JP4978515B2 - プローブ装置及びテラヘルツ分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、おおよそ０．１×１０^１２［THz］〜１００×１０^１２［THz］帯域の電磁波（テラヘルツ波）を用いる技術に関するものである。

従来、テラヘルツ波を発生又は検出するものとして、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：Terahertz Time-Domain Spectoroscopy）がある。テラヘルツ時間領域分光法は、１００フェトム秒程度の超短パルスのテラヘルツ波を用いる等といった要因により試料のイメージングに適していることが知られており、工業、医療、バイオ、農業又はセキュリティなどの様々な技術分野において注目されている。

このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザ光源からパルス光がポンプ光及びプローブ光に分光され、ポンプ光はテラヘルツ波発生素子に集光される。これによりテラヘルツ波発生素子ではサブピコ秒程度の電流又は電気分極が生成され、当該時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、光学系を介してテラヘルツ波検出素子に集光される。このとき、テラヘルツ波検出素子にプローブ光が照射されると、キャリアが生成され、テラヘルツ波の電場によって加速されて電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出素子に到達するタイミングをずらすことによって、テラヘルツ波の振幅電場の時間波形を測定し、該時間波形をフーリエ変換することによってテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。

テラヘルツ波発生素子及びテラヘルツ波発生素子には同一の素子を用いることができるが、当該素子として、下記特許文献がある（例えば特許文献１）。この特許文献では、少なくとも一部にレンズ作用をもつ基材２２と、基材２２上に形成された光伝導膜２３と、光伝導膜２３上に形成された導電膜２４、２５とを有するテラヘルツ光素子２１が段落〔００３６〕に開示されている。

また、この特許文献では、光伝導膜２３上に、互いに分離された３つ以上の導電膜を形成して、間隔ｄの部分を複数設けることによって、複数の光スイッチ素子のアレイを形成する場合には、複数の光スイッチ素子にそれぞれ対応する複数のレンズを基材２２が形成するように、基材２２をレンズアレイ状に形成してもよいことが段落〔００４０〕に開示されている。
特開２００２−２２３０１７公報

ところで、テラヘルツ時間領域分光法では、テラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波発生素子とを、サンプルを挟んで配置する場合（いわゆる透過型）、又は、サンプルの焦点面と対向する側に配置する場合（いわゆる反射型）とがある。

ここで、特許文献１に開示されたテラヘルツ光素子２１を反射型に適用する場合、基材２２をレンズアレイ状に形成すると、テラヘルツ波発生素子として用いられるテラヘルツ光素子２１から照射されるテラヘルツ波は、サンプルの焦点面で反射し、テラヘルツ波検出素子として用いられるテラヘルツ光素子２１に入光することなく、該テラヘルツ波発生素子に戻ることになり、この結果、試料の測定ができないといった問題が生じる。

基盤２２とサンプルとの間にハーフミラー等の光学部材を設けるといった場合も考えられるが、この場合、光学部材を設ける分だけ大型化するとともに、テラヘルツ波のロスが生じる。

一方、テラヘルツ波発生素子として用いるテラヘルツ光素子２１と、テラヘルツ波検出素子として用いられるテラヘルツ光素子２１とをサンプルの焦点面に対して斜めに配置するといった場合も考えられるが、この場合、当該テラヘルツ光素子２１を同一面上に配置するといったことが困難となる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成で試料を測定し得るプローブ装置及びテラヘルツ分光装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、プローブ装置であって、テラヘルツ励起光が照射されるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波発生素子における基盤のうち、テラヘルツ励起光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ励起光の照射点の中心に対してレンズ軸がずれた状態とされる第１の集光レンズと、テラヘルツ励起光の照射側からテラヘルツ検出光が照射されるテラヘルツ波検出素子と、テラヘルツ波検出素子における基盤のうち、テラヘルツ検出光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、第１の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ方向と対向する方向へレンズ軸がずれた状態とされる第２の集光レンズとを含み、テラヘルツ発生素子およびテラヘルツ検出素子は、同一の基盤を共用しており、該基盤の同一面上に設けられた、テラヘルツ波の発生対象となる発生電極とテラヘルツ波の検出対象となる検出電極とでなり、発生電極および検出電極は、それぞれ、所定の間隔を隔てた１対の伝送線路でなる構成とする。

