(57)【要約】      （修正有）【課題】広帯域化と高分解能化を同時に可能にするテラヘルツ波スペクトル測定法及び測定装置。【解決手段】超短光パルスをポンプ光とプローブ光に分岐する分岐手段１と該ポンプ光でポンプされてテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生源２と該プローブ光が照射されて白色光パルスを発生させる白色光パルス発生源３と該白色光パルスをチャープさせる伸張器４と、該テラヘルツ波パルスと該チャープされた白色光パルスが時間的にオーバラップするように照射されて該チャープ白色光パルスが該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調される電気光学結晶５と該変調されたチャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出器６と、該検出されたチャープ白色光パルスの分光スペクトルから該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得る演算処理手段７とを有す。【選択図】図１
2005233683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短光パルスであるポンプ光でテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生ステップと、
超短光パルスであるプローブ光で白色光パルスを発生させる白色光パルス発生ステップと、
該白色光パルス発生ステップで発生された白色光パルスをチャープさせる伸張ステップと、
該ＴＨｚ波発生ステップで発生されたテラヘルツ波パルスと該伸張ステップで伸張されてチャープされた白色光パルスを電気光学結晶に同期して照射して該チャープ白色光パルスを該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調するE-O（Electro-optic）変調ステップと、
該E-O変調ステップで変調されたチャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出ステップと、
該マルチチャンネル分光検出ステップで検出されたチャープ白色光パルスの分光スペクトルから該電気光学結晶に照射された該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算する電場信号演算ステップと、
該電場信号演算ステップで演算された電場信号からテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得るフーリエ変換ステップと、
を有することを特徴とするマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法。
【請求項２】
一つの超短光パルスを分岐することにより前記ポンプ光と前記プローブ光を発生させる分岐ステップを有することを特徴とする請求項１に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法。
【請求項３】
前記超短光パルスは繰返しパルスであり、前記電場信号演算ステップは１パルス毎にテラヘルツ波パルスの電場信号を演算するステップであることを特徴とする請求項１及び２に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法。
【請求項４】
前記超短光パルスは繰返しパルスであり、前記電場信号演算ステップは１パルス毎の白色光パルスの分光スペクトルデータを蓄積して複数パルス毎に電場信号を演算するステップであることを特徴とする請求項１及び２に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法。
【請求項５】
超短光パルスであるポンプ光でポンプされてテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生源と、
超短光パルスであるプローブ光が照射されて白色光パルスを発生させる白色光パルス発生源と、
該白色光パルス発生源で発生された白色光パルスをチャープさせる伸張器と、
該ＴＨｚ波発生源で発生された該テラヘルツ波パルスと該伸張器で伸張されてチャープされた該白色光パルスが時間的にオーバラップするように照射されて該チャープ白色光パルスが該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調される電気光学結晶と、
該電気光学結晶で変調された該チャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出器と、
