(57)【要約】【課題】ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができるテラヘルツ分光装置を提供する。【解決手段】ディレイステージ８を移動させる毎にテラヘルツ検出器７からテラヘルツパルス波の電場強度に対応する検出信号を取得する。同時に、ステージ位置測定器９から出力されたディレイステージ８の位置に対応するパルスを取得し、テラヘルツ波の電場強度を取得したときのディレイステージ８の位置に対応した時間波形を得る。時間波形を等時間間隔のデータに補正した後、フーリエ変換して振幅スペクトルと位相スペクトルとを得る。【選択図】図１
2007101370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームスプリッタで２分割されたパルス光の一方の時間遅延を行うディレイステージと、
前記パルス光の照射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ発生器と、
試料で反射され又は試料を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、
前記ディレイステージの位置を測定する位置測定手段と、
前記位置測定手段から出力された信号に基づいて前記テラヘルツ検出器で検出されたテラヘルツ波に対応する電場強度の時間変化を表す検出信号を補正処理する制御手段と
を備えていることを特徴とするテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
前記制御手段は前記電場強度の時間変化を補正処理後にフーリエ変換を行なってスペクトルを得ることを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光装置。
【請求項３】
前記制御手段は所定のアルゴリズムを用いて前記検出信号のスペクトル解析を行なうのと同時に前記補正処理を行なうことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はテラヘルツ分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、テラヘルツ波（約０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の周波数の電磁波）を用いたテラヘルツ分光装置が知られている。
【０００３】
このテラヘルツ分光装置はビームスプリッタとディレイステージとテラヘルツ発生器とテラヘルツ検出器とを備えている。
【０００４】
レーザ光源からのパルス光はビームスプリッタで２つに分岐されて、一方はポンプ光としてテラヘルツ発生器に導かれ、他方はプローブ光としてテラヘルツ検出器に導かれる。テラヘルツ発生器で発生したテラヘルツ波は試料に集光する。試料を透過又は反射したテラヘルツ波はテラヘルツ検出器に入射する。テラヘルツ検出器にテラヘルツ波が入射すると、電場が生じる。このとき、テラヘルツ検出器にプローブ光が入射すると、電場強度に応じた光電流が流れる。これを測定することにより、試料の電気的特性や不純物濃度等を知ることができる。
【０００５】
テラヘルツ検出器にテラヘルツ波が入射しているとき、例えばディレイステージの可動鏡を移動させると、プローブ光の光路長が変化し、プローブ光がテラヘルツ検出器へ到達する時間が変化する。したがって、その時間を変化させながらテラヘルツ検出器で検出される光電流を測定することにより、時系列テラヘルツ分光が可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１９１３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、テラヘルツ波の測定周波数帯域が５〜１０ＴＨｚのディレイステージには０．１μｍ以下の位置決め精度が要求される。
【０００７】
しかし、この要求を満足するディレイステージを作ることは非常に難しいため、正確なスペクトルを得ることができないという問題があった。
【０００８】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができるテラヘルツ分光装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題を解決するためこの発明のテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタで２分割されたパルス光の一方の時間遅延を行うディレイステージと、前記パルス光の照射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ発生器と、試料で反射され又は試料を透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ検出器と、前記ディレイステージの位置を測定する位置測定手段と、前記位置測定手段から出力された信号に基づいて前記テラヘルツ検出器で検出されたテラヘルツ波に対応する電場強度の時間変化を表す検出信号を補正処理する制