JP5231538B2 - 全反射テラヘルツ波測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、全反射テラヘルツ波測定装置に関するものである。
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている（特許文献１を参照）。
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源（例えばフェムト秒レーザ光源）から出力されたパルス光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。そのうちポンプ光はテラヘルツ波発生素子（例えば非線形光学結晶や光導電アンテナ素子）に入力されて、これにより、このテラヘルツ波発生素子からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象物で透過または反射されることで該測定対象物の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、プローブ光と略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子（例えば、電気光学結晶や光導電アンテナ素子）に入射される。
テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子では、両光の間の相関が検出される。例えば、テラヘルツ波検出素子として電気光学結晶が用いられる場合、テラヘルツ波およびプローブ光は、合波部により合波されて電気光学結晶に入射され、この電気光学結晶においてテラヘルツ波の伝播に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。電気光学結晶におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の情報が得られる。
テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得に際しては、測定対象部でのテラヘルツ波の透過または反射だけでなく、特許文献１に開示されているように、プリズムの一平面においてテラヘルツ波を全反射させてエバネセント成分を生じさせ、該平面上の測定対象物に対してテラヘルツ波のエバネセント成分を照射することで、テラヘルツ波による測定対象物の情報の取得が行われる場合がある。特許文献１の記載によれば、テラヘルツ波の全反射を利用する技術では測定対象物が固体に限定されない等の効果を奏するとされている。
特開２００４−３５４２４６号公報 特開２００６−１８４０７８号公報
しかしながら、従来技術では、光源からテラヘルツ波検出素子に到るまでの光学系に含まれる部品の数が多く、装置が大型のものとなる。また、テラヘルツ波が伝播する空間に含まれる水によりテラヘルツ波が吸収されることから、この空間において窒素パージを行う必要があり、この点でも装置が大型のものとなる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、小型化が可能な全反射テラヘルツ波測定装置を提供することを目的とする。
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、（１）光を出力する光源と、（２）光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、（３）分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子と、（４）テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を入射面に入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部全反射プリズムと、（５）テラヘルツ波発生素子と内部全反射プリズムの入射面との間に設けられ、テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を内部全反射プリズムへ透過させ、テラヘルツ波発生素子を透過してテラヘルツ波発生素子から出力されたポンプ光を遮断するフィルタと、（６）内部全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子およびフィルタが一体に設けられ、内部全反射プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、内部全反射プリズムの反射面に配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得することを特徴とする。
この全反射テラヘルツ波測定装置では、光源から出力された光は、分岐部により２分岐されてポンプ光およびプローブ光として出力される。分岐部から出力されたポンプ光は、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子に入力され、このテラヘルツ波発生素子でテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなくフィルタを透過して直ちに内部全反射プリズムの入射面に入力され、内部全反射プリズムの内部で伝播するとともに反射面で全反射されて、内部全反射プリズムの出射面から外部へ出力される。内部全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなく直ちにテラヘルツ波検出素子に入力される。
内部全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とは、テラヘルツ波検出素子に入力されて、このテラヘルツ波検出素子によりテラヘルツ波とプローブ光との間の相関が検出される。このとき、内部全反射プリズムの反射面に配置された測定対象物についての情報は、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得される。なお、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子に入力されたポンプ光の一部がテラヘルツ波発生素子を透過する場合があるが、その透過したポンプ光はフィルタにより遮断される。したがって、ポンプ光が内部全反射プリズムに入力されることが抑制される。
本発明に係る全反射テラヘルツ波測定装置は小型化が可能である。
図１は、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。 図２は、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成図である。 図３は、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成図である。 図４は、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた内部全反射プリズム３１の断面図である。 図５は、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた内部全反射プリズム３１の斜視図である。 図６は、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２の構成図である。 図７は、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４１が一体に設けられた内部全反射プリズム３２の断面図である。 図８は、光導電アンテナ素子の斜視図である。 図９は、第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一または同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本発明の実施形態の構成と対比されるべき第１比較例および第２比較例の構成について先ず説明し、その後に、これら比較例の構成と対比しつつ実施形態の構成について説明する。
（第１比較例）
先ず、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８について説明する。図１は、第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成図である。この図に示されるテラヘルツ波測定装置８は、テラヘルツ波を用いて透過測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
