JP2016109687A - 測定装置、及びそれを用いた測定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 テラヘルツ波を用いて被検体の画像を取得する測定装置において、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】 被検体8を透過又は被検体で反射したテラヘルツ波パルス6を測定する測定装置100であって、パルス光46が伝搬することによりテラヘルツ波パルスを発生する電気光学結晶43を有する導波路48と、電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスが伝搬する伝搬部45と、伝搬部を伝搬した後に被検体に照射され、被検体を透過又は被検体で反射したテラヘルツ波パルスの平均出力を検出する検出部9と、を有し、パルス光の中心波長における電気光学結晶の屈折率は、電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスの中心波長における電気光学結晶の屈折率より低い。【選択図】 図1
Description
本発明は、テラヘルツ波を用いた測定装置、及びそれを用いた測定方法に関する。
近年、30GHz以上30THz以下の周波数領域の電磁波(以下、「テラヘルツ波」と呼ぶ)を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。テラヘルツ波の応用分野として、非破壊・非侵襲なイメージングを行う技術、物質内部の吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術等が開発されている。また、キヤリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術等がある。
テラヘルツ波を用いた測定装置としては、テラヘルツ波を矩形状ビームに整形して被検体に照射し、焦電検出器又はショットキーバリアダイオード、共鳴トンネルダイオード等をアレイ化した検出器で検出する構成が、特許文献1に開示されている。被検体に照射するテラヘルツ波は、量子カスケードレーザ又は共鳴トンネルダイオード、非線形結晶等を発生器として用いており、振幅変化が10−11秒以上の時間でしか起こらないか若しくは時間的に一定である。このようなテラヘルツ波をアレイ化した検出器で検出することにより、被検体の画像を取得している。このような測定装置は、テラヘルツ波時間領域分光法(THz−TDS:Terahertz time−domain spectroscopy)を用いて時間波形を測定する方法よりも、測定時間を短縮でき、また装置構成を小型化できる。
しかし、特許文献1で開示されているような測定装置を用いた検査において、より高速な測定を行い、被検体の画像を取得するためには、S/N比をさらに向上することが求められる。
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、テラヘルツ波を用いて被検体の画像を取得する測定装置において、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる測定装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての測定装置は、被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスを測定する測定装置であって、パルス光が伝搬することによりテラヘルツ波パルスを発生する電気光学結晶を有する導波路と、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスが伝搬する伝搬部と、前記伝搬部を伝搬した後に前記被検体に照射され、前記被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスの平均出力を検出する検出部と、を有し、前記パルス光の中心波長における前記電気光学結晶の屈折率は、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスの中心波長における前記電気光学結晶の屈折率より低いことを特徴とする。
テラヘルツ波を用いて被検体の画像を取得する測定装置において、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる測定装置を提供できる。
(第1の実施形態)
本実施形態の測定装置100(以下、「装置100」と呼ぶ)の構成について、図1を参照して説明する。図1は、装置100の構成を説明する模式図である。装置100は、光源1、ファイバ2、発生部3、レンズ5、検出部9、アンプ10、制御部11、処理部12を有する。発生部3は、導波路48を有するテラヘルツ波発生素子4(以下、「素子4」と呼ぶ)と、伝搬部45と、それらを保持する匡体13と、を有する。
本実施形態の測定装置100(以下、「装置100」と呼ぶ)の構成について、図1を参照して説明する。図1は、装置100の構成を説明する模式図である。装置100は、光源1、ファイバ2、発生部3、レンズ5、検出部9、アンプ10、制御部11、処理部12を有する。発生部3は、導波路48を有するテラヘルツ波発生素子4(以下、「素子4」と呼ぶ)と、伝搬部45と、それらを保持する匡体13と、を有する。
本実施形態では、装置100を用いてベルトコンベア7上に配置されている被検体8の情報を取得する。光源1から出力された超短パルスレーザ46(以下、「レーザ46」と呼ぶ)は、ファイバ2を伝搬して発生部3に入射することによりテラヘルツ波パルス6(以下、「テラヘルツ波6」と呼ぶ)が発生する。テラヘルツ波6は、パルス波である。発生したテラヘルツ波6は、レンズ5で整形されて被検体8に照射される。その後、被検体8を透過したテラヘルツ波6は、検出部9で検出される構成となっている。本実施形態は、パルス波であるテラヘルツ波6の平均出力を検出する構成とすることにより、連続的に出力されるテラヘルツ波の連続波を検出する場合よりも、画像としてのS/N比を向上できる。これは、のちに述べるように広帯域テラヘルツ波とすることで、コヒーレンシーが低下し、干渉ノイズを減らすことができるからである。
制御部11は、各構成の制御を行うと共に、アンプ10を介して検出部9の検出結果としての電気信号を取得する。処理部12は、制御部11が取得した電気信号を処理して被検体8の情報を取得し、取得した情報を不図示の記憶部や表示部に出力する。各構成について、詳細に説明する。
