(57)【要約】【課題】対象物体の１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７９で発生したテラヘルツパルス光は、放物柱面鏡８２を経て、試料１００の１次元領域に一括照射される。その透過パルス光Ｌ７５を電気光学結晶６１の１次元領域が一括受光する。チャーピングされかつパルス光Ｌ７５と同期したプローブパルス光が、結晶８６の１次元領域に一括照射される。検光子９３は、結晶９３を通過してパルス光Ｌ７５により偏光状態が変化したプローブパルス光の特定偏光成分を抽出する。複数の分光器９５は、特定偏光成分の抽出の後のプローブパルス光を、結晶８６の１次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る。【選択図】　　　　図１
2004085359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツパルス光を対象物体の１次元領域に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１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一次元状領域に対応する１次元領域で一括受光する電気光学結晶又は磁気光学結晶と、
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、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域に照射するプローブパルス光照射部と、
前記電気光学結晶又は前記磁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化し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、
前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る分光計測部と、
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２】
前記テラヘルツパルス光照射部によりテラヘルツパルス光が一括照射される前記対象物体の前記１次元領域を、前記対象物体に対して相対的に前記対象物体の前記１次元領域と交差する方向に連続的に走査させる走査部を、備えた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装置。
【請求項３】
前記走査部が、前記対象物体を移動させる移動機構であることを特徴とする請求項２記載のテラヘルツパルス光計測装置。
【請求項４】
前記テラヘルツパルス光照射部は、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性又は拡散特性を持つ１つ以上の光学素子を、含む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装置。
【請求項５】
前記テラヘルツパルス光照射部はテラヘルツ光発生素子を含み、
前記テラヘルツ光発生素子は、光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電部とを有し、
前記２つの導電部の少なくとも一部同士が、前記所定の面に沿った方向に３ｍｍ以下の間隔をあけるように配置され、
前記２つの導電部における前記間隔をあけて対向する部分の長さが、１ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至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】
前記プローブパルス光照射部は、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性又は拡散特性を持つ１つ以上の光学素子を、含むことを特徴とする請求項１乃至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】
前記分光計測部は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系、及び、該分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを有する１つ以上の分光器を、含むことを特徴とする請求項１乃至６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８】
前記分光計測部は、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域の前記各部位に対応するもの毎に、前記１つ以上の分光器の前記複数の入射位置に導く光ファイバ束を、含むことを特徴とする請求項７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０．０１ＴＨｚ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。
【０００５】
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。
【０００６】
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１次元領域又は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。
【０００７】
前述したポンプ−プローブ法に対し、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）。図１０は、このチャーピング計測手法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り、前記論文に掲載された図と同様である。
【０００８】