光源１１は、一定の繰返し周期でパルス光を出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。分岐部１２は、例えばビームスプリッタであり、光源１１から出力されたパルス光を２分岐して、その２分岐したパルス光のうち一方をポンプ光としてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光としてミラーＭ４へ出力する。
チョッパ１３は、分岐部１２とミラーＭ１との間のポンプ光の光路上に設けられ、一定の周期でポンプ光の通過および遮断を交互に繰り返す。分岐部１２から出力されチョッパ１３を通過したポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。なお、分岐部１２からテラヘルツ波発生素子２０に到るまでのポンプ光の光学系を、以下では「ポンプ光学系」という。
テラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光を入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）、光導電アンテナ素子（例えばＧａＡｓを用いた光スイッチ）、半導体（例えばＩｎＡｓ）および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生素子２０は、ポンプ光入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。以下では、テラヘルツ波発生素子２０が非線形光学結晶を含むものであるとする。
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する０．０１ＴＨｚ〜１００ＴＨｚ程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波は、一定の繰返し周期で発生し、パルス幅が数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過することで測定対象物Ｓの情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部１６に入力される。なお、テラヘルツ波発生素子２０から合波部１６に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５を通過して、合波部１６に入力される。なお、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光の光学系を、以下では「プローブ光学系」という。４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部１４を構成している。すなわち、ミラーＭ５およびＭ６が移動することで、ミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部１４は、分岐部１２から合波部１６に到るまでのポンプ光学系およびテラヘルツ波光学系の光路と、分岐部１２から合波部１６に到るまでのプローブ光学系の光路との差を、調整することができる。
合波部１６は、テラヘルツ波発生素子２０から出力され測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波と、分岐部１２から出力されて到達したプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光を互いに同軸となるように合波してテラヘルツ波検出素子４０へ出力する。この合波部１６は、堅固な支持枠に接着され薄く引き伸ばされたフィルム状のミラーであるペリクルであるのが好適である。
テラヘルツ波検出素子４０は、テラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するものである。テラヘルツ波検出素子４０が電気光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波検出素子４０は、合波部１６から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光を入力し、テラヘルツ波の伝播に伴いポッケルス効果により複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態を変化させて、そのプローブ光を出力する。このときの複屈折量はテラヘルツ波の電場強度に依存するので、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化量はテラヘルツ波の電場強度に依存する。
偏光分離素子５２は、例えばウォラストンプリズムであり、テラヘルツ波検出素子４０から出力され１／４波長板５１を経たプローブ光を入力し、この入力したプローブ光を互いに直交する２つの偏光成分に分離して出力する。光検出器５３ａ，５３ｂは、例えばフォトダイオードを含み、偏光分離素子５２により偏光分離されたプローブ光の２つの偏光成分のパワーを検出して、その検出したパワーに応じた値の電気信号を差動増幅器５４へ出力する。
差動増幅器５４は、光検出器５３ａ，５３ｂそれぞれから出力された電気信号を入力し、両電気信号の値の差に応じた値を有する電気信号をロックイン増幅器５５へ出力する。ロックイン増幅器５５は、チョッパ１３におけるポンプ光の通過および遮断の繰返し周波数で、差動増幅器５４から出力される電気信号を同期検出する。このロックイン増幅器５５から出力される信号は、テラヘルツ波の電場強度に依存する値を有する。このようにして、測定対象物Ｓを透過したテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出し、テラヘルツ波の電場振幅を検出して、測定対象物Ｓの情報を得ることができる。
このテラヘルツ波測定装置８は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、測定対象物Ｓを透過して合波部１６に入力される。一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、偏光子１５により直線偏光とされ、合波部１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝播に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
ただし、このような透過測定法では、水によるテラヘルツ波の吸収が大きいことから、通常、測定対象物Ｓは乾燥した固体に限定される。次に説明する第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、このような問題点を解決し得るものである。
（第２比較例）
次に、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９について説明する。図２は、第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、合波部１６、テラヘルツ波発生素子２０、プリズム３０、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図１に示された第１比較例に係るテラヘルツ波測定装置８の構成と比較すると、この図２に示される第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９は、テラヘルツ波光学系上にプリズム３０を備える点で相違する。プリズム３０は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波を入射面３０ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面３０ｃで全反射させ、その全反射した後のテラヘルツ波を出射面３０ｂから合波部１６へ出力する。プリズム３０はダフプリズムであり、入射面３０ａに入力されるテラヘルツ波の主光線と、出射面３０ｂから出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にある。プリズム３０の反射面３０ｃの上に測定対象物Ｓが配置される。
