JP2010223586A - テラヘルツ分光測定装置およびテラヘルツ分光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプルの異方性に対して正確な測定を行うことができ電極の絶縁破壊を防止できるテラへルツ分光測定装置の提供。
【解決手段】発光素子用電極72は、先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極721A,721Bと、電位付与電極721A,721Bの間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに電位付与電極721A,721Bで付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極722A,722B,723A,723Bとを有する。一対の電位付与電極721A,721Bの間に電圧を印加して最も大きな電位差を電極間に付与すると、電位付与電極721Aの先端縁から電位付与電極721Bに外側に膨らんだ湾曲線状の電気力線Ｆｏが生じるが、中間電位電極722A,722B,723A,723Bに電圧を印加することで、湾曲線状の電気力線Ｆｏが直線状の電気力線Ｆとなり、受光素子２０で受光するテラヘルツ光の精度を正確にできる。
【選択図】図３

Description

本発明は、テラヘルツ光を用いたテラヘルツ分光測定装置及びこの装置を用いたテラヘルツ分光測定方法に関する。

近年、テラヘルツ周波数領域（０．１ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）の光をサンプルに照射して、サンプルを透過した透過光又はサンプルから反射した反射光を検出するテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：ＴＨｚ−ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）が注目されている。
このテラヘルツ時間領域分光法は、テラヘルツパルス分光計測装置を用い、テラヘルツ光の電場強度を測定し、その時系列データをフーリエ変換処理することにより、テラヘルツ光の振幅強度や位相等の周波数依存性を得ることができ、サンプルを挿入した時と何も挿入しない時のテラヘルツ光の電場強度を比較することにより、サンプルの複素屈折率や吸収スペクトルを知ることができる。

このようなテラヘルツ分光測定装置には、レーザー光を照射してテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発光器と、このテラヘルツ波発光器で発光されたテラヘルツ波を受光するテラヘルツ波受光器とを備え、これらの発光素子と受光素子とは、それぞれ対向配置された一対の電極を有する構造の従来例(特許文献１)や、テラヘルツ波を放射する放射アンテナと、テラヘルツ波を受光する受信アンテナと、これらのアンテナの間の光路中に配置された偏光子及び検光子とを備えた従来例（特許文献２）がある。

さらに、テラヘルツ光受光素子として、半導体基板にそれぞれ先端部が互いに対向するダイポールアンテナを２組形成し、これらのダイポールアンテナから出力される出力信号から直線偏光の向きが異なっても検出することができる従来例(特許文献３)や、テラヘルツ波を受光する光伝導アンテナとして、基板の上に３個以上の電極を形成し、電流測定する電極の組を選択制御して任意の偏波方向の電磁波形状の検出を行う従来例（特許文献４）がある。

また、テラヘルツ波を放射するために、直線状のアンテナ部を互いにスペースをあけて配置した一対の第１アンテナ電極と、これらのアンテナ部に直交する直線状のアンテナ部を前記スペースを挟んで互いに対向配置した第２アンテナ電極とを備え、これらのアンテナ電極に印加する電圧を制御することで、任意の偏光面を有するテラヘルツ波を発生させることができる従来例（特許文献５）がある。

ＷＯ００/０７９２４８号公報 特開２００３−１４６２０号公報 特開２００６−１７０８２２号公報 特開２００７−７８６６６号公報 特開２００６−９８２９４号公報

特許文献１の従来例では、テラヘルツ波発生素子の一対の電極で発生した直線偏光をテラヘルツ波受光素子の一対の電極で受光する構成であり、これらの発光素子と受光素子との間に配置されたサンプルが異方性材料である場合には直線偏光が楕円偏光に変換されるため、受光素子では十分に受光できない。これは、受光素子上の電極が、一組しかなく、その方向の直線偏光しか受光できないためである。
特許文献２の従来例では、特許文献１と同様の課題を有する他、偏光子や検光子等の光学素子が必要であり、これらの光学素子の波長特性が測定に影響する。

