(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から放射された赤外光をビームスプリッタにより二分割し、一方を固定鏡で、他方を走査鏡で反射させた得た帰還光を合成させてできた干渉光を測定試料に照射し、試料透過ないし反射干渉光を検知器で受光して光電変換することにより照射光データが得られ、検知器で検知された該照射光データをフーリエ変換し、該試料の赤外線吸収スペクトルデータを得る二光束干渉分光法の赤外分光装置において、
前記光源は、所定の時間幅のパルス励起光を所定の繰り返し周波数で発生する励起源と、
前記励起源からのパルス励起光が照射されると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波を発生するミリ波・赤外放射素子と、
前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波が、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持つように、前記パルス励起光の時間幅を設定する時間幅設定手段と、
前記パルス励起光の繰り返し周波数は１．５ＭＨｚ以上であり前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波の繰り返し時間を測定試料の緩和時間に合わせて調節することができるように、前記パルス励起光の繰り返し周波数を設定する周波数設定手段と、を備え、
前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を、前記二光束干渉分光法の赤外分光装置の光源光として用いたことを特徴とする赤外分光装置。
【請求項２】
請求項１記載の赤外分光装置において、
前記励起源と、
前記ミリ波・赤外放射素子と、を備え、
前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を測定試料に照射し、検知器で検知された該試料の透過ないし反射波強度の時間分解データを時系列データとして検出し、該時系列データをフーリエ逆変換の数理的演算処理することによって、分光スペクトルデータを得るパルス分光部と、
前記パルス分光部に付属のミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を、前記赤外分光装置の所定の光路中に光源光として導光する導光手段と、を備えたことを特徴とする赤外分光装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の赤外分光装置において、前記励起源は、フェムト秒レーザ、あるいは電子ビーム型発振器であることを特徴とする赤外分光装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の赤外分光装置において、前記時間幅設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子で、前記ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波が発生するように、前記励起源で発生するパルス励起光の時間幅を、６フェムト秒以上、１７０フェムト秒以下に設定することを特徴とする赤外分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外分光装置、特にその連続光光源の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分光測定等の分野において、赤外領域の光源は、各波数領域での光輝度が、連続的であることが必要とされるため、通常は、熱放射体からのエネルギを利用する光源が使用されている。
現在、連続光光源としては、たとえばシリコンカーバイト（ＳｉＣ）、ニクロム線、特殊なセラミックスの棒等の熱放射体が主体である。
【０００３】
一方、従来から赤外分光装置は、あらゆる面で改善が行われ、高性能化してきている。
しかしながら、時代の要求は、より小さい試料、並びに透過又は反射率の悪い試料の測定を如何に早く高精度で測定できるかにかかってきている。
これを実現するための手段には、前記連続光光源からのエネルギ放射を高くすることが含まれていることは勿論である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記熱放射体を用いた連続光光源では、そのエネルギ放射を大きくするために、光源温度を上昇させると、光源の素材として現在使用されているものの殆どは、融点が低いため溶けてしまうか、あるいは蒸発してしまう。
一方、タングステン等の融点の高い物質を光源の素材として用いると、空気中で酸化する。
【０００５】
このように高精度測定を行うため、連続光光源に関しては、高輝度で、安定性にも優れた赤外光を確実に得られる技術の開発が強く望まれていたものの、これを解決することのできる適切な技術がいまだ存在しなかった。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は高輝度の赤外光が安定して得られる赤外分光装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者が前記課題について鋭意検討を重ねた結果、半導体薄膜基板のミリ波・赤外放射素子に照射するパルス励起光の時間幅や繰り返し周波数等を考慮することにより、該ミリ波・赤外放射素子より、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、ミリ波から赤外波長域における所望の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ち、かつ、実質的に時間的に連続したテラヘルツ放射が得られる。
