JP2010019647A

JP2010019647A - Electromagnetic wave measuring instrument and method

Info

Publication number: JP2010019647A
Application number: JP2008179480A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takigawa; 信一瀧川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-28

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the noise caused by the unnecessary reflection of an electromagnetic wave within an optical system in an electromagnetic wave measuring instrument using a terahertz wave. <P>SOLUTION: The electromagnetic wave measuring instrument includes a light delaying mirror 15 for delaying one of the pulse laser beams split by a polarizing beam splitter 14 for splitting short pulse infrared rays 29 to produce a first pulse laser beam, a polarizing beam splitter 18 for splitting the other pulse laser beam split by the polarizing beam splitter 14, an emitter 20 for emitting the terahertz wave 34 splitting the other pulse laser beam split by the polarizing beam splitter 18, a light delaying mirror 25 for delaying the other pulse laser beam split by the polarizing beam splitter 18 to emit a second pulse laser beam, an Si mirror 21 on which the first pulse laser beam, the second pulse laser beam, and the terahertz wave 34 fall, and a detector 22 for detecting the pulse laser beams and the terahertz wave. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電磁波測定装置及び電磁波測定方法に関し、特にテラヘルツ波を用いた被測定物の特性を測定する装置及び方法に関する。 The present invention relates to an electromagnetic wave measuring apparatus and an electromagnetic wave measuring method, and more particularly to an apparatus and a method for measuring characteristics of an object to be measured using a terahertz wave.

テラヘルツ波は０．１〜１０ＴＨｚの周波数範囲に位置する電磁波であり、光の有する結像性と電波の有する透過性とを有する。このため、多くの物質を、Ｘ線を用いるより安全に透視することが可能である。また、多くの材料の分子振動の吸収がテラヘルツ帯に存在するため、その吸収スペクトルを測定することにより、材料の同定が可能である。また、水の回転振動の吸収がＴＨｚ帯に存在するため、水分の有無を敏感に測定することができる。このため、セキュリティ、非破壊検査、バイオ／メディアカル、食品検査／農業、環境などへの応用が期待されている。 A terahertz wave is an electromagnetic wave located in a frequency range of 0.1 to 10 THz, and has an image forming property possessed by light and a transparency possessed by a radio wave. For this reason, many substances can be seen through more safely than using X-rays. In addition, since absorption of molecular vibration of many materials exists in the terahertz band, the material can be identified by measuring the absorption spectrum. Moreover, since the absorption of the rotational vibration of water exists in the THz band, the presence or absence of moisture can be measured sensitively. Therefore, it is expected to be applied to security, nondestructive inspection, bio / mediacal, food inspection / agriculture, environment, and the like.

特許文献１には、従来のテラヘルツ測定装置が開示されている。図１１は、特許文献１に記載された従来のテラヘルツ測定装置を実現した機能構成図の一例である。同図に記載されたテラヘルツ測定装置１００は、フェムト秒レーザ１０１と、ミラー１０２、１０６及び１０７と、λ／２板１０３と、偏光ビームスプリッタ１０４と、光遅延ミラー１０５と、エミッタ１０８と、Ｓｉミラー１０９と、ディテクタ１１０と、偏光板１１１と、フォトダイオード１１２と、短パルス赤外光１１７とを備える。なお、同図において紙面に平行な偏光をｐ波、紙面に垂直な偏光をｓ波と呼ぶことにする。 Patent Document 1 discloses a conventional terahertz measuring device. FIG. 11 is an example of a functional configuration diagram that realizes the conventional terahertz measurement device described in Patent Document 1. In FIG. The terahertz measuring apparatus 100 shown in the figure includes a femtosecond laser 101, mirrors 102, 106 and 107, a λ / 2 plate 103, a polarization beam splitter 104, an optical delay mirror 105, an emitter 108, Si A mirror 109, a detector 110, a polarizing plate 111, a photodiode 112, and short pulse infrared light 117 are provided. In the figure, polarized light parallel to the paper surface is called p-wave, and polarized light perpendicular to the paper surface is called s-wave.

フェムト秒レーザ１０１から出射された短パルス赤外光１１７（波長８００ｎｍ、１２０ｆｓｅｃ、１ｋＨｚ、ｐ波直線偏光）は、ミラー１０２で光路を変えた後、λ／２板１０３によって直線偏光のまま、偏光方向が変えられる。この光は偏光ビームスプリッタ１０４により、ｐ波ポンプ光パルス１１３及びｓ波プローブ光パルス１１４に分割される（分割比はλ／２板１０３によって任意に選ぶことができる）。 Short pulse infrared light 117 (wavelength 800 nm, 120 fsec, 1 kHz, p-wave linearly polarized light) emitted from the femtosecond laser 101 is changed in optical path by the mirror 102 and then remains linearly polarized by the λ / 2 plate 103. The direction can be changed. This light is split by the polarization beam splitter 104 into a p-wave pump light pulse 113 and an s-wave probe light pulse 114 (the split ratio can be arbitrarily selected by the λ / 2 plate 103).

ｐ波ポンプ光パルス１１３は、ミラー１０７で向きを変えた後、エミッタ１０８に照射される。エミッタ１０８は、例えば、低温成長のＧａＡｓで構成された光伝導スイッチ型のテラヘルツエミッタである。表面には正電極と負電極が形成されており、電極間には約３０Ｖの電圧が印加されている。パルス光が来ない場合は、絶縁体で電流が流れない。しかし、ｐ波ポンプ光パルス１１３が照射されると、キャリアがＧａＡｓ内部で生成する。そのキャリアは上記印加電圧のため、瞬時に移動し、この移動のため過渡電流がエミッタ１０８内に流れる。この過渡電流によりテラヘルツ波１１５が放射される。今回は放射したテラヘルツ波がＳ波になるように電極向きを固定されている。テラヘルツ波１１５は試料２００により吸収を受け、試料２００の吸収スペクトルの情報を有するテラヘルツ波１１６となる。このテラヘルツ波１１６は、半絶縁シリコン基板で構成されたＳｉミラー１０９を通過し、ディテクタ１１０に達する。ディテクタ１１０には（１１０）ＺｎＴｅ基板が用いられている。 The p-wave pump light pulse 113 is irradiated on the emitter 108 after changing its direction by the mirror 107. The emitter 108 is, for example, a photoconductive switch type terahertz emitter made of GaAs grown at a low temperature. A positive electrode and a negative electrode are formed on the surface, and a voltage of about 30 V is applied between the electrodes. When pulsed light does not come, no current flows through the insulator. However, when the p-wave pump light pulse 113 is irradiated, carriers are generated inside the GaAs. The carriers move instantaneously due to the applied voltage, and a transient current flows in the emitter 108 due to this movement. The terahertz wave 115 is radiated by this transient current. This time, the electrode orientation is fixed so that the radiated terahertz wave becomes an S wave. The terahertz wave 115 is absorbed by the sample 200 and becomes a terahertz wave 116 having information on the absorption spectrum of the sample 200. The terahertz wave 116 passes through the Si mirror 109 formed of a semi-insulating silicon substrate and reaches the detector 110. For the detector 110, a (110) ZnTe substrate is used.

一方、ｓ波プローブ光パルス１１４は光遅延ミラー１０５によって、光遅延（パルスのタイミング）を調整される。すなわち、光遅延ミラー１０５は入射方向に移動機構を有しており、１５０μｍの移動ごとに光パルスのタイミングを約１ｐｓ変化させることができる。ここでは、１０μｍステップで移動させているので、時間分解能は約６６ｆｓｅｃとなる。光遅延ミラー１０５を通過したｓ波プローブ光パルス１１４はミラー１０６で反射された後、Ｓｉミラー１０９の表面で反射され、テラヘルツ波１１６と同一の光路でディテクタ１１０に入射する。ディテクタ１１０中では、テラヘルツ波の電界によってポッケルス効果が生じ、複屈折が生じる。このため、ｓ波に直線偏光したｓ波プローブ光パルス１１４は楕円偏光に変化し、ｐ波の成分を有するようになる。偏光板１１１はｐ波プローブ光しか通過させないようにしてあるため、楕円偏光に変化したプローブ光のｐ波成分のみが、フォトダイオード１１２に達する。したがって、フォトダイオード１１２の検出信号は、ディテクタ１１０に入射したテラヘルツ波の大小と関係つけることができ、一般にディテクタ１１０に入射したテラヘルツ波の電界に比例した信号となる。 On the other hand, the optical delay (pulse timing) of the s-wave probe optical pulse 114 is adjusted by the optical delay mirror 105. That is, the optical delay mirror 105 has a moving mechanism in the incident direction, and can change the timing of the optical pulse by about 1 ps for every movement of 150 μm. Here, since the movement is performed in steps of 10 μm, the time resolution is about 66 fsec. The s-wave probe light pulse 114 that has passed through the optical delay mirror 105 is reflected by the mirror 106, then by the surface of the Si mirror 109, and enters the detector 110 through the same optical path as the terahertz wave 116. In the detector 110, the Pockels effect is generated by the electric field of the terahertz wave, and birefringence occurs. For this reason, the s-wave probe light pulse 114 linearly polarized into s-waves changes to elliptically polarized light and has a p-wave component. Since the polarizing plate 111 allows only the p-wave probe light to pass therethrough, only the p-wave component of the probe light changed to elliptically polarized light reaches the photodiode 112. Therefore, the detection signal of the photodiode 112 can be related to the magnitude of the terahertz wave incident on the detector 110 and is generally a signal proportional to the electric field of the terahertz wave incident on the detector 110.

上記構成により得られた信号を図１２に示す。図１２（ａ）は、試料がない場合の従来のテラヘルツ測定装置の出力信号の波形図である。縦軸はフォトダイオード１１２の出力信号であり、横軸は光遅延ミラー１０５の移動量から算出した時間軸である。光遅延ミラー１０５の移動にともない、テラヘルツ波とプローブ光の相対到達時間が変化する。この結果は、テラヘルツ波の電界がサンプリングされて測定されていることを示している。この波形をフーリエ変換することにより、テラヘルツ波のスペクトルが得られる。図１２（ｂ）は、試料がない場合のテラヘルツ測定装置の出力信号をフーリエ変換した波形図である。この試料２００がない場合の参照スペクトルと、試料２００がある場合の測定スペクトルとを比較することにより、試料２００の吸収スペクトルを明らかにすることができる。
特開２００６−１５４３３６号公報 The signal obtained by the above configuration is shown in FIG. FIG. 12A is a waveform diagram of an output signal of a conventional terahertz measuring apparatus when there is no sample. The vertical axis is the output signal of the photodiode 112, and the horizontal axis is the time axis calculated from the amount of movement of the optical delay mirror 105. As the optical delay mirror 105 moves, the relative arrival time of the terahertz wave and the probe light changes. This result indicates that the electric field of the terahertz wave is sampled and measured. A spectrum of the terahertz wave is obtained by Fourier transforming this waveform. FIG. 12B is a waveform diagram obtained by Fourier transforming the output signal of the terahertz measuring apparatus when there is no sample. By comparing the reference spectrum in the absence of the sample 200 with the measurement spectrum in the presence of the sample 200, the absorption spectrum of the sample 200 can be clarified.
JP 2006-154336 A

しかしながら、図１２（ａ）において、５ｐｓｅｃ付近に見られる信号はテラヘルツ波による信号であるが、１３ｐｓｅｃ付近には、光学系内の反射による不要な信号が現れている。この不要な信号を残したまま、フーリエ変換すると、不要信号を起因としたノイズが多数、重畳されてしまう。図１２（ｂ）において、２ＴＨｚ以上の高い周波数における信号の乱れは測定限界によるものであるが、０〜１．５ＴＨｚ付近には多数の重畳されたフリンジが見られる。これでは、上記参照スペクトルは、リファレンスの役目を果たさない。 However, in FIG. 12A, the signal seen in the vicinity of 5 psec is a terahertz wave signal, but an unnecessary signal due to reflection in the optical system appears in the vicinity of 13 psec. If the Fourier transform is performed while leaving this unnecessary signal, a lot of noise caused by the unnecessary signal is superimposed. In FIG. 12B, signal disturbance at a high frequency of 2 THz or more is due to the measurement limit, but a large number of superimposed fringes are observed in the vicinity of 0 to 1.5 THz. In this case, the reference spectrum does not serve as a reference.

