JP2004354246A - 反射型テラヘルツ分光測定装置及び測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】被測定物と同じ位置に金属鏡を置く必要がなく、被測定物が固体に限定されない反射型テラヘルツ分光測定装置を提供する。
【解決手段】テラヘルツ波が伝搬する入射側光路１と、テラヘルツ波を被測定物に照射する手段２と、出射側光路３と、検出部４とを有し、照射手段は平面状界面を持つと共に、界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持ち、テラヘルツ波が平面状界面で全反射するように配置する。平面状界面に被測定物を配置し、テラヘルツ波が全反射する際に放射されるエバネッセント波を被測定物に照射して、分光スペクトルを測定する。平面状界面に被測定物がないときの出射されるテラヘルツ波を参照用とするので、被測定物と同じ位置に金属鏡を置く必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【選択図】図１
【解決手段】テラヘルツ波が伝搬する入射側光路１と、テラヘルツ波を被測定物に照射する手段２と、出射側光路３と、検出部４とを有し、照射手段は平面状界面を持つと共に、界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持ち、テラヘルツ波が平面状界面で全反射するように配置する。平面状界面に被測定物を配置し、テラヘルツ波が全反射する際に放射されるエバネッセント波を被測定物に照射して、分光スペクトルを測定する。平面状界面に被測定物がないときの出射されるテラヘルツ波を参照用とするので、被測定物と同じ位置に金属鏡を置く必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物のテラヘルツ波長領域の分光スペクトルを測定する装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３μｍ〜３００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。このテラヘルツ波を用いたテラヘルツ分光測定装置が開発されている。
【０００３】
テラヘルツ分光測定装置には、被測定物にテラヘルツ波を照射して透過光を検出する透過型と反射光を検出する反射型がある。透過型の場合、テラヘルツ波が赤外〜遠赤外領域にあるため、ほとんどの物質で強い吸収を受け、被測定物を１μｍ程度の薄膜にする必要がある。そこで、被測定物の厚さが制限されない反射型が注目されている。
【０００４】
従来の反射型分光測定装置は、図７に示すように、超短パルスレーザでＩｎＡｓ３０をポンピングすることでテラヘルツ波を発生させ、軸外し放物面鏡３１と３４で被測定物３５に照射し、反射光を軸外し放物面鏡３４と３６でダイポール型光伝導アンテナ３７に入射させて光電検出するものである（例えば、非特許文献１参照）。この従来の反射型分光測定装置では、まず、被測定物３５の反射光を光電検出し、ついで参照用として、被測定物３５と同じ位置に金属鏡を置いて、その金属鏡からの反射光を光電検出し、それぞれの光電検出波形をフーリエ変換することにより得られる周波数領域での複素振幅を比較することで、反射率と位相シフトを導出している。ここで最も問題となるのは、被測定物と金属鏡を正確に同じ位置に置いて測定しないと、位相シフトに誤差を生じることである。また、被測定物が固体に限定され、液体や不定形の生体等を測定することができなかった。
【０００５】
【非特許文献１】阪井清美、他 ”テラヘルツ時間領域分光法とイメージング”、レーザー研究、Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．７， ２００２年７月、ｐ．３７６−３８４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の反射型テラヘルツ分光測定装置では、被測定物と金属鏡を同じ位置に設置する必要があり、測定誤差が大きかった。測定誤差を小さくするためには両者を高精度に同じ位置に設置する必要があり、そのためには時間がかかり、実用的でなかった。また、被測定物が固体に限定されてしまい、汎用性に乏しかった。
【０００７】
本発明は上記従来の反射型テラヘルツ分光測定装置の問題に鑑みてなされたものであり、被測定物と同じ位置に金属鏡を置く必要がなく、被測定物が固体に限定されない反射型テラヘルツ分光測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型テラヘルツ波分光測定装置は、テラヘルツ波が伝搬する入射側光路と、該入射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を被測定物に照射する照射手段と、該照射手段から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路と、該出射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を受光検出する検出部と、を有し、前記照射手段は、少なくとも平面状界面を一つ持つと共に、該平面状界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持ち、前記入射側光路を伝搬して入射される前記テラヘルツ波が該平面状界面で内部全反射するように前記入射側光路と前記出射側光路との間に配置されており、前記照射手段の前記平面状界面に接する前記周辺領域に前記被測定物を配置し、前記平面状界面で前記テラヘルツ波が前記内部全反射する際該平面状界面から該平面状界面に接する該周辺領域に放射されるエバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする。
【０００９】
照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こし、そのエバネッセント波の情報を含むテラヘルツ波が照射手段から出射側光路に出射され、平面状界面近傍に被測定物がないときは相互作用を起こさないエバネッセント波の情報を含むテラヘルツ波が出射されるので、この被測定物がないときを参照用とすることができ、金属鏡を置いて参照用の測定をする必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【００１０】
入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段をさらに有し、エバネッセント波の偏光を制御するようにすることもできる。
【００１１】
このようにすることで、被測定物に対する縦波と横波の相互作用を選択的に行うことができ、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測が可能になる。最初、テラヘルツ波を偏光制御手段でｐ偏光にして照射手段に入射させると、平面状界面からしみ出すエバネッセント波は縦波の変調を受け縦波と横波の両成分を有するようになる。次に、テラヘルツ波を偏光制御手段でｓ偏光にして照射手段に入射させると、横波成分のみを有するエバネッセント波が得られる。そこで、両者の差分を取ると縦波成分の抽出が可能になる。
【００１２】
照射手段は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素物樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られているようにすることができる。