特許文献３や特許文献４で示される従来例では、テラヘルツ波を発光する素子は特許文献１と同じ一対の電極を有するものであり、一方向の直線偏光のみ発生させる構成であり、測定物に異なる方向の直線偏光を照射することができない。
その上、特許文献３や特許文献４で示される従来例では、偏光の向きが異なっても受光することができるが、その具体的な解析方法が示されていない。特に、受信光が楕円偏光の場合には、その軸方向や楕円率を求める方法が示されていないため、これらの従来例では、正確な測定を行うことができない。

さらに、特許文献５で示される従来例では、異なる方向の直線偏光のテラヘルツ波を発生させるために第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極とに択一的に電圧を印加することになる。例えば、直線偏光のテラヘルツ波を発生させるためには、互いに対向する一対の第１アンテナ電極に電圧を印加し、一対の第２アンテナ電極には電圧を印加しない。この状態では、第１のアンテナ電極の一方の先端縁と他方の先端縁との間に生じる電気力線は外側に膨らんだ湾曲線状となるため、直線偏光のテラヘルツ波の向きが変わってしまい測定精度に影響する。しかも、第１のアンテナ電極と第２のアンテナ電極とに択一的に電圧を印加することで、電極間の隙間で絶縁破壊が起きる恐れもある。
従来、測定物の異方性を光学的に測定する手段として、エリプソメーターが知られている。エリプソメーターには、種々の方式があるが、その１つに、測定物に異なる方向の直線偏光を照射し、透過または反射した光の楕円軸方向と楕円率を測定し、測定物の異方性を解析する方式がある。本発明は、このエリプソメーターの機能をテラヘルツ領域で発揮できる装置を与えるものである。

本発明の目的は、サンプルの異方性に対して正確な測定を行うことができるとともに電極の絶縁破壊を防止できるテラへルツ分光測定装置及びテラへルツ分光測定方法を提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本適用例にかかるテラへルツ分光測定装置は、テラヘルツ光を発光する発光素子と、前記テラヘルツ光を受光して検出信号を検出する受光素子と、前記発光素子と前記受光素子との光路上に配置されるサンプルを保持するサンプル保持部とを含み構成されるテラヘルツ分光装置であって、前記発光素子は６以上の複数の発光素子用電極を備え、これらの発光素子用電極は、先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極と、これらの電位付与電極の間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに前記電位付与電極で付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極とを有し、前記受光素子は互いに直交する２組の受光素子用電極を備え、これらの受光素子用電極は、各電極先端部が集光点に向いて配置されていることを特徴とする。

この構成の本適用例では、発光素子の複数の発光素子用電極の先端側の領域にレーザー光を照射してテラヘルツ光を発生させ、このテラヘルツ光をサンプルに透過又は反射させて受光素子の集光点に入光させる。受光素子では、テラヘルツ光を、互いに直交する第一組電極と第二組電極との間の集光点で受光し、この受光素子の第一組電極から出力される出力信号と第二組電極から出力される出力信号とに基づいてサンプルを測定する。
本適用例では、発光素子で直線偏光のテラヘルツ光を発光させるために複数の発光素子用電極に電圧を印加する。一対の電位付与電極の間に電圧を印加して最も大きな電位差を電極間に付与すると、電位付与電極の一方の先端縁で発生した外側に膨らんだ湾曲線状の電気力線が生じるが、本適用例では、中間電位電極にも電圧を印加するので、湾曲線状の電気力線を中間電位電極で生じる電場により直線状とすることができ、これにより、測定精度を正確にできる。しかも、電位付与電極と中間電位電極とは同時に電圧が印加されるので、電極間の隙間で絶縁破壊が起きることを防止できる。さらに、受光素子では、２対の受光素子用電極を備えているから、サンプルを透過又は反射したテラヘルツ光を、直線偏光、楕円偏光等、偏光の向きにかかわらず受光することができるので、サンプルの異方性にかかわらず正確な測定を行うことができる。