この不要信号の発生は、解析により、Ｓｉミラー１０９内でテラヘルツ波が内部反射をすることが原因であることが解った。それを図１３を用いて説明する。 The generation of this unnecessary signal was found to be caused by internal reflection of the terahertz wave in the Si mirror 109 by analysis. This will be described with reference to FIG.

図１３は、従来のテラヘルツ測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波の経路を表す図である。Ｓｉミラー１０９に入射したテラヘルツ波（パルス）１１６は、Ａ点でＳｎｅｌｌの法則に従い、Ｓｉミラー１０９の内部に入る。すなわち、Ｓｉミラー１０９の表面に対して、入射角をθ１、出射角をθ２としたとき、

である。ここで、ｎはテラヘルツ帯におけるＳｉの屈折率である。Ａ点から内部に入ったテラヘルツ波１１６は、Ｂ点で一部が透過し、出射光１としてＳｉミラー１０９の外部へ出射される。一方、Ｂ点で反射したテラヘルツ波は、Ｃ点で再び反射し、Ｄ点に到達する。Ｄ点では一部が透過し、出射光２としてＳｉミラー１０９の外部へ出射される。出射光２がＢ→Ｃ→Ｄと進み出射するまでの時間ｔ２と、出射光１がＢ→Ｂ’に進む時間ｔ１との差は、簡単な幾何学的考察により、

で与えられる。ここで、ＬはＳｉミラー１０９の厚み、ｃは光速である。ここで、Ｌ＝３８０μｍ、θ１＝４５°、ｎ＝３．４４を代入すると、Δｔ＝８．５２ｐｓｅｃとなる。また、出射光２は、反射が２回多い分、出射光１より強度が小さくなり、テラヘルツ波がＳ波の場合、０．４３倍となることが、簡単な計算で求められる。求められたΔｔ及び計算された強度比と、図１２（ａ）に記載された出力信号とを比べると、明らかに、１３ｐｓｅｃ付近の不要信号は、Ｓｉミラー１０９内でのテラヘルツ波の反射によるものであることがわかる。 FIG. 13 is a diagram illustrating a terahertz wave path in a Si mirror of a conventional terahertz measurement device. The terahertz wave (pulse) 116 incident on the Si mirror 109 enters the Si mirror 109 at point A according to Snell's law. That is, when the incident angle is θ1 and the emission angle is θ2 with respect to the surface of the Si mirror 109,

It is. Here, n is the refractive index of Si in the terahertz band. A part of the terahertz wave 116 entering from the point A is transmitted through the point B, and is emitted as the outgoing light 1 to the outside of the Si mirror 109. On the other hand, the terahertz wave reflected at point B is reflected again at point C and reaches point D. A part of the light passes through the point D and is emitted as the outgoing light 2 to the outside of the Si mirror 109. The difference between the time t2 until the outgoing light 2 progresses from B → C → D and exits and the time t1 when the outgoing light 1 travels from B → B ′ is based on a simple geometric consideration.

Given in. Here, L is the thickness of the Si mirror 109, and c is the speed of light. Here, if L = 380 μm, θ1 = 45 °, and n = 3.44 are substituted, Δt = 8.52 psec. In addition, the output light 2 has a smaller intensity than the output light 1 due to two reflections, and when the terahertz wave is an S wave, the output light 2 can be obtained by 0.43 times by simple calculation. Comparing the obtained Δt and the calculated intensity ratio with the output signal described in FIG. 12A, the unnecessary signal in the vicinity of 13 psec is clearly due to the reflection of the terahertz wave in the Si mirror 109. It can be seen that it is.

従って、不要反射を除去するためには、Ｓｉミラー１０９内での反射を抑制することが必要である。 Therefore, in order to remove unnecessary reflection, it is necessary to suppress reflection in the Si mirror 109.

上記課題に鑑み、本発明は、テラヘルツ波などの電磁波を用いた電磁波測定装置において、光学系内での電磁波の不要反射を起因としたノイズを抑制した電磁波測定装置および電磁波測定方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention provides an electromagnetic wave measuring apparatus and an electromagnetic wave measuring method that suppress noise caused by unnecessary reflection of electromagnetic waves in an optical system in an electromagnetic wave measuring apparatus using electromagnetic waves such as terahertz waves. With the goal.

上記目的を達成するために、本発明に係る電磁波測定装置は、テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定装置であって、パルスレーザ光を放射するパルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、前記第１分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、前記第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、前記第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光が入射すること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、前記第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第２のパルスレーザ光を発生させる第２の光遅延素子と、前記第１のパルスレーザ光、前記第２のパルスレーザ光及び前記被測定物を透過または反射した前記テラヘルツ波が入射することによりこれらを同一光路にて出射させる光学素子と、前記光学素子から出射したパルスレーザ光及び前記テラヘルツ波を受光する受光素子とを備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, an electromagnetic wave measurement apparatus according to the present invention is an electromagnetic wave measurement apparatus that measures the characteristics of an object to be measured by irradiation with a terahertz wave, the pulse laser light source that emits a pulse laser beam, and the pulse A first branching unit that splits the laser beam in two directions, and a first optical delay element that generates the first pulsed laser beam by optically delaying one pulsed laser beam branched by the first branching unit; A second branching unit that branches the other pulsed laser beam branched by the first branching unit, and a terahertz wave that generates a terahertz wave when the one pulsed laser beam branched by the second branching unit is incident A generating element; a second optical delay element that generates a second pulsed laser beam by optically delaying the other pulsed laser beam branched by the second branching unit; The first pulse laser beam, the second pulse laser beam, and the terahertz wave that has been transmitted or reflected by the object to be measured are incident on the optical element, and these are emitted from the same optical path. And a light receiving element that receives the pulse laser beam and the terahertz wave.

上記構成において、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波は、被測定物による吸収を受け、当該被測定物を通過する。この被測定物を通過したテラヘルツ波は、光学素子に入射し、プローブ光である光遅延した第１のパルスレーザ光とともに、受光素子へ出射する。このとき、光学素子内では、上記テラヘルツ波の多重反射が生じ、この反射信号が出射されると、出力信号のノイズとなる。この構成によれば、光遅延させタイミング調整された第２のパルスレーザ光を光学素子に入射させることにより、第２のパルスレーザ光が光学素子に吸収され光学素子内に自由キャリアが発生する。発生した自由キャリアは電磁波を吸収するので、光学素子内で発生したテラヘルツ波の反射信号を選択的に吸収する。よって、光学素子内の不要な反射電磁波を吸収させることができ、出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。 In the above configuration, the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element is absorbed by the object to be measured and passes through the object to be measured. The terahertz wave that has passed through the object to be measured enters the optical element, and is emitted to the light receiving element together with the first delayed laser beam that is the probe light. At this time, multiple reflection of the terahertz wave occurs in the optical element, and when this reflected signal is emitted, it becomes noise of the output signal. According to this configuration, the second pulsed laser light that is optically delayed and adjusted in timing is made incident on the optical element, whereby the second pulsed laser light is absorbed by the optical element and free carriers are generated in the optical element. Since the generated free carriers absorb electromagnetic waves, the reflected signals of the terahertz waves generated in the optical element are selectively absorbed. Therefore, unnecessary reflected electromagnetic waves in the optical element can be absorbed, and the S / N ratio of the output signal is improved.

また、前記光学素子は、第１主面と当該第１主面に対面する第２主面とを有する半導体基板からなり、前記第１のパルスレーザ光は前記第２主面にて反射され、前記テラヘルツ波及び前記第２のパルスレーザ光は、前記第１主面に入射しかつ前記第２主面より出射することが好ましい。 The optical element comprises a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing the first main surface, and the first pulse laser beam is reflected by the second main surface, It is preferable that the terahertz wave and the second pulse laser beam are incident on the first main surface and are emitted from the second main surface.

これにより、光学素子のテラヘルツ波入射面である第１主面と対向する第２主面おいて反射した一部のテラヘルツ波は再び第１主面に到達する。このとき、再び第１主面に到達したテラヘルツ波は、第２のパルスレーザ光によって励起された第１主面付近の自由キャリアに吸収される。よって、光学素子内の不要な反射電磁波を吸収させることができ、出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。 Thereby, a part of the terahertz waves reflected on the second main surface opposite to the first main surface which is the terahertz wave incident surface of the optical element reach the first main surface again. At this time, the terahertz wave that has reached the first main surface again is absorbed by free carriers near the first main surface excited by the second pulse laser beam. Therefore, unnecessary reflected electromagnetic waves in the optical element can be absorbed, and the S / N ratio of the output signal is improved.

また、前記被測定物を透過または反射した前記テラヘルツ波が、前記第１主面に最初に到達する時刻をｔ０、前記テラヘルツ波が前記第１主面から前記光学素子へ入射し前記第２主面で反射して再び前記第１主面に到達する時刻をｔ１、及び前記第２のパルスレーザ光が前記第１主面に最初に到達する時刻をｔ２としたとき、ｔ０＜ｔ２＜ｔ１なる関係を満足することが好ましい。 The time when the terahertz wave transmitted or reflected by the object to be measured first reaches the first main surface is t0, and the terahertz wave is incident on the optical element from the first main surface. T0 <t2 <t1, where t1 is the time when the light is reflected by the surface and reaches the first main surface again, and t2 is the time when the second pulse laser beam first reaches the first main surface. It is preferable to satisfy the relationship.

これにより、第１主面を通過し第２主面で反射して再び第１主面に到達した反射テラヘルツ波は、当該反射テラヘルツ波が最初に第１主面に到達した時刻と、反射して再び第１主面に到達した時刻との間に、第２のパルスレーザ光によって励起され生成された第１主面付近の自由キャリアによって吸収される。つまり、電磁波であるテラヘルツ波が反射により入射面に到達する前にキャリアを生成し、かつ、入射するテラヘルツ波自体の吸収を避けることができる。これにより、必要なテラヘルツ波信号を減衰させることなく、不要な反射テラヘルツ波のみを、効果的に減衰させることが可能となる。 As a result, the reflected terahertz wave that has passed through the first principal surface, reflected by the second principal surface, and arrived again at the first principal surface is reflected when the reflected terahertz wave first reaches the first principal surface. Then, it is absorbed by the free carriers in the vicinity of the first main surface that are excited and generated by the second pulse laser beam between the time when the first main surface is reached again. That is, carriers can be generated before the terahertz wave, which is an electromagnetic wave, reaches the incident surface by reflection, and absorption of the incident terahertz wave itself can be avoided. Thereby, it is possible to effectively attenuate only the unnecessary reflected terahertz wave without attenuating the necessary terahertz wave signal.

