JP5550521B2 - Total reflection spectrometer - Google Patents

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Description

本発明は、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測装置に関する。   The present invention relates to a total reflection spectroscopic measurement apparatus using a terahertz wave.

従来、テラヘルツ波を用いた全反射分光計測法に関連する技術として、例えば特許文献１に記載の全反射分光計測装置がある。この全反射分光計測装置では、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ている。このような内部全反射プリズムとテラヘルツ波発生素子とテラヘルツ波検出素子とを一体化した一体型プリズムを用いる場合、全反射分光計測装置を小型化しつつ、高い効率でテラヘルツ波の発生を検出できるという利点がある。   Conventionally, as a technique related to a total reflection spectroscopic measurement method using a terahertz wave, there is a total reflection spectroscopic measurement apparatus described in Patent Document 1, for example. In this total reflection spectroscopic measurement apparatus, a terahertz wave generating element is integrally provided on the incident surface of the internal total reflection prism, and a terahertz wave detecting element is integrally provided on the emission surface of the internal total reflection prism. When an integrated prism that integrates such an internal total reflection prism, a terahertz wave generation element, and a terahertz wave detection element is used, the generation of terahertz waves can be detected with high efficiency while downsizing the total reflection spectroscopic measurement device. There are advantages.

特開２００８−２２４４４９号公報JP 2008-224449 A

F. Blanchard, L. Razzari, H.-C. Bandulet,G. Sharma1, R. Morandotti, J.-C.Kieffer, T. Ozaki1, M. Reid, H. F. Tiedje, H.K. Haugen, and F. A. Hegmann, "Generation of 1.5 J single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal”,Opt. Exp. 15 13212 (2007)F. Blanchard, L. Razzari, H.-C. Bandulet, G. Sharma1, R. Morandotti, J.-C. Kieffer, T. Ozaki1, M. Reid, HF Tiedje, HK Haugen, and FA Hegmann, "Generation of 1.5 J single-cycle terahertz pulses by optical rectification from a large aperture ZnTe crystal ”, Opt. Exp. 15 13212 (2007) Q. Chen, M. Tani, Zhiping Jiang, and X.-C.Zhang, "Electro-optic transceivers for terahertz-wave applications”, J.Opt. Soc. Am. B 18 823 (2001)Q. Chen, M. Tani, Zhiping Jiang, and X.-C.Zhang, "Electro-optic transceivers for terahertz-wave applications", J.Opt. Soc. Am. B 18 823 (2001)

ところで、上述したような一体型プリズムを用いる場合、内部全反射プリズムの入射面に対するテラヘルツ波発生素子の位置決め、及び出射面に対するテラヘルツ波検出素子の位置決めが重要となる。特に、テラヘルツ波発生素子として非線形光学結晶を用いる場合、及びテラヘルツ波検出素子として電気光学結晶を用いる場合、レーザ光の偏光に対して各結晶の方位角を適切に選択する必要がある（例えば非特許文献１，２参照）。しかしながら、一般に製造されている非線形光学結晶及び電気光学結晶は、［０，０，１］方向や［−１，１，０］といった基本的な結晶方位を基準に製造されていることが多い。このため、目視で角度を調整しながら結晶を内部全反射プリズムに固定しようとして角度のずれが生じると、全反射面に対するテラヘルツ波の偏光の条件が変化し、分光計測結果の精度が低下してしまうおそれがある。   By the way, when using the integrated prism as described above, it is important to position the terahertz wave generating element with respect to the incident surface of the internal total reflection prism and to position the terahertz wave detecting element with respect to the exit surface. In particular, when a nonlinear optical crystal is used as the terahertz wave generating element and when an electro-optic crystal is used as the terahertz wave detecting element, it is necessary to appropriately select the azimuth angle of each crystal with respect to the polarization of the laser light (for example, non- (See Patent Documents 1 and 2). However, non-linear optical crystals and electro-optical crystals that are generally manufactured are often manufactured based on basic crystal orientations such as [0, 0, 1] direction and [-1, 1, 0]. For this reason, if an angle shift occurs when the crystal is fixed to the internal total reflection prism while adjusting the angle with the naked eye, the condition of polarization of the terahertz wave with respect to the total reflection surface changes, and the accuracy of the spectroscopic measurement results decreases. There is a risk that.