［適用例２］
本適用例にかかるテラへルツ分光測定装置は、前記一対の電位付与電極の先端部同士の中間位置が発光点とされ、この発光点を中心として前記発光素子用電極が点対称に配置されることを特徴とする。
この構成の本適用例では、発光点を中心に複数の発光素子用電極が点対称に配置されているので、湾曲線状の電気力線に中間電位電極から等間隔に中間電位を付与することができ、電気力線を湾曲線状から直線状に容易に変えることができる。従って、テラヘルツ光を精度の高い直線偏光とすることができる。

［適用例３］
本適用例にかかるテラへルツ分光測定装置は、前記受光素子用電極は第一組電極と第二組電極とを備え、これらの第一組電極から出力される出力信号と第二組電極から出力される出力信号との位相差と振幅とからテラヘルツ光の偏光状態を解析する解析装置とを備えたことを特徴とする。
この構成の本適用例では、受光素子の第一組電極から出力される出力信号と第二組電極から出力される出力信号とを解析装置に入力し、この解析装置では、第一組電極と第二組電極とから出力される出力信号の位相差と振幅とに基づいて楕円率及び主軸の方向を求め、サンプルを測定する。例えば、第一組電極と第二組電極とから出力される出力信号の位相差がない場合は受光素子で受光するテラヘルツ光は直線偏光であり、振幅の比から偏光方向がわかる。これに対して、第一組電極と第二組電極とから出力される出力信号の位相差がある場合は受光素子で受光するテラヘルツ光は楕円偏光であり、位相差と振幅の比から楕円の主軸方向と楕円率がわかる。さらに、本来、直線偏光として検出されるべきものが楕円偏光として検出されると、サンプルが光学活性（旋光性）を持つことがわかる。

［適用例４］
本適用例にかかるテラへルツ分光測定方法は、先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極と、これらの電位付与電極の間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに前記電位付与電極で付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極とを含む６以上の複数の発光素子用電極を備えた発光素子で発光したテラヘルツ光をサンプルに透過又は反射し、この透過又は反射したテラヘルツ光を、互いに直交する第一組電極と第二組電極とを含む受光素子用電極を備えた受光素子で受光し、この受光素子の第一組電極から出力される出力信号と前記第二組電極から出力される出力信号との位相差と振幅とからサンプルの光学特性を求めることを特徴とする。
この構成の本適用例では、第一組電極と第二組電極とから出力される出力信号の位相差と振幅とに基づいて楕円率及び主軸の方向を求めることで、サンプルの偏光特性にかかわらず正確な測定を行えるテラヘルツ分光測定方法を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかるテラヘルツ分光装置の概略構成図。 （Ａ）は発光素子の概略図、（Ｂ）は受光素子の概略図。 発光素子用電極の概略を示す平面図。 （Ａ）はテラヘルツ光の時間波形図、（Ｂ）はテラヘルツ光の周波数振幅スペクトル図。 （Ａ）はテラヘルツ光の偏光状態を示すグラフ、（Ｂ）はテラヘルツ光のパルス波形を示すグラフ。 （Ａ）はテラヘルツ光の偏光状態を示すグラフ、（Ｂ）はテラヘルツ光のパルス波形を示すグラフ。 （Ａ）はテラヘルツ光の偏光状態を示すグラフ、（Ｂ）はテラヘルツ光のパルス波形を示すグラフ。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるテラヘルツ分光測定装置の構成図を示している。
図１に示される通り、本実施形態のテラヘルツ分光測定装置１は、所定周期でパルスを発生するレーザー発信機としてのパルス光源１００と、このパルス光源１００から発生するパルス波を励起光とプローブ光とに分離するためのビームスプリッタ３１と、この励起光を導くための励起光学系３０と、励起光学系３０によって導かれた励起光に基づいてテラヘルツ光路３２を発生させるための発光素子１０と、発光素子１０により発生したテラヘルツ光をサンプル保持部Ｓの近傍に集光する第一集光光学部１３と、サンプル保持部Ｓに収納されたサンプルを透過して発散したテラヘルツ光を受光素子２０に集光する第二集光光学部２３と、プローブ光を導くためのプローブ光学系３３と、プローブ光学系３３によって導かれたプローブ光とサンプルを透過したテラヘルツ光とを受光することによりテラヘルツ光検出信号を出力する受光素子２０と、受光素子２０からの検出信号を処理する分光処理部６０とを備える。
ここで、パルス光源１００としては、例えば、フェムト秒パルスレーザーなどのパルスレーザー装置を用いることができる。