また、本発明に係る電磁波測定装置は、テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定装置であって、パルスレーザ光源と、前記パルスレーザ光源より放射されるパルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、前記第１分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、前記第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、前記第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光が入射することによりテラヘルツ波を発生し、当該テラヘルツ波を前記被測定物の表面に入射させるテラヘルツ波発生素子と、前記第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させ、当該光遅延した第２のパルスレーザ光を前記被測定物の裏面に照射させる第２の光遅延素子と、前記被測定物の表面で反射したテラヘルツ波と前記第１のパルスレーザ光が入射することによりこれらを同一光路にて出射させる光学素子と、前記光学素子から出射したパルスレーザ光及びテラヘルツ波を受光する受光素子とを備えることを特徴とする。 An electromagnetic wave measuring apparatus according to the present invention is an electromagnetic wave measuring apparatus that measures the characteristics of an object to be measured by irradiating terahertz waves, and that emits a pulse laser light source and pulse laser light emitted from the pulse laser light source in two directions. A first branching unit that branches into the first branching unit, a first optical delay element that generates a first pulsed laser beam by optically delaying one pulse laser beam branched by the first branching unit, and the first branching unit A terahertz wave is generated by the incidence of the second pulse laser beam branched by the second branching unit and the one pulse laser beam branched by the second branching unit, and the terahertz wave is applied to the terahertz wave. The terahertz wave generating element to be incident on the surface of the object to be measured and the other pulse laser beam branched by the second branching unit are optically delayed, and the second pulse laser beam delayed by the optical delay. A second optical delay element that irradiates the back surface of the object to be measured, a terahertz wave reflected by the surface of the object to be measured, and the first pulse laser light are incident on the same optical path. And an optical element that receives the pulse laser beam and the terahertz wave emitted from the optical element.

この構成により、テラヘルツ波発生素子で発生したテラヘルツ波は、被測定物の表面に照射され、該表面からの反射テラヘルツ波が被測定物の表面情報を含んだ出力信号となる。一方、照射されたテラヘルツ波の一部は被測定物の内部に入射する。このとき、被測定物内では、上記テラヘルツ波の反射が生じ、この反射信号が出射されると、出力信号のノイズとなる。この構成によれば、光遅延させタイミング調整された第２のパルスレーザ光を被測定物の裏面に照射させることにより、第２のパルスレーザ光が被測定物に吸収され該裏面付近に自由キャリアが発生する。発生した自由キャリアは電磁波を吸収するので、被測定物内で発生したテラヘルツ波の反射信号を選択的に吸収する。よって、被測定物内の不要な反射電磁波を吸収させることができ、出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。 With this configuration, the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element is irradiated on the surface of the object to be measured, and the reflected terahertz wave from the surface becomes an output signal including the surface information of the object to be measured. On the other hand, a part of the irradiated terahertz wave enters the object to be measured. At this time, the terahertz wave is reflected in the object to be measured, and when this reflected signal is emitted, it becomes noise of the output signal. According to this configuration, by irradiating the back surface of the object to be measured with the second pulse laser light that is optically delayed and adjusted in timing, the second pulse laser light is absorbed by the object to be measured and free carriers are provided near the back surface. Will occur. Since the generated free carriers absorb electromagnetic waves, the reflected signals of the terahertz waves generated in the object to be measured are selectively absorbed. Therefore, unnecessary reflected electromagnetic waves in the object to be measured can be absorbed, and the S / N ratio of the output signal is improved.

また、前記テラヘルツ波発生素子で発生した前記テラヘルツ波が、前記被測定物の表面に入射し前記被測定物の裏面に到達する時刻をｔ１、及び、前記第２のパルスレーザ光が前記被測定物の裏面に最初に到達する時刻をｔ２としたとき、ｔ２＜ｔ１なる関係を満足することが好ましい。 The time when the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element is incident on the surface of the object to be measured and reaches the back surface of the object to be measured is t1, and the second pulse laser beam is the object to be measured. It is preferable that the relationship t2 <t1 is satisfied, where t2 is the time at which the object first reaches the back surface.

これにより、被測定物の表面から入射し裏面で反射する不要なテラヘルツ波は、当該不要なテラヘルツ波が最初に該裏面到達する時刻の前に、第２のパルスレーザ光によって励起され生成された該裏面付近の自由キャリアによって吸収される。つまり、電磁波であるテラヘルツ波が被測定物の裏面に到達する前にキャリアを生成し、かつ、入射するテラヘルツ波自体の吸収を避けることができる。これにより、必要な反射テラヘルツ波信号を減衰させることなく、不要な反射テラヘルツ波のみを、効果的に減衰させることが可能となる。 Thereby, an unnecessary terahertz wave incident from the surface of the object to be measured and reflected by the back surface is generated by being excited by the second pulse laser beam before the time when the unnecessary terahertz wave first reaches the back surface. Absorbed by free carriers near the back surface. That is, carriers are generated before the terahertz wave, which is an electromagnetic wave, reaches the back surface of the object to be measured, and absorption of the incident terahertz wave itself can be avoided. Thereby, it is possible to effectively attenuate only the unnecessary reflected terahertz wave without attenuating the necessary reflected terahertz wave signal.

また、本発明は、このような特徴的なステップを含む電磁波測定装置として実現することができるだけでなく、電磁波測定装置に含まれる特徴的な手段をステップとした電磁波測定方法として実現することができる。 Moreover, the present invention can be realized not only as an electromagnetic wave measuring apparatus including such characteristic steps, but also as an electromagnetic wave measuring method using characteristic means included in the electromagnetic wave measuring apparatus as steps. .

なお、本発明の電磁波測定方法として、テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定方法であって、パルスレーザ光を放射するレーザ光放射ステップと、前記レーザ光放射ステップにて放射された前記パルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐ステップと、前記第１分岐ステップにて分岐された一方のパルスレーザ光を、光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１光遅延ステップと、前記第１分岐ステップにて分岐された他方のパルスレーザ光である第２のパルスレーザ光または当該第２のパルスレーザ光の一部である第３のパルスレーザ光を、テラヘルツ波発生素子に入射させることによりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、前記テラヘルツ波発生ステップにて発生したテラヘルツ波を、前記被測定物に照射するテラヘルツ波照射ステップと、前記テラヘルツ波照射ステップにて前記被測定物から反射または前記被測定物を透過したテラヘルツ波を半導体基板からなる光学素子の第１主面に入射させるテラヘルツ波入射ステップと、前記テラヘルツ波入射ステップにて前記光学素子に入射した前記テラヘルツ波が前記第１主面に最初に到達した後、かつ、前記第１主面より前記光学素子に入射した前記テラヘルツ波の一部が前記半導体基板の裏面である第２主面で反射して再び前記第１主面に到達する前に、前記第２のパルスレーザ光の一部である第４のパルスレーザ光を前記第１主面に入射させるレーザ光入射ステップと、前記テラヘルツ波入射ステップにて前記第１主面へ入射したテラヘルツ波のうち前記第２主面を通過して前記光学素子の外部へ出射するテラヘルツ波と、前記第２主面にて反射した前記第１のパルスレーザ光と、前記レーザ光入射ステップにて前記第１主面へ入射した前記第４のパルスレーザ光のうち前記第２主面を通過して前記光学素子の外部へ出射するパルスレーザ光とを受光する受光ステップとを含み、前記テラヘルツ波発生ステップでは、前記第２のパルスレーザ光を、前記テラヘルツ波発生素子に入射させることによりテラヘルツ波を発生させ、前記第４のパルスレーザ光は、前記テラヘルツ波発生素子に入射した前記第２のパルスレーザ光の一部が前記テラヘルツ波発生素子を透過したレーザ光であってもよい。 The electromagnetic wave measuring method of the present invention is an electromagnetic wave measuring method for measuring characteristics of an object to be measured by irradiation with terahertz waves, a laser light emitting step for emitting pulsed laser light, and radiation at the laser light emitting step. A first branching step for branching the pulsed laser beam in two directions and a first pulsed laser beam generated by delaying one of the pulsed laser beams branched in the first branching step. One optical delay step, and a second pulse laser beam that is the other pulse laser beam branched in the first branch step or a third pulse laser beam that is a part of the second pulse laser beam, A terahertz wave generating step for generating a terahertz wave by being incident on the terahertz wave generating element, and the terahertz wave generating step A terahertz wave irradiating step for irradiating the object to be measured with hertz waves, and a first optical element comprising a semiconductor substrate that reflects or transmits the terahertz wave transmitted from the object to be measured in the terahertz wave irradiating step. A terahertz wave incident step to be incident on the main surface, and after the terahertz wave incident on the optical element in the terahertz wave incident step first reaches the first main surface and from the first main surface to the optical A part of the terahertz wave incident on the element is a part of the second pulse laser beam before it is reflected by the second main surface which is the back surface of the semiconductor substrate and reaches the first main surface again. Of the terahertz wave incident on the first main surface in the laser light incident step for causing the fourth pulsed laser light to enter the first main surface and the terahertz wave incident step, A terahertz wave that passes through the main surface and is emitted to the outside of the optical element, the first pulsed laser beam reflected by the second main surface, and the first main surface incident at the laser light incident step A light receiving step for receiving the pulse laser light that passes through the second main surface and is emitted to the outside of the optical element in the fourth pulse laser light, and in the terahertz wave generating step, The terahertz wave is generated by causing the pulsed laser beam to be incident on the terahertz wave generating element, and the fourth pulsed laser light has a part of the second pulsed laser light incident on the terahertz wave generating element. It may be laser light transmitted through the terahertz wave generating element.

ここでは、テラヘルツ波発生素子を透過したレーザ光が第４のパルスレーザ光として用いられる。ＺｎＴｅ結晶は、非線形効果によるテラヘルツ波の発生と同時に、赤外光などのレーザ光を透過する機能を有する。従って、上記テラヘルツ波が光学素子の入射面に最初に到達する時刻と、出射面で反射されて再び入射面に到達する時刻との間に、上記ＺｎＴｅ結晶を透過したレーザ光が入射面に到達することにより自由キャリアが生成される。これにより、不要な反射テラヘルツ波を、効果的に減衰させることができ、かつ、測定システムの簡略化が可能となる。 Here, the laser light transmitted through the terahertz wave generating element is used as the fourth pulse laser light. The ZnTe crystal has a function of transmitting laser light such as infrared light simultaneously with generation of terahertz waves due to nonlinear effects. Therefore, the laser beam that has passed through the ZnTe crystal reaches the incident surface between the time when the terahertz wave first reaches the incident surface of the optical element and the time when the terahertz wave is reflected by the exit surface and reaches the incident surface again. By doing so, free carriers are generated. Thereby, unnecessary reflected terahertz waves can be effectively attenuated, and the measurement system can be simplified.

本発明の電磁波測定装置及び電磁波測定方法によれば、光学系内における電磁波の不要な反射波を減衰させることができるので、不要信号によるノイズを抑制することが可能となる。 According to the electromagnetic wave measuring apparatus and the electromagnetic wave measuring method of the present invention, it is possible to attenuate an unnecessary reflected wave of an electromagnetic wave in the optical system, and thus it is possible to suppress noise due to an unnecessary signal.

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における電磁波測定装置は、パルスレーザ光源より放射されるパルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、第１分岐部で分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させ第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を入射してテラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生素子と、第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させ第２のパルスレーザ光を発生させる第２の光遅延素子と、第１のパルスレーザ光、第２のパルスレーザ光及び被測定物を介したテラヘルツ波が入射する光学素子と、当該光学素子から出射したパルスレーザ光及びテラヘルツ波を受光する受光素子とを備える。これにより、上記光学素子内で発生したテラヘルツ波の反射信号を選択的に吸収することができ、出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。 (Embodiment 1)
The electromagnetic wave measurement apparatus according to the first embodiment of the present invention uses a first branching unit that splits a pulsed laser beam emitted from a pulsed laser light source in two directions and one pulsed laser beam that is branched at the first branching unit. A first optical delay element that delays and generates a first pulsed laser beam, a second branching unit that branches the other pulsed laser beam branched by the first branching unit, and one branched by the second branching unit A second terahertz wave generating element for generating terahertz waves upon incidence of the second pulse laser beam and a second optical delay for generating a second pulse laser beam by optically delaying the other pulse laser beam branched by the second branching unit Receiving the element, the first pulse laser beam, the second pulse laser beam, and the optical element on which the terahertz wave passes through the object to be measured; and receiving the pulse laser beam and the terahertz wave emitted from the optical element That and a light-receiving element. Thereby, the reflected signal of the terahertz wave generated in the optical element can be selectively absorbed, and the S / N ratio of the output signal is improved.

