(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法であって、
プローブ光として超短パルス光を用いると共に、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、
前記プローブ光の偏光状態を円偏光とするステップと、
円偏光となった前記プローブ光を前記テラヘルツ波検出素子に入射して前記テラヘルツ波をプローブするステップと、
前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を回転検光子で変調し、変調したプローブ光を光検出器で検出するステップと、
前記回転検光子の回転周波数に基づく周波数を参照信号とし、前記光検出器からの検出信号をロックイン検出器でロックイン検出するステップと、
前記ロックイン検出器からの検出信号に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える電場ベクトル検出方法。
【請求項２】
前記ロックイン検出器からの検出信号の振幅に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出し、前記ロックイン検出器からの検出信号の位相に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出する請求項１記載の電場ベクトル検出方法。
【請求項３】
前記ロックイン検出器として、２位相ロックイン検出器を用いる請求項１又は２記載の電場ベクトル検出方法。
【請求項４】
ポンプ光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子を用い、
前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐するステップと、
前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップと、を更に備える請求項１〜３のいずれか一項記載の電場ベクトル検出方法。
【請求項５】
前記回転検光子の回転周波数をｆ１とし、前記ポンプ光の変調周波数をｆ２とした場合に、前記ロックイン検出器における参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１としてロックイン検出を行う請求項４記載の電場ベクトル検出方法。
【請求項６】
テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出装置であって、
超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を円偏光とする偏光調整部と、
光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、
前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を変調する回転検光子と、
前記回転検光子によって変調された前記プローブ光を検出する光検出器と、
前記回転検光子の回転周波数に基づく周波数を参照信号とし、前記光検出器からの検出信号をロックイン検出するロックイン検出器と、
前記ロックイン検出器からの検出信号に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える電場ベクトル検出装置。
【請求項７】
前記電場ベクトル検出部は、前記ロックイン検出器からの検出信号の振幅に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出し、前記ロックイン検出器からの検出信号の位相に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出する請求項６記載の電場ベクトル検出装置。
【請求項８】
前記ロックイン検出器は、２位相ロックイン検出器である請求項６又は７記載の電場ベクトル検出装置。
【請求項９】
ポンプ光の入射によって前記テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、
前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐する分岐部と、
前記ポンプ光を周期的に変調する光変調器と、を更に備える請求項６〜８のいずれか一項記載の電場ベクトル検出装置。
【請求項１０】
前記回転検光子の回転周波数をｆ１とし、前記ポンプ光の変調周波数をｆ２とした場合に、前記ロックイン検出器は、前記参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１としてロックイン検出を行う請求項９記載の電場ベクトル検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する手法は、大別して、（Ａ）互いに直交する２つの軸（例えばＸ軸及びＹ軸）方向の成分をそれぞれ検出して合成する手法と、（Ｂ）電場ベクトルを直接検出する手法とが存在している。（Ａ）の手法として、例えば非特許文献１では、テラヘルツ波を直交する２つの軸方向の偏光成分に分割し、これらの偏光成分を２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
【０００３】
また、非特許文献２では、プローブ光の偏光状態を円偏光とし、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いている。この手法では、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を分割し、これらを２つの直交する軸方向のテラヘルツ波をそれぞれ計測する２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
【０００４】
また、（Ｂ）の手法として、例えば非特許文献３では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶を回転させたときのプローブ光の検出信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。また、非特許文献４では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いると共に、プローブ光の偏光を直線偏光のまま偏光方向を回転させている。そして、プローブ光の偏光方向の変化に伴う検出信号の変化からテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
【０００５】
非特許文献５では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用い、プローブ光の偏光を円偏光としてテラヘルツ波をプローブしている。そして、テラヘルツ波プローブ後のプローブ光を電気光学変調器によって変調し、変調信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】M. B. Byrne, M. U. Shaukat, J. E. Cunningham, E. H. Linfield, and A.G. Davies, “Simultaneous measurement of orthogonal components of polarizationin a free-space propagating terahertz signal using electro-optic detection,”Appl. Phys. Lett. Vol. 98, p. 151104 (2011)
