CN102016548A - 全反射太赫兹波测定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的全反射太赫兹波测定装置(1)具备光源(11)、分支部(12)、斩波器(13)、光程差调整部(14)、偏振片(15)、分束器(17)、太赫兹波产生元件(20)、滤波器(25)、内部全反射棱镜(31)、太赫兹波检测元件(40)、1/4波长板(51)、偏振光分离元件(52)、光检测器(53a)、光检测器(53b)、差动放大器(54)以及锁定放大器(55)。内部全反射棱镜(31)为所谓的无象差棱镜，具有入射面(31a)、出射面(31b)以及反射面(31c)。内部全反射棱镜(31)的入射面(31a)上一体地设置有太赫兹波产生元件(20)和滤波器(25)，内部全反射棱镜(31)的出射面(31b)上一体地设置有太赫兹波检测元件(40)。滤波器(25)使太赫兹波透过而使泵浦光遮断。由此，实现了可小型化的全反射太赫兹波测定装置。

Description

全反射太赫兹波测定装置
技术领域
本发明涉及全反射太赫兹(terahertz)波测定装置。
背景技术
太赫兹波为具有相当于光波和电波的中间区域的0.01THz～100THz左右的频率的电磁波，具有光波和电波之间的中间性质。作为这样的太赫兹波的应用，正在研究通过测定在测定对象物中透过或反射的太赫兹波的电场振幅的时间波形，而取得该测定对象物的信息的技术(参照专利文献1)。
利用太赫兹波对测定对象物的信息的测定技术，一般为以下的技术。即从光源(例如飞秒(femtosecond)激光光源)输出的脉冲光由分支部2分支成泵浦光和探测光。其中，泵浦光被输入至太赫兹波产生元件(例如非线性光学晶体或光导电天线元件)，由此，从该太赫兹波产生元件产生太赫兹波。该产生的太赫兹波通过在测定对象物中透过或反射而取得该测定对象物的信息(例如吸收系数、折射率)，之后，与探测光在大致同一时机入射至太赫兹波检测元件(例如电光学晶体或光导电天线元件)。
被输入太赫兹波和探测光的太赫兹波检测元件中，检测出两光之间的相互关系。例如，作为太赫兹波检测元件使用电光学晶体的情况下，太赫兹波和探测光由合波部合波而入射至电光学晶体，该电光学晶体中伴随着太赫兹波的传播而引起双折射，由于该双折射，探测光的偏振光状态发生变化。电光学晶体中的探测光的偏振光状态的变化被检测，进而，太赫兹波的电场振幅被检测，从而取得测定对象物的信息。
在利用太赫兹波取得测定对象物的信息的时候，不仅是测定对象部中的太赫兹波的透过或反射，而且如专利文献1所公开的那样，在棱镜的一个平面上使太赫兹波全反射而生成倏逝波(Evanescent)成分，对该平面上的测定对象物照射太赫兹波的倏逝波成分，从而由太赫兹波而进行测定对象物的信息的取得。根据专利文献1的记载，在利用太赫兹波的全反射的技术中，可以实现测定对象物不限定为固体等的效果。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2004-354246号公报
专利文献2：日本特开2006-184078号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而，现有技术中，从光源到太赫兹波检测元件为止的光学***中所包含的部件的个数很多，装置为大型的装置。另外，由于太赫兹波传播的空间中含有的水会使太赫兹波被吸收，所以有必要在该空间中进行氮气清洗，因为这一点也使装置变为大型。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的为提供一种可小型化的全反射太赫兹波测定装置。
解决问题的技术手段
本发明所涉及的全反射太赫兹波测定装置的特征在于，具备(1)输出光的光源；(2)分支部，其将从光源输出的光2分支，并将该2分支的光中的一者作为泵浦光、另一者作为探测光输出；(3)太赫兹波产生元件，其包含非线性光学晶体，所述非线性光学晶体通过输入从分支部输出的泵浦光而产生太赫兹波并输出；(4)内部全反射棱镜，将从太赫兹波产生元件输出的太赫兹波输入至入射面，使该输入的太赫兹波在内部传播并且在反射面上全反射，将该太赫兹波从出射面向外部输出；(5)滤波器，其设置于太赫兹波产生元件和内部全反射棱镜的入射面之间，使从太赫兹波产生元件输出的太赫兹波向内部全反射棱镜透过，并遮断透过太赫兹波产生元件而从太赫兹波产生元件输出的泵浦光；(6)太赫兹波检测元件，将从内部全反射棱镜的出射面输出的太赫兹波和从分支部输出的探测光输入，检测这些太赫兹波和探测光之间的相互关系。而且，本发明所涉及的全反射太赫兹波测定装置的特征在于，在内部全反射棱镜的入射面上一体地设有太赫兹波产生元件和滤波器，在内部全反射棱镜的出射面上一体地设有太赫兹波检测元件，由太赫兹波的全反射时产生的该太赫兹波的倏逝波成分而取得关于配置于内部全反射棱镜的反射面的测定对象物的信息。
在该全反射太赫兹波测定装置中，从光源输出的光由分支部2分支而作为泵浦光和探测光被输出。从分支部输出的泵浦光被输入至包含非线性光学晶体的太赫兹波产生元件，在该太赫兹波产生元件中产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件输出的太赫兹波，不进行空间传播而透过滤波器直接输入至内部全反射棱镜的入射面，在内部全反射棱镜的内部传播并且在反射面上被全反射，从内部全反射棱镜的出射面向外部输出。从内部全反射棱镜的出射面输出的太赫兹波部不进行空间传播而直接输入至太赫兹波检测元件。
