(57)【要約】【課題】簡易かつテラヘルツ波発生素子の吸収の影響を受けない構成で、微小領域に対するテラヘルツ波の測定を行う。【解決手段】励起光発生装置２０により発生された、異なる２波長の光を含む励起光を、ビーム径がマイクロ流路３２Ｃの幅より小さくなるように集光レンズ２２により集光してテラヘルツ波発生素子３２Ａに入射する。テラヘルツ波発生素子３２Ａは、入射された励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生する。試料を保持するマイクロ流路３２Ｃを備えた微細加工構造体３２がテラヘルツ波発生素子３２Ａに密着している。検出器５０は、構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体と、前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備え、
前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部を備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合されている
テラヘルツ波測定装置。
【請求項２】
前記励起光のビーム径の所定サイズが前記試料保持部の幅よりも短いことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項３】
前記テラヘルツ波発生素子に対する前記励起光の入射位置が一次元または二次元に走査されるように、前記励起光の光路または前記構造体を移動させる移動部を含み、
前記検出器は、前記テラヘルツ波発生素子に対する前記励起光の入射位置に応じたテラヘルツ波の強度を検出する
請求項１または請求項２記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項４】
前記テラヘルツ波発生素子を、差周波発生における位相整合を満たす非線形光学結晶とした請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項５】
前記非線形光学結晶を、有機非線形光学結晶であるＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、またはＯＨ１結晶とした請求項４記載のテラヘルツ波測定装置。
【請求項６】
異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体と、前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備えたテラヘルツ波測定装置を用いたテラヘルツ波測定方法であって、
前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合され、
前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する
テラヘルツ波測定方法。
【請求項７】
測定対象の試料について検出されたテラヘルツ波の強度と、既知の濃度の既知の試料について予め検出されたテラヘルツ波の強度とを比較して、前記測定対象の試料の濃度を測定する請求項６記載のテラヘルツ波測定方法。
【請求項８】
測定対象の試料について検出されたテラヘルツ波の強度と、既知の種類の試料について予め検出されたテラヘルツ波の強度の各々とを比較して、前記測定対象の試料の種類を同定する請求項６記載のテラヘルツ波測定方法。
【請求項９】
異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体とを備え、
前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部の幅を備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合されている
テラヘルツ波測定用具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、テラヘルツ波測定装置、テラヘルツ波測定方法、及びテラヘルツ波測定用具に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般的なテラヘルツ波による分光測定及びイメージングは、発生光源とサンプルとを別々に配置した上で、発生させたテラヘルツ光を導光し、サンプルに入射している。
【０００３】
また、テラヘルツ波の測定方法として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やμ−ＴＡＳ（Total Analysis Systems）など微細加工構造体を用いるテラヘルツ波の特性測定方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、少なくとも１種類の測定対象の物質を含む溶液の厚みが１０μｍ〜１００μｍの範囲となる部分に対して、伝播方向が溶液の厚み方向となるようにテラヘルツ波が照射され、その部分を透過または反射したテラヘルツ波の分光特性または特定周波数もしくは特定波長におけるテラヘルツ波の強度を測定している。
【０００４】
また、先端に開口を備えた管状の導電体を有し、管状の導電体の外側の部分と内側の部分の一方において、開口から離れた位置に電磁波を発生させるための発生器を備え、もう一方において、開口から離れた位置からの電磁波を検出するための検出器を備えたテラヘルツ波用プローブが提案されている（例えば、特許文献２参照）。このテラヘルツ波用プローブでは、開口のサイズは電磁波の波長以下であって、管状の導電体の外側の部分と内側の部分とで夫々発生、検出される電磁波を、開口を通じて結合する様に構成され、観察したい検体を開口に対して配するときの電磁波の開口を通じた結合の変化に基づいて検体の情報を取得している。
【０００５】
