(57)【要約】【課題】可動鏡などの光路長変化機構の機械的振動による信号対雑音比の低下を低減させることができるテラヘルツ波装置及びその動作方法を提供する。【解決手段】テラヘルツ波装置は、光源１０１、テラヘルツ波発生器１１０、テラヘルツ波検出器１１１、光源から発せられテラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光１０３の光路長を変化させる光路長変化機構１０６を有する。テラヘルツ波装置は、更に、発生側ポンプ光の強度を増減させる強度増減機構１０５と、光路長変化機構を停止させた状態で発生側ポンプ光の照射位置をテラヘルツ波発生器１１０に対して変動させる光軸変調機構１０９を備える。また、テラヘルツ波検出器で検出されるテラヘルツ波のピーク電場、及び光軸変調に対するテラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する取得機構１１５と、テラヘルツ波発生器を流れる電流を測定する電流測定機構１１４を備える。【選択図】図１
2012145383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、及び前記光源から発せられ前記テラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる光路長変化機構を有するテラヘルツ波装置の動作方法であって、
前記光路長変化機構を、前記テラヘルツ波発生器からのテラヘルツ波のピークが前記テラヘルツ波検出器で観測される位置で停止させる停止ステップと、
前記発生側ポンプ光の強度を上昇させる上昇ステップと、
前記テラヘルツ波発生器から継続してテラヘルツ波が発生する範囲で前記発生側ポンプ光の照射位置を前記テラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調を行い、前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する変動値取得ステップと、
を有し、
前記発生側ポンプ光の強度を、零から、前記テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、前記上昇ステップから変動値取得ステップを繰り返し、
前記変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定することを特徴とする動作方法。
【請求項２】
光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、及び前記光源から発せられ前記テラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる光路長変化機構を有するテラヘルツ波装置の動作方法であって、
前記光路長変化機構を、前記テラヘルツ波発生器からのテラヘルツ波のピークが前記テラヘルツ波検出器で観測される位置で停止させる停止ステップと、
前記発生側ポンプ光の強度を上昇させる上昇ステップと、
前記テラヘルツ波発生器から継続してテラヘルツ波が発生する範囲で前記発生側ポンプ光の照射位置を前記テラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調を行い、前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する変動値取得ステップと、
前記光軸変調を停止し、前記テラヘルツ波のピーク電場を取得するピーク電場取得ステップと、
を有し、
前記発生側ポンプ光の強度を、零から、前記テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、前記上昇ステップからピーク電場取得ステップを繰り返し、
前記変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定することを特徴とする動作方法。
【請求項３】
前記変動値取得ステップにおける光軸変調を、光軸変調停止時の前記発生側ポンプ光のビームプロファイル範囲内で前記発生側ポンプ光の中心が移動する様に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の動作方法。
【請求項４】
前記テラヘルツ波発生器に流れる電流の前記発生側ポンプ光の強度に対する２階微分を取得する２階微分取得ステップを更に有し、
前記発生側ポンプ光の強度を、零から、前記２階微分が負から正に転じる時のポンプ光強度までの範囲で変化させて、前記上昇ステップから変動値取得ステップまたは前記上昇ステップからピーク電場取得ステップを繰り返すことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の動作方法。
【請求項５】
前記光軸変調を行わずに、前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する無変調変動値取得ステップを更に有し、
前記変動値取得ステップで取得した前記ピーク電場変動値と、該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得した前記ピーク電場の大きさで除した値とのいずれかが、
