JP5469474B2 - 単発テラヘルツ波時間波形計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象物で発生，透過または反射するテラヘルツ波の時間波形を測定し、その測定対象物の特性を評価する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〜１０００ＴＨｚ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、測定対象物で発生，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。

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）から出力された光パルスは、分岐部により２分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。そのうちポンプ光パルスはテラヘルツ波発生用の非線形光学結晶に入力されて、これにより、この非線形光学結晶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、測定対象部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、合波部によりプローブ光パルスと合波され、プローブ光パルスと略同一タイミングでテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶に入射される。

テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。そこで、分岐部と合波部との間のプローブ光パルスの光路上に偏光子が設けられるとともに、非線形光学結晶の出力側に検光子が設けられて、この検光子を透過したプローブ光パルスの強度が検出されることで、非線形光学結晶におけるプローブ光パルス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、測定対象物の特性が得られる。このように、テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、パルステラヘルツ波がテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶上で引き起こす電気光学効果を利用するものである。

また、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、プローブ光パルス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パルスのパルス幅は数桁狭い。このことから、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶へのプローブ光パルス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。

しかしながら、上記の測定対象物の情報の測定技術では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得る為に、光源から多数の光パルスが出力されて、各パルスについて非線形光学結晶へのプローブ光パルスの入射タイミングが設定される必要があることから、所要時間が長い。このような問題点を解決することを意図した発明が特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された発明は、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とし、この非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を光検出器により検出することで、光源からの単発の光パルスによりパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るものである。このとき、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は、光検出器により空間的な像として得られる。

特開２００８−０９６２１０号公報

特許文献１に開示された発明では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くするには、プローブ光パルスのビーム径を大きくするとともに、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶として大きなものを用いることが必要である。

しかしながら、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶における単位面積当りのプローブ光パルスの強度が低下して、テラヘルツ波の検出感度が低下する。また、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、それに合わせて大きなテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いる必要がある。

テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶（例えば、ＺｅＴｅ結晶）の結晶性がよいものは、入手が困難であり且つ高価である。特に、大きく且つ結晶性がよい非線形光学結晶は、尚更、入手が困難であり且つ高価である。また、大きなテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いると、結晶性の悪さに起因してテラヘルツ波の検出感度にバラツキが生じ、光検出器により得られる結果が歪んでしまう。

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、小さいテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いた場合にも単発の光パルスにより得られるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くすることができる単発テラヘルツ波時間波形計測装置を提供することを目的とする。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、(1) テラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを出力する非線形光学結晶と、(2) プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、(3) パルス面傾斜部と非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、パルス面傾斜部によってパルス面を傾斜されたプローブ光パルスのビーム径を縮小するビーム径調整光学系と、(4) 非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、パルス面傾斜部が、光源から出力された後にビーム径を拡大されたプローブ光パルスを入力して、そのプローブ光パルスのパルス面を傾斜させてもよい。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置では、プローブ光パルスは、パルス面傾斜
部によりパルス面が傾斜された後、ビーム径調整光学系によりビーム径が縮小されて、テ
ラヘルツ波とともに非線形光学結晶に入力される。非線形光学結晶に入力される際のテラ
ヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面は互いに非平行とされる。テラヘル
ツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶では、テラヘルツ波の伝搬に伴
い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。光検出
器により、非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状
態変化の分布が検出される。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶へ出力する合波部を更に備え、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と合波部との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていてもよい。また、本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶へ出力する合波部を更に備え、ビーム径調整光学系が合波部と非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていてもよい。後者の場合、ビーム径調整光学系は、合波部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整することができるだけでなく、合波部から出力されたテラヘルツ波のビーム径をも調整することができる。また、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と非線形光学結晶との間に結像関係を有していてもよい。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、非線形光学結晶と光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このプローブ光パルスビーム径変更光学系が非線形光学結晶と光検出器との間に結像関係を有していてもよい。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更するテラヘルツ波ビーム径変更光学系と、を更に備えていてもよい。このテラヘルツ波ビーム径変更光学系が、テラヘルツ波発生部から出力されるテラヘルツ波の光路上に設けられた測定対象物と非線形光学結晶との間に結像関係を有していてもよい。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波発生部に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更するポンプ光パルスビーム径変更光学系と、を更に備えていてもよい。このポンプ光パルスビーム径変更光学系による像面がテラヘルツ波発生部に位置していてもよい。