【非特許文献２】N. C. J. van der Valk, W. A. M. van der Marel, and P. C. M. Planken,“Terahertz polarization imaging,” Opt. Lett. Vol. 30, p. 2802 (2005)
【非特許文献３】N. Yasumatsu and S. Watanabe, “Precise real-time polarizationmeasurement of terahertz electromagnetic waves by a spinning electro-opticsensor,” Rev. Sci. Instrum. Vol. 83, p. 023104 (2012)
【非特許文献４】N. Nemoto, T. Higuchi, N. Kanda, K. Konishi, and M. Kuwata-Gonokami,“Highly precise and accurate terahertz polarization measurements based onelectro-optic sampling with polarization modulation of probe pulse,” Opt.Express vol. 22, p. 17915 (2014)
【非特許文献５】N. Yasumatsu, A. Kasatani, K. Oguchi, and S. Watanabe, “High-speedterahertz time-domain polarimeter based on an electro-optic modulationtechnique,” Appl. Phys. Express vol. 7, p. 092401 (2014)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した（Ａ）の手法では、テラヘルツ波において直交する２方向の偏光成分、或いはテラヘルツ波をプローブした後のプローブ光において、互いに直交する２つの軸方向の成分を精度良く分割することが難しいという問題がある。また、それぞれの成分に対応して２つの検出系が必要となるため、光学系が複雑化するという問題もある。
【０００８】
一方、（Ｂ）の方法においても、非特許文献３，４の手法では、電気光学結晶或いはプローブ光の偏光方向の回転によって電気光学結晶が持つ残留複屈折の影響も変化するため、信号の歪みや検出効率の変化を補正する手段が必要となる。また、非特許文献５の手法では、得られる変調信号が２つの周波数成分の和となるので、信号波形が複雑な形状となるという問題がある。このため、２つの周波数成分の導出には、変調信号に対するフーリエ変換などが必要となり、信号処理が複雑化するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを精度良く検出できる電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題の解決のため、一側面に係る電場ベクトル検出方法は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法であって、プローブ光として超短パルス光を用いると共に、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、プローブ光の偏光状態を円偏光とするステップと、円偏光となったプローブ光をテラヘルツ波検出素子に入射してテラヘルツ波をプローブするステップと、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を回転検光子で変調し、変調したプローブ光を光検出器で検出するステップと、回転検光子の回転周波数に基づく周波数を参照信号とし、光検出器からの検出信号をロックイン検出器でロックイン検出するステップと、ロックイン検出器からの検出信号に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える。
【００１１】
この電場ベクトル検出方法では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を円偏光としてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、プローブ後のプローブ光の偏光状態からテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、回転検光子によってプローブ光が正弦波状に変調されるため、変調信号に対する複雑な信号処理が不要となり、ノイズ除去能力の高いロックイン検出器からの検出信号に基づいて精度良くテラヘルツ波の電場ベクトルを検出できる。さらに、テラヘルツ波検出素子に対して入射するプローブ光の偏光が変化しないため、非特許文献３，４における電気光学結晶の不均一性などの影響で検出信号が変動してしまう問題も回避できる。
【００１２】
また、ロックイン検出器からの検出信号の振幅に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出し、ロックイン検出器からの検出信号の位相に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出してもよい。これにより、ロックイン検出器からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できる。
【００１３】
また、ロックイン検出器として、２位相ロックイン検出器を用いてもよい。２位相ロックイン検出器を用いることで、電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分を一度に検出できる。
【００１４】
また、ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子を用い、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐するステップと、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップとを更に備えていてもよい。これにより、テラヘルツ波の変調周期以外の周波数成分を除去することができるため、低ノイズの測定ができる。
【００１５】
また、回転検光子の回転周波数をｆ１とし、ポンプ光の変調周波数をｆ２とした場合に、ロックイン検出器における参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１としてロックイン検出を行ってもよい。これにより、ロックイン検出の周波数を十分に高くすることができ、１／ｆノイズを低減できる。
【００１６】