前記無変調変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値と、該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得した前記ピーク電場の大きさで除した値とのいずれかと同等の値を与える時のポンプ光強度以下の範囲で前記発生側ポンプ光の強度を変化させて、前記上昇ステップから変動値取得ステップまたは前記上昇ステップからピーク電場取得ステップを繰り返すことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の動作方法。
【請求項６】
前記変動値取得ステップで取得した前記ピーク電場変動値、或いは該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得した前記ピーク電場の大きさで除した値に変曲点を与えるポンプ光強度以上の値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の動作方法。
【請求項７】
前記光軸変調を行わずに、前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する無変調変動値取得ステップを更に有し、
前記変動値取得ステップで取得した前記ピーク電場変動値、或いは該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値が、
前記無変調変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値、或いは該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値と同等の値を与える時のポンプ光強度の値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の動作方法。
【請求項８】
前記ピーク電場変動値が最小になるよう、前記発生側ポンプ光の集光範囲のテラヘルツ波発生器に対する相対位置或いは前記発生側ポンプ光の集光範囲の大きさを決定するステップを更に有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の動作方法。
【請求項９】
光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、前記光源から発せられ前記テラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる光路長変化機構を有するテラヘルツ波装置であって、
前記発生側ポンプ光の強度を増減させる強度増減機構と、
前記光路長変化機構を停止させた状態で前記発生側ポンプ光の照射位置を前記テラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調機構と、
前記テラヘルツ波検出器で検出されるテラヘルツ波のピーク電場、及び前記光軸変調に対する前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する取得機構と、
前記テラヘルツ波発生器を流れる電流を測定する電流測定機構と、
を有することを特徴とするテラヘルツ波装置。
【請求項１０】
前記光軸変調機構は、前記テラヘルツ波発生器に前記発生側ポンプ光を入射させるミラーに機械的振動を与える機構であることを特徴とする請求項９に記載のテラヘルツ波装置。
【請求項１１】
前記光軸変調機構は、前記テラヘルツ波発生器に前記発生側ポンプ光を入射させるミラーに音波を照射して機械的振動を与える機構であることを特徴とする請求項９または１０に記載のテラヘルツ波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚのいわゆるテラヘルツ波と呼ばれる周波数領域の電磁波を用いたテラヘルツ波装置及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、テラヘルツ波の技術開発が盛んに行われている。テラヘルツ波を用いた装置（例えば分光装置、誘電率測定装置、検査装置、イメージング装置）として、特許文献１に開示された装置が知られている。このテラヘルツ波装置は、テラヘルツ波発生器と、テラヘルツ波検出器と、時間遅延器を備える。時間遅延器は、レーザ光源から出射された励起用レーザ光が、テラヘルツ波発生器及びテラヘルツ波検出器に到着するまでの両時間の差を変える機能を有する。時間遅延量に応じた電場強度を計測することで、テラヘルツ波の時間波形を取得する。このテラヘルツ波装置における時間遅延器は、可動鏡からなっている。可動鏡を移動させることで、レーザ光源から出射された励起用レーザ光が、発生器及び検出器に到着するまでの両時間の差を変える。一般的には、テラヘルツ波発生器とテラヘルツ波検出器のどちらか一方に入射する励起光の光路長を可動鏡で増減させて時間差を変える。
【０００３】
しかし、可動鏡を機械的に動作させることで、可動鏡の機械的振動が発生する。可動鏡の機械的振動により励起用レーザ光の光軸が僅かに変動し、励起用レーザ光の照射位置が振動的に変化する。それに伴って、発生または検出するテラヘルツ波の信号強度が増減し、雑音が生じるため、信号対雑音比が悪くなる。
【０００４】