また本発明は、テラヘルツ分光装置であって、テラヘルツ励起光が照射されるテラヘルツ波発生素子と、テラヘルツ波発生素子における基盤のうち、テラヘルツ励起光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ励起光の照射点の中心に対してレンズ軸がずれた状態とされる第１の集光レンズと、テラヘルツ励起光の照射側からテラヘルツ検出光が照射されるテラヘルツ波検出素子と、テラヘルツ波検出素子における基盤のうち、テラヘルツ検出光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、第１の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ方向と対向する方向へレンズ軸がずれた状態とされる第２の集光レンズと、テラヘルツ波検出素子で検出された信号に基づいて試料を測定する測定部とを含み、テラヘルツ発生素子およびテラヘルツ検出素子は、同一の基盤を共用しており、該基盤の同一面上に設けられた、テラヘルツ波の発生対象となる発生電極とテラヘルツ波の検出対象となる検出電極とでなり、発生電極および検出電極は、それぞれ、所定の間隔を隔てた１対の伝送線路でなる構成とする。

本発明によれば、第１の集光レンズ及び第２の集光レンズを同一面上に配置しない場合に比べてコンパクトにすることができる。また、第１の集光レンズのレンズ軸がテラヘルツ励起光の照射点の中心に対してずれているので、該照射点から放射状に発生されるテラヘルツ波を試料の焦点面に対して斜め方向から集光することが可能となる。一方、第２の集光レンズのレンズ軸がテラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、第１の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ方向と対向する方向へずれているので、試料の焦点面で反射するテラヘルツ波をテラヘルツ検出光の照射点に集光することが可能となる。したがって第１の集光レンズ及び第２の集光レンズを同一面上に配置しても試料を測定することが可能となり、かくして簡易な構成で試料を測定し得るプローブ装置及びテラヘルツ分光装置を実現できる。
を実現できる。

以下図面について本発明の一実施の形態を詳述する。

（１）テラヘルツ分光装置の全体構成
図１において、本実施の形態によるテラヘルツ分光装置１０の全体構成を示す。このテラヘルツ分光装置１０は、超短レーザ１１、分散補償部１２、ビームスプリッタ１３、テラヘルツ波発生素子１４、時間遅延素子１５、テラヘルツ波検出素子１６及びコンピュータ１７を含む構成とされる。

超短レーザ１１は、例えば、１００［fs］程度のパルス幅、８０［MHz］程度の繰り返し周期、７８０［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短レーザ光源ＬＳは、具体例として、フェトム秒パルスレーザチタンやサファイアレーザなどを適用することができる。

分散補償部１２は、超短レーザ光源１１からのパルス光のパルス幅を、光ファイバＢＦ１、ＢＦ２のもつ屈折率の波長依存性に基づくパルス幅の広がりを逆補正する方向に調整する。

ビームスプリッタ１３は、分散補償部１２からのパルス光を、テラヘルツ波を発生するための励起パルス光（以下、これをテラヘルツ励起光とも呼ぶ）と、テラヘルツ波を検出するための検出パルス光（以下、これをテラヘルツ検出光とも呼ぶ）とに分離する。

このテラヘルツ励起光は、集光光学ユニットＯＵ１によって光ファイバＢＦ１に導かれ、該光ファイバＢＦ１を経た後に集光レンズ（図示せず）によって、プローブＰＢにおけるテラヘルツ波発生素子１４に集光される。一方、テラヘルツ検出光は、時間遅延素子１５を経た後に集光光学ユニットＯＵ２によって光ファイバＢＦ２に導かれ、該光ファイバＢＦ２を経た後に集光レンズ（図示せず）によって、プローブＰＢにおけるテラヘルツ波検出素子１６に集光される。

テラヘルツ波発生素子１４は、テラヘルツ励起光の時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波を発生する。この実施の形態におけるテラヘルツ波発生素子１４には、Ｓｉ、Ｇｅ又はＧａＡｓ等でなる基盤、該基盤上に配置される電極及びその電極にバイアス電圧を印加する印加部を含む光伝導アンテナが適用される。