从内部全反射棱镜的出射面输出的太赫兹波和从分支部输出的探测光被输入至太赫兹波检测元件，由该太赫兹波检测元件检测太赫兹波和探测光之间的相互关系。此时，由太赫兹波的全反射时产生的该太赫兹波的倏逝波成分而取得关于配置于内部全反射棱镜的反射面上的测定对象物的信息。此外，虽然被输入至包含非线性光学晶体的太赫兹波产生元件的泵浦光的一部分透过太赫兹波产生元件的情况存在，但是，该透过的泵浦光由滤波器遮断。因此，能够抑制泵浦光输入至内部全反射棱镜。
发明的效果
本发明所涉及的全反射太赫兹波测定装置能够小型化。
附图说明
图1为第1比较例所涉及的太赫兹波测定装置8的构成图。
图2为第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9的构成图。
图3为第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1的构成图。
图4为一体地设置有太赫兹波产生元件20，滤波器25以及太赫兹波检测元件40的内部全反射棱镜31的剖面图。
图5为一体地设置有太赫兹波产生元件20，滤波器25以及太赫兹波检测元件40的内部全反射棱镜31的立体图。
图6为第2实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置2的构成图。
图7为一体地设置有太赫兹波产生元件20，滤波器25以及太赫兹波检测元件41的内部全反射棱镜32的立体图。
图8为光导电天线元件的立体图。
图9为第3实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置3的构成图。
具体实施方式
以下，参照附图，对用于实施本发明的方式进行详细的说明。此外，在附图的说明中，对相同或同等的要素标以相同的符号，省略重复的说明。另外，首先说明用于与本发明的实施方式的构成作对比的第1比较例和第2比较例的构成，之后，与这些比较例的构成对比而说明实施方式的构成。
(第1比较例)
首先，说明第1比较例所涉及的太赫兹波测定装置8。图1为第1比较例所涉及的太赫兹波测定装置8的构成图。该图所示的太赫兹波测定装置8通过利用太赫兹波的透过测定法而取得测定对象物S的信息，具备光源11、分支部12、斩波器13、光程差调整部14、偏振片15、合波部16、太赫兹波产生元件20、太赫兹波检测元件40、1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55。
光源11在一定的重复周期内输出脉冲光，优选为输出脉冲宽度为飞秒程度的脉冲激光的飞秒脉冲激光光源。分支部12为例如分束器，将从光源11输出的脉冲光进行2分支，将该2分支后的脉冲光中的一者作为泵浦光而输出至镜M1，将另一者作为探测光而输出至镜M4。
斩波器13被设置于分支部12和镜M1之间的泵浦光的光路上，在一定的周期内交替地重复泵浦光的通过和遮断。从分支部12输出且通过斩波器13的泵浦光由镜M1～M3依次反射，并被输入至太赫兹波产生元件20。此外，以下，将从分支部12到太赫兹波产生元件20为止的泵浦光的光学***称为“泵浦光学***”。
太赫兹波产生元件20通过输入泵浦光而产生脉冲太赫兹波并输出，例如，包含非线性光学晶体(例如ZnTe)、光导电天线元件(例如使用GaAs的光开光)、半导体(例如InAs)以及超传导体中的任意一种而被构成。在太赫兹波产生元件20包含非线性光学晶体的情况下，该太赫兹波产生元件20能够通过伴随着泵浦光入射而显现的非线性光学现象，从而产生太赫兹波。以下，将太赫兹波产生元件20取为包含非线性光学晶体的元件。
太赫兹波为具有相当于光波和电波的中间区域的0.01THz～100THz左右的频率的电磁波，具有光波和电波之间的中间性质。另外，脉冲太赫兹波在一定的重复周期内产生，脉冲宽度为皮秒程度。从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波通过透过测定对象物S而取得测定对象物S的信息(例如吸收系数、折射率)，之后，被输入至合波部16。此外，以下，将从太赫兹波产生元件20到合波部16为止的太赫兹波的光学***称作“太赫兹波光学***”。
另一方面，从分支部12输出的探测光由镜M4～M8依次反射，通过偏振片15，被输入至合波部16。另外，以下，将从分支部12到合波部16为止的探测光的光学***称作“探测光学***”。4个镜M4～M7构成光程差调整部14。即通过移动镜5和镜6，能够调整镜M4和M7以及镜M5和M6之间的光程，并调整探测光学系的光程。由此，光程差调整部14能够调整从分支部12到合波部16为止的泵浦光学***和太赫兹波光学***的光路与从分支部12到合波部16为止的探测光学***的光路的差。
合波部16输入从太赫兹波产生元件20输出且透过测定对象物S的太赫兹波以及从分支部12输出而到达的探测光，以使该太赫兹波和探测光互相成为同轴的方式进行合波，并输出至太赫兹波检测元件40。该合波部16优选为作为粘着于坚固的支承框并被薄地拉伸的薄膜状的镜的薄膜(pellicle)。
太赫兹波检测元件40检测太赫兹波和探测光之间的相互关系。在太赫兹波检测元件40包含电光学晶体的情况下，该太赫兹波检测元件40输入从合波部16输出的太赫兹波和探测光，由伴随着太赫兹波的传播的普克耳斯效应而引起双折射，通过该双折射而使探测光的偏振光状态变化，并输出该探测光。由于此时的双折射量依赖于太赫兹波的电场强度，所以，太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态的变化量依赖于太赫兹波的电场强度。
偏振光分离元件52例如为沃拉斯顿棱镜，输入从太赫兹波检测元件40输出并经过1/4波长板51的探测光，将该输入的探测光分离成互相垂直的2个偏振光成分并输出。光检测器53a，53b例如包含光电二极管，检测由偏振光分离元件52偏振光分离的探测光的2个偏振光成分的功率，将对应于该检测出的功率的值的电信号输出至差动放大器54。