励起用レーザ光の光軸の変動を抑制する目的で、特許文献２は可動鏡の機械的振動を低減する方法を開示している。また、これらとは別に、テラヘルツ波発生器に照射するレーザ光強度によって、発生するテラヘルツ波電場のピーク値がどの様に変化するかに関する研究が、非特許文献１に記載されている。非特許文献１によれば、レーザ光強度が強くなるほどテラヘルツ波電場のピーク値も強くなるが、やがて飽和する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９８６３４号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３４５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Applied Optics Vol.36, No.30, p7853 (1997), Tani et.al., “Emission characteristics of photoconductiveantennas based on low-temperature-grown GaAs and semi-insulating GaAs”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２に開示された様に可動鏡の機械的振動を抑制するためには、複雑な機構が必要であり、テラヘルツ波装置の大型化や高価格化の要因となる。そこで、本発明の目的は、上記事情に鑑み、機械的振動を抑制するための複雑な機構を用いずに信号対雑音比を向上させることができるテラヘルツ波装置及びその動作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、及び光源から発せられテラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる機構を有するテラヘルツ波装置における本発明の動作方法は、以下のステップを有する。
前記光路長変化機構を、前記テラヘルツ波発生器からのテラヘルツ波のピークが前記テラヘルツ波検出器で観測される位置で停止させる停止ステップ。
前記発生側ポンプ光の強度を上昇させる上昇ステップ。
前記テラヘルツ波発生器から継続してテラヘルツ波が発生する範囲で前記発生側ポンプ光の照射位置を前記テラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調を行い、前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する変動値取得ステップ。
そして、前記発生側ポンプ光の強度を、零から、前記テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、前記上昇ステップから変動値取得ステップを繰り返す。更に、前記変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定する。
【０００９】
或いは、前記光軸変調を停止し、前記テラヘルツ波のピーク電場を取得するピーク電場取得ステップを更に含んでもよい。この場合、前記発生側ポンプ光の強度を、零から、前記テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、前記上昇ステップからピーク電場取得ステップを繰り返す。そして、前記変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、前記発生側ポンプ光の強度として設定する。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、光源から発せられテラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる光路長変化機構を有する本発明のテラヘルツ波装置は以下の構成要素を備える。
前記発生側ポンプ光の強度を増減させる強度増減機構。
前記光路長変化機構を停止させた状態で前記発生側ポンプ光の照射位置を前記テラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調機構。
前記テラヘルツ波検出器で検出されるテラヘルツ波のピーク電場、及び前記光軸変調に対する前記テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する取得機構。
前記テラヘルツ波発生器を流れる電流を測定する電流測定機構。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のテラヘルツ波装置及びその動作方法によれば、発生側ポンプ光の強度を適切に設定することで、複雑な機構を用いずに前記光路長を変化させる機構の機械的振動に由来する雑音を低減し、信号対雑音比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のテラヘルツ波装置の一実施形態の模式図。
【図２】テラヘルツ波発生光伝導素子を説明する上面図。
【図３】テラヘルツ波ピーク電場及びピーク電場変動値のグラフ。
【図４】本発明のテラヘルツ波装置の動作方法の一実施形態のフローチャート。
【図５】テラヘルツ波ピーク電場及びピーク電場変動値の他のグラフ。
【図６】本発明のテラヘルツ波装置の動作方法の他の実施形態のフローチャート。
【図７】テラヘルツ波ピーク電場及びピーク電場変動値の他のグラフ。
【図８】光軸変調機付ミラーの例を示す図。