時間遅延素子１５は、テラヘルツ波検出素子１６に対するテラヘルツ検出光の到達時間を遅延させる。この実施の形態における時間遅延素子１５は、一方又は双方が移動可能に配された一対の鏡１５ａ、１５ｂを有し、該一対の鏡１５ａ、１５ｂ間における光路長を可変することによって、テラヘルツ波検出素子１６に対するテラヘルツ検出光の到達時間を調節し得るようになされている。

テラヘルツ波検出素子１６は、テラヘルツ波発生素子１４で発生し、試料（測定対象又は測定基準（コントロール）とされる物体）ＳＰＬを経由して導かれるテラヘルツ波を検出する。すなわちテラヘルツ波検出素子１６は、試料ＳＰＬから導かれるテラヘルツ波に応じた電場を生じさせ、このとき時間遅延素子１５からテラヘルツ検出光が与えられると、当該テラヘルツ波の電場強度の時間波形を示す信号を生成する。この実施の形態におけるテラヘルツ波検出素子１６には、テラヘルツ波発生素子１４と同様に光伝導アンテナが適用される。

コンピュータ１７は、試料ＳＰＬとして測定対象が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第１の検出信号とも呼ぶ）と、該試料ＳＰＬとして測定基準とされる物体が配置面に配された状態でテラヘルツ波検出素子１６から入力される信号（以下、これを第２の検出信号とも呼ぶ）とを取得する。ちなみに、第２の検出信号については、コンピュータ１７内の記憶部に予め記憶させ、該記憶部から取得するようにしてもよい。

コンピュータ１７は、第１の検出信号及び第２の検出信号を取得した場合、これら双方の検出信号からテラヘルツ波の振幅情報と位相情報とを抽出し、当該抽出した振幅情報の差及び位相情報の差に基づいて試料に関する情報を取得する。

このようにコンピュータ１７は、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べた場合、Ｓ／Ｎ比が高く、また振幅情報と位相情報とを同時に得ることができるので、測定精度が高い試料に関する情報を取得し得るようになされている。

またコンピュータ１７は、一対の鏡１５ａ、１５ｂ間における光路長が所定長となるように一方又は双方の鏡１５ａ、１５ｂを移動制御する一方、試料ＳＰＬに対する高さが規定高となるようにステージＳＴを移動制御し得るようになされている。

（２）プローブの構成
次に、プローブＰＢの構成について説明する。このプローブＰＢは、図２に示すように、Ｓｉ、Ｇｅ又はＧａＡｓ等でなる１枚の基盤２１を有し、該基盤２１のうち探査対象とされる面２１Ａには、テラヘルツ波の発生対象となる電極（以下、これを発生電極とも呼ぶ）２２と、テラヘルツ波の検出対象となる電極（以下、これを検出電極とも呼ぶ）２３とが所定の間隔を隔てて設けられる。一方、探査対象とされる面２１Ａの逆側の面２１Ｂには、発生電極２２に対応する位置に非球面レンズ３１が設けれ、検出電極２３に対応する位置に半球レンズ３２が設けられる。

発生電極２２は、図３に示すように、所定の間隔を隔てた１対の平行伝送線路ＣＬ１、ＣＬ２をもつ。これら平行伝送線路ＣＬ１、ＣＬ２の中央部分は互いに近接されており、その中央部分における平行伝送線路ＣＬ１、ＣＬ２間に数［μｍ］程度の隙間ＯＰ１が形成される。この隙間ＯＰには、光ファイバＢＦ１（図１）を介してテラヘルツ励起光が照射される。

一方、検出電極２３は、発生電極２２と同一の構造でなり、１対の平行伝送線路ＣＬ３、ＣＬ４間に隙間ＯＰ２が形成される。この隙間ＯＰには、光ファイバＢＦ２（図２）を介してテラヘルツ検出光が照射される。

非球面レンズ３１（図２）は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて、底部を平面とし上部を湾曲面をもつ平凸レンズとして成形されており、発生電極２２の隙間ＯＰから放射状に発生するテラヘルツ波を焦点面に集光する。このプローブＰＢは、単一の非球面レンズ３１が用いられているので、口径の大きい鏡を用いる場合又は複数のレンズを用いる場合に比べて小型化を図りつつも、焦点面に対して収差を抑えて集光できるようになされている。