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な構成でレーザ光の偏光に対して結晶の方位を合わせることができ、適切な分光計測結果を得ることができる全反射分光計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. The total reflection spectroscopy enables the crystal orientation to be aligned with the polarization of the laser beam with a simple configuration and obtains an appropriate spectroscopic measurement result. It aims at providing a measuring device.

上記課題の解決のため、本発明に係る全反射分光計測装置は、レーザ光を出射する光源と、光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、分岐部で分岐したポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生用非線形光学結晶と、テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させると共に反射面で全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、内部全反射プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波と、分岐部で分岐したプローブ光とが入射し、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用電気光学結晶と、を備え、内部全反射プリズムの反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、内部全反射プリズムの入射面及び出射面には、レーザ光の偏光に対して非線形光学結晶及び電気光学結晶の方位角を定める角度決め用の段差部がそれぞれ設けられ、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶は、段差部に突き当てられた状態で入射面に固定され、テラヘルツ波検出用電気光学結晶は、段差部に突き当てられた状態で出射面に固定されていることを特徴としている。   In order to solve the above problems, a total reflection spectroscopic measurement device according to the present invention includes a light source that emits laser light, a branching unit that branches the laser light emitted from the light source into pump light and probe light, and a branching unit. It has a terahertz wave generation nonlinear optical crystal that generates terahertz waves by the incidence of branched pump light, and a terahertz wave entrance surface and an exit surface. The terahertz waves incident from the entrance surface are propagated inside and all reflected on the reflection surface. The internal total reflection prism that is reflected and output from the output surface, the terahertz wave output from the output surface of the internal total reflection prism, and the probe light branched at the branching portion are incident, and the correlation between the terahertz wave and the probe light And a terahertz wave detecting electro-optic crystal for detecting terahertz information on an optical constant of an object to be measured disposed on the reflection surface of the total internal reflection prism. A total reflection spectroscopic measurement device that acquires the evanescent component of the terahertz wave generated at the time of total internal reflection, and includes a nonlinear optical crystal and an electric current on the incident surface and the output surface of the internal total reflection prism with respect to the polarization of the laser light. Step portions for determining the azimuth angle of the optical crystal are provided, and the non-linear optical crystal for generating the terahertz wave is fixed to the incident surface while being abutted against the step portion, and the electro-optical crystal for detecting the terahertz wave is Further, it is characterized in that it is fixed to the emission surface in a state of being abutted against the stepped portion.

この全反射分光計測装置では、段差部への突き当てによって、内部全反射プリズムの入射面におけるポンプ光の偏光に対するテラヘルツ波発生用非線形光学結晶の方位角の角度決め、及び出射面におけるテラヘルツ波及びプローブ光の偏光に対するテラヘルツ波検出用電気光学結晶の方位角の角度決めを簡単な構成で精度良く行うことができる。これにより、全反射面に対するテラヘルツ波の偏光の条件を設定どおりに合わせることが可能となり、適切な分光計測結果を得ることができる。   In this total reflection spectroscopic measurement device, the azimuth angle of the nonlinear optical crystal for generating the terahertz wave with respect to the polarization of the pump light on the incident surface of the internal total reflection prism is determined by abutting on the stepped portion, and the terahertz wave on the output surface and The azimuth angle of the terahertz wave detecting electro-optic crystal with respect to the polarization of the probe light can be accurately determined with a simple configuration. Thereby, it becomes possible to adjust the polarization condition of the terahertz wave with respect to the total reflection surface as set, and an appropriate spectroscopic measurement result can be obtained.