このテラヘルツ波測定装置９では、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、プリズム３０の入射面３０ａに入力されて、プリズム３０の内部を伝播するとともにプリズム３０の反射面３０ｃで全反射される。その全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、測定対象物Ｓのうち反射面３０ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、プリズム３０の反射面３０ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３０ｃの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、プリズム３０の内部を伝播し、プリズム３０の出射面３０ｂから外部へ出力される。プリズム３０から出力されたテラヘルツ波は、プローブ光学系を経たプローブ光とともに、合波部１６に入力される。
合波部１６に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光は、合波部１６により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝播に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。そして、このテラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
このような全反射測定法では、プリズム３０の反射面３０ｃの上に配置される測定対象物Ｓが水分を含んでいても、測定が可能である。ただし、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０までテラヘルツ波が伝播する空間において水分が無い又は少ないことが望ましく、したがって、この空間は窒素パージが必要となる。以下に説明する本実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置は、このような問題点を解決し得るものである。
（第１実施形態）
次に、本発明の第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１について説明する。図３は、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、ビームスプリッタ１７、テラヘルツ波発生素子２０、フィルタ２５、内部全反射プリズム３１、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図２に示された第２比較例に係る全反射テラヘルツ波測定装置９の構成と比較すると、この図３に示される第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１は、プリズム３０に替えて内部全反射プリズム３１を備える点で相違し、この内部全反射プリズム３１に対してテラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられている点で相違し、また、合波部１６に替えてビームスプリッタ１７を備える点で相違する。なお、ビームスプリッタ１７はペリクルでもよい。
図４は、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられた内部全反射プリズム３１の断面図であり、図５は、その内部全反射プリズム３１の斜視図である。内部全反射プリズム３１は、いわゆる無収差プリズムであって、入射面３１ａ，出射面３１ｂ，反射面３１ｃ，第１副反射面３１ｄおよび第２副反射面３１ｅを有する。入射面３１ａおよび出射面３１ｂは互いに平行である。これら入射面３１ａおよび出射面３１ｂに対して反射面３１ｃは垂直である。内部全反射プリズム３１の入射面３１ａにテラヘルツ波発生素子２０およびフィルタ２５が一体に設けられ、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂにテラヘルツ波検出素子４０が一体に設けられている。
テラヘルツ波発生素子２０は、非線形光学結晶（例えばＺｎＴｅ）を含み、ポンプ光入射に伴って非線形光学結晶において発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生し出力することができる。テラヘルツ波発生素子２０から出力され内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに入力されるテラヘルツ波の主光線は入射面３１ａに垂直であり、また、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂから出力されテラヘルツ波検出素子４０に入力されるテラヘルツ波の主光線は出射面３１ｂに垂直であって、これら入力テラヘルツ波および出力テラヘルツ波それぞれの主光線は共通の直線上にある。
内部全反射プリズム３１は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されるテラヘルツ波の波長において透明であって、反射面３１ｃの上に配置される測定対象物Ｓの屈折率より高い屈折率を有する材料からなり、例えばシリコンからなるのが好ましい。シリコンは、テラヘルツ波の波長帯において透明であり、波長１ＴＨｚにおいて屈折率が３．４である。また、例えば、測定対象物Ｓの主成分が水であるとして、水の波長１ＴＨｚにおける屈折率が２．０である。このとき、臨界角は３６度（＝ｓｉｎ−１（２．０／３．４））であるから、この臨界角より大きい入射角であるときに全反射が生じる。測定対象物Ｓが気体である場合も同様に全反射が生じる。
フィルタ２５は、テラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１の入射面３１ａとの間に設けられている。このフィルタ２５は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波を内部全反射プリズム３１へ透過させる。また、このフィルタ２５は、テラヘルツ波発生素子２０を透過してテラヘルツ波発生素子２０から出力されたポンプ光を遮断する。このフィルタ２５は、ポンプ光を反射させる反射部材、ポンプ光を吸収する吸収部材、及び、ポンプ光を散乱させる散乱部材、の何れかを含むのが好適である。
フィルタ２５の具体例は以下のとおりである。第１の具体例として、フィルタ２５は、誘電体多層膜であって、例えば各々所定の厚みを有するＳｉＯ２膜とＴｉＯ２膜とが交互に多層蒸着されて積層されたものであってもよく、この場合、各層の厚み及び屈折率が適切に設定されることで、テラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を反射させることができる。第２の具体例として、フィルタ２５は、テラヘルツ波の表皮深さより薄い金属膜であってもよく、この場合、テラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を反射させることができる。
内部全反射プリズム３１に対してテラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０を一体化するに際しては、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａにテラヘルツ波発生素子２０およびフィルタ２５が接着剤により接合される。或いは、テラヘルツ波発生素子２０のテラヘルツ波出射面または内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに蒸着等によりフィルタ２５が形成されて、その後に両者が接着剤により接合されてもよい。
また、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂにテラヘルツ波検出素子４０が接着剤により接合される。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波の波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生素子２０およびテラヘルツ波検出素子４０それぞれの屈折率と内部全反射プリズム３１の屈折率との間の中間または同等の屈折率を有するのが好ましい。