なお、このテラヘルツ発生装置１０では、非球面レンズ３１の焦点面と試料ＳＰＬにおける反射面とが同一面となるように、該焦点面に対する試料ＳＰＬの配置面の距離がコンピュータ１７によって適宜調整される。

半球レンズ３２（図２）は、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて、底部を平面とし上部を湾曲面とする平凸レンズとして形成されており、焦点面で反射したテラヘルツ波を検出電極２３の隙間ＯＰに集光する。このプローブＰＢは、単一の半球レンズ３２が用いられているので、口径の大きい鏡を用いる場合又は複数のレンズを用いる場合に比べて小型化を図りつつも、テラヘルツ波検出素子１６に対してテラヘルツ波の反射を抑えつつ集光できるようになされている。

この実施の形態の場合、図４に示すように、非球面レンズ３１は、発生電極２２における隙間ＯＰに照射されるテラヘルツ励起光の照射点ＩＰ１の中心にレンズ軸（図中の一点鎖線）が通るように配置されるのではなく、該照射点ＩＰ１の中心に対してレンズ軸ＬＡ１がずれた状態で配置される。

したがって、図４に示した光路からも明らかなように、発生電極２２における隙間ＯＰにテラヘルツ励起光が照射された場合、その照射点ＩＰ１から放射状に発生されるテラヘルツ波は、非球面レンズ３１によって焦点面（試料ＳＰＬの反射面）に対して斜め方向から集光されることとなる。

一方、半球レンズ３２は、検出電極２３における隙間ＯＰに照射されるテラヘルツ検出光の照射点ＩＰ２の中心にレンズ軸（図中の一点鎖線）が通るように配置されるのではなく、該照射点ＩＰ２の中心に対して、非球面レンズ３１におけるレンズ軸ＬＡ１のずれ方向Ｄ１と対向する方向Ｄ２へレンズ軸ＬＡ２がずれた状態で配置される。

したがって、図４に示した光路からも明らかなように、試料ＳＰＬの焦点面で反射したテラヘルツ波は、この半球レンズ３２によって検出電極２３における隙間ＯＰに集光されることとなる。

なお、テラヘルツ励起光の照射点ＩＰ１の中心に対するレンズ軸ＬＡ１のずれ量と、テラヘルツ検出光の照射点ＩＰ２の中心に対するレンズ軸ＬＡ２のずれ量とは、非球面レンズ３１及び半球レンズ３２における開口数が同じとなる場合には同等とされ、相違する場合には、当該相違量に応じて、レンズ軸ＬＡ１のずれ量又はレンズ軸ＬＡ２のずれ量の一方を基準として他方が増減される。

（３）動作及び効果
以上の構成において、このテラヘルツ分光装置１０では、基盤２１の一方の面２１Ｂに配置される非球面レンズ３１のレンズ軸ＬＡ１は、該基盤２１の他方の面２１Ａに配置された発生電極２２に照射されるテラヘルツ励起光の照射点ＩＰ１の中心に対してずれている（図２）。

一方、基盤２１の一方の面２１Ｂに配置される半球レンズ３２のレンズ軸ＬＡ２は、該基盤２１の他方の面２１Ａに配置された検出電極２３に照射されるテラヘルツ検出光の照射点ＩＰ２の中心に対して、非球面レンズ３１におけるレンズ軸ＬＡ１のずれ方向Ｄ１と対向する方向Ｄ２へずれている（図２）。

これによりこのテラヘルツ分光装置１０は、発生電極２２及び検出電極２３と、非球面レンズ３１及び半球レンズ３３とを同一面上に配置しない場合に比べてプローブＰＢをコンパクトにすることができ、またこれらを同一面上に配置しても、発生電極２２の発生領域から放射状に発生されるテラヘルツ波を、試料ＳＰＬの焦点面に対して斜め方向から集光し、該試料ＳＰＬの焦点面で反射するテラヘルツ波を、検出電極２３の検出領域に集光することで試料ＳＰＬの測定が可能となる。

またこのテラヘルツ分光装置１０では、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６における構成要素となる基盤は１枚の基盤２１として共用されている（図２）。これによりこのテラヘルツ分光装置１０は、当該素子ごとに別々の基盤を用いる場合に比べて、簡易にプローブＰＢを製造することが可能となるとともに、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６における基盤同士のずれに起因する測定精度の低下を回避できる。