本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、(a) 測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、(b) ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを測定対象物に集光照射することにより測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、(c) 非線形光学結晶にテラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、(d) 光検出器が、ポンプ光パルス照射部による測定対象物への各集光照射位置について、非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出してもよい。

本発明によれば、小さいテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いた場合にも、単発の光パルスにより得られるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くすることができる。

比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成図である。 パルス面傾斜部３２の一構成例を示す図である。 非線形光学結晶４２におけるテラヘルツ波およびプローブ光パルスの伝播の様子を示す図である。 第１実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の要部構成図である。 ビーム径調整光学系３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜の変化を説明する図である。 第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２の要部構成図である。 第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の要部構成図である。 第４実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置４の要部構成図である。 第５実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置５の要部構成図である。 第６実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置６の要部構成図である。 第７実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置７の要部構成図である。

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の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、先ず比較例の構成について説明し、その後に、この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。

（比較例）

図１は、比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１は、テラヘルツ波を用いて測定対象物９の情報を取得するものであって、光源１１、ビーム径調整部１２、分岐部１３、テラヘルツ波発生部２１、光路長差調整部３１、パルス面傾斜部３２、偏光子３３、合波部４１、非線形光学結晶４２、検光子４３、光検出器４４およびミラーＭ１〜Ｍ８を備える。

光源１１は、光パルス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。ビーム径調整部１２は、光源１１から出力された光パルスを入力して、その光パルスのビーム径を拡大して出力する。このビーム径拡大調整に際しては、テラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのビーム径が互いに等しくなるようにし、或いは、プローブ光パルスのビーム径よりテラヘルツ波のビーム径が大きくなるようにする。また、これらのビーム径は、テラヘルツ波発生部２１や非線形光学結晶４２の大きさを目安として拡大される。

分岐部１３は、例えばビームスプリッタであり、ビーム径調整部１２から出力された光パルスを２分岐して、その２分岐した光パルスのうち一方をポンプ光パルスとしてミラーＭ１へ出力し、他方をプローブ光パルスとしてミラーＭ４へ出力する。

分岐部１３から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。なお、分岐部１３からテラヘルツ波発生部２１に到るまでのポンプ光パルスの光学系を、以下では「ポンプ光パルス光学系」という。

テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルス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、光アンテナ素子、半導体および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生部２１が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光パルス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。

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〜１０００ＴＨｚ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のパルス幅は数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、試料台９１上に置かれた測定対象物９を透過することで測定対象物９の情報（例えば、吸収係数、屈折率）を取得し、その後、合波部４１に入力される。測定対象物９は、試料台９１上に置かれていて、この試料台９１の移動によりパルステラヘルツ波入射位置が調整され得る。なお、テラヘルツ波発生部２１から合波部４１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１３から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、パルス面傾斜部３２および偏光子３３を通過して、合波部４１に入力される。偏光子３３はパルス面傾斜部３２の後段に設けられてもよい。パルス面傾斜部３２は、ミラーＭ８により反射されて到達したプローブ光パルスを入力して、そのプローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、非線形光学結晶４２に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とする。パルス面とは、ある瞬間において、光パルスのビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。なお、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルスの光学系を、以下では「プローブ光パルス光学系」という。

４個のミラーＭ４〜Ｍ７は光路長差調整部３１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、プローブ光パルス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３１は、分岐部１３から合波部４１に到るまでのポンプ光パルス光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部１３から合波部４１に到るまでのプローブ光パルス光学系の光路長との差を、調整することができる。

合波部４１は、テラヘルツ波発生部２１から出力され測定対象物９で透過したテラヘルツ波と、分岐部１３から出力されて到達したプローブ光パルスとを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶４２へ出力する。この合波部４１はペリクルであるのが好適である。

非線形光学結晶４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。光検出器４４は、非線形光学結晶４２から出力され検光子４３を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３３，検光子４３および光検出器４４は、非線形光学結晶４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。

図２は、パルス面傾斜部３２の一構成例を示す図である。この図に示されるパルス面傾斜部３２は、プリズムを含み、プリズムの第１面にプローブ光パルスを入力し、その入力したプローブ光パルスをプリズムの内部で伝播させた後に、プリズムの第２面から外部へ出力する。これにより、プリズムの第１面に入力される前のプローブ光パルスのパルス面が主光線に垂直であったのに対して、プリズムの第２面から出力された後のプローブ光パルスのパルス面は、主光線に垂直な面に対して傾斜することになる。なお、プリズムに替えて、例えば、グリズム，反射型回折格子，透過型回折格子または空間光変調器を用いても、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させることができる。