【０００７】
これは従来の熱放射体を用いた連続光光源より放射される赤外光に比較し、高輝度で、安定性にも優れた赤外光であることを見出し、本発明を完成するに至った。
以下に、前記テラヘルツ放射の原理について説明する。
【０００８】
このテラヘルツ放射には、たとえば図１に示すようなＴＬ−ＧａＡｓ基板９のボウタイアンテナ構造の光スイッチ素子１０等のミリ波・赤外放射素子１２に、フェムト秒レーザ１４からのパルス励起光Ｌ１１の照射で、電子・正孔の自由キャリアーを誘起させ、超高速電流変調することによって、そのテラヘルツ放射Ｌ２を得ている。
【０００９】
すなわち、バイアス電流印加のミリ波・赤外放射素子１２に、パルス励起光Ｌ１１が照射されると、電場が揺り動かされる。電場が揺り動かされると、カレント（電流）が揺り動かされることにより、ミリ波・赤外放射素子１２に照射されたパルス励起光Ｌ１１の時間幅Δｔにより規定される波数範囲で連続スペクトルを持ったテラヘルツ放射Ｌ２が得られる。
【００１０】
ここで、図２（ａ）に示されるような時間幅Δｔを持ったパルス励起光Ｌ１１をミリ波・赤外放射素子１２に照射すると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、該ミリ波・赤外放射素子１２より、同図（ｂ）に示されるようなテラヘルツ放射Ｌ２の時系列検出信号が得られる。
このとき、このテラヘルツ放射Ｌ２の分光スペクトルは、同図（ｃ）に示されるような波数範囲０〜σｍａｘｃｍ−１に渡り、連続スペクトル分布を持っている。
ここで、このテラヘルツ放射Ｌ２の持つ最大波数σｍａｘは、パルス励起光Ｌ１１の時間幅Δと逆比例の関係にある。
【００１１】
したがって、このパルス励起光Ｌ１１の時間幅を６フェムト秒にすると、テラヘルツ放射Ｌ２には、０〜５５５６ｃｍ−１のミリ波から近赤外波長光が含まれる。
これに対し、前記パルス励起光Ｌ１１の時間幅を１７０フェムト秒にすると、テラヘルツ放射Ｌ２には０〜１９６ｃｍ−１のミリ波から遠赤外波長光が含まれる。
【００１２】
また、前記パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数を、例えば二光束干渉計の走査速度より早い、たとえば１．５ＭＨｚ以上の値に設定することにより、前記ミリ波・赤外放射素子１２より発生するテラヘルツ放射Ｌ２は、二光束干渉分光法の赤外分光装置からみれば、実質的に時間的に連続した赤外光に等しいので、例えば二光束干渉分光法の赤外分光装置の光源光として用いることができる。
【００１３】
すなわち、前記目的を達成するために、本発明にかかる赤外分光装置は、二光束干渉分光法の赤外分光装置において、励起源と、ミリ波・赤外放射素子と、時間幅設定手段と、周波数設定手段と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記二光束干渉分光法の赤外分光装置は、連続光光源から放射された赤外光をビームスプリッタにより二分割し、一方を固定鏡で、他方を走査鏡で反射させて得た帰還光を合成させてできた干渉光を測定試料に照射し、検知器で検知された該照射光データをフーリエ変換することにより、該試料の赤外線吸収スペクトルデータを得る。
【００１４】
また、前記励起源は、所定の時間幅のパルス励起光を所定の繰り返し周波数で発生する。
また、前記ミリ波・赤外放射素子は、前記パルス励起光が照射されると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波を発生する。
【００１５】
前記時間幅設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波が、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持つように、前記パルス励起光の時間幅を設定する。
前記周波数設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波が、実質的に時間的に連続した赤外光となるように、前記パルス励起光の繰り返し周波数を設定する。
【００１６】
そして、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を、前記二光束干渉分光法の赤外分光装置の光源光として用いる。
また、前記目的を達成するために、本発明にかかる赤外分光装置は、分散型分光法の赤外分光装置において、励起源と、ミリ波・赤外放射素子と、時間幅設定手段と、周波数設定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記分散型分光法の赤外分光装置は、連続光光源から放射された赤外光を測定試料に照射し、該試料の透過ないし反射光を分散させた後、単色光に分解して検知器で検出し、該単色光を波数走査することにより、該試料の赤外線吸収スペクトルデータを得る。
また、前記励起源は、所定の時間幅のパルス励起光を所定の繰り返し周波数で発生する。
【００１８】
前記ミリ波・赤外放射素子は、前記励起源からのパルス励起光が照射されると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波を発生する。
前記時間幅設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波が、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持つように、前記パルス励起光の時間幅を設定する。