該マルチチャンネル分光検出器で検出された該チャープ白色光パルスの分光スペクトルから該電気光学結晶に照射された該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算し、該演算された電場信号をフーリエ変換して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得る演算処理手段と、
を有することを特徴とするマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置。
【請求項６】
一つの超短光パルスを分岐することにより前記ポンプ光と前記プローブ光を発生させる分岐手段を有することを特徴とする請求項５に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置。
【請求項７】
前記ポンプ光及び前記プローブ光は繰返しパルスであり、前記演算処理手段は１パルス毎にテラヘラツ波パルスの周波数スペクトルを演算処理する手段であることを特徴とする請求項５及び６に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置。
【請求項８】
前記ポンプ光及び前記プローブ光は繰返しパルスであり、前記演算処理手段は１パルス毎の白色光パルスの分光スペクトルデータを蓄積して複数パルス毎に電場信号を演算し、該演算された電場信号をフーリエ変換して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得る手段であることを特徴とする請求項５及び６に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置。
【請求項９】
前記ＴＨｚ波発生源と前記電気光学結晶の間に該ＴＨｚ波発生源から発生された前記テラヘルツ波パルスを被測定物に照射する照射手段をさらに有することを特徴とする請求項５及び８に記載のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。テラヘルツ波帯（０．１〜１０ＴＨｚ）はこれまで未開拓電磁波であり、最近、テラヘルツ波発生装置及び発生したテラヘルツ波を被測定物に照射してスペクトルの変化を測定する装置が活発に開発されている。本発明は、発生したテラヘルツ波の周波数スペクトル及び該発生したテラヘルツ波を被測定物に照射して該被測定物の影響を受けたテラヘルツ波の周波数スペクトルをマルチチャンネルで測定する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでは、１チャンネル検出のテラヘルツ波時間領域分光法が知られていた（例えば、非特許文献１参照）が、これでは全スペクトルを測定するためには機械的な光学遅延線を使ってプローブ光を走査する必要があり、時間がかかり実時間測定ができなかった。
【０００３】
最近、チャープ光を使ってテラヘルツ波の電場信号をマルチチャンネルで実時間測定する方法が開発された（非特許文献２参照）。これは、図９に示すように、レーザからの超短光パルスをビームスプリッタでポンプ光とプローブ光に分岐し、ポンプ光でエミッタをポンプしてテラヘルツ波を発生させてZnTe結晶に入射させると共に、プローブ光を回折格子対で伸張してチャープさせ、その伸張したチャープ光（プローブ光）をテラヘルツ波が入射しているZnTeに入射させ、テラヘルツ波の電場信号で誘起された電気光学効果で変調された透過プローブ光を回折格子で分光し、検出器アレーでマルチチャンネル検出するものである。検出器アレー上に示されている波形がテラヘルツ波で変調されたプローブ光の分光スペクトルで、横軸は波長であるが、正のチャープにより時間広がりをもったプローブ光は長波長が遅れてZnTe結晶へ到達するため、実効的に特定の波長が特定の時間遅れに一対一で対応する。したがって、波長を時間遅れに変換することができる。これからテラヘルツ波で変調されない元のプローブ光の分光スペクトルを差し引くことで、テラヘルツ波の電場信号を得る。そして、得られた電場信号をフーリエ変換することでテラヘルツ波の周波数スペクトルを得ることができるが、以下に示すような問題があった。
【０００４】
伸張前のプローブ光のパルス幅をＴo、伸張後のパルス幅をＴc、テラヘルツ波の周波数スペクトル帯域幅をＷ、テラヘルツ波の周波数スペクトル測定分解能をΔＷとすると、
Ｗ〜（ＴoＴｃ）-1/2／２        （１）
ΔＷ〜１／Ｔc                    （２）
と表される。（１）式からスペクトル帯域幅を大きく（Ｗを大に）するためには、Ｔcを小さくしなければならないが、（２）式からは測定分解能を高く（ΔＷを小に）するためには、Ｔcを大にしなければならず、両者にはトレードオフの関係があるため、広帯域化と高分解能化を両立させることができなかった。