また、フィルタ２５は、テラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１とを接合する際に用いられる接合剤を兼ねていてもよい。この場合のフィルタ２５の具体例は以下のとおりである。第３の具体例として、フィルタ２５は、テラヘルツ波に対して透明であってポンプ光に対して不透明である例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製の両面テープであって、この両面テープによりテラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１とを接合してもよく、この場合、両面テープによりテラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を吸収することができる。
第４の具体例として、フィルタ２５は、テラヘルツ波に対して透明であってポンプ光に対して不透明である着色剤を蝋またはエポキシ系もしくはアクリル系の接着剤に混合したものであって、この接着剤によりテラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１とを接合してもよい。この場合、接着剤に含まれる着色剤によりテラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を吸収することができる。
第５の具体例として、フィルタ２５は、ブラックポリエチレン膜の両面に接着剤を塗布して、これによりテラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１とを接合してもよい。この場合、ブラックポリエチレン膜によりテラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を吸収することができる。
第６の具体例として、フィルタ２５は、数μｍ以下の粒径を有する微粒子を接着剤に混合したものであって、この接着剤によりテラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１とを接合してもよい。この場合、接着剤に含まれる微粒子によりテラヘルツ波を透過させる一方でポンプ光を散乱させることができる。
また、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｂとテラヘルツ波検出素子４０との接合位置において、プローブ光の波長で反射率が高いのが好ましい。反射面３１ｂに誘電体多層膜が形成されていて、これにより、テラヘルツ波に対して透明であって、プローブ光に対して高反射率とされていてもよい。
この内部全反射プリズム３１は、テラヘルツ波発生素子２０から出力されフィルタ２５を透過したテラヘルツ波を直ちに入射面３１ａに入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに第１副反射面３１ｄにより反射させて反射面３１ｃへ入射させる。また、内部全反射プリズム３１は、反射面３１ｃに入射されたテラヘルツ波を反射面３１ｃで全反射させて、その後のテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに第２副反射面３１ｅにより反射させ、出射面３１ｂから出力して直ちにテラヘルツ波検出素子４０へ入力させる。
この全反射テラヘルツ波測定装置１は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなくフィルタ２５を透過して直ちに内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに入力されて、内部全反射プリズム３１の内部を伝播するとともに第１副反射面３１ｄで反射されて反射面３１ｃへ入射し、その反射面３１ｃで全反射される。
なお、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子２０に入力されたポンプ光の一部がテラヘルツ波発生素子２０を透過する場合があるが、その透過したポンプ光はフィルタ２５により遮断される。したがって、ポンプ光が内部全反射プリズム３１に入力されることが抑制される。
この反射面３１ｃにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、反射面３１ｃの上に配置された測定対象物Ｓのうち反射面３１ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３１ｃの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、内部全反射プリズム３１の第２副反射面３１ｅで反射されて出射面３１ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８およびビームスプリッタ１７により順次に反射されて、テラヘルツ波検出素子４０に入力される。ビームスプリッタ１７からテラヘルツ波検出素子４０に入力されたプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４０を通過した後に、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂで反射され、再びテラヘルツ波検出素子４０を通過してビームスプリッタ１７へ出力される。
テラヘルツ波およびプローブ光は、互いに同軸となるように、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝播に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。テラヘルツ波検出素子４０からビームスプリッタ１７へ出力されたプローブ光は、ビームスプリッタ１７を透過する。そして、プローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
なお、光路長差調整部１４においてミラーＭ４およびＭ７とミラーＭ５およびＭ６との間の光路長が調整され、プローブ光学系の光路長が調整されることで、テラヘルツ波検出素子４０に入力されるテラヘルツ波およびプローブ光それぞれのタイミング差が調整される。前述したように、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光のパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光のパルス幅は数桁狭い。このことから、光路長差調整部１４によりテラヘルツ波検出素子４０へのプローブ光の入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。
以上のように、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１は、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃの上に配置された測定対象物Ｓについての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する。このことから、測定対象物Ｓが水分を含む場合であっても容易かつ高感度に測定することができる。また、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４０が内部全反射プリズム３１に一体化されて設けられているので、これらの取り扱いが容易であり、この点でも容易に測定することができ、また、小型化が可能である。
また、テラヘルツ波発生素子２０からテラヘルツ波検出素子４０に到るまでテラヘルツ波が空間伝播することなく内部全反射プリズム３１内部を伝播するので、窒素パージを行う必要がなく、この点でも容易に測定することができ、また、小型化が可能である。さらに、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａおよび出射面３１ｂそれぞれにおけるテラヘルツ波の損失が低減されるので、この点でも高感度に測定することができる。