【００１３】
このようにすることで、照射手段内部でのテラヘルツ波の吸収損失を小さくできる。
【００１４】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体をさらに有し、照射手段がその開口を照射手段の平面状界面で遮蔽するように配置することもできる。
【００１５】
テラヘルツ波は波長が長いため、空気中のＨ２Ｏ等に強く吸収され、それがテラヘルツ分光測定のノイズになるが、筐体内を窒素等でパージしたり、あるいは筐体内を真空にすることができ、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。
【００１６】
照射手段の平面状界面の上に、照射手段の屈折率より小さい屈折率をもちテラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されているようにすることもできる。
【００１７】
このようにすることで、薄膜と接する照射手段の平面状界面でテラヘルツ波が内部全反射すると共に、エバネッセント波が平面状界面から薄膜にしみ出すようにすることができる。そのため、薄膜の膜厚を十分に薄くしておけば照射手段より大きな屈折率をもつ被測定物を薄膜の上に設置した場合でも、テラヘルツ分光測定が可能になる。
【００１８】
また、前述の課題を解決するための本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法は、テラヘルツ波を被測定物に照射して該被測定物からの反射波を検出部で検出して該被測定物のテラヘルツ波長領域の分光スペクトルを測定する測定方法であって、前記発生部と前記検出部との間の光路中に該光路より大きな屈折率を持つ光学媒体を該光学媒体に入射するテラヘルツ波が該光学媒体の界面で内部全反射するように配置して該界面からエバネッセント波を発生させ、該光学媒体の該界面近傍に該被測定物を配置して該エバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする。
【００１９】
上記方法においては、前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を偏光制御手段で偏光させることで前記エバネッセント波の偏光を制御することができる。
【００２０】
さらに、上記のようにエバネッセント波の偏光を制御する場合、本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法は、前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を前記偏光制御手段でｐ偏光させて分光スペクトルを測定し、次にｓ偏光させて分光スペクトルを測定して、両スペクトルの差分を取ることとすることができる。
【００２１】
本発明のテラヘルツ分光測定方法で使用される光学媒体としては、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られていることとすることができる。
【００２２】
また、本発明の方法においては、前記光路と前記被測定物とが前記光学媒体の前記界面で空間的に隔絶されていることとすることができる。
【００２３】
さらに、本発明の方法においては、前記光学媒体として、前記界面に該光学媒体の屈折率より小さい屈折率を持ち前記テラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されているものを使用し、該薄膜が形成されている該界面で該テラヘルツ波を内部全反射させることとすることができる。
【００２４】
以上のような本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法を実施する際に、本発明の反射型テラヘルツ分光測定装置を使用する場合には、前記照射手段を前記光学媒体として使用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
テラヘルツ波は、モード同期チタン・サファイア・レーザ等の１００ｆｓ以下の時間幅を有する超短光パルスを、半導体光伝導スイッチ（低温成長ガリウム砒素ＬＴ−ＧａＡｓ上に金属アンテナを形成したもの）、ＩｎＡｓ等のバルク半導体表面、半導体量子井戸、非線形光学結晶、高温超伝導体、等に照射してポンプすることで得られる。通常、発生効率、発生強度を増大させるために、超短光パルスを集光照射する。光伝導スイッチは、テラヘルツ波発生効率は高いが、発生強度を高めるために強いレーザを照射すると破壊され、また、長時間の使用により径年劣化する。ＩｎＡｓは、バルク半導体の中で最も発生効率が高く、特に強磁場の印加で発生効率、発生強度が増大する。なお、テラヘルツ波は、２台の発振波長が接近したｃｗシングルモード半導体レーザやｃｗマルチモード半導体レーザをＬＴ−ＧａＡｓ光伝導スイッチに照射することでも、得られる。この方が高価なフェムト秒レーザを必要としないメリットがある。
【００２６】
テラヘルツ波発生部から発生したテラヘルツ波が伝搬する入射側光路は、テラヘルツ波発生部から後続の照射手段までのテラヘルツ波の伝搬通路で、開放空間でも鏡筒等で閉じられた閉空間でもよい。閉空間の方がその中を窒素パージ等を行って、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。小さいサンプルを測定するときには、入射側光路中にコンデンサ光学系を有することが望ましい。このことにより小さいサンプルも測定可能になる。コンデンサ光学系が必要な理由は以下の通りである。上述のように、テラヘルツ波はＩｎＡｓ等に超短光パルスを集光照射することで発生されるため、テラヘルツ波発生部から発生されるテラヘルツ波は、一般に球面波である。そこで、軸外し放物面鏡等で一度コリメートして、そのコリメートされたテラヘルツ波をもう一つの軸外し放物面鏡等で集光して照射手段に入射させるようにするとよい。テラヘルツ波の強度を高くし、分光スペクトルの検出感度を高くすることができる。また、入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段をさらに有する場合の偏光制御手段としては、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、等を一方向に延伸して成形したシート状偏光子や、ワイヤグリッド偏光子等を用いることができる。
【００２７】
照射手段は、少なくとも平面状界面を一つ持つと共に、その平面状界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持つものであればよい。形状としては、蒲鉾型、半球型、三角プリズム型、等を用いることができる。材料は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含む溶融石英や結晶石英等のガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、が望ましい。照射手段内部でのテラヘルツ波の吸収損失を小さくできるからである。ＩＩＩ−Ｖ系、ＩＩ−ＶＩ系半導体は、内部での吸収損失は小さいが、屈折率が大きいので、界面での反射が大きく、入射面と出射面には必要に応じて反射防止膜等を付与するとよい。シリカを含むガラスやポリエチレン等は、可視光に対しても透明（吸収損失が少ない）なため、可視光照射下でのソフトマテリアルの変化や時間分解分光の一種であるポンププローブ分光が可能になる。フッ素樹脂としては、特にポリテトラフルオロエチレンを採用することができる。ポリテトラフルオロエチレンは、特に酸やアルカリに強く、酸やアルカリを含む被測定物の分光測定が可能になる。また、照射手段の平面状界面を上向きにすることで、平面状界面の上に被測定物を載せるだけで測定することができるので、粉末状の薬品や液体中のＤＮＡ等の有機機能物質も被測定物とすることができる。さらに、従来の反射型分光測定装置では屈折率が大きいために測定できなかったバルク超伝導体等も被測定物とすることができる。照射手段に入射するテラヘルツ波の偏光を制御することでエバネッセント波の偏光を制御すると、高温超伝導体の超伝導現象発現と関連するジョセフソンプラズマ（縦波）等の影響も検出可能で、高温超伝導体も被測定物とすることができる。