【非特許文献１】阪井清美、他  ”テラヘルツ時間領域分光法とイメージング”、レーザー研究、Vol.30, No.7, 2002年7月、ｐ．３７６−３８４
【非特許文献２】Zhiping Jiang and X.-C. Zhang"Electro-optic measurement of THz field pulses with a chirped optical beam", Applied Physics Letters, Vol.72, No.16, 20 April 1998, pp.1945-1947.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、従来のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法は、スペクトル帯域幅を大きくすれば、測定分解能が低くなり、測定分解能を高くすれば帯域幅が小さくなるという問題を有していた。
【０００６】
本発明は上記従来のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法の問題に鑑みてなされたものであり、広帯域化と高分解能化を同時に可能にするマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法及び測定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】
【０００７】
本発明のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法は、超短光パルスであるポンプ光でテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生ステップと、超短光パルスであるプローブ光で白色光パルスを発生させる白色光パルス発生ステップと、該白色光パルス発生ステップで発生された白色光パルスをチャープさせる伸張ステップと、該ＴＨｚ波発生ステップで発生されたテラヘルツ波パルスと該伸張ステップで伸張されてチャープされた白色光パルスを電気光学結晶に同期して照射して該チャープ白色光パルスを該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調するE-O（Electro-optic）変調ステップと、該E-O変調ステップで変調されたチャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出ステップと、該マルチチャンネル分光検出ステップで検出されたチャープ白色光パルスの分光スペクトルから該電気光学結晶に照射された該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算する電場信号演算ステップと、該電場信号演算ステップで演算された電場信号からテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得るフーリエ変換ステップと、を有する。
【０００８】
プローブ光に白色光パルスを用いているので、広帯域化と高分解能化を同時に達成することができる（後述の効果参照）。
【０００９】
一つの超短光パルスを分岐することにより前記ポンプ光と前記プローブ光を発生させる分岐ステップを有するようにしてもよい。
【００１０】
ＴＨｚ波発生ステップで発生されたテラヘルツ波パルスと伸張ステップで伸張されてチャープされた白色光パルスを電気光学結晶に同期して照射するときの同期が容易になる。
【００１１】
前記超短光パルスは繰返しパルスであり、前記電場信号演算ステップは１パルス毎にテラヘルツ波パルスの電場信号を演算するステップであるようにしてもよい。
【００１２】
このようにすることで、１パルス毎のテラヘルツ波スペクトルの変化を測定することができる。
【００１３】
前記超短光パルスは繰返しパルスであり、前記電場信号演算ステップは１パルス毎の白色光パルスの分光スペクトルデータを蓄積して複数パルス毎に電場信号を演算するステップであるようにしてもよい。
【００１４】
このようにすることで、スペクトル測定のＳＮを上げることができる。
【００１５】