光源1は、テラヘルツ波6を発生するためのパルス光としてのレーザ46を出力する装置である。特に、光源1は、フェムト秒レーザを出力する。ここで、「超短パルスレーザ」とは、パルス幅がフェムト秒オーダのパルス光であり、特に、パルス幅が10fs以上100fs以下のパルス光を「フェムト秒レーザ」と呼ぶ。ここでは、レーザ46として、中心波長1.55μm、パルス幅30fs、繰り返し周波数80MHzのフェムト秒レーザを用いる。なお、光源1が出力するレーザ46の波長は、例えば、1.06μm帯などでもよく、レーザ46の波長、パルス幅、繰り返し周波数は上述の値に限らない。
光源1から出力されたレーザ46は、ファイバ2を伝搬して素子4の導波路48に入射する。レーザ46の出力段のファイバ2は、最終段の高次ソリトン圧縮のための高非線形ファイバを含んでもよい。または、レーザ46の出力段のファイバ2は、レーザ46が発生部3に至るまでの伝搬経路に配置されている光学素子等による分散を補償するためのプリチャープを行う分散ファイバや分散体(Si結晶等)を含んでもよい。ファイバ2は、偏波保持ファイバであることが望ましい。さらに、ファイバ2又は光源1は、インライン型の光アイソレータを備えてもよい。
なお、ファイバ2と導波路48との結合効率を上げるために、ファイバ2として、先端にセルフォック(登録商標)レンズを集積化させたファイバ、又は、先端を加工したピッグテール型のファイバ等を用いることが望ましい。これにより、レーザ46の出力が後述する導波路48の開口数(NA)以下になるように構成することが望ましい。また、光源1が出力したレーザ46は、ファイバを通さず不図示のレンズを用いて素子4に空間結合にしてもよい。これらの場合にはそれぞれの端部に無反射コーティングすることで、フレネルロスの低減及び不要な干渉ノイズの低減を実現できる。
もしくは、ファイバ2のNAと導波路48のNA、及び、ファイバ2のモードフィールド径と導波路48のモードフィールド径とが、それぞれ近くなるように設計して、突き当てによる直接結合(バットカップリング)が行われるように接着してもよい。その場合は、接着剤を適切に選ぶことで反射による悪影響を低減できる。
なお、ファイバ2が偏波保持できないファイバ部分を含む場合、インライン型の偏波コントローラで素子4への入射光の偏波を安定化させることが望ましい。ただし、光源1としてファイバレーザを用いず、光源1が出力したレーザ46が空間を伝搬して発生部3に入射する場合には偏波の安定化などの問題は軽減される。
発生部3は、テラヘルツ波6を発生する。発生部3は、匡体13の内部に素子4と伝搬部45とが配置されている。素子4の導波路48は、電気光学結晶43(以下、「結晶43」と呼ぶ)を含む。結晶43は、レーザ46が伝搬することにより2次の非線形現象を用いてレーザ46をテラヘルツ波6に変換する。発生したテラヘルツ波6は電気光学的チェレンコフ放射(以下、「チェレンコフ放射」と呼ぶ)によって放射され、伝搬部45を伝搬して射出され、レンズ5で集光されて被検体8に照射される。なお、本明細書の「電気光学結晶」は、2次の非線形性を持つものであり、2次の非線形性を持つ非線形光学結晶と等価である。
ここで、チェレンコフ放射について図8を参照して説明する。図8は、チェレンコフ放射を説明する模式図である。チェレンコフ放射は、励起源であるレーザ46の結晶43における伝搬群速度が、発生するテラヘルツ波6の結晶43における伝播位相速度よりも速い場合に、衝撃波のようにテラヘルツ波6が円錐状に放出される現象である。これを換言すると、レーザ46における結晶43の屈折率が、テラヘルツ波6における結晶43の屈折率より低い場合に、チェレンコフ放射が起こる。
チェレンコフ放射を利用する手法では、非線形光学効果により結晶43から連続的に発生するテラヘルツ波6は、位相整合条件を満たす角度で結晶43から放射される。位相整合条件を満たす角度、すなわち、レーザ46とテラヘルツ波6とがなす角(チェレンコフ角)θcは、媒質(ここでは結晶43)におけるレーザ46の群屈折率と媒質におけるテラヘルツ波6の屈折率との比で決まる。チェレンコフ角θcは、媒質におけるレーザ46の群速度をvg、媒質におけるレーザ46の群屈折率をng、媒質におけるテラヘルツ波6の位相速度をvTHz、媒質におけるテラヘルツ波6の屈折率をnTHzとすると、(1)式で表される。
チェレンコフ放射を用いた二次の非線形現象によるテラヘルツ波の発生は、結晶43を用いたものとしては比較的高効率にレーザ46をテラヘルツ波6に変換できるため、高強度のテラヘルツ波6を発生できる。また、電気光学結晶特有のフォノン共鳴によるテラヘルツ波領域の吸収を高周波数に選ぶことにより、テラヘルツ波6の周波数帯域を広くすることができる。また、光整流を用いるテラヘルツ波パルスの発生によればパルス幅の狭いテラヘルツ波を得ることができる。すなわち、本実施形態の発生部3によれば、広帯域で高強度、且つパルス幅の狭いテラヘルツ波を得ることが可能となる。素子4及び伝搬部45の構成の詳細は後述する。
レンズ5は、テラヘルツ波6を整形して被検体8に照射する。具体的には、レンズ5は、発生部3から任意の方向に放射されたテラヘルツ波6を集光するシリンドリカルレンズである。レンズ5に入射したテラヘルツ波6は、ベルトコンベア7の幅方向に広がりを持つ帯状に整形されて被検体8に照射される。なお、後述する収差低減型の伝搬部45を用いる場合にはレンズ5は必ずしも必要ではない。
本実施形態では、テラヘルツ波6は被検体上(被検体8上)における形状が帯状で、その幅が10mmとする。ベルトコンベア7の被検体8が配置されている領域の幅が、レンズ5を通過したテラヘルツ波6の幅より広い場合は、発生部3及びレンズ5を移動して被検体8に対するテラヘルツ波6の照射位置を変更する。このようにしてスキャンすることにより、被検体8全体を測定可能にする。
検出部9は、被検体8を透過したテラヘルツ波6を検出する。具体的には、検出部9は、パルス状のテラヘルツ波6の平均出力を検出して、検出した平均出力を電気信号として出力する。「テラヘルツ波の平均出力」とは、テラヘルツ波6の時間的な平均出力のことで、発生するテラヘルツ波6のパルス幅やパルスの繰り返しの周期より十分長い時間、例えば10倍以上の時間領域に相当する時間成分におけるテラヘルツ波6のエネルギーを指す。これは、時間的に変動するテラヘルツ波6の強度信号を含む波形の周波数成分のうち、発生するテラヘルツ波6のパルス幅やパルスの繰り返しの周期より十分長い時間でテラヘルツ波6の強度信号の時間的な変動を取得できる周波数帯における強度信号である。