差动放大器54输入分别从光检测器53a，53b输出的电信号，将具有对应于两电信号的值的差的值的电信号输出至锁定放大器55。锁定放大器55在斩波器13中的泵浦光的透过及遮断的重复频率中，同步检测从差动放大器54输出的电信号。从该锁定放大器55输出的信号具有依赖于太赫兹波的电场强度的值。这样，能够检测出透过测定对象物S的太赫兹波和探测光之间的相互关系，检测出太赫兹波的电场振幅，从而得到测定对象物S的信息。
该太赫兹波测定装置8进行如下动作。从光源11输出的脉冲光由分支部12而2分支成泵浦光和探测光。从分支部12输出的泵浦光依次由镜M1～M3反射，并被输入至太赫兹波产生元件20。太赫兹波产生元件20中，对应于泵浦光的输入而产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波透过测定对象物S而被输入至合波部16。另一方面，从分支部12输出的探测光依次由镜M4～M8反射，通过偏振片15成为直线偏振光，并被输入至合波部16。
被输入至合波部16的太赫兹波以及探测光通过合波部16以互相成为同轴的方式进行合波，在大致同一时机被输入至太赫兹波检测元件40。被输入太赫兹波以及探测光的太赫兹波检测元件40中，伴随着太赫兹波的传播而引起双折射，由于该双折射而使探测光的偏振光状态变化。然后，该太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态由1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55来检测。这样，太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态的变化可以被检测，进而，太赫兹波的电场振幅可以被检测，从而可以得到测定对象物S的特性。
但是，在这样的透过测定法中，因为由水而产生的太赫兹波的吸收较大，因此，通常测定对象物S被限定为干燥的固体。接下来所说明的第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9可以解决这样的问题。
(第2比较例)
其次，说明第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9。图2为第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9的构成图。该图所示的太赫兹波测定装置9通过利用太赫兹波的全反射测定法而取得测定对象物S的信息，具备光源11、分支部12、斩波器13、光程差调整部14、偏振片15、合波部16、太赫兹波产生元件20、棱镜30、太赫兹波检测元件40、1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55。
与图1所示的第1比较例所涉及的太赫兹波测定装置8的构成相比较，该图2所示的第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9的不同在于，在太赫兹波光学***上具有棱镜30。棱镜30将从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波输入至入射面30a，使该输入的太赫兹波在内部传播并且在反射面30c上全反射，并将该全反射后的太赫兹波从出射面30b向合波部16输出。棱镜30为达夫棱镜(dove prism)，被输入至入射面30a的太赫兹波的主光线和从出射面30b输出的太赫兹波的主光线在共同的直线上。在棱镜30的反射面30c上配置有测定对象物S。
在该太赫兹波测定装置9中，从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波被输入至棱镜30的入射面30a，在棱镜30的内部传播并且在棱镜30的反射面30c上全反射。在该全反射时，太赫兹波的倏逝波成分存在于测定对象物S中的位于反射面30c的附近的部分。由此，在棱镜30的反射面30c上全反射后的太赫兹波取得测定对象物S中的位于反射面30c的附近的部分的信息。然后，该全反射后的太赫兹波在棱镜30的内部传播，并从棱镜30的出射面30b向外部输出。从棱镜30输出的太赫兹波与经过探测光学***的探测光一起，被输入至合波部16。
输入至合波部16的太赫兹波以及探测光由合波部16以互相成为同轴的方式进行合波，在大致同一时机被输入至太赫兹波检测元件40。被输入太赫兹波以及探测光的太赫兹波检测元件40中，伴随着太赫兹波的传播而引起双折射，由于该双折射而使探测光的偏振光状态变化。然后，该太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态由1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55来检测。这样，太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态的变化可以被检测，进而，太赫兹波的电场振幅能够可以被检测，从而可以得到测定对象物S的特性。
在这样的全反射测定法中，即使在棱镜30的反射面30c上配置的测定对象物S包含水分，也可以进行测定。但是，优选为从太赫兹波产生元件20到太赫兹波检测元件40为止的太赫兹波传播的空间中水分没有或较少，因此，该空间有必要进行氮气清洗。以下说明的本实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置可以解决这样的问题。
(第1实施方式)