また、所定のレーザー光を発生させるレーザー装置と、前記レーザー光を所定の集光点に集光させる集光レンズと、前記レーザー光の集光点近傍で前記電磁波を発生させ、かつその外表面近傍に該電磁波の近接場光を発生させる電磁波発生素子とを備えた近接場顕微装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。この近接場顕微装置では、さらに、試料又はレーザー光を動かし、近接場光と試料を近接させて近接場光と試料の相互作用により近接場光を伝播光に変換する走査機構と、試料を反射し、或いは試料で散乱した伝播光を検出して試料の画像を取得する電磁波検出器と、レーザー光を透過させ、かつ、電磁波を電磁波検出器に向けて反射させるハーフミラーとを備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１８５１５１号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８３１６号公報
【特許文献３】特開２００９−０３６６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の装置では、マイクロ流路に試料を充填して、微小領域に対するテラヘルツ波の測定を行っているものの、例えば、テラヘルツ波の回折限界を超える空間分解能を要するような微小領域に対するテラヘルツ波の測定は困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載の装置では、発生させたテラヘルツ波を波長以下の開口を有したプローブによって伝播させる必要があるため、光源及びプローブの構築には複雑な機構を有する素子が必要である。
【０００９】
さらに、特許文献３に記載の装置では、近接場光と試料との相互作用を利用しており、測定試料を透過又は反射あるいは測定試料にて散乱したテラヘルツ波をハーフミラーによって反射させて検出する機構が必要となっている。このような機構では、測定試料を透過又は反射あるいは測定試料にて散乱したテラヘルツ波は、テラヘルツ波発生素子を透過した後に検出されることになるが、この場合、テラヘルツ波がテラヘルツ波発生素子またはサンプルおよびサンプルの裏面から反射することで各素材によって形成される境界面を通過することになり、テラヘルツ波発生素子、サンプル、自由空間におけるテラヘルツ波の吸収や反射の影響を受け、測定対象の特性を正確に測定する場合には複雑な計算やデータ処理が必要になる場合がある、という問題がある。
【００１０】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、簡易かつテラヘルツ波発生素子の吸収の影響を受けない構成で、微小領域に対するテラヘルツ波の測定を行うこができるテラヘルツ波測定装置、測定方法、及び測定用具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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体と、前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備え、前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部を備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合されている。
【００１２】
このように、テラヘルツ波発生素子と密着または接合された構造体に所定の幅の試料保持部に保持された試料に対して、所定サイズのビーム径のテラヘルツ波を入射し、構造体を透過したテラヘルツ波を検出するため、簡易かつテラヘルツ波発生素子の吸収の影響を受けない構成で、微小領域に対するテラヘルツ波の測定を行うこができる。
【００１３】
また、前記励起光のビーム径の所定サイズが前記試料保持部の幅よりも短くすることができる。これにより、試料に入射するテラヘルツ波のビーム径を、限りなく励起光のビーム径に近づけることができるため、より微小な領域に対するテラヘルツ波の測定を可能にする。
【００１４】
また、本発明に係るテラヘルツ波測定装置は、前記テラヘルツ波発生素子に対する前記励起光の入射位置が一次元または二次元に走査されるように、前記励起光の光路または前記構造体を移動させる移動部を含んで構成することができる。また、前記検出器は、前記テラヘルツ波発生素子に対する前記励起光の入射位置に応じたテラヘルツ波の強度を検出することができる。これにより、テラヘルツ波発生素子に対する励起光の入射位置に対応した構造体の特徴、すなわち試料が保持された領域の形状を反映したテラヘルツ波の強度のイメージングを行うことができる。
【００１５】
また、前記テラヘルツ波発生素子を、差周波発生における位相整合を満たす非線形光学結晶とすることができる。より具体的には、前記非線形光学結晶を、有機非線形光学結晶であるＤＡＳＴ結晶、ＤＡＳＣ結晶、またはＯＨ１結晶とすることができる。
【００１６】
また、本発明に係るテラヘルツ波測定方法は、異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体と、前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する検出器を備えたテラヘルツ波測定装置を用いたテラヘルツ波測定方法であって、前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合され、前記構造体を透過したテラヘルツ波の強度を検出する方法である。
【００１７】
テラヘルツ波測定方法において、測定対象の試料について検出されたテラヘルツ波の強度と、既知の濃度の既知の試料について予め検出されたテラヘルツ波の強度とを比較して、前記測定対象の試料の濃度を測定することができる。
【００１８】
また、テラヘルツ波測定方法において、測定対象の試料について検出されたテラヘルツ波の強度と、既知の種類の試料について予め検出されたテラヘルツ波の強度の各々とを比較して、前記測定対象の試料の種類を同定することができる。
【００１９】
