JP5445775B2 - 超高分解テラヘルツ分光計測装置 - Google Patents
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Description
また、THz−TDS法では、測定されたテラヘルツ電場の時間波形をコンピューターでフーリエ変換することにより得られる振幅(または位相)の周波数スペクトルを用いて分光計測を行っている。
提案した非同期光サンプリング式テラヘルツ分光計測装置は、図4に示すように、レーザーパルスの繰り返し周波数(モード同期周波数)がわずかに異なるフェムト秒レーザー1(モード同期周波数=f1)とフェムト秒レーザー2(モード同期周波数=f2)の各々のモード同期周波数が高度に安定化され、かつ、モード同期周波数の差(=f2−f1)がある値で一定になるように、双方のレーザーのモード同期周波数の制御を行うものである。そして、両レーザー光をテラヘルツ・パルス発生用ポンプ光とプローブパルス光の各々に用い、また両レーザー光の一部をそれぞれ抽出してトリガー信号を発生させるものである。
テラヘルツ・パルスとプローブパルス光が重なった状態(図5中の(a)参照)から、重なるタイミングがパルス毎に自動的にずれ、再び重なった状態(図5中の(b)参照)になるまでに要する時間(サンプリング時間ST)によって、パルス周期相当の時間遅延走査が1回なされることになる。トリガー信号は、テラヘルツ・パルスとプローブパルス光が重なる毎(図5中の(a)及び(b))に時間原点信号を発生する。これを時間原点信号として利用する。
本発明は、上記に鑑みて、スペクトル分解能の更なる向上を図ることができるテラヘルツ分光計測装置を提供することを目的とする。
a)上記の信号波形測定手段が、単一のテラヘルツ電磁波パルスではなく、複数の連続したテラヘルツ電磁波パルス(テラヘルツ電磁波パルス列)の電場時間波形を取得し、その電場時間波形を周波数領域にフーリエ変換することにより、モード同期周波数の基本波成分と多数の高調波成分からなる周波数モード列が等間隔に並ぶテラヘルツ離散マルチスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)上記の2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数を、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持したままシフトさせるモード同期周波数チューニング制御手段と、
c)上記のモード同期周波数チューニング制御手段により周波数モード列の間隙を補完するようにテラヘルツ離散マルチスペクトルをシフトさせた場合の各々のテラヘルツ離散マルチスペクトルを記憶する記憶手段と、
d)上記の記憶手段に記憶されている各テラヘルツ離散マルチスペクトルを合成し超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する手段と、
を備えた構成とされる。
また、テラヘルツ・コムの各モード成分ピークの包絡波(エンベロープ)は、図8のスペクトルと同様なスペクトル波形を示すが、そのデータプロット(コム・モード)間隔はモード同期周波数となる。一方、コム・モードの線幅は、図9のテラヘルツ・パルス列時間波形の測定時間窓の逆数となり、コム・モード間隔よりも大幅に狭い。
上記a)のスペクトル取得手段により、テラヘルツ・コムの観測及びコム・モードの線幅狭窄化を図ることができる。また、上記b)のモード同期周波数チューニング制御手段により、コム・モードを高精度に少しずつ横ずらしする。上記c)およびd)により、テラヘルツ・コムの間隙を補間するよう多段階にシフトさせた場合の各々のテラヘルツ・コムを合成して、コム・モードの線幅間隔で信号分布している超微細テラヘルツ・スペクトルを得るのである。
このようにして、コム・モードの線幅に等しいスペクトル分解能を有しながら、ブロードバンドなテラヘルツ領域をフルカバーできるテラヘルツ分光計測が実現可能になる。
これにより、コム・モードの線幅に等しいスペクトル分解能を得ることができる。
これにより、高品質なコム・モードを高精度に少しずつ横ずらししながらテラヘルツ・コムの間隙を補間することができる。
これにより、テラヘルツ・コムの観測およびコム・モード線幅の狭窄化を図ることができる。周期が多くなればなるほど、より狭窄化を図ることができる。その場合、記憶手段となるメモリ容量が膨大になるといったトレードオフが存在する。
(e)信号波形測定手段から出力される時間波形信号の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られるフーリエスペクトル(振幅と位相の周波数スペクトル)から測定用試料の周波数分析情報を求める信号解析手段を更に備えることが好ましい。
これにより、物質固有の吸収スペクトル(指紋スペクトル)に基づいた物質識別を行うことができる。
また、一方のレーザーのモード同期周波数を連続的に高速走査しながら、他方のレーザーは両レーザーの差周波を一定に制御することでも構わない。この場合、モード同期周波数を連続的に高速走査するレーザーは、安定化されていないことから、好ましくは、モード同期周波数を周波数カウンターでモニタリングする。
また、本発明のテラヘルツ分光計測装置では、図11,図12、図13に示したレーザー制御手法を用いることによって、フェムト秒レーザー1とフェムト秒レーザー2のモード同期周波数の差を一定に保ったまま、各々のモード同期周波数をシフトできるモード同期周波数チューニング制御を行う。
モード同期周波数チューニング制御によって、テラヘルツ・コムの各コム・モードを横ずらししたスペクトルを取得することができ、同様にメモリに記憶される。そして、複数個取得したテラヘルツ・コムを合成して、テラヘルツ・コムの間隙がコム・モード線幅間隔で補間された超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する。