またこのテラヘルツ分光装置１０では、非球面レンズ３１（半球レンズ３３）が、シリコン素材を用いて形成される。したがってこのテラヘルツ分光装置１０は、基盤２１に対して非球面レンズ３１（半球レンズ３３）の屈折率をマッチングさせることができるため、テラヘルツ波のロスを軽減することができる。

またこのテラヘルツ分光装置１０では、非球面レンズ３１（半球レンズ３３）が採用されているため、球面レンズや放射面鏡を採用する場合に比べてレンズ数やレンズの大きさを低減しながらも、収差を抑えることができる。

またこのテラヘルツ分光装置１０では、単一の非球面レンズ３１（半球レンズ３３）が採用されているため、テラヘルツ波のロスを軽減することもできる。また、一般に光学レンズには反射防止膜が付されるが、テラヘルツ波の光学レンズには、多重反射による影響を低減するために反射防止膜が付さないことがテラヘルツ分野では一般的となることから、単一のレンズを採用できるということは、テラヘルツ分野では特に有用となる。

以上の構成によれば、発生電極２２の発生中心に対してレンズ軸ＬＡ１をずらして非球面レンズ３１を配置するとともに、検出電極２３の検出中心に対して、非球面レンズ３１におけるレンズ軸ＬＡ１のずれ方向Ｄ１と対向する方向Ｄ２へレンズ軸ＬＡ２をずらして半球レンズ３３を配置するようにしたことにより、テラヘルツ波の発生系（エミッタ）と検出系（ディテクタ）とを同一面上に配置しながらもテラヘルツ波を発生及び検出することができ、この結果、コンパクトかつシンプルな構成で試料を測定し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。

（４）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、Ｓｉ、Ｇｅ又はＧａＡｓ等でなる基盤２１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ＺｎＴｅ等でなる非線形光学結晶の基盤を適用するようにしてもよい。非線形光学結晶の基盤を適用した場合、テラヘルツ波発生素子１４及びテラヘルツ波検出素子１６における発生電極２２及び検出電極２３が省略される。

ちなみにこの場合、テラヘルツ励起光及びテラヘルツ検出光の照射点は、テラヘルツ探査対象とされる面２１Ａに照射される部分であり、その中心に対して、レンズ軸ＬＡ１、ＬＡ２を相反する方向にずらして非球面レンズ３１、半球レンズ３２を基盤面２１Ｂに配置すればよい。

また上述の実施の形態においては、非球面レンズ３１及び半球レンズ３２の開口数を同一のもの（図３、図４）とした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、相違するものとしてもよい。非球面レンズと半球レンズとの開口数が相違する場合、上述のように、当該相違量に応じて、レンズ軸ＬＡ１のずれ量又はレンズ軸ＬＡ２のずれ量の一方を基準として他方を増減するようにすれば、上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。

特に、非球面レンズに比べて開口数が大きい半球レンズを用いるようにすれば、集光率が向上するので、試料ＳＰＬにおける反射面が凹凸構造をもつ場合であっても、該試料ＳＰＬを測定することが可能となる。

また上述の実施の形態においては、非球面レンズ３１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば１又は２以上の回折レンズを適用するようにしてもよい。上述のように単一のレンズであるほうが好ましいが、テラヘルツ波を集光するレンズであれば、該レンズの数や形状等は問わない。半球レンズ３２についても同様である。

また上述の実施の形態においては、基盤２１に対して、１対の発生電極２２及び検出電極２３と、対応する１対の非球面レンズ３１及び半球レンズ３２とを配置するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、複数対の発生電極及び検出電極と、対応する非球面レンズ及び半球レンズとを配置するようにしてもよい。

ここで、複数対の発生電極及び検出電極と、対応する非球面レンズ及び半球レンズとを配置したプローブの一例を、図３及び図４との対応部分に同一符号を付した図５及び図６に示す。このプローブにおける探査対象とされる面２１Ａには、図５に示すように、１対の隣り合う発生電極２２及び検出電極２３を配置単位（パターン）として、８対の発生電極及び検出電極２２Ａ及び２３Ａ、……、２２Ｈ及び２３Ｈが、探査対象とされる面２１Ａに２行４列で配置される。一方、探査対象とされる面２１Ａの逆の面２１Ｂには、１対の隣り合う非球面レンズ３１及び半球レンズ３２を配置単位（パターン）として、８対の非球面レンズ３１Ａ及び半球レンズ３２Ａ、……、３１Ｈ及び３２Ｈが、２行４列で配置される。