【図９】光軸変調機付ミラーの他の例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のテラヘルツ波装置の動作方法の特徴は、次の点にある。即ち、発生側ポンプ光の強度を、零から、テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、上記上昇ステップから上記変動値取得ステップまたは上記ピーク電場取得ステップを繰り返す。そして、変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値或いはこれをピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、発生側ポンプ光の強度として設定する。この動作方法は、光源、テラヘルツ波発生器、テラヘルツ波検出器、光源から発せられテラヘルツ波発生器に入射する発生側ポンプ光の光路長を変化させる光路長変化機構に加えて以下の構成要素を備えるテラヘルツ波装置により好適に実施することができる。即ち、装置は、更に、発生側ポンプ光の強度増減機構、光路長変化機構の停止状態で発生側ポンプ光の照射位置を変動させる機構、検出テラヘルツ波のピーク電場とピーク電場変動値を取得する機構、テラヘルツ波発生器を流れる電流を測定する機構を備える。
【００１４】
以下に、本発明をより具体的に説明する。
図１は、本発明のテラヘルツ波装置の動作方法及びその装置の一例を示す模式図である。いわゆるテラヘルツ波時間領域分光法と呼ばれる装置である。光源としてのパルスレーザ光源１０１から出射された励起光であるレーザ光は、ビームスプリッター１０２によって、発生側ポンプ光であるポンプ光１０３と、検出側励起光であるプローブ光１０４に分割される（レーザ光は太い実線で表示している）。ポンプ光１０３は、発生側レーザ光の強度を増減させる強度増減機構であるポンプ光強度調整機１０５（例えばバリアブルアッテネータ）を経て任意のポンプ光強度に調整された後、光路長変化機構である可動鏡１０６を経て光路を折り返される。可動鏡１０６は、リニアステージに搭載したリトロリフレクターなどからなる。その後、ポンプ光１０３は一部がビームスプリッター１０７によって分けられ、パワーメータ１０８でポンプ光強度がモニターされる。ビームスプリッター１０７を透過したポンプ光１０３は、レーザ光の集光位置を変動させるために光軸変調が可能な光軸変調機付ミラー１０９によって、テラヘルツ波発生器であるテラヘルツ波発生光伝導素子１１０に入射させられる。光軸変調機付ミラー１０９は、上記光路長変化機構を停止させた状態で発生側ポンプ光の照射位置をテラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調機構である。発生したテラヘルツ波は、放物面鏡を経てテラヘルツ波検出器であるテラヘルツ波検出光伝導素子１１１に入射する。一方、プローブ光１０４は、テラヘルツ波が検出光伝導素子１１１に入射するのと同じタイミングで、検出光伝導素子１１１にテラヘルツ波とは反対側から入射する。検出光伝導素子１１１に流れる電流を計測することで、テラヘルツ波の電場が観測される。
【００１５】
テラヘルツ波検出光伝導素子１１１に流れる電流は微弱なため、変調を用いた同期検波がよく使われる。例えば、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０に与える電圧を変調させたり、またはポンプ光を光学チョッパーによって変調させたりして、変調に同期してロックインアンプで検出光伝導素子１１１に流れる電流を検出する。本実施形態では、発生光伝導素子１１０に電圧を与える電源１１２を通じて変調させ、変調信号をロックインアンプ１１３に入力して、同期検波する。また、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０に流れる電流をモニターするマルチメータ１１４が設けられている。マルチメータ１１４は、テラヘルツ波発生器を流れる電流を測定する電流測定機構である。そしてコンピュータ１１５に、パワーメータ１０８、マルチメータ１１４、ロックインアンプ１１３からの情報が全て集まる様になっている。またコンピュータ１１５から、ポンプ光強度調整機１０５、電源１１２を制御できる様になっている。コンピュータ１１５は、テラヘルツ波検出器で検出されるテラヘルツ波のピーク電場、及び上記光軸変調に対するテラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する取得機構などを含む。
【００１６】
本実施形態では、テラヘルツ波の発生や検出に用いられる光伝導素子は、低温成長ガリウムヒ素（以下、GaAs）などの化合物半導体上に、図２に示す様な対を成す二つの電極２１a、２１bを設けることによって構成されている。二つの電極は、典型的には５μmのギャップ２２を空けて対向して設置されている。ポンプ光１０３は、レンズ等（図示せず）によりテラヘルツ波発生光伝導素子１１０のギャップ２２に集光照射される。集光されたポンプ光の範囲を、図２中に円で表す（ポンプ光集光範囲２３）。
【００１７】
可動鏡１０６が前後に動くと、ポンプ光１０３の光軸が僅かに変化し、ポンプ光集光範囲２３の位置が若干移動する。これは、可動鏡１０６の振動がポンプ光１０３に伝わるために起こる。この現象によって、発生するテラヘルツ波の強度が振動的に変化し、得られるテラヘルツ波の信号に可動鏡１０６の振動が重畳される。こうして、発生するテラヘルツ波の強度に揺らぎが生じて雑音が増えるため、信号対雑音比が悪化する。そこで、本実施形態では、以下の述べる工夫がなされている。
【００１８】
ポンプ光１０３の強度をIとすると、テラヘルツ波ピーク電場とポンプ光強度は次式の関係にあることが知られている。
【００１９】
【数１】