【００１９】
前記周波数設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波が、実質的に時間的に連続した赤外光となるように、前記パルス励起光の繰り返し周波数を設定する。
そして、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を、前記分散型分光法の赤外分光装置の光源光として用いる。
【００２０】
なお、前記赤外分光装置において、励起源と、ミリ波・赤外放射素子と、パルス分光部と、導光手段と、を備えることが好適である。
ここで、前記励起源は、前記所定の時間幅のパルス励起光を、所定の繰り返し周波数で発生する。
また、前記ミリ波・赤外放射素子は、前記励起源からのパルス励起光が照射されると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波を発生する。
【００２１】
前記パルス分光部は、前記ミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を測定試料に照射し、検知器で検知された該試料の透過ないし反射波強度の時間分解データを時系列データとして検出し、該時系列データをフーリエ逆変換の数理演算処理によって分光スペクトルを得る。
前記導光手段は、前記パルス分光部に付属のミリ波・赤外放射素子からのパルス電磁波を赤外分光装置の光源光として、前記二光束干渉分光法、あるいは分散型分光法等の赤外分光装置の光路中に導光する。
【００２２】
また、前記赤外分光装置において、前記励起源は、超短のパルス励起光を安定して出射可能なフェムト秒レーザ、あるいは電子ビーム型発振器であることも好適である。
この電子ビーム型発振器としては、たとえば光蓄積リング（ＰｈＳＲ）、軌道放射光リング（ＳＯＲ）等が一例として挙げられる。
【００２３】
また、前記赤外分光装置において、前記時間幅設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子で、前記ミリ波から赤外波長域における所定の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波が発生するように、前記励起源で発生するパルス励起光の時間幅を、６フェムト秒以上、１７０フェムト秒以下に設定することも好適である。
【００２４】
また、前記赤外分光装置において、前記周波数設定手段は、前記ミリ波・赤外放射素子で発生するパルス電磁波が実質的に時間的に連続するように、前記パルス励起光の繰り返し周波数を、例えば二光束干渉計の走査速度より早い１．５ＭＨｚ以上に設定することも好適である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の好適な一実施形態を説明する。
図３には、本発明の一実施形態にかかる赤外分光装置の概略構成が示されている。
なお、本実施形態では、前記図１と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００２６】
また、本実施形態では、赤外分光装置として、二光束干渉分光測定部１１６とパルス分光部１１８とを備えた複合の赤外分光装置を想定し、該二光束干渉分光測定部１１６に、パルス分光部１１８に付属のミリ波・赤外放射素子１１２から放射された赤外光を導光する場合について説明する。
同図に示す複合の赤外分光装置１２０は、パルス分光部１１８に付属のフェムト秒レーザ１１４等の励起源と、ミリ波・赤外放射素子１１２を含む。
【００２７】
また、この複合赤外分光装置１２０は、二光束干渉分光測定部１１６に付属のＨｇ等の連続光光源１１１と、ＭＰ／連続走査ＦＴＩＲ１２２等の干渉計と、ボロメータ等のＩＲ検出器１２４等を含む。
また、この複合赤外分光装置１２０は、信号処理手段としてのコンピュータ１２６を含む。
【００２８】
ここで、前記フェムト秒レーザ１１４は、コンピュータ１２６等の時間幅設定手段により、時間幅１０フェムト秒のパルス励起光Ｌ１１を、コンピュータ１２６等の周波数設定手段により、繰り返し周波数を、例えば２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚで発生するように設定されている。
【００２９】
また、前記ミリ波・赤外放射素子１１２は、たとえば前記ＴＬ−ＧａＡｓ基板ボウタイアンテナ型発振器等よりなり、フェムト秒レーザ１１４からのパルス励起光Ｌ１１が照射されると、光と物質の電磁気学的電場・電気双極子間の相互作用により、例えばΔｔ＝１０フェムト秒の場合には、波数範囲０〜３３００ｃｍ−１に渡り、連続スペクトル分布を持ったパルス電磁波である、テラヘルツ放射Ｌ２を発生する。
【００３０】
そして、本実施形態では、パルス分光部１１８で得たテラヘルツ放射Ｌ２を、外部観測用光路切換ミラー１２８等の導光手段によりパルス分光部１１８の外部に取り出し、二光束干渉分光測定部１１６のＭＰ／連続走査ＦＴＩＲ１２２に導光している。
ここで、前記外部観測用光路切換ミラー１２８は、例えば駆動部（図示省略）、駆動回路（図示省略）、及びコンピュータ１２６等の制御回路により、パルス分光部１１８を使用する場合には、図中、破線で示されるように、外部観測用光路切換ミラー１２８がテラヘルツ放射Ｌ２の光路中より退避させられる。
【００３１】
これに対し、二光束干渉分光測定部１１６を使用する場合には、図中、実線で示されるように、外部観測用光路切換ミラー１２８がテラヘルツ放射Ｌ２の光路中に挿入されるように構成されている。
本実施形態では、外部観測用光路切換ミラー１２８により二光束干渉分光測定部１１６のＭＰ／連続走査ＦＴＩＲ１２２に導光されたテラヘルツ放射Ｌ２を、ビームスプリッタ１３４で二分割する。