また、非球面レンズ３１Ａ〜３１Ｈは、図６に示すように、各対における発生電極２２Ａ〜２２Ｈに照射されるテラヘルツ励起光の照射点の中心に対してレンズ軸ＬＡ１ａ〜ＬＡ１ｈがずれた状態で、探査対象とされる面２１Ａの逆側の面２１Ｂに配置される。一方、半球レンズ３２Ａ〜３２Ｈは、各対における検出電極２３Ａ〜２３Ｈに照射されるテラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、対応する非球面レンズ３１Ａ〜３１Ｈのレンズ軸ＬＡ１ａ〜ＬＡ１ｈのずれ方向Ｄ１と対向する方向Ｄ２へ、該レンズ軸ＬＡ１ａ〜ＬＡ１ｈのずれ量と同量だけレンズ軸ＬＡ２がずれた状態で、探査対象とされる面２１Ａの逆側の面２１Ｂに配置される。

またこの例において、各対における発生電極２２Ａ〜２２Ｈにテラヘルツ励起光を照射する集光光学ユニットＯＵ１の具体例を図７に示す。

この図７の例では、ビームスプリッタ１３から分離されるテラヘルツ励起光を、７つのビームスプリッタ１３Ａ〜１３Ｇによって８つのテラヘルツ励起光に分離する。ビームスプリッタ１３Ａ〜１３Ｇで分離されるテラヘルツ励起光については、ミラーＭＬａ〜ＭＬｇを介して折り曲げて光ファイバＢＦ１ｂ〜ＢＦ１ｈに導く。このようにミラーＭＬａ〜ＭＬｇを介して折り曲げることで、対応する光ファイバＢＦ１ｂ〜ＢＦ１ｈについては光ファイバＢＦ１ａを基準に束ねることが可能となる。光ファイバＢＦ１ａ〜ＢＦ１ｈを経たテラヘルツ励起光は、集光レンズ（図示せず）によって、対応する発生電極２２Ａ〜２２Ｈに照射される。なお、集光光学ユニットＯＵ２についても同一の構成とし、テラヘルツ検出光を対応する検出電極２３Ａ〜２３Ｈに照射することができる。

このように複数対の発生電極及び検出電極を配置した場合、複数の発生系（エミッタ）と検出系（ディテクタ）とを同一面上に配置しながら試料を多点測定することが可能となる。

なお、図６の例における配置単位は、１対の隣り合う発生電極及び検出電極、非球面レンズ及び半球レンズとしたが、種々の配置単位を採用することができる。例えば、図８に示すように、１対の隣り合う発生電極２２Ｘ及び検出電極２３Ｘ（非球面レンズ３１Ｘ及び半球レンズ３２Ｘ）と、該１対の発生電極２２Ｘ及び検出電極２３Ｘ（非球面レンズ３１Ｘ及び半球レンズ３２Ｘ）を挟む他の１対の発生電極２２Ｙ及び検出電極２３Ｙ（非球面レンズ３１Ｙ及び半球レンズ３２Ｙ）を配置単位として、ｍ行ｎ列（ｍ及びｎは整数。ただし、ｍ又はｎのいずれか一方が「０」の場合も含む）で配置することができる。

またこの図８に示した例の場合、内側の非球面レンズ３１Ｘ、半球レンズ３２Ｘにおけるレンズ軸ＬＡ１ｘ、ＬＡ２ｘのずれ量は、焦点が一致するように、外側の非球面レンズ３１Ｙ、半球レンズ３２Ｙにおけるレンズ軸ＬＡ１ｙ、ＬＡ２ｙのずれ量よりも小さく設定される。

このようにして非球面レンズ３１Ｘ、３１Ｙによって焦点面（試料ＳＰＬの反射面）の同位置にテラヘルツ波を集めれば、該焦点面に対するテラヘルツ波の強度（明度）を強くすることができ、この結果、一のテラヘルツ波発生素子だけでテラヘルツ波の強度を強くする場合に比べてテラヘルツ波の発生に関する部品の寿命を長くすることができる。