図１０に示す計測装置では、レーザ装置５１からのパルス光Ｌ５１がビームスプリッタ５２で２つのパルス光Ｌ５２，Ｌ５３に分割され、一方のパルス光Ｌ５２がポンプパルス光として用いられる。ポンプパルス光Ｌ５２は、ミラー５３〜５５を経由して、ダイポールアンテナなどの光伝導アンテナ５６に照射される。その結果、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、レンズ５７を経てビームスプリッタ５８を透過した後に、ＺｎＴｅ等の電気光学結晶５９の一点に集光される。なお、ミラー５４，５５は、図１０中の矢印Ｃ方向へ移動可能な可動鏡となっているが、これはポンプ−プローブ法を実現するためのものではなく、テラヘルツパルス光とプローブパルス光とを適切に同期させるために調整できるようにするためのものである。
【０００９】
ビームスプリッタ５２で分割された他方のパルス光Ｌ５３は、テラヘルツパルス光Ｌ５４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、ハーフミラー６０を透過した後、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６１により、チャーピングされる。パルス伸長器６１は、図１０に示すように、一対の回折格子６２，６３と、平面反射鏡６４とから構成されている。ハーフミラー６０を透過したプローブパルス光は、回折格子６２で分散された後、回折格子６３で反射されることにより各波長の光が平行光線となり、これらの平行光線が平面反射鏡６４で反射された後に、逆の経路を経てチャーピングされた光となって、ハーフミラー６０に戻り、ハーフミラー６０で反射される。図１０からわかるように、図１０中の上側の光路Ｐ１を通って平面反射鏡６４で反射される光の光路は、図１０中の下側の光路Ｐ２を通る光の光路に比べて短くなる。そして、上側の光路Ｐ１を通る光の波長は、下側の光路Ｐ２を通る光の波長に比べて短い。したがって、プローブパルス光は、回折格子６２，６３を通り、平面反射鏡６４で反射され、再び回折格子６３，６２を通った後には、時間的に早い側が波長の短い成分で時間的に遅い側が波長の長い成分となる広がったパルス（チャーピングされたパルス）となる。なお、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。
【００１０】
ここで、パルス伸長器６１によるチャーピング前のプローブパルス光Ｌ５３の波形を図１１（ａ）に模式的に示し、チャーピング後のプローブパルス光の波形を図１１（ｂ）に模式的に示す。この例では、チャーピング前に２００ｆｓであったパルス幅が、チャーピング後に３０ｐｓに広がっている。
【００１１】
パルス伸長器６１によりチャーピングされたプローブパルス光は、ハーフミラー６０で反射された後に、偏光子６５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５８で反射された後に、細い線状の光束のまま電気光学結晶５９の前記一点に照射される。このプローブパルス光は、テラヘルツ光と重なって電気光学結晶５９を通過するため、プローブパルス光内の波長の短い成分の光の偏光状態はテラヘルツ光の時間的に早い成分に影響されて変化し、波長の長い成分の光の偏光状態はテラヘルツ光の時間的に遅い成分に影響されて変化する。
【００１２】
そして、電気光学結晶５９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化された前記プローブパルス光の特定偏光成分が、検光子６６により抽出される。この抽出された偏光成分のプローブパルス光が、回折格子６７で分光され、更にレンズ６８を透過する。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が、それぞれ光電変換素子アレイ（１次元センサ）６９の各々の光電変換素子（光検出素子）で電気信号に変換される。回折格子６７、レンズ６８及び光電変換素子アレイ６９により、分光器７０が構成されている。
【００１３】
図１０に示す計測装置では、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５９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化され、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。ただし、テラヘルツパルス光が入射している際に得られた光電変換素子アレイ６９の信号から、テラヘルツパルス光が入射していないときにプローブパルス光のみにより得た光電変換素子アレイ６９の信号をそれぞれ差し引いたものが、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に相当する。
【００１４】
したがって、図１０に示す計測装置によれば、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。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の計測装置では、ポンプ−プローブ法によるものであるため、試料の１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）を行うことができない。
【００１６】
また、図１０に示す計測装置では、テラヘルツパルス光を電気光学結晶５９の一点に集光し、プローブパルス光を電気光学結晶５９の前記一点に照射しているので、一点のみについてしか、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ない。試料の１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、試料を１次元に移動させて走査させなければならない。このように試料を走査させると、試料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、試料の１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）を行うことができない。
