(57)【要約】【課題】測定の信頼性を低下させることなく測定時間の短縮を図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】レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光Ｐ３とに分割するビームスプリッタと、ビームスプリッタで分割されたポンプ光又はプローブ光Ｐ３の光路長を変えるための光路長変更光学系とを備えているテラヘルツ分光装置において、光路長変更光学系を、複数対の鏡9ａ，１０ａ，9ｂ，１０ｂで構成し、その複数対の鏡のうちの一対の鏡9ａ，１０ａを可動とした。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、
固定鏡と可動鏡との対、あるいは可動鏡と可動鏡との対がそれぞれ複数対を成し、前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の光路長を変えるための光路長変更光学系と、
前記複数対の鏡のうち前記複数対の可動鏡同士を互いに反対方向へ可動する可動部材と
を備えたことを特徴とするテラヘルツ分光装置。
【請求項２】
前記可動の鏡を互いに反対方向へ同速度で駆動する駆動手段を備えている
ことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光装置。
【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（周波数がおおよそ０．０１ＴＨｚから１００ＴＨｚまでの範囲の電磁波）を用いた分光装置が知られている。
【０００３】
近年、１００フェムト秒程度の光パルスを出射するレーザ光源を用いて、パルス状のテラヘルツ波を発生させたり、検出したりする研究がなされるようになり、テラヘルツ時間領域分光法という新しい分光法を実施するための時間領域分光装置が登場した。テラヘルツ時間領域分光法の原理は下記特許文献に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２１２１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この時間領域分光装置には、光パルスの光学的遅延を行う時間遅延ステージの移動速度が高くなれば、測定に要する時間が短縮されるが、時間遅延ステージの振動が大きくなり、その周りの光学素子も振動するため、測定の信頼性が低下するという問題がある。
【０００５】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は測定の信頼性を低下させることなく測定時間の短縮を図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】
【０００６】
上記問題を解決するためこの発明は、レーザ光源からの光パルスをポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、固定鏡と可動鏡との対、あるいは可動鏡と可動鏡との対がそれぞれ複数対を成し、前記ビームスプリッタで分割された前記ポンプ光又は前記プローブ光の光路長を変えるための光路長変更光学系と、前記複数対の鏡のうち前記複数対の可動鏡同士を互いに反対方向へ可動する可動部材とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
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、前記可動の鏡を互いに反対方向へ同速度で駆動する駆動手段を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、測定の信頼性を低下させることなく測定時間の短縮を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１はこの発明の第１実施形態に係るテラヘルツ分光装置を示す概念図、図２は図１のテラヘルツ分光装置の比較例に係る時間遅延ステージを示す概念図、図３（ａ）は時間遅延ステージの側面図、図３（ｂ）はその平面図である。
【００１１】
このテラヘルツ分光装置は、ビームスプリッタ２と、時間遅延ステージ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とを備えている。
【００１２】
時間遅延ステージ８は可動鏡９ａと固定鏡９ｂとの対、及び可動鏡１０ａと固定鏡１０ｂとの対から成る複数対の鏡ユニットを備えている。
【００１３】
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。
【００１４】
時間遅延ステージ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。時間遅延ステージ８は可動鏡（鏡）９ａ，１０ａと固定鏡（鏡）９ｂ，１０ｂとモータ１５とクランク機構１６とを有する（図３参照）。可動鏡９ａ，１０ａと固定鏡９ｂ，１０ｂとで光路長変更光学系が構成される。モータ（駆動手段）１５とクランク機構（可動部材）１６とにより、可動鏡９ａと可動鏡１０ａとは互いに反対方向へ同速度で、かつ同距離を連続的に移動する。
【００１５】
可動鏡９ａ，１０ａとモータ１５とはクランク機構１６を介して接続されている。クランク機構１６はモータ１５の回転運動を矢印に示すように可動鏡９ａ，１０ａの直線運動に変える。可動鏡９ａ，１０ａの往復運動によってプローブ光Ｐ３の光路長が変化する。
【００１６】
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の２つの電極を形成し、それらの電極間にバイアス電圧を印加する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。
【００１７】
テラヘルツ検出器７は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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、繰り返し周期が数十ＭＨｚ、パルス幅が１０〜１５０ｆｓ程度の直線偏光のパルス光である。
【００２１】
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が放射される。
【００２２】
テラヘルツ波Ｐ４はおおむね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。
【００２３】