さらに図９に示すように、焦点面（試料ＳＰＬの反射面）に対する入射角が異なるため、測定結果から、試料ＳＰＬ内へのテラヘルツ波の到達深度（試料ＳＰＬ表面からの厚み）に関する情報を取得することが可能となり、またその到達深度から試料ＳＰＬの透過率の情報を取得することができる。ちなみに、開口数が大きい半球レンズを用いるようにすれば、入射角（反射角）が異なる反射光をそれぞれ検出することができる。

また例えば、１つの検出電極（半球レンズ）と、該検出電極（半球レンズ）を基準として一定の配置関係をもつ複数の発生電極（非球面レンズ）とを配置単位として、ｍ行ｎ列で配置するようにしてもよい。このようにすれば、図６の例に比して、焦点面に対するテラヘルツ波の強度（明度）を強くすることができ、また、試料ＳＰＬ内へのテラヘルツ波の到達深度（試料ＳＰＬ表面からの厚み）に関する情報を詳細に取得することが可能となる。

また例えば、基盤２１に対して複数のエリアを割り当て、該エリアごとに異なる配列単位で複数対の発生電極及び検出電極と、対応する非球面レンズ及び半球レンズを配置するようにしてもよい。このようにすれば、エリアごとに異なる観点で試料ＳＬＰを測定することが可能となる。

なお、複数対の発生電極及び検出電極と、対応する非球面レンズ及び半球レンズとを配置した場合、対とされる一方の第１の集光レンズで基準とされたテラヘルツ励起光の照射点（図６では２２Ａ、……、２２Ｈの隙間、図８では２２Ｘ、２２Ｙ）と、該対とされる他方の第２の集光レンズに対するテラヘルツ検出光の照射点（図６では２３Ａ、……、２３Ｈの隙間、図８では２３Ｘ、２３Ｙの隙間）に、対ごとに異なるタイミングでテラヘルツ励起光及びテラヘルツ検出光を照射する照射部を設けるようにすれば、テラヘルツ波の混信を防止することができため、各電極間を近接させることができ、より一段とコンパクトなプローブを実現できる。

ちなみに、照射部は、例えば、図７に示すビームスプリッタ１３Ａ〜１３Ｇ及びミラーＭＬａ〜ＭＬｇに代えて可動式ミラーを設ける。そして、ビームスプリッタ１３から分離されるテラヘルツ励起光と、時間遅延部１５からのテラヘルツ検出光を、対とされる発生電極及び検出電極に順次導くように可動式ミラーの角度を可変することによって、光ファイバに対するテラヘルツ励起光及びテラヘルツ検出光の出射先を切り換える等といったものを採用することができる。

また上述の実施の形態においては、基盤２１に対するテラヘルツ励起光及びテラヘルツ検出光の照射点を固定とするようにした場合について述べたが、非線形光学結晶の基盤を適用したときには、該テラヘルツ励起光とテラヘルツ検出光との双方又は一方の照射点を切り換えるようにしてもよい。

照射点を切り換える場合、例えば、発生電極２２Ａ〜２２Ｈ（図６）と、光ファイバＢＦ１ｂ〜ＢＦ１ｈ（図７）との間に可動式の集光レンズを設け、焦点が焦点面と平行に移動するように、該集光レンズの位置をコンピュータ１７の制御のもとに可変することによって照射点を切り換える等といったものを採用することができる。このようにすれば、図６の例に示した単純な基準の配置パターンを採用しながらも、図８に示した効果を奏することが可能となる。

以上の実施の形態又は他の実施の形態で述べた構成については、必要に応じて取捨選択することができる。

本発明は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ又は情報通信・エレクトロニクスなどの産業上において利用可能である。

本実施の形態によるテラヘルツ分光装置の全体構成を示す略線図である。 プローブの構成を示す略線的断面図である。 電極の構造を示す略線図である。 励起光と及び検出光の照射点と、レンズとの関係の説明に供する略線的断面図である。 他の実施の形態によるプローブの構成（１−１）を示す略線図である。 他の実施の形態によるプローブの構成（１−２）を示す略線的断面図である。 集光光学ユニットの具体例を示す略線図である。 他の実施の形態によるプローブの構成（２）を示す略線的断面図である。 入射角の相違に基づくテラヘルツ波の到達深度の相違の説明に供する略線的断面図である。