パルス面傾斜部３２によるパルス面の時間的な傾斜の程度は、パルステラヘルツ波を検出する際の測定時間範囲となる。したがって、パルステラヘルツ波の時間幅がおよそ数ピコ秒であることから、プローブ光パルスのパルス面は時間的に数ピコ秒以上の傾斜をもたせるのが好ましい。

図３は、非線形光学結晶４２におけるテラヘルツ波およびプローブ光パルスの伝播の様子を示す図である。この図に示されるように、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、プローブ光パルス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パルスのパルス幅は数桁狭く、しかも、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光パルスのパルス面が傾斜している。

この比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１は以下のように動作する。光源１１から出力された光パルスは、ビーム径調整部１２によりビーム径が拡大された後に分岐部１３に入力され、分岐部１３により２分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。分岐部１３から出力されたポンプ光パルスは、ミラーＭ１〜Ｍ３により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部２１に入力される。テラヘルツ波発生部２１では、ポンプ光パルスの入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部９を透過して合波部４１に入力される。一方、分岐部１３から出力されたプローブ光パルスは、ミラーＭ４〜Ｍ８により順次に反射され、パルス面傾斜部３２によりパルス面が傾斜され、偏光子３３により直線偏光とされ、合波部４１に入力される。

合波部４１に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスは、合波部４１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非線形光学結晶４２に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶４２では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。そして、この非線形光学結晶４２におけるプローブ光パルスの偏光状態は、プローブ光パルス光学系の光路上に設けられた偏光子３３、非線形光学結晶４２の出力側に設けられた検光子４３、および、この検光子４３を透過したプローブ光パルスの強度を検出する光検出器４４により、光強度として検出される。このようにして、非線形光学結晶４２におけるプローブ光パルス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９の特性が得られる。

この比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１では、テラヘルツ波発生部２１から出力されたパルステラヘルツ波は、通常、センチメートルからミリメートルのビーム径を持っている。これを検出するプローブ光パルスも同程度のビーム径とする。プローブ光パルスのパルス面がパルステラヘルツ波の時間幅と同程度の傾斜を持っていた場合、図３に示されるように、プローブ光パルスはパルステラヘルツ波と空間的に斜めに重なる。すなわち、プローブ光パルスおよびパルステラヘルツ波の伝播方向（つまり、時間方向）ではパルス面の傾斜によりプローブ光パルスはパルステラヘルツ波の全ての点で重なっているが、伝播方向に対して垂直方向ではビーム径の範囲で位置が異なっている。このことから、１次元または２次元の光強度分布を検出できる光検出器４４を用いることにより、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化（時間情報）をプローブ光パルスのビーム断面での光強度分布（空間情報）に置き換え、この空間情報を検出することができる。

このように、比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１は、時間情報を空間情報に変換し、その空間情報を光検出器４４により検出して、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化（時間情報）を測定することができる。

この単発テラヘルツ波時間波形計測装置１０１では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くするには、プローブ光パルスのビーム径を大きくするとともに、大きな非線形光学結晶４２を用いることが必要である。しかしながら、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、非線形光学結晶４２における単位面積当りのプローブ光パルスの強度が低下して、テラヘルツ波の検出感度が低下する。また、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、それに合わせて大きな非線形光学結晶４２を用いる必要がある。非線形光学結晶４２の結晶性がよいものは、入手が困難であり且つ高価である。特に、大きく且つ結晶性がよい非線形光学結晶４２は、尚更、入手が困難であり且つ高価である。また、大きな非線形光学結晶４２を用いると、結晶性の悪さに起因してテラヘルツ波の検出感度にバラツキが生じ、光検出器により得られる結果が歪んでしまう。以下に説明する実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、このような問題点を解消し得るものである。

（第１実施形態）

図４は、第１実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１の要部構成図である。この図では、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

第１実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１では、プローブ光パルスとテラヘルツ波とを合波する合波部が設けられていない。プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、非線形光学結晶４２に対して互いに異なる面に入射する。