また、本発明に係るテラヘルツ波測定用具は、異なる複数の波長成分の光を含む励起光であって、ビーム径が所定サイズとなるように集光された励起光が入射され、入射された前記励起光に基づく差周波発生により、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波を透過する構造体とを備え、前記構造体は、試料を保持する所定の幅の試料保持部の幅を備え、前記テラヘルツ波発生素子と密着または接合されている。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ波測定装置、測定方法、及び測定用具によれば、簡易かつテラヘルツ波発生素子の吸収の影響を受けない構成で、微小領域に対するテラヘルツ波の測定を行うこができる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の構成を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態における測定用具の概略を示す上面図及び側面図である。
【図３】第１の実施の形態における微細加工構造体の概略を示す上面図及び側面図である。
【図４】実施の形態の原理を説明するための図である。
【図５】実施の形態の原理を説明するための図である。
【図６】実施の形態の原理を説明するための図である。
【図７】テラヘルツ波発生素子と微細加工構造体との間にシートを設けた構成例を示す概略図である。
【図８】第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置の構成を示す概略図である。
【図９】第２の実施の形態における測定用具の概略を示す上面図及び側面図である。
【図１０】第２の実施の形態における微細加工構造体の概略を示す上面図である。
【図１１】空流路の場合のイメージング結果の一例を示す図である。
【図１２】各流路に濃度が各々異なるエタノール水溶液を充填した場合のイメージング結
【図１３】比較検証のための実施例の構成を示す概略図である。
【図１４】実施例における試料ステージＡの概略図である。
【図１５】実施例における試料ステージＢの概略図である。
【図１６】実施例におけるイメージング結果の一例を示す図である。
【図１７】実施例におけるイメージング結果の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明のテラヘルツ波測定装置に係る実施の形態を詳細に説明する。
【００２３】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０は、励起光を発生させる励起光発生装置２０と、励起光を集光する集光レンズ２２と、集光された励起光をテラヘルツ波発生部３０へ導光するミラー２４と、励起光により発生したテラヘルツ波が試料に入射されるテラヘルツ波発生部３０と、テラヘルツ波発生部３０を透過したテラヘルツ波を導光する一対の放物面鏡４２Ａ、４２Ｂと、導光されたテラヘルツ波の強度を検出する検出器５０と、テラヘルツ波の検出結果を処理する処理部５２とを含んで構成されている。
【００２４】
励起光発生装置２０は、例えば、異なる２波長の励起光を発生するＫＴＰパラメトリック共振器（ＫＴＰ−ＯＰＯ）やＢＢＯパラメトリック共振器（ＢＢＯ−ＯＰＯ）を用いることができる。例えば、ＫＴＰ−ＯＰＯは、ポンプ光光源と、２つのＫＴＰ（リン酸チタニルカリウム：ＫＴｉＯＰＯ４）結晶とを含んで構成されている。ポンプ光光源は、ＫＴＰ−ＯＰＯにおいて２波長の励起光を発生するための元となるポンプ光を出力する光源であり、例えば、Ｎd：ＹＡＧレーザの第２高調波（波長：５３２ｎｍ、パルス幅：２４ｎｓ、繰り返し周波数：５０Ｈｚ）等を用いることができる。
【００２５】
ＫＴＰ結晶の各々は、結晶へ入射されるポンプ光の入射角度を独立して調整可能なように回転ステージに載置されている。ＫＴＰ結晶へのポンプ光の入射角度を変更することで、ＫＴＰ−ＯＰＯから発生する励起光の周波数を変更することができる。例えば、励起光発生装置２０は、λ１＝１３００ｎｍ、及びλ２＝１３０８ｎｍの２波長の励起光が発生させることができる。
【００２６】
集光レンズ２２は、励起光のビーム径が、テラヘルツ波発生部３０において、テラヘルツ波が入射される試料の測定領域（本実施の形態では、後述するマイクロ流路３２Ｃの幅）よりも小さくなるように、励起光を集光する。例えば、集光レンズ２２により、励起光のビーム径を１００μｍまで絞ることができる。
【００２７】
テラヘルツ波発生部３０は、励起光の入射によりテラヘルツ波が発生すると共に、発生したテラヘルツ波が入射される測定対象の試料が配置される試料ステージである。試料は、例えば図２に示すような測定用具３２に充填される。図２は、測定用具３２の上面図及び側面図である。測定用具３２は、テラヘルツ波発生素子３２Ａと微細加工構造体３２Ｂとを密着させて構成されている。
【００２８】
テラヘルツ波発生素子３２Ａとしては、ＤＡＳＴ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレート）結晶、ＤＡＳＣ（４−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウム−ｐ−クロロベンゼンスルホネート）結晶、ＯＨ１（２−（３−（４−ヒドロキシスチリル）−５，５−ジメチルシクロヘクス−２−エニリデン）マロノニトリル）結晶等の有機光学結晶を用いることができる。また、ＧａＰＯ４（リン酸ガリウム)、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）等の無機光学結晶を用いてもよい。
【００２９】
微細加工構造体３２Ｂの材料は、テラヘルツ波の透過率が高い材料、例えば、環状オレフィン系ポリマー、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）、高抵抗シリコンウエハ等を用いることができる。また、図３に示すように、微細加工構造体３２Ｂには、微細加工によりマイクロ流路３２Ｃが形成されている。マイクロ流路３２Ｃは、例えば、所定の幅Ｗ（例えば、Ｗ＝５００μｍ）、及び所定の深さＤ（例えば、Ｄ＝１００μｍ）の溝であり、このマイクロ流路３２Ｃに試料が保持される。テラヘルツ波発生素子３２Ａを微細加工構造体３２Ｂに密着させた状態では、テラヘルツ波発生素子３２Ａがマイクロ流路３２Ｃの蓋となり、マイクロ流路３２Ｃとテラヘルツ波発生素子３２Ａとにより形成される空隙部に試料が充填されることになる。