【００１７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、対象物体の１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又は磁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。
【００１８】
また、本発明は、１つ以上の対象物体の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又は磁場強度の時系列波形の計測を、短い時間で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。
【００１９】
【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装置は、テラヘルツパルス光を対象物体の１次元領域に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１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一次元状領域に対応する１次元領域で一括受光する電気光学結晶又は磁気光学結晶と、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、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域に照射するプローブパルス光照射部と、前記電気光学結晶又は前記磁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化し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、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得る分光計測部と、を備えたものである。
【００２０】
本発明の第２の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第１の態様において、前記テラヘルツパルス光照射部によりテラヘルツパルス光が一括照射される前記対象物体の前記１次元領域を、前記対象物体に対して相対的に前記対象物体の前記１次元領域と交差する方向に連続的に走査させる走査部を、備えたものである。
【００２１】
本発明の第３の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第２の態様において、前記走査部が、前記対象物体を移動させる移動機構であるものである。
【００２２】
本発明の第４の態様によるテラヘルツパルス光計測装置は、前記第１乃至第３のいずれかの態様において、前記テラヘルツパルス光照射部は、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性又は拡散特性を持つ１つ以上の光学素子を、含むものである。
【００２３】
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、前記第１乃至第４のいずれかの態様において、前記テラヘルツパルス光照射部はテラヘルツ光発生素子を含み、前記テラヘルツ光発生素子は、光伝導部と、該光伝導部の所定の面上に形成され互いに分離された２つの導電部とを有し、前記２つの導電部の少なくとも一部同士が、前記所定の面に沿った方向に３ｍｍ以下の間隔をあけるように配置され、前記２つの導電部における前記間隔をあけて対向する部分の長さが、１ｃｍ以上であるものである。
【００２４】
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１乃至第５のいずれかの態様において、前記プローブパルス光照射部は、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性又は拡散特性を持つ１つ以上の光学素子を、含むものである。
【００２５】
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１乃至第６のいずれかの態様において、前記分光計測部は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系、及び、該分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを有する１つ以上の分光器を、含むものである。
【００２６】
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、前記第７の態様において、前記分光計測部は、前記検光部による特定偏光成分の抽出の後の前記プローブパルス光を、前記電気光学結晶又は前記磁気光学結晶の前記１次元領域の前記各部位に対応するもの毎に、前記１つ以上の分光器の前記複数の入射位置に導く光ファイバ束を、含むものである。
【００２７】
【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装置について、図面を参照して説明する。
【００２８】
［第１の実施の形態］
【００２９】
図１は、本発明の第１の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放物柱面鏡８２を示す概略斜視図である。図３は、図１に示す計測装置において用いられているビーム整形光学系８９を示す概略斜視図である。図４は、図１に示す計測装置において用いられている光ファイバ９４の入射端の配列を示す概略平面図であり、図１中のＤ−Ｄ’矢視図に相当している。図５は、図１に示す計測装置において用いられている分光器９５を示す概略構成図である。図６は、図５中のＥ−Ｅ’矢視図である。図７は、図５に示す分光器９５において用いられている２次元ＣＣＤ１０６の受光面の様子を模式的に示す図であり、図５中のＦ−Ｆ’矢視図に相当している。なお、説明の便宜上、図１乃至図４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。
【００３０】