また、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１は、テラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１の入射面３１ａとの間にフィルタ２５が設けられ、このフィルタ２５によりテラヘルツ波が透過して内部全反射プリズム３１に入力される一方でポンプ光が遮断される。したがって、ポンプ光が内部全反射プリズム３１に入力されることが抑制される。
ところで、内部全反射プリズム３１がシリコン等の半導体からなる場合に、その半導体のバンドギャップエネルギー以上のフォトンエネルギーを有するポンプ光が内部全反射プリズム３１内を伝播すると、内部全反射プリズム３１内において自由キャリアが発生し、その結果、内部全反射プリズム３１内を伝播するテラヘルツ波が吸収されてしまい、テラヘルツ波検出素子４０に達するテラヘルツ波の強度が低下する。このような問題に対処すべく、本実施形態では、テラヘルツ波発生素子２０と内部全反射プリズム３１の入射面３１ａとの間に設けられたフィルタ２５により、内部全反射プリズム３１内へのポンプ光の入力が抑制されて、内部全反射プリズム３１内を伝播するテラヘルツ波の吸収が抑制される。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２について説明する。図６は、第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置２は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、テラヘルツ波発生素子２０、フィルタ２５、内部全反射プリズム３２、テラヘルツ波検出素子４１および同期検出部５７を備える。
図７は、テラヘルツ波発生素子２０，フィルタ２５およびテラヘルツ波検出素子４１が一体に設けられた内部全反射プリズム３２の断面図である。テラヘルツ波発生素子２０およびフィルタ２５それぞれは、第１実施形態におけるものと同様のものである。内部全反射プリズム３２は、いわゆる無収差プリズムであって、入射面３２ａ，出射面３２ｂ，反射面３２ｃ，第１副反射面３２ｄおよび第２副反射面３２ｅを有する。入射面３２ａおよび出射面３２ｂは互いに平行である。これら入射面３２ａおよび出射面３２ｂに対して反射面３２ｃは垂直である。内部全反射プリズム３２の入射面３２ａにテラヘルツ波発生素子２０およびフィルタ２５が一体に設けられ、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂにテラヘルツ波検出素子４１が一体に設けられている。
テラヘルツ波検出素子４１として、図８に示されるような光導電アンテナ素子が用いられる。図８に示される光導電アンテナ素子１００は、テラヘルツ波検出素子４１として用いられるものであって、例えば、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１と、このＧａＡｓ基板１０１上に形成されたＧａＡｓ層１０２と、このＧａＡｓ層１０２上に形成された１対の電極１０３および電極１０４と、を有する。ＧａＡｓ層１０２は、ＭＢＥにより低温（例えば２００〜２５０℃）でエピタキシャル成長されたものであり、例えば厚さ１〜３μｍである。電極１０３および電極１０４は、ＡｕＧｅ／Ａｕ等のオーミック電極であり、アンテナの長さが例えば２０μｍ〜２ｍｍであり、両者間の間隔が例えば３〜１０μｍである。低温エピタキシャル成長で形成されたＧａＡｓ層１０２は、キャリアの寿命が短く、キャリアの移動度が高く、また、インピーダンスが高い。
テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この相関に基づいてテラヘルツ波のスペクトルを求めることができ、さらに測定対象物の情報を得ることができる。テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に生じる電流は、同期検出部５７により、テラヘルツ波発生素子２０におけるテラヘルツ波発生の周期（すなわち、チョッパ１３によるポンプ光通過の周期）に同期して検出される。
また、図７に示されるように、内部全反射プリズム３２の入射面３２ａにテラヘルツ波発生素子２０としての非線形光学結晶とフィルタ２５とが一体的に設けられ、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂにテラヘルツ波検出素子４１として上記のような光導電アンテナ素子が一体的に設けられている。したがって、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子の電極１０３と電極１０４との間にテラヘルツ波を入射させる必要がある。
そこで、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂの側に、内部全反射プリズム３２の内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されている。すなわち、第２副反射面３２ｅが軸外し放物面鏡の形状となっている。これにより、反射面３２ｃで全反射されたテラヘルツ波は、この第２副反射面３２ｅの軸外し放物面鏡で反射されて、出射面３２ｂに設けられたテラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子の電極１０３と電極１０４との間に集光されて入射する。
この全反射テラヘルツ波測定装置２は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、内部全反射プリズム３２の入射面３２ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなくフィルタ２５を透過して直ちに内部全反射プリズム３２の入射面３２ａに入力されて、内部全反射プリズム３２の内部を伝播するとともに第１副反射面３２ｄで反射されて反射面３２ｃへ入射し、その反射面３２ｃで全反射される。
なお、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子２０に入力されたポンプ光の一部がテラヘルツ波発生素子２０を透過する場合があるが、その透過したポンプ光はフィルタ２５により遮断される。したがって、ポンプ光が内部全反射プリズム３２に入力されることが抑制される。
この反射面３２ｃにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、反射面３２ｃの上に配置された測定対象物Ｓのうち反射面３２ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、内部全反射プリズム３２の反射面３２ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３２ｃの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、第２副反射面３２ｅの軸外し放物面鏡で反射されて、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４１に入力される。
分岐部１２から出力されミラーＭ４〜Ｍ９により順次に反射されて到達したプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に入力される。また、内部全反射プリズム３２の出射面３２ｂから出力されたテラヘルツ波も、テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００の電極１０３と電極１０４との間に入力される。なお、テラヘルツ波検出素子４１に入力されたプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４１を構成する半導体材料（ＧａＡｓ）により吸収されるので、内部全反射プリズム３２内に入力されることはない。
ポンプ光はチョッパ１３により一定周期で断続的にテラヘルツ波発生素子２０に入力されるので、テラヘルツ波も一定周期で断続的に発生する。テラヘルツ波検出素子４１としての光導電アンテナ素子１００では、テラヘルツ波およびプローブ光の入射に応じて、両者の相関を表す電流が電極１０３と電極１０４との間に生じる。この電流は、同期検出部５７により、チョッパ１３におけるポンプ光通過の周期に同期して検出される。これにより、テラヘルツ波のスペクトルが求められ、さらに測定対象物Ｓの情報が得られる。