以下、本発明の実施の形態１について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の機能構成図である。同図に記載された電磁波測定装置１は、フェムト秒レーザ１１と、ミラー１２、１６、１７、１９及び２６と、λ／２板１３及び２８と、偏光ビームスプリッタ１４及び１８と、光遅延ミラー１５及び２５と、エミッタ２０と、Ｓｉミラー２１と、ディテクタ２２と、偏光板２３と、フォトダイオード２４と、ＮＤフィルタ２７とを備える。なお、本願に係る図面において紙面に平行な偏光をｐ波、紙面に垂直な偏光をｓ波と呼ぶことにする。 Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a functional configuration diagram of an electromagnetic wave measurement device according to Embodiment 1 of the present invention. The electromagnetic wave measuring apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a femtosecond laser 11, mirrors 12, 16, 17, 19 and 26, λ / 2 plates 13 and 28, polarizing beam splitters 14 and 18, and an optical delay mirror. 15 and 25, an emitter 20, a Si mirror 21, a detector 22, a polarizing plate 23, a photodiode 24, and an ND filter 27. In the drawings according to the present application, polarized light parallel to the paper surface is called p-wave, and polarized light perpendicular to the paper surface is called s-wave.

フェムト秒レーザ１１は、パルスレーザ光を出力するデバイスとして機能し、例えば、波長８００ｎｍのパルスレーザ光が出力される。 The femtosecond laser 11 functions as a device that outputs pulsed laser light. For example, pulsed laser light having a wavelength of 800 nm is output.

フェムト秒レーザ１１から出射された短パルス赤外光２９（波長８００ｎｍ、パルス幅１２０ｆｓｅｃ、繰り返し１ｋＨｚ、ｐ波直線偏光）は、ミラー１２で光路を変えた後、λ／２板１３によって直線偏光のまま、偏光方向が変えられる。 The short-pulse infrared light 29 (wavelength 800 nm, pulse width 120 fsec, repetition 1 kHz, p-wave linearly polarized light) emitted from the femtosecond laser 11 is converted into linearly polarized light by the λ / 2 plate 13 after changing the optical path by the mirror 12. The polarization direction can be changed.

偏光方向が変化したレーザ光は、第１分岐部である偏光ビームスプリッタ１４により、ｐ波ポンプ光パルス３０及びｓ波プローブ光パルス３１に分割される。 The laser beam whose polarization direction has been changed is split into a p-wave pump light pulse 30 and an s-wave probe light pulse 31 by the polarization beam splitter 14 which is the first branching portion.

ｐ波ポンプ光パルス３０は、ミラー１７で向きを変えた後、λ／２板２８により直線偏光のまま、偏光方向が変えられる。その後、第２分岐部である偏光ビームスプリッタ１８により、ポンプ光パルス３２と裏面照射光パルス３３に分離される（比率は任意である）。ポンプ光パルス３２は、ミラー１９で向きを変えた後、エミッタ２０に照射される。 After the direction of the p-wave pump light pulse 30 is changed by the mirror 17, the polarization direction is changed by the λ / 2 plate 28 while being linearly polarized. After that, the light beam is separated into the pump light pulse 32 and the back irradiation light pulse 33 by the polarization beam splitter 18 which is the second branching portion (the ratio is arbitrary). The pump light pulse 32 is directed to the emitter 20 after changing its direction by the mirror 19.

エミッタ２０は、例えば、低温成長のＧａＡｓで構成された光伝導スイッチ型のテラヘルツ波発生素子である。表面には正電極と負電極が形成されており、電極間には約３０Ｖの電圧が印加されている。ポンプ光パルス３２が入射されない場合は、エミッタ２０は絶縁体であり、電流が流れない。しかし、ポンプ光パルス３２が照射されると、キャリアがＧａＡｓ内部で生成する。そのキャリアはエミッタ２０表面に形成された電極による電圧印加により、瞬時に移動し、この移動のため過渡電流がエミッタ２０内に流れる。この過渡電流によりテラヘルツ波３４が放射される。本実施の形態では、放射されるテラヘルツ波３４がＳ波になるように電極向きを固定している。 The emitter 20 is, for example, a photoconductive switch type terahertz wave generating element made of GaAs grown at a low temperature. A positive electrode and a negative electrode are formed on the surface, and a voltage of about 30 V is applied between the electrodes. When the pump light pulse 32 is not incident, the emitter 20 is an insulator and no current flows. However, when the pump light pulse 32 is irradiated, carriers are generated inside the GaAs. The carriers move instantaneously when a voltage is applied by an electrode formed on the surface of the emitter 20, and a transient current flows in the emitter 20 due to this movement. A terahertz wave 34 is radiated by the transient current. In the present embodiment, the electrode orientation is fixed so that the radiated terahertz wave 34 becomes an S wave.

放射されたテラヘルツ波３４は被測定物である試料５０により吸収を受け、試料５０の吸収スペクトルの情報を有するテラヘルツ波３５となる。このテラヘルツ波３５は半絶縁シリコン基板で構成された光学素子であるＳｉミラー２１を通過し、受光素子であるディテクタ２２に達する。ディテクタ２２は、例えば、（１１０）ＺｎＴｅ基板が用いられる。 The radiated terahertz wave 34 is absorbed by the sample 50 as the object to be measured, and becomes a terahertz wave 35 having information on the absorption spectrum of the sample 50. The terahertz wave 35 passes through the Si mirror 21, which is an optical element formed of a semi-insulating silicon substrate, and reaches the detector 22, which is a light receiving element. For the detector 22, for example, a (110) ZnTe substrate is used.

一方、ｓ波プローブ光パルス３１は、第１の光遅延素子である光遅延ミラー１５によって、光遅延（パルスのタイミング）を調整され、第１のパルスレーザ光となる。すなわち、光遅延ミラー１５は、入射方向に移動機構を有しており、１５０μｍの移動ごとに光パルスのタイミングを約１ｐｓｅｃ変化させることができる。本実施の形態では、光遅延ミラー１５を１０μｍステップで移動させるので、時間分解能は約６６ｆｓｅｃとなる。 On the other hand, the optical delay (pulse timing) of the s-wave probe optical pulse 31 is adjusted by the optical delay mirror 15 which is the first optical delay element, and becomes the first pulse laser beam. That is, the optical delay mirror 15 has a moving mechanism in the incident direction, and can change the timing of the optical pulse by about 1 psec for every movement of 150 μm. In this embodiment, since the optical delay mirror 15 is moved in steps of 10 μm, the time resolution is about 66 fsec.

光遅延ミラー１５を通過したｓ波プローブ光パルス３１はミラー１６で反射した後、Ｓｉミラー２１の第２主面である表面で反射し、テラヘルツ波３５と同一の光路でディテクタ２２に入射する。ディテクタ２２中では、テラヘルツ波の電界によってポッケルス効果が生じ、複屈折が生じる。このため、ｓ波に直線偏光したｓ波プローブ光パルス３１は楕円偏光に変化する。すなわち、ｓ波プローブ光パルス３１は、ｐ波の成分を有するようになる。偏光板２３はｐ波プローブ光しか通過させないようにしてあるため、プローブ光のｐ波成分のみが、フォトダイオード２４に達する。したがって、フォトダイオード２４の検出信号は、Ｓｉミラー２１の表面から出射したテラヘルツ波の大小と関係つけることができ、一般にＳｉミラー２１の表面から出射したテラヘルツ波の電界に比例した信号となる。 The s-wave probe light pulse 31 that has passed through the optical delay mirror 15 is reflected by the mirror 16, then reflected by the surface that is the second main surface of the Si mirror 21, and enters the detector 22 through the same optical path as the terahertz wave 35. In the detector 22, the Pockels effect is generated by the electric field of the terahertz wave, and birefringence occurs. For this reason, the s-wave probe light pulse 31 linearly polarized into s-waves changes to elliptically polarized light. That is, the s-wave probe light pulse 31 has a p-wave component. Since the polarizing plate 23 allows only the p-wave probe light to pass, only the p-wave component of the probe light reaches the photodiode 24. Therefore, the detection signal of the photodiode 24 can be related to the magnitude of the terahertz wave emitted from the surface of the Si mirror 21 and is generally a signal proportional to the electric field of the terahertz wave emitted from the surface of the Si mirror 21.

更に、裏面照射光パルス３３は、ＮＤフィルタ２７によって光量が調整された後、第２の光遅延素子である光遅延ミラー２５により、ポンプ光パルス３２との相対的な時間が調整され、第２のパルスレーザ光となる。すなわち、光遅延ミラー２５は入射方向に移動機構を有しており、１５０μｍの移動ごとに光パルスのタイミングを約１ｐｓｅｃ変化させることができる。光遅延ミラー２５から出た裏面照射光パルス３３は、ミラー２６により反射された後、Ｓｉミラー２１の第１主面（裏面）であるテラヘルツ入射面と同じ面に照射される。 Further, after the light amount of the backside irradiation light pulse 33 is adjusted by the ND filter 27, the relative time with the pump light pulse 32 is adjusted by the optical delay mirror 25 which is the second optical delay element, and the second Pulse laser light. That is, the optical delay mirror 25 has a moving mechanism in the incident direction, and the timing of the optical pulse can be changed by about 1 psec for every movement of 150 μm. The back irradiation light pulse 33 emitted from the optical delay mirror 25 is reflected by the mirror 26 and then irradiated to the same surface as the terahertz incident surface, which is the first main surface (back surface) of the Si mirror 21.

図２は本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波及び裏面照射光パルスの経路を表す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating the paths of the terahertz wave and the backside irradiation light pulse in the Si mirror of the electromagnetic wave measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.

テラヘルツ波３５は、Ａ点でＳｎｅｌｌの法則に従い、Ｓｉミラー２１の内部に入射する。すなわち、Ｓｉミラー２１の裏面において、入射角をθ１、出射角をθ２としたとき、

の関係が成立する。ここで、ｎはテラヘルツ帯におけるＳｉの屈折率である。Ａ点から内部に入ったテラヘルツ波３５は、Ｂ点で一部が透過し、出射光１となる。一方、Ｂ点で反射したテラヘルツ波は、Ｃ点に到達する。Ｃ点では予め、裏面照射光パルス３３により、多数の自由キャリア（電子）が生成されている。この自由キャリアが、反射によりＣ点に到達するテラヘルツ波を吸収するので、図１３で表されたような出射光２は無くなる。ここでテラヘルツ波３５の一部が、Ａ→Ｂ→Ｃの経路を進む時間ｔ₂は、

で与えられる。具体的には、Ｌ＝３８０μｍ、θ１＝４５°、ｎ＝３．４４（θ２＝１２°と計算される）を代入すると、ｔ₂＝８．９ｐｓｅｃとなる。したがって、テラヘルツ波３５がＡ点に到達した時刻からＣ点に到達するまでの時刻までの間に、裏面照射パルス３３が到達するよう、光遅延ミラー２５を調整する。 The terahertz wave 35 enters the Si mirror 21 at point A according to Snell's law. That is, on the back surface of the Si mirror 21, when the incident angle is θ1 and the emission angle is θ2,

The relationship is established. Here, n is the refractive index of Si in the terahertz band. A part of the terahertz wave 35 entering from the point A is transmitted through the point B to become the outgoing light 1. On the other hand, the terahertz wave reflected at the point B reaches the point C. At point C, a large number of free carriers (electrons) are generated in advance by the back irradiation light pulse 33. Since this free carrier absorbs the terahertz wave that reaches the point C by reflection, the emitted light 2 as shown in FIG. 13 disappears. Here, the time t _{2 at} which a part of the terahertz wave 35 travels along the path A → B → C is

Given in. Specifically, when L = 380 μm, θ1 = 45 °, and n = 3.44 (calculated as θ2 = 12 °) are substituted, t ₂ = 8.9 psec is obtained. Therefore, the optical delay mirror 25 is adjusted so that the back irradiation pulse 33 reaches from the time when the terahertz wave 35 reaches the point A to the time until it reaches the point C.