【００３２】
そして、一方Ｌ３を固定鏡１３６で、他方Ｌ４を走査鏡１３８で反射させた後に合成させてできた干渉光Ｌ５を試料１４０に照射する。
その試料透過ないし反射干渉光Ｌ６を、ＩＲ検出器１２４で受光し、光電変換する。
そして、ＩＲ検出器１２４で検知された照射光データを、コンピュータ１２６に取り込む。
【００３３】
このコンピュータ１２６は、該照射光データをフーリエ変換することにより、試料１４０の赤外線吸収スペクトルデータを求め、ディスプレイ１４６、レコーダ１４８等に出力する。
本実施形態にかかる複合赤外分光装置１２０は、概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
【００３４】
まず、試料１４０を二光束干渉分光測定部１１６にセットする。
試料１４０をセットした後、コンピュータ１２６を介してフェムト秒レーザ１１４により発生されるパルス励起光Ｌ１１の時間幅Δｔと繰り返し周波数、外部観測用光路切換ミラー１２８の切り換え等を指示する。
たとえばコンピュータ１２６によりパルス励起光Ｌ１１の時間幅Δｔを、１０フェムト秒に設定する。また、繰り返し周波数を２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ等に設定する。
【００３５】
そして、コンピュータ１２６からの指示に基づき測定を開始する。
すなわち、赤外光を測定試料１４０に照射し、その試料透過ないし反射光データを検出するが、光源光としては、一般に、Ｈｇ等の連続光光源１１１等の熱放射体より放射された赤外光が用いられる。
しかしながら、前記熱放射体では、高精度測定を行うために、より高輝度の赤外光を得ようとすると、安定性が失われてしまい、高輝度の赤外光を安定して得るのが困難であった。
【００３６】
そこで、本発明では、前記熱放射体から放射される赤外光に比較し、高輝度で、安定性にも優れた、ミリ波・赤外放射素子１１２より発生するテラヘルツ放射Ｌ２を用いている。
このために、本実施形態では、コンピュータ１２６からの指示に基づき測定を開始すると、パルス分光部１１８に付属のフェムト秒レーザ１１４より、パルス励起光Ｌ１１が２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚの高周波で出射され、ミリ波・赤外放射素子１１２に照射されると、電子・正孔の自由キャリアーが誘起され、超高速電流変調されることにより、そのテラヘルツ放射Ｌ２が得られる。
【００３７】
ここで、本実施形態では、パルス励起光Ｌ１１の時間幅を、１０フェムト秒という超短に設定しているので、前記ミリ波・赤外放射素子１２１より発生するテラヘルツ放射Ｌ２には、波数範囲０〜３３００ｃｍ−１のミリ波から近赤外波長光が含まれる。
また、本実施形態では、前記パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数を、たとえば２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚという高周波に設定しているので、ミリ波・赤外放射素子１１２より発生するテラヘルツ放射Ｌ２は、実質的に時間的に連続した赤外光となる。
【００３８】
本実施形態では、このように、パルス励起光Ｌ１１の時間幅と繰り返し周波数を工夫して得られた、ミリ波から赤外波長域０〜３３００ｃｍ−１で連続スペクトルを持ち、高輝度で安定性にも優れたテラヘルツ放射Ｌ２を、二光束干渉分光測定部１１６による試料１４０の赤外線吸収測定に用いている。
すなわち、本実施形態では、パルス分光部１１８に付属の発振器１１２からのテラヘルツ放射Ｌ２を外部観測用光路切換ミラー１２８により外部に取り出す。これを二光束干渉分光測定部１１６に付属のＭＰ／連続走査ＦＴＩＲ１２２に導光する。
【００３９】
そして、ＩＲ検出器１２４で検知された照射光データをコンピュータ１２６により公知の信号処理を行うことにより、該測定部１１６に設置の試料１４０の赤外線吸収スペクトルデータを求めている。
このため、本実施形態では、Ｈｇ等の熱放射体を用いた従来の連続光光源１１１に比較し、より高輝度の赤外光を安定してＭＰ／連続走査ＦＴＩＲ１２２内の測定試料１４０に照射できるので、ＳＮ比の良い測定を行うことができる。
【００４０】
また、本実施形態では、同図に示すようにパルス分光部１１８と二光束干渉分光測定部１１６とを組み合わせた複合の赤外分光装置１２０とし、コンピュータ１２６等の指示により、外部観測用光路切換ミラー１２８を、パルス分光部１１８のテラヘルツ放射Ｌ２の光路に挿入するか、又は退避させるのみで、パルス分光部１１８を使用するか、又は二光束干渉分光測定部１１６を使用するかを切り換え可能としている。
【００４１】
これにより、これらの分光測定部１１６，１１８を別個独立に設けたものに比較し、光学系の光学的最適調整状態を良好に保持できるとともに、装置構成の簡易化を図ることができる。
なお、本発明の赤外分光装置は、前記構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【００４２】
励起源の変形例について
前記構成では、励起源として、フェムト秒レーザ１１４を用い、該レーザ１１４から出射されたレーザ光を用いた例について説明したが、これに限定されるものではなく、ミリ波・赤外放射素子１１２より、ミリ波から赤外領域における所望の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったテラヘルツ放射Ｌ２を励起可能なものであれば、他のものを用いることができる。