図２（Ａ）は、発光素子１０の概略構成が示され、図２（Ｂ）は受光素子２０の概略構成が示されている。
図２（Ａ）において、発光素子１０は光スイッチ素子１１を備えており、この光スイッチ素子１１は、ＧａＡｓなど高速応答する半導体の基板７３と、この半導体の基板７３上に形成された低温成長ＧａＡｓなどの光伝導薄膜７４とから形成されている。
光伝導薄膜７４上には、発光素子用電極７２が形成されており、この発光素子用電極７２は、電極先端部を構成し微小ダイポールアンテナからなる単一の光スイッチ部７０と、この光スイッチ部７０に連続して形成された電極基部７１とを有する。光スイッチ部７０は平面矩形状とされ、この光スイッチ部７０よりも電極基部７１の幅が大きい。

本実施形態では、発光素子用電極７２は６個形成されており、これらの発光素子用電極７２は、光スイッチ７０の先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂと、これらの電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂの間の発光点Ｐに向けて光スイッチ７０がそれぞれ配置される４個の中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂとを有する。
一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂの先端部同士の中間位置が発光点Ｐとされ、この発光点Ｐを中心として６個の発光素子用電極７２が点対称に配置される。

光スイッチ素子１１の中央には、例えば、数μｍ程度の微小なギャップがあり、ギャップには直流バイアス電源７５Ａによって、適当なバイアス電圧が一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂに印加されている。さらに、直流バイアス電源７５Ｂによって、直流バイアス電源７５Ａより低いバイアス電圧が中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂに印加されている。
電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂと中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂとの付与電位は適宜設定されるものであるが、例えば、一方の電位付与電極７２１Ａが付与する電位が＋１．０ＸＶ、他方の電位付与電極７２１Ｂが付与する電位が−１．０ＸＶであるとすると、中間電位電極７２２Ａが付与する電位は＋０．３ＸＶであり、中間電位電極７２３Ａが付与する電位が−０．３ＸＶであり、中間電位電極７２２Ｂが付与する電位が−０．３ＸＶであり、中間電位電極７２３Ｂが付与する電位が＋０．３ＸＶである。

そのため、図３に示される通り、一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂのみに電圧を印加すると、一方の電位付与電極７２１Ａから他方の電位付与電極７２１Ｂに向けて外側に膨らむ電気力線Ｆｏが生じるが、中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂに電圧を印加すると、中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂによって生じる電場により、電気力線Ｆｏが直線状の電気力線Ｆとなる。
このような光スイッチ素子１１において、半導体のバンドギャップよりも高いエネルギーを有するレーザーパルス光がギャップ間に光パルスとして入射すると、半導体中に自由キャリアが生成されて、パルス状の電流が流れ、このパルス状の電流によってテラヘルツ光がパルス状に発生する。

図２（Ｂ）に示される通り、受光素子２０は、光スイッチ素子２１を備え、この光スイッチ素子２１は、ＧａＡｓなど高速応答する半導体の基板７３と、この半導体の基板７３上に形成された低温成長ＧａＡｓなどの光伝導薄膜７４とから形成されている。
光伝導薄膜７４上には、受光素子用電極７６が設けられており、この受光素子用電極７６は電極先端部分を構成し微小ダイポールアンテナからなる単一の光スイッチ部７７と、この光スイッチ部７７に連続して形成された電極基部７８とを有する。

