(57)【要約】【課題】  フェムト秒レーザなどの高額な装置を追加することなく、テラヘルツ周波数を用いた物性測定の高速化を図る。【解決手段】  フェムト秒レーザ１からのレーザはポンプ光３とプローブ光４に分け、ポンプ光３でテラヘルツ波発生素子６を照射する一方、プローブ光４はビームスプリッタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃで４本に分岐し、夫々時間遅延ステージ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを介して複数のテラヘルツ波検出素子１０a〜１０dを照射する。テラヘルツ波検出素子１０a〜１０dは、プローブ光が照射された瞬間のテラヘルツ波受信強度に応じた電流を出力するので、プローブ光４ａ〜４ｄに波形測定範囲の４分の１ずつ遅れ時間を持たせることにより、測定範囲を4分割して並行処理可能とし、物性測定の高速化を実現する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェムト秒レーザをポンプ光とプローブ光に分け、前記ポンプ光をテラヘルツ波発生素子に照射し、前記プローブ光をテラヘルツ波検出素子に照射すると共に、前記テラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波をサンプルに向けて照射し、該サンプルからの透過又は反射波を前記テラヘルツ波検出素子で受光し、前記プローブ光と同期した電気信号に変換して前記サンプルの物性を測定する物性測定装置において、前記テラヘルツ波検出素子を複数個設け、該複数個のテラヘルツ波検出素子を夫々照射する各々のプローブ光を夫々異なる時間に遅延する手段を備えることを特徴とする物性測定装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ポンプ波の1サイクルの測定時間をn分割し、前記テラヘルツ波検出素子をn個設けたとき、前記各々のプローブ光の遅延時間は、上記ポンプ波の1サイクルの測定時間の１/nずつ遅延した時間とすることを特徴とする物性測定装置。
【請求項３】
請求項１において、前記サンプルからのテラヘルツ波を分割型の放物面鏡で分散集光し、前記複数個のテラヘルツ波検出素子に照射することを特徴とする物性測定装置。
【請求項４】
請求項１において、プローブ光を前記テラヘルツ波検出素子の数に応じて分岐し、前記時間遅延手段は、各々のプローブ光の光路長を変えて構成することを特徴とする物性測定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかの物性測定装置において、前記複数個のテラヘルツ波検出素子の電気信号を繋ぎ合わせて、前記ポンプ波の1サイクル分に相当するサンプルからの透過又は反射波の波形を再現することを特徴とする物性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物性測定装置に係り、特にテラヘルツ周波数を用いて分光測定を行う物性測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に0.1から10テラヘルツ程度の周波数を持つ、光と電波の境界領域にある電磁波をテラヘルツ波と呼んでいる。この領域は、従来の遠赤外線からミリ波にかけての電磁波領域と重なり、電磁波の発生と検出が難しく産業上はほとんど利用されてこなかった。近年、極超短パルスのフェムト秒レーザと光導電スイッチ型のテラヘルツ波発生素子、検出素子を用いる方法が考案され、また時間領域分光法の進展により、テラヘルツ領域の光の分光ができるようになった。
【０００３】
テラヘルツ波を使った時間領域分光法は、例えば、非特許文献１に記載されているように、テラヘルツパルス波をサンプルに入射させ、サンプルを透過、あるいは反射した後のテラヘルツパルス波を時間分解計測し電場波形を得て、その波形をフーリエ変換することにより、周波数毎の振幅と位相を得て、物質の物性測定する方法である。
【０００４】
テラヘルツの電場波形は次のようにして得ることができる。励起光となるフェムト秒レーザから発射された超短パルスをテラヘルツ波発生素子に照射するとテラヘルツ波が空中に放射され、放物面鏡などによってテラヘルツ波検出素子に集光される。テラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波発生素子と同じ構造となっており、超短パルスが照射された時のみ、受光したテラヘルツ電磁波の強度に応じた電流が流れる。したがって、励起光をビームスプリッタで分け、一方をテラヘルツ波発生素子に照射（以下ポンプ光と称す）し、他方を時間遅延を与えながらテラヘルツ波検出素子に照射（以下プローブ光と称す）し、テラヘルツ波検出素子から出力される電流値をサンプリングすれば、テラヘルツ波の電場波形が得られる。