また、前述の課題を解決するための本発明のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置は、超短光パルスであるポンプ光でポンプされてテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生源と、超短光パルスであるプローブ光が照射されて白色光パルスを発生させる白色光パルス発生源と、該白色光パルス発生源で発生された白色光パルスをチャープさせる伸張器と、該ＴＨｚ波発生源で発生された該テラヘルツ波パルスと該伸張器で伸張されてチャープされた該白色光パルスが時間的にオーバラップするように照射されて該チャープ白色光パルスが該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調される電気光学結晶と、該電気光学結晶で変調された該チャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出器と、該マルチチャンネル分光検出器で検出された該チャープ白色光パルスの分光スペクトルから該電気光学結晶に照射された該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算し、該演算された電場信号をフーリエ変換して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得る演算処理手段と、を有する。
【００１６】
上記測定装置において、一つの超短光パルスを分岐することにより前記ポンプ光と前記プローブ光を発生させる分岐手段を有するようにしてもよい。
【００１７】
また、前記ポンプ光及び前記プローブ光は繰返しパルスであり、前記演算処理手段は１パルス毎にテラヘラツ波パルスの周波数スペクトルを演算処理する手段であるようにしてもよい。
【００１８】
さらに、前記ポンプ光及び前記プローブ光は繰返しパルスであり、前記演算処理手段は１パルス毎の白色光パルスの分光スペクトルデータを蓄積して複数パルス毎に電場信号を演算し、該演算された電場信号をフーリエ変換して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを演算する手段であるようにしてもよい。
【００１９】
また、前記ＴＨｚ波発生源と前記電気光学結晶の間に該ＴＨｚ波発生源から発生された前記テラヘルツ波パルスを被測定物に照射する照射手段をさらに有するようにしてもよい。
【００２０】
被測定物で変化したテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを実時間で得ることができるので、被測定物の変化を実時間で捉えることができる。したがって、被測定物として時間的に変化する火炎や移動物体、半導体や蛋白質などの光励起反応などを測定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
プローブ光の周波数スペクトル帯域幅をＦoとすると、Ｆo〜１／Ｔoであるので、（１）式と（２）式から測定できるテラヘルツ波の周波数スペクトル帯域幅Ｗと測定分解能ΔＷは
Ｗ〜（ＦoΔＷ）1/2／２    （３）
ΔＷ〜４Ｗ2／Ｆo            （４）
と表される。図４は（３）式をＦoをパラメータにしてＷとΔＷの関係を図示したものである。図４及び（３）〜（４）式からＦoを大きくするとスペクトル帯域幅が大きく（Ｗが大に）なり、測定分解能が高く（ΔＷを小に）なることがわかる。すなわち、Ｆoを大きくすればスペクトル帯域幅を大きくすると同時に測定分解能を高くすることができる。
【００２２】
プローブ光に周波数帯域幅Ｆoの大きな白色光パルスを用いているので、測定できるテラヘルツ波の周波数帯域幅が大で、測定分解能が高い。
【００２３】
１パルス毎にプローブ光の分光スペクトルをマルチチャンネルで測定してテラヘルツ波の周波数スペクトルを演算するので、実時間測定が可能である。また、テラヘルツ波を被測定物に照射することで、被測定物で変化したテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを実時間で得ることができるので、被測定物の変化を実時間で捉えることができる。したがって、被測定物として時間的に変化する火炎や移動物体、半導体や蛋白質などの光励起反応などを測定することができる。
【００２４】
さらに、１パルス毎の白色光パルスの分光スペクトルデータを蓄積して複数パルス毎に電場信号を演算するようにすることで、スペクトル測定のＳＮを上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図面と共に、本発明の最良の実施形態について詳細に説明する。
【実施例１】
【００２６】
本実施例のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置は図１に示すように、超短光パルスをポンプ光とプローブ光に分岐する分岐手段１と、該分岐手段１で分岐された該ポンプ光でポンプされてテラヘルツ波パルスを発生させるＴＨｚ波発生源２と、該分岐手段１で分岐された該プローブ光が照射されて白色光パルスを発生させる白色光パルス発生源３と、該白色光パルス発生源３で発生された白色光パルスをチャープさせる伸張器４と、該ＴＨｚ波発生源２で発生されたテラヘルツ波パルスと該伸張器４で伸張されてチャープされた白色光パルスが時間的にオーバラップするように照射されて該チャープ白色光パルスが該テラヘルツ波パルスの電場信号による電気光学効果で変調される電気光学結晶５と、該電気光学結晶５で変調されたチャープ白色光パルスをマルチチャンネル分光検出するマルチチャンネル分光検出器６と、該マルチチャンネル分光検出器６で検出されたチャープ白色光パルスの分光スペクトルから該電気光学結晶５に照射された該テラヘルツ波パルスの電場信号を演算し、該演算された電場信号をフーリエ変換して前記テラヘルツ波パルスの周波数スペクトルを得る演算処理手段７と、を有している。