これにより、Ａ→Ｂ→Ｃの経路を進むテラヘルツ波は、予め裏面照射パルス３３によって励起され生成されたＣ点付近の自由キャリアによって吸収される。よって、必要なテラヘルツ波信号を減衰させることなく、不要な反射テラヘルツ波のみを、効果的に減衰させることが可能となる。 As a result, the terahertz wave traveling along the path of A → B → C is absorbed by free carriers in the vicinity of the point C that is excited and generated in advance by the back irradiation pulse 33. Therefore, it is possible to effectively attenuate only the unnecessary reflected terahertz wave without attenuating the necessary terahertz wave signal.

なお、半導体中の自由キャリアの寿命は一般にナノ秒以上であるため、生成したキャリアは、ここで用いる時間スケール（数ｐｓｅｃ）の範囲では、再結合することなくほとんど一定と考えて差し支えない。 Since the lifetime of free carriers in a semiconductor is generally longer than nanoseconds, the generated carriers can be considered to be almost constant without recombination within the time scale (several psec) used here.

図３（ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の出力信号の波形図である。同図において、裏面照射光パルス３３のパルス光量は、時間平均で３００ｍＷである。主信号は５ｐｓ付近にある。図１２（ａ）で観測された、反射による信号はなくなっていることがわかる。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）をフーリエ変換した波形図である。０〜１．５ＴＨｚ付近のフリンジが無くなっており、良好な結果が得られていることがわかる。 FIG. 3A is a waveform diagram of an output signal of the electromagnetic wave measurement device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, the light amount of the back irradiation light pulse 33 is 300 mW on a time average. The main signal is in the vicinity of 5 ps. It can be seen that the signal due to reflection observed in FIG. FIG. 3B is a waveform diagram obtained by Fourier transform of FIG. It can be seen that the fringe near 0 to 1.5 THz disappears, and a good result is obtained.

ここで、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置１についての物理的な内容について考察する。図４は、Ｓｉミラーにおけるテラヘルツ波及び赤外パルス光の経路を表す図である。エネルギーｈν_IRの赤外パルス光（１パルスあたりのエネルギーをＩ_iとする）がＳｉミラー２１の裏面に照射面積Ｓで入射した場合を考える。この時、１パルスに含まれるフォトン数は、単位面積あたり、

となる。このエネルギーにおけるシリコンの吸収係数をα_IRとし、吸収される有効長をｗとすると、シリコンに吸収されたフォトン数は、単位面積あたり、

となるから、量子効率をηとすると、単位体積あたり、以下の式１

で示される自由キャリアＮが生成している（ここで、表面反射はηに含まれるとし、また、有効長ｗに均一にキャリアがあると仮定する）。 Here, the physical contents of the electromagnetic wave measuring apparatus 1 according to Embodiment 1 of the present invention will be considered. FIG. 4 is a diagram illustrating the paths of the terahertz wave and the infrared pulsed light in the Si mirror. Consider a case where infrared pulsed light with energy hν _IR (energy per pulse is I _i ) is incident on the back surface of the Si mirror 21 with an irradiation area S. At this time, the number of photons contained in one pulse is per unit area.

It becomes. When the absorption coefficient of silicon at this energy is α _IR and the effective length absorbed is w, the number of photons absorbed in silicon is

Therefore, when the quantum efficiency is η, the following equation 1 per unit volume:

(Here, it is assumed that surface reflection is included in η and that there is a uniform carrier in the effective length w).

自由キャリアはプラズマ状態となり、以下の式２で示されるDrudeの関係に従い、テラヘルツ帯において吸収係数α_THzが発生する。 Free carriers are in a plasma state, and an absorption coefficient α _THz is generated in the terahertz band in accordance with the Drude relationship expressed by the following Equation 2.

ここで、λ_THzはテラヘルツ波の波長、ωはテラヘルツ周波数、ε∞は高周波における比誘電率、ｎはＳｉミラー２１の屈折率、τは緩和時間である。また、ωｐは自由キャリアのプラズマ振動数であり、以下の式３で表される。 Here, λ _THz is the wavelength of the terahertz wave, ω is the terahertz frequency, ε∞ is the relative dielectric constant at high frequency, n is the refractive index of the Si mirror 21, and τ is the relaxation time. Further, ωp is the plasma frequency of the free carrier and is expressed by the following formula 3.

ここで、ｅは電子素量、ｍ^*は電子有効質量、ε₀は真空誘電率である。
このテラヘルツ帯の吸収が発生するため、図２に記載されたＣ点近傍において、テラヘルツ波は減衰し、その減衰量は

で与えられる。したがって、半導体内部におけるテラヘルツ波の反射係数をＲ_THzとおくと、主信号（Ｉ₁）と反射信号（Ｉ₂）の比は、以下の式４

で与えられ、近似的には以下の式５のようになる。 Here, e is the elementary electron content, m ^* is the effective electron mass, and ε ₀ is the vacuum dielectric constant.
Since this terahertz band absorption occurs, the terahertz wave is attenuated near the point C shown in FIG.

Given in. Accordingly, if the reflection coefficient of the terahertz wave inside the semiconductor is R _THz , the ratio of the main signal (I ₁ ) to the reflection signal (I ₂ ) is

Is approximately given by Equation 5 below.

ここで係数Ａは、以下の式６で与えられる。 Here, the coefficient A is given by Equation 6 below.

よって、反射信号Ｉ₂／主信号Ｉ₁の強度比は、裏面反射光I_iに対して、指数関数的に減衰する。 Therefore, the intensity ratio of the reflected signal I ₂ / main signal I ₁ attenuates exponentially with respect to the back surface reflected light I _i .

図５は、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置における信号強度比の裏面光入射パワー依存性を表すグラフである。裏面光（図２に記載された裏面照射光パルス３３）入射パワーとともに、強度比（Ｉ₂／Ｉ₁）が減少しており、反射が小さくなっていることがわかる。これを式５でフィッティングすることにより、

なる関係が得られる。 FIG. 5 is a graph showing the dependency of the signal intensity ratio on the back light incident power in the electromagnetic wave measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. It can be seen that the intensity ratio (I ₂ / I ₁ ) decreases with the incident power of the back light (back light irradiation light pulse 33 described in FIG. 2), and the reflection becomes small. By fitting this with Equation 5,

The following relationship is obtained.

また、式６において、η＝０．６、α_IR＝１０００ｃｍ^-1、ω＝１ＴＨｚ、ε∞＝１１．５６、τ＝０．２５ｐｓｅｃ、ｍ^*＝０．９８、ｈν＝１．５５ｅＶ、Ｓ＝０．２８ｃｍ^-2、ｗ＝１０μｍ、１００ｆｓｅｃ、１ｋＨｚを代入すると、
Ａ＝１．２×１０⁴（１／Ｊ：裏面光をパルスとした場合）
＝０．０１２（１／ｍＷ：裏面光を平均出力とした場合）
となり、上記フィッティング値とよく一致することが解る。 In Equation 6, η = 0.6, α _IR = 1000 cm ⁻¹ , ω = ¹ THz, ε∞ = 11.56, τ = 0.25 psec, m ^* = 0.98, hν = 1.55 eV, S = 0.28 cm ^-2 , w = 10 μm, 100 fsec, 1 kHz,
A = 1.2 × 10 ⁴ (1 / J: When the back light is a pulse)
= 0.012 (1 / mW: When the back light is the average output)
Thus, it can be seen that the above-mentioned fitting value agrees well.

図６は、式７をプロットしたグラフである。同図から、平均出力３００ｍＷの裏面照射光パルス３３をＳｉミラー２１のＣ点付近に入射すれば、反射信号強度は、主信号の１％程度になり、出力信号に対しほとんど影響を及ぼさないことが解る。 FIG. 6 is a graph in which Equation 7 is plotted. From the figure, if the back irradiation light pulse 33 with an average output of 300 mW is incident in the vicinity of the point C of the Si mirror 21, the reflected signal intensity is about 1% of the main signal and has little influence on the output signal. I understand.

以上のように、テラヘルツ波がＳｉミラー入射面に最初に到達した後、かつ、反射によりＳｉミラー入射面に再到達する前に、裏面照射光パルスのＳｉミラー入射面へのタイミングを調整することにより、Ｓｉミラーから出射するテラヘルツ波のノイズレベルを低減することが可能となる。 As described above, after the terahertz wave first reaches the Si mirror entrance surface, and before it reaches the Si mirror entrance surface again by reflection, the timing of the back-illuminated light pulse to the Si mirror entrance surface is adjusted. Thus, the noise level of the terahertz wave emitted from the Si mirror can be reduced.

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る電磁波測定装置の機能構成図である。同図に記載された電磁波測定装置２は、フェムト秒レーザ１１と、ミラー１２、１６及び１７と、λ／２板１３と、偏光ビームスプリッタ１４と、光遅延ミラー１５と、エミッタ４０と、Ｓｉミラー２１と、ディテクタ２２と、偏光板２３と、フォトダイオード２４とを備える。なお、本願に係る図面において紙面に平行な偏光をｐ波、紙面に垂直な偏光をｓ波と呼ぶことにする。 (Embodiment 2)
FIG. 7 is a functional configuration diagram of the electromagnetic wave measurement apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. The electromagnetic wave measuring apparatus 2 shown in the figure includes a femtosecond laser 11, mirrors 12, 16, and 17, a λ / 2 plate 13, a polarization beam splitter 14, an optical delay mirror 15, an emitter 40, Si A mirror 21, a detector 22, a polarizing plate 23, and a photodiode 24 are provided. In the drawings according to the present application, polarized light parallel to the paper surface is called p-wave, and polarized light perpendicular to the paper surface is called s-wave.

図７に記載された実施の形態２における電磁波測定装置２は、図１に記載された実施の形態１における電磁波測定装置１と比較して、ｐ波ポンプ光パルス３０が分岐されず、図１に記載された裏面照射光パルス３３が生成され光遅延される経路が設けられていない。しかしながら、エミッタ４０を通過するポンプ光パルス３６を、Ｓｉミラー２１の裏面であるテラヘルツ波入射面に所定のタイミングで照射することにより、自由キャリアを発生させることが可能となる。以下、実施の形態１に記載された構成要素と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。 Compared with the electromagnetic wave measurement apparatus 1 in the first embodiment described in FIG. 1, the electromagnetic wave measurement apparatus 2 in the second embodiment described in FIG. 7 does not branch the p-wave pump light pulse 30, and FIG. The back irradiation light pulse 33 described in (1) is generated, and no optical delay path is provided. However, free carriers can be generated by irradiating the terahertz wave incident surface, which is the back surface of the Si mirror 21, with the pump light pulse 36 passing through the emitter 40 at a predetermined timing. Hereinafter, description of the same components as those described in the first embodiment will be omitted, and only different points will be described.