【０００５】
周波数毎の振幅や位相は、電場波形の持つ情報量に依存するため、精度を上げるためには、細かく時間遅延しながら電流値のサンプリングをする必要があり、１つの電場波形を取得するために多大な時間が必要であった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】西澤潤一著、「テラヘルツ波の基礎と応用」工業調査会、2005年4月1日発行、p232〜243
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記背景技術による方法では、１つの物性を測定するために多大な時間を要することになることから、スループットを重視する産業向けでは大きな課題となり、測定の高速化が急務になると考えられる。
【０００８】
そこで本発明の主な目的とするところは、物質の物性測定を高速化することができ、産業一般への応用を促進することの出来る物性測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、フェムト秒レーザをポンプ光とプローブ光に分け、前記ポンプ光をテラヘルツ波発生素子に照射し、前記プローブ光をテラヘルツ波検出素子に照射すると共に、前記テラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波をサンプルに向けて照射し、該サンプルからの透過又は反射波を前記テラヘルツ波検出素子で受光し、前記プローブ光と同期した電気信号に変換して前記サンプルの物性を測定する物性測定装置において、その特徴とするところは、前記テラヘルツ波検出素子を複数個設け、この複数個のテラヘルツ波検出素子を夫々照射する各々のプローブ光を夫々異なる時間に遅延する手段を備えることにより、測定範囲を分割し、ポンプ光の一サイクル相当の波形処理を時間分割して並行処理することを可能にしたところにある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置でコスト負担の大きいフェムト秒レーザを変更、追加することなく、物質の物性測定を高速化することができるので、産業一般への今後の応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】時間領域分光法を用いたテラヘルツ分光分析装置の構成図。
【図２】時間領域分光法での時間波形整形の説明図。
【図３】本発明の一実施例に係る物性測定装置の構成図。
【図４】図３に示した一実施例の放物面鏡の構成図。
【図５】図３に示した一実施例の時間波形整形の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図示する一実施例を用いて本発明の実施の形態を説明する。
先ず、図１を用いて、時間領域分光法を用いたテラヘルツ波分光分析装置の構成及び動作を説明する。
【００１３】
一次光源であるフェムト秒レーザ１から一定周期で発射される超短パルスレーザは、ビームスプリッタ２でポンプ光３とプローブ光４に分かれる。ポンプ光３が、ミラー５で方向転換され、電源７で電圧が印加されているテラヘルツ波発生素子６に照射されると、照射面の反対側からパルス状のテラヘルツ波１４が放射される。テラヘルツ波１４は放物面鏡８によって集光され、サンプル９を透過し、サンプルの物性情報を含んだテラヘルツ波１５は、再度放物面鏡８を通して集光され、テラヘルツ波検出素子１０に到達する。
【００１４】
一方、プローブ光４は、時間遅延ステージ１３を通って、テラヘルツ波検出素子１０に電流測定トリガとして照射される。ポンプ光３とプローブ光４の光路長が同じ場合には、テラヘルツ波１５とプローブ光４がテラヘルツ波検出素子１０に到達する時間は同じである。時間遅延ステージ１３は、可動ステージにミラーが取り付けられており、このミラーの位置をプローブ光の光路長が長くなる方向に動かすことによって、プローブ光４がテラヘルツ波検出素子１０に到達する時間を遅らせることができる。時間遅延ステージ１３はコンピュータ１２によって制御されており、遅延させる時間に応じて、可動ステージを動作させている。
【００１５】