【００３０】
なお、マイクロ流路３２Ｃの深さは、１０μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。マイクロ流路３２Ｃの深さが１０μｍより小さくなると、テラヘルツ波が透過し過ぎて特徴的な分光特性を得ることができなくなる。また、マイクロ流路３２Ｃへ試料を充填する作業も困難となる。一方、マイクロ流路３２Ｃの深さが１００μｍを超えると、溶媒である水分子によるテラヘルツ波の吸収の影響が強くなり、溶液中の物質の分光特性が測定できなくなる。そのため、マイクロ流路３２Ｃの深さは、１０μｍ〜１００μｍの範囲とすることが適している。
【００３１】
また、マイクロ流路３２Ｃの幅は、後述する本実施の形態の原理に従って、試料に入射されるテラヘルツ波のビーム径より大きければよい。本実施の形態では、後述するように、試料に入射されるテラヘルツ波のビーム径を、励起光のビーム径と略等しくなるように構成しているため、マイクロ流路３２Ｃの幅は、励起光のビーム径以上であればよい。
【００３２】
ここで、本実施の形態の原理について説明する。
【００３３】
図４に、テラヘルツ波発生素子に励起光が入射され、テラヘルツ波発生素子から発生したテラヘルツ波を集光して試料に入射する様子を模式的に示す。図４に示すように、テラヘルツ波発生素子から発生したテラヘルツ波は、光路に沿って進行するに従って拡散する。このテラヘルツ波を試料に入射する際に、集光レンズや放物面鏡等で集光する場合、テラヘルツ波の回折限界の影響により、発生したテラヘルツ波の波長以下の直径となるように集光することはできない。すなわち、一旦拡散したテラヘルツ波を集光して試料に入射する際のテラヘルツ波の空間分解能は、発生するテラヘルツ波の波長より小さくすることができない。
【００３４】
従って、図４に示すように、試料が保持されるマイクロ流路の幅がテラヘルツ波の波長よりも小さい場合などには、試料以外の部位にもテラヘルツ波が入射されてしまう。この場合、後段で検出されるテラヘルツ波には、試料を透過していないテラヘルツ波、すなわちノイズ成分が多く含まれることになってしまう。
【００３５】
なお、試料以外の部位にテラヘルツ波が入射されることを防止するために、入射時のテラヘルツ波のビーム径よりもマイクロ流路の幅を大きくすることも考えられる。しかし、マイクロ流路の幅を大きくした場合には、それだけ測定に必要な試料の量も多くなる。試料が高価な場合や、希少価値の高い物質の場合などのように、多くの量を用意することが困難な場合もあるため、マイクロ流路の幅を小さくし、少量の試料で測定できるようにすることが望ましい。
【００３６】
図４に示したように、テラヘルツ波発生素子から発生後のテラヘルツ波は拡散していくが、発生した直後のテラヘルツ波のビーム径は、テラヘルツ波発生素子に入射した励起光のビーム径と略同じサイズである。すなわち、テラヘルツ波発生素子からの発生直後であれば、励起光のビーム径を微小なサイズに絞ることで、微小な直径のテラヘルツ波を得ることが可能である。
【００３７】
上記原理に従って、本実施の形態では、図５に示すように、励起光のビーム径を試料が充填されたマイクロ流路３２Ｃの幅より小さいサイズまで絞ると共に、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを密着させることにより、テラヘルツ波発生素子３２Ａから発生した直後の、励起光のビーム径と略同じ直径のテラヘルツ波が、マイクロ流路３２Ｃに充填された試料に入射されるようにしている。
【００３８】
また、上記原理に従えば、微細加工構造体３２Ｂの幅及び励起光のビーム径を、発生するテラヘルツ波の波長よりも小さくすることで、テラヘルツ波の回折限界を超えた空間分解能でテラヘルツ波を測定することができる。例えば、励起光の２波長の差周波として１．４１ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合、このテラヘルツ波の波長は２１２．６μｍとなる。一方で、励起光のビーム径を、発生するテラヘルツ波の波長である２１２．６μｍ以下のビーム径としておけば、テラヘルツ波の回折限界を超えた空間分解能を実現可能である。
【００３９】
なお、本実施の形態では、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを密着させる場合について説明したが、上記の原理に従う範囲で、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを離間させて配置してもよい。すなわち、図６に示すように、テラヘルツ波発生素子３２Ａから発生したテラヘルツ波が、テラヘルツ波のビーム径がマイクロ流路３２Ｃの幅まで拡散する前に入射される間隔となるように、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを配置してもよい。
【００４０】
この場合、図７に示すように、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとの間にシート３２Ｄを設けることも可能であり、試料に対するテラヘルツ波発生素子の溶解が懸念される場合などの対策として有効である。シート３２Ｄの素材は、テラヘルツ波を透過する素材であればよく、例えば、ＰＤＭＳなど、微細加工構造体３２Ｂと同一の素材を用いることができる。
【００４１】
また、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを密着させる手段は特に限定されない。例えば、微細加工構造体３２Ｂの素材（シリコン等）の特性を利用して、微細加工構造体３２Ｂの上にテラヘルツ波発生素子３２Ａを載置するだけ、または、載置した上で軽く押し付けるだけでもよい。
【００４２】