【００４３】
例えば光蓄積リング（ＰｈＳＲ）や軌道放射光リング（ＳＯＲ）等の電子ビーム型発振器を設け、該ＰｈＳＲやＳＯＲからの超短パルス放射光を、ミリ波・赤外放射素子１１２に印加し、テラヘルツ放射Ｌ２を励起させることも大変有効である。
また、テラヘルツ放射Ｌ２を励起できるものであれば、前記レーザ光等の光に代えて、エネルギ等であってもよい。
【００４４】
測定波数範囲の変更について
前記構成では、パルス励起光Ｌ１１の時間幅Δｔを、たとえば１０フェムト秒に設定し、ミリ波から赤外波長域における波数範囲０〜３３００ｃｍ−１に渡り、連続スペクトル分布を持ったテラヘルツ放射Ｌ２を得た例について説明したが、該パルス励起光Ｌ１１の時間幅Δｔを考慮することにより、テラヘルツ放射Ｌ２の持つ最大波数σｍａｘを容易に変更可能である。
このため、赤外領域以外を測定波数範囲とする分光測定部の光源として用いることも可能ではある。
【００４５】
種々の分光測定部への適用について
たとえば、前記構成では、二光束干渉分光測定部１１６の連続光光源の例について説明したが、これに限られるものではなく、該二光束干渉分光測定部１１６に代えて、たとえば分散型分光法等の赤外分光装置にも適用できるのは勿論である。
【００４６】
分散型分光法の赤外分光装置としては、例えばミリ波・赤外放射素子からのテラヘルツ放射を測定試料に照射し、該試料の透過ないし反射光を分散させた後、単色光に分解して検知器で検出し、該単色光を波数走査することにより、該試料の赤外線吸収スペクトルデータを得るもの等が一例として挙げられる。
【００４７】
また、パルス分光部１１８としては、ミリ波から赤外領域における所望の波数範囲に渡り連続スペクトル分布を持ったテラヘルツ放射Ｌ２が高速の繰り返し周波数で得られるものであれば、任意のものを用いることができるが、たとえば以下に示すものが、後述する種々の面で、より好ましい。
【００４８】
まず、その概略構成を説明する。
図４に示すように、パルス分光部１１８を使用する際は、コンピュータ１２６等により外部観測用光路切換ミラー１２８をテラヘルツ放射Ｌ２の伝播路中より退避させる。
同図に示すパルス分光部１１８は、前記フェムト秒レーザ１１４と、前記ミリ波・赤外放射素子１１２と、複数の試料部１５２、１５４と、複数の検出器１５６、１５８と、複数の光学的遅延手段１６０、１６２を含む。
【００４９】
そして、発振器１１２に、１０フェムト秒のパルス励起光Ｌ１１が照射されると、該ミリ波・赤外放射素子１１２より、ミリ波から赤外波長域における波数範囲０〜３３００ｃｍ−１に渡り、連続スペクトル分布を持ったテラヘルツ放射Ｌ２が放射される。
前記テラヘルツ放射Ｌ２を、例えば２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ等の繰り返し周波数で、ガス試料セル内のガス試料１５３等に照射する。
測定試料は、ガス試料１５３に代えて、固体試料１５５等を設置してもよい。
【００５０】
多試料測定を容易にする複数の試料部について
すなわち、本実施形態では、ミリ波・赤外放射素子１１２と検出器１５６等との間の、テラヘルツ放射Ｌ２の伝播路中に、平行光照射試料部１５２と、収束光照射試料部１５４とを直列に設けている。
そして、試料に応じてミリ波・赤外放射素子１１２からのテラヘルツ放射Ｌ２を異なる形状で照射できるように、各試料部１５２，１５４の前後に、複数の放物面鏡１６４ａ〜１６４ｃ等の試料部照射光学系を設けることが好ましい。
【００５１】
例えば、各放物面鏡１６４ａ〜１６４ｃの鏡面の向きを同図に示すように配置することにより、ミリ波・赤外放射素子１１２からのテラヘルツ放射Ｌ２は、放物面鏡１６４ａにより平行光Ｌ２ａとして平行光照射試料部１５２に照射される。
この平行光照射試料部１５２からのテラヘルツ放射Ｌ７ａは、放物面鏡１６４ｂにより集光され、収束光Ｌ２ｂとして収束光照射試料部１５４に照射される。
【００５２】
この収束光照射試料部１５４からのテラヘルツ放射Ｌ７ｂは、放物面鏡１６４ｂにより集光され、検出器１５６、１５８に導光される。
そして、使用者は、ガス試料１５３等を測定する場合には、例えばガス試料１５３をガス試料セルに入れ、該ガス試料セルを平行光照射試料部１５２に設置する。
また、使用者は、ガス試料１５３等に代えて、固体試料１５５等を測定する場合には、該固体試料１５５等を収束光照射試料部１５４に設置する。
【００５３】
この結果、一台の装置で、多試料と測定モードをカバーすることが可能となり、各試料、測定モードごとに光学系を交換する必要がなくなる。
つまり、試料やその測定モードに応じて異なる光学系を交換する手間を省いているので、光学的最適調整状態を、長時間保持できる。
これにより、測定を常に適正に行うことができる。また、装置構成の簡易化を図ることもできる。
【００５４】
しかも、平行光を用いるか、又は収束光を用いるかによって多くの試料の測定が容易となる。これにより、一の装置で、気体、液体、固体のいずれの試料についても、実時間（高速時間分解）測光できる。
なお、前記構成では、平行光照射試料部１５２と収束光照射試料部１５４とを直列に設けた例について説明したが、これらの試料部１５２，１５４を並列に設けてもよい。
【００５５】
たとえば、ミリ波・赤外放射素子１１２からのテラヘルツ放射Ｌ２を、ビームスプリッタ等の分割手段により二分割し、一方を平行光照射試料部１５２へ、他方を収束光照射試料部１５４へ導光し、各試料部からのテラヘルツ放射を各対応検出器で検出できる。
本実施形態では、検出器として、たとえばシリコンレンズ／ＴＬ−ＧａＡｓ基板ボウタイアンテナ素子検出器１５６に加えて、フェムト秒パルス・サンプリング電気光学（ＥＯ）素子検出器１５８を設けており、パルス分光部１１８に設置の試料１５３（１５５）を透過したテラヘルツ放射Ｌ７を受光し、光電変換する。