エミッタ４０は、テラヘルツ発生素子としての機能を有し、同時にｐ波ポンプ光パルス３０の一部を透過させる。エミッタ４０は、例えば、ＺｎＴｅ結晶が用いられる。エミッタ４０は、ｐ波ポンプ光パルス３０がＺｎＴｅ結晶中を通過するとき、非線形効果によりテラヘルツ波を発生させる。一方、ＺｎＴｅ結晶のバンドギャップが２．２６ｅＶであることから、エミッタ４０は、一般には、ｐ波ポンプ光パルス３０（波長８００ｎｍ（＝１．５５ｅＶ））を吸収しない。したがって、エミッタ４０からはｐ波ポンプ光パルス３０の一部であるポンプ光パルス３６が通過する。この通過したポンプ光パルス３６は、透明な試料５１を通過し、ポンプ漏れ光３７となり、Ｓｉミラー２１の第１主面（裏面）であるテラヘルツ波入射面に照射される。 The emitter 40 has a function as a terahertz generating element and transmits a part of the p-wave pump light pulse 30 at the same time. For example, a ZnTe crystal is used for the emitter 40. The emitter 40 generates a terahertz wave by a non-linear effect when the p-wave pump light pulse 30 passes through the ZnTe crystal. On the other hand, since the band gap of the ZnTe crystal is 2.26 eV, the emitter 40 generally does not absorb the p-wave pump light pulse 30 (wavelength 800 nm (= 1.55 eV)). Therefore, the pump light pulse 36 that is a part of the p-wave pump light pulse 30 passes from the emitter 40. The passed pump light pulse 36 passes through the transparent sample 51, becomes pump leakage light 37, and is irradiated onto the terahertz wave incident surface which is the first main surface (back surface) of the Si mirror 21.

この構成は、試料５１がｐ波ポンプ光パルス３０を透過する場合に適用することができる。試料５１としては、例えば、透明プラスチックなどがあり、その組成を調べる場合に適用可能である。また、試料５１として、「大気」を置けば（すなわち何も置かなければ）、「大気」中の水蒸気量を調べることができる。これは、テラヘルツ波が水分子によく吸収されることを利用したものである。 This configuration can be applied when the sample 51 transmits the p-wave pump light pulse 30. As the sample 51, for example, there is a transparent plastic or the like, which is applicable when the composition is examined. Further, if “atmosphere” is placed as the sample 51 (that is, nothing is placed), the amount of water vapor in the “atmosphere” can be examined. This utilizes the fact that terahertz waves are well absorbed by water molecules.

図８は、本発明の実施の形態２に係る電磁波測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波及びポンプ光パルスの経路を表す図である。エミッタ４０で発生し、試料５１を通過したテラヘルツ波３５は、Ｓｉミラー２１のＡ点から入射し、Ｂ点から出射されるが、一部がＢ点で反射されＣ点へ向かう。一方、テラヘルツ波３５がＡ点にあるとき、ポンプ漏れ光３７はＡ’点にある。Ａ’点からＣ点のポンプ漏れ光３７の光路長は、明らかに、Ａ→Ｂ→Ｃ点へ向かうテラヘルツ波３５の反射波よりも光路長が小さい。この結果、ポンプ漏れ光３７は、テラヘルツ波３５の反射波より先にＣ点に到着し、Ｃ点で自由キャリアを生成する。その後、テラヘルツ波３５の反射波がＣ点付近に到達し、テラヘルツ波３５の反射波は、上記自由キャリアによって吸収される。この結果、内部反射光が無くなり、Ｓｉミラー２１の第２主面（表面）であるテラヘルツ波出射面から、ノイズレベルの低減されたテラヘルツ波が出射される。 FIG. 8 is a diagram illustrating the paths of the terahertz wave and the pump light pulse in the Si mirror included in the electromagnetic wave measurement device according to the second embodiment of the present invention. The terahertz wave 35 generated by the emitter 40 and passing through the sample 51 is incident from the point A of the Si mirror 21 and emitted from the point B, but a part is reflected at the point B and travels toward the point C. On the other hand, when the terahertz wave 35 is at point A, the pump leakage light 37 is at point A ′. The optical path length of the pump leakage light 37 from the A ′ point to the C point is obviously smaller than the reflected wave of the terahertz wave 35 from the A → B → C point. As a result, the pump leakage light 37 arrives at the point C before the reflected wave of the terahertz wave 35 and generates free carriers at the point C. Thereafter, the reflected wave of the terahertz wave 35 reaches near the point C, and the reflected wave of the terahertz wave 35 is absorbed by the free carriers. As a result, the internally reflected light disappears and a terahertz wave with a reduced noise level is emitted from the terahertz wave emitting surface which is the second main surface (surface) of the Si mirror 21.

以上のように、非線形効果によりテラヘルツ波を発生させるＺｎＴｅ結晶をテラヘルツ波発生素子として用いることにより赤外ポンプ光とテラヘルツ波とを発生させることができる。また、このテラヘルツ波がＳｉミラーの第１主面に最初に入射した後、かつ、当該テラヘルツ波の一部がＳｉミラーの第２主面で反射して第１主面に再到達する前に、上記ＺｎＴｅ結晶を通過した赤外ポンプ光を当該第１主面に照射することにより、Ｓｉミラーから出射するテラヘルツ波のノイズレベルを低減することが可能となる。 As described above, infrared pump light and terahertz waves can be generated by using a ZnTe crystal that generates terahertz waves by a non-linear effect as a terahertz wave generating element. In addition, after this terahertz wave is first incident on the first main surface of the Si mirror, and before a part of the terahertz wave is reflected by the second main surface of the Si mirror and reaches the first main surface again. By irradiating the first main surface with the infrared pump light that has passed through the ZnTe crystal, the noise level of the terahertz wave emitted from the Si mirror can be reduced.

本実施の形態では、上記ＺｎＴｅ結晶を通過した赤外ポンプ光および発生したテラヘルツ波のＳｉミラーへの入射タイミングの調整は、光学素子であるＳｉミラーの設定角度によりなされている。なお、赤外ポンプ光および発生したテラヘルツ波のＳｉミラーへの入射タイミング調整は、赤外ポンプ光またはテラヘルツ波の光路に光遅延素子を配置することにより実施されてもよい。 In the present embodiment, the incident timing of the infrared pump light that has passed through the ZnTe crystal and the generated terahertz wave to the Si mirror is adjusted by the set angle of the Si mirror that is an optical element. The incident timing adjustment of the infrared pump light and the generated terahertz wave to the Si mirror may be performed by disposing an optical delay element in the optical path of the infrared pump light or the terahertz wave.

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における電磁波測定装置は、パルスレーザ光源より放射されるパルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、第１分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させ第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光が入射することによりテラヘルツ波を発生し、当該テラヘルツ波を被測定物の表面に入射させるテラヘルツ波発生素子と、第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させ、当該光遅延した第２のパルスレーザ光を前記被測定物の裏面に照射させる第２の光遅延素子と、被測定物の表面で反射したテラヘルツ波と第１のパルスレーザ光が入射することによりこれらを同一光路にて出射させる光学素子と、光学素子から出射したパルスレーザ光及びテラヘルツ波を受光する受光素子とを備える。これにより、被測定物内の不要な反射電磁波を吸収させることができ、出力信号のＳ／Ｎ比が向上する。 (Embodiment 3)
The electromagnetic wave measuring apparatus according to Embodiment 3 of the present invention uses a first branching unit that splits a pulsed laser beam emitted from a pulsed laser light source in two directions and one pulsed laser beam branched by the first branching unit. A first optical delay element that delays and generates a first pulsed laser beam, a second branching unit that branches the other pulsed laser beam branched by the first branching unit, and one branched by the second branching unit The terahertz wave is generated by the incidence of the pulsed laser beam, and the terahertz wave generating element that makes the terahertz wave incident on the surface of the object to be measured and the other pulsed laser beam branched by the second branching unit are optically delayed. A second optical delay element for irradiating the back surface of the object to be measured with the second pulsed laser light delayed, a terahertz wave reflected by the surface of the object to be measured, and the first pulse laser light. Comprising an optical element for emitting these on a same optical path, and a light receiving element for receiving the pulsed laser light and the terahertz wave emitted from the optical element by. Thereby, an unnecessary reflected electromagnetic wave in the object to be measured can be absorbed, and the S / N ratio of the output signal is improved.

以下、本発明の実施の形態３について、図面を用いて説明する。
図９は、本発明の実施の形態３に係る電磁波測定装置の機能構成図である。同図に記載された電磁波測定装置３は、フェムト秒レーザ１１と、ミラー１２、１６、１７及び２６と、λ／２板１３、２８及び６０と、偏光ビームスプリッタ１４、１８及び６１と、光遅延ミラー１５、２５及び６２と、エミッタ４１と、Ｓｉミラー２１と、ディテクタ２２と、偏光板２３と、フォトダイオード２４と、ＮＤフィルタ２７とを備える。なお、本願に係る図面において紙面に平行な偏光をｐ波、紙面に垂直な偏光をｓ波と呼ぶことにする。 Hereinafter, Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 is a functional configuration diagram of an electromagnetic wave measurement device according to Embodiment 3 of the present invention. The electromagnetic wave measuring apparatus 3 shown in the figure includes a femtosecond laser 11, mirrors 12, 16, 17 and 26, λ / 2 plates 13, 28 and 60, polarizing beam splitters 14, 18 and 61, and light. Delay mirrors 15, 25 and 62, an emitter 41, an Si mirror 21, a detector 22, a polarizing plate 23, a photodiode 24, and an ND filter 27 are provided. In the drawings according to the present application, polarized light parallel to the paper surface is called p-wave, and polarized light perpendicular to the paper surface is called s-wave.

図９に記載された実施の形態３における電磁波測定装置３は、図１に記載された実施の形態１における電磁波測定装置１と比較して、偏光ビームスプリッタ１４とミラー１７との間に、λ／２板６０、偏光ビームスプリッタ６１、光遅延ミラー６２が配置されている点（図９の破線で囲まれた部分）、及び偏光ビームスプリッタ１８からミラー１９を介さずにエミッタ４１へポンプ光パルス６４が入射される点が機能構成として異なる。以下、実施の形態１に記載された構成要素と同じ点は説明を省略し、異なる点のみ説明する。 The electromagnetic wave measuring apparatus 3 according to the third embodiment described in FIG. 9 has a λ between the polarization beam splitter 14 and the mirror 17 as compared with the electromagnetic wave measuring apparatus 1 according to the first embodiment described in FIG. / 2 plate 60, polarization beam splitter 61, point where optical delay mirror 62 is arranged (portion surrounded by broken line in FIG. 9), and pump light pulse from polarization beam splitter 18 to emitter 41 without passing through mirror 19 64 is different as a functional configuration. Hereinafter, description of the same components as those described in the first embodiment will be omitted, and only different points will be described.

ｐ波ポンプ光パルス３０は、λ／２板６０により直線偏光のまま、偏光方向が変えられる。その後、第２分岐部である偏光ビームスプリッタ６１により、偏光方向が変えられたｐ波ポンプ光パルス３０の一部がポンプ光パルス６３に分離される（比率は任意である）。ポンプ光パルス６３は、光遅延ミラー６２で光遅延された第２のパルスレーザ光となり、試料５２の裏面に照射される。 The polarization direction of the p-wave pump light pulse 30 is changed by the λ / 2 plate 60 while being linearly polarized. Thereafter, a part of the p-wave pump light pulse 30 whose polarization direction has been changed is separated into a pump light pulse 63 by the polarizing beam splitter 61 as the second branching portion (the ratio is arbitrary). The pump light pulse 63 becomes a second pulse laser beam that is optically delayed by the optical delay mirror 62, and is irradiated on the back surface of the sample 52.