平均出力について、図7を参照してより詳細に説明する。図7は、平均出力を説明する模式図である。図7には、実時間波形aを点線で示し、平均出力波形bを実線で示した。実時間波形aは、テラヘルツ波パルスのパルスそれぞれ検出できた場合に取得できる波形で、平均出力波形bは、検出部9でテラヘルツ波パルスの平均出力を検出した場合に取得できる波形の一例である。すなわち、実時間波形aは、テラヘルツ波パルスの出力の変動を時間で表した実際の時間波形である。この場合、その平均出力とは、実時間波形aより信号帯域の小さい、すなわち実時間波形aを時間で積分した(すなわちローパスフィルターを通した)滑らかな波形である。
本実施形態の場合は、テラヘルツ波6の繰り返し周波数が80MHzであるため、概ね0.1μsec以上の遅い時間の変動、すなわち帯域が10MHz程度以下の信号を捉える検出器を検出部9として用いることになる。検出部9がパイロセンサを含む場合は、信号検出が遅いため信号出力をそのまま使えばよい。ショットキーバリアダイオード等の半導体素子を含む検出部9を用いる場合は、出力回路で帯域を調整するためのフィルタ等を設ければよい。
検出部9は、空間分布が帯状のテラヘルツ波6を検出できるように、被検体8上におけるテラヘルツ波6の照射領域より広い領域を検出できるように構成される。本実施形態の検出部9は、帯状のテラヘルツ波6の照射領域に合わせて、ベルトコンベア7の幅方向に複数の検出素子が並んで配置されている。検出部9の検出素子としては、ショットキーバリアダイオード、及び電界効果トランジスタ(Field Effect Transistor:FET)等の半導体素子、又は、パイロセンサやボロメータ等に用いる感熱素子等を用いることができる。
なお、被検体8によってテラヘルツ波6が散乱される場合は、散乱されたテラヘルツ波6を検出するために、検出部9は2次元アレイ型の検出器を含むことが望ましい。このとき、被検体8によって後方に散乱されたテラヘルツ波6及び被検体8で反射したテラヘルツ波6を検出するために、ベルトコンベア7の発生部3側に別の検出部20を備えてもよい。また、用途に応じて検出部9の代わりに検出部20のみを有する構成にしてもよい。
制御部11は、上述したように、光源1の制御を行うと共に、検出部9の検出結果としての信号を、アンプ10を介して取得する。制御部11は、CPU、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータなどを用いることができる。
処理部12は、制御部11から検出部9の検出結果を取得し、それを用いて被検体8の画像データを取得する。処理部12は、プロセッサ、メモリ、記憶装置、入出力装置などを有するコンピュータである。これらの処理はメモリまたは記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現されるとよい。あるいは、一部の機能を論理回路などのハードウェアで代替することもできる。なお、処理部12は汎用のコンピュータで構成してもよいし、ボードコンピュータやASICのような専用のハードウェアで構成してもよい。また、制御部11と一体に構成してもよい。
処理部12は、取得した被検体8の画像データから被検体8の情報を取得する機能を有してもよい。ここで、被検体8の情報とは、被検体8を透過したテラヘルツ波6の強度分布、テラヘルツ波6の強度分布を用いて取得できる被検体8の透過率、反射率及び屈折率等の光学特性を含む。また、被検体8の画像や散乱の様子から取得できる被検体8中に異物が存在するかを判定した場合の判定結果等を含む。
ここからは、発生部3の素子4及び伝搬部45の構成について、図2(a)、図2(b)を参照して詳細に説明する。図2(a)は素子4及び伝搬部45の構成を説明する断面図、図2(b)は素子4及び伝搬部45の構成を説明する斜視図である。素子4は、基板40と、導波路48と、を有する。基板40上には、レーザ46を全反射して内部を伝搬させる導波路48が設けられている。導波路48は、接着層41と、下部クラッド層42と、コア層としての結晶43と、上部クラッド層44と、を有する。なお、本明細書では、結晶43から見て伝搬部45側を上部、結晶43の基板40側を下部とする。
結晶43は、レーザ46が結晶43の端面から入射して伝搬することにより、テラヘルツ波6を発生する。発生したテラヘルツ波6は、チェレンコフ放射によって円錐状に放射され、伝搬部45を伝搬して外部に取り出される。なお、図2では結晶43から放射されるテラヘルツ波6を直線で記載しているが、実際は、導波路48から伝搬部45に入射する際に屈折する。
基板40は、LiNbOx(LN)を含むYカット基板であり、レーザ46の伝搬方向にLN結晶のX軸、伝搬と直交する方向をZ軸としている。そのような構成にすることによって、Z軸と平行な電界成分をもつ偏波のレーザ46を入射させれば2次非線形現象であるチェレンコフ放射によるテラヘルツ波発生を効率良く起こすことができる。
結晶43は、テラヘルツ波6を発生させる電気光学結晶で、LN結晶を含むMgOドープLN結晶層である。電気光学結晶の種類はこれに限定されるものではなく、LiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaAs等を適用できる。結晶43の厚さは、外部に放射されるテラヘルツ波6のうち最も周波数が高いテラヘルツ波の結晶54における等価波長の2分の1以下であることが望ましい。
結晶43は、x軸が光46の伝搬方向と対応し、y軸が基板40と垂直な方向に対応するように構成されている。また、光46は、x軸及びy軸と直交するz軸方向の直線偏波を有する。このような構成にすることで、2次の非線形現象によるテラヘルツ波6の発生及びチェレンコフ放射の効率が向上する。すなわち、結晶43の結晶軸は、光46とテラヘルツ波6との位相整合が取れるように設定されており、光46とテラヘルツ波6との間には、波数ベクトルの位相整合条件が成り立っている。
上部クラッド層44及び下部クラッド層42は、コア層としての結晶43よりもレーザ46の中心波長における屈折率が低い層である。結晶43に入射したレーザ46は、上部クラッド層44及び下部クラッド層42によって結晶43に閉じ込められる。そのため、光46は、導波路48の外部に射出することなく結晶43を伝搬する。