また、一側面に係る電場ベクトル検出装置は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出装置であって、超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を円偏光とする偏光調整部と、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を変調する回転検光子と、回転検光子によって変調されたプローブ光を検出する光検出器と、回転検光子の回転周波数に基づく周波数を参照信号とし、光検出器からの検出信号をロックイン検出するロックイン検出器と、ロックイン検出器からの検出信号に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える。
【００１７】
この電場ベクトル検出装置では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を円偏光としてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、プローブ後のプローブ光の偏光状態からテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、回転検光子によってプローブ光が正弦波状に変調されるため、変調信号に対する複雑な信号処理が不要となり、ノイズ除去能力の高いロックイン検出器からの検出信号に基づいて精度良くテラヘルツ波の電場ベクトルを検出できる。さらに、テラヘルツ波検出素子に対して入射するプローブ光の偏光が変化しないため、非特許文献３，４における電気光学結晶の不均一性などの影響で検出信号が変動してしまう問題も回避できる。
【００１８】
また、電場ベクトル検出部は、ロックイン検出器からの検出信号の振幅に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出し、ロックイン検出器からの検出信号の位相に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出してもよい。これにより、ロックイン検出器からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できる。
【００１９】
また、ロックイン検出器は、２位相ロックイン検出器であってもよい。２位相ロックイン検出器を用いることで、電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分を一度に検出できる。
【００２０】
また、ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子と、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐する分岐部と、ポンプ光を周期的に変調する光変調器と、を更に備えていてもよい。これにより、テラヘルツ波の変調周期以外の周波数成分を除去することができるため、低ノイズの測定ができる。
【００２１】
また、回転検光子の回転周波数をｆ１とし、ポンプ光の変調周波数をｆ２とした場合に、ロックイン検出器は、参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１としてロックイン検出を行ってもよい。これにより、ロックイン検出の周波数を十分に高くすることができ、１／ｆノイズを低減できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の一側面によれば、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを精度良く検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る電場ベクトル検出装置の光学系を示す図である。
【図２】テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。
【図３】図１に示した電場ベクトル検出装置の光学系に接続される解析装置の構成例を示すブロック図である。
【図４】第１実施形態に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係る電場ベクトル検出装置の光学系を示す図である。
【図６】図５に示した電場ベクトル検出装置の光学系に接続される解析装置の構成例を示すブロック図である。
【図７】第２実施形態に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置の好適な実施形態について詳細に説明する。
［第１実施形態］
【００２５】
図１は、第１実施形態に係る電場ベクトル検出装置の光学系を示す図である。同図に示すように、電場ベクトル検出装置１Ａの光学系ＭＡは、プローブ光Ｌａの偏光を調整する偏光調整部２と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子３と、プローブ光Ｌａを検出する光検出器４（第１の光検出器４Ａ及び第２の光検出器４Ｂ）とを含んで構成されている。
【００２６】
プローブ光Ｌａは、例えばフェムト秒パルスレーザを出射する光源からの出射光である。出射光は、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚとなっている。プローブ光Ｌａは、ミラー５を経て偏光調整部２に導光される。偏光調整部２は、偏光子６と、λ／４波長板７とによって構成されている。偏光調整部２に導光されたプローブ光Ｌａは、偏光子６によって所定方向の直線偏光となり、さらに、λ／４波長板７によって円偏光となる。
【００２７】
円偏光となったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ８により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子３に導光され、他方は、第２の光検出器４Ｂに導光される。
【００２８】
テラヘルツ波検出素子３は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出素子３の一方面３ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面３ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子３の他方面３ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面３ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。
【００２９】
図２は、テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥＴは、振幅｜ＥＴ｜と、方位θＴとによって表される。方位θＴは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。
【００３０】