其次，说明本发明第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1。图3为第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1的构成图。该图所示的全反射太赫兹波测定装置1通过利用太赫兹波的全反射测定法而取得测定对象物S的信息，具备光源11、分支部12、斩波器13、光程差调整部14、偏振片15、分束器17、太赫兹波产生元件20、滤波器25、内部全反射棱镜31、太赫兹波检测元件40、1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55。
与图2所示的第2比较例所涉及的全反射太赫兹波测定装置9的构成相比较，该图3所示的第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1的不同在于，具备内部全反射棱镜31来替代棱镜30，相对于该内部全反射棱镜31一体地设置有太赫兹波产生元件20、滤波器25以及太赫兹波检测元件40，另外，具备分束器17来替代合波部16。此外，分束器17也可以为薄膜。
图4为一体地设置有太赫兹波产生元件20，滤波器25以及太赫兹波检测元件40的内部全反射棱镜31的剖面图，图5为该内部全反射棱镜31的立体图。内部全反射棱镜31为所谓的无象差棱镜，具有入射面31a、出射面31b、反射面31c、第1副反射面31d以及第2副反射面31e。入射面31a以及出射面31b互相平行。反射面31c相对于该入射面31a以及出射面31b垂直。在内部全反射棱镜31的入射面31a上一体地设置有太赫兹波产生元件20和滤波器25，在内部全反射棱镜31的出射面31b上一体地设置有太赫兹波检测元件40。
太赫兹波产生元件20包含非线性光学晶体(例如ZnTe)，由伴随着泵浦光入射而在非线性光学晶体中显现的非线性光学现象，能够产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件20输出并被输入至内部全反射棱镜31的入射面31a的太赫兹波的主光线与入射面31a垂直，另外，从内部全反射棱镜31的出射面31b输出并被输入至太赫兹波检测元件40的太赫兹波的主光线与出射面31b垂直。这些输入太赫兹波与输出太赫兹波的各自的主光线在共同的直线上。
内部全反射棱镜31在从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波的波长中为透明，由具有比反射面31c上配置的测定对象物S的折射率更高的折射率的材料构成，例如优选为由硅构成。硅在太赫兹波的波段中为透明，在波长1THz下折射率为3.4。另外，例如取为测定对象物S的主成分为水，水的波长1THz下的折射率为2.0。此时，由于临界角为36度(＝sin-1(2.0/3.4))，因此，在为比该临界角大的入射角时，发生全反射。在测定对象物S为气体的情况下，同样发生全反射。
滤波器25被设置于太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31的入射面31a之间。该滤波器25使从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波向内部全反射棱镜31透过。另外，该滤波器25遮断透过太赫兹波产生元件20而从太赫兹波产生元件20输出的泵浦光。该滤波器25优选为包含使泵浦光反射的反射部件、吸收泵浦光的吸收部件以及使泵浦光散射的散射部件中的任意一种。
滤波器25的具体例如以下所述。作为第1具体例，滤波器25为介电体多层膜，可以为例如分别具有规定的厚度的SiO2膜和TiO2膜交替地多层蒸镀而层叠的膜，在该情况下，通过适当设定各层的厚度以及折射率，可以使太赫兹波透过而使泵浦光反射。作为第2具体例，滤波器25可以为比太赫兹波的表皮深度薄的金属膜，在该情况下，可以使太赫兹波透过而使泵浦光反射。
在将太赫兹波产生元件20、滤波器25以及太赫兹波检测元件40相对于内部全反射棱镜31一体化时，在内部全反射棱镜31的入射面31a上通过粘结剂接合太赫兹波产生元件20以及滤波器25。或者，在太赫兹波产生元件20的太赫兹波出射面或内部全反射棱镜31的入射面31a上通过蒸镀等而形成滤波器25，之后，两者可以通过粘结剂接合。
另外，在内部全反射棱镜31的出射面31b上通过粘结剂接合太赫兹波检测元件40。此时使用的粘结剂优选为在太赫兹波的波长下为透明的粘结剂，具有太赫兹波产生元件20以及太赫兹波检测元件40的各自的折射率与内部全反射棱镜31的折射率之间的中间或同等的折射率。
另外，滤波器25也可以兼作接合太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31时所使用的粘结剂。该情况下的滤波器25的具体例如以下所述。作为第3具体例，滤波器25为对太赫兹波透明且对泵浦光不透明的例如PTFE(聚四氟乙烯)制的两面胶，可以由该两面胶接合太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31，在该情况下，可以由两面胶使太赫兹波透过而使泵浦光吸收。
作为第4具体例，滤波器25为对太赫兹波透明且对泵浦光不透明的将着色剂混合到蜡或者环氧类或丙烯类的粘结剂中的材料，可以由该粘结剂接合太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31。在该情况下，可以通过粘结剂中所包含的着色剂，使太赫兹波透过而使泵浦光吸收。
作为第5具体例，滤波器25可以在黑色聚乙烯膜的两面上涂布粘结剂，由此，接合太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31。在该情况下，可以通过黑色聚乙烯膜，使太赫兹波透过而使泵浦光吸收。