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のテラヘルツ分光装置において、前記制御手段は前記電場強度の時間変化を補正処理後にフーリエ変換を行なってスペクトルを得ることを特徴とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、請求項１記載のテラヘルツ分光装置において、前記制御手段は所定のアルゴリズムを用いて前記検出信号のスペクトル解析を行なうのと同時に前記補正処理を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の一部分を示すブロック図、図２はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の全体を示す概念図、図３は振幅強度スペクトルを示す図である。図３において、縦軸及び横軸はそれぞれ電場強度及び周波数（ＴＨｚ）を示す。
【００１５】
このテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタ２と、ディレイステージ８と、テラヘルツ発生器３と、テラヘルツ検出器７と、第１のテラヘルツ光学系４と、第２のテラヘルツ光学系６と、ステージ位置測定器（位置測定手段）９と、コンピュータ（制御手段）１０とを備えている。
【００１６】
ビームスプリッタ２はレーザ光源１からのパルス光Ｐ１をポンプ光Ｐ２とプローブ光Ｐ３とに分割する。レーザ光源１としては、例えば、フェムト秒パルスレーザが用いられる。
【００１７】
ディレイステージ８はビームスプリッタ２で分割されたプローブ光Ｐ３の時間遅延を行う。ディレイステージ８は移動可能な可動鏡８ａと固定された平面反射鏡８ｂ，８ｃとを組み合わせてなる。可動鏡８ａは図２の矢印に示すように移動してプローブ光Ｐ３の光路長を変化させる。
【００１８】
テラヘルツ発生器３はポンプ光Ｐ２の照射によってテラヘルツ波を発生させる。テラヘルツ発生器３としては、半絶縁性GaAs等で形成された半導体基板上にアンテナ形状をもつ２つの電極を付け、それらの電極間にバイアス電圧を印加した光伝導アンテナと呼ばれるものやZnTe等の非線形光学結晶が使用される。
【００１９】
テラヘルツ検出器７は試料５を透過したテラヘルツ波を検出する。テラヘルツ検出器７としては、テラヘルツ発生器３と同様の光伝導アンテナやZnTe等の電気光学結晶が使用される。
【００２０】
第１のテラヘルツ光学系４はテラヘルツ波を収束して試料５に導く。第１のテラヘルツ光学系４は例えば楕円面鏡である。
【００２１】
第２のテラヘルツ光学系６は試料５を透過したテラヘルツ波をテラヘルツ検出器７に導く。第２のテラヘルツ光学系６は例えば楕円面鏡である。
【００２２】
ステージ位置測定器９はディレイステージ８の位置を測定する。ステージ位置測定器９としては例えばリニアエンコーダ（分解能：数ｎｍ〜数十ｎｍ程度）が用いられる。
【００２３】
コンピュータ１０はステージ位置測定器９からのパルス信号９ａに基づいてテラヘルツ検出器７で検出された検出信号７ａを処理する。また、コンピュータ１０はステージ位置測定器９から出力されるパルス信号９ａを入力してディレイステージ８の移動を制御する信号１０ａを出力してディレイステージ８の位置を制御する閉ループ制御を実行する。
【００２４】
レーザ光源１から放射されたパルス光Ｐ１は平面反射鏡Ｍ１を経てビームスプリッタ２で２つのパルス光に分割される。パルス光Ｐ１は、中心波長が近赤外領域のうちの７８０〜８００ｎｍ程度、繰り返し周期が数ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ程度、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。
【００２５】
ビームスプリッタ２で分割された一方のパルス光は、テラヘルツ発生器３を励起してテラヘルツ波を発生させるためのポンプ光Ｐ２となる。このポンプ光Ｐ２は平面反射鏡Ｍ２を経てテラヘルツ発生器３へ導かれる。テラヘルツ発生器３に１００フェムト秒程度のパルス光が照射されるとテラヘルツ発生器３からテラヘルツ領域の周波数を持ったテラヘルツ波Ｐ４がレーザ光源１から放射されたパルス光Ｐ１と同じ繰り返し周期で放射される。
【００２６】
テラヘルツ波Ｐ４は約０．０１×１０12から１００×１０12ヘルツまでの周波数領域の電磁波である。このテラヘルツ波Ｐ４は第１のテラヘルツ光学系４を経て試料５に集光する。
【００２７】
試料５を透過したテラヘルツ波Ｐ５は第２のテラヘルツ光学系６を経てテラヘルツ検出器７に入射する。テラヘルツ検出器７にテラヘルツ波Ｐ５が入射すると、電場が生じる。このとき、テラヘルツ検出器７にプローブ光Ｐ３を照射すると、電場強度に応じた検出信号７ａが出力される。プローブ光Ｐ３は以下のようにしてテラヘルツ検出器７に入射する。
【００２８】