実施例1のテラヘルツ分光計測装置では、フェムト秒レーザー1(モード同期エルビウム・ファイバーレーザー、中心波長1550nm、モード同期周波数(f1)56.124MHz、パルス幅50fs)とフェムト秒レーザー2(モード同期エルビウム・ファイバーレーザー、中心波長1550nm、モード同期周波数(f2)56.124MHz+2Hz、パルス幅50fs)を用いている。
フェムト秒レーザー1とフェムト秒レーザー2のモード同期周波数はほぼ同じである。テラヘルツ・パルス(ポンプ光)発生用にフェムト秒レーザー1、テラヘルツ・パルス検出用プローブパルス光にフェムト秒レーザー2をそれぞれ用いた。そして、両レーザーのモード同期周波数およびモード同期周波数の差が一定値となるように安定化制御を行った。さらに、両レーザーのモード同期周波数の差(=2Hz)が一定値となるように安定化制御を行いながらフェムト秒レーザー1のモード同期周波数(f1)およびフェムト秒レーザー2のモード同期周波数(f2)を同期させながらチューニング制御した。
ここで、フェムト秒光サンプリング光源で生成したテラヘルツ・パルスとプローブパルス光のモード同期周波数はわずかに異なるため、機械式時間遅延走査無しでテラヘルツ・パルス列の電場時間波形を高速サンプリング測定することが可能となる。
Claims (9)
- レーザーパルスの繰り返し周波数(モード同期周波数)がわずかに異なる2台のフェムト秒レーザー手段と、2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数が安定化され、かつ、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持するように2台のフェムト秒レーザー手段を制御するモード同期周波数制御手段と、一方のフェムト秒レーザーの出力光を励起光として用い、光伝導アンテナ若しくは非線形光学結晶を用いて、テラヘルツ電磁波パルスを放射するテラヘルツ波放射手段と、テラヘルツ波放射手段から放射されたテラヘルツ電磁波パルスを測定用試料に照射し、測定用試料で影響を受けたテラヘルツ電磁波パルスを導くためのテラヘルツ波光学系手段と、他方のフェムト秒レーザーの出力光をプローブパルス光として用い、テラヘルツ電磁波パルスとプローブパルス光とを入射し、光伝導アンテナ若しくは電気光学サンプリング法を用いて、テラヘルツ電磁波パルスの電場時間波形を検出するテラヘルツ波検出手段と、前記2台のフェムト秒レーザー手段の出力光の一部を抜き出し、時間原点信号を生成するトリガー信号生成手段と、テラヘルツ波検出手段から出力される微弱電気信号を増幅し、前記時間原点信号に同期してテラヘルツ電磁波パルスの信号波形を検出することにより信号波形を測定する信号波形測定手段と、を備えるテラヘルツ分光計測装置において、
a)前記信号波形測定手段が、単一のテラヘルツ電磁波パルスではなく、複数の連続したテラヘルツ電磁波パルスの電場時間波形を取得し、その電場時間波形を周波数領域にフーリエ変換することにより、モード同期周波数の基本波成分と多数の高調波成分からなる周波数モード列が等間隔に並ぶテラヘルツ離散マルチスペクトルを取得するスペクトル取得手段と、
b)前記2台のフェムト秒レーザー手段の各々のモード同期周波数を、モード同期周波数の差が所定の一定値を保持したままシフトさせるモード同期周波数チューニング制御手段と、
c)前記モード同期周波数チューニング制御手段により周波数モード列の間隙を補完するようにテラヘルツ離散マルチスペクトルを多段階に周波数シフトさせた場合の各々のテラヘルツ離散マルチスペクトルを記憶する記憶手段と、
d)前記記憶手段に記憶されている各テラヘルツ離散マルチスペクトルを合成し超微細テラヘルツ・スペクトルを生成する手段と、
を備えたことを特徴とするテラヘルツ分光計測装置。 - 前記モード同期周波数チューニング制御手段において、モード同期周波数のシフト量は、前記テラヘルツ離散マルチスペクトルにおける周波数モードのスペクトル線幅であること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 前記2台のフェムト秒レーザー手段は、ファイバーレーザー、チタンサファイアレーザー、若しくは、ネオジウム・ガラスレーザーを用いること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 前記信号波形測定手段において、前記テラヘルツ電磁波パルス列は、5〜10000周期のテラヘルツ電磁波パルスの信号波形を同時に取得するものであること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のテラヘルツ分光計測装置において、
(e)前記信号波形測定手段から出力される時間波形信号の時間軸スケール変換を行い、それをフーリエ変換することによって得られるフーリエスペクトル(振幅と位相の周波数スペクトル)から前記測定用試料の周波数分析情報を求める信号解析手段を更に備えたことを特徴とするテラヘルツ分光計測装置。 - 前記2台のフェムト秒レーザー手段を制御する前記モード同期周波数チューニング制御手段において、各レーザーのモード同期周波数を独立して制御すること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 前記2台のフェムト秒レーザー手段を制御する前記モード同期周波数チューニング制御手段において、一方のレーザーはモード同期周波数を制御し、他方のレーザーは両レーザーの差周波を一定に制御すること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 前記2台のフェムト秒レーザー手段を制御する前記モード同期周波数チューニング制御手段において、一方のレーザーのモード同期周波数を連続的に高速走査しながら、他方のレーザーは両レーザーの差周波を一定に制御すること特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ分光計測装置。
- 前記モード同期周波数は、周波数カウンターでモニタリングすること特徴とする請求項8に記載のテラヘルツ分光計測装置。
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