【００２８】
照射手段は、上記のような材料によって作られ、その平面状界面の上に照射手段より小さい屈折率をもつ薄膜を形成することができる。照射手段をシリカで作る場合は、例えば、ポリエチレンで薄膜を構成することができる。この薄膜はエバネッセント波が薄膜の上に載置される被測定物までしみ出すように十分薄くする必要があるが、膜厚を１μｍ程度にすることで達成される。
【００２９】
被測定物は、照射手段の平面状界面に接する周辺領域に配置される。周辺領域は、平面状界面からのエバネッセント波のしみ出す領域で、平面状界面からテラヘルツ波の波長オーダ、すなわち、３μｍ〜３００μｍの範囲である。
【００３０】
照射手段から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路は、照射手段から後続の検出部までのテラヘルツ波の伝搬通路で、開放空間でも鏡筒等で閉じられた閉空間でもよい。閉空間の方がその中を窒素パージ等を行って、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。出射側光路中にコンデンサ光学系を有することが望ましい。照射手段の平面状界面で全反射されるテラヘルツ波を軸外し放物面鏡等で一度コリメートして、そのコリメートされたテラヘルツ波をもう一つの軸外し放物面鏡等で集光して検出部に入射させるようにするとよい。テラヘルツ波の強度を高くし、分光スペクトルの検出感度を高くすることができる。
【００３１】
検出部としては、ボロメータや、光伝導アンテナやＺｎＴｅ等の電気光学（ＥＯ）効果を利用するもの、等が用いられる。ボロメータは単独でテラヘルツ波を電気信号に変換できるが、応答性が低い。電気光学効果を利用するものとしては、ＥＯ結晶に検出すべきテラヘルツ波を照射し、そのテラヘルツ波の電場によって誘起される屈折率の変化を、ＥＯ結晶を透過するプローブ光の偏光の変化で検出するものである。また、ＥＯ効果による方法においては、ボロメータと異なり、時間波形すなわち、位相情報を測定できるというメリットがある。プローブ光の偏光の変化の検出は、偏光制御素子と光電検出素子で行うことができる。例えば、ＥＯ結晶通過後のプローブ光を１／４波長板で直線偏光に変換し、それを偏光ビームスプリッタで分離して二つのフォトダイオード等で検出し、二つの電気信号をバランス検出器に入力することで行うことができる。
【００３２】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体は、開口を閉じると筐体の中が密閉できるものであればよい。材料は限定されないが、筐体の中を真空にする必要がある場合は、ステンレス製が望ましい。ガスの発生がないからである。テラヘルツ波発生部に照射するレーザ光源が筐体外に設置される場合は、そのレーザ光源からのレーザを発生部に照射するためのレーザ導入窓を設ける必要がある。
【００３３】
【実施例】
実施例１．図１は本発明の一実施例の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【００３４】
本実施例の分光測定装置は、テラヘルツ波発生部１３からのテラヘルツ波が伝搬する入射側光路１と、入射側光路１を伝搬したテラヘルツ波を被測定物５に照射する照射手段２と、照射手段２から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路３と、出射側光路３を伝搬したテラヘルツ波を受光検出する検出部４と、を有する。
【００３５】
テラヘルツ波発生部１３はバルク半導体のＩｎＡｓで、フェムト秒レーザ光源１０からの波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し８０ＭＨｚの超短光パルスが偏光ビームスプリッタ１１で二分され、折り曲げミラー８、８’で折り曲げられた後レンズ１２で集光照射される。ＩｎＡｓ１３は、図１に示すように入射面（紙面）に直交する方向に磁石（図示せず）で１テスラの磁界が印加されている。なお、テラヘルツ波発生部１３は、本実施形態の分光測定装置に組み込まれているが、分光測定装置とは別に設ける形態を採用することもできる。
【００３６】
入射側光路１にはコリメータ用の軸外し放物面鏡１４と集光照射用の軸外し放物面鏡１５が挿入されてある。軸外し放物面鏡１４、１５の焦点距離は２００ｍｍである。
【００３７】
照射手段２は、ポリテトラフルオロエチレン（屈折率ｎ＝１．４５）製の頂角が１３０°の二等辺プリズムである。頂角に対向する辺が平面状界面２１になり、二等辺の一方の辺２２からテラヘルツ波が入射し、他方の辺２２’から出射するように、プリズム２が入射側光路１と出射側光路３の間の空気中（屈折率ｎ０＝１．０）に設置されている。図２に示すように、平面状界面２１と平行に辺２２に入射したテラヘルツ波は辺２２に対する入射角が６５°となり、屈折角αは
α＝ｓｉｎ−１［（１／１．４５）ｓｉｎ６５°］＝３８．７°
であり、平面状界面２１への入射角βは
β＝６３．７°
となる。これは全反射を起こす臨界角θｃ
θｃ＝ｓｉｎ−１（１／１．４５）＝４３．６°
より大きいため、全反射することになる。全反射したテラヘルツ波は、照射手段２が二等辺プリズムであるため、全反射点で入射波と対称に進み辺２２’から出射される。
【００３８】
出射側光路３にはコリメータ用の軸外し放物面鏡１６と集光照射用の軸外し放物面鏡１７が挿入されてある。軸外し放物面鏡１６、１７の焦点距離は２００ｍｍである。なお、放物面鏡１７には偏光ビームスプリッタ１１で二分された一方の超短光パルスが通り抜ける穴があいている。
【００３９】
検出部４は、ＥＯ結晶のＺｎＴｅ４１と、１／４波長板４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、フォトダイオード４４、４４’とを有している。出射側光路を伝搬するテラヘルツ波は軸外し放物面鏡１７でＺｎＴｅ４１に集光照射される。テラヘルツ波がない場合は、ＺｎＴｅ４１の屈折率は変化しないので、軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する直線偏光の超短光パルスは、１／４波長板４２を通過後円偏光となる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分は同じなので、偏光ビームスプリッタ４３の後でフォトダイオード４４、４４’から出力される電気信号も同じ値となり、バランス検出器２０で測定されるバランス（両電気信号の差分）はゼロとなる。テラヘルツ波がある場合は、テラヘルツ波の電場によってＺｎＴｅ４１の屈折率が変化するので、軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する直線偏光の超短光パルスの偏光が回転し、１／４波長板４２を通過後楕円偏光になる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分に差異が生じ、偏光ビームスプリッタ４３の後でフォトダイオード４４、４４’から出力される電気信号は異なる値をとり、バランスが検出される。このバランスはＺｎＴｅに入射するテラヘルツ波の電場に比例する。なお、ＺｎＴｅ４１上で、軸外し放物面鏡１７で集光照射されるテラヘルツ波と軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する超短光パルスのタイミングを合わせるために、偏光ビームスプリッタ１１で分離された超短光パルスは、キャッツアイミラー１８と折り曲げミラー１９、１９’で構成される遅延線で遅延調節されるようになっている。