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７１から放射されたフェムト秒パルス光Ｌ７１が、平面反射鏡７２を経た後に、ビームスプリッタ７３で２つのパルス光Ｌ７２，Ｌ７３に分割される。フェムト秒パルス光源７１から放射されるフェムト秒パルス光Ｌ７１の繰り返し周期は、例えば、１ｋＨｚ程度とされる。
【００３１】
ビームスプリッタ７３で分割された一方のパルス光Ｌ７２は、テラヘルツ光発生器としての大口径光伝導アンテナ７９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。ポンプパルス光Ｌ７２は、２枚の球面レンズからなるビームエキスパンダ７４でその円形断面が円形のまま拡張された後、平面反射鏡７５，７６、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７７、及び平面反射鏡７８を経て、大口径光伝導アンテナ７９へ導かれる。大口径光伝導アンテナ７９の電極間には、バイアス電源８０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７９からテラヘルツパルス光Ｌ７４が放射される。なお、可動鏡７７は、移動機構８１により矢印Ｇ方向に移動可能となっているが、これはポンプ−プローブ法を実現するためのものではなく、テラヘルツパルス光とプローブパルス光とを適切に同期させるために調整できるようにするためのものである。
【００３２】
大口径光伝導アンテナ７９から発生したテラヘルツパルス光Ｌ７４は、図１及び図２に示すように、１軸方向のみを集光させる光学系を構成する放物柱面鏡（放物柱面（準線が放物線である柱面）の反射面を持つ鏡）８２により、Ｚ軸と平行な線上に集光され、この線上を含むように配置された測定対象物体としての試料１００のＺ軸方向に延びた１次元領域を一括照射する。放物柱面鏡８２は、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性を持つ光学素子の一つである。試料１００は、移動機構８３によって、図１中の矢印Ｈで示すように、Ｘ軸方向に移動可能となっている。本実施の形態では、移動機構８３が、テラヘルツパルス光が一括照射される試料１００の１次元領域を、試料１００に対して相対的に試料１００の前記１次元領域と交差する方向に連続的に走査させる走査部を構成している。もっとも、このような走査部は、試料１００を移動させる移動機構に限定されるものではない。
【００３３】
以上の説明からわかるように、本実施の形態では、前述した要素７１〜７９，８２が、テラヘルツパルス光Ｌ７４を試料１００の１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。
【００３４】
なお、大口径光伝導アンテナ７９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。ただし、そのテラヘルツ光発生器が点光源である場合には、放物柱面鏡８２の手前に、テラヘルツパルス光を平行光にするための光学系を設ける。
【００３５】
試料１００の１次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ７５は、１軸方向のみを集光させる光学系を構成する楕円柱面鏡（楕円柱面（準線が楕円である柱面）の反射面を持つ鏡）８４を経て、ビームスプリッタ８５を透過した後に、イメージングプレートとしてのＺｎＴｅ等の電気光学結晶８６に入射する。テラヘルツパルス光Ｌ７５は、楕円柱面鏡８４によって、電気光学結晶８６のＺ軸方向に延びる１次元領域に集光される。このように、本実施の形態では、電気光学結晶８６は、試料１００の１次元領域を透過したテラヘルツパルス光Ｌ７５を、試料１００の前記１次元領域に対応する１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８６が、試料１００の１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１次元領域に対応する１次元領域で一括受光するように、構成してもよい。
【００３６】
ビームスプリッタ７３で分割された他方のパルス光Ｌ７３は、テラヘルツパルス光Ｌ７５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Ｌ７３は、平面鏡８７からＺ方向に若干ずれた位置を通過した後、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８８により、チャーピングされる。パルス伸長器８８は、図１０中のパルス伸長器６１と同一の構成を有しているので、パルス伸長器８８の構成要素にもパルス伸長器６１の構成要素と同一符号を付し、その説明は省略する。
【００３７】
パルス伸長器８８によりチャーピングされたプローブパルス光は、平面鏡８７で反射された後に、ビーム整形光学系８９により、Ｚ軸方向に延びた１次元状の断面を持つ平行光束に整形されて、電気光学結晶８６上でテラヘルツパルス光Ｌ７５と重なるように調整される。本実施の形態では、ビーム整形光学系８９は、Ｚ軸方向にのみ拡散特性を持つシリンドリカルレンズ９０と、Ｚ軸方向にのみ集光特性を持つシリンドリカルレンズ９１とから構成されている。シリンドリカルレンズ９０，９１はそれぞれ、光軸と直交する一軸方向に対してのみ集光特性又は拡散特性を持つ光学素子の一つである。
【００３８】
ビーム整形光学系８９により整形されたプローブパルス光は、図１に示すように、偏光子９２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８５で反射された後に、断面がＺ軸方向に１次元状に延びた平行光束のまま、電気光学結晶８６の前記１次元領域に入射する。このように、本実施の形態では、前述した要素７１〜７３，８７〜８９，９２，８５が、チャーピングされかつテラヘルツパルス光Ｌ７５と同期したプローブパルス光を、電気光学結晶８６の前記１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。
【００３９】