テラヘルツ波検出素子１０は、プローブ光が照射された瞬間のテラヘルツ波受信強度に応じた電流を出力する。この電流値を、アンプ１１で信号増幅し、コンピュータ１２に波形情報として取り込み波形整形する。
【００１６】
次に、図２を用いてテラヘルツ波の波形整形方法について説明する。２１はテラヘルツ波検出素子１０からの電流出力波形、２２はプローブ光４のフェムト秒レーザ超短パルス波形である。前記のように、テラヘルツ波は、一次光源であるフェムト秒レーザ１から一定周期で発射される超短パルスレーザに同期して一定周期で放射されるため、テラヘルツ波検出素子１０から出力される電流出力波形２１も一定周期で出力される。また、プローブ光４のパルス波形２２は、一次光源であるフェムト秒レーザ１から発射される超短パルスレーザをビームスプリッタ２で分岐させたものであるから、電流出力波形２１に同期してテラヘルツ波検出素子１０の電流測定トリガとして照射される。
【００１７】
まず、ポンプ光３とプローブ光４の光路長が同一の場合、電流測定トリガとなるプローブ光のパルス波形波２２は、テラヘルツ波の発生と同時にテラヘルツ波検出素子１０に到達するので、電流出力波形２１のａ点の電流値がコンピュータ１２に取り込まれる。次に、時間遅延ステージ１３をプローブ光４の光路長が伸びる方向に移動させると、電流測定トリガとなるパルス波形２２はテラヘルツ波発生の瞬間より少し遅れてテラヘルツ波検出素子１０に到達するため、電流出力波形２１のｂ点の電流値がコンピュータ１２に取り込まれる。
【００１８】
同様に、時間遅延ステージ１０をプローブ光４の光路長が伸びる方向に移動させながら、電流出力波形２１のｃ点からｆ点の電流値をコンピュータ１２に取り込み、これらの電流値から時間波形２３を整形する。時間波形２３の再現性は、時間遅延ステージ１０の移動量と位置精度に依存するから、精度の良い時間波形を再現しようとすると、時間遅延ステージを細かく移動しながら、多点をサンプリングする必要があり、１回の測定に多大な時間を要し、産業分野に応用するには、時間波形取得の高速化が必要となる。
【００１９】
そこで、本発明の物性測定装置の一実施例について図３及び図４を用いて説明する。図において、前記図１と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。一次光源であるフェムト秒レーザ１から一定周期で発射される超短パルスレーザは、前記の一般的なテラヘルツ波分光分析装置と同様にサンプル９を透過して放物面鏡８で並行光になる。放物面鏡８は、本実施例では４面に分割されており、テラヘルツ波検出素子１０ａ〜１０ｄにそれぞれ集光するように配置されている。
【００２０】
図４に４分割した放物面鏡の構造を示す。放物面鏡４１は、４分割された放物面が各々角度調整できる機能を有しており、テラヘルツ並行光１５を４分割した放物面で受け、各分割面からテラヘルツ波検出素子１０ａ〜１０ｄに集光することができる。
【００２１】
一方、プローブ光４は、ビームスプリッタ１６ａ、１６ｂ、１６ｃで４本に分岐され、それぞれ、時間遅延ステージ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄに導入される。時間遅延ステージ１３ａを通して時間遅延されたプローブ光４ａは、テラヘルツ波検出素子１０ａの電流測定トリガとして照射され、同様に、時間遅延ステージ１３ｂを通ったプローブ光４ｂはテラヘルツ波検出素子１０ｂの電流測定トリガとして、時間遅延ステージ１３ｃを通ったプローブ光４ｃはテラヘルツ波検出素子１０ｃの電流測定トリガとして、時間遅延ステージ１３ｄを通ったプローブ光４ｄはテラヘルツ波検出素子１０ｄの電流測定トリガとして照射される。
【００２２】
プローブ光４ａに対して、プローブ光４ｂはテラヘルツ波形測定範囲の４分の１だけ時間遅延するように時間遅延ステージ１３ｂと光路長が調整されており、プローブ光４ｃは波形測定範囲の４分の１だけプローブ光４ｂに対して時間遅延するように時間遅延ステージ１３ｃと光路長が調整されており、プローブ光４ｄは波形測定範囲の４分の１だけプローブ光４ｃに対して時間遅延するように時間遅延ステージ１３ｄと光路長が調整されている。
【００２３】
前記のように、テラヘルツ波検出素子は、プローブ光が照射された瞬間のテラヘルツ波受信強度に応じた電流を出力するので、プローブ光４ａ〜４ｄがテラヘルツ波検出素子１０ａ〜１０ｄに波形測定範囲の４分の１ずつ遅れて到達することを利用して、並行して電流値を測定することができる。
【００２４】