また、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを接合して、測定用具３２を構成してもよい。例えば、微細加工構造体３２Ｂにマイクロ流路３２Ｃを形成する過程として、所定の液体にマイクロ流路３２Ｃ形成用の他の液体を加えた後に固化させる際に、微細加工構造体３２Ｂにテラヘルツ波発生素子３２Ａを密着させて固化させることで、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとが接合された測定用具３２を形成することができる。また、テラヘルツ波発生素子３２Ａを融解させた状態で微細加工構造体３２Ｂに密着させて冷却することで、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとが接合された測定用具３２を形成してもよい。
【００４３】
なお、テラヘルツ波発生素子３２Ａと、微細加工構造体３２Ｂとを密着または接合させる際は、測定用具３２がテラヘルツ波発生部３０へ配置される際の向きを考慮して、励起光の偏光方向と、テラヘルツ波発生素子３２Ａの結晶軸の光学軸とが一致するようにする。
【００４４】
放物面鏡４２Ａ、４２Ｂは、微細加工構造体３２Ｂを透過したテラヘルツ波を、平行光とした後に集光して、検出器５０へ導光する。検出器５０は、微細加工構造体３２Ｂを透過したテラへルツ波の強度を検出し、処理部５２へ出力する。
【００４５】
処理部５２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含むコンピュータと、ディスプレイ等の表示部とを備える。処理部５２では、例えば、検出器５０で検出されたテラヘルツ波の強度を取得し、リファレンスとなる水の透過率に対する比で表された分光特性に変換する。そして、変換されたテラヘルツ波の分光特性と、予め記憶された既知の物質の水に対する比で表された分光特性とを比較して、測定対象の物質を同定する。既知の物質の水に対する比で表された分光特性は、上記の分光特性測定方法により予め得られたものである。具体的には、測定用具３２のマイクロ流路３２Ｃに既知の物質の溶液を充填して、テラヘルツ波の分光特性を測定する。そして、同様に測定された水の分光特性を用いて、水の透過率に対する既知の物質の透過率の比で表すことにより得られる。処理部５２は、同定結果を表示部に表示する。
【００４６】
なお、処理部５２で行う処理は、測定対象の物質の同定に限定されない。測定されたテラヘルツ波の分光特性をそのまま出力してもよいし、既知の濃度の既知の試料について予め測定されたテラヘルツ波の分光特性を用いて、測定対象の物質の濃度を測定してもよい。
【００４７】
次に、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０の作用について説明する。第１の実施の形態のテラヘルツ波測定装置１０で行われるテラヘルツ波の測定方法は、本発明のテラヘルツ波測定方法の一例である。
【００４８】
まず、測定用具３２のマイクロ流路３２Ｃに試料を充填する。試料の充填は、テラヘルツ波発生素子３２Ａで塞がれていないマイクロ流路３２Ｃの箇所（例えば、図２に一点破線の丸で示す箇所）から注入することにより行うことができる。また、テラヘルツ波発生素子３２Ａを密着させる前の微細加工構造体３２Ｂのマイクロ流路３２Ｃに試料を保持させた状態で、テラヘルツ波発生素子３２Ａで蓋をすることにより行ってもよい。そして、試料を充填した測定用具３２を、励起光が入射される側にテラヘルツ波発生素子３２Ａの面が向くように、テラヘルツ波発生部３０に配置する。
【００４９】
次に、励起光発生装置２０から、異なる２波長（例えば、λ１＝１３００ｎｍ、λ２＝１３０８ｎｍ）の励起光を発生させる。発生した励起光は、集光レンズ２２で所定のビーム径（例えば、１００μｍ）まで集光され、ミラー２４で反射されて、測定用具３２のテラヘルツ波発生素子３２Ａに入射される。
【００５０】
テラヘルツ波発生素子３２Ａでは、入射された励起光に基づく差周波発生により、励起光の差周波に相当するテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は、微細加工構造体３２Ｂのマイクロ流路３２Ｃに充填された試料に入射される。テラヘルツ波発生素子３２Ａと微細加工構造体３２Ｂとは密着しているため、テラヘルツ波発生素子３２Ａから発生直後のテラヘルツ波、すなわち、励起光のビーム径と略同じビーム径のテラヘルツ波が試料に入射される。本実施の形態では、励起光のビーム径は、マイクロ流路３２Ｃの幅より小さいため、試料以外の部位を含むことなく、テラヘルツ波を試料に入射することができる。
【００５１】
そして、試料を透過したテラヘルツ波は、放物面鏡４２Ａ、４２Ｂにより検出器５０に導光される。検出器５０では、導光されたテラヘルツ波の強度を検出し、検出結果を処理部５２へ出力する。
【００５２】
処理部５２では、検出器５０で検出されたテラヘルツ波の強度から、テラヘルツ波の分光特性を測定したり、測定対象の物質を同定したりするなどの処理を行って、処理結果を出力する。
【００５３】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置及びテラヘルツ波測定方法によれば、テラヘルツ波発生素子と、試料が充填されるマイクロ流路を備えた微細加工構造体とを密着させ、マイクロ流路の幅より小さいビーム径の励起光を入射する。これにより、励起光のビーム径と略同じビーム径のテラヘルツ波が試料に入射されることになるため、微小領域に対するテラヘルツ波の測定が可能になる。
【００５４】
また、マイクロ流路の幅及び励起光のビーム径を、発生するテラヘルツ波の波長より小さくすることで、テラヘルツ波の回折限界を超えた空間分解能でのテラヘルツ波の測定が可能になる。
【００５５】
このように、テラヘルツ波の回折限界を超えた空間分解能での測定が可能になるなど、微小領域に対するテラヘルツ波の測定が可能になることで、試料を保持させるマイクロ流路の幅を微小化することができ、高価な試料や希少価値の高い試料を測定対象とする場合などに、ごく少量の試料でのテラヘルツ波の測定が可能になる。
【００５６】
また、テラヘルツ波発生素子から発生するテラヘルツ波は近接場光ではないため、試料を透過させることができ、試料で反射したテラヘルツ波を検出する場合に生じるテラヘルツ波発生素子によるテラヘルツ波の吸収を考慮する必要がなく、かつ簡易な構成でテラヘルツ波を検出することができる。