本実施形態では、基板40と下部クラッド層42とを接着するための接着層41を有しているが、結晶43としてのMgOドープ層とLN結晶層とを接着剤で貼り合わせ、その接着剤が下部クラッド層として機能する構成でもよい。なお、接着層41は貼り合わせ法で作製した場合に必要であって、基板40の一部に拡散などでドープ層を形成して導波路48を作成する場合には必ずしも必要ではない。なお、導波路48の構成はこれに限らず、例えば、接着剤の代わりに、結晶43よりも低屈折率な他の部材を結晶43に貼り付けることで、結晶43の周囲にクラッド層を設けても良い。あるいは、接着層41と下部クラッド層42とが一体となったものでもよい。
上部クラッド層44には、結晶43としてのLN結晶より屈折率が低いSiOx、SiNx等の誘導体層、又はPETのような樹脂の薄膜等が好適に用いられる。導波路48の上には発生したテラヘルツ波が伝搬する伝搬部45が備えられている。上部クラッド層44は、この伝搬部45を固定するための接着剤を兼ねていてもよい。
また、上部クラッド層44の厚さは、クラッド層として機能するのに十分厚く、且つ、伝搬部45からテラヘルツ波を外部に取り出す際に多重反射や損失の影響が無視できる程度に薄いことが望ましい。具体的には、結晶43を伝搬する光46の一部が上部クラッド層44に染み出した場合、上部クラッド層44と伝搬部45との界面における光強度が結晶43における光強度の1/e2以下となることが望ましい。また、外部に取り出したい周波数のテラヘルツ波のうち最も周波数が高いテラヘルツ波の上部クラッド層44における等価波長の1/10程度の厚さ以下に設定することが望ましい。一般的に、構造体の厚さが電磁波の波長の1/10以下程度であれば、その電磁波に対して、反射、散乱、屈折等の影響が無視できるとみなされるからである。ただし、前記望ましい厚さの範囲外でも、本実施形態のテラヘルツ波発生素子からのテラヘルツ波発生は可能である。
導波路48は、Ti拡散により結晶43を高屈折率化して周囲の領域49と屈折率差を設ける方法、又は、エッチング等により結晶43をリッジ形状に形成してSiOx膜や樹脂等で周囲を保護する方法等で形成したリッジ導波路である。リッジ導波路は、結晶43の横方向にもクラッド層が設けられている導波路である。結晶43の横方向の幅は、発生するテラヘルツ波6の波長より小さく、また、コア層(結晶43)の厚みの1/2以上10倍以下であることが望ましい。具体的には、結晶43の横方向の幅は、1μm以上数10μm以下程度となる。なお、本実施形態のように結晶43の周囲にそれぞれ異なるクラッド層を設けるのではなく、上下及び左右のクラッド層を一体の構成としても良い。また、導波路48は、レーザ46の閉じ込めを強くするために横方向にも導波構造を形成しているが、結晶43が横方向に均一に広がり、閉じ込め領域のないスラブ導波路にしてもよい(不図示)。
本実施形態の導波路48は、結晶43を厚さ3.8μm、幅4μm、下部クラッド層42及び上部クラッド層44それぞれを厚さ1μmを典型的に用いるが、この値に限られるものではない。
コア層である結晶43のZ軸に平行な偏光であるレーザ46を結晶43のX軸に沿ってレーザ46を伝搬させると、Opt.Express,vol.17,pp.6676−6681(2009)に記載の原理及び超短パルス光源を用いた光整流の原理によりテラヘルツ波が発生し、伝搬部45を介してテラヘルツ波6を空間に取り出せる。レーザ46の中心波長における結晶43の屈折率とテラヘルツ波6の中心波長における結晶43の屈折率との屈折率差で決まるチェレンコフ角θcは、(1)式より約65度である。すなわち、結晶43で発生したテラヘルツ波6は、レーザ46の伝搬方向に対して約65度の方向に放射される。放射されたテラヘルツ波6は、伝搬部45と導波路48との界面で屈折して伝搬部45に入射する。
伝搬部45は、テラヘルツ波6が伝搬するプリズムである。伝搬部45の材料としては、導波路48と伝搬部45との界面でテラヘルツ波6が全反射せずに伝搬部45内に進行波として取り出すことができ、且つ、テラヘルツ波6の損失が少ないものが用いられる。例えば、高抵抗Si等が好適である。伝搬部45として高抵抗Siを材料とするプリズムを用いた場合、テラヘルツ波6と基板40表面とがなす角θclad(図2(a)参照)の大きさは約49度である。
本実施形態の導波路48はリッジ形状であるため、テラヘルツ波6は、レーザ46の伝搬方向と直交する断面で見ると、テラヘルツ波6は発散光となっている。一方、レーザ46の伝搬方向に平行な方向には、テラヘルツ波6はほとんど発散しないようなパターンとなっている。そこで、伝搬部45は、図2(b)に示すように、円錐の一部をカットしたような形状にすることにより、一方向にのみ集光機能を有するように構成している。
本実施形態では、伝搬部45を伝搬したテラヘルツ波6は、図2(a)に示したように伝搬部45の表面に略垂直に入射して伝搬部45の外部に取り出される構成となっている。この場合、界面でのフレネルロスは最小となるが、取り出したテラヘルツ光の収差は大きく、円形ビームとすることが難しい。一方、図2(c)に示したように、伝搬部45から射出したテラヘルツ波6の伝搬方向が、伝搬部45の表面で屈折してレーザ46の伝搬方向と略平行となるように伝搬部45を構成にした場合は、フレネルロスは増大するがテラヘルツ波の収差が小さくなる。
以上、素子4と伝搬部45の構成について説明した。なお、ここでは、結晶43としてLN結晶を用いたが、その他の電気光学結晶としてLiTaOx、NbTaOx、KTP、DAST、ZnTe、GaSe、GaAsなどを用いることができる。LN結晶はテラヘルツ波6の中心波長における屈折率とレーザ46の中心波長における屈折率とに差があるため、ノンコリニアで発生するテラヘルツ波6を取り出すことができる。しかし、他の結晶では必ずしも屈折率の差が大きくないため、テラヘルツ波6の取り出しが難しい場合がある。その場合、素子4内に導波路を形成して素子4と伝搬部45とが近接する構成にして、結晶43よりも屈折率が大きい材料の伝搬部45(たとえばSi等)を用いる。このような構成にすれば、チェレンコフ放射の条件を満たし、テラヘルツ波6を外部に取り出すことができる。
装置100は、導波路48を含む素子4を用いて発生したパルス状のテラヘルツ波6を被検体8に照射し、被検体8を透過したテラヘルツ波6を検出部9で検出する構成となっている。テラヘルツ波6は、パルス波であるため、量子カスケードレーザ等のような連続的に出力されるテラヘルツ波の連続波を用いて測定を行う場合と比較して、モアレ等の干渉ノイズの影響が低減される。そのため、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる測定装置を提供できる。また、テラヘルツ波6が被検体8を透過又は被検体8で反射した後に、モアレ等の縞を抑圧する技術を用いなくても高精度な測定が可能となり、容易にテラヘルツ波領域で被検体8の画像を取得できる。