作为第6具体例，滤波器25可以为将具有数μm以下的粒径的微颗粒混合于粘结剂中的材料，可以由该粘结剂接合太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31。在该情况下，可以通过粘结剂中所包含的微颗粒，使太赫兹波透过而使泵浦光散射。
另外，在内部全反射棱镜31的反射面31b和太赫兹波检测元件40的接合位置中，优选为在探测光的波长下反射率高。在反射面31b上形成介电体多层膜，由此，可以设定为对于太赫兹波为透明，对于探测光为高反射率。
该内部全反射棱镜31将从太赫兹波产生元件20输出并透过滤波器25的太赫兹波直接输入至入射面31a，使该输入的太赫兹波在内部传播并且由第1副反射面31d反射而入射至反射面31c。另外，内部全反射棱镜31将入射至反射面31c的太赫兹波在反射面31c上全反射，使之后的太赫兹波在内部传播并且由第2副反射面31e反射，并从出射面31b输出而直接输入至太赫兹波检测元件40。
该全反射太赫兹波测定装置1如以下所述进行动作。从光源11输出的脉冲光由分支部12而2分支为泵浦光和探测光。从分支部12输出的泵浦光依次由镜M1～M3反射，被输入至一体化地设置于内部全反射棱镜31的入射面31a上的太赫兹波产生元件20。太赫兹波产生元件20中，对应于泵浦光的输入而产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波不进行空间传播而透过滤波器25并直接输入至内部全反射棱镜31的入射面31a，在内部全反射棱镜31的内部传播并且在第1副反射面31d上反射而入射至反射面31c，并在该反射面31c上全反射。
此外，虽然存在输入至包含非线性光学晶体的太赫兹波产生元件20的泵浦光的一部分透过太赫兹波产生元件20的情况，但是，该透过的泵浦光由滤波器25遮断。因此，可以抑制泵浦光输入至内部全反射棱镜31。
在该反射面31c中的全反射时，太赫兹波的倏逝波成分存在于反射面31c上配置的测定对象物S中的位于反射面31c的附近的部分。由此，在内部全反射棱镜31的反射面31c上全反射后的太赫兹波取得测定对象物S中的位于反射面31c的附近的部分的信息。然后，该全反射了的太赫兹波在内部全反射棱镜31的第2副反射面31e上反射并从出射面31b输出，不进行空间传播，而直接输入至一体化地设置于内部全反射棱镜31的出射面31b上的太赫兹波检测元件40。
另一方面，从分支部12输出的探测光依次由镜M4～M8和分束器17反射，并被输入至太赫兹波检测元件40。从分束器17输入至太赫兹波检测元件40的探测光在通过太赫兹波检测元件40后，在内部全反射棱镜31的出射面31b上反射，再次通过太赫兹波检测元件40而被输出至分束器17。
太赫兹波和探测光以互相成为同轴的方式，在大致同一时机被输入至太赫兹波检测元件40。被输入太赫兹波和探测光的太赫兹波检测元件40中，伴随着太赫兹波的传播而引起双折射，由于该双折射而使探测光的偏振光状态变化。从太赫兹波检测元件40输出至分束器17的探测光透过分束器17。然后，探测光的偏振光状态由1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55来检测。这样，太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态的变化可以被检测，进而，太赫兹波的电场振幅可以被检测，从而得到测定对象物S的特性。
此外，在光程差调整部14中，调整镜M4以及M7与镜M5以及M6之间的光程，调整探测光学***的光程，从而调整被输入至太赫兹波检测元件40的太赫兹波和探测光的各自的时间差。如上所述，一般来说，相对于太赫兹波的脉冲宽度为皮秒程度，探测光的脉冲宽度为飞秒程度，与太赫兹波相比，探测光的脉冲宽度小几个数量级。由此，通过由光程差调整部14扫描向太赫兹波检测元件40的探测光的入射时机，从而可以得到脉冲太赫兹波的电场振幅的时间波形。
如以上所述，第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1通过太赫兹波的全反射时产生的该太赫兹波的倏逝波成分而取得关于配置于内部全反射棱镜31的反射面31c上的测定对象物S的信息。由此，即使在测定对象物S包含水分的情况下，也能够容易且高感度地进行测定。另外，太赫兹波产生元件20、滤波器25以及太赫兹波检测元件40在内部全反射棱镜31上一体化地被设置，因此，它们的操作较为容易，由这点，也能够容易地进行测定，另外，可以小型化。
另外，从太赫兹波产生元件20到太赫兹波检测元件40为止的范围内，太赫兹波不进行空间传播而在内部全反射棱镜31内部传播，所以，没有必要进行氮气清洗，由这点也能够容易地进行测定，另外，可以小型化。进而，降低内部全反射棱镜31的入射面31a以及出射面31b的各自中的太赫兹波的损失，由这点也能够高感度地进行测试。
另外，第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1在太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31的入射面31a之间设置有滤波器25，由该滤波器25使太赫兹波透过并输入至内部全反射棱镜31，而另一方面使泵浦光被遮断。因此，能够抑制泵浦光被输入至内部全反射棱镜31。