【００２７】
超短光パルスは、チタンサファイアレーザの再生増幅システムから発生されたパルス幅１００ｆｓ、波長８００ｎｍ、パルスエネルギ１ｍＪ／パルス、パルス繰り返し１ＫＨｚである。超短光パルスは、上記に限定されるものではなく、たとえば、パルスエネルギは大きいことが好ましい。パルスエネルギが大きいと、スペクトル測定のＳＮを向上することができる。
【００２８】
分岐手段１は、本実施例のように、ハーフミラー型ビームスプリッタでもよいし、偏光ビームスプリッタでもよい。
【００２９】
ＴＨｚ波発生源２としては、超短光パルスでポンプされてＴＨｚ波を発生するものであれば特に限定されない。たとえば、半導体光伝導スイッチ（低温成長ガリウム砒素LT-GaAs上に金属アンテナを形成したもの）、InAs等のバルク半導体、半導体量子井戸、非線形光学結晶、高温超伝導体、等を用いることができる。通常、発生効率、発生強度を増大させるために、超短光パルスを集光照射する。光伝導スイッチは、ＴＨｚ波発生効率は高いが、発生強度を高めるために強いレーザを照射すると破壊され、また、長時間の使用により径年劣化する。InAsは、バルク半導体の中で最も発生効率が高く、特に強磁場の印加で発生効率、発生強度が増大する。本実施例では非線形光学結晶のZnTeを用いている。
【００３０】
プローブ光が照射されて白色光パルスを発生する白色光パルス発生源３としては、水セルや光ファイバーなどを用いることができる。水や光ファイバーに超短光パルスが照射されると誘導ラマン散乱等の非線形光学効果で周波数スペクトルがブロードな所謂白色光パルスが誘起される。本実施例では水セルを用いている。
【００３１】
ただし、プローブ光のスペクトル幅をΔω0とし、プローブ光が白色光発生源と見なされる素子を通過した後、スペクトル幅がΔωになった場合にΔω0＜Δωならば、プローブ光は白色化したと見なし、該スペクトル幅がΔωの光パルスを白色光パルスと定義する。なお、白色光パルスのスペクトル幅Δωは、広ければ広いほどスペクトル帯域幅が広がるので好ましいが、スペクトル幅が広がり過ぎると、プローブ光のエネルギが分散されてテラヘルツ波スペクトルを検出できない場合もあるので、これらの兼ね合いから適宜好ましい範囲に設定する必要がある。
【００３２】
白色光パルス発生源３で発生された白色光パルスを伸張してチャープさせる伸張器４としては、バルク回折格子、プリズム、ホログラフィックグレーティング、ファイバーグレーティング等を用いることができる。本実施例では、バルク回折格子４２とコリメータレンズ４３とを有する伸張器を用いている。
【００３３】
テラヘルツ波パルスの電場信号で白色光パルスを変調する電気光学結晶５は、ZnTeである。
【００３４】
電気光学結晶５で変調された白色光パルスの分光スペクトルをマルチチャンネルで検出するマルチチャンネル分光検出器６は、分光器６１とＣＣＤカメラ６２を有している。本実施例の分光器６１は焦点距離５０ｃｍの回折格子分光器である。
【００３５】
演算処理手段７としては、フレキシブルな演算処理ができるようにCPUを用いている。
【００３６】
ビームスプリッタ１で分岐されたプローブ光パルスはレンズ３１で水セル３に集光照射され、水の非線形光学効果で白色光パルスが誘起される。誘起された白色光パルスはレンズ３２でコリメートされ、折り曲げミラー３３、ハーフミラー３４を介して伸張器４に入射される。伸張器４で伸張されチャープされた白色光パルスはハーフミラー３４、折り曲げミラー３５、穴あき軸外し放物面鏡５１’の穴を介してZnTe５に入射される。
【００３７】
一方、ビームスプリッタ１で分岐されたポンプ光パルスは光学遅延線８で所定の時間遅延されてZnTe２に照射され、テラヘルツ波パルスが発生される。発生されたテラヘルツ波パルスは、軸外し放物面鏡５１でコリメートされ、穴あき軸外し放物面鏡５１’でZnTe５に集光照射される。光学遅延線８による所定の時間遅延は、白色光パルスとテラヘルツ波パルスをZnTe５に時間的に重なるように照射するためのものである。
【００３８】
ZnTe５にテラヘルツ波パルスが照射されるとその電場信号によるポッケルス効果で透過するチャープ白色光パルスのスペクトルが変調される。変調されたチャープ白色光パルスは、波長板３６と偏光ビームスプリッタ３７で強度が所定の値に調節されて分光検出器６で分光検出される。