【００５６】
前記遅延手段は、例えば試料測定用の反射器１６３を含む遅延ステージ１６４と、ステッピングモータ等の駆動部１６６と、駆動回路１６７と、コンピュータ１２６等の制御手段等よりなる試料測定用の光学的遅延手段１６０を含む。
この試料測定用の光学的遅延手段１６０は、フェムト秒レーザ１１４からのレーザ光Ｌ１を、検出器１５６、１５８からの時間分解データの取り込みを指示するサンプリング・パルス光Ｌ１２として受光し、検出器１５６、１５８に導光している。
【００５７】
ここで、コンピュータ１２６は、パルス励起光Ｌ１１がミリ波・赤外放射素子１１２に１回入射するごとに、２つのパルスＬ１１、Ｌ１２の遅延時間差τがΔｔづつ変化するように、遅延ステージ１６４の反射器１６３を駆動部１６６で駆動して平行移動しているので、パルス励起光Ｌ１１に対し遅延時間差をサンプリング・パルス光Ｌ１２に設けることができる。
【００５８】
時間原点調整用の遅延手段の付加について
また、前記試料測定用の遅延手段１６０に加えて、時間原点調整用の光学的遅延手段１６２を設けることも好ましい。
たとえば、時間原点調整用の反射器１６９を含む遅延ステージ１７０、ステッピングモータ等の駆動部１７２、駆動回路１７４を設ける。
【００５９】
このため、コンピュータ１２６により指示したサンプリング・パルス光Ｌ１２の遅延時間差の制御に、試料測定用の遅延手段１６０に加えて、時間原点調整用の遅延手段１６２を用いることにより、試料測定用の遅延手段１６０のみを設けた場合に比較し、該遅延時間差の制御を、より適正に行うことができる。
これにより、コンピュータ１２６の指示通りに、検出器１５６，１５８からの測光データの取り込みを行うことができるので、該測光データは、そのような工夫のないものに比較し、非常に信頼性の高いものとなる。
【００６０】
そして、サンプリング・パルス光Ｌ１２により、検出器１５６、１５８からの時間分解データを、コンピュータ１２６に、各遅延時間差に対応させて取り込むことにより、試料透過ないし反射テラヘルツ放射Ｌ７の強度の時間分解データを得ている。
コンピュータ１２６は、取り込んだ各時間分解データよりなる時系列データをフーリエ逆変換し、赤外線吸収スペクトルデータを得ている。
【００６１】
このように本実施形態では、フェムト秒レーザ１１４から出射されたフェムト秒レーザ光Ｌ１を分岐し、一方をパルス励起光Ｌ１１としてミリ波・赤外放射素子１１２に導光し、テラヘルツ放射Ｌ２を発生させる。これをパルス分光部１１８に設置の測定試料１５３（１５５）に照射している。
この試料を透過（反射）したテラヘルツ放射Ｌ７は、検出器１５６，１５８でその光強度が検出され、その検出信号がコンピュータ１２６に供給される。
【００６２】
ここで、検出器１５６，１５８では、パルス励起光Ｌ１１がミリ波・赤外放射素子１１２に１回照射されるにつき、ある一瞬しか光輝度が検出されないようにし、テラヘルツ放射Ｌ２を試料にあてたのち、ある遅延時間をおいて検出器１５６，１５８を一瞬間だけオンにし、その瞬間の透過光強度を測定している。
このとき、コンピュータ１２６が遅延時間をパルス励起光Ｌ１１がミリ波・赤外放射素子１１２に１回照射されるにつき、Δτづつずらすことにより、試料より出てくるテラヘルツ放射Ｌ７強度の各時間分解データを得ている。
【００６３】
そして、コンピュータ１２６は、試料を透過したテラヘルツ放射Ｌ７の各時間分解データよりなる時系列データに、フーリエ逆変換を行うことにより、該試料の赤外線吸収スペクトルデータを求め、これをディスプレイ１４６やレコーダ１４８に出力させる。
【００６４】
周波数調節手段の付加について
試料の状態の時間変化を測定するために、テラヘルツ放射Ｌ２を試料に照射することにより励起し、その時点からの時間変化を測定する。
この試料が励起される時間と試料をテラヘルツ放射Ｌ２が透過する時間の時間間隔を変えながら、透過ないし反射したテラヘルツ放射Ｌ７を分光することにより、時間分解分光装置測を行うことができる。
【００６５】
しかしながら、パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数は、例えば２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚであるため、例えば５０ＭＨｚの場合には、テラヘルツ放射Ｌ２は、２０ｎｓ毎に試料に照射されることとなる。
試料がテラヘルツ放射Ｌ２で基底状態から励起された後の緩和現象を測定する場合には、励起状態が２０ｎｓよりも長い現象では、テラヘルツ放射Ｌ２で励起するときに試料が基底状態ではないという問題が生じる。
【００６６】
このためにパルス励起光Ｌ１１の繰り返し時間を試料の緩和時間に合わせて調整する必要のある場合があり、本実施形態では、音響光学的光変調器（ＡＯＭ）、電気光学変調器（ＥＯＭ）、レーザの再生増幅システム等の周波数調節手段１７６を設けている。
ここで、前記音響光学的光変調器（ＡＯＭ）は、印加する超音波の輝度を変えて、回折された光の輝度を変調するものである。
【００６７】
これをパルス励起光Ｌ１１の伝播路中に設けることにより、該パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数を下げることができる。
また、前記電気光学変調器（ＥＯＭ）は、カーセルその他の信号制御電気光学装置を用いて、偏光ビームの振幅、位相、周波数、方向などを変える光変調器の一種である。
これをパルス励起光Ｌ１１の伝播路中に設けることにより、該パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数を下げることができる。