電気光学結晶８６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８６の前記１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Ｌ７５により生じた電気光学結晶８６の複屈折変化（すなわち、テラヘルツパルス光Ｌ７５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Ｌ７５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、プローブパルス光の各波長成分は、電気光学結晶８６を通過して、テラヘルツパルス光Ｌ７５により、偏光状態が変化する。
【００４０】
電気光学結晶８６を透過したプローブパルス光は、検光子９３で特定偏光成分のみ抽出された後に、分光計測部に入射される。この分光計測部は、検光子９３による特定偏光成分の抽出の後のプローブパルス光を、電気光学結晶８６の前記１次元領域の各部位に対応するもの毎に、それぞれ分光して各波長成分毎の強度を得るものである。本実施の形態では、この分光計測部は、複数の分光器９５と、これらの分光器９５に、各部位に対応するプローブパルス光を導く多数の光ファイバ９４からなる光ファイバ束と、から構成されている。
【００４１】
各光ファイバ９４の入射端は、図４に示すように、電気光学結晶８６の前記１次元領域に対応する１次元領域に分布するように配置されている。各分光器９５は、図５に示すように、入射スリット１０１ａを有する入口スリット板１０１と、平面反射鏡１０２と、コリメイトミラー１０３と、回折格子１０４と、フォーカスミラー１０５と、２次元センサとしての２次元ＣＣＤ１０６とから構成されている。全ての光ファイバ９４のうちの複数本ずつの光ファイバ９４の射出端が、各分光器９５の入射スリット１０１ａの付近にこれに対面するように、一列に配置されている。図５及び図６に示す例では、全ての光ファイバ９４のうちの５本の光ファイバ９４ａ〜９４ｅの射出端が一列に配置されている。
【００４２】
各光ファイバ９４ａ〜９４ｅから入射した各入射光は、平面反射鏡１０２で反射された後に、コリメイトミラー１０３により収束されて回折格子１０４に入射し、個々の波長の光に図５中の横方向に分散され、フォーカスミラー１０５を経て２次元ＣＣＤ１０６の受光面上に照射される。図７において、ＣＣＤ１０６の受光面上の帯状領域１０６ａは、光ファイバ９４ａから入射した光の分光後の各波長の光が入射し得る領域を示している。帯状領域１０６ａにおいて、図７中の左側の位置ほど分光後の波長の長い光が入射し、右側の位置ほど分光後の波長の短い波長の光が入射するようになっている。同様に、帯状領域１０６ｂ〜１０６ｅは、光ファイバ９４ｂ〜９４ｅからそれぞれ入射した光の分光後の各波長の光が入射し得る領域をそれぞれ示している。コリメイトミラー１０３及びフォーカスミラー１０５としてそれぞれトロイダルミラーが用いられ、図７に示すように、各光ファイバ９４ａ〜９４ｅから入射した各入射光が図７中の縦方向に重なることなく、各入射光が空間的に分離した状態で同時に分光されるようになっている。
【００４３】
以上の説明からわかるように、前記要素１０１〜１０５は、互いに異なる複数の入射位置からそれぞれ入射する２つ以上の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光する１つの分光光学系を構成している。また、２次元ＣＣＤ１０６は、この分光光学系により分光された各入射光の各波長毎の強度を検出する２次元センサを構成している。なお、以上説明した分光器９５の構成は、米国のアクトン・リサーチ社製の「ＳｐｅｃｔｒａＰｒｏ−１５０」（製品名）と称する分光器の構成と同様であり、公知である。
【００４４】
なお、１つの分光器９５を、全ての光ファイバ９４からの各入射光を空間的に分離した状態で同時に分光することができるように構成すれば、１つの分光器９５のみを用いればよい。この場合、光ファイバ９４を用いることなく、入射スリット１０１ａを、電気光学結晶８６の前記１次元領域に対応する１次元領域に位置させるようにしてもよい。
【００４５】
各光ファイバ９４からの入射光に対応していずれかの分光器９５の２次元ＣＣＤ１０６から得られた信号は、当該光ファイバ９４に対応する試料１００の前記１次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に対応している。例えば、図７中の帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号は、全体として、光ファイバ９４ａに対応する試料１００の前記１次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に対応している。ただし、テラヘルツパルス光Ｌ７５が電気光学結晶８６に入射している際に得られた帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号から、テラヘルツパルス光Ｌ７５が電気光学結晶８６に入射していないときにプローブパルス光のみにより得られた帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号をそれぞれ差し引いたものが、全体として、光ファイバ９４ａに対応する試料１００の前記１次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形に相当する。
【００４６】