図９に記載された電磁波測定装置３は、試料５２の表面における反射テラヘルツ波６６を測定する場合に用いられる。試料５２は、光照射によってキャリアを発生する材料の場合であり、例えば、半導体（バンドギャップがフェムト秒レーザのエネルギーよりも小さい材料）である。例えば、半絶縁性ＧａＡｓ基板の表面に付着した異物（有機物）を調べたい場合などに有用である。この場合、従来の構成では、テラヘルツ波６５が試料５２の内部にも侵入し、かつ、内部で反射し、これが反射信号となり、表面反射信号と同時に検出される。本発明の実施の形態３の構成により、試料５２の内部で発生する反射信号が低減される原理を、図１０により説明する。 The electromagnetic wave measuring device 3 described in FIG. 9 is used when measuring the reflected terahertz wave 66 on the surface of the sample 52. The sample 52 is a material that generates carriers by light irradiation, and is, for example, a semiconductor (a material whose band gap is smaller than the energy of a femtosecond laser). For example, it is useful when it is desired to examine foreign matter (organic matter) adhering to the surface of a semi-insulating GaAs substrate. In this case, in the conventional configuration, the terahertz wave 65 also enters the sample 52 and is reflected inside, which becomes a reflected signal and is detected simultaneously with the surface reflected signal. The principle that the reflected signal generated inside the sample 52 is reduced by the configuration of the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

図１０は、本発明の実施の形態３に係る電磁波測定装置が発生したテラヘルツ波及びポンプ光パルスの、被測定物における経路を表す図である。試料５２の表面に入射したテラヘルツ波６５はＡ点で反射されて、反射テラヘルツ波６６となる。この時、表面における異物によって吸収を受けるため、異物の有無により反射テラヘルツ波６６が変化する。これを解析することで、表面状態を知ることができる。一方、Ａ点から試料５２の内部に侵入したテラヘルツ波はＢ点に向かう。 FIG. 10 is a diagram illustrating paths of the terahertz wave and the pump light pulse generated by the electromagnetic wave measurement device according to the third embodiment of the present invention in the object to be measured. The terahertz wave 65 incident on the surface of the sample 52 is reflected at point A to become a reflected terahertz wave 66. At this time, since it is absorbed by the foreign matter on the surface, the reflected terahertz wave 66 changes depending on the presence or absence of the foreign matter. By analyzing this, the surface state can be known. On the other hand, the terahertz wave that has entered the sample 52 from the point A is directed to the point B.

光遅延調整されたポンプ光パルス６３がＢ点に照射されない場合は、侵入したテラヘルツ波はＢ点で反射され、Ｃ点から出射され、不要なテラヘルツ波６８を発生させる。 When the pump light pulse 63 adjusted for optical delay is not irradiated to the point B, the invading terahertz wave is reflected at the point B and emitted from the point C, and an unnecessary terahertz wave 68 is generated.

これに対し、試料５２の内部に侵入したテラヘルツ波がＢ点に到着するまでに、光遅延調整されたポンプ光パルス６３が照射されると、自由キャリアがＢ点付近に発生し、Ｂ点に向かうテラヘルツ波は吸収される。この結果、無効な内部反射光を除去することが可能となる。 On the other hand, when the pump light pulse 63 adjusted for optical delay is irradiated before the terahertz wave that has entered the inside of the sample 52 arrives at the point B, free carriers are generated in the vicinity of the point B. The terahertz wave that heads is absorbed. As a result, it is possible to remove invalid internal reflection light.

なお、本実施の形態においては、Ｓｉミラー２１での不要反射を抑える裏面照射光パルス６７の光路（図９に記載されたＮＤフィルタ２７→光遅延ミラー２５→ミラー２６→Ｓｉミラー２１）と、上述した試料５２の裏面での反射を抑えるポンプ光パルス６３の光路（λ／２板６０→偏光ビームスプリッタ６１→光遅延ミラー６２）を同時に使用したが、試料５２の裏面での反射を抑える観点のみから、当該ポンプ光パルス６３の光路のみ用いる構成でもよい。 In the present embodiment, the optical path of the back irradiation light pulse 67 that suppresses unnecessary reflection on the Si mirror 21 (ND filter 27 → light delay mirror 25 → mirror 26 → Si mirror 21 described in FIG. 9), The optical path (λ / 2 plate 60 → polarization beam splitter 61 → optical delay mirror 62) of the pump light pulse 63 that suppresses reflection on the back surface of the sample 52 is used simultaneously. Only the optical path of the pump light pulse 63 may be used.

以上のように、テラヘルツ波が被測定物の裏面に最初に到達する前に、ポンプ光パルスが被測定物の裏面へ到達するようタイミングを調整することにより、被測定物の表面から反射されるテラヘルツ波のノイズレベルを低減することが可能となる。 As described above, the pump light pulse is reflected from the surface of the object to be measured by adjusting the timing so that the pump light pulse reaches the back surface of the object to be measured before the terahertz wave first reaches the back surface of the object to be measured. It becomes possible to reduce the noise level of the terahertz wave.

以上、実施の形態１〜３について述べてきたが、本発明に係る電磁波測定装置及び電磁波測定方法は、上記実施の形態に限定されるものではない。実施の形態１〜３における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、実施の形態１〜３に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る電磁波測定装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。 As mentioned above, although Embodiment 1-3 was described, the electromagnetic wave measuring apparatus and electromagnetic wave measuring method which concern on this invention are not limited to the said embodiment. Other embodiments realized by combining arbitrary constituent elements in the first to third embodiments and various modifications conceivable by those skilled in the art without departing from the gist of the present invention to the first to third embodiments. Variations obtained and various devices incorporating the electromagnetic wave measuring device according to the present invention are also included in the present invention.

本発明は、特にセキュリティ、非破壊検査、バイオ／メディアカル、食品検査／農業、環境に対し効率のよい電磁波測定装置に有用であり、出力信号の高Ｓ／Ｎ比が要求される電磁波測定装置および方法として用いるのに最適である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly useful for an electromagnetic wave measuring apparatus that is efficient for security, nondestructive inspection, bio / medial, food inspection / agriculture, and the environment, and an electromagnetic wave measuring apparatus that requires a high S / N ratio of an output signal. And ideal for use as a method.

本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の機能構成図である。It is a functional block diagram of the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波及び裏面照射光パルスの経路を表す図である。It is a figure showing the path | route of the terahertz wave and back irradiation light pulse in the Si mirror which the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention has. （ａ）は、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の出力信号の波形図である。（ｂ）は、本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置の出力信号をフーリエ変換した波形図である。(A) is a wave form diagram of an output signal of an electromagnetic wave measuring device concerning Embodiment 1 of the present invention. (B) is the wave form diagram which carried out the Fourier-transform of the output signal of the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention. Ｓｉミラーにおけるテラヘルツ波及び赤外パルス光の経路を表す図である。It is a figure showing the path | route of the terahertz wave and infrared pulsed light in Si mirror. 本発明の実施の形態１に係る電磁波測定装置における信号強度比の裏面光入射パワー依存性を表すグラフである。It is a graph showing the back surface light incident power dependence of the signal intensity ratio in the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 式７をプロットしたグラフである。8 is a graph in which Expression 7 is plotted. 本発明の実施の形態２に係る電磁波測定装置の機能構成図である。It is a functional block diagram of the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態２に係る電磁波測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波及びポンプ光パルスの経路を表す図である。It is a figure showing the path | route of the terahertz wave and pump light pulse in the Si mirror which the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 2 of this invention has. 本発明の実施の形態３に係る電磁波測定装置の機能構成図である。It is a function block diagram of the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態３に係る電磁波測定装置が発生したテラヘルツ波及びポンプ光パルスの、被測定物における経路を表す図である。It is a figure showing the path | route in a to-be-measured object of the terahertz wave and pump light pulse which the electromagnetic wave measuring device which concerns on Embodiment 3 of this invention generate | occur | produced. 特許文献１に記載された従来のテラヘルツ測定装置を実現した機能構成図の一例である。1 is an example of a functional configuration diagram that realizes a conventional terahertz measuring device described in Patent Document 1. FIG. （ａ）は、試料がない場合の従来のテラヘルツ測定装置の出力信号の波形図である。（ｂ）は、試料がない場合のテラヘルツ測定装置の出力信号をフーリエ変換した波形図である。(A) is a wave form diagram of an output signal of the conventional terahertz measuring device when there is no sample. (B) is the wave form diagram which carried out the Fourier-transform of the output signal of the terahertz measuring device when there is no sample. 従来のテラヘルツ測定装置の有するＳｉミラーにおけるテラヘルツ波の経路を表す図である。It is a figure showing the path | route of the terahertz wave in the Si mirror which the conventional terahertz measuring apparatus has.

符号の説明Explanation of symbols

１、２、３電磁波測定装置
１１、１０１フェムト秒レーザ
１２、１６、１７、１９、２６、１０２、１０６、１０７ミラー
１３、２８、６０、１０３ λ／２板
１４、１８、６１、１０４偏光ビームスプリッタ
１５、２５、６２、１０５光遅延ミラー
２０、４０、４１、１０８エミッタ
２１、１０９Ｓｉミラー
２２、１１０ディテクタ
２３、１１１偏光板
２４、１１２フォトダイオード
２７ＮＤフィルタ
２９、１１７短パルス赤外光
３０、１１３ｐ波ポンプ光パルス
３１、１１４ｓ波プローブ光パルス
３２、６３、６４ポンプ光パルス
３３、６７裏面照射光パルス
３４、３５、６５、６８、１１５、１１６テラヘルツ波
３６ポンプ光パルス
３７ポンプ漏れ光
５０、５１、５２、２００試料
６６反射テラヘルツ波
１００テラヘルツ測定装置 1, 2, 3 Electromagnetic wave measuring device 11, 101 Femtosecond laser 12, 16, 17, 19, 26, 102, 106, 107 Mirror 13, 28, 60, 103 λ / 2 plate 14, 18, 61, 104 Polarized beam Splitter 15, 25, 62, 105 Optical delay mirror 20, 40, 41, 108 Emitter 21, 109 Si mirror 22, 110 Detector 23, 111 Polarizer 24, 112 Photodiode 27 ND filter 29, 117 Short pulse infrared light 30 , 113 p-wave pump light pulse 31, 114 s-wave probe light pulse 32, 63, 64 pump light pulse 33, 67 backside light pulse 34, 35, 65, 68, 115, 116 terahertz wave 36 pump light pulse 37 pump leakage Light 50, 51, 52, 200 Sample 66 Reflected terahertz wave 1 00 Terahertz measuring device

Claims

テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定装置であって、
パルスレーザ光を放射するパルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、
前記第１分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、
前記第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、
前記第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光が入射すること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、
前記第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第２のパルスレーザ光を発生させる第２の光遅延素子と、
前記第１のパルスレーザ光、前記第２のパルスレーザ光及び前記被測定物を透過または反射した前記テラヘルツ波が入射することによりこれらを同一光路にて出射させる光学素子と、
前記光学素子から出射したパルスレーザ光及び前記テラヘルツ波を受光する受光素子とを備える
電磁波測定装置。 An electromagnetic wave measuring apparatus for measuring characteristics of an object to be measured by irradiation with terahertz waves,
A pulsed laser light source that emits pulsed laser light;
A first branching portion for branching the pulse laser beam in two directions;
A first optical delay element for generating a first pulsed laser beam by optically delaying one of the pulsed laser beams branched by the first branching unit;
A second branching unit that branches the other pulsed laser beam branched by the first branching unit;
A terahertz wave generating element that generates a terahertz wave when one pulsed laser beam branched by the second branching unit is incident;
A second optical delay element that generates a second pulsed laser beam by optically delaying the other pulsed laser beam branched by the second branching unit;
An optical element that emits the first pulsed laser beam, the second pulsed laser beam, and the terahertz wave that has been transmitted or reflected through the object to be measured, on the same optical path;
An electromagnetic wave measuring apparatus comprising: a pulse laser beam emitted from the optical element; and a light receiving element that receives the terahertz wave.

前記光学素子は、第１主面と当該第１主面に対面する第２主面とを有する半導体基板からなり、
前記第１のパルスレーザ光は前記第２主面にて反射され、
前記テラヘルツ波及び前記第２のパルスレーザ光は、前記第１主面に入射しかつ前記第２主面より出射する
請求項１記載の電磁波測定装置。 The optical element comprises a semiconductor substrate having a first main surface and a second main surface facing the first main surface,
The first pulse laser beam is reflected by the second main surface,
The electromagnetic wave measurement apparatus according to claim 1, wherein the terahertz wave and the second pulse laser beam are incident on the first main surface and are emitted from the second main surface.