また、内部全反射プリズムの入射面と反射面との間には、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生したテラヘルツ波を反射面に向けて平行光化する光学面が設けられていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生したテラヘルツ波を発散させずに反射面に入射させることができる。   Further, it is preferable that an optical surface for collimating the terahertz wave generated by the terahertz wave generating nonlinear optical crystal toward the reflecting surface is provided between the incident surface and the reflecting surface of the internal total reflection prism. . Thereby, the terahertz wave generated in the nonlinear optical crystal for generating the terahertz wave can be incident on the reflecting surface without diverging.

また、内部全反射プリズムの反射面と出射面との間には、反射面で全反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出用電気光学結晶に向けて集光する光学面が更に設けられていることが好ましい。これにより、テラヘルツ波検出用電気光学結晶における検出信号の強度を一層十分に確保できる。   Further, an optical surface for condensing the terahertz wave totally reflected by the reflecting surface toward the terahertz wave detecting electro-optic crystal is further provided between the reflecting surface and the emitting surface of the internal total reflection prism. preferable. As a result, the intensity of the detection signal in the terahertz wave detecting electro-optic crystal can be more sufficiently secured.

本発明に係る全反射分光計測装置によれば、簡単な構成でレーザ光の偏光に対して結晶の方位を合わせることができ、適切な分光計測結果を得ることができる。   According to the total reflection spectroscopic measurement apparatus according to the present invention, the crystal orientation can be matched with the polarization of the laser light with a simple configuration, and an appropriate spectroscopic measurement result can be obtained.

本発明に係る全反射分光計測装置の一実施形態を示す図である。It is a figure which shows one Embodiment of the total reflection spectroscopy measuring device which concerns on this invention. 図１に示した全反射分光計測装置に用いられる一体型プリズムの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of an integrated prism used in the total reflection spectroscopic measurement apparatus shown in FIG. 1. 図２の側面図である。FIG. 3 is a side view of FIG. 2. テラヘルツ波発生用非線形光学結晶の固定状態を示す図である。It is a figure which shows the fixed state of the nonlinear optical crystal for terahertz wave generation. テラヘルツ波検出用電気光学結晶の固定状態を示す図である。It is a figure which shows the fixed state of the electro-optic crystal for terahertz wave detection. 被測定物の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure which derives | leads-out the optical constant of a to-be-measured object.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る全反射分光計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of a total reflection spectroscopic measurement apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は、本発明に係る全反射分光計測装置の一実施形態を示す図である。同図に示すように、全反射分光計測装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源２と、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２・内部全反射プリズム３１・テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３が一体となった一体型プリズム３と、テラヘルツ波を検出する検出部４とを備えている。また、全反射分光計測装置１は、上記構成要素の動作を制御する制御部５と、検出部４からの出力に基づいてデータ解析を行うデータ解析部６と、データ解析部６における処理結果を表示する表示部７とを備えている。   FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a total reflection spectroscopic measurement apparatus according to the present invention. As shown in the figure, a total reflection spectroscopic measurement apparatus 1 includes a laser light source 2 that emits laser light, a terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32, an internal total reflection prism 31, and a terahertz wave detecting electro-optical crystal 33. The integrated prism 3 and the detection unit 4 for detecting the terahertz wave are provided. In addition, the total reflection spectroscopic measurement apparatus 1 includes a control unit 5 that controls the operation of the above components, a data analysis unit 6 that performs data analysis based on an output from the detection unit 4, and a processing result in the data analysis unit 6. And a display unit 7 for displaying.