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が照射されると、電場強度に応じた光電流が流れ、これを測定することにより、試料５の電気的特性や不純物濃度等を検出することができる。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。
【００２４】
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は時間遅延ステージ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。時間遅延ステージ８の可動鏡９ａ，１０ａを矢印のように移動させることによりプローブ光Ｐ３の光路長を変化させて、プローブ光Ｐ３がテラヘルツ検出器７に到達する時間を変化させながらテラヘルツ波の電場の時間波形を計測する。
【００２５】
テラヘルツ波の時間波形を計測するためには、ポンプ・プローブ法が用いられる。すなわち、プローブ光Ｐ３を導く光路上に可動鏡９ａ，１０ａを置き、可動鏡９ａ，１０ａを移動させることによって光路長を変化させて、プローブ光P３がテラヘルツ波検出器7に到達するタイミングをずらしながら、テラヘルツ波の電場の時間波形を計測する。テラヘルツパルス波の４０ピコ秒間の時間波形を計測する場合、４０ピコ秒の時間遅延、すなわちプローブ光P３の光路長を１２ｍｍ延ばす必要がある。
【００２６】
比較例として図２のように１つの可動鏡１１を用いた場合、光路長を１２ｍｍ延ばすためには、可動鏡１１を固定鏡１２に対して６ｍｍ移動する必要がある。これに対して、２つの対向する可動鏡９ａ，１０ａを用いた場合、対向する可動鏡９ａ，１０ａをそれぞれ反対方向へ３ｍｍ移動させればよい（可動鏡９ａ，１０ａの移動距離は必要な光路長１２ｍｍの１／４倍である）。
【００２７】
なお、可動鏡９ａ，１０ａの移動距離を１／２倍にすることで、移動速度を同じにすれば所定の光路長を得るための時間を１／２倍にすることができる。また、所定の光路長を得るための時間を同じにすれば、移動速度を１／２倍にすることができ、振動を低減することができる。更に、対向する可動鏡９ａ，１０ａが反対方向へ移動するため、互いの振動が打消し合う。
【００２８】
この実施形態によれば、可動鏡９ａ，１０ａの移動距離が１／２倍となるので、短時間で光路長を変えることが可能であるとともに、対向する可動鏡９ａ，１０ａが反対方向へ移動するため、互いの振動が打消し合って振動を小さくできる。
【００２９】
図４は時間遅延ステージの変形例を示す概念図である。
【００３０】
この時間遅延ステージは可動鏡１９ａ，２０ａと固定鏡１９ｂ，２０ｂと可動鏡１９ａ，２０ａを駆動するための図示しない駆動手段とを備えている。可動鏡１９ａ，２０ａと固定鏡１９ｂ，２０ｂと光路長変更光学系が構成される。
【００３１】
可動鏡１９ａ，２０ａ、固定鏡１９ｂ，２０ｂは同一形状である。
【００３２】
可動鏡１９ａはそれぞれほぼ直角をなす反射面Ｒ１，Ｒ２と反射面Ｒ３，Ｒ４とを有する。
【００３３】
固定鏡１９ｂはそれぞれほぼ直角をなす反射面Ｒ５，Ｒ６と反射面Ｒ７，Ｒ８とを有する。
【００３４】
可動鏡１９ａと固定鏡１９ｂとは次のように配置される。
【００３５】
反射面Ｒ６と反射面Ｒ１とが対向し、反射面Ｒ２と反射面Ｒ７とが対向し、反射面Ｒ８と反射面Ｒ３とが対向する。
【００３６】
可動鏡２０ａはそれぞれほぼ直角をなす反射面Ｒ１１，Ｒ１２と反射面Ｒ１３，Ｒ１４とを有する。
【００３７】
固定鏡２０ｂはそれぞれほぼ直角をなす反射面Ｒ１５，Ｒ１６と反射面Ｒ１７，Ｒ１８とを有する。
【００３８】
可動鏡２０ａと固定鏡２０ｂとは次のように配置される。
【００３９】
反射面Ｒ１６と反射面Ｒ１１とが対向し、反射面Ｒ１２と反射面Ｒ１７とが対向し、反射面Ｒ１８と反射面Ｒ１３とが対向する。
【００４０】
また、反射面Ｒ５と反射面Ｒ１５とは一方で反射した光を他方が受ける関係である。
【００４１】
この変形例の場合、図からわかるように、プローブ光Ｐ３は時間遅延ステージで１６回反射を繰り返すので、可動鏡１９ａ，２０ａの移動距離は時間遅延に必要な光路長の１／８倍となる。
【００４２】
この変形例によれば、第１実施形態より短時間で光路長を変えることができ、振動を小さくできる。
【００４３】
図５は時間遅延ステージの他の変形例を示す概念図である。
【００４４】
時間遅延ステージは可動鏡２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａと可動鏡２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａを駆動するための図示しない可動部材、駆動手段とを備えている。可動鏡２１ａと２２ａとの対、及び可動鏡２３ａと２４ａとの対を成す複数対の鏡ユニットで光路長変更光学系が構成される。
【００４５】
可動鏡２２ａ，２３ａは互いに振動を打ち消すように反対方向へ動き、可動鏡２１ａ，２４ａは互いに振動を打ち消すように反対方向へ動く。かつ、可動鏡２１ａ，２３ａは同じ方向へ動き、可動鏡２２ａ，２４ａは同じ方向へ動く。
【００４６】
具体的には、例えば、可動鏡２１ａと２２ａとが互いに接近する方向へ動く場合には、可動鏡２３ａと２４ａとは互いに接近する方向に同時に同速度で且つ同距離を連続的に移動する。
【００４７】
この変形例の場合、可動鏡２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａの移動距離は必要な光路長の１／８倍となる。
【００４８】
この変形例によれば、第１実施形態より短時間で光路長を変えることができ、振動を小さくできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１はこの発明の第１実施形態に係るテラヘルツ分光装置を示す概念図である。
【図２】図２は図１のテラヘルツ分光装置の比較例に係る時間遅延ステージを示す概念図である。
【図３】図３（ａ）は時間遅延ステージの側面図、図３（ｂ）はその平面図である。
【図４】図４は時間遅延ステージの変形例を示す概念図である。
【図５】図５は時間遅延ステージの他の変形例を示す概念図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：レーザ光源、２：ビームスプリッタ、３：テラヘルツ波発生器、８：時間遅延ステージ、９ａ，１０ａ，１９ａ，２０ａ，２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ：可動鏡（鏡）、９ｂ，１０ｂ，１９ｂ，２０ｂ：固定鏡（鏡）、１５：モータ（駆動手段）、１６：クランク機構（可動部材）。
【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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