この第２実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置２は、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１が奏する効果と同様の効果を奏することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３について説明する。図９は、第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３の構成図である。この図に示される全反射テラヘルツ波測定装置３は、テラヘルツ波を用いて全反射測定法により測定対象物Ｓの情報を取得するものであって、光源１１、分岐部１２、チョッパ１３、光路長差調整部１４、偏光子１５、ミラー１８、１９、テラヘルツ波発生素子２０、フィルタ２５、内部全反射プリズム３１、テラヘルツ波検出素子４０、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５を備える。
図３に示された第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１の構成と比較すると、この図９に示される第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３は、ビームスプリッタ１７に替えてミラー１８、１９を備える点で相違する。また、これに伴って、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ等についても、その配置を光路に合わせて変更している。
この全反射テラヘルツ波測定装置３は以下のように動作する。光源１１から出力されたパルス光は、分岐部１２により２分岐されてポンプ光およびプローブ光とされる。分岐部１２から出力されたポンプ光は、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに一体化されて設けられたテラヘルツ波発生素子２０に入力される。テラヘルツ波発生素子２０では、ポンプ光の入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生素子２０から出力されたテラヘルツ波は、空間伝播することなくフィルタ２５を透過して直ちに内部全反射プリズム３１の入射面３１ａに入力されて、内部全反射プリズム３１の内部を伝播するとともに第１副反射面３１ｄで反射されて反射面３１ｃへ入射し、その反射面３１ｃで全反射される。
なお、非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子２０に入力されたポンプ光の一部がテラヘルツ波発生素子２０を透過する場合があるが、その透過したポンプ光はフィルタ２５により遮断される。したがって、ポンプ光が内部全反射プリズム３１に入力されることが抑制される。
この反射面３１ｃにおける全反射の際に、テラヘルツ波のエバネセント成分が、反射面３１ｃの上に配置された測定対象物Ｓのうち反射面３１ｃの近傍にある部分に存在する。このことから、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃで全反射された後のテラヘルツ波は、測定対象物Ｓのうち反射面３１ｃの近傍にある部分の情報を取得する。そして、その全反射されたテラヘルツ波は、内部全反射プリズム３１の第２副反射面３１ｅで反射されて出射面３１ｂから出力され、空間伝播することなく直ちに、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂに一体化されて設けられたテラヘルツ波検出素子４０に入力される。
一方、分岐部１２から出力されたプローブ光は、ミラーＭ４〜Ｍ８およびミラー１８により順次に反射されて、テラヘルツ波検出素子４０に入力される。ミラー１８からテラヘルツ波検出素子４０に入力されたプローブ光は、テラヘルツ波検出素子４０を通過した後に、内部全反射プリズム３１の出射面３１ｂで反射され、再びテラヘルツ波検出素子４０を通過してミラー１９へ出力される。
テラヘルツ波およびプローブ光は、略同一タイミングでテラヘルツ波検出素子４０に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光が入力されたテラヘルツ波検出素子４０では、テラヘルツ波の伝播に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光の偏光状態が変化する。テラヘルツ波検出素子４０からミラー１９へ出力されたプローブ光は、ミラー１９で反射される。そして、プローブ光の偏光状態は、１／４波長板５１、偏光分離素子５２、光検出器５３ａ、光検出器５３ｂ、差動増幅器５４およびロックイン増幅器５５により検出される。このようにして、テラヘルツ波検出素子４０におけるプローブ光の偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物Ｓの特性が得られる。
この第３実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置３は、第１実施形態に係る全反射テラヘルツ波測定装置１が奏する効果と同様の効果を奏することができる。また、本実施形態では、ビームスプリッタ１７に替えて、好ましくは反射率が１００％のミラー１８、１９を用いている。このため、ビームスプリッタでの光の反射、透過によるプローブ光パワーの低下を抑制することができる。
また、図９の構成では、テラヘルツ波検出素子４０に対して、プローブ光の光路が、ある程度斜めとなっている。このため、テラヘルツ波およびプローブ光が完全な同軸とはなっていないが、テラヘルツ波検出素子４０において、同軸にしたときとほぼ同等のプローブ光の偏光状態の変化が得られるため、テラヘルツ波検出への影響は小さい。
ここで、上記実施形態による全反射テラヘルツ波測定装置は、（１）光を出力する光源と、（２）光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、（３）分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子と、（４）テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を入射面に入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部全反射プリズムと、（５）テラヘルツ波発生素子と内部全反射プリズムの入射面との間に設けられ、テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を内部全反射プリズムへ透過させ、テラヘルツ波発生素子を透過してテラヘルツ波発生素子から出力されたポンプ光を遮断するフィルタと、（６）内部全反射プリズムの出射面から出力されたテラヘルツ波と、分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、を備える構成を用いている。
さらに、上記実施形態による全反射テラヘルツ波測定装置は、内部全反射プリズムの入射面にテラヘルツ波発生素子およびフィルタが一体に設けられ、内部全反射プリズムの出射面にテラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、内部全反射プリズムの反射面に配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得する構成を用いている。
上記した測定装置において、フィルタは、ポンプ光を反射させる反射部材、ポンプ光を吸収する吸収部材、及び、ポンプ光を散乱させる散乱部材、の何れかを含むのが好適である。
また、測定装置は、分岐部からテラヘルツ波検出素子に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、分岐部からテラヘルツ波検出素子に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えるのが好適である。この場合には、光路長差調整部により、テラヘルツ波およびプローブ光それぞれがテラヘルツ波検出素子に入力されるタイミングが調整され、また、そのタイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。なお、この光路長差調整部は、ポンプ光，プローブ光およびテラヘルツ波の何れの光学系に設けられてもよい。