【００３９】
そしてCPU７で以下のように演算処理することでテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルが得られる。すなわち、前述のチャープ白色光パルスの分光スペクトルデータからZnTe５にテラヘルツ波パルスが照射されていないときのチャープ白色光パルスの分光スペクトルデータを差し引くことで、テラヘルツ波パルスの電場信号が得られ、その電場信号をフーリエ変換することでテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルが得られる。
【００４０】
図２、３に本実施例装置で１パルス毎に測定した結果を示す。図２の横軸は波長であるが、図１の光学遅延線８でテラヘルツ波パルスがZnTe５に到達する時間を変えることで横軸の波長を校正して時間にすることができる。校正した時間目盛りが図中に示す１ｐｓの横バーである。図２の上段に示した波形は、チャープ白色光パルスの分光スペクトルで、約７３０ｎｍから約８２０ｎｍにわたっており、これから周波数スペクトル帯域幅Ｆ0＝４５ＴＨｚと見積もられた。下段の波形は上段のチャープ白色光パルス波形から予め測定しておいたZnTe５にテラヘルツ波パルスが照射されていないときのチャープ白色光パルス波形を差し引いて得られたテラヘルツ波パルスの電場信号である。図３は、図２のテラヘルツ波電場信号をフーリエ変換することで得られたテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルである。これから、テラヘルツ波パルスの周波数スペクトル測定分解能ΔＷ＝０．１２ＴＨｚ、測定可能バンド幅Ｗ＝０．９ＴＨｚと見積もられた。図４に従来技術と対比して示すように、従来より測定可能帯域幅が理論通りに広がったことがわかる。
【００４１】
上記測定結果は、１パルス毎の結果であるが、１０パルス毎の結果ではＳＮが向上し、Ｗ＝１．１ＴＨｚが得られた。これはＷの理論値１．２ＴＨｚに近い値である。
【実施例２】
【００４２】
本実施例のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置は図５に示すように、図１に示す実施例１の装置にテラヘルツ波パルスを被測定物に照射する照射手段１０を付加し、被測定物の火炎１００を通過したテラヘルツ波パルスのスペクトル変化を測定できるようにしたものである。それ以外の構成要素は実施例１とほとんど同じであるので説明を省略する。照射手段１０はZnTe２から発生したテラヘルツ波パルスを集めるコンデンサーレンズ１０１、１０１’と、テラヘルツ波パルスをZnTe５に集光照射するコンデンサーレンズ１０２、１０２’からなり、火炎１００がレンズ１０１’、１０２の共焦点位置に挟持されている。チャープ白色光パルスは、二色ミラー３９で反射されてZnTe５に入射される。
【００４３】
図６は、測定結果を説明するための模式図である。本実施例の超短光パルスはパルス繰り返しが１ＫＨｚであるので、図６の上段に示すように、１ｍｓ毎にスペクトルが測定される。上段のスペクトルは、周波数を横軸に取ったときの下段のスペクトルに対応する。したがって、被測定物の火炎１００の変化（たとえば、火炎中のCO2やH2O等の回転準位間の励起や緩和等）をテラヘルツ波パルスのスペクトル変化としてリアルタイム（１ｍｓ）で捉えることができる。本実施例では、チャープ白色光パルスをプローブ光としているので、測定スペクトルの測定分解能が高く、測定バンド幅が広い。したがって、被測定物の変化を広く高分解能で捉えることができる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置は図７に示すように、実施例１の装置に反射型の照射手段１０’を付加し、分岐手段１で分岐されたプローブ光から励起光を取り出す手段９で励起光を取り出して被測定物１００’を励起するようにしたものである。実施例１と同じ構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する。超短パルス光をポンプ光パルスとプローブ光パルスに分岐する分岐手段１は、偏光ビームスプリッタ１１と波長板１２からなる。励起光を取り出す手段９は、偏光ビームスプリッタ９１と波長板９２からなり、取り出された励起光パルスを所定のタイミングで１パルスだけ通過させるゲート２００は、電気シャッターである。照射手段１０’は２等辺三角形状のATRプリズムで、等辺でない面に載置されている被測定物１００’は、InAs半導体結晶である。
【００４５】