【００６８】
このようにして本実施形態では、周波数調節手段１７６により、パルス励起光Ｌ１１の繰り返し周波数を下げることにより、該パルス励起光Ｌ１１が照射されることで、ミリ波・赤外放射素子１１２より発生するテラヘルツ放射Ｌ２の繰り返し時間を、測定試料の緩和時間に合わせて調整することができる。
これにより、励起状態の寿命が短いものから長いものまで、さまざまな試料の測定を適正に行うことができる。
【００６９】
パルス選択システム、光路選択システム
本実施形態では、ミリ波・赤外放射素子１１２で、より高輝度のテラヘルツ放射を得るためには、よりハイパワーのレーザ光等のパルス励起光Ｌ１１が必要になる。
しかしながら、あまりハイパワーのレーザ光等を、検出器１５６等にサンプリング・パルス光Ｌ１２として照射すると、検出器を破損してしまう場合がある。
【００７０】
そこで、本実施形態では、まずパルス選択システム１７８を設け、このパルス選択システム１７８により、高輝度電磁波が得られる比較的ハイパワーの７８０ｎｍのレーザ光と、検出器１５６等を破損しない程度の比較的ローパワーの１５５０ｎｍのレーザ光を選択可能にしている。
また、本実施形態では、このパルス選択システム１７８の上段に、光路選択システム１８０を設けている。
【００７１】
そして、これらのパルス選択システム１７８と光路選択システム１８０により、例えば１５５０ｎｍのレーザ光をミリ波・赤外放射素子１１２と検出器１５６等に導光することができる。
また、より高輝度の電磁波を得るために７８０ｎｍのレーザ光をミリ波・赤外放射素子１１２に導光し、１５５０ｎｍのレーザ光を検出器１５６等に導光することにより、高輝度のテラヘルツ放射Ｌ２が得られるとともに、検出器１５６等の破損等を確実に防止することができる。
【００７２】
励起光遅延ステージ
また、本実施形態では、パルス励起光Ｌ１１とサンプリング・パルス光Ｌ１２の光路のどちらが長くなるかわからない場合であっても、このパルス励起光Ｌ１１とサンプリング・パルス光Ｌ１２との間に、適正に光路差を設け、該光路差により所定の遅延時間差を設けられるように、励起光遅延ステージ１８２を設けてもよい。
【００７３】
光チョッパ
本実施形態では、光路選択システム１８０とミリ波・赤外放射素子１１２との間の、レーザ光Ｌ１の伝播路中に、光チョッパ１８４を設けてもよい。
そして、この光チョッパ１８４により、レーザ光Ｌ１を確実に所定の時間間隔の断続光としている。
【００７４】
パルス分光部の信号処理の流れ
つぎに、パルス分光部１１８の信号処理の流れを説明する。
すなわち、本実施形態では、パルス励起光Ｌ１１をミリ波・赤外放射素子１１２に照射することによって発生するテラヘルツ放射Ｌ２を、測定試料に照射し、その透過ないし反射テラヘルツ放射Ｌ７の時系列データをフーリエ逆変換することにより、赤外線吸収スペクトルデータを得ている。
【００７５】
ここで、テラヘルツ放射Ｌ２の発生には、シリコンレンズ／ＴＬ−ＧａＡｓ基板ボウタイアンテナ構造の光スイッチ素子等の発振器１１２に、図５（ａ）に示されるようなパルス励起光Ｌ１１の照射で、電子・正孔の自由キャリアーを誘起させ、超高速電流変調することによって、同図（ｂ）に示されるような、テラヘルツ放射Ｌ２を得ている。
【００７６】
そして、このテラヘルツ放射Ｌ２は、試料中を伝播してその光物性情報を獲得した後に、光検出器１５６、１５８で電気信号に変換される。
この試料透過ないし反射テラヘルツ放射Ｌ７の輝度Ｅｒ（ｔ）（同図（ｃ）参照）の検出は、テラへルツミリ波・赤外放射素子と同様の光伝導スイッチ素子を用いて、サンプリング・パルス光Ｌ１２により光伝導ギャップに励起されたキャリア（数：Ｎ（ｔ））の流れ（電流）として検出される。
【００７７】
その電流密度Ｉ（ｔ）は、Ｅｒ（ｔ）と励起キャリア数Ｎ（ｔ）とのコンボリューション、
すなわち、
【数１】
0004248665.tif 000002
となる。
【００７８】
ここで、前記τはサンプリング・パルス光Ｌ１２の遅延時間であり、前記光学的遅延手段１６０，１６２により該遅延時間τを走査することによって、試料透過（反射）光強度の時間依存性Ｅｒ（ｔ）を電流輝度の時間軸信号Ｉ（τ）として検出する。
また、このＩ（τ）は、非線形結晶（ＴｅＯ２）を用いたＥＯ素子１５８（電気光学素子）によっても検出される。
【００７９】
すなわち、このＥＯ素子１５８による検出が、上記の光スイッチ素子等の検出器１５６による検出と比較して、高速で高感度検出が期待されることから、むしろＥＯ素子１５８による検出が好ましいからである。
そして、試料透過ないし反射テラヘルツ放射Ｌ７の輝度は、パルス励起光Ｌ１１に同期して、所定の時間Δτづつ遅延されたサンプリング・パルス光Ｌ１２（同図（ｄ）参照）によって、光学的に極めて短時間隔でサンプリングされる。
【００８０】
このサンプリング幅Δｔ秒は、測定に望まれる、要求される測光スペクトルの波数分解能Δσｃｍ−１に対してΔｔ＝１／２πΔσで定められる。
この検出されたパルス電磁波の輝度信号（同図（ｅ）参照）は、コンピュータ１２６に伝送され、逆フーリエ変換処理で波数空間に変換されることにより、同図（ｆ）に示されるような分光スペクトルとして出力される。
【００８１】
このようなパルス分光部１１８を用いると、１台で光学系の調整なしにＴＨｚ領域をカバーできるでなく、繰り返し時間が、たとえば２０ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ等と、極めて早いため、大気中の水蒸気などの影響をほとんど受けることなく測定でき、大がかりな真空用筐体や真空排気装置も不要であるのみならず、超高速時間分解測光が可能である。