受光素子用電極７６は、互いに直交配置される第一組電極７６Ａと第二組電極７６Ｂとを備えている。つまり、第一組電極７６Ａはｘ方向に沿って配置され、第二組電極７６Ｂはｙ方向に沿って配置されている。これらの第一組電極７６Ａから出力される出力信号と第二組電極７６Ｂから出力される出力信号とは分光処理部６０に送られる。
互いに対向する第一組電極７６Ａの光スイッチ部７７の間の中心と、互いに対向する第二組電極７６Ｂの光スイッチ部７７の間の中心とは集光点Ｑで一致する。
この光スイッチ素子２１は、光スイッチ部７７に入射レンズ２２を介してテラヘルツ光が集束されるのと同時に、プローブ光パルスがギャップを励起する。この励起によりキャリアを生成すると、その瞬間に光スイッチ素子２１に到達したテラヘルツ光の振幅に比例した電流が流れる。そして、この電流は電流信号として分光処理部６０に供給される。

光スイッチ素子１１により発生したテラヘルツ光は、サンプルの近傍に集光する第一集光光学部１３により進行方向が変えられる。
そして、テラヘルツ光路３２には、分光測定の被測定物としてガスや液体が収容または流通されるセルまたは被測定物流路などを有するサンプル保持部Ｓが配置されており、第一集光光学部１３からのテラヘルツ光がサンプル保持部Ｓの近傍に集光され、透過するようになっている。
ここで、出射レンズ１２や入射レンズ２２は、テラヘルツ光を透過する透光性材料から形成されるものであり、例えば、水晶、サファイヤ、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコン、ゲルマニューム、フッ素樹脂、ダイアモンド、透光性セラミック等から構成されている。

プローブ光学系３３は、可変光遅延器５０を備えている。この可変光遅延器５０は、プローブ光の励起光に対するタイミング差を調整・設定するためのものである。可変光遅延器５０は、可動反射鏡５１及び光遅延制御装置５２を備えている。
光遅延制御装置５２は、可動反射鏡５１の位置を駆動制御するためのものである。可動反射鏡５１の位置を駆動制御することによって、プローブ光の光路長の設定・変更を制御し、もって、励起光とプローブ光の照射タイミング差（テラヘルツ光の発生・検出タイミング差）の設定・変更を制御する。

分光処理部６０は、電流／電圧変換器６１、スペクトル分析装置６２及び解析装置６３を備えている。
電流／電圧変換器６１は、光スイッチ素子２１から供給された電流信号を電圧信号に変換するためのものである。
スペクトル分析装置６２は、電流／電圧変換器６１で変換された電圧信号の周波数毎の強度分布を求めることで、電圧信号の周波数分析を行うためのものである。
スペクトル分析装置６２は、入力電圧信号の周波数成分を直接分析し、横軸を周波数、縦軸をレベルとし、入力電圧信号の各周波数成分の相対的な大きさ、すなわち、入力電圧信号の振幅スペクトルをグラフとして表示する。

解析装置６３は、スペクトル分析装置６２にて得られた振幅スペクトルに基づき、テラヘルツ光学系３２に配置されているサンプルの分光特性を求めるためのものである。解析装置６３は、パーソナルコンピュータ等からなり、スペクトル分析装置６２で得られた振幅スペクトラムのデータに基づき、サンプルのテラヘルツ光分光特性を得るために必要な演算処理を行い、サンプルのテラヘルツ光分光特性を得る。そして、解析装置６３は、受光素子用電極７６の互いに対向する第一組電極７６Ａから出力される出力信号と第二組電極７６Ｂから出力される出力信号との位相差と振幅とからテラヘルツ光の偏光状態を解析する。

以上の構成を有するテラヘルツ分光測定装置１による分光測定の原理について、以下、具体的に説明する。
可変光遅延器５０によってプローブ光の光路長を変化させると、光スイッチ素子２１に検出対象として入射するテラヘルツ光の入射タイミングに対するプローブ光の検出タイミングが変化する。
例えば、周波数１ＴＨｚのテラヘルツ光の周期は１ｐｓであるが、これは光路長に換算すると０．３ｍｍに相当する。したがって、例えば可動反射鏡５１を固定反射鏡５４から１．５ｍｍ離れる方向に移動させた場合を考えると、プローブ光の光路長は往復分で３ｍｍ増加し、プローブ光の照射タイミングには１０ｐｓの遅延時間が加えられる。