また、発生部3は、チェレンコフ放射を用いてテラヘルツ波6を放射する構成のため、上述したように広帯域で高強度、且つ短パルスなテラヘルツ波を測定に利用できる。従来の典型的なテラヘルツ波パルス発生素子である光伝導素子では、平均出力が100nW程度のテラヘルツ波しか得られなかったため、検出部9のような検出器で検出することは容易でなかった。しかし、本実施形形態のようなチェレンコフ放射を利用したリッジ導波路を含む発生部3を用いれば、平均出力が10μW以上のテラヘルツ波を出力できるため、検出部9での検出が可能となる。また、発生部3は、従来の光伝導素子よりも、広帯域且つパルス幅が狭いテラヘルツ波を得られるため、測定精度の向上が期待できる。また、従来の光伝導素子と比較すると、変換効率が高いことも発生部3の特徴である。
発生部3は、超短パルスレーザ46が入射してテラヘルツ波6を発生するため、テラヘルツ波6はパルス波である。テラヘルツ波パルスを用いた測定装置としては、テラヘルツ波時間領域分光法(THz−TDS:Terahertz time−domain spectroscopy)を用いて時間波形を測定するTHz−TDS装置がある。
THz−TDS装置は、テラヘルツ波6を発生させるための超短パルスレーザを、発生用レーザと検出用レーザとの2つに分け、発生用レーザと検出用レーザとの時間差を制御してサンプリング測定を行うため装置構成が複雑である。また、装置間又は測定時期による測定結果のばらつき、フーリエ変換の手法によるスペクトルの変動等が発生することがある。本実施形態の装置100は、時間波形の取得を行わず、パルス状のテラヘルツ波6の時間的な平均出力を検出する構成である。よって装置100は、分光情報を得られるものではないが、一般的なTHz−TDS装置と比較して装置構成が簡単になる。
なお、被検体8の透過性が低く、S/N比が所望の値より低い場合は、超短パルスレーザのパワーの変調、又は、チョッパー等を用いた発生部3におけるテラヘルツ波6の出力の変調等によって、制御部11で同期検波を行ってS/N比を向上することができる。あるいは、ベルトコンベア7で被検体8が移動しているときは、その速度と同期した信号を取得するように同期検波してもよい。
以上、本実施形態の装置100によればS/N比を向上してより高速に測定を行うことができる。
装置100は、被検体8として、例えば、ベルトコンベア7上に配置されて移動する食品、医薬品、部品、流通物などを用いれば、被検体8の内部に内在する異物、欠陥、特定の化学物質などの有無を検査する検査装置として使用できる。被検体8として食品を用いる場合は、粉物又は葉物を原材料とする調味料等を検査して、被検体8に混入している髪の毛、プラスティック片及び虫などの異物を検査し、スクリーニングする装置として利用できる。このような異物では通常のX線検査機等を用いて十分に除去することは容易ではなく、テラヘルツ波を用いた検査装置としてより食の安全に寄与できる。
(第2の実施形態)
本実施形態の測定装置300(以下、「装置300」と呼ぶ)について図3を参照して説明する。図3は、装置300の構成を説明する模式図である。装置300は、被検体31の分光情報を測定するものである。装置300は、光源1、ファイバ2、発生部3、レンズ30、32、フィルタ33、検出部34、カプラ10、制御部11、及び処理部12を有する。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の測定装置300(以下、「装置300」と呼ぶ)について図3を参照して説明する。図3は、装置300の構成を説明する模式図である。装置300は、被検体31の分光情報を測定するものである。装置300は、光源1、ファイバ2、発生部3、レンズ30、32、フィルタ33、検出部34、カプラ10、制御部11、及び処理部12を有する。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
装置300では、発生部3で発生したテラヘルツ波パルス36(以下、「テラヘルツ波36」と呼ぶ)は、レンズ30によって集光されて被検体31に照射される。被検体31を透過したテラヘルツ波36は、レンズ32で平行光になり、フィルタ33を通って検出部34に入射する。なお、テラヘルツ波36のビーム形状の整形には、レンズ30、32の代わりに放物面鏡等を用いてもよい。
フィルタ33は、所定の波長帯域のテラヘルツ波を透過する光学フィルタである。フィルタ33としては、被検体31のスペクトルにおいて特徴的なピークが現れる波長帯域など、関心の強い波長帯域を選択することができ、例えば1つの周波数に対するバンドパスフィルタとすることができる。または、異なる複数の波長のバンドパスフィルタを並べて、各波長のテラヘルツ波の強度を検出するものでもよい。さらには、フィルタ33として、透過する波長帯域及び透過する波長帯域の幅を変更可能な波長可変フィルタを用いることもできる。フィルタ33の具体例としては、金属メッシュ構造を有するもの及び樹脂に粒子を散在させて構成されたもの等がある。
本実施形態の発生部3で発生したテラヘルツ波36について、横軸が周波数の強度スペクトルを図4に示した。本実施形態のテラヘルツ波36は、約0.1THz以上7THz以下の周波数を含む広帯域なものである。テラヘルツ波36の周波数範囲の低周波側は、テラヘルツイメージング光学系のビーム伝搬径で概ね制限される。本実施形態では、平行伝搬部で2インチΦとなる構成としているので、波長の20倍まで回折の影響を大きく受けないとすると、波長2.5mmすなわち0.12THzまでは信号取得ができる。一方、高周波側は、使用する電気光学結晶のフォノン吸収の周波数で決まる。本実施形態で用いたLN結晶では、7THzに吸収があるため、7THzが周波数範囲の上限となる。したがって、フィルタ33を通ったテラヘルツ波36を検出部34で検出すれば、フィルタ33で設定した波長領域の分光情報を得ることができる。
検出部34は、被検体31及びフィルタ33を通過したテラヘルツ波36を検出する。検出部34は、単一素子でもよいし、第1の実施形態のように複数の検出素子がアレイ状に並べて被検体31の画像を測定するものでもよい。その場合、空間的に異なる透過波長帯域を、持つフィルタ33を並べた場合には、検出部34は、フィルタ33の透過波長帯域に相当するテラヘルツ波36を検出することになる。そのため、同時に複数の異なる波長それぞれについて測定を行うことが可能となり、その結果、分光情報を取得できる。