単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、パルス面傾斜部３２と非線形光学結晶４２との間のプローブ光パルスの光路上に、プローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系３４を備えている。ビーム径調整光学系３４は、レンズ３４Ａおよびレンズ３４Ｂを含む。前段のレンズ３４Ａの後側焦点位置と後段のレンズ３４Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。前段のレンズ３４Ａの焦点距離より後段のレンズ３４Ｂの焦点距離を短くすることで、ビーム径調整光学系３４に入力されるプローブ光パルスのビーム径より、ビーム径調整光学系３４から出力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることができる。

図５は、ビーム径調整光学系３４によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜の変化を説明する図である。この図に示されるように、パルス面傾斜部３２に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ１は光軸に垂直であるが、パルス面傾斜部３２から出力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ２は光軸に垂直な面に対して傾斜する。ビーム径調整光学系３４の入力光のビーム径に対して出力光のビーム径が変化すると、ビーム径調整光学系３４に入力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ２の傾斜角度に対して、ビーム径調整光学系３４から出力されるプローブ光パルスのパルス面Ｓ３の傾斜角度も変化するが、時間方向は変化しない。ビーム径調整光学系３４から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔ２は、ビーム径調整光学系３４に入力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲Ｔ１と変わらない。すなわち、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波の測定時間範囲は、プローブ光パルス光学系におけるビーム径調整光学系３４の有無によっては変わらない。

したがって、図４に示される構成の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１は、ビーム径調整光学系３４を備えて、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶４２に入力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることにより、テラヘルツ波の測定時間範囲を保ったまま、より小さな非線形光学結晶４２を用いることができる。小さな非線形光学結晶４２を用いることで、結晶性の悪さに起因するテラヘルツ波検出感度のバラつきによる単発テラヘルツ波時間波形計測における計測誤差を抑制することができる。また、小さな非線形光学結晶４２を用いることで、単発テラヘルツ波時間波形計測を用いた装置を小型かつ安価にすることができる。

ビーム径調整光学系３４は、レンズ対により構成されてもよいし、曲面ミラー対により構成されてもよい。偏光子３３は、パルス面傾斜部３２の前段に設けられてもよいし、パルス面傾斜部３２の後段に設けられてもよい。また、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、非線形光学結晶４２の共通の面に非同軸で入射してもよい。

ビーム径調整光学系３４は、パルス面傾斜部３２と非線形光学結晶４２との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径調整光学系３４は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、ビーム径調整光学系３４は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、テラヘルツ波のビーム径に合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。

例えば、テラヘルツ波がガウシアン型である場合のように、テラヘルツ波がビーム面内に強度分布を有する状態で非線形光学結晶４２に達した場合、テラヘルツ波のビーム径よりプローブ光パルスのビーム径を小さくすることで、テラヘルツ波強度が強い中心部分のみをプローブ光パルスにより検出することができ、感度が高く且つ定量性が高い単発テラヘルツ波時間波形計測が可能となる。

（第２実施形態）

図６は、第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２では、プローブ光パルスとテラヘルツ波とを互いに同軸となるように合波する合波部４１が設けられている。プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、互いに同軸となって非線形光学結晶４２に入射する。

単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は、パルス面傾斜部３２と合波部４１との間のプローブ光パルスの光路上に、プローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系３４を備えている。

第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２は、第１実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置１と略同様に動作し同様の効果を奏することができる。第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２においても、ビーム径調整光学系３４は、パルス面傾斜部３２と非線形光学結晶４２との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径調整光学系３４は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましい。また、ビーム径調整光学系３４は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。

（第３実施形態）

図７は、第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

この図７に示される第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３は、図６に示された第２実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置２の構成に加えて、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５を更に備える。

プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、非線形光学結晶４２と光検出器４４との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更（拡大または縮小）する。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、レンズ４５Ａおよびレンズ４５Ｂを含む。前段のレンズ４５Ａの後側焦点位置と後段のレンズ４５Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、前段のレンズ４５Ａの焦点距離と後段のレンズ４５Ｂの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。

光検出器４４の画素数は、計測するテラヘルツ波時間波形の時間分解能に対応する。光検出器により画素数や画素ピッチが異なるので、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５を設けることにより、所望の時間分解能で計測することができる。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、プローブ光パルスのビーム断面における垂直方向と水平方向とで独立したビーム径変更であってもよい。検光子４３は、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の前段に設けられてもよいし、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５の後段に設けられてもよい。

プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、非線形光学結晶４２と光検出器４４との間に結像関係を有するのが好ましい。プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、プローブ光パルスビーム径変更光学系４５は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、光検出器４４の受光面のサイズに合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。