前記被測定物を透過または反射した前記テラヘルツ波が、前記第１主面に最初に到達する時刻をｔ０、前記テラヘルツ波が前記第１主面から前記光学素子へ入射し前記第２主面で反射して再び前記第１主面に到達する時刻をｔ１、及び前記第２のパルスレーザ光が前記第１主面に最初に到達する時刻をｔ２としたとき、
ｔ０＜ｔ２＜ｔ１
なる関係を満足する
請求項２項記載の電磁波測定装置。 The time when the terahertz wave transmitted or reflected by the object to be measured first reaches the first principal surface is t0, and the terahertz wave is incident on the optical element from the first principal surface, and is incident on the second principal surface. When the time when the light reaches the first main surface after reflection is t1, and the time when the second pulse laser beam first reaches the first main surface is t2,
t0 <t2 <t1
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 2, wherein the relationship is satisfied.

テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定装置であって、
パルスレーザ光源と、
前記パルスレーザ光源より放射されるパルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐部と、
前記第１分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光を光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１の光遅延素子と、
前記第１分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を分岐する第２分岐部と、
前記第２分岐部により分岐された一方のパルスレーザ光が入射することによりテラヘルツ波を発生し、当該テラヘルツ波を前記被測定物の表面に入射させるテラヘルツ波発生素子と、
前記第２分岐部により分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させ、当該光遅延した第２のパルスレーザ光を前記被測定物の裏面に照射させる第２の光遅延素子と、
前記被測定物の表面で反射したテラヘルツ波と前記第１のパルスレーザ光が入射することによりこれらを同一光路にて出射させる光学素子と、
前記光学素子から出射したパルスレーザ光及びテラヘルツ波を受光する受光素子とを備える
電磁波測定装置。 An electromagnetic wave measuring apparatus for measuring characteristics of an object to be measured by irradiation with terahertz waves,
A pulsed laser light source;
A first branching section for branching the pulsed laser light emitted from the pulsed laser light source in two directions;
A first optical delay element for generating a first pulsed laser beam by optically delaying one of the pulsed laser beams branched by the first branching unit;
A second branching unit that branches the other pulsed laser beam branched by the first branching unit;
A terahertz wave generating element that generates a terahertz wave when one pulsed laser beam branched by the second branching unit is incident, and causes the terahertz wave to be incident on the surface of the object to be measured;
A second optical delay element that optically delays the other pulsed laser beam branched by the second branching unit, and irradiates the back surface of the object to be measured with the optically delayed second pulsed laser beam;
An optical element that emits the terahertz wave reflected from the surface of the object to be measured and the first pulsed laser beam through the same optical path by being incident;
An electromagnetic wave measuring apparatus comprising: a light receiving element that receives a pulse laser beam and a terahertz wave emitted from the optical element.

前記テラヘルツ波発生素子で発生した前記テラヘルツ波が、前記被測定物の表面に入射し前記被測定物の裏面に到達する時刻をｔ１、及び、前記第２のパルスレーザ光が前記被測定物の裏面に最初に到達する時刻をｔ２としたとき、
ｔ２＜ｔ１
なる関係を満足する
請求項４項記載の電磁波測定装置。 The time when the terahertz wave generated by the terahertz wave generating element is incident on the surface of the object to be measured and reaches the back surface of the object to be measured is t1, and the second pulse laser beam is When the time to reach the back side first is t2,
t2 <t1
The electromagnetic wave measuring apparatus according to claim 4, wherein the relation:

テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定方法であって、
パルスレーザ光を放射するレーザ光放射ステップと、
前記レーザ光放射ステップにて放射された前記パルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐ステップと、
前記第１分岐ステップにて分岐された一方のパルスレーザ光を、光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１光遅延ステップと、
前記第１分岐ステップにて分岐された他方のパルスレーザ光である第２のパルスレーザ光または当該第２のパルスレーザ光の一部である第３のパルスレーザ光を、テラヘルツ波発生素子に入射させることによりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、
前記テラヘルツ波発生ステップにて発生したテラヘルツ波を、前記被測定物に照射するテラヘルツ波照射ステップと、
前記テラヘルツ波照射ステップにて前記被測定物から反射または前記被測定物を透過したテラヘルツ波を半導体基板からなる光学素子の第１主面に入射させるテラヘルツ波入射ステップと、
前記テラヘルツ波入射ステップにて前記光学素子に入射した前記テラヘルツ波が前記第１主面に最初に到達した後、かつ、前記第１主面より前記光学素子に入射した前記テラヘルツ波の一部が前記半導体基板の裏面である第２主面で反射して再び前記第１主面に到達する前に、前記第２のパルスレーザ光の一部である第４のパルスレーザ光を前記第１主面に入射させるレーザ光入射ステップと、
前記テラヘルツ波入射ステップにて前記第１主面へ入射したテラヘルツ波のうち前記第２主面を通過して前記光学素子の外部へ出射するテラヘルツ波と、前記第２主面にて反射した前記第１のパルスレーザ光と、前記レーザ光入射ステップにて前記第１主面へ入射した前記第４のパルスレーザ光のうち前記第２主面を通過して前記光学素子の外部へ出射するパルスレーザ光とを受光する受光ステップとを含む
電磁波測定方法。 An electromagnetic wave measurement method for measuring characteristics of an object to be measured by irradiation with terahertz waves,
A laser light emitting step for emitting pulsed laser light;
A first branching step for branching the pulsed laser light emitted in the laser light emitting step in two directions;
A first optical delay step of generating a first pulsed laser beam by optically delaying one of the pulsed laser beams branched in the first branching step;
The second pulse laser beam that is the other pulse laser beam branched in the first branch step or the third pulse laser beam that is a part of the second pulse laser beam is incident on the terahertz wave generating element. A terahertz wave generation step for generating a terahertz wave by
A terahertz wave irradiation step for irradiating the object to be measured with the terahertz wave generated in the terahertz wave generation step;
A terahertz wave incident step in which a terahertz wave reflected from the measured object or transmitted through the measured object in the terahertz wave irradiation step is incident on a first main surface of an optical element formed of a semiconductor substrate;
After the terahertz wave incident on the optical element in the terahertz wave incident step first reaches the first main surface, a part of the terahertz wave incident on the optical element from the first main surface is The fourth pulse laser beam, which is a part of the second pulse laser beam, is reflected by the second main surface, which is the back surface of the semiconductor substrate, and reaches the first main surface again. A laser beam incident step for entering the surface;
Of the terahertz wave incident on the first main surface in the terahertz wave incident step, the terahertz wave that passes through the second main surface and is emitted to the outside of the optical element, and the reflected on the second main surface Of the first pulse laser beam and the fourth pulse laser beam incident on the first main surface in the laser beam incident step, a pulse that passes through the second main surface and is emitted to the outside of the optical element An electromagnetic wave measuring method including a light receiving step for receiving laser light.

前記第１分岐ステップの後、かつ、前記テラヘルツ波発生ステップの前に、
前記第２のパルスレーザ光を２方向に分岐することにより、当該分岐された一方のパルスレーザ光である前記第３のパルスレーザ光を発生させる第２分岐ステップと、
前記第２分岐ステップの後、かつ、前記レーザ光入射ステップの前に、
前記第２分岐ステップにて分岐された他方のパルスレーザ光を光遅延させることにより前記第４のパルスレーザ光を発生させる第２光遅延ステップとを含む
請求項６記載の電磁波測定方法。 After the first branching step and before the terahertz wave generation step,
A second branching step of branching the second pulse laser light in two directions to generate the third pulse laser light that is one of the branched pulse laser lights;
After the second branching step and before the laser beam incident step,
The electromagnetic wave measurement method according to claim 6, further comprising: a second optical delay step of generating the fourth pulse laser beam by optically delaying the other pulse laser beam branched in the second branch step.

前記テラヘルツ波発生ステップでは、前記第２のパルスレーザ光を、前記テラヘルツ波発生素子に入射させることによりテラヘルツ波を発生させ、
前記第４のパルスレーザ光は、前記テラヘルツ波発生素子に入射した前記第２のパルスレーザ光の一部が前記テラヘルツ波発生素子を透過したレーザ光である
請求項６記載の電磁波測定方法。 In the terahertz wave generation step, the second pulse laser light is incident on the terahertz wave generation element to generate a terahertz wave,
The electromagnetic wave measurement method according to claim 6, wherein the fourth pulse laser light is laser light in which a part of the second pulse laser light incident on the terahertz wave generation element is transmitted through the terahertz wave generation element.

テラヘルツ波の照射により被測定物の特性を測定する電磁波測定方法であって、
パルスレーザ光を放射するレーザ光放射ステップと、
前記レーザ光放射ステップにて放射された前記パルスレーザ光を２方向に分岐する第１分岐ステップと、
前記第１分岐ステップにて分岐された一方のパルスレーザ光を、光遅延させることにより第１のパルスレーザ光を発生させる第１光遅延ステップと、
前記第１分岐ステップにて分岐された他方のパルスレーザ光を２方向に分岐する第２分岐ステップと、
前記第２分岐ステップにて分岐された一方のパルスレーザ光を、光遅延させることにより第２のパルスレーザ光を発生させる第２光遅延ステップと、
前記第２分岐ステップにて分岐された他方のパルスレーザ光を、テラヘルツ波発生素子に入射させることによりテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生ステップと、
前記テラヘルツ波発生ステップにて発生したテラヘルツ波を、前記被測定物の表面に照射させるテラヘルツ波照射ステップと、
前記テラヘルツ波照射ステップにて前記被測定物に照射した前記テラヘルツ波が前記表面から入射して前記被測定物の裏面に到達する前に、前記第２のパルスレーザ光を前記裏面に照射させる裏面レーザ光入射ステップと、
前記テラヘルツ波照射ステップにて照射した前記テラヘルツ波により前記表面で反射したテラヘルツ波と、前記第１のパルスレーザ光とを光学素子に入射させるレーザ光入射ステップと、
前記レーザ光入射ステップにて前記光学素子に入射した前記テラヘルツ波及び前記第１のパルスレーザ光のうち前記光学素子の外部へ出射するテラヘルツ波及びパルスレーザ光を受光素子にて受光する受光ステップとを含む
電磁波測定方法。 An electromagnetic wave measurement method for measuring characteristics of an object to be measured by irradiation with terahertz waves,
A laser light emitting step for emitting pulsed laser light;
A first branching step for branching the pulsed laser light emitted in the laser light emitting step in two directions;
A first optical delay step of generating a first pulsed laser beam by optically delaying one of the pulsed laser beams branched in the first branching step;
A second branching step for branching the other pulsed laser beam branched in the first branching step in two directions;
A second optical delay step of generating a second pulsed laser beam by optically delaying one of the pulsed laser beams branched in the second branching step;
A terahertz wave generating step of generating a terahertz wave by causing the other pulse laser beam branched in the second branching step to enter a terahertz wave generating element;
A terahertz wave irradiation step for irradiating the surface of the object to be measured with the terahertz wave generated in the terahertz wave generation step;
The back surface for irradiating the back surface with the second pulse laser beam before the terahertz wave irradiated on the object to be measured in the terahertz wave irradiation step enters the surface and reaches the back surface of the object to be measured. A laser beam incident step;
A laser light incident step for causing the terahertz wave reflected at the surface by the terahertz wave irradiated in the terahertz wave irradiation step and the first pulsed laser light to enter an optical element;
A light receiving step of receiving, by a light receiving element, the terahertz wave and the pulse laser light emitted to the outside of the optical element among the terahertz wave and the first pulse laser light incident on the optical element in the laser light incident step; An electromagnetic wave measuring method.