符号の説明

１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短レーザ、１２……分散補償部、１３……ビームスプリッタ、１４……テラヘルツ波発生素子、１５……時間遅延部、１６……テラヘルツ波検出素子、１７……コンピュータ、２１……基盤、２２……発生電極、２３……検出電極、３１……非球面レンズ、３２……半球レンズ、ＩＰ１、ＩＰ２……照射点、ＬＡ１、ＬＡ２……レンズ軸、ＳＰＬ……試料、ＳＴ……ステージ。

Claims (9)

1. テラヘルツ励起光が照射されるテラヘルツ波発生素子と、
   上記テラヘルツ波発生素子における基盤のうち、テラヘルツ励起光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ励起光の照射点の中心に対してレンズ軸がずれた状態とされる第１の集光レンズと、
   上記テラヘルツ励起光の照射側からテラヘルツ検出光が照射されるテラヘルツ波検出素子と、
   上記テラヘルツ波検出素子における基盤のうち、テラヘルツ検出光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、第１の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ方向と対向する方向へレンズ軸がずれた状態とされる第２の集光レンズと
   を具え、
   上記テラヘルツ発生素子および上記テラヘルツ検出素子は、
   同一の基盤を共用しており、該基盤の同一面上に設けられた、テラヘルツ波の発生対象となる発生電極とテラヘルツ波の検出対象となる検出電極とでなり、
   上記発生電極および上記検出電極は、
   それぞれ、所定の間隔を隔てた１対の伝送線路でなる
   ことを特徴とするプローブ装置。
2. 上記テラヘルツ励起光が照射される基盤と、上記テラヘルツ検出光が照射される基盤とは同一の基盤でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
3. 上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズは、単一の非球面レンズ又は単一の球面レンズのいずれか一方でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
4. 上記非球面レンズ又は球面レンズは、単結晶又は多結晶のシリコン素材を用いて形成された
   ことを特徴とする請求項３に記載のプローブ装置。
5. 上記第２の集光レンズは、上記第１の集光レンズの開口数よりも大きいものである
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
6. 上記テラヘルツ波発生素子と、上記テラヘルツ波検出素子は対として複数配置され、
   対とされる一方の第１の集光レンズで基準とされた上記テラヘルツ励起光の照射点と、該対とされる他方の第２の集光レンズで基準とされた上記テラヘルツ検出光の照射点に、対ごとに異なるタイミングでテラヘルツ励起光及びテラヘルツ検出光を照射する照射部をさらに具える
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
7. 上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズは対として複数配置され、
   上記対ごとに、上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ量は異なる
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
8. 隣り合う上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズと、該隣り合う上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズを挟む上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズとが配置単位とされ、
   隣り合う上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ量は、該隣り合う上記第１の集光レンズ及び上記第２の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ量よりも小さく設定される
   ことを特徴とする請求項１に記載のプローブ装置。
9. テラヘルツ励起光が照射されるテラヘルツ波発生素子と、
   上記テラヘルツ波発生素子における基盤のうち、テラヘルツ励起光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ励起光の照射点の中心に対してレンズ軸がずれた状態とされる第１の集光レンズと、
   上記テラヘルツ励起光の照射側からテラヘルツ検出光が照射されるテラヘルツ波検出素子と、
   上記テラヘルツ波検出素子における基盤のうち、テラヘルツ検出光が照射される面とは逆の面に配置され、該テラヘルツ検出光の照射点の中心に対して、第１の集光レンズにおけるレンズ軸のずれ方向と対向する方向へレンズ軸がずれた状態とされる第２の集光レンズと、
   上記テラヘルツ波検出素子で検出された信号に基づいて試料を測定する測定部と
   を具え、
   上記テラヘルツ発生素子および上記テラヘルツ検出素子は、
   同一の基盤を共用しており、該基盤の同一面上に設けられた、テラヘルツ波の発生対象となる発生電極とテラヘルツ波の検出対象となる検出電極とでなり、
   上記発生電極および上記検出電極は、
   それぞれ、所定の間隔を隔てた１対の伝送線路でなる
   ことを特徴とするテラヘルツ分光装置。

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