また、内部全反射プリズムの出射面の側に、内部全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されているのが好適である。このように、内部全反射プリズムの出射面の側に集光作用を奏する光学素子（例えばレンズや軸外し放物面鏡）が形成されていれば、テラヘルツ波検出素子が光導電アンテナ素子である場合に好都合である。
また、内部全反射プリズムは、入射面，反射面および出射面に加えて、入射面に入力されて内部を伝播するテラヘルツ波を反射面へ反射させる第１副反射面と、反射面で反射されて内部を伝播するテラヘルツ波を出射面へ反射させる第２副反射面と、を有するのが好適である。また、内部全反射プリズムの入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、内部全反射プリズムの出射面から出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあるのが好適である。このような内部全反射プリズムは例えば無収差プリズムにより実現される。
本発明は、小型化が可能な全反射テラヘルツ波測定装置として利用可能である。
１，２，３…全反射テラヘルツ波測定装置、１１…光源、１２…分岐部、１３…チョッパ、１４…光路長差調整部、１５…偏光子、１６…合波部、１７…ビームスプリッタ、１８，１９…ミラー、２０…テラヘルツ波発生素子、２５…フィルタ、３１，３２…内部全反射プリズム、４０，４１…テラヘルツ波検出素子、５１…１／４波長板、５２…偏光分離素子、５３ａ，５３ｂ…光検出器、５４…差動増幅器、５５…ロックイン増幅器、５７…同期検出部、Ｍ１〜Ｍ９…ミラー、Ｓ…測定対象物。

Claims (5)

  1. 光を出力する光源と、
    前記光源から出力された光を２分岐して、その２分岐した光のうち一方をポンプ光とし他方をプローブ光として出力する分岐部と、
    前記分岐部から出力されたポンプ光を入力することでテラヘルツ波を発生し出力する非線形光学結晶を含むテラヘルツ波発生素子と、
    前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を入射面に入力し、その入力したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに反射面で全反射させて、該テラヘルツ波を出射面から外部へ出力する内部全反射プリズムと、
    前記テラヘルツ波発生素子と前記内部全反射プリズムの前記入射面との間に設けられ、前記テラヘルツ波発生素子から出力されたテラヘルツ波を前記内部全反射プリズムへ透過させ、前記テラヘルツ波発生素子を透過して前記テラヘルツ波発生素子から出力されたポンプ光を遮断するフィルタと、
    前記内部全反射プリズムの前記出射面から出力されたテラヘルツ波と、前記分岐部から出力されたプローブ光とを入力し、これらテラヘルツ波とプローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出素子と、
    を備え、
    前記内部全反射プリズムの前記入射面に前記テラヘルツ波発生素子および前記フィルタが一体に設けられ、
    前記内部全反射プリズムの前記出射面に前記テラヘルツ波検出素子が一体に設けられ、
    前記内部全反射プリズムの前記反射面に配置された測定対象物についての情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる該テラヘルツ波のエバネセント成分により取得するとともに、
    前記内部全反射プリズムの前記出射面の側に、前記内部全反射プリズムの内部を伝播するテラヘルツ波に対して集光作用を奏する光学素子が形成されている、
    ことを特徴とする全反射テラヘルツ波測定装置。
  2. 前記フィルタは、前記ポンプ光を反射させる反射部材、前記ポンプ光を吸収する吸収部材、及び、前記ポンプ光を散乱させる散乱部材、の何れかを含む、ことを特徴とする請求項１記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
  3. 前記分岐部から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでのポンプ光およびテラヘルツ波の光路と、前記分岐部から前記テラヘルツ波検出素子に到るまでのプローブ光の光路との、差を調整する光路長差調整部を更に備えることを特徴とする請求項１または２記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
  4. 前記内部全反射プリズムは、前記入射面，前記反射面および前記出射面に加えて、前記入射面に入力されて内部を伝播するテラヘルツ波を前記反射面へ反射させる第１副反射面と、前記反射面で反射されて内部を伝播するテラヘルツ波を前記出射面へ反射させる第２副反射面と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
  5. 前記内部全反射プリズムの前記入射面に入力されるテラヘルツ波の主光線と、前記内部全反射プリズムの前記出射面から出力されるテラヘルツ波の主光線とは、共通の直線上にあることを特徴とする請求項４記載の全反射テラヘルツ波測定装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015028559A (ja) * 2013-07-30 2015-02-12 浜松ホトニクス株式会社 波長板及び分割プリズム部材
JP2016057138A (ja) * 2014-09-09 2016-04-21 アイシン精機株式会社 膜厚測定装置及び膜厚測定方法
US10697891B2 (en) 2018-01-29 2020-06-30 Hamamatsu Photonics K.K. Terahertz wave spectroscopic measurement device

Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5566826B2 (ja) * 2010-09-15 2014-08-06 浜松ホトニクス株式会社 全反射分光計測におけるデータ解析方法
JP5894575B2 (ja) 2011-03-29 2016-03-30 浜松ホトニクス株式会社 テラヘルツ波分光計測装置
US9080913B2 (en) 2011-03-29 2015-07-14 Hamamatsu Photonics K.K Terahertz-wave spectrometer and prism member
DE102011112893A1 (de) * 2011-09-06 2013-03-07 Philipp Kubina Verfahren und Vorrichtung zur zeitaufgelösten Messung von Messsignalen
CN102590125A (zh) * 2011-11-30 2012-07-18 天津大学 基于太赫兹波atr成像生物组织水分测量装置及方法
JP5848621B2 (ja) 2012-01-25 2016-01-27 浜松ホトニクス株式会社 薬物評価方法及び薬物評価装置
US20130222787A1 (en) * 2012-02-23 2013-08-29 Canon Kabushiki Kaisha Roughness evaluating apparatus, and object evaluating apparatus and roughness evaluating method using the same
CN102620666A (zh) * 2012-03-29 2012-08-01 吴周令 一种半导体晶圆厚度检测***及其检测方法
CN103792657A (zh) * 2012-10-30 2014-05-14 福州高意通讯有限公司 一种光程微调结构及其应用结构
US9568422B2 (en) * 2012-12-17 2017-02-14 Advantest Corporation Light beam incident device and reflected light measurement device
JP2014163674A (ja) * 2013-02-21 2014-09-08 Seiko Epson Corp テラヘルツ波検出装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置