【００８２】
また、屈折率の振幅と位相を独立に同時に得ることと、広いスペクトル領域を１台の分光装置で光学系を調整することなく測定可能である。
そして、一台の装置に、平行光試料部１５２と収束光試料部１５４を直列に複数設け、ミリ波・赤外放射素子１１２からのテラヘルツ放射Ｌ２を、試料１５３、又は試料１５５に応じて異なる形状で照射できるように、各試料部１５２，１５４の前後に、放物面鏡１６４ａ〜１６４ｃ等を鏡面の向きを工夫して設けることとしたので、一台の装置で、種々の試料や測定モードをカバーできるので、一般的なパルス分光部を用いた場合に比較し、汎用性が向上される。
【００８３】
また、遅延時間を設ける遅延手段として、一般的な試料測定用の光学的遅延手段１６０に加えて、時間原点調整用の光学的遅延手段１６２を設けることにより、試料測定用の遅延手段１６０のみを設けた場合に比較し、遅延時間差を設ける制御をより適正に行うことができる。
さらに、テラヘルツ放射Ｌ２の繰り返し周波数を下げるための周波数調節手段１７６として、たとえばミリ波・赤外放射素子１１２に印加されるパルス励起光の繰り返しを下げるため、レーザ光Ｌ１の伝播路中に、音響光学的光変調器（ＡＯＭ）等を設けることにより、テラヘルツ放射Ｌ２の繰り返し時間を、測定試料の緩和時間に合わせて調整することができる。
【００８４】
これにより、励起状態の寿命が短いものから長いものまで、さまざまな試料の測定を適正に行うことができる。
第二実施形態
図６には、本発明の第二実施形態にかかる複合赤外分光装置の概略構成が示されている。
なお、前記第一実施形態と対応する部分には符号１００を加えて示し説明を省略する。
【００８５】
同図に示す複合赤外分光装置では、パルス分光部２１８に付属のミリ波・赤外放射素子２１２より発生したテラヘルツ放射Ｌ２を、導光手段２２８により一度外部に取り出し、応用光学系２８６に導光する。
この応用光学系２８６としては、例えば固体透過・反射測定、光音響測定、拡散反射測定、全反射（ＡＴＲ）測定、野外大気成分観測等を行うものがある。
【００８６】
本実施形態では、この応用光学系２８６に設置の試料を透過ないし反射したテラヘルツ放射を、この応用光学系２８６より取り出し、導光手段２２８を介して、再度、パルス分光部２１８の内部に取り込み、該パルス分光部２１８内部の構成部材により検出する。
したがって、前記第１実施形態と同様、従来の光源を用いた場合に比較し、ＳＮ比の良い測定を行うことができるとともに、さらに外部に組み込まれる応用光学系２８６を変えることにより、さまざまな計測が可能となる。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる赤外分光装置によれば、ミリ波・赤外放射素子に超短のパルス励起光を高速で照射することにより、ミリ波から赤外波長域における所望の波数範囲に渡り、連続スペクトル分布を持ったテラヘルツ放射を、実質的に時間的に連続した状態で発生させ、二光束干渉分光法や分散型分光法等の種々赤外分光装置の光源光として用いることとしたので、従来の熱放射体を用いた連続光光源より放射される赤外光に比較し、高輝度の赤外光を安定して得ることができる。
これにより、試料の赤外線吸収の測定を、より高精度に行うことができる。つまり、ＳＮ比の向上と同時に、測定波数領域拡大を引き出すことができる。
また、パルス分光部に付属のミリ波・赤外放射素子で発生したテラヘルツ放射を導光手段により外部に取り出し、前記二光束干渉分光法や分散型分光法等の他の赤外分光装置で光源光として用いることにより、種々の赤外分光装置を別個独立に設けたものに比較し、光学系の光学的最適調整状態を良好に保持できると共に、装置構成の簡易化を図ることができる。
さらに、前記パルス励起光の時間幅を、例えば６〜１７０フェムト秒に設定する時間幅設定手段と、該パルス励起光の繰り返し周波数を１．５ＭＨｚ以上に設定する周波数設定手段等を設けることにより、所望の波数範囲の測定光を、より確実に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ミリ波・赤外放射素子による電磁波放射の説明図である。
【図２】パルス励起光とテラヘルツ放射の持つ最大波数の関係の説明図である。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる複合赤外分光装置の概略構成の説明図である。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる複合赤外分光装置のパルス分光部を使用する場合の説明図である。
【図５】図４に示す複合赤外分光装置のパルス分光部による信号処理の流れである。
【図６】本発明の二実施形態にかかる複合赤外分光装置の概略構成の説明図である。
【符号の説明】
１１２…ミリ波・赤外放射素子
１１４…フェムト秒レーザ（励起源）
１１６…二光束干渉分光測定部（二光束干渉分光法）
１１８…パルス分光部
１２０…複合赤外分光装置
１２４…検出器
１２６…コンピュータ（信号処理手段、時間幅設定手段、周波数設定手段等）
１２８，２２８…外部観測用光路切換ミラー（導光手段）
１３６…固定鏡
１３８…走査鏡
１４０…測定試料
Ｌ１１…パルス励起光
Ｌ２…テラヘルツ放射（パルス電磁波）
Ｌ５…干渉光
Ｌ６…試料透過干渉光
【図１】
0004248665.tif 000003
【図２】
0004248665.tif 000004
【図３】
0004248665.tif 000005
【図４】
0004248665.tif 000006
【図５】
0004248665.tif 000007
【図６】
0004248665.tif 000008