そこで、本実施の形態では、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９６の内部メモリ（図示せず）には、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光してテラヘルツパルス光を発生させない状態で、光ファイバ９４ａに対応する帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を、基準信号として予め取り込んでおく。同様に、前記内部メモリには、他の各光ファイバ９４に対応する分光器９５の各帯状領域に対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を、基準信号として予め取り込んでおく。そして、処理部９６は、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光しない通常状態で、光ファイバ９４ａに対応する帯状領域１０６ａに対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を取り込み、この各画素信号から対応する基準信号を差し引くことで、光ファイバ９４ａに対応する試料１００の前記１次元状領域内の部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形データを得る。同様に、処理部９６は、ポンプパルス光Ｌ７２の光路を遮光しない通常状態で、他の各光ファイバ９４に対応する分光器９５の帯状領域に対応する２次元ＣＣＤ１０６の各画素信号を取り込み、これらの各画素信号から対応する基準信号をそれぞれ差し引くことで、他の各光ファイバ９４に対応する試料１００の前記１次元状領域内の各部位を透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形データをそれぞれ得る。
【００４７】
このようにして、処理部９６は、試料１００の１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データを、テラヘルツパルス光の単一パルスについて得ることができる。処理部９６は、試料１００の１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９７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９７に表示させたりする。
【００４８】
また、移動機構８３によって試料１００を矢印Ｈで示す方向に移動させつつ、処理部９６が、テラヘルツパルス光の各パルスについて前述した動作を行うことにより、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データを得ることができる。このとき、試料１００の１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データを、テラヘルツパルス光の単一パルスについて得ることができるので、試料１００を途中で停止させることなく連続して移動させればよい。また、処理部９６は、試料１００の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９７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９７に表示させたりすることができる。
【００４９】
もっとも、試料１００の１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データを得るだけで十分である場合には、試料１００を移動させる必要はなく、移動機構８３を取り除いてもよい。
【００５０】
本実施の形態によれば、前述したように、試料１００の１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。
【００５１】
また、本実施の形態によれば、試料１００を連続して一方向へ移動させるだけで試料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データを得ることができるので、その計測時間を大幅に短縮することができる。そして、複数の試料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データを得る場合、移動機構８３を、例えばベルトコンベアのように矢印Ｈ方向に並べた複数の試料１００を連続的に矢印Ｈ方向へ移動させるように構成すれば、試料１００の交換時間のロスが全くなくなり、複数の試料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計測を、短い時間で行うことができる。したがって、例えば、試料１００が半導体ウエハ等であり、各部位の電場強度の時系列波形に基づいて当該半導体ウエハ等の検査を行う場合、短い時間で大量の半導体ウエハ等の検査を行うことができ、極めて有益である。
【００５２】
なお、図１に示す光学配置では、複数の試料１００を矢印Ｈ方向に並べようとすると、平面鏡８７とビームスプリッタ８５との間の光路が邪魔になる。そこで、実際には、例えば光路を折り曲げるミラー等を適宜用いて、当該光路を邪魔にならない位置に配置すればよい。
【００５３】
［第２の実施の形態］
【００５４】
図８は、本発明の第２の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９は、図８に示す計測装置において用いられているテラヘルツ光発生素子１７９を示す概略斜視図である。
【００５５】
本実施の形態による計測装置が前記第１の実施の形態による計測装置と異なる所は、大口径光伝導アンテナ７９に代えてテラヘルツ光発生素子１７９が用いられている点と、ビームエキスパンダ７４に代えてビーム整形光学系１８９が用いられている点と、放物柱面鏡８２に代えて楕円柱面鏡１８２が用いられている点のみである。
【００５６】
テラヘルツ光発生素子１７９は、図９に示すように、大口径光伝導アンテナと同様に、光伝導部としての半絶縁性ＧａＡｓ等からなる基板１２１と、該基板１２１の一方の表面に形成された互いに分離された２つの導電部（電極）としての金等からなる導電膜１２２，１２３とを備えている。導電膜１２２，１２３は、基板１２１の図９中の手前側の表面に沿った方向に所定間隔ｄをあけて配置されている。なお、導電膜１２２，１２３間にバイアス電源８０からバイアス電圧が印加されている。本実施の形態では、導電膜１２２，１２３の全体同士が間隔ｄをあけている。
【００５７】