【００５７】
また、テラヘルツ波発生素子と試料との間に自由空間を伝播するテラヘルツ波の光路が存在しないため、テラヘルツ波の伝播ロスを削減することができる。さらに、テラヘルツ波発生素子から発生したテラヘルツ波を集光して試料へ導光するための機構が不要となり、装置全体の構成を簡略化できる。
【００５８】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置において、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５９】
図８に示すように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０は、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０の構成に加え、テラヘルツ波発生部３０に配置される測定用具３２を移動させるための移動機構５４を含んで構成されている。
【００６０】
移動機構５４は、処理部５２からの指示により、測定用具３２のテラヘルツ波発生素子３２Ａに対する励起光の入射位置が、一次元または二次元に走査されるように、測定用具３２を移動させるものであればよい。例えば、移動機構５４として、ＸＹＺ３軸可動ステージを用いることができる。
【００６１】
図９は、第２の実施の形態における測定用具３２の上面図及び側面図である。第２の実施の形態における測定用具３２は、微細加工構造体２３２Ｂ上にシート３２Ｄを密着させ、その上にテラヘルツ波発生素子３２Ａを密着させて構成されている。また、図１０に示すように、微細加工構造体２３２Ｂは、第１の実施の形態とは異なる形状のマイクロ流路２３２Ｃを有する。図１０の例では、所定の幅Ｗ１（例えば、Ｗ１＝５００μｍ）の流路が、所定の流路間隔Ｗ２（例えば、Ｗ２＝１．２ｍｍ）で平行に複数（図１０の例では６本）配置され、各流路の端部が隣接する流路と交互に接続された蛇腹形状となっている。このようなマイクロ流路２３２Ｃを備えた微細加工構造体２３２Ｂ上に、テラヘルツ波発生素子３２Ａを配置して、例えば図９の破線矢印で示すように、励起光の入射位置が走査されるように測定用具３２を移動機構５４により移動させることにより、励起光の入射位置に応じたテラヘルツ波の強度のイメージングを行うことができる。
【００６２】
なお、微細加工構造体２３２Ｂに設けられるマイクロ流路２３２Ｃの形状は図１０に示す例に限定されない。試料が保持される複数の領域を備え、励起光の入射位置が走査されることにより、励起光の入射位置に応じた複数の測定箇所を透過したテラヘルツ波の強度の各々を検出可能な形状であればよい。また、マイクロ流路２３２Ｃが有する各領域に相当する各流路の幅Ｗ１は、第１の実施の形態における流路の幅Ｗと同様に、試料に入射されるテラヘルツ波のビーム径より大きければよい。
【００６３】
次に、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０の作用について説明する。第２の実施の形態のテラヘルツ波測定装置２１０で行われるテラヘルツ波の測定方法は、本発明のテラヘルツ波測定方法の一例である。なお、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０の作用と同様の部分については、詳細な説明を省略する。
【００６４】
まず、測定用具３２のマイクロ流路２３２Ｃに試料を充填する。試料の充填は、テラヘルツ波発生素子３２Ａで塞がれていないマイクロ流路２３２Ｃの箇所（例えば、図９に一点破線の丸で示す箇所）から注入することにより行うことができる。そして、試料を充填した測定用具３２を移動機構５４に保持させる。
【００６５】
次に、励起光発生装置２０から励起光を発生させる。発生した励起光は、集光レンズ２２で所定のビーム径（例えば、１００μｍ）まで集光され、ミラー２４で反射されて、測定用具３２のテラヘルツ波発生素子３２Ａに入射される。
【００６６】
励起光のテラヘルツ波発生素子３２Ａの入射と合わせて、処理部５２は、測定用具３２を予め定めた方向に移動させるように、移動機構５４に指示する。移動機構５４は、保持した測定用具３２を処理部５２からの指示に応じて移動させる。これにより、テラヘルツ波発生素子３２Ａに対する励起光の入射位置が走査される。
【００６７】
励起光が入射されると、テラヘルツ波発生素子３２Ａからテラヘルツ波が発生し、発生直後のテラヘルツ波が、励起光の入射位置に対応した微細加工構造体２３２Ｂの位置に入射される。励起光の入射位置が、微細加工構造体２３２Ｂのマイクロ流路２３２Ｃの位置に対応している場合には、発生直後のテラヘルツ波が試料に入射されることになる。
【００６８】
そして、試料を含む微細加工構造体２３２Ｂの各位置から透過したテラヘルツ波は、放物面鏡４２Ａ、４２Ｂにより検出器５０に導光される。検出器５０では、導光されたテラヘルツ波の強度を検出し、検出結果を処理部５２へ出力する。
【００６９】
処理部５２では、移動機構５４へ指示した情報と、検出器５０から取得したテラヘルツ波の強度とに基づいて、励起光の入射位置に応じたテラヘルツ波の強度のイメージングを行い、イメージング結果を出力する。
【００７０】
図１１に、マイクロ流路２３２Ｃに何も充填していない（空流路）場合のイメージング結果を示す。また、図１２に、マイクロ流路２３２Ｃの各流路に濃度が各々異なるエタノール水溶液を充填し、図９に示す破線矢印に沿って励起光を走査した場合のイメージング結果を示す。図１１及び図１２の横軸は、励起光の入射開始位置を基準とした走査方向に沿った距離であり、縦軸は、横軸の距離に対応した位置に励起光が入射された際に検出されたテラヘルツ波の強度である。図１１に示すように、空流路の場合には、マイクロ流路２３２Ｃの形状の影響を受けることなくテラヘルツ波が検出されている。一方で、図１２に示すように、各流路に各々異なる濃度のエタノール溶液を充填した場合には、微細加工構造体２３２Ｂに形成されたマイクロ流路２３２Ｃの特徴を反映したイメージング結果が得られる。また、各流路に対応した位置のテラヘルツ波強度が、その流路に充填されたエタノール溶液の濃度を反映したイメージング結果となっている。