ビームスプリッタ２で分割された他方のパルス光は、テラヘルツ波Ｐ５を検出するためのプローブ光Ｐ３となる。プローブ光Ｐ３はディレイステージ８、平面反射鏡Ｍ３、平面反射鏡Ｍ４を経てテラヘルツ検出器７に入射する。ディレイステージ８の可動鏡８ａが図２の矢印のように移動すると、プローブ光Ｐ３の光路長が変化する。ディレイステージ８はコンピュータ１０からの信号１０ａによって所定方向へ例えば１２μｍずつ移動する。この結果、プローブ光Ｐ３がテラヘルツ検出器７へ到達する時間が変化する。例えばプローブ光Ｐ３の光路長を３ｍｍ変化させることは遅延時間を１０ピコ秒変化させることに相当する。
【００２９】
コンピュータ１０は、ディレイステージ８が移動する毎に、テラヘルツ検出器７にプローブ光Ｐ３が照射された瞬間に入射したテラヘルツ波の電場強度に対応する検出信号７ａを入力するとともに、ステージ位置測定器９から出力されたディレイステージ８の位置に対応するパルス信号９ａを入力する。コンピュータ１０はこのディレイステージ８の移動を指示する信号の出力とパルス信号９ａの入力とを例えば１２８回繰り返す。
【００３０】
ディレイステージ８が目標とする位置に達したことを表すパルス信号９ａがステージ位置測定器９からコンピュータ１０に入力されたとき、コンピュータ１０はディレイステージ８の移動を停止させる信号を出力する。しかし、実際にはディレイステージ８は目標とする位置の前後で停止することがあり、ディレイステージ８の位置決め精度程度には誤差がある。
【００３１】
上述したように、ステージ位置測定器９は数ｎｍ〜数十ｎｍ程度の分解能を有するので、ステージ位置測定器９により実際にテラヘルツ波の電場強度を取得したときの時間遅延量が検出され、正確なテラヘルツ波の電場強度の時間波形（時間変化のデータ）を得ることができる。
【００３２】
コンピュータ１０はこの正確に得られた時間波形を補間法等を用いて等時間間隔の時間波形に変換（補正）し、その結果をフーリエ変換してスペクトル（周波数（テラヘルツ）に対する振幅強度、位相差））を得る。
【００３３】
ステージ位置測定器９で検出されるディレイステージ８の停止位置をＰ１，Ｐ２，Ｐ３…Ｐｍ…Ｐｎとした場合、理想的には、各位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…Ｐｍ…Ｐｎに対する電場強度Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３…Ｅｍ…Ｅｎがテラヘルツ検出器７で取得されるべきである。しかし、ディレイステージ８の位置決め精度不足によりディレイステージ８の停止位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…Ｐｍ…Ｐｎを検出できず、実際には、ディレイステージ８の停止位置Ｐ１’，Ｐ２’，Ｐ３’…Ｐｍ’…Ｐｎ’がステージ位置測定器９で検出され、その各位置に対する電場強度Ｅ１’，Ｅ２’，Ｅ３’…Ｅｍ’…Ｅｎ’がテラヘルツ検出器７で取得される。時間波形を補正するため、数１又は数２を用いてＥｍ’からＥｍが求められる。
【００３４】
Ｐｍ＜Ｐｍ’の場合
【数１】
2007101370.tif 000003
Ｐｍ＞Ｐｍ’の場合
【数２】
2007101370.tif 000004
時間波形の補正なしにフーリエ変換を行なうと、振幅強度スペクトルにおいて、ディレイステージ８の位置決め精度不足は高周波側に疑似的なシグナル、すなわちノイズとなって現れる（図３の波形ａ参照）。
【００３５】
上記数式等による時間補正後にフーリエ変換を行なうと、ノイズが軽減され、Ｓ／Ｎ（シグナル／ノイズ）比の高い振幅強度スペクトルが得られる（図３の波形ｂ参照）。
【００３６】
なお、振幅強度から試料５の透過率がわかり、位相差から試料５の屈折率がわかる。得られた時間波形やスペクトルは図示しない液晶ディスプレイやＣＲＴ等の表示部に表示される。
【００３７】
また、別の補正方法として、フーリエ変換を行なわないで、所定のアルゴリズムで等時間間隔でない時間波形からスペクトルを得るようにしてもよい。このとき、時間領域から周波数領域への変換と補正処理とを同時に行なう。
【００３８】
この実施形態によれば、ディレイステージの位置を正確に求めることができるので、ディレイステージの位置決め精度に拘らず正確なスペクトルを得ることができる。その結果、スペクトルの信頼性を高めることができる。
【００３９】
なお、上記実施形態では透過型測定光学系を用いた場合を説明したが、透過型測定光学系に代えて反射型測定光学系を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の一部分を示すブロック図である。
【図２】図２はこの発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の全体を示す概念図である。
【図３】図３は振幅強度スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１：レーザ光源、２：ビームスプリッタ、３：テラヘルツ発生器、５：試料、７：テラヘルツ検出器、８：ディレイステージ、９：ステージ位置測定器（位置測定手段）、１０：コンピュータ（制御手段）。
【図１】
2007101370.tif 000005
【図２】
2007101370.tif 000006
【図３】
2007101370.tif 000007