2012145383.tif 000003
【００２０】
ここで、ETHzはテラヘルツ波ピーク電場の大きさである。またISは、飽和時の半分の値のテラヘルツ波ピーク電場を与えるポンプ光強度である。ポンプ光強度の増加に伴いテラヘルツ波ピーク電場は飽和する。集光されたポンプ光のビームプロファイルとして、ガウス分布を仮定すると、前述の式１は次の式２の様になる。
【００２１】
【数２】
2012145383.tif 000004
【００２２】
ただし、I0はビームプロファイル中心部の強度、wは1/e2半径（強度がI0の1/e2以上の部分の半径）、aはギャップ２２とポンプ光集光範囲２３の中心との距離を示す（図２参照）。ここでは、議論が複雑にならないよう単純な仮定を採用し、ギャップ２２はポンプ光集光範囲２３に対して充分小さいとした。可動鏡１０６の振動によって、式２中のaの値が変化する。よって、可動鏡１０６の振動によるテラヘルツ波ピーク電場変動値Aは、式２をaで微分することで得られる。
【００２３】
【数３】
2012145383.tif 000005
【００２４】
式２（ピーク電場ETHz）及び式３（ピーク電場変動値A）をポンプ光強度I0の関数として表すと、それぞれ図３に示したグラフの様になる。即ち、テラヘルツ波ピーク電場が飽和に達する前にテラヘルツ波ピーク電場変動値は最大値に達する。それ以上では、ポンプ光強度の増加に伴ってテラヘルツ波ピーク電場変動値は減少し、結果として可動鏡１０６の振動による影響が低減されることが分かる。
【００２５】
上記議論では、図２のポンプ光集光範囲２３はギャップ２２を無視できるくらい大きいと仮定したが、現実には常にその様な大小関係になっているとは限らない。また同様に、ポンプ光の集光ビームプロファイルも常に理想的なガウス分布になっているとは限らない。このため、テラヘルツ波ピーク電場変動値が減少し始めるポンプ光強度を事前に計算によって求めることが常に可能であるとは限らない。しかし、テラヘルツ波ピーク電場変動値のポンプ光強度依存性そのものは、概ね図３に示したグラフに従っていると考えられる。
【００２６】
そこで、実用上はテラヘルツ波ピーク電場及びその変動値をモニターしながらポンプ光強度を徐々に上昇させ、テラヘルツ波ピーク電場変動値が低いポンプ光強度を実験的に求める。ところで、テラヘルツ波ピーク電場を連続的にモニターするためには、可動鏡１０６を停止させなければならない。可動鏡１０６を停止させると、可動鏡１０６に由来するテラヘルツ波ピーク電場の変動が発生しないため、適切なポンプ光強度を実験的に求めることができない。そこで本発明では、光軸変調機付ミラー１０９などを用いて、ギャップ２２とポンプ光集光範囲２３の相対位置に意図的に振動を与え、仮想的に可動鏡１０６が動作しているのと同じ状況を作り出す。これを、本明細書では光軸変調と呼ぶ。光軸変調機付ミラー１０９には、ピエゾ素子による微小振動アクチュエータを内蔵して、反射面の角度や位置を任意の周波数と振幅で振動させることができる装置などを用いる。この際、ポンプ光１０３のテラヘルツ波発生器に対する入射角を大きく変えすぎてはいけない。具体的には、ポンプ光集光範囲２３と同程度の範囲内の変調が好ましい。つまり、変動値取得ステップにおける光軸変調を、光軸変調停止時の発生側ポンプ光のビームプロファイル範囲内で発生側ポンプ光の中心が移動する様に行うのが好ましい。光軸変調によってポンプ光照射位置がギャップ２２からずれて、テラヘルツ波が継続して発生しない状況は好ましくない。
【００２７】
例えば、テラヘルツ波ピーク電場変動が最大になる時のポンプ光強度を超えるポンプ光強度に設定することで、可動鏡１０９の振動の影響を低減することができる。また例えば、テラヘルツ波ピーク電場変動が減少に転じ、変曲点を与えるポンプ光強度、或いはこの強度以下の任意の値に設定することで、可動鏡１０９の振動の影響をより低減できるため、この設定方法も好ましい。
【００２８】
一方で、ポンプ光強度１０３が必要以上に強すぎると、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０が破損する恐れがある。例えば、光伝導素子１１０を構成する低温成長GaAsなどのIII-V族化合物半導体の光学的端面破壊が発生する強度は、１０６W/cm２以上である。通常、テラヘルツ波装置で用いるポンプ光強度は１０〜１００mWであるが、レンズで集光することで、上記強度に達する恐れがある。そこで、パワーメータ１０８を用い、ポンプ光集光範囲２３におけるポンプ光が光学的端面破壊を起こさないようその強度を制限する。
【００２９】
また、ポンプ光強度１０３が必要以上に強すぎると、別の要因によりテラヘルツ波発生光伝導素子１１０が破損する恐れがある。強力なポンプ光によってポンプ光集光範囲２３が過熱されたり、または過剰なフォトキャリアが発生したりすることによって、光伝導素子１１０の電気抵抗が急激に減少し、ついには破壊に至るという現象が知られている。これを未然に防ぎ、ポンプ光強度を必要以上に強くしないために、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０を流れる電流をマルチメータ１１４で測定する。これにより、観測される電流がポンプ光強度の上昇によって急増し始めたら、直ちにポンプ光強度を低下させ、光伝導素子１１０の破壊を未然に防ぐ。
【００３０】