大口径光伝導アンテナでは、間隔ｄが例えば数ｍｍ乃至数ｃｍ程度とされ、導電膜１２２，１２３の長さＬは間隔ｄと大差がない程度とされ、ポンプパルス光の照射領域Ｒは、間隔ｄをほぼ直径とする円形領域とされる。これに対し、テラヘルツ光発生素子１７９では、間隔ｄが３ｍｍ以下とされ、導電膜１２２，１２３の長さＬが１ｃｍ以上とされ、ポンプパルス光の照射領域Ｒは、導電膜１２２，１２３間のほぼ全体の領域とされている。代表的には、間隔ｄは１ｍｍ程度以下で、導電膜１２２，１２３の長さＬは２ｃｍ程度とされる。テラヘルツ光発生素子１７９では、間隔ｄ、長さＬ及び照射領域Ｒをこのように設定することで、導電膜１２２，１２３を互いに近づけてＹ方向では点光源として扱えるようにしている。
【００５８】
大口径光スイッチ素子では、導電膜１２２，１２３付近は導電膜１２２，１２３からの距離に対して電場が急激に変化するため、電場が一定とみなすことができる導電膜１２２，１２３間の中心（Ｙ方向の中心）を利用していた。しかしながら、１次元の測定を行う場合、１次元の方向に垂直な方向では点光源と同じ扱いをすることができ、電場の空間依存性が均一である必要はなくなる。また、導電膜１２２，１２３付近は電場が急減に変化するため、中心付近に比べテラヘルツ光が強く放射される。以上の理由から、テラヘルツ光発生素子１７９では、導電膜１２２，１２３を互いに近づけて導電膜１２２，１２３に垂直な方向（Ｙ方向）では点光源として扱えるようにすることにより、強いテラヘルツ光を弱いバイアス電圧で得ることができるのである。
【００５９】
なお、本実施の形態では、前述したように基板１２１自体が光伝導部として用いられているが、例えば、基板１２１上に光伝導部として光伝導膜を形成し、この光伝導膜上に導電膜１２２，１２３を形成してもよい。この場合、例えば、基板１２１の材質として半絶縁性ＧａＡｓを用いるとともに、光伝導膜として低温成長ＧａＡｓを用いることができる。
【００６０】
テラヘルツ光発生素子１７９では、ポンプパルス光の照射領域Ｒは、図９に示すように、導電膜１２２，１２３間の領域に合わせてＺ方向に延びた１次元状の領域とすることが、好ましい。そこで、本実施の形態では、このような照射領域Ｒを実現するために、ビームエキスパンダ７４に代えて、図３中のシリンドリカルレンズ９０に相当するシリンドリカルレンズ１７５と、図３中のシリンドリカルレンズ９１に相当するシリンドリカルレンズ１７６とからなるビーム整形光学系１７４が用いられている。
【００６１】
また、テラヘルツ光発生素子１７９は、Ｙ方向に対しては点光源として扱えるものであるため、テラヘルツ光発生素子１７９で発生したテラヘルツパルス光を集光するために、楕円柱面鏡１８２が用いられている。
【００６２】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の利点が得られる他に、前述したように、テラヘルツ光発生素子１７９を用いることにより、強いテラヘルツ光を弱いバイアス電圧で得ることができるという利点が得られる。
【００６３】
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００６４】
例えば、前述した各実施の形態において、電気光学結晶８６に代えて磁気光学結晶を用いてもよい。この場合には、テラヘルツパルス光の電場強度の時系列波形ではなく、テラヘルツパルス光の磁場強度の時系列波形が得られることになる。
【００６５】
また、前述した各実施の形態において、複数の分光器９５に代えて、図１０中の分光器７０と同じ分光器を光ファイバ９４と同数設けてもよい。ただし、この場合には、前述した実施の形態に比べて、分光器の数が増大し、装置が大型化するとともにコストが増大してしまうため、前述した各実施の形態のように、複数の入射光を空間的に分離した状態で同時に分光し得る分光器９５を用いることが好ましい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、対象物体の１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又は磁場強度の時系列波形の実時間計測を行うことができる。
【００６７】
また、本発明によれば、１つ以上の対象物体の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又は磁場強度の時系列波形の計測を、短い時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の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放物柱面鏡を示す概略斜視図である。
【図３】図１に示す計測装置において用いられているビーム整形光学系を示す概略斜視図である。
【図４】図１に示す計測装置において用いられている光ファイバの入射端の配列を示す概略平面図である。
【図５】図１に示す計測装置において用いられている分光器を示す概略構成図である。
【図６】図５中のＥ−Ｅ’矢視図である。
【図７】図５に示す分光器において用いられている２次元ＣＣＤの受光面の様子を模式的に示す図である。
【図８】本発明の第２の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９】図８に示す計測装置において用いられているテラヘルツ光発生素子を示す概略斜視図である。
【図１０】従来のテラヘルツパルス光計測装置の更に他の例を模式的に示す概略構成図である。
【図１１】図１０に示すテラヘルツパルス光計測装置におけるパルス伸長器によるチャーピング前後のプローブパルス光の波形を示す図である。
【符号の説明】
７１　フェムト秒パルス光源
７４　ビームエキスパンダ
７９　大口径光伝導アンテナ
８２　放物柱面鏡
８４　楕円柱面鏡
８６　電気光学結晶
８８　パルス伸長器（チャーピング部）
８９　ビーム整形光学系
９０，９１　シリンドリカルレンズ
９２　偏光子
９３　検光子
９４　光ファイバ
９５　分光器
１００　試料（対象物体）
【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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