【００７１】
これにより、図１２に示すように、流路毎に異なる濃度の溶液を充填したり、異なる種類の試料を充填したりすることにより、同時に複数種類の試料のテラヘルツ波の強度のイメージングを行うことができる。また、反応が進行中の試料において、流路毎に進行度合いの異なる状態で試料を充填させることにより、試料の反応の進行状態をイメージングすることができる。
【００７２】
以上説明したように、第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置及びテラヘルツ波測定方法によれば、第１の実施の形態の効果に加え、テラヘルツ波発生素子に対する励起光の入射位置を走査することで、微細加工構造体２３２Ｂに形成されたマイクロ流路２３２Ｃの特徴、すなわち試料が保持されている領域の形状を反映したイメージング結果を得ることができる。また、励起光の入射位置に対応する位置に保持された試料の濃度や種類などの特徴を反映したイメージング結果を得ることができる。
【００７３】
なお、第２の実施の形態では、測定用具を移動させることにより、テラヘルツ波発生素子に対する励起光の入射位置を走査させる場合について説明したが、これに限定されない。例えば、ミラー２４を可動式にして、励起光の反射方向を任意に変更可能にするなどして、固定された測定用具に対して、励起光を走査するようにしてもよい。
【００７４】
また、第２の実施の形態では、テラヘルツ波発生素子に対する励起光の入射位置を一次元に走査する場合について説明したが、二次元に走査するようにしてもよい。これにより、マイクロ流路の形状、すなわち試料が存在する位置が未知の場合などに、イメージング結果に基づいて、マイクロ流路の形状を把握することができる。
【００７５】
＜実施例＞
次に、本発明の効果を説明するための比較検証実験に関する実施例について説明する。
【００７６】
図１３に、比較検証実験に使用した実施例に係るテラヘルツ波測定装置３１０の概略構成を示す。なお、第１の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置１０、または第２の実施の形態に係るテラヘルツ波測定装置２１０の構成と同様の構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００７７】
図１３に示すように、実施例に係るテラヘルツ波測定装置３１０は、励起光発生装置２０と、１／２波長板５４と、アッテネータ５６と、集光レンズ２２と、テラヘルツ波発生部３０と、二対の放物面鏡４２Ａ、４２Ｂ、及び３４２Ａ、３４２Ｂと、検出器５０と、処理部５２とを含む。
【００７８】
励起光発生装置２０としては、波長３５５ｎｍ、出力４００ｍＪ、パルス幅８ｎｓ、繰り返し周波数１０ＨｚのＮd：ＹＡＧレーザの第３高調波をポンプ光とするＢＢＯ−ＯＰＯを用いた。このＢＢＯ−ＯＰＯにより、波長λ１＝１２５５ｎｍ、波長λ２＝１２６８．８ｎｍ（２．６ＴＨｚ時）または波長λ２＝１２７８ｎｍ（４．３ＴＨｚ時）、出力０．６ｍＪの２波長光を出力した。
【００７９】
また、集光レンズ２２としては、焦点距離４０ｍｍの凸レンズを用いた。また、テラヘルツ波発生素子３２Ａとしては、ＤＡＳＴ結晶を用いた。また、放物面鏡４２Ａ、４２Ｂ、３４２Ａは、焦点距離７６．２ｍｍ、放物面鏡３４２Ｂは、焦点距離５０．８ｍｍのものを用いた。また、検出器５０としては、フラクシ製のパイロ検出器を用いた。
【００８０】
また、テラヘルツ波発生部３０は、上記第１及び第２の実施の形態と同様に、励起光の入射によりテラヘルツ波が発生すると共に、発生したテラヘルツ波が入射される測定対象の試料が配置される試料ステージである。試料は、上記第１及び第２の実施の形態と同様に、テラヘルツ波発生素子３２Ａと微細加工構造体３２Ｂとを密着させた測定用具３２に保持される。本実施例では、テラヘルツ波発生部３０により実現される試料ステージを、「試料ステージＡ」とする。
【００８１】
また、テラヘルツ波測定装置３１０は、放物面鏡４２Ｂで反射されたテラヘルツ波の集光位置に、本発明との比較のための試料ステージＢを有する。試料ステージＢには、試料保持部が配置され、試料ステージＡの位置に配置されたテラヘルツ波発生素子３２Ａから発生したテラヘルツ波が、方物面鏡４２Ａ、４２Ｂに導光されて、試料保持部に入射する。
【００８２】
試料ステージＡに配置する測定用具３２は、上記第１の実施の形態で用いた測定用具（図２及び図３）の形状のもので、微細加工構造体３２Ｂの幅Ｗが１００μｍ、深さＤが１００μｍ、厚さが２００μｍのものを用いた。
【００８３】
また、試料ステージＢに配置する試料保持部は、上記の測定用具３２の微細加工構造体３２Ｂの部分のみを用いた。試料ステージＢに試料を配置して、テラヘルツ波強度を測定する際には、テラヘルツ波発生部３０の測定用具３２から微細加工構造体３２Ｂを除いて、テラヘルツ波発生素子３２Ａのみとした状態で発生させたテラヘルツ波を、一対の放物面鏡４２Ａ、４２Ｂにより導光し、試料ステージＢに配置された試料保持部に入射した。
【００８４】
なお、図１３では図示を省略するが、試料ステージＡ及びＢの各々は、移動機構５４により移動され、励起光またはテラヘルツ波の入射位置が一次元に走査される。
【００８５】
上記のような構成の実施例に係るテラヘルツ波測定装置３１０を用いて、試料ステージＡとＢとにおいて、テラヘルツ波の遮蔽率を比較するため、直径７５μｍの金属線（銀線）を測定試料として用い、マイクロ流路に配置した。
【００８６】
図１４に、試料ステージＡの概略を示す側面図及び上面図を示す。ナイフエッジ装置ステージ上にテフロン（登録商標）シートを介して配置された測定用具３２のテラヘルツ波発生素子３２Ａ側の面に、集光レンズ２２により集光された励起光が入射される。本実施例では、テラヘルツ波発生素子３２Ａ入射時の励起光のビーム径を６５μｍとした。試料ステージＡを図１４中の実線矢印の方向へ移動させることにより、励起光の入射位置を、図１４中の破線矢印の方向へ走査した。これにより、励起光が入射されることにより発生し、測定用具３２及び試料を透過したテラヘルツ波の強度の一次元のイメージング結果を取得した。