ここで、この遅延時間は、周波数に換算すると、ステップ周波数ｆｓｔｅｐ （ＴＨｚ）＝（光速）／往復光路長＝３ｍｍ）＝１／１０ｐｓ＝０．１（ＴＨｚ）と与えられる。
そこで、比較例として、この０〜３ｍｍの移動範囲で可動反射鏡５１を往路分のみ１回だけ移動させ、各移動位置（各遅延時間）において順次テラヘルツ光成分の計測を行う時間ドメイン計測を行うことを考える。

この場合には、図４（Ａ）のテラヘルツ光の時間波形図に示すような、測定時間のフルスケール（横軸）が１０ｐｓのテラヘルツ光の時間波形が得られる。

この時間波形に対し０．１ｐｓ／ｓｔｅｐごとにデータが得られている（すなわち、総計１００個のデータ点がある）とし、かかるデータに対し高速フーリエ変換（ＦＦＴ）計算を行うと、フルスケールがデータ間隔０．１ｐｓ／ｓｔｅｐに対応する１０ＴＨｚである周波数スペクトルが求められる。
図４（Ｂ）は、テラヘルツ光の周波数振幅のスペクトル図を示している。図４（Ｂ）は、当該１０ＴＨｚのフルスケールのうちの０〜２ＴＨｚの範囲の周波数スペクトル（横軸：周波数、縦軸：各周波数成分の振幅）である。ここで、このスペクトルにおける各ＦＦＴ計算点のステップ間隔（＝ステップ周波数ｆｓｔｅｐ ）は、上記した図４（Ａ）の時間波形のフルスケール１０ｐｓに対応する０．１ＴＨｚである。

一方、本実施形態によるテラヘルツ分光測定装置１においては、可変光遅延器５０において、プローブ光の光路長を一定の周波数・周期によって往復振動させて計測を行う。すなわち、可変光遅延器５０のうち位置が固定されている固定反射鏡５４に対し、可動反射鏡５１を光遅延制御装置５２によって光軸と平行に往復振動するように駆動制御する。このような可動反射鏡５１の振動については、上述したように、その位置振動の振幅（最大位置変化）を、測定されるテラヘルツ光の時間波形のフルスケールに対応させればよい。例えば、振動の位置振幅を、テラヘルツ光パルスの時間波形を充分に含む測定時間軸のフルスケールに対応するように設定する。

本実施形態では、受光素子２０の第一組電極７６Ａから出力される出力信号と第二組電極７６Ｂから出力される出力信号との位相差と振幅とから受光信号を解析する。受信信号を解析する手順を図５から図７に基づいて説明する。図５から図７において、（Ａ）はテラヘルツ光の偏光状態を示すグラフであり、（Ｂ）はテラヘルツ光のパルス波形を示すグラフである。
図５は、受光するテラヘルツ光が直線偏光の場合を示す。
ｘ方向の第一組電極７６Ａで受信したテラヘルツ光のパルス波形をＴｘ、ｙ方向の第二組電極７６Ｂで受信したパルス波形をＴｙとする。Ｔｘをフーリエ変換して得られた複素振幅の絶対値をＲｘ、位相をΘｘとする。同様にＴｙをフーリエ変換して得られた複素振幅の絶対値をＲｙ、位相をΘｙとする。位相差をΔΘとすると、ΔΘ＝Θｘ−Θｙである。
図５で示される通り、受光するテラヘルツ光が直線偏光である場合には位相差ΔΘは０である。ΔΘ＝０の時、受光したテラヘルツ光の偏光方向Ψは、ＲｘとＲｙの比で決まり、下記式（１）で計算できる。