また、上記式３に従えばポンプ光強度１０３が強くなるに従い、テラヘルツ波ピーク電場変動はゼロに漸近するが、現実には或る一定値以下には下がらないと考えられる。特に、光軸変調機付ミラー１０９を動作させない状態で元々存在するノイズレベル以下には下がらない。よって、まず、光軸変調機付ミラー１０９を動作させ、ポンプ光強度を上昇させ、テラヘルツ波電場ピーク変動値を求める（この値をAとする）。そして、その時のポンプ光強度で、光軸変調機付ミラー１０９を動作させない状態においてテラヘルツ波ピーク電場変動値を求め（この値をBとする）、B=Aとなった時点でそれ以上のポンプ光強度上昇を停止する。即ち、光軸変調を行わずに、テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する無変調変動値取得ステップを行う。そして、ピーク電場変動値、或いはこれをピーク電場の大きさで除した値が、無変調変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値、或いはこれをピーク電場の大きさで除した値と同等の値を与える時の光強度の値を、発生側ポンプ光の強度として設定する。こうすれば、この同等の値を与える時のポンプ光強度以下の範囲で発生側ポンプ光の強度を変化させることができる。
【００３１】
なお、本実施形態ではテラヘルツ波発生器及びテラヘルツ波検出器として光伝導素子を挙げたが、非線形結晶を用いた発生や電気光学効果を用いた検出などを用いても良い。以上、可動鏡１０９の振動の影響を低減するためのポンプ光強度に設定することが可能なテラヘルツ波装置の動作方法及びその装置について述べたが、以下に、より具体的なポンプ光強度設定方法などについて説明する。
【００３２】
（実施形態１）
図４に示したフローチャートで、可動鏡１０９の振動の影響を低減するためのポンプ光強度設定方法などに係る実施形態１について説明する。図４において、光路長変化機構である可動鏡１０６を、テラヘルツ波ピーク電場が観測できる位置に移動させる。こうして、光路長変化機構を、テラヘルツ波発生器からのテラヘルツ波のピークがテラヘルツ波検出器で観測される位置で停止させる停止ステップを行う。その後、試行回数nを定義し、最初にn=1とする。次に、光軸変調機付ミラー１０９の動作を開始し、ポンプ光強度を１段階（例えば０．５mW）上昇させる。この時、パワーメータ１０８にてポンプ光強度I(n)を取得する。そして、光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)を取得する。こうして、発生側ポンプ光の強度を上昇させる上昇ステップを行う。また、テラヘルツ波発生器から継続してテラヘルツ波が発生する範囲で発生側ポンプ光の照射位置をテラヘルツ波発生器に対して変動させる光軸変調を行い、テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する変動値取得ステップを行う。
【００３３】
次に、光軸変調機付ミラー１０９の動作を停止する。そして、光軸無変調時のテラヘルツ波ピーク電場Ｅ(n)を取得する。こうして、光軸変調を停止し、テラヘルツ波のピーク電場を取得するピーク電場取得ステップを行う。また、光軸無変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値B(n)を取得し、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０に流れる光電流値C(n)を取得し、この光電流値C(n)のポンプ光強度に対する２階微分を取得する。この時、ポンプ光強度変調機１０５を用いてポンプ光強度を変調させて２階微分を取得する。ただし、数値計算によって２階微分を得ても良い。こうして、光軸変調を行わずに、テラヘルツ波のピーク電場変動値を取得する無変調変動値取得ステップが行われる。また。テラヘルツ波発生器に流れる電流の発生側ポンプ光の強度に対する２階微分を取得する２階微分取得ステップが行われる。
【００３４】
続いて、得られた各パラメータを用いて以下の各判断を行う。
（第１判断）ポンプ光強度I(n)が、半導体の光学的端面破壊を引き起こす強度ICOD以上であれば、ポンプ光強度を１段階低いI(n-1)に設定して終了する。一方、ICOD未満であれば、次の第２判断に移る。
（第２判断）光電流値C(n)が、予め設定した電流値Cmax（例えば１００mA）以上であれば、ポンプ光強度を１段階低いI(n-1)に設定して終了する。一方、Cmax未満であれば、次の第３判断に移る。
（第３判断）光電流値のポンプ光強度に対する２階微分d２C(n)/dI(n)２が負から正に転じたら、電流値の急上昇傾向と判断し、ポンプ光強度を１段階低いI(n-1)に設定して終了する。つまり、発生側ポンプ光の強度を、零から、前記２階微分が負から正に転じる時のポンプ光強度までの範囲内で変化させる様にする。一方、負或いはゼロであれば、次の第四判断に移る。
（第４判断）光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)が１試行前の値A(n-1)を超えていれば、最初に戻り同様の動作を繰り返す（nをn+1として次の試行を行う）。A(n-1)以下であれば、次の第５判断に移る。
（第５判断）光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)が光軸無変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値B(n)を超えていれば、最初に戻り同様の動作を繰り返す（nをn+1として次の試行を行う）。B(n)以下であれば、ポンプ光強度をI(n)に設定して終了する。この様にして、発生側ポンプ光の強度を、零から、テラヘルツ波発生器に光学的端面破壊が生じるポンプ光強度より低い範囲内の範囲で変化させて、上記ステップを繰り返す。