レーザ光源２は、フェムト秒パルスレーザを発生させる光源である。レーザ光源２からは、例えば平均パワー１２０ｍＷ、繰り返しレート７７ＭＨｚのフェムト秒パルスレーザが出力される。レーザ光源２から出射したフェムト秒パルスレーザは、ミラー１１，１２を経て、ビームスプリッター１３によってポンプ光４８とプローブ光４９とに二分される。プローブ光４９が伝播するプローブ光用光路Ｃ１には、ミラー１４，１５及びレンズ１６が設けられており、プローブ光４９は、レンズ１６で集光されて後述のテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３に入射する。   The laser light source 2 is a light source that generates a femtosecond pulse laser. For example, a femtosecond pulse laser with an average power of 120 mW and a repetition rate of 77 MHz is output from the laser light source 2. The femtosecond pulse laser emitted from the laser light source 2 is divided into pump light 48 and probe light 49 by the beam splitter 13 through the mirrors 11 and 12. In the probe light optical path C1 through which the probe light 49 propagates, mirrors 14 and 15 and a lens 16 are provided. The probe light 49 is collected by the lens 16 and is applied to a terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 described later. Incident.

一方、ポンプ光４８が伝播するポンプ光用光路Ｃ２には、遅延部２１と、変調器２２とが設けられている。遅延部２１は、一対のミラー２３，２４と、可動ステージ２６上に設置された反射プリズム２５によって構成され、反射プリズム２５の位置を一対のミラー２３，２４に対して前後させることで、ポンプ光４８の遅延調節が可能となっている。また、変調器２２は、例えば光チョッパによってポンプ光４８の透過と遮断を切り替える部分である。変調器２２は、制御部５からの信号に基づいて、例えば１ｋＨｚでポンプ光４８の透過と遮断の変調を行う。   On the other hand, a delay unit 21 and a modulator 22 are provided in the optical path C2 for pump light through which the pump light 48 propagates. The delay unit 21 includes a pair of mirrors 23 and 24 and a reflecting prism 25 installed on the movable stage 26. The position of the reflecting prism 25 is moved back and forth with respect to the pair of mirrors 23 and 24, thereby pump light. 48 delay adjustments are possible. The modulator 22 is a part that switches between transmission and blocking of the pump light 48 by, for example, an optical chopper. Based on the signal from the control unit 5, the modulator 22 modulates transmission and blocking of the pump light 48 at 1 kHz, for example.

ポンプ光用光路Ｃ２を伝播したポンプ光４８は、ミラー２８を経てレンズ２７で集光され、一体型プリズム３に入射する。図２及び図３に示すように、一体型プリズム３を構成する内部全反射プリズム３１は、例えばＳｉによって形成されており、入射面３１ａ側にはテラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２が一体に固定され、出射面３１ｂ側にはテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３が一体に固定されている。内部全反射プリズム３１の上面は平坦な反射面３１ｃとなっており、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物３４が載置される。   The pump light 48 propagated through the optical path C2 for pump light is condensed by the lens 27 via the mirror 28 and enters the integrated prism 3. As shown in FIGS. 2 and 3, the internal total reflection prism 31 constituting the integral prism 3 is made of, for example, Si, and a terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 is integrally fixed on the incident surface 31a side. The terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 is integrally fixed to the emission surface 31b side. The upper surface of the internal total reflection prism 31 is a flat reflection surface 31c, on which an object to be measured 34 on which various optical constants such as a refractive index, a dielectric constant, and an absorption coefficient are measured is placed.

また、図３に示すように、内部全反射プリズム３１の底面において、入射面３１ａと反射面３１ｃとの間には、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられている。さらに、反射面３１ｃと出射面３１ｂとの間には、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔを出射面３１ｂに向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これらの第１光学面３１ｄ及び第２光学面３１ｅは、内部全反射プリズム３１の底面を所定の形状に曲面加工することによって形成されている。   Further, as shown in FIG. 3, on the bottom surface of the internal total reflection prism 31, a terahertz wave T generated by the nonlinear optical crystal 32 for generating a terahertz wave is applied to the reflecting surface 31c between the incident surface 31a and the reflecting surface 31c. A first optical surface 31d that is collimated toward is provided. Furthermore, a second optical surface 31e that collects the terahertz wave T totally reflected by the reflecting surface 31c toward the emitting surface 31b is provided between the reflecting surface 31c and the emitting surface 31b. The first optical surface 31d and the second optical surface 31e are formed by processing the bottom surface of the internal total reflection prism 31 into a predetermined shape.

テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３としては、例えばＺｎＴｅなどを用いることができる。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２にポンプ光４８が入射すると、非線形光学結晶の光整流効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。また、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射すると、プローブ光４９が電気光学結晶のポッケルス効果によって複屈折を受ける。プローブ光４９の複屈折量は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に比例する。したがって、プローブ光４９の複屈折量を検出することで、テラヘルツ波Ｔを検出することができる。   As the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optical crystal 33, for example, ZnTe can be used. The pulse of the terahertz wave T generated from these elements is generally about several picoseconds. When the pump light 48 enters the nonlinear optical crystal 32 for generating a terahertz wave, it is converted into a terahertz wave T by the optical rectification effect of the nonlinear optical crystal. When the terahertz wave T and the probe light 49 are simultaneously incident on the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33, the probe light 49 is subjected to birefringence due to the Pockels effect of the electro-optic crystal. The amount of birefringence of the probe light 49 is proportional to the electric field strength of the terahertz wave T. Therefore, the terahertz wave T can be detected by detecting the birefringence amount of the probe light 49.

テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３を内部全反射プリズム３１に固定するにあたり、図２及び図３に示すように、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａ及び出射面３１ｂには、レーザ光の偏光に対して結晶の方位角を定める角度決め用の段差部５１Ａ，５１Ｂがそれぞれ設けられている。本実施形態では、段差部５１Ａは、入射面３１ａの上側領域が下側領域に比べて凸となるように、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２の厚さよりも大きな厚さで設けられている。また、本実施形態では、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２に入射させるポンプ光４８の偏光を水平方向の直線偏光としている。   In fixing the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optical crystal 33 to the internal total reflection prism 31, as shown in FIGS. 2 and 3, the incident surface 31a and the output surface of the internal total reflection prism 31 are provided. 31b is provided with step portions 51A and 51B for determining angles, which determine the azimuth angle of the crystal with respect to the polarization of the laser beam. In the present embodiment, the step portion 51A is provided with a thickness larger than the thickness of the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 so that the upper region of the incident surface 31a is more convex than the lower region. In the present embodiment, the polarization of the pump light 48 that is incident on the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 is linearly polarized in the horizontal direction.

これに基づいて、段差部５１Ａは、図４に示すように、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２として面方位が（１１０）であるＺｎＴｅを用いてその一辺を突き当てたときに、ＺｎＴｅの［０，０，１］軸とポンプ光４８の偏光方向との成す角θ１が５４．７度となるように、反射面３１ｃに対して斜めに形成されている。また、段差部５１Ｂは、段差部５１Ａと同様に、出射面３１ｂの上側領域が下側領域に比べて凸となるように、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の厚さよりも大きな厚さで設けられている。段差部５１Ｂは、図５に示すように、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３として面方位が（１１０）であるＺｎＴｅを用いてその一辺を突き当てたときに、ＺｎＴｅの［−１，１，０］軸とテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光４９の偏光方向とが略平行となるように、反射面３１ｃに対して略平行に形成されている。   On the basis of this, as shown in FIG. 4, when the stepped portion 51A hits one side of ZnTe having a surface orientation of (110) as the nonlinear optical crystal 32 for generating terahertz waves, The angle θ1 formed by the 0, 0, 1] axis and the polarization direction of the pump light 48 is 54.7 degrees, and is formed obliquely with respect to the reflecting surface 31c. Similarly to the stepped portion 51A, the stepped portion 51B is provided with a thickness larger than the thickness of the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 so that the upper region of the emission surface 31b is more convex than the lower region. It has been. As shown in FIG. 5, when the stepped portion 51 </ b> B is abutted on one side using ZnTe having a surface orientation of (110) as the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33, [−1, 1, The 0] axis, the terahertz wave T, and the polarization direction of the probe light 49 are formed substantially parallel to the reflecting surface 31c.