（第４実施形態）

図８は、第４実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置４の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

この図８に示される第４実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置４は、図７に示された第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の構成に加えて、テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２を更に備える。

テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と合波部４１との間のテラヘルツ波の光路上に設けられ、テラヘルツ波発生部２１から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更する。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、レンズ２２Ａおよびレンズ２２Ｂを含む。前段のレンズ２２Ａの後側焦点位置と後段のレンズ２２Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、前段のレンズ２２Ａの焦点距離と後段のレンズ２２Ｂの焦点距離との比に応じて、テラヘルツ波のビーム径を変更することができる。

テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２によりテラヘルツ波のビーム径を縮小すると、非線形光学結晶４２上におけるテラヘルツ波の強度が高くなり、検出される信号の強度が増大する。逆に、テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２によりテラヘルツ波のビーム径を拡大すると、非線形光学結晶４２上におけるテラヘルツ波ビーム中の中心部分のみを検出することになり、テラヘルツ波のビーム面内の強度分布の影響を除くことができる。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２を縮小光学系とするか拡大光学系とするかは、用途によって決定される。

テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、測定対象物９と非線形光学結晶４２との間に結像関係を有するのが好ましい。テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば４ｆ光学系となっているのが好ましい。

また、テラヘルツ波ビーム径変更光学系２２は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム径に合わせて最適なテラヘルツ波のビーム径を設定することができる。

（第５実施形態）

図９は、第５実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置５の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

この図９に示される第５実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置５は、図７に示された第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の構成においてビーム径調整光学系３４に替えてビーム径調整光学系４６を備える。

ビーム径調整光学系４６は、合波部４１と非線形光学結晶４２との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていて、合波部４１から互いに同軸とされて出力されたプローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整する。ビーム径調整光学系４６は、レンズ４６Ａおよびレンズ４６Ｂを含む。前段のレンズ４６Ａの後側焦点位置と後段のレンズ４６Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。前段のレンズ４６Ａの焦点距離より後段のレンズ４６Ｂの焦点距離を短くすることで、ビーム径調整光学系４６に入力されるプローブ光パルスのビーム径より、ビーム径調整光学系４６から出力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることができ、また、ビーム径調整光学系４６に入力されるテラヘルツ波のビーム径より、ビーム径調整光学系４６から出力されるテラヘルツ波のビーム径を小さくすることができる。

ビーム径調整光学系４６は、第４実施形態におけるビーム径調整光学系３４とテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２とを兼ねたものに相当する。ビーム径調整光学系４６を構成するレンズ４６Ａおよびレンズ４６Ｂそれぞれは、テラヘルツ波およびプローブ光パルスの双方に対して透明であって、また、双方に対して略同等の屈折率を有する材質からなるのが好ましい。

（第６実施形態）

図１０は、第６実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置６の要部構成図である。この図では、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部２１の前段部分より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

この図１０に示される第６実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置６は、図７に示された第３実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置３の構成に加えて、ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３を備える。

ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３は、分岐部１３とテラヘルツ波発生部２１との間のポンプ光パルス光学系の途中に設けられ、テラヘルツ波発生部２１に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更する。ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３は、レンズ２３Ａおよびレンズ２３Ｂを含む。前段のレンズ２３Ａの後側焦点位置と後段のレンズ２３Ｂの前側焦点位置とは互いに一致している。

ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３は、前段のレンズ２３Ａの焦点距離と後段のレンズ２３Ｂの焦点距離との比に応じて、ポンプ光パルスのビーム径を変更することができる。そして、テラヘルツ波発生部２１に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更することにより、テラヘルツ波発生部２１から出力されるテラヘルツ波のビーム径を変更することができる。

ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３による像面はテラヘルツ波発生部２１に位置するのが好ましい。ポンプ光パルスビーム径変更光学系２３は、第４実施形態におけるテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２と共に用いられてもよい。

（第７実施形態）

図１１は、第７実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置７の要部構成図である。この図では、ポンプ光パルスおよびテラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部としての測定対象物９の前段部分より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部３２より以降の光学系が示されている。

この図１１に示される第７実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置７は、図８に示された第４実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置４の構成において測定対象物９がテラヘルツ波発生部２１を兼ねることとし、また、レンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６を備える。