図６は、受光するテラヘルツ光がΔΘ＝±π/２の楕円偏光の場合を示す。
ΔΘ＝±π/２の時、受光素子１２で受光したテラヘルツ光は、図６（Ａ）に示される通り、座標軸方向に楕円軸を向けた楕円偏光である。図６（Ｂ）に示される通り、第一組電極７６Ａで受信したテラヘルツ光のパルス波形Ｔｘと第二組電極７６Ｂで受信したパルス波形Ｔｙとは位相差ΔΘと振幅の比とが異なる。短軸と長軸の比から求められる楕円率は、ＲｘとＲｙの比と等しくなる。右回りの偏光か左回りの偏光かは、位相差の符号によって判断できる。

図７は、受光するテラヘルツ光の位相差ΔΘが０でも、±π/２でもない楕円偏光の場合を示す。
受光素子１２で受光したテラヘルツ光は、図７（Ａ）に示される通り、座標軸とは交差する軸方向に楕円軸を向けた楕円偏光である。図７（Ｂ）に示される通り、第一組電極７６Ａで受信したテラヘルツ光のパルス波形Ｔｘと第二組電極７６Ｂで受信したパルス波形Ｔｙとは位相差ΔΘと振幅の比とが異なる。長軸の方向φや楕円の振幅a,ｂは、Ｒｘ，Ｒｙ、ΔΘから下記式（２）〜（４）によって求められる。

図５から図７で示されるグラフは解析装置６３で作成される。このグラフを元にして、サンプルを透過して受光素子２０で受光されたテラヘルツ光の偏光状態を解析する。発光素子１０で発生したテラヘルツ光は直線偏光であるため、サンプルを透過した後、直線偏光が回転して楕円偏光として受光素子２０で受光されると、サンプルは光学活性をもつ物質であることがわかる。光学活性をもつ物質としては、水晶等の偏曲面を有する材料や、不斉な分子（糖等）の溶液、偏極したスピンをもつ気体原子・分子である。さらに、サンプルが円偏光二色性をもつか否かの検出も可能である。直線偏光は同じ振幅をもつ左円偏光と右円偏光の和と見なすことができるため、発光素子１０で発光される直線偏光が円偏光二色性をもつサンプルを通過すると、その直線偏光を構成していた左円偏光と右円偏光に振幅の差が生じるため楕円偏光に変化する。これを受光素子２０で検出する。

従って、本実施形態では次の作用効果を奏することができる。
（１）発光素子１０は６個の発光素子用電極７２を備え、これらの発光素子用電極７２は、先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂと、これらの電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂの間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂで付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂとを有する。一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂの間に電圧を印加して最も大きな電位差を電極間に付与すると、電位付与電極７２１Ａの先端縁から電位付与電極７２１Ｂに外側に膨らんだ湾曲線状の電気力線Ｆｏが生じるが、中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂに電圧を印加することで、湾曲線状の電気力線Ｆｏが直線状の電気力線Ｆとなり、受光素子２０で受光するテラヘルツ光の精度を正確にすることができる。その結果、受光素子２０での測定精度の向上を図ることができる。その上、６個の発光素子用電極７２に全て同時に電圧が印加されるので、電極間の隙間で絶縁破壊が起きることを防止できる。

（２）受光素子２０は互いに直交するとともに各光スイッチ部７７が集光点Ｑに向いて配置されている２組の受光素子用電極７６を有するから、サンプルを透過したテラヘルツ光を、直線偏光、楕円偏光等、偏光の向きにかかわらず受光することができるので、サンプルにかかわらず正確な測定を行うことができる。

（３）一対の電位付与電極７２１Ａ，７２１Ｂのそれぞれ電極先端部を構成する光スイッチ部７０の間の中間位置を発光点Ｐとし、この発光点Ｐを中心として全ての発光素子用電極７２を点対称に配置したから、湾曲線状の電気力線Ｆoに４個の中間電位電極７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂから等間隔に中間電位を付与することができ、電気力線を湾曲線状から直線状に容易に変えることができる。