CN103715478B (zh) * 2013-12-26 2016-03-02 合肥知常光电科技有限公司 一种可调谐的太赫兹波滤波装置及其滤波方法
JP6294696B2 (ja) * 2014-02-14 2018-03-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ 遠赤外撮像装置、および遠赤外撮像方法
CN105548083A (zh) * 2015-12-08 2016-05-04 电子科技大学 双光路太赫兹时域光谱仪
CN105572052B (zh) * 2015-12-17 2018-09-07 哈尔滨工业大学 一种紧凑型连续太赫兹双轴共焦扫描反射式偏振成像装置及成像方法
CN105928898A (zh) * 2016-04-15 2016-09-07 中国人民解放军第三军医大学第附属医院 一种基于道威棱镜快速搭建的太赫兹衰减全反射***
JP6646519B2 (ja) * 2016-05-20 2020-02-14 浜松ホトニクス株式会社 全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法
CN106248616B (zh) * 2016-09-27 2017-10-24 深圳市太赫兹科技创新研究院有限公司 太赫兹全偏振态检测光谱仪
US10508985B2 (en) * 2017-06-05 2019-12-17 Northwestern University Systems and methods for pump-probe spectroscopy
CN107782694B (zh) * 2017-09-28 2020-02-21 上海无线电设备研究所 太赫兹时域光谱全极化电磁散射测量***及获取方法
CN108107008B (zh) * 2017-12-11 2021-02-23 南京大学 一种时域热反射谱测量***
CN108195792B (zh) * 2017-12-25 2023-07-28 中国科学院紫金山天文台 一种基于超导探测器的太赫兹波段大气发射谱线测量装置
CN108267421A (zh) * 2017-12-30 2018-07-10 深圳市太赫兹科技创新研究院有限公司 一种奶粉中三聚氰胺的检测方法及检测***
JP6955462B2 (ja) * 2018-03-02 2021-10-27 浜松ホトニクス株式会社 光学計測装置及び光学計測方法
GB2583071B (en) * 2019-03-22 2021-12-08 Biocel Instruments Ltd Attenuated total reflection spectrometer
JP7095648B2 (ja) * 2019-04-15 2022-07-05 横河電機株式会社 測定装置及び測定方法
CN114166791B (zh) * 2021-08-12 2024-03-19 博微太赫兹信息科技有限公司 生物医学成像用太赫兹时域光谱探头装置及时域光谱仪

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004219967A (ja) * 2003-01-13 2004-08-05 Tetsuo Yanai テラヘルツ波発生装置及び計測装置
JP2004354246A (ja) * 2003-05-29 2004-12-16 Aisin Seiki Co Ltd 反射型テラヘルツ分光測定装置及び測定方法
JP2006184078A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Canon Inc 被対象物を透過した電磁波の状態を検出するための検出装置
JP2008224449A (ja) * 2007-03-13 2008-09-25 Hamamatsu Photonics Kk 全反射テラヘルツ波測定装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6166866A (en) * 1995-02-28 2000-12-26 Canon Kabushiki Kaisha Reflecting type optical system
GB2352512B (en) * 1999-07-23 2002-03-13 Toshiba Res Europ Ltd A radiation probe and detecting tooth decay
GB2371618B (en) * 2001-01-30 2004-11-17 Teraprobe Ltd A probe, apparatus and method for examining a sample
JP4280654B2 (ja) * 2004-02-17 2009-06-17 アイシン精機株式会社 マルチチャンネルテラヘルツ波スペクトル測定法及び測定装置
JP4546326B2 (ja) * 2004-07-30 2010-09-15 キヤノン株式会社 センシング装置
GB0601967D0 (en) * 2006-02-01 2006-03-15 Univ St Andrews Device and method for optimising output coupling of EM radiation
CN2874476Y (zh) * 2006-02-10 2007-02-28 天津大学 基于光学整流的太赫兹时域光谱仪
JP4790560B2 (ja) * 2006-10-10 2011-10-12 浜松ホトニクス株式会社 単発テラヘルツ波時間波形計測装置
JP5035618B2 (ja) * 2006-12-05 2012-09-26 独立行政法人理化学研究所 電磁波を用いた検出方法、及び検出装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004219967A (ja) * 2003-01-13 2004-08-05 Tetsuo Yanai テラヘルツ波発生装置及び計測装置
JP2004354246A (ja) * 2003-05-29 2004-12-16 Aisin Seiki Co Ltd 反射型テラヘルツ分光測定装置及び測定方法
JP2006184078A (ja) * 2004-12-27 2006-07-13 Canon Inc 被対象物を透過した電磁波の状態を検出するための検出装置
JP2008224449A (ja) * 2007-03-13 2008-09-25 Hamamatsu Photonics Kk 全反射テラヘルツ波測定装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JPN6008017498; Ｈ．　Ｈｉｒｏｒｉ，　ｅｔ．　ａｌ．: '"Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｐｌａｓｍｏｎ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ　ｔｏｔａｌ　ｒｅｆｌｅｃｔ' ＯＰＴＩＣＳ　ＥＸＰＲＥＳＳ Ｖｏｌ．１３，　Ｎｏ．２６, 20051226, ｐｐ．１０８０１-１０８１４ *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015028559A (ja) * 2013-07-30 2015-02-12 浜松ホトニクス株式会社 波長板及び分割プリズム部材
US10591669B2 (en) 2013-07-30 2020-03-17 Hamamatsu Photonics K.K. Wave plate and divided prism member
US10908355B2 (en) 2013-07-30 2021-02-02 Hamamatsu Photonics K.K. Wave plate and divided prism member
JP2016057138A (ja) * 2014-09-09 2016-04-21 アイシン精機株式会社 膜厚測定装置及び膜厚測定方法
US10697891B2 (en) 2018-01-29 2020-06-30 Hamamatsu Photonics K.K. Terahertz wave spectroscopic measurement device

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