テラヘルツ波検出素子３に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調され、偏光状態が楕円偏光などに変化する。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３の一方面３ａで反射して無偏光ビームスプリッタ８に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、回転検光子９に入射し、他方は戻り光となる。
【００３１】
回転検光子９は、モータなどにより、検光子が面内で回転する素子である。プローブ光Ｌａが検光子に入射すると、特定の直線偏光のみが出力される。したがって、検光子が回転する場合、プローブ光Ｌａが変調される。回転検光子９で変調されたプローブ光Ｌａは、第１の光検出器４Ａに入射する。戻り光は、λ／４波長板７によって直線偏光に近い楕円偏光となり、大部分が偏光子６でカットされる。
【００３２】
第１の光検出器４Ａ及び第２の光検出器４Ｂは、例えばフォトダイオードである。第１の光検出器４Ａは、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する光検出器であり、回転検光子９によって変調されたプローブ光Ｌａを検出する。第２の光検出器４Ｂは、パワー変動のモニタリングに用いられる光検出器であり、テラヘルツ波検出素子３に向かわずに無偏光ビームスプリッタ８を透過したプローブ光Ｌａを検出する。
【００３３】
図３は、上述した電場ベクトル検出装置１Ａの光学系ＭＡに接続される解析装置ＮＡの構成例を示すブロック図である。同図に示すように、解析装置ＮＡは、差動検出器１１と、ロックイン検出器１２と、電場ベクトル検出部１３とを備えている。
【００３４】
差動検出器１１は、第１の光検出器４Ａからの検出信号と第２の光検出器４Ｂからの検出信号との差分を検出する部分である。差動検出器１１は、第１の光検出器４Ａからの検出信号と第２の光検出器４Ｂからの検出信号との差分に基づく検出信号をロックイン検出器１２に出力する。差動検出を行うことにより、プローブ光Ｌａにおけるパワー変動成分が除去される。このとき、第１の光検出器４Ａ及び第２の光検出器４Ｂは、テラヘルツ波Ｔが入射しない状態で、かつ回転検光子９を配置していないときの差動検出器１１の検出信号の強度がゼロとなるように感度調整されていることが好ましい。
【００３５】
ロックイン検出器１２は、第１の光検出器４Ａからの検出信号（ここでは差動検出器１１からの検出信号）をロックイン検出する部分である。本実施形態のロックイン検出器１２は、２位相ロックイン検出器であり、参照信号の周波数に同期して変化する検出信号の振幅と位相とを同時に検出する。差動検出器１１からの検出信号は、回転検光子９が１／２回転することで１周期分変動する。したがって、回転検光子９の回転周波数をｆ１とした場合、ロックイン検出器１２の参照信号の周波数を２ｆ１とすればよい。ロックイン検出器１２からの検出信号は、電場ベクトル検出部１３に出力される。回転周波数ｆ１は、例えば２０Ｈｚ〜１００Ｈｚである。
【００３６】
電場ベクトル検出部１３は、ロックイン検出器１２からの検出信号に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する部分である。電場ベクトル検出部１３は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。
【００３７】
ロックイン検出器１２からの検出信号に含まれる振幅ＡＬ及び位相φＬと、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜ＥＴ｜及び方位θＴとの間には、下記の関係が成り立つ。下記式におけるＡＣは、テラヘルツ波検出素子３として用いる電気光学結晶の非線形光学定数及び厚さ、プローブ光Ｌａの波長などに基づいて決定される定数である。下記式により、ロックイン検出器１２からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。
【数１】
0006397318.tif 000002
【数２】
0006397318.tif 000003
【００３８】
なお、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合には、下記式が成立する。この場合には、ロックイン検出器１２の検出信号に含まれる振幅ＡＬを、そのままテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜ＥＴ｜としてもよい。
【数３】
0006397318.tif 000004
【００３９】
また、２位相ロックイン検出器は、参照信号の位相に従ってＡＬｃｏｓφＬとＡＬｓｉｎφＬとをそれぞれ出力することができる。テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合、これらの出力とテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分との間には、下記式が成立する。したがって、ロックイン検出器１２から出力される２つの出力に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する値ＥＴｘ，ＥＴｙが得られることとなる。
【数４】
0006397318.tif 000005
【数５】
0006397318.tif 000006
【００４０】
続いて、第１実施形態に係る電場ベクトル検出方法について説明する。図４は、第１実施形態に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。この電場ベクトル検出方法は、上述した電場ベクトル検出装置１Ａを用いて実行される。
【００４１】
同図に示すように、この電場ベクトル検出方法では、まず、不図示の光源によって超短パルス光であるプローブ光Ｌａが出射される（ステップＳ０１：プローブ光出射ステップ）。プローブ光Ｌａは、偏光調整部２に導光され、偏光状態が円偏光となる（ステップＳ０２：偏光状態調整ステップ）。
【００４２】
偏光状態が円偏光となったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ０３：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、テラヘルツ波Ｔの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。プローブ後のプローブ光Ｌａは、回転検光子９によって変調され（ステップＳ０４：プローブ光変調ステップ）、第１の光検出器４Ａによって検出される（ステップＳ０５：プローブ光検出ステップ）。また、プローブに用いられなかったプローブ光Ｌａは、第２の光検出器４Ｂによって検出される。
【００４３】
次に、第１の光検出器４Ａ及び第２の光検出器４Ｂからの検出信号がそれぞれ差動検出器１１に出力され、差動検出が行われる（ステップＳ０６：差動検出ステップ）。また、差動検出器１１からの検出信号がロックイン検出器１２に出力され、回転検光子９の回転周波数の２倍の周波数を参照信号としてロックイン検出が行われる（ステップＳ０７：ロックイン検出ステップ）。ロックイン検出器１２からの検出信号は、電場ベクトル検出部１３に出力され、ロックイン検出器１２からの検出信号に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ０８：電場ベクトル検出ステップ）。