（４）受光素子用電極７６はｘ方向に沿って配置された第一組電極７６Ａと、ｙ方向に沿って配置された第二組電極７６Ｂとを備えている。第一組電極７６Ａから出力される出力信号と第二組電極７６Ｂから出力される出力信号との位相差と振幅比とからテラヘルツ光の偏光状態を解析装置６３で解析する構成とした。解析装置６３では、第一組電極７６Ａと第二組電極７６Ｂとから出力される出力信号の位相差と振幅の比とに基づいて楕円率及び主軸の方向を求める。これにより、サンプルを透過したテラヘルツ光が直線偏光であるか、あるいは、楕円偏光であるか、さらには、楕円の主軸方向と楕円率とから、サンプルが水晶等の光学活性を持つものであるか否か、さらには、円偏光二色性をもつものであるか否かがわかる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、サンプル保持部Ｓに発光素子１０で発光したテラヘルツ光を透過して受光素子２０で受光させる構成としたが、本発明では、サンプルにテラヘルツ光を反射させ、この反射光を受光素子２０で受光させる構成としてもよい。
また、前記実施形態では、発光素子用電極７２の数を６個としたが、本発明では、６個以上の複数であれば、その個数は限定されない。ただし、左右に等しく電気力線を形成するために、８以上の偶数個であることが好ましい。

本発明は、テラヘルツ光を用いて気体、液体、固体の測定に利用することができる。

１…テラヘルツ分光測定装置、１０…発光素子、２０…受光素子、６３…解析装置、７０…光スイッチ部（電極先端部）、７２…発光素子用電極、７２１Ａ，７２１Ｂ…電位付与電極、７２２Ａ，７２２Ｂ，７２３Ａ，７２３Ｂ…中間電位電極、７６…受光素子用電極、７６Ａ…第一組電極、７６Ｂ…第二組電極、７７…光スイッチ部（電極先端部）、Ｐ…発光点、Ｑ…集光点、Ｓ…サンプル保持部

Claims (4)

1. テラヘルツ光を発光する発光素子と、前記テラヘルツ光を受光して検出信号を検出する受光素子と、前記発光素子と前記受光素子との光路上に配置されるサンプルを保持するサンプル保持部とを含み構成されるテラヘルツ分光装置であって、
   前記発光素子は６以上の複数の発光素子用電極を備え、これらの発光素子用電極は、先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極と、これらの電位付与電極の間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに前記電位付与電極で付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極とを有し、
   前記受光素子は互いに直交する２組の受光素子用電極を備え、これらの受光素子用電極は、各電極先端部が集光点に向いて配置されている
   ことを特徴とするテラへルツ分光測定装置。
2. 請求項１に記載されたテラヘルツ分光測定装置において、
   前記一対の電位付与電極の先端部同士の中間位置が発光点とされ、この発光点を中心として前記発光素子用電極が点対称に配置される
   ことを特徴とするテラヘルツ分光測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載されたテラヘルツ分光測定装置において、
   前記受光素子用電極は第一組電極と第二組電極とを備え、これらの第一組電極から出力される出力信号と第二組電極から出力される出力信号との位相差と振幅とからテラヘルツ光の偏光状態を解析する解析装置とを備えた
   ことを特徴とするテラヘルツ分光測定装置。
4. 先端側が互いに対向配置される一対の電位付与電極と、これらの電位付与電極の間の位置に向けて先端がそれぞれ配置されるとともに前記電位付与電極で付与する電位より低い中間電位を付与する中間電位電極とを含む６以上の複数の発光素子用電極を備えた発光素子で発光したテラヘルツ光をサンプルに透過又は反射し、この透過又は反射したテラヘルツ光を、互いに直交する第一組電極と第二組電極とを含む受光素子用電極を備えた受光素子で受光し、この受光素子の第一組電極から出力される出力信号と前記第二組電極から出力される出力信号との位相差と振幅とからサンプルの光学特性を求める
   ことを特徴とするテラヘルツ分光測定方法。
   

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