【００４０】
被測定物５を誘電体のチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）として、ＳＴＯ５をプリズム２の平面状界面２１に押し当てて測定した結果が図３、４である。図３はバランス検出器２０で検出したテラヘルツ波の電場の時間変化をフーリエ変換したもので、平面状界面２１にＳＴＯ５がある場合とない場合（参照）を示している。両者のスペクトルは、高周波領域では同じであるが、低周波領域では大きく異なっている。なお、多くの吸収線は、空気中のＨ２Ｏの吸収によるものである。図４はＳＴＯのスペクトルを参照スペクトルで割り算した結果である。図４ではＨ２Ｏの吸収線が消失し、矢印で示すように１．１ＴＨｚ周辺に吸収が現れている。
【００４１】
実施例２．図５は、本発明の実施例２の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。実施例１の分光測定装置では、空気中のＨ２Ｏの吸収の影響を受けたが、この実施例２の測定装置は、Ｈ２Ｏの吸収の影響を受けないようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の入射側光路１と照射手段２と出射側光路３とを外部から隔絶する筐体６を備えている。図５では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号が付されてあり説明を省略する。
【００４２】
筐体６は開口６１と、窓６２、６２’、ガス導入バルブ６３、ガス排気バルブ６４を有しており、開口６１は照射手段２の平面状界面２１で密閉されている。導入バルブ６３側に窒素ボンベを接続し、排気バルブ６４を開いて、筐体６内を窒素パージし、実施例１と同じＳＴＯを被測定物５として測定を行った結果、Ｈ２Ｏの吸収がなく、Ｓ／Ｎが大きく向上した。
【００４３】
実施例３．図６は、本発明の実施例３の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。本実施例の測定装置は、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測をできるようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の入射側光路１に偏光制御手段である偏光子７を備えている。図６では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号が付されてあり説明を省略する。
【００４４】
被測定物５を化合物半導体のＧａＡｓとして、まず偏光子７を調整してｐ偏光したテラヘルツ波をプリズム２の辺２２に入射させ、分光スペクトルを測定した。次に偏光子７を９０°回転させてｓ偏光したテラヘルツ波を辺２２に入射させ分光スペクトルを測定した。そして、ｐ偏光でのスペクトルからｓ偏光でのスペクトルを差し引いた差分のスペクトルを求めたところ、７ＴＨｚ周辺に吸収が確認された。これは、別途求められたフォノンのエネルギＥ＝ｈν＝０．０３ｅＶ（ｈはプランクの定数、νはフォノンの振動数）から求まるν＝７．２ＴＨｚと一致した。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ分光測定装置は、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こし、そのエバネッセント波を含むテラヘルツ波が照射手段から出射側光路に出射され、平面状界面近傍に被測定物がないときは相互作用を起こさないエバネッセント波を含むテラヘルツ波が出射されるので、この被測定物がないときを参照用とすることができ、金属鏡を被測定物の位置に正確に置いて参照用の測定をする必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【００４６】
入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段を備えてエバネッセント波の偏光を制御することで、被測定物に対する縦波と横波の相互作用を選択的に行うことができ、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測が可能になる。
【００４７】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体を有し、照射手段がその開口を照射手段の平面状界面で遮蔽するように配置することで、筐体内を窒素等でパージしたり、あるいは筐体内を真空にすることができ、Ｈ２Ｏ等のの吸収を除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図２】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置において平面状界面で全反射が起こることを説明する図１の部分図である。
【図３】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置で測定した分光スペクトル（被測定物あり、なし）である。
【図４】図３の被測定物ありのスペクトルをなしのスペクトルで割り算したスペクトルである。
【図５】実施例２の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図６】実施例３の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図７】従来の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１・・・・入射側光路
２・・・・照射手段
３・・・・出射側光路
４・・・・検出部
６・・・・筐体
７・・・・偏光制御手段
２１・・・平面状界面
６１・・・開口
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物のテラヘルツ波長領域の分光スペクトルを測定する装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】テラヘルツ波は周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３μｍ〜３００μｍ）の電磁波であり、波長が赤外〜遠赤外領域とほぼ一致する。このテラヘルツ波を用いたテラヘルツ分光測定装置が開発されている。
【０００３】
テラヘルツ分光測定装置には、被測定物にテラヘルツ波を照射して透過光を検出する透過型と反射光を検出する反射型がある。透過型の場合、テラヘルツ波が赤外〜遠赤外領域にあるため、ほとんどの物質で強い吸収を受け、被測定物を１μｍ程度の薄膜にする必要がある。そこで、被測定物の厚さが制限されない反射型が注目されている。
【０００４】