図５を用いて、時間波形の整形法について説明する。５１はテラヘルツ波形全体を示しており、縦軸は電流値、横軸は時系列を表している。５２は、プローブ光４ａを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５３は、プローブ光４ｂを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５４は、プローブ光４ｃを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５５は、プローブ光４ｄを電流測定トリガとして測定する時間範囲を示す。
【００２５】
テラヘルツ波が放射されると、プローブ光４ａをトリガにしてテラヘルツ波形５１のａ点の電流値がアンプ１１ａで増幅されコンピュータ１２に取り込まれる。同様に、プローブ光４ｂをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｆ点、プローブ光４ｃをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｎ点の電流値が、プローブ光４ｄをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｕ点の電流値がコンピュータ１２に取り込まれる。
【００２６】
次に、時間遅延ステージ１３ａ〜１３ｄを同時にプローブ光の光路長が伸びる方向に移動させ、プローブ光４ａをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｂ点、プローブ光４ｂをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｇ点、プローブ光４ｃをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｐ点、プローブ光４ｄをトリガにしてテラヘルツ波形５１のｗ点の電流値をコンピュータ１２に取り込む。同様に、時間遅延ステージ１３ａ〜１３ｄを動かして、テラヘルツ波形５１のｃ点、ｈ点、ｒ点、ｘ点の電流値を取り込み、さらに時間遅延ステージ１３ａ〜１３ｄを動かしながら、テラヘルツ波形５１のｄ点、ｋ点、ｓ点、ｙ点、およびｅ点、ｍ点、ｔ点、ｚ点、の電流値を取り込む。
コンピュータ１２に取り込まれたテラヘルツ波形５１のa点〜e点、ｆ点〜ｍ点、ｎ点〜ｔ点、ｕ点〜ｚ点の電流値は、時系列的に並んだテラヘルツ波形５１の連続した電流変化とみなすことができるので、これらを繋ぎ合わせることによって、波形を再現することが可能である。
【００２７】
本実施例では、測定範囲を４分割して高速化を図る方法としたが、放物面鏡の分割数、テラヘルツ波検出素子、プローブ光の経路を増やすことで、更なる高速化を図ることが可能である。
【００２８】
また、本実施例では、テラヘルツ波をサンプルに透過させて測定する透過法に関して記載したが、サンプルにテラヘルツ波を照射し、その反射光を測定する反射法であっても同様に実施できる。
【００２９】
また、物性測定としては、サンプルの物性そのものの測定に限らず、サンプルに付着する異物等の測定をも可能であり、広い意味での物性の測定に利用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１・・・フェムト秒レーザ、２・・・ビームスプリッタ、３・・・ポンプ光、４・・・プローブ光、５・・・ミラー、６・・・テラヘルツ波発生素子、７・・・テラヘルツ波発生素子用電源、８・・・放物面鏡、９・・・サンプル（被測定物）、１０・・・テラヘルツ波検出素子、１１・・・テラヘルツ波検出電流増幅用アンプ、１２・・・コンピュータ、１３・・・時間遅延ステージ、１４・・・サンプル透過前のテラヘルツ波、１５・・・サンプル透過後のテラヘルツ波、２１・・・テラヘルツ波検出素子からの電流出力波形、２２・・・プローブ光パルス波形、４１・・・分割型放物面鏡、５１・・・テラヘルツ波検出素子からの電流出力波形、５２・・・プローブ光４ａを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５３・・・プローブ光４bを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５４・・・プローブ光４cを電流測定トリガとして測定する時間範囲、５５・・・プローブ光４dを電流測定トリガとして測定する時間範囲
【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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