たとえば、被検体31に含まれる構成成分Aの吸収スペクトルにおいて、1THzの位置に吸収ピークがある場合は、1THzのテラヘルツ波を透過するフィルタとそれと異なる波長のテラヘルツ波を透過するフィルタとを並べる。各フィルタを透過したテラヘルツ波36を検出部34で検出すれば、構成成分Aの含有情報を容易に取得できる。検出部34が2次元アレイであれば、実施形態1と同様に被検体31の散乱光を捉えて、異物検査を伴って分光情報を得ることができる。
ここでは、静止した被検体の分光情報を得る構成を説明したが、実施形態1のようにベルトコンベア等で動いている被検体に適用できることはもちろんである。また、本実施形態では、被検体31を透過したテラヘルツ波36を検出して分光情報を得る方式を説明したが、実施形態1と同様に被検体31で反射した又は後方に散乱したテラヘルツ波36を検出するための検出部(不図示)を配置して検出を行ってもよい。特に、フィルタ33を透過したテラヘルツ波36は、フィルタ33による減衰と被検体31等による散乱及び吸収による減衰とが発生している。そのため、これらの減衰による影響を補正して分光情報の精度を向上させるために、被検体31で反射した又は後方に散乱したテラヘルツ波36の検出結果を用いることが有効である。
装置300は、素子4を用いて発生したパルス波であるテラヘルツ波36を被検体31に照射し、被検体31を透過したテラヘルツ波36を検出部34で検出する構成となっている。テラヘルツ波36は、パルス波であるため、量子カスケードレーザ等のような連続的に出力されるテラヘルツ波の連続波を用いて測定を行う場合と比較して、モアレ等の干渉ノイズの影響が低減される。そのため、装置300によれば、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる。また、テラヘルツ波36が被検体31を透過又は被検体8で反射した後に、モアレ等の縞を抑圧する技術を用いなくても高精度な測定が可能となり、容易にテラヘルツ波領域で被検体8の画像を取得できる。
また、装置300は、広帯域で高強度、且つ短パルスなテラヘルツ波36を照射するため、フィルタ33を用いるだけで被検体31の分光情報を取得できる。そのため、THz−TDS装置よりも簡易な構成で被検体31の分光情報を取得できる。
(第3の実施形態)
本実施形態の測定装置500(以下、「装置500」と呼ぶ)について、図5を参照して説明する。図5は、装置500の構成を説明する模式図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の測定装置500(以下、「装置500」と呼ぶ)について、図5を参照して説明する。図5は、装置500の構成を説明する模式図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
装置500は、第2の実施形態の装置300と比較して、より高分解能で分光情報を取得するものである。装置500は、反射型のブレーズド回折格子50(以下、「回折格子50」と呼ぶ)を用いる。また、装置500は、複数の放物面鏡51を用いて、発生部3で発生したテラヘルツ波56を整形して被検体52に導き、また被検体52を透過したテラヘルツ波56を回折格子50に導く。なお、テラヘルツ波56は、パルス波(テラヘルツ波パルス)である。しかし、テラヘルツ波56を被検体52及び回折格子50に導く光学系はこれに限らず、第2の実施形態のようなレンズでもよく、必要に応じて適宜設計すればよい。
回折格子50は、テラヘルツ波56を波長毎に空間的に分散する分散素子である。回折格子50に入射したテラヘルツ波56は、波長に応じて反射角が異なる。そのため、被検体52を透過した又は被検体52で反射したテラヘルツ波56が回折格子50に入射すると、テラヘルツ波56が波長毎に空間的に分散して伝搬する。この波長毎に空間的に分散されたテラヘルツ波56を、検出部53で受信すれば、容易に分光スペクトルを取得できる。検出部53は、アレイ型のテラヘルツ波検出部で、ここでは、複数の検出素子が一列に配置されているリニアアレイ型の検出器を用いる。
ただし、発生部3のようなチェレンコフ放射を用いた発生方式によるテラヘルツ波のパルス波は、パルス波に含まれる周波数帯域が広いため、2次回折光がノイズとなる場合がある。その場合は、所定の波長帯域のテラヘルツ波56を透過するフィルタ54を用いてテラヘルツ波56を空間的あるいは時間的に分割する構成を併用するとよい。そのため、本実施形態では、フィルタ54は、複数のバンドパスフィルタを含み、テラヘルツ波56が回折格子50を通過してから検出部53に入射するまでの伝搬経路に複数のバンドパスフィルタを配置している。すなわち、フィルタ54は、異なる透過波長λ1、λ2、λ3を持つ複数のバンドパスフィルタを含み、これらの複数のバンドパスフィルタをテラヘルツ波56の伝搬方向と交差する方向に並べて配置する。それぞれ中心は、たとえば100μm、200μm、400μmである。この波長帯域はフィルタ54の消光特性や取得する波長帯域によって決定する。
本実施形態では、回折格子50として反射型のブレーズド回折格子を用いているが、これに限らず、透過型のブレーズド回折格子を用いてもよい。また、本実施形態では、被検体52を透過したテラヘルツ波56を検出して分光情報を得る方式を説明したが、実施形態1と同様に被検体52で反射した又は後方に散乱したテラヘルツ波56を検出するための検出部(不図示)を配置してもよい。また、被検体52で反射したテラヘルツ波56を検出する検出部のみを設ける構成でもよい。
装置500は、素子4を用いて発生したパルス状のテラヘルツ波56を被検体52に照射し、被検体52を透過したテラヘルツ波56を検出部53で検出する構成となっている。テラヘルツ波56は、パルス波であるため、量子カスケードレーザ等のような連続的に出力されるテラヘルツ波を用いて測定を行う場合と比較して、モアレ等の干渉ノイズの影響が低減される。そのため、装置500によれば、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる。また、テラヘルツ波56が被検体52を透過又は被検体52で反射した後に、モアレ等の縞を抑圧する技術を用いなくても高精度な測定が可能となり、容易にテラヘルツ波領域で被検体52の画像を取得できる。