然而，在内部全反射棱镜31由硅等的半导体构成的情况下，如果具有该半导体的带隙能以上的光子能量的泵浦光在内部全反射棱镜31内传播，则在内部全反射棱镜31内产生自由载流子，其结果，在内部全反射棱镜31内传播的太赫兹波被吸收，到达太赫兹波检测元件40的太赫兹波的强度降低。为了处理这样的问题，本实施方式中，通过在太赫兹波产生元件20和内部全反射棱镜31的入射面31a之间设置有滤波器25，能够抑制向内部全反射棱镜31内的太赫兹波的输入，并抑制在内部全反射棱镜31内传播的太赫兹波的吸收。
(第2实施方式)
其次，说明本发明第2实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置2。图6为第2实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置2的构成图。该图所示的全反射太赫兹波测定装置2通过利用太赫兹波的全反射测定法而取得测定对象物S的信息，具备光源11、分支部12、斩波器13、光程差调整部14、太赫兹波产生元件20、滤波器25、内部全反射棱镜32、太赫兹波检测元件41以及同步检测部57。
图7为一体地设置有太赫兹波产生元件20，滤波器25以及太赫兹波检测元件41的内部全反射棱镜32的立体图。太赫兹波产生元件20和滤波器25分别与第1实施方式相同。内部全反射棱镜32为所谓的无象差棱镜，具有入射面32a、出射面32b、反射面32c、第1副反射面32d以及第2副反射面32e。入射面32a以及出射面32b互相平行。反射面32c相对于该入射面32a以及出射面32b垂直。在内部全反射棱镜32的入射面32a上一体地设置有太赫兹波产生元件20和滤波器25，在内部全反射棱镜32的出射面32b上一体地设置有太赫兹波检测元件41。
作为太赫兹波检测元件41，使用图8所示的光导电天线元件。图8所示的光导电天线元件100为作为太赫兹波检测元件41而使用的元件，例如，具有半绝缘性的GaAs基板101、在该GaAs基板101上形成的GaAs层102、在该GaAs层102上形成的1对电极103以及电极104。GaAs层102为通过MBE在低温下(例如200～250℃)外延生长的层，例如厚度为1～3μm。电极103以及电极104为AuGe/Au等的欧姆电极，天线的长度例如为20μm～2mm，两者间的间隔例如为3～10μm。由低温外延生长而形成的GaAs层102，载流子的寿命短，载流子的移动度高，而且，阻抗高。
作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件100中，对应于太赫兹波以及探测光的入射，表示两者的相互关系的电流在电极103和电极104之间产生。基于该相互关系可以求得太赫兹波的光谱，进而取得测定对象物的信息。作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件100的电极103和电极104之间产生的电流，通过同步检测器57，在太赫兹波产生元件20中的太赫兹波产生的周期(即由斩波器13得到的泵浦光通过的周期)内被同步地检测。
另外，如图7所示，在内部全反射棱镜32的入射面32a上一体地设置有作为太赫兹波产生元件20的非线性光学晶体和滤波器25，在内部全反射棱镜32的出射面32b上一体地设置有作为太赫兹波检测元件41的上述那样的光导电天线元件。因此，有必要使太赫兹波入射至作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件的电极103和电极104之间。
于是，在内部全反射棱镜32的出射面32b侧，形成有光学元件，该光学元件对在内部全反射棱镜32的内部传播的太赫兹波起到聚光作用。即第2副反射面32e为离轴抛物面镜的形状。由此，在反射面32c上全反射的太赫兹波在该第2副反射面32e的离轴抛物面镜上被反射，在设置于出射面32b的作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件的电极103和电极104之间，被聚光而入射。
该全反射太赫兹波测定装置2如以下所述进行动作。从光源11输出的脉冲光由分支部12而2分支为泵浦光和探测光。从分支部12输出的泵浦光依次由镜M1～M3反射，并被输入至一体化地设置于内部全反射棱镜32的入射面32a上的太赫兹波产生元件20。太赫兹波产生元件20中，对应于泵浦光的输入而产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波不进行空间传播而透过滤波器25并直接输入至内部全反射棱镜32的入射面32a，在内部全反射棱镜32的内部传播并且在第1副反射面32d上反射而入射至反射面32c，并在该反射面32c上全反射。
此外，虽然存在输入至包含非线性光学晶体的太赫兹波产生元件20的泵浦光的一部分透过太赫兹波产生元件20的情况，但是，该透过的泵浦光由滤波器25遮断。因此，能够抑制泵浦光输入至内部全反射棱镜32。
在该反射面32c中的全反射时，太赫兹波的倏逝波成分存在于反射面32c上配置的测定对象物S中的位于反射面32c的附近的部分。由此，在内部全反射棱镜32的反射面32c上全反射后的太赫兹波取得测定对象物S中的位于反射面32c的附近的部分的信息。然后，该全反射了的太赫兹波在内部全反射棱镜32的第2副反射面32e的离轴抛物面镜上反射并从内部全反射棱镜32的出射面32b输出，不进行空间传播，而直接输入至一体化地设置于内部全反射棱镜32的出射面32b上的太赫兹波检测元件41。
从分支部12输出并依次由镜M4～M9反射而到达的探测光，被输入至作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件100的电极103和电极104之间。另外，从内部全反射棱镜32的出射面32b输出的太赫兹波也被输入至作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件100的电极103和电极104之间。此外，输入至太赫兹波检测元件41的探测光由构成太赫兹波检测元件41的半导体材料(GaAs)吸收，所以，不会被输入至内部全反射棱镜32内。
