｆｓ２／ｃｍの分散を持つ光ファイバを用いれば、その長さを２ｋｍとすることで、１０ｎｓ以上にプローブパルス光Ｌ５３を拡げることができる。一般的には、光ファイバ束６６の長さは、１ｋｍ以上であることが好ましく、２ｋｍ以上であることがより好ましい。
【００５７】
本実施の形態によれば、前述したように、テラヘルツパルス光Ｌ５４が試料１００の２次元領域に一括照射され、試料１００の２次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ５５が、電気光学結晶６１の対応する２次元領域で一括受光され、一次的にチャーピングされかつテラヘルツパルス光Ｌ５５と同期したプローブパルス光Ｌ５３が電気光学結晶６１の前記２次元領域に一括照射される。このため、プローブパルス光の各波長成分は、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、テラヘルツパルス光Ｌ５５の単一パルスにおける各時点での電場強度により偏光状態が変調され、プローブパルス光の特定偏光成分の各波長成分の強度は、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、テラヘルツパルス光Ｌ５５の単一パルスにおける各時点での電場強度を示すことになる。　そして、特定偏光成分を抽出したプローブパルス光の各波長成分は、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、光ファイバ束６６によりそれぞれ二次的にチャーピングされ、光の強度の時間変化が測定可能なパルス幅にそれぞれ拡げられ、この二次的にチャーピングされたプローブパルス光Ｌ５３が、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、光電変換素子アレイ６７の各光電変換素子により、光電変換される。
【００５８】
したがって、特定偏光成分を抽出したプローブパルス光Ｌ５３の各波長成分の強度に応じた出力信号（電気信号）が、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、時間変化に従って各光電変換素子から得られる。すなわち、テラヘルツパルス光Ｌ５５の電場強度の時系列波形が、電気光学結晶６１の２次元領域の各部位に対応するもの毎に、各光電変換素子からの出力信号の時間変化（出力信号の時系列波形）に変換されることになる。
【００５９】
このため、本実施の形態によれば、試料１００の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測（テラヘルツパルス光の単一パルスの時系列波形の計測）を行うことができる。また、本実施の形態によれば、従来のチャーピング計測手法とは異なり、分光器を用いてテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を空間的な位置系列波形に変換するのではなく、光ファイバ束６６を用いて二次的なチャーピングを行うことによりテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形を光電変換素子からの出力信号の時系列波形に変換しているので、従来のチャーピング計測手法で必要であった分光器が不要となる。
【００６０】
図１に示すテラヘルツパルス光計測装置では、前述したように、フェムト秒パルス光源５１とは別に、一次的なチャーピングのためのパルス伸長器６２が設けられている。しかしながら、フェムト秒パルス光源５１は、通常はチャープパルス増幅を行うレーザ装置で構成されるので、パルス伸長器６２を特別に設けることなく、当該レーザ装置の構成を利用して、ポンプパルス光Ｌ５２及び一次的にチャーピングされたプローブパルス光Ｌ５３を取り出すことが好ましい。その一例を図５に示す。
【００６１】
図５に示す例では、フェムト秒パルス光源５１は、チャープパルス増幅を行うレーザ装置として構成されており、周知のように、シードパルスを発生するシードレーザ８１と、シードレーザ８１からのシードパルスをチャーピングして伸長するパルス伸長器８２（これは、例えば、図２に示すパルス伸長器６２と同様の構成を持つ。）と、パルス伸長器８２によりチャーピングされたパルスを増幅する再生増幅器８３と、再生増幅器８３により増幅されたパルスを圧縮するパルス圧縮器８４と、を有している。なお、図５において、ポンプ光源等の図示は省略している。そして、図５に示す例では、再生増幅器８３の出力パルスをビームスプリッタ８５で分割し、分割された一方のパルスをパルス圧縮器８４で圧縮してポンプパルス光Ｌ５２として取り出し、分割された他方のパルスをパルス圧縮器８４で圧縮することなく一次的にチャーピングされたポンプパルス光Ｌ５３として取り出している。このような構成を採用すると、図１に示す計測装置に比べて、より構成が簡単となり、コスト低減を図ることができる。
【００６２】
以上、本発明の実施の形態及びその変形例について説明したが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００６３】
例えば、前述した実施の形態は、試料１００の２次元領域の各部位についてテラヘルツパルス光の時系列波形を計測する計測装置の例であるが、本発明は、試料１００の一点についてのみテラヘルツパルス光の時系列波形を計測する場合にも適用することができる。この場合には、試料１００の一点について、分光器を要することなく、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができる
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、分光器を要することなく、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測方法及び装置を提供することができる。
【００６５】
また、本発明によれば、対象物体の２次元領域の各部位の全体に渡るテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができるテラヘルツパルス光計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態によるテラヘルツパルス光計測装置を模式的に示す概略構成図である。
【図２】図１に示す計測装置において用いられているパルス伸長器を示す模式的に概略斜視図である。
【図３】図１に示すテラヘルツパルス光計測装置における各部でのプローブパルス光の様子の一例を示す図である。
【図４】図１に示すテラヘルツパルス光計測装置における各部でのプローブパルス光の様子の一例を示す他の図である。
【図５】図１に示すテラヘルツパルス光計測装置の変形例の要部を模式的に示す概略構成図である。
【図６】従来のテラヘルツパルス光計測装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
【図７】従来のテラヘルツパルス光計測装置の他の例を模式的に示す概略構成図である。
【符号の説明】
５１　フェムト秒パルス光源
５４，６３　ビームエキスパンダ
５６　大口径光伝導アンテナ（テラヘルツ光発生器）
６１　電気光学結晶
６２　パルス伸長器（一次的なチャーピング部）
６４　偏光子
６５　検光子
６６　光ファイバ束（二次的なチャーピング部）
６７　光電変換素子アレイ（光電変換部）
１００　試料（対象物体）
【図１】
2004020352.tif 000003
【図２】
2004020352.tif 000004
【図３】
2004020352.tif 000005
【図４】
2004020352.tif 000006
【図５】
2004020352.tif 000007
【図６】
2004020352.tif 000008
【図７】
2004020352.tif 000009