従来の反射型分光測定装置は、図７に示すように、超短パルスレーザでＩｎＡｓ３０をポンピングすることでテラヘルツ波を発生させ、軸外し放物面鏡３１と３４で被測定物３５に照射し、反射光を軸外し放物面鏡３４と３６でダイポール型光伝導アンテナ３７に入射させて光電検出するものである（例えば、非特許文献１参照）。この従来の反射型分光測定装置では、まず、被測定物３５の反射光を光電検出し、ついで参照用として、被測定物３５と同じ位置に金属鏡を置いて、その金属鏡からの反射光を光電検出し、それぞれの光電検出波形をフーリエ変換することにより得られる周波数領域での複素振幅を比較することで、反射率と位相シフトを導出している。ここで最も問題となるのは、被測定物と金属鏡を正確に同じ位置に置いて測定しないと、位相シフトに誤差を生じることである。また、被測定物が固体に限定され、液体や不定形の生体等を測定することができなかった。
【０００５】
【非特許文献１】阪井清美、他 ”テラヘルツ時間領域分光法とイメージング”、レーザー研究、Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．７， ２００２年７月、ｐ．３７６−３８４
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の反射型テラヘルツ分光測定装置では、被測定物と金属鏡を同じ位置に設置する必要があり、測定誤差が大きかった。測定誤差を小さくするためには両者を高精度に同じ位置に設置する必要があり、そのためには時間がかかり、実用的でなかった。また、被測定物が固体に限定されてしまい、汎用性に乏しかった。
【０００７】
本発明は上記従来の反射型テラヘルツ分光測定装置の問題に鑑みてなされたものであり、被測定物と同じ位置に金属鏡を置く必要がなく、被測定物が固体に限定されない反射型テラヘルツ分光測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型テラヘルツ波分光測定装置は、テラヘルツ波が伝搬する入射側光路と、該入射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を被測定物に照射する照射手段と、該照射手段から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路と、該出射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を受光検出する検出部と、を有し、前記照射手段は、少なくとも平面状界面を一つ持つと共に、該平面状界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持ち、前記入射側光路を伝搬して入射される前記テラヘルツ波が該平面状界面で内部全反射するように前記入射側光路と前記出射側光路との間に配置されており、前記照射手段の前記平面状界面に接する前記周辺領域に前記被測定物を配置し、前記平面状界面で前記テラヘルツ波が前記内部全反射する際該平面状界面から該平面状界面に接する該周辺領域に放射されるエバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする。
【０００９】
照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こし、そのエバネッセント波の情報を含むテラヘルツ波が照射手段から出射側光路に出射され、平面状界面近傍に被測定物がないときは相互作用を起こさないエバネッセント波の情報を含むテラヘルツ波が出射されるので、この被測定物がないときを参照用とすることができ、金属鏡を置いて参照用の測定をする必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【００１０】
入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段をさらに有し、エバネッセント波の偏光を制御するようにすることもできる。
【００１１】
このようにすることで、被測定物に対する縦波と横波の相互作用を選択的に行うことができ、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測が可能になる。最初、テラヘルツ波を偏光制御手段でｐ偏光にして照射手段に入射させると、平面状界面からしみ出すエバネッセント波は縦波の変調を受け縦波と横波の両成分を有するようになる。次に、テラヘルツ波を偏光制御手段でｓ偏光にして照射手段に入射させると、横波成分のみを有するエバネッセント波が得られる。そこで、両者の差分を取ると縦波成分の抽出が可能になる。
【００１２】
照射手段は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素物樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られているようにすることができる。
【００１３】
このようにすることで、照射手段内部でのテラヘルツ波の吸収損失を小さくできる。
【００１４】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体をさらに有し、照射手段がその開口を照射手段の平面状界面で遮蔽するように配置することもできる。
【００１５】
テラヘルツ波は波長が長いため、空気中のＨ２Ｏ等に強く吸収され、それがテラヘルツ分光測定のノイズになるが、筐体内を窒素等でパージしたり、あるいは筐体内を真空にすることができ、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。
【００１６】
照射手段の平面状界面の上に、照射手段の屈折率より小さい屈折率をもちテラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されているようにすることもできる。
【００１７】
このようにすることで、薄膜と接する照射手段の平面状界面でテラヘルツ波が内部全反射すると共に、エバネッセント波が平面状界面から薄膜にしみ出すようにすることができる。そのため、薄膜の膜厚を十分に薄くしておけば照射手段より大きな屈折率をもつ被測定物を薄膜の上に設置した場合でも、テラヘルツ分光測定が可能になる。
【００１８】
また、前述の課題を解決するための本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法は、テラヘルツ波を被測定物に照射して該被測定物からの反射波を検出部で検出して該被測定物のテラヘルツ波長領域の分光スペクトルを測定する測定方法であって、前記発生部と前記検出部との間の光路中に該光路より大きな屈折率を持つ光学媒体を該光学媒体に入射するテラヘルツ波が該光学媒体の界面で内部全反射するように配置して該界面からエバネッセント波を発生させ、該光学媒体の該界面近傍に該被測定物を配置して該エバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする。
【００１９】
上記方法においては、前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を偏光制御手段で偏光させることで前記エバネッセント波の偏光を制御することができる。
【００２０】
さらに、上記のようにエバネッセント波の偏光を制御する場合、本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法は、前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を前記偏光制御手段でｐ偏光させて分光スペクトルを測定し、次にｓ偏光させて分光スペクトルを測定して、両スペクトルの差分を取ることとすることができる。
【００２１】