ポンプ光パルス光学系に設けられたレンズ２４，ＩＴＯ膜付き光学板２５および対物レンズ２６は、測定対象物９に対してポンプ光パルスを集光照射するポンプ光パルス照射部を構成する。その測定対象物９における当該集光照射位置は２次元走査される。集光照射位置の走査は、測定対象物９を走査することにより行われてもよいし、レンズ２４に入射されるポンプ光パルスの主光線を走査することにより行われてもよい。

測定対象物９は、例えば半導体デバイスであって、ポンプ光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。そのテラヘルツ波は、対物レンズ２６，ＩＴＯ膜付き光学板２５およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系２２を経て合波部４１に入力される。

合波部４１は、ポンプ光パルスが測定対象物９に集光照射されることにより測定対象物９で発生したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系３４から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶４２へ出力する。

非線形光学結晶４２は、合波部４１から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子４３へ出力する。

光検出器４４は、非線形光学結晶４２から出力され検光子４３およびプローブ光パルスビーム径変更光学系４５を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子３３，検光子４３および光検出器４４は、測定対象物９へのポンプ光パルスの各集光照射位置について、非線形光学結晶４２から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の１次元分布または２次元分布を検出する。

この第７実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置７は、いわゆるレーザテラヘルツエミッション顕微鏡（LaserTerahertz Emission Microscopy: ＬＴＥＭ）を構成している。ＬＴＥＭは、例えば半導体デバイスである測定対象物の電界分布を非接触で測定することができる。

本発明をＬＴＥＭに適用することができる。これにより、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波時間波形の歪みを抑制することができ、精度が高いＬＴＥＭシステムを構築することができる。

１〜７…単発テラヘルツ波時間波形計測装置、９…測定対象物、１１…光源、１２…ビーム径調整部、１３…分岐部、２１…テラヘルツ波発生部、２２…テラヘルツ波ビーム径変更光学系、２３…ポンプ光パルスビーム径変更光学系、３１…光路長差調整部、３２…パルス面傾斜部、３３…偏光子、３４…ビーム径調整光学系、４１…合波部、４２…非線形光学結晶、４３…検光子、４４…光検出器、４５…プローブ光パルスビーム径変更光学系、４６…ビーム径調整光学系、Ｍ１〜Ｍ８…ミラー。

Claims (12)

1. テラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを出力する非線形光学結晶と、
   プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、前記非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、
   前記パルス面傾斜部と前記非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、前記パルス面傾斜部によってパルス面を傾斜されたプローブ光パルスのビーム径を縮小するビーム径調整光学系と、
   前記非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する光検出器と、
   を備えることを特徴とする単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
2. 前記パルス面傾斜部が、光源から出力された後にビーム径を拡大されたプローブ光パルスを入力して、そのプローブ光パルスのパルス面を傾斜させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
3. テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して前記非線形光
   学結晶へ出力する合波部を更に備え、
   前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記合波部との間のプローブ光パルス
   の光路上に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
4. テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して前記非線形光
   学結晶へ出力する合波部を更に備え、
   前記ビーム径調整光学系が前記合波部と前記非線形光学結晶との間のプローブ光パルス
   の光路上に設けられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
5. 前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記非線形光学結晶との間に結像関係
   を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
6. 前記非線形光学結晶と前記光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そ
   のプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備
   える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
7. 前記プローブ光パルスビーム径変更光学系が前記非線形光学結晶と前記光検出器との間
   に結像関係を有する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
8. ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と
   、
   前記テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更するテラヘルツ
   波ビーム径変更光学系と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
9. 前記テラヘルツ波ビーム径変更光学系が、前記テラヘルツ波発生部から出力されるテラ
   ヘルツ波の光路上に設けられた測定対象物と前記非線形光学結晶との間に結像関係を有す
   る、
   ことを特徴とする請求項８に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
10. ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と
    、
    前記テラヘルツ波発生部に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更するポンプ光パ
    ルスビーム径変更光学系と、
    を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
11. 前記ポンプ光パルスビーム径変更光学系による像面が前記テラヘルツ波発生部に位置す
    る、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。
12. 測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに前記測定対象物における当
    該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、
    前記ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを前記測定対象物に集光照射すること
    により前記測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、
    前記非線形光学結晶に前記テラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、
    前記光検出器が、前記ポンプ光パルス照射部による前記測定対象物への各集光照射位置
    について、前記非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏
    光状態変化の分布を検出する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。