【００３５】
こうして、可動鏡１０９の振動の影響を低減し、かつテラヘルツ発生光伝導素子１１０が損傷しないポンプ光強度を設定することができる。つまり、変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、発生側ポンプ光の強度として設定することができる。ここで、各種判断においては安全係数を用いても良い。例えば、安全係数をα（<1）として、各段階での判断（例えば第１判断）でI(n)>αICODまたはI(n)<αICODという様な判断を行う。こうすれば、より確実に半導体の光学的端面破壊などを防止できる。
【００３６】
図５に、こうした一連のフローにより到達するポンプ光強度がどの様な大小関係にあるかを表したグラフを示す。適切なポンプ光強度Ioptは、図中に示したIminとImaxの間にあることが示されている。本実施形態では、ポンプ光強度を段階的に変化させているが、ポンプ光強度を連続的に変化させ、サーボ機構等によって適切なポンプ光強度に達する方法でも良い。また、テラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)が明瞭なピークを持たない様な場合は、上記第４判断は省略しても良い。例えば、A(n)のピークを与えるポンプ光強度が非常に小さく、実質上A(n)がポンプ光強度増大に対して単調減少する様な場合はこうしても良い。また、テラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)を用いる代わりに、テラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)をピーク電場E(n)で除した比ピーク電場変動値S(n)=A(n)/E(n)を定義し、これを用いても良い。つまり、上記変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値を上記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値に最大値を与えるポンプ光強度を超える値を、発生側ポンプ光の強度として設定しても良い。
【００３７】
本実施形態に示したテラヘルツ波装置やその動作方法を用いることで、テラヘルツ波装置の動作に熟練していない人物でも適切なポンプ光強度が設定できる上、人物の癖による偏りなどを排除できる。
【００３８】
（実施形態２）
本発明の実施形態２を以下に説明する。光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場は、テラヘルツ波ピーク電場E(n)と、変調による変動成分A(n)の和となっている。通常E(n)>A(n)であり、テラヘルツ波ピーク電場からその変動成分を検出するには高いダイナミックレンジが必要である。
【００３９】
そこで、実施形態２では、実施形態１に示した光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)を取得する方法において、光軸変調機付ミラー１０９による光軸変調と同期した同期検波を行う。これにより、テラヘルツ波ピーク電場変動成分A(n)のみを検出できるので、高いダイナミックレンジが不要となる。本実施形態の場合、実施形態１に示した第５判断を、A(n)=0かそれと同等に達したらYesに進み、それ以上であればNoに進むとする。
【００４０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３を以下に説明する。図６に示したフローチャートで、可動鏡１０９の振動の影響を低減するためのポンプ光強度設定方法などに係る実施形態３について説明する。
【００４１】
図６において、光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)を取得するまでは、図４と同じである。本実施形態では、次に、光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)の、ポンプ光強度I(n)に対する１階微分dA(n)/dI(n)を取得する。これ以降は、光軸変調機付ミラー１０９の動作を停止する。そして、光軸無変調時のテラヘルツ波ピーク電場Ｅ(n)を取得する。また、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０に流れる光電流値C(n)を取得し、この光電流値C(n)のポンプ光強度に対する２階微分を取得する。この時、ポンプ光強度変調機１０５を用いてポンプ光強度を変調させて２階微分を取得する。ただし、数値計算によって２階微分を得ても良い。
【００４２】
続いて、得られた各パラメータを用いて以下の判断を行う。
（第１判断）から（第４判断）までは図４と同じである。本実施形態では、第５判断は次の様に行われる。