本発明のテラヘルツ分光測定方法で使用される光学媒体としては、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られていることとすることができる。
【００２２】
また、本発明の方法においては、前記光路と前記被測定物とが前記光学媒体の前記界面で空間的に隔絶されていることとすることができる。
【００２３】
さらに、本発明の方法においては、前記光学媒体として、前記界面に該光学媒体の屈折率より小さい屈折率を持ち前記テラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されているものを使用し、該薄膜が形成されている該界面で該テラヘルツ波を内部全反射させることとすることができる。
【００２４】
以上のような本発明の反射型テラヘルツ分光測定方法を実施する際に、本発明の反射型テラヘルツ分光測定装置を使用する場合には、前記照射手段を前記光学媒体として使用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
テラヘルツ波は、モード同期チタン・サファイア・レーザ等の１００ｆｓ以下の時間幅を有する超短光パルスを、半導体光伝導スイッチ（低温成長ガリウム砒素ＬＴ−ＧａＡｓ上に金属アンテナを形成したもの）、ＩｎＡｓ等のバルク半導体表面、半導体量子井戸、非線形光学結晶、高温超伝導体、等に照射してポンプすることで得られる。通常、発生効率、発生強度を増大させるために、超短光パルスを集光照射する。光伝導スイッチは、テラヘルツ波発生効率は高いが、発生強度を高めるために強いレーザを照射すると破壊され、また、長時間の使用により径年劣化する。ＩｎＡｓは、バルク半導体の中で最も発生効率が高く、特に強磁場の印加で発生効率、発生強度が増大する。なお、テラヘルツ波は、２台の発振波長が接近したｃｗシングルモード半導体レーザやｃｗマルチモード半導体レーザをＬＴ−ＧａＡｓ光伝導スイッチに照射することでも、得られる。この方が高価なフェムト秒レーザを必要としないメリットがある。
【００２６】
テラヘルツ波発生部から発生したテラヘルツ波が伝搬する入射側光路は、テラヘルツ波発生部から後続の照射手段までのテラヘルツ波の伝搬通路で、開放空間でも鏡筒等で閉じられた閉空間でもよい。閉空間の方がその中を窒素パージ等を行って、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。小さいサンプルを測定するときには、入射側光路中にコンデンサ光学系を有することが望ましい。このことにより小さいサンプルも測定可能になる。コンデンサ光学系が必要な理由は以下の通りである。上述のように、テラヘルツ波はＩｎＡｓ等に超短光パルスを集光照射することで発生されるため、テラヘルツ波発生部から発生されるテラヘルツ波は、一般に球面波である。そこで、軸外し放物面鏡等で一度コリメートして、そのコリメートされたテラヘルツ波をもう一つの軸外し放物面鏡等で集光して照射手段に入射させるようにするとよい。テラヘルツ波の強度を高くし、分光スペクトルの検出感度を高くすることができる。また、入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段をさらに有する場合の偏光制御手段としては、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、等を一方向に延伸して成形したシート状偏光子や、ワイヤグリッド偏光子等を用いることができる。
【００２７】
照射手段は、少なくとも平面状界面を一つ持つと共に、その平面状界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持つものであればよい。形状としては、蒲鉾型、半球型、三角プリズム型、等を用いることができる。材料は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含む溶融石英や結晶石英等のガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、が望ましい。照射手段内部でのテラヘルツ波の吸収損失を小さくできるからである。ＩＩＩ−Ｖ系、ＩＩ−ＶＩ系半導体は、内部での吸収損失は小さいが、屈折率が大きいので、界面での反射が大きく、入射面と出射面には必要に応じて反射防止膜等を付与するとよい。シリカを含むガラスやポリエチレン等は、可視光に対しても透明（吸収損失が少ない）なため、可視光照射下でのソフトマテリアルの変化や時間分解分光の一種であるポンププローブ分光が可能になる。フッ素樹脂としては、特にポリテトラフルオロエチレンを採用することができる。ポリテトラフルオロエチレンは、特に酸やアルカリに強く、酸やアルカリを含む被測定物の分光測定が可能になる。また、照射手段の平面状界面を上向きにすることで、平面状界面の上に被測定物を載せるだけで測定することができるので、粉末状の薬品や液体中のＤＮＡ等の有機機能物質も被測定物とすることができる。さらに、従来の反射型分光測定装置では屈折率が大きいために測定できなかったバルク超伝導体等も被測定物とすることができる。照射手段に入射するテラヘルツ波の偏光を制御することでエバネッセント波の偏光を制御すると、高温超伝導体の超伝導現象発現と関連するジョセフソンプラズマ（縦波）等の影響も検出可能で、高温超伝導体も被測定物とすることができる。
【００２８】
照射手段は、上記のような材料によって作られ、その平面状界面の上に照射手段より小さい屈折率をもつ薄膜を形成することができる。照射手段をシリカで作る場合は、例えば、ポリエチレンで薄膜を構成することができる。この薄膜はエバネッセント波が薄膜の上に載置される被測定物までしみ出すように十分薄くする必要があるが、膜厚を１μｍ程度にすることで達成される。
【００２９】
被測定物は、照射手段の平面状界面に接する周辺領域に配置される。周辺領域は、平面状界面からのエバネッセント波のしみ出す領域で、平面状界面からテラヘルツ波の波長オーダ、すなわち、３μｍ〜３００μｍの範囲である。
【００３０】
照射手段から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路は、照射手段から後続の検出部までのテラヘルツ波の伝搬通路で、開放空間でも鏡筒等で閉じられた閉空間でもよい。閉空間の方がその中を窒素パージ等を行って、Ｈ２Ｏ等の吸収を除くことができる。出射側光路中にコンデンサ光学系を有することが望ましい。照射手段の平面状界面で全反射されるテラヘルツ波を軸外し放物面鏡等で一度コリメートして、そのコリメートされたテラヘルツ波をもう一つの軸外し放物面鏡等で集光して検出部に入射させるようにするとよい。テラヘルツ波の強度を高くし、分光スペクトルの検出感度を高くすることができる。
【００３１】
検出部としては、ボロメータや、光伝導アンテナやＺｎＴｅ等の電気光学（ＥＯ）効果を利用するもの、等が用いられる。ボロメータは単独でテラヘルツ波を電気信号に変換できるが、応答性が低い。電気光学効果を利用するものとしては、ＥＯ結晶に検出すべきテラヘルツ波を照射し、そのテラヘルツ波の電場によって誘起される屈折率の変化を、ＥＯ結晶を透過するプローブ光の偏光の変化で検出するものである。また、ＥＯ効果による方法においては、ボロメータと異なり、時間波形すなわち、位相情報を測定できるというメリットがある。プローブ光の偏光の変化の検出は、偏光制御素子と光電検出素子で行うことができる。例えば、ＥＯ結晶通過後のプローブ光を１／４波長板で直線偏光に変換し、それを偏光ビームスプリッタで分離して二つのフォトダイオード等で検出し、二つの電気信号をバランス検出器に入力することで行うことができる。