分岐手段１で分岐されたプローブ光パルスは水セル３に入射され、水セル３から水の非線形光学効果で白色光パルスが誘起される。誘起された白色光パルスは、折り曲げミラー３３、光学遅延線８’で所定の時間遅延されて伸張器４に入射される。伸張器４で伸張されチャープされた白色光パルスは、穴あき軸外し放物面鏡５１’の穴を介してZnTe５に入射される。
【００４６】
一方、分岐手段１で分岐されたポンプ光パルスはZnTe２に照射され、テラヘルツ波パルスが発生される。発生されたテラヘルツ波パルスは、軸外し放物面鏡５２でコリメートされ、軸外し放物面鏡５２’でATRプリズム１０’に載置されたInAs１００’の下面が接する辺に全反射するように一方の等辺から集光照射される。テラヘルツ波パルスが全反射する際、InAs１００’の下面にしみ出すエバネッセント波がInAs１００’と相互作用する。その相互作用したエバネッセント波を含む全反射テラヘルツ波パルスはATRプリズム１０’の他方の等辺から出射され、軸外し放物面鏡５１でコリメートされ、穴あき軸外し放物面鏡５１’でZnTe５に集光照射される。
【００４７】
取り出し手段９で取り出された励起光パルスは、光学遅延線８’’で所定の時間遅延された後、ゲート２００で所定のタイミングで１パルスにされ、折り曲げミラー３８を介してInAs１００’に照射される。
【００４８】
光学遅延線８’による所定の時間遅延は、白色光パルスとテラヘルツ波パルスをZnTe５に時間的に重なるように照射するためのものである。また、光学遅延線８’’による所定の時間遅延は、テラヘルツ波パルスと励起光パルスをInAS１００’に時間的に重なるように照射するためのものである。
【００４９】
図８は、本実施例装置での測定結果を説明するタイミングチャートで、１段目はテラヘルツ波パルスがZnTe５に照射されるタイミングを、２段目は励起光パルスがInAs１００’に照射されるタイミングを、３段目はプローブ光パルスがZnTe５に照射されるタイミングを、それぞれ示している。励起光パルスは最初の１回だけであるが、テラヘルツ波パルスとプローブ光パルスのタイミングは、パルスの繰り返しが１ＫＨｚなので１ｍｓ毎になる。４段目は１ｍｓ毎に得られるテラヘルツ波パルスのスペクトル示している。最初（ｔ＝０）励起光パルスで励起されたInAs１００’中のプラズモンの緩和過程を１ｍｓ毎にスペクトルの変化を通して知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】実施例１のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置の構成図である。
【図２】実施例１のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置で測定したチャープ白色光パルスのスペクトルとテラヘルツ波パルスの電場信号波形である。
【図３】図２の電場信号をフーリエ変換して求めたテラヘルツ波パルスの周波数スペクトルである。
【図４】プローブ光パルスの周波数帯域幅をパラメータとしたときのテラヘルツ波測定可能帯域幅と測定分解能の関係を示す図である。
【図５】実施例２のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置の構成図である。
【図６】実施例２のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置による測定結果を説明する模式図である。
【図７】実施例３のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置の構成図である。
【図８】実施例３のマルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定装置による測定結果を説明するタイミングチャートである。
【図９】従来のマルチチャンネルテラヘルツ波電場信号測定装置の構成図である。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・分岐手段
２・・・・ＴＨｚ波発生源
３・・・・白色光パルス発生源
４・・・・伸張器
５・・・・電気光学結晶
６・・・・マルチチャンネル分光検出器
７・・・・演算処理手段
１０、１０’・・・照射手段
１００、１００’・・・被測定物
【図１】
2005233683.tif 000003
【図２】
2005233683.tif 000004
【図３】
2005233683.tif 000005
【図４】
2005233683.tif 000006
【図５】
2005233683.tif 000007
【図６】
2005233683.tif 000008
【図７】
2005233683.tif 000009
【図８】
2005233683.tif 000010
【図９】
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