（第５判断）光軸変調時のテラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)の、ポンプ光強度I(n)に対する１階微分dA(n)/dI(n)が、dA(n)/dI(n)<dA(n-1)/dI(n-1)の関係を満たしていれば、最初に戻り同様の動作を繰り返す。つまり、nをn+1として次の試行を行う。他方dA(n)/dI(n)>dA(n-1)/dI(n-1)を満たし、dA(n)/dI(n)が極小値に達したら、前記ピーク電場変動値A(n)が変曲点に達したと判断して、ポンプ光強度をI(n)に設定して終了する。こうして、変動値取得ステップで取得したピーク電場変動値、或いは該ピーク電場変動値を前記ピーク電場取得ステップで取得したピーク電場の大きさで除した値に変曲点を与えるポンプ光強度以上の値を、発生側ポンプ光の強度として設定することができる。
【００４３】
dA(n)/dI(n)の取得には、ポンプ光強度調整機１０５を用いてポンプ光強度を変調させ、ロックインアンプ１１３を用いて同期検波を行うことで取得する。或いは、計算によって求めても良い。また、テラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)が明瞭なピークを持たない様な場合は、上記第４判断は省略しても良い。また、テラヘルツ波ピーク電場変動値A(n)を用いる代わりに、テラヘルツ波ピーク電場変動SN比S(n)をS(n)=A(n)/E(n)と定義し、これを用いても良い。
【００４４】
図７に、こうした一連のフローにより到達するポンプ光強度がどの様な大小関係にあるかを表したグラフを示す。適切なポンプ光強度Ioptは、図中に示したIminとImaxの間にあることが示されている。本実施形態の動作方法は、前記ピーク電場変動値A(n)が減少に転じた後、変曲点に達したところで、可動鏡１０６の振動の影響を充分低減できたと判断し、それ以上のポンプ光増加を行わないという指針に基づいている。本実施形態による動作方法は、実施形態１に比べてポンプ光強度を低めに抑えられることがあり、テラヘルツ波発生光伝導素子１１０を損傷する可能性をより低く抑えられることがあるという特徴を有する。
【００４５】
（実施形態４）
本発明の実施形態４を以下に述べる。本実施形態では、図１における光軸変調機付ミラー１０９が、図８に示す様にピエゾ素子８１を有し、これによりミラー８２の角度を変えることで、ポンプ光８３の角度を変え、光軸を変調させる。つまり、本実施形態では、光軸変調機構が、テラヘルツ波発生器に発生側ポンプ光を入射させるミラーに機械的振動を与える機構である。
【００４６】
ここでは、可動鏡１０６の振動によるポンプ光１０３の光軸変動の様子（周波数や振幅）を予め取得しておき、ピエゾ素子８１を用いて光軸変調機付ミラー１０９によって光軸変調を再現する。ピエゾ素子を用いることで、光軸変調の程度を任意に調節できる。また、本実施形態は、どの周波数の光軸変動が特に信号対雑音比の悪化原因となっているかを分析するのに特に適している。
【００４７】
（実施形態５）
本発明の実施形態５を以下に述べる。本実施形態では、光軸変調機付ミラー１０９は、図９に示す様にスピーカー９１と集音板９２を有する。予め、可動鏡１０６の振動によって発せられる振動音を録音しておき、この振動音をスピーカー９１で再生して発する。集音板９２によって音波が機械的振動となりミラー９３を振動させ、ミラー９３の振動によってポンプ光９４の光軸が変動する。つまり、本実施形態では、上記光軸変調機構は、テラヘルツ波発生器に発生側ポンプ光を入射させるミラーに音波を照射して機械的振動を与える機構である。本実施形態は、ピエゾ素子の応答速度を上回る高周波の振動や、振幅の小さい振動を再現して光軸を変調するのにより適している。
【００４８】
（実施形態６）
本発明の第６の実施形態を以下に述べる。実施形態１では、光軸変調機付ミラー１０９を用いてポンプ光強度を最適な値に設定することで、可動鏡１０６の振動の影響を低減する。この時、ポンプ光１０３のテラヘルツ波発生光伝導素子１１０への入射位置やポンプ光１０３のサイズを調節して、ポンプ光集光範囲２３とギャップ２２の相対位置や、ポンプ光集光範囲２３の大きさを調節・変更してもよい。
【００４９】
即ち、本実施形態では、上記実施形態の方法でポンプ光強度を適切に設定しておいて、ポンプ光１０３のテラヘルツ波発生光伝導素子１１０への入射位置やサイズを調節して実効的なポンプ光パワーを変調する。例えば、光軸変調機付ミラー１０９を動作させてテラヘルツ波ピーク電場変動値Aをモニターしながら、ビームスプリッター１０２や可動鏡１０６の角度等を調節し、或いはテラヘルツ波発生光伝導素子１１０の手前にある不図示のレンズの位置を調節する。この様にして、テラヘルツ波ピーク電場変動値Aが最小になるよう、ポンプ光集光範囲２３とギャップ２２の相対位置やポンプ光集光範囲２３の大きさを決定する。本実施形態によれば、可動鏡１０６の機械的振動による信号対雑音比の低下を更に抑制することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０１・・・レーザ光源（光源）、１０３・・・発生側レーザ光（発生側ポンプ光）、１０５・・・ポンプ光強度調整機（強度増減機構）、１０６・・・可動鏡（光路長変化機構）、１０９・・・光軸変調機付ミラー（光軸変調機構）、１１０・・・テラヘルツ波発生光伝導素子（テラヘルツ波発生器）、１１１・・・テラヘルツ波検出光伝導素子（テラヘルツ波検出器）、１１３・・・ロックインアンプ（取得機構）、１１４・・・マルチメータ（電流測定機構）
【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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