【００３２】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体は、開口を閉じると筐体の中が密閉できるものであればよい。材料は限定されないが、筐体の中を真空にする必要がある場合は、ステンレス製が望ましい。ガスの発生がないからである。テラヘルツ波発生部に照射するレーザ光源が筐体外に設置される場合は、そのレーザ光源からのレーザを発生部に照射するためのレーザ導入窓を設ける必要がある。
【００３３】
【実施例】
実施例１．図１は本発明の一実施例の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【００３４】
本実施例の分光測定装置は、テラヘルツ波発生部１３からのテラヘルツ波が伝搬する入射側光路１と、入射側光路１を伝搬したテラヘルツ波を被測定物５に照射する照射手段２と、照射手段２から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路３と、出射側光路３を伝搬したテラヘルツ波を受光検出する検出部４と、を有する。
【００３５】
テラヘルツ波発生部１３はバルク半導体のＩｎＡｓで、フェムト秒レーザ光源１０からの波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し８０ＭＨｚの超短光パルスが偏光ビームスプリッタ１１で二分され、折り曲げミラー８、８’で折り曲げられた後レンズ１２で集光照射される。ＩｎＡｓ１３は、図１に示すように入射面（紙面）に直交する方向に磁石（図示せず）で１テスラの磁界が印加されている。なお、テラヘルツ波発生部１３は、本実施形態の分光測定装置に組み込まれているが、分光測定装置とは別に設ける形態を採用することもできる。
【００３６】
入射側光路１にはコリメータ用の軸外し放物面鏡１４と集光照射用の軸外し放物面鏡１５が挿入されてある。軸外し放物面鏡１４、１５の焦点距離は２００ｍｍである。
【００３７】
照射手段２は、ポリテトラフルオロエチレン（屈折率ｎ＝１．４５）製の頂角が１３０°の二等辺プリズムである。頂角に対向する辺が平面状界面２１になり、二等辺の一方の辺２２からテラヘルツ波が入射し、他方の辺２２’から出射するように、プリズム２が入射側光路１と出射側光路３の間の空気中（屈折率ｎ０＝１．０）に設置されている。図２に示すように、平面状界面２１と平行に辺２２に入射したテラヘルツ波は辺２２に対する入射角が６５°となり、屈折角αは
α＝ｓｉｎ−１［（１／１．４５）ｓｉｎ６５°］＝３８．７°
であり、平面状界面２１への入射角βは
β＝６３．７°
となる。これは全反射を起こす臨界角θｃ
θｃ＝ｓｉｎ−１（１／１．４５）＝４３．６°
より大きいため、全反射することになる。全反射したテラヘルツ波は、照射手段２が二等辺プリズムであるため、全反射点で入射波と対称に進み辺２２’から出射される。
【００３８】
出射側光路３にはコリメータ用の軸外し放物面鏡１６と集光照射用の軸外し放物面鏡１７が挿入されてある。軸外し放物面鏡１６、１７の焦点距離は２００ｍｍである。なお、放物面鏡１７には偏光ビームスプリッタ１１で二分された一方の超短光パルスが通り抜ける穴があいている。
【００３９】
検出部４は、ＥＯ結晶のＺｎＴｅ４１と、１／４波長板４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、フォトダイオード４４、４４’とを有している。出射側光路を伝搬するテラヘルツ波は軸外し放物面鏡１７でＺｎＴｅ４１に集光照射される。テラヘルツ波がない場合は、ＺｎＴｅ４１の屈折率は変化しないので、軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する直線偏光の超短光パルスは、１／４波長板４２を通過後円偏光となる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分は同じなので、偏光ビームスプリッタ４３の後でフォトダイオード４４、４４’から出力される電気信号も同じ値となり、バランス検出器２０で測定されるバランス（両電気信号の差分）はゼロとなる。テラヘルツ波がある場合は、テラヘルツ波の電場によってＺｎＴｅ４１の屈折率が変化するので、軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する直線偏光の超短光パルスの偏光が回転し、１／４波長板４２を通過後楕円偏光になる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分に差異が生じ、偏光ビームスプリッタ４３の後でフォトダイオード４４、４４’から出力される電気信号は異なる値をとり、バランスが検出される。このバランスはＺｎＴｅに入射するテラヘルツ波の電場に比例する。なお、ＺｎＴｅ４１上で、軸外し放物面鏡１７で集光照射されるテラヘルツ波と軸外し放物面鏡１７の穴を通して入射する超短光パルスのタイミングを合わせるために、偏光ビームスプリッタ１１で分離された超短光パルスは、キャッツアイミラー１８と折り曲げミラー１９、１９’で構成される遅延線で遅延調節されるようになっている。
【００４０】
被測定物５を誘電体のチタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ）として、ＳＴＯ５をプリズム２の平面状界面２１に押し当てて測定した結果が図３、４である。図３はバランス検出器２０で検出したテラヘルツ波の電場の時間変化をフーリエ変換したもので、平面状界面２１にＳＴＯ５がある場合とない場合（参照）を示している。両者のスペクトルは、高周波領域では同じであるが、低周波領域では大きく異なっている。なお、多くの吸収線は、空気中のＨ２Ｏの吸収によるものである。図４はＳＴＯのスペクトルを参照スペクトルで割り算した結果である。図４ではＨ２Ｏの吸収線が消失し、矢印で示すように１．１ＴＨｚ周辺に吸収が現れている。
【００４１】
実施例２．図５は、本発明の実施例２の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。実施例１の分光測定装置では、空気中のＨ２Ｏの吸収の影響を受けたが、この実施例２の測定装置は、Ｈ２Ｏの吸収の影響を受けないようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の入射側光路１と照射手段２と出射側光路３とを外部から隔絶する筐体６を備えている。図５では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号が付されてあり説明を省略する。
【００４２】
筐体６は開口６１と、窓６２、６２’、ガス導入バルブ６３、ガス排気バルブ６４を有しており、開口６１は照射手段２の平面状界面２１で密閉されている。導入バルブ６３側に窒素ボンベを接続し、排気バルブ６４を開いて、筐体６内を窒素パージし、実施例１と同じＳＴＯを被測定物５として測定を行った結果、Ｈ２Ｏの吸収がなく、Ｓ／Ｎが大きく向上した。
【００４３】
実施例３．図６は、本発明の実施例３の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。本実施例の測定装置は、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測をできるようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の入射側光路１に偏光制御手段である偏光子７を備えている。図６では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号が付されてあり説明を省略する。