【００４４】
以上説明したように、電場ベクトル検出装置１Ａでは、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子３として用い、超短パルス光であるプローブ光Ｌａを円偏光としてテラヘルツ波Ｔのプローブが行われる。これにより、プローブ後のプローブ光Ｌａの偏光状態からテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを直接検出することが可能となる。
【００４５】
また、回転検光子９によってプローブ光Ｌａが正弦波状に変調されるため、変調信号に対する複雑な信号処理が不要となり、ノイズ除去能力の高いロックイン検出器１２からの検出信号に基づいて精度良くテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出できる。さらに、テラヘルツ波検出素子３に対して入射するプローブ光Ｌａの偏光が変化しないため、電気光学結晶の不均一性などの影響で検出信号が変動してしまう問題も回避できる。
【００４６】
また、電場ベクトル検出部１３は、ロックイン検出器１２からの検出信号の振幅に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅を検出し、ロックイン検出器１２からの検出信号の位相に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向を検出している。これにより、ロックイン検出器１２からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。さらに、ロックイン検出器１２として２位相ロックイン検出器を用いることで、電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分を一度に検出できる。
［第２実施形態］
【００４７】
図５は、第２実施形態に係る電場ベクトル検出装置の光学系を示す図である。同図に示すように、第２実施形態に係る電場ベクトル検出装置１Ｂの光学系ＭＢは、超短パルス光をプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐している点で、第１実施形態に係る電場ベクトル検出装置１Ａと相違している。
【００４８】
より具体的には、電場ベクトル検出装置１の光学系ＭＢには、第１実施形態の構成に加え、フェムト秒パルスレーザを出射する光源２１と、光源２１からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ２２と、ポンプ光Ｌｂを周期的に変調する光変調器２３と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ２４と、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生素子２５とが配置されている。
【００４９】
光源２１から出射されるフェムト秒パルスレーザは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷとなっている。光変調器２３は、例えば光チョッパであり、ポンプ光Ｌｂを変調周波数ｆ２で時間的に変調する。変調周波数ｆ２は、例えば１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである。遅延ステージ２４は、例えばビームスプリッタ２２で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ２６と、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー２７，２７とを有している。遅延ステージ２４を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー２８によってテラヘルツ波発生素子２５に導光される。
【００５０】
テラヘルツ波発生素子２５は、例えばＺｅＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などによって構成されている。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子２５として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子２５にポンプ光Ｌｂが入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３に入射する。
【００５１】
図６は、上述した電場ベクトル検出装置１Ｂの光学系ＭＢに接続される解析装置ＮＢの構成例を示すブロック図である。同図に示すように、解析装置ＮＢは、周波数演算器２９を更に備える点で、第１実施形態の解析装置ＮＡと相違している。
【００５２】
周波数演算器２９は、回転検光子９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数を生成し、ロックイン検出器１２に参照信号を出力する。より具体的には、周波数演算器２９は、回転検光子９の回転周波数をｆ１とし、ポンプ光Ｌｂの変調周波数をｆ２とした場合に、ｆ２±２ｆ１となる周波数を生成する。ロックイン検出器１２は、参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１として、差動検出器１１から出力される検出信号のロックイン検出を行う。
【００５３】
図７は、第２実施形態に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。この電場ベクトル検出方法は、上述した電場ベクトル検出装置１Ｂを用いて実行される。
【００５４】
同図に示すように、この電場ベクトル検出方法では、まず、光源２１によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ１１：レーザ出射ステップ）。光源２１から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ２２によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、光変調器２３によって時間的に変調され（ステップＳ１２：ポンプ光変調ステップ）、遅延ステージ２４を通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ１３：遅延ステップ）。
【００５５】
遅延ステージ２４を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生素子２５に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ１４：テラヘルツ波発生ステップ）。テラヘルツ波発生素子２５で発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子３に入射する（ステップＳ１５：テラヘルツ波検出ステップ）。
【００５６】