【００８７】
また、図１５に、試料ステージＢの概略を示す側面図及び上面図を示す。ナイフエッジ装置ステージ上に配置された試料保持部（微細加工構造体３２Ｂ）に、テラヘルツ波発生部３０の位置に配置されたテラヘルツ波発生素子３２Ａから発生し、一対の放物面鏡４２Ａ、４２Ｂにより導光されたテラヘルツ波が入射される。試料ステージＢを図１５中の実線矢印の方向へ移動させることにより、テラヘルツ波の入射位置を、図１５中の破線矢印の方向へ走査した。これにより、試料保持部及び試料を透過したテラヘルツ波の強度の一次元のイメージング結果を取得した。
【００８８】
図１６に、励起光の波長λ２を１２６８．８ｎｍとして、テラヘルツ波発生素子３２Ａから周波数２．６ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合における、試料ステージＡ及びＢの各々を透過したテラヘルツ波の強度の一次元のイメージング結果を示す。また、図１７に、励起光の波長λ２を１２７８ｎｍとして、テラヘルツ波発生素子３２Ａから周波数４．３ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合における、試料ステージＡ及びＢの各々を透過したテラヘルツ波の強度の一次元のイメージング結果を示す。さらに、以下に、発生させたテラヘルツ波の周波数毎に、試料ステージＡ及びＢについてのテラヘルツ波の遮蔽率を示す。
【００８９】
【表１】
2016114523.tif 000003
【００９０】
上表における「銀線なし」のテラヘルツ波強度は、図１６及び図１７に示すイメージング結果において、テラヘルツ波強度が遮蔽されていない範囲かつ一定な箇所の平均値である。また、「銀線あり」のテラヘルツ強度は、図１６及び図１７に示すイメージング結果における最小値である。また、遮蔽率は、
遮蔽率＝（銀線なしのＴＨｚ−銀線ありのＴＨｚ）／銀線なしのＴＨｚ
である。なお、上記式の「ＴＨｚ」はテラヘルツ波強度を表している。また、検出されるテラヘルツ波のノイズフロアは６．６ｍＶである。
【００９１】
図１６、図１７、及び上記表に示すように、試料ステージＡでは、ノイズフロア以下までテラヘルツ波を遮蔽できていることに対して、試料ステージＢでは、テラヘルツ波の遮蔽率が低下している。以下で、より詳細に比較検証する。
【００９２】
周波数２．６ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合、発生させたテラヘルツ波の波長は１１５μｍであるが、発生させたテラヘルツ波を集光して試料ステージＢに配置された試料に入射する場合、回折限界により、テラヘルツ波のビーム径が、この波長１１５μｍ以下となるように集光することはできない。すなわち、試料ステージＢの場合には、銀線の直径が７５μｍであることに対して、試料に入射されるテラヘルツ波のビーム径は１１５μｍ以上であるため、遮蔽率が５１．１％であり、高い遮蔽率を得ることができていない。
【００９３】
一方、試料ステージＡの場合には、テラヘルツ波発生素子３２と試料を保持した微細加工構造体３２Ａとが密着しているため、テラヘルツ波発生素子３２Ａに入射された励起光のビーム径６５μｍと略同じビーム径のテラヘルツ波が試料に入射されることになる。すなわち、試料ステージＡの場合には、銀線の直径が７５μｍであることに対して、試料に入射されるテラヘルツ波のビーム径は約６５μｍであるため、９６．３％という高い遮蔽率を得ている。また、試料ステージＡの場合には、銀線ありのテラヘルツ波強度が、ノイズフロアである６．６ｍＶ以下となっており、完全にテラヘルツ波を遮蔽できている。
【００９４】
また、周波数４．３ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合、発生させたテラヘルツ波の波長は７０μｍであり、銀線の直径７５μｍよりも短くなる分、試料ステージＢにおける遮蔽率が５７．６％と高まったものの、完全にテラヘルツ波を遮蔽することはできていない。
【００９５】
一方、試料ステージＡの場合には、周波数２．６ＴＨｚのテラヘルツ波を発生させた場合と同様に、銀線ありのテラヘルツ波強度がノイズフロア以下となっており、完全にテラヘルツ波を遮蔽できている。
【００９６】
このように、試料ステージＡの場合、すなわち、本発明のように、テラヘルツ波発生素子３２と試料を保持する構造体とを密着させた場合には、回折限界を超えた分解能でのテラヘルツ波の分光特性を取得することや、イメージング画像を取得することが可能となる。
【符号の説明】
【００９７】
１０、２１０  テラヘルツ波測定装置
２０  励起光発生装置
２２  集光レンズ
２４  ミラー
３０  テラヘルツ波発生部
３２  測定用具
３２Ａ  テラヘルツ波発生素子
３２Ｂ、２３２Ｂ  微細加工構造体
３２Ｃ、２３２Ｃ  マイクロ流路
３２Ｄ  シート
４２Ａ、４２Ｂ  放物面鏡
５０  検出器
５２  処理部
５４  移動機構
【図２】
2016114523.tif 000004
【図３】
2016114523.tif 000005
【図４】
2016114523.tif 000006
【図５】
2016114523.tif 000007
【図６】
2016114523.tif 000008
【図７】
2016114523.tif 000009
【図１０】
2016114523.tif 000010
【図１１】
2016114523.tif 000011
【図１２】
2016114523.tif 000012
【図１６】
2016114523.tif 000013
【図１７】
2016114523.tif 000014
【図１】
2016114523.tif 000015
【図８】
2016114523.tif 000016
【図９】
2016114523.tif 000017
【図１３】
2016114523.tif 000018
【図１４】
2016114523.tif 000019
【図１５】
2016114523.tif 000020