【００４４】
被測定物５を化合物半導体のＧａＡｓとして、まず偏光子７を調整してｐ偏光したテラヘルツ波をプリズム２の辺２２に入射させ、分光スペクトルを測定した。次に偏光子７を９０°回転させてｓ偏光したテラヘルツ波を辺２２に入射させ分光スペクトルを測定した。そして、ｐ偏光でのスペクトルからｓ偏光でのスペクトルを差し引いた差分のスペクトルを求めたところ、７ＴＨｚ周辺に吸収が確認された。これは、別途求められたフォノンのエネルギＥ＝ｈν＝０．０３ｅＶ（ｈはプランクの定数、νはフォノンの振動数）から求まるν＝７．２ＴＨｚと一致した。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のテラヘルツ分光測定装置は、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こし、そのエバネッセント波を含むテラヘルツ波が照射手段から出射側光路に出射され、平面状界面近傍に被測定物がないときは相互作用を起こさないエバネッセント波を含むテラヘルツ波が出射されるので、この被測定物がないときを参照用とすることができ、金属鏡を被測定物の位置に正確に置いて参照用の測定をする必要がない。また、照射手段の平面状界面からしみ出したエバネッセント波が被測定物と相互作用を起こすことを用いているので、被測定物は固体に限定されることがない。
【００４６】
入射側光路中にテラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段を備えてエバネッセント波の偏光を制御することで、被測定物に対する縦波と横波の相互作用を選択的に行うことができ、プラズマや半導体中の縦波フォノン等による吸収スペクトル観測が可能になる。
【００４７】
入射側光路と出射側光路を収容する開口を持つ筐体を有し、照射手段がその開口を照射手段の平面状界面で遮蔽するように配置することで、筐体内を窒素等でパージしたり、あるいは筐体内を真空にすることができ、Ｈ２Ｏ等のの吸収を除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図２】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置において平面状界面で全反射が起こることを説明する図１の部分図である。
【図３】実施例１の反射型テラヘルツ分光測定装置で測定した分光スペクトル（被測定物あり、なし）である。
【図４】図３の被測定物ありのスペクトルをなしのスペクトルで割り算したスペクトルである。
【図５】実施例２の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図６】実施例３の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【図７】従来の反射型テラヘルツ分光測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１・・・・入射側光路
２・・・・照射手段
３・・・・出射側光路
４・・・・検出部
６・・・・筐体
７・・・・偏光制御手段
２１・・・平面状界面
６１・・・開口
Claims (11)
- テラヘルツ波が伝搬する入射側光路と、
該入射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を被測定物に照射する照射手段と、
該照射手段から出射されるテラヘルツ波が伝搬する出射側光路と、
該出射側光路を伝搬した該テラヘルツ波を受光検出する検出部と、
を有し、
前記照射手段は、少なくとも平面状界面を一つ持つと共に、該平面状界面に接する周辺領域の屈折率より大きな屈折率を持ち、前記入射側光路を伝搬して入射される前記テラヘルツ波が該平面状界面で内部全反射するように前記入射側光路と前記出射側光路との間に配置されており、
前記照射手段の前記平面状界面に接する前記周辺領域に前記被測定物を配置し、前記平面状界面で前記テラヘルツ波が前記内部全反射する際該平面状界面から該平面状界面に接する該周辺領域に放射されるエバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする反射型テラヘルツ分光測定装置。 - 前記入射側光路中に前記テラヘルツ波の偏光を制御する偏光制御手段をさらに有し、前記エバネッセント波の偏光を制御することを特徴とする請求項１に記載の反射型テラヘルツ分光測定装置。
- 前記照射手段は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の反射型テラヘルツ分光測定装置。
- 前記入射側光路と前記出射側光路を収容する開口を持つ筐体をさらに有し、前記照射手段が該開口を前記平面状界面で遮蔽するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の反射型テラヘルツ分光測定装置。
- 前記照射手段の前記平面状界面の上に、該照射手段の屈折率より小さい屈折率をもち前記テラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の反射型テラヘルツ分光測定装置。
- テラヘルツ波を被測定物に照射して該被測定物からの反射波を検出部で検出して該被測定物のテラヘルツ波長領域の分光スペクトルを測定する測定方法であって、
前記発生部と前記検出部との間の光路中に該光路より大きな屈折率を持つ光学媒体を該光学媒体に入射するテラヘルツ波が該光学媒体の界面で内部全反射するように配置して該界面からエバネッセント波を発生させ、該光学媒体の該界面近傍に該被測定物を配置して該エバネッセント波を該被測定物に照射して、分光スペクトルを測定することを特徴とする反射型テラヘルツ分光測定方法。 - 前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を偏光制御手段で偏光させることで前記エバネッセント波の偏光を制御することを特徴とする請求項６に記載の反射型テラヘルツ分光測定方法。
- 前記光学媒体へ入射する前記発生部からの前記テラヘルツ波を前記偏光制御手段でｐ偏光させて分光スペクトルを測定し、次にｓ偏光させて分光スペクトルを測定して、両スペクトルの差分を取ることを特徴とする請求項７に記載の反射型テラヘルツ分光測定方法。
- 前記光学媒体は、シリコン、ゲルマニウム、ダイアモンド、ガリウム砒素を含むＩＩＩ−Ｖ系及びＺｎＳｅを含むＩＩ−ＶＩ系半導体、シリカを含むガラス、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリカーボネートを含む有機物、のいずれかで作られていることを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の反射型テラヘルツ分光測定方法。
- 前記光路と前記被測定物とが前記光学媒体の前記界面で空間的に隔絶されていることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の反射型テラヘルツ分光測定方法。
- 前記光学媒体として、前記界面に該光学媒体の屈折率より小さい屈折率を持ち前記テラヘルツ波を吸収しない薄膜が形成されているものを使用し、該薄膜が形成されている該界面で該テラヘルツ波を内部全反射させることを特徴とする請求項６ないし１０のいずれか１項に記載の反射型テラヘルツ分光測定方法。
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