一方、プローブ光Ｌａは、プローブ光Ｌａは、偏光調整部２に導光され、偏光状態が円偏光となる（ステップＳ１６：偏光状態調整ステップ）。偏光状態が円偏光となったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ１７：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、テラヘルツ波Ｔの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。
【００５７】
プローブ後のプローブ光Ｌａは、回転検光子９によって変調され（ステップＳ１８：プローブ光変調ステップ）、第１の光検出器４Ａによって検出される（ステップＳ１９：プローブ光検出ステップ）。また、プローブに用いられなかったプローブ光Ｌａは、第２の光検出器４Ｂによって検出される。
【００５８】
次に、第１の光検出器４Ａ及び第２の光検出器４Ｂからの検出信号がそれぞれ差動検出器１１に出力され、差動検出が行われる。また、周波数演算器２９によって、回転検光子９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数が生成され、ロックイン検出器１２に出力される（ステップＳ２０：差動検出ステップ及び周波数演算ステップ）。
【００５９】
差動検出器１１からの検出信号がロックイン検出器１２に出力されると、周波数演算器２９によって生成された周波数を参照信号としてロックイン検出が行われる（ステップＳ２１：ロックイン検出ステップ）。ロックイン検出器１２からの検出信号は、電場ベクトル検出部１３に出力され、ロックイン検出器１２からの検出信号に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ２２：電場ベクトル検出ステップ）。
【００６０】
このような電場ベクトル検出装置１Ｂにおいても、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子３として用い、超短パルス光であるプローブ光Ｌａを円偏光としてテラヘルツ波Ｔのプローブが行われる。これにより、プローブ後のプローブ光Ｌａの偏光状態からテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを直接検出することが可能となる。
【００６１】
また、回転検光子９によってプローブ光Ｌａが正弦波状に変調されるため、変調信号に対する複雑な信号処理が不要となり、ノイズ除去能力の高いロックイン検出器１２からの検出信号に基づいて精度良くテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出できる。さらに、テラヘルツ波検出素子３に対して入射するプローブ光Ｌａの偏光が変化しないため、電気光学結晶の不均一性などの影響で検出信号が変動してしまう問題も回避できる。
【００６２】
また、この電場ベクトル検出装置１Ｂでは、超短パルス光をプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐すると共に、ポンプ光Ｌｂを光変調器２３で周期的に変調し、テラヘルツ波検出素子３に入射するテラヘルツ波Ｔを周期的に変調している。そして、遅延ステージ２４によってポンプ光Ｌｂの遅延時間を掃引することで、テラヘルツ波検出素子３へのテラヘルツ波Ｔの入射のタイミングを変化させている。したがって、時間の経過に対するテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの変化を連続的に検出することが可能となり、偏光情報を含むテラヘルツ波Ｔの時間波形を検出することができる。
【００６３】
また、第１実施形態と同様に、電場ベクトル検出部１３は、ロックイン検出器１２からの検出信号の振幅に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅を検出し、ロックイン検出器１２からの検出信号の位相に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向を検出している。これにより、ロックイン検出器１２からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。
【００６４】
さらに、ロックイン検出器１２として２位相ロックイン検出器を用いることで、電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分を一度に検出できる。また、電場ベクトル検出装置１Ｂでは、回転検光子９の回転周波数をｆ１とし、ポンプ光Ｌｂの変調周波数をｆ２とした場合に、ロックイン検出器１２における参照信号の周波数をｆ２±２ｆ１としてロックイン検出を行っている。これにより、ロックイン検出の周波数を十分に高くすることができ、１／ｆノイズを低減できる。
【００６５】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば光学系ＭＡにおいて、戻り光となったプローブ光Ｌａが光源２１まで到達しないようにアイソレータを配置してもよい。また、テラヘルツ波検出素子３として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。
【００６６】
また、上記実施形態では、テラヘルツ波検出素子３の一方面３ａでプローブ光Ｌａを反射させる構成としているが、テラヘルツ波検出素子３の内部でテラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌａとが同軸で透過する構成としてもよい。第１の光検出器４Ａは、バランス検出器或いは偏光状態を検出可能な計測系であってもよい。第１の光検出器４Ａと第２の光検出器４Ｂとを差動検出器１１に対してＡＣ結合し、ＤＣ成分を除去するようにしてもよい。ロックイン検出器１２によるロックイン検出は、ハードウェアロックイン及びソフトウェアロックインのいずれであってもよい。
【００６７】
ロックイン検出器１２は、単位相のロックイン検出器であってもよい。単位相のロックイン検出器を用いた場合であっても、検出信号に基づいて一の軸方向についてのテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出できる。したがって、ロックイン検出器において、自動的に検出信号が最大振幅となる位相を設定する機能が備わっている場合、当該機能を用いることでテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向を検出できる。また、ロックイン検出の検出信号の振幅に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅を検出できる。
【符号の説明】
【００６８】
１Ａ，１Ｂ…電場ベクトル検出装置、２…偏光調整部、３…テラヘルツ波検出素子、４…光検出器、９…回転検光子、１２…ロックイン検出器、１３…電場ベクトル検出部、２２…ビームスプリッタ（分岐部）、２３…光変調器、２５…テラヘルツ波発生素子、Ｌａ…プローブ光、Ｌｂ…ポンプ光、Ｔ…テラヘルツ波。
【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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