また、装置500は、テラヘルツ波56は、広帯域で強い強度、且つ短パルスであるため、回折格子50を用いることによりTHz−TDS装置よりも簡易な構成で被検体52の分光情報を取得できる。THz−TDS装置は、装置間誤差、測定時期によるばらつきによって測定精度の向上が容易ではない。また、取得した時間波形をフーリエ変換してスペクトルを取得する際にスペクトルの周波数が変動することがある。これに対し、回折格子50を用いた構成では、回折格子50で反射したテラヘルツ波56と検出部53との相対位置が測定精度に影響するが、被検体52として既知のスペクトルを持つ物質を測定した結果を用いて、容易に校正できる。そのため、THz−TDS装置よりも測定精度を容易に向上できる。
(第4の実施形態)
本実施形態の測定装置600(以下、「装置600」と呼ぶ)について、図6を参照して説明する。図6は、装置600の構成を説明する模式図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
本実施形態の測定装置600(以下、「装置600」と呼ぶ)について、図6を参照して説明する。図6は、装置600の構成を説明する模式図である。なお、上述の実施形態と同様の構成については、上述の実施形態と同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
装置600は、マイケルソン干渉型の測定を行う測定装置である。装置600は、光源1、ファイバ2、発生部3、レンズ5、アンプ10、処理部12、分岐部60、参照ミラー62、検出部63、及び、制御部65を有する。検出部63は、他の実施形態の検出部を使用できる。
発生部3で発生したテラヘルツ波66は、レンズ5を通過して分岐部60に入射する。なお、テラヘルツ波66は、パルス波(テラヘルツ波パルス)である。分岐部60は、テラヘルツ波66を2つに分岐するハーフミラーである。分岐部60で分岐されたテラヘルツ波66の一方は被検体61に照射され、他方は参照ミラー62に照射され、それぞれ被検体61又は参照ミラー62で反射して検出部63に入射する。
参照ミラー62は、分岐部60と参照ミラー62との間におけるテラヘルツ波66の伝搬方向に移動可能な反射ミラーである。制御部65は、参照ミラー62の位置及び装置500のその他の各構成を制御する。また、参照ミラー62の位置毎に検出部63がテラヘルツ波66の検出結果である干渉信号を取得する。制御部65は、CPU、メモリ、記憶デバイス等を備えたコンピュータである。
参照ミラー62は、分岐部60と参照ミラー62との間におけるテラヘルツ波66の伝搬方向の位置が変化するため、検出部63は、参照ミラー62の位置に応じた2つのテラヘルツ波の干渉波を検出する。制御部65は、アンプ64を介して検出部63の検出結果としてのテラヘルツ波66の干渉信号を取得する。
検出部63で検出されるテラヘルツ波66の周波数が広帯域の場合は、干渉に係るコヒーレンス長が短くなるため、このような干渉計では短い干渉長で干渉縞が観測される。この原理を利用した光干渉断層撮影(Optical coherence tomography:OCT)技術は、近年非破壊な高分解能断層像取得技術として眼科等医療応用に活用されている。その光軸方向の奥行分解能δdは、測定に用いるテラヘルツ波66の中心波長をλ0、測定に用いるテラヘルツ波66の波長スペクトル幅をΔλとすると、コヒーレンス長の半分として(2)式で表される。
δd=[2ln(2)/π]・[λ0 2/Δλ] (2)
δd=[2ln(2)/π]・[λ0 2/Δλ] (2)
本実施形態で測定に用いるテラヘルツ波66の中心波長λ0を約200μm、波長スペクトル幅Δλを約500μmとすると、奥行分解能δdは35μm程度となる。一般にOCT装置にテラヘルツ波を用いると、テラヘルツ波は中心波長が大きいため、広帯域光源で分解能を向上し、且つ十分な速度でトモグラフィー像を得ることが難しかった。それに対し、本実施形態の装置600では、広帯域且つ出力の高いテラヘルツ波66の平均出力を検出できるため、高分解能なトモグラフィー像を取得できる。従来のTDS装置では信号強度が小さく、波形取得には遅延ステージを用いたサンプリングが必要なため、断層像取得のスピードが遅い。一方、本実施形態の場合には、高速な断層像や3次元像の取得が可能である。
また、装置600は、素子4を用いて発生したパルス状のテラヘルツ波66を被検体61に照射し、被検体61で反射したテラヘルツ波66を検出部63で検出する構成となっている。テラヘルツ波66は、パルス波であるため、量子カスケードレーザ等のような連続的に出力されるテラヘルツ波を用いて測定を行う場合と比較して、モアレ等の干渉ノイズの影響が低減される。すなわち、装置600によれば、S/N比を向上してより高速に測定を行うことができる。
上述のようなトモグラフィー装置では、テラヘルツ波がある程度物質内部に侵入することができるため、医薬品の錠剤や食品表面のコーティング膜の厚さを非破壊で検査することなどに応用できる。また、携帯機器や各種電子回路、機構部品などの内部の非破壊検査、生体組織の断層像の取得等への適用も期待できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
例えば、発生部3の素子4及び伝搬部45は、上述に記載の構成に限らない。例えば、導波路48を形成するためには、結晶43よりも屈折率が低い領域が少なくとも結晶43の上下に存在すれば良く、導波路48を形成する手法やその構成は限定しない。すなわち、接着剤を用いて屈折率の異なる部材を貼り合わせる手法に限らず、例えば、LN結晶を用いた基板40の一部に拡散等で導波路48を形成する手法等を用いても良い。
非線形効果によってテラヘルツ波を発生させることを考慮すると、結晶43の横方向(z軸方向)の幅は、小さいことが望ましい。原理的には、発生したテラヘルツ波6のパワー密度は、光46のパワー密度(光がパルスレーザの場合にはピークパワー密度)の2乗に比例するためである。
結晶43の幅が小さすぎると、レーザ46が結晶43へ入射する際の結合効率の低減や、導波損失の増加等が生じることがある。そのため、結晶43の幅は、レーザ46の中心波長の1倍以上10倍以下に設定すると良い。なお、中心波長とは、レーザ46のスペクトルのうち強度(振幅)が最大となる波長のことである。また、結晶43の幅は、入射したレーザ46が結晶43をシングルモードで伝搬し得る幅であることが望ましい。レーザ46が結晶43をマルチモードで伝搬した場合、伝搬するにつれてモード分散によってレーザ46のピーク強度が減少して、テラヘルツ波6への変換効率が低下するためである。さらに、レーザ46の出力によっては結晶43に光損傷等の現象が生じる可能性があるため、その点も考慮して結晶43の幅を決定する必要がある。