泵浦光由斩波器13而在一定周期内断续地被输入至太赫兹波产生元件20，因此，太赫兹波也在一定周期内断续地产生。作为太赫兹波检测元件41的光导电天线元件100中，对应于太赫兹波和探测光的入射，表示两者的相互关系的电流在电极103和电极104之间产生。该电流通过同步检测器57，在斩波器13中的泵浦光通过的周期内同步地被检测。由此，可以求得太赫兹波的光谱，进而取得测定对象物S的信息。
该第2实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置2能够起到与第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1相同的效果。
(第3实施方式)
其次，说明本发明第3实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置3。图9为第3实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置3的构成图。该图所示的全反射太赫兹波测定装置3通过利用太赫兹波的全反射测定法而取得测定对象物S的信息，具备光源11、分支部12、斩波器13、光程差调整部14、偏振片15、镜18，19、太赫兹波产生元件20、滤波器25、内部全反射棱镜31、太赫兹波检测元件40、1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55。
与图3所示的第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1的构成相比较，该图9所示的第3实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置3的不同在于，具备镜18、19来代替分束器17。另外，伴随于此，关于1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b等，其配置对应于光路而进行变更。
该全反射太赫兹波测定装置3如以下所述进行动作。从光源11输出的脉冲光由分支部12而2分支为泵浦光和探测光。从分支部12输出的泵浦光依次由镜M1～M3反射，并被输入至一体化地设置于内部全反射棱镜31的入射面31a上的太赫兹波产生元件20。太赫兹波产生元件20中，对应于泵浦光的输入而产生并输出太赫兹波。从太赫兹波产生元件20输出的太赫兹波不进行空间传播而透过滤波器25并直接入射至内部全反射棱镜31的入射面31a，在内部全反射棱镜31的内部传播并且在第1副反射面31d上反射而入射至反射面31c，在该反射面31c上全反射。
此外，虽然存在输入至包含非线性光学晶体的太赫兹波产生元件20的泵浦光的一部分透过太赫兹波产生元件20的情况，但是，该透过的泵浦光由滤波器25遮断。因此，能够抑制泵浦光输入至内部全反射棱镜31。
在该反射面31c中的全反射时，太赫兹波的倏逝波成分存在于反射面31c上配置的测定对象物S中的位于反射面31c的附近的部分。由此，在内部全反射棱镜31的反射面31c上全反射后的太赫兹波取得测定对象物S中的位于反射面31c的附近的部分的信息。然后，该全反射了的太赫兹波在内部全反射棱镜31的第2副反射面31e上反射并从出射面31b输出，不进行空间传播，直接输入至一体化地设置于内部全反射棱镜31的出射面31b上的太赫兹波检测元件40。
另一方面，从分支部12输出的探测光依次由镜M4～M8和镜18反射，并被输入至太赫兹波检测元件40。从镜18输入至太赫兹波检测元件40的探测光在通过太赫兹波检测元件40后，在内部全反射棱镜31的出射面31b上反射，再次通过太赫兹波检测元件40而被输出至镜19。
太赫兹波和探测光以互相成为同轴的方式，在大致同一时机被输入至太赫兹波检测元件40。被输入太赫兹波和探测光的太赫兹波检测元件40中，伴随着太赫兹波的传播而引起双折射，由于该双折射而使探测光的偏振光状态变化。从太赫兹波检测元件40输出至镜19的探测光在镜19上反射。然后，探测光的偏振光状态由1/4波长板51、偏振光分离元件52、光检测器53a、光检测器53b、差动放大器54以及锁定放大器55来检测。这样，太赫兹波检测元件40中的探测光的偏振光状态的变化可以被检测，进而，太赫兹波的电场振幅可以被检测，从而得到测定对象物S的特性。
该第3实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置3能够起到与第1实施方式所涉及的全反射太赫兹波测定装置1相同的效果。另外，本实施方式中，优选为使用反射率为100％的镜18，19来替代分束器17。因此，能够抑制分束器中的光的反射、由透过而引起的探测光功率的降低。
另外，在图9的构成中，相对于太赫兹波检测元件40，探测光的光路成为一定程度的倾斜。因此，太赫兹波和探测光并非完全同轴，但是，太赫兹波检测元件40中，由于能够得到与同轴时几乎同等的探测光的偏振状态的变化，因而对太赫兹波检测的影响很小。
此处，根据上述实施方式的全反射太赫兹波测定装置使用如下构成，具备(1)输出光的光源；(2)分支部，其将从光源输出的光2分支，并将该2分支的光中的一者作为泵浦光输出，将另一者作为探测光输出；(3)太赫兹波产生元件，其包含非线性光学晶体，所述非线性光学晶体通过输入从分支部输出的泵浦光而产生太赫兹波并输出；(4)内部全反射棱镜，将从太赫兹波产生元件输出的太赫兹波输入至入射面，使该输入的太赫兹波在内部传播并且在反射面上全反射，并将该太赫兹波从出射面向外部输出；(5)滤波器，其设置于太赫兹波产生元件和内部全反射棱镜的入射面之间，使从太赫兹波产生元件输出的太赫兹波向内部全反射棱镜透过，并遮断透过太赫兹波产生元件并从太赫兹波产生元件输出的泵浦光；(6)太赫兹波检测元件，将从内部全反射棱镜的出射面输出的太赫兹波以及从分支部输出的探测光输入，检测这些太赫兹波和探测光之间的相互关系。