レーザ46の出力が大きいために結晶43に光損傷が起きてしまう場合には、導波路を複数個設けて、レーザ46を分割して入射させても良い。構造や材料が異なる複数個の導波路を用意し、目的に適した特性を有するテラヘルツ波6が発生するようにレーザ46を導波路に入射させることもできる。
また、複数個の導波路から発生するテラヘルツ波を干渉させて、テラヘルツ波のビーム形状やビーム方向を調整することも可能である。この場合、取り出したい方向のテラヘルツ波が干渉によって打ち消し合わないように構成する。複数個の導波路の並べ方は限定されず、z方向又はy方向に複数並べたり、非平行に並べたりしても良い。
各実施形態の測定装置は、被検体を透過したテラヘルツ波を検出する構成にしてもよいし、被検体で反射したテラヘルツ波を検出する構成にしてもよい。また、被検体を透過したテラヘルツ波と被検体で反射したテラヘルツ波をどちらも検出するように構成してもよい。
6 テラヘルツ波パルス
9 検出部
43 電気光学結晶
45 伝搬部
46 パルス光
48 導波路
9 検出部
43 電気光学結晶
45 伝搬部
46 パルス光
48 導波路
Claims (13)
- 被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスを測定する測定装置であって、
パルス光が伝搬することによりテラヘルツ波パルスを発生する電気光学結晶を有する導波路と、
前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスが伝搬する伝搬部と、
前記伝搬部を伝搬した後に前記被検体に照射され、前記被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスの平均出力を検出する検出部と、を有し、
前記パルス光の中心波長における前記電気光学結晶の屈折率は、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスの中心波長における前記電気光学結晶の屈折率より低い
ことを特徴とする測定装置。 - 前記パルス光のパルス幅は、10fs以上100fs以下である
ことを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 - 前記被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスのうち所定の波長帯域のテラヘルツ波が透過するフィルタを更に有し、
前記検出部は、前記フィルタを透過したテラヘルツ波パルスを検出する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測定装置。 - 前記被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスを波長毎に空間的に分散する分散素子を更に有し、
前記検出部は、複数の検出素子を有し、前記複数の検出素子それぞれが前記分散素子で分散されたテラヘルツ波パルスの平均出力を検出する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波パルスを第1のテラヘルツ波パルスと第2のテラヘルツ波パルスとに分岐する分岐部と、
前記第1のテラヘルツ波パルスの伝搬方向に移動可能で、前記第1のテラヘルツ波パルスを反射する反射ミラーと、を更に有し、
前記検出部は、前記反射ミラーで反射した第1のテラヘルツ波パルスと前記被検体で反射した第2のテラヘルツ波パルスとの干渉波を検出する
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記導波路は、前記電気光学結晶と、前記電気光学結晶と前記伝搬部との間に配置されている上部クラッド層と、前記電気光学結晶の前記上部クラッド層と対応する位置に配置されている下部クラッド層と、を有し、
前記パルス光に対する前記上部クラッド層及び前記下部クラッド層それぞれの屈折率は、前記パルス光に対する前記電気光学結晶の屈折率より小さい
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記導波路は、リッジ形状である
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記被検体上におけるテラヘルツ波パルスのビームの形状は、空間分布が帯状である
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記検出部は、前記被検体を反射したテラヘルツ波パルスの平均出力を電気信号として出力する
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記検出部は、ショットキーバリアダイオード又は電界効果トランジスタを含む
ことを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記検出部は、ボロメータ又はパイロセンサを含む
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の測定装置。 - 前記検出部は、複数の検出素子を有し、
前記複数の検出素子は、アレイ状に配置されている
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の測定装置。 - 被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスを測定する測定方法であって、
電気光学結晶を含む導波路にパルス光を伝搬させて前記電気光学結晶からテラヘルツ波パルスを発生する発生ステップと、
前記発生ステップで発生したテラヘルツ波パルスを前記被検体に照射し、前記被検体を透過又は前記被検体で反射したテラヘルツ波パルスの平均出力を検出する検出ステップと、を有し、
前記パルス光の中心波長における前記電気光学結晶の屈折率は、前記電気光学結晶から発生するテラヘルツ波の中心波長における前記電気光学結晶の屈折率より低いことを特徴とする測定方法。
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Cited By (9)
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