而且，本发明所涉及的全反射太赫兹波测定装置使用如下构成，在内部全反射棱镜的入射面上一体地设有太赫兹波产生元件和滤波器，在内部全反射棱镜的出射面上一体地设有太赫兹波检测元件，由太赫兹波的全反射时产生的该太赫兹波的倏逝波成分而取得关于配置于内部全反射棱镜的反射面的测定对象物的信息。
在上述的测定装置中，滤波器优选为包含使泵浦光反射的反射部件、吸收泵浦光的吸收部件以及使泵浦光散射的散射部件中的任意一种。
此外，测定装置优选为还具备光程差调整部，该光程差调整部调整从分支部到太赫兹波检测元件为止的泵浦光和太赫兹波的光路与从分支部到太赫兹波检测元件为止的探测光的光路的差。在该情况下，通过光程差调整部，调整太赫兹波和探测光分别输入至太赫兹波检测元件的时机，此外，通过扫描该时机，从而可以得到脉冲太赫兹波的电场振幅的时间波形。此外，该光程差调整部可以设置于泵浦光、探测光以及太赫兹波中的任意的光学***中。
此外，优选为在内部全反射棱镜的出射面侧，形成有光学元件，该光学元件对于在内部全反射棱镜的内部传播的太赫兹波起到聚光作用。这样，如果在内部全反射棱镜的出射面侧形成有起到聚光作用的光学元件(例如透镜或离轴抛物面镜)，则在太赫兹波检测元件为光导电天线元件的情况下较为方便。
此外，内部全反射棱镜优选为除了入射面、反射面以及出射面之外，还具备将输入至入射面并在内部传播的太赫兹波反射至反射面的第1副反射面以及将在反射面反射并在内部传播的太赫兹波反射至出射面的第2副反射面。另外，优选为被入射至内部全反射棱镜的入射面的太赫兹波的主光线和从内部全反射棱镜的出射面输出的太赫兹波的主光线在共同的直线上。这样的内部全反射棱镜可以由例如无象差棱镜实现。
产业上的利用可能性
本发明可以作为可小型化的全反射太赫兹波测定装置而加以利用。
符号的说明
1，2，3…全反射太赫兹波测定装置、11…光源、12…分支部、13…斩波器、14…光程差调整部、15…偏振片、16…合波部、17…分束器、18，19…镜、20…太赫兹波产生元件、25…滤波器、31，32…内部全反射棱镜、40，41…太赫兹波检测元件、51…1/4波长板、52…偏振光分离元件、53a，53b…光检测器、54…差动放大器、55…锁定放大器、57…同步检测器、M1～M9…镜、S…测定对象物。

Claims (6)

1.一种全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
具备：
输出光的光源；
分支部，其将从所述光源输出的光2分支，并将该2分支的光中的一者作为泵浦光输出，将另一者作为探测光输出；
太赫兹波产生元件，其包含非线性光学晶体，所述非线性光学晶体通过输入从所述分支部输出的泵浦光而产生太赫兹波并输出；
内部全反射棱镜，将从所述太赫兹波产生元件输出的太赫兹波输入至入射面，使该输入的太赫兹波在内部传播并且在反射面上全反射，并将该太赫兹波从出射面向外部输出；
滤波器，其设置于所述太赫兹波产生元件和所述内部全反射棱镜的所述入射面之间，使从所述太赫兹波产生元件输出的太赫兹波向所述内部全反射棱镜透过，并遮断透过所述太赫兹波产生元件并从所述太赫兹波产生元件输出的泵浦光；以及
太赫兹波检测元件，将从所述内部全反射棱镜的所述出射面输出的太赫兹波以及从所述分支部输出的探测光输入，检测这些太赫兹波和探测光之间的相互关系，
在所述内部全反射棱镜的所述入射面上一体地设有所述太赫兹波产生元件和所述滤波器，
在所述内部全反射棱镜的所述出射面上一体地设有所述太赫兹波检测元件，
由太赫兹波的全反射时产生的该太赫兹波的倏逝波成分而取得关于配置于所述内部全反射棱镜的所述反射面上的测定对象物的信息。
2.如权利要求1所述的全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
所述滤波器包含使所述泵浦光反射的反射部件、吸收所述泵浦光的吸收部件以及使所述泵浦光散射的散射部件中的任意一种。
3.如权利要求1或2所述的全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
还具备光程差调整部，该光程差调整部调整从所述分支部到所述太赫兹波检测元件为止的泵浦光以及太赫兹波的光路与从所述分支部到所述太赫兹波检测元件为止的探测光的光路的差。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
在所述内部全反射棱镜的所述出射面侧，形成有光学元件，所述光学元件对于在所述内部全反射棱镜的内部传播的太赫兹波起到聚光作用。
5.如权利要求1～4中任意一项所述的全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
所述内部全反射棱镜除了所述入射面、所述反射面以及所述出射面之外，还具备将输入至所述入射面并在内部传播的太赫兹波反射至所述反射面的第1副反射面以及将在所述反射面反射并在内部传播的太赫兹波反射至所述出射面的第2副反射面。
6.如权利要求5所述的全反射太赫兹波测定装置，其特征在于，
被输入至所述内部全反射棱镜的所述入射面的太赫兹波的主光线与从所述内部全反射棱镜的所述出射面输出的太赫兹波的主光线在共同的直线上。
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