そして、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２は、段差部５１Ａに突き当てられた状態で入射面３１ａに固定され、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３は、段差部５１Ｂに突き当てられてた状態で出射面３１ｂに固定されている。なお、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の固定には、例えば熱硬化型の接着剤が用いられる。このとき用いられる接着剤は、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なものであって、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３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の屈折率、又は同等の屈折率を有していることが好ましい。   The terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 is fixed to the incident surface 31a while being abutted against the step portion 51A, and the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 is abutted against the step portion 51B. It is fixed to the emission surface 31b. For example, a thermosetting adhesive is used for fixing the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optical crystal 33. The adhesive used at this time is transparent at the wavelength of the terahertz wave T, and the refractive index of each of the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 and the refraction of the internal total reflection prism 31. It is preferable to have an intermediate refractive index between the refractive indexes or an equivalent refractive index.

また、接着剤のほか、テラヘルツ波Ｔの波長において透明なワックスを溶融・凝固させて固定する方法や、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３を入射面３１ａ及び出射面３１ｂにそれぞれ直接接触させた状態で、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２及びテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の縁部を接着剤で固めるようにしてもよい。   In addition to the adhesive, a transparent wax is melted and solidified at the wavelength of the terahertz wave T, and the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 are incident on the incident surface 31a and emitted. The edges of the terahertz wave generating nonlinear optical crystal 32 and the terahertz wave detecting electro-optical crystal 33 may be solidified with an adhesive while being in direct contact with the surface 31b.

テラヘルツ波を検出する検出部４は、図１に示すように、例えばλ／４波長板４１と、偏光素子４２と、一対のフォトダイオード４３，４３と、差動増幅器４４と、ロックイン増幅器４７とによって構成されている。テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３で反射したプローブ光４９は、ミラー４５によって検出部４側に導かれ、レンズ４６で集光されてλ／４波長板４１を経由した後、ウォラストンプリズムなどの偏光素子４２によって垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とに分離される。このプローブ光４９の垂直直線偏光成分と水平直線偏光成分とは、一対のフォトダイオード４３，４３によってそれぞれ電気信号に変換され、差動増幅器４４によってその差分が検出される。差動増幅器４４からの出力信号は、ロックイン増幅器４７によって増幅された後、データ解析部６に入力される。   As shown in FIG. 1, the detection unit 4 that detects the terahertz wave includes, for example, a λ / 4 wavelength plate 41, a polarizing element 42, a pair of photodiodes 43 and 43, a differential amplifier 44, and a lock-in amplifier 47. And is composed of. The probe light 49 reflected by the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 is guided to the detection unit 4 side by the mirror 45, condensed by the lens 46, and after passing through the λ / 4 wavelength plate 41, the Wollaston prism or the like. The polarizing element 42 separates the vertical linearly polarized light component and the horizontal linearly polarized light component. The vertical linearly polarized light component and the horizontal linearly polarized light component of the probe light 49 are converted into electric signals by the pair of photodiodes 43 and 43, respectively, and the difference is detected by the differential amplifier 44. The output signal from the differential amplifier 44 is amplified by the lock-in amplifier 47 and then input to the data analysis unit 6.

テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射した場合、差動増幅器４４からはテラヘルツ波Ｔの電場強度に比例した強度の信号が出力され、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３にテラヘルツ波Ｔとプローブ光４９とが同時に入射しなかった場合、差動増幅器４４からは信号が出力されないこととなる。また、テラヘルツ波Ｔが内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃで反射するときに放射されるエバネッセント波は、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに載置される被測定物３４と相互作用を起こし、被測定物３４が載置されていない場合に比べてテラヘルツ波Ｔの反射率が変化する。したがって、このテラヘルツ波Ｔの反射率の変化を計測することで、被測定物３４の分光特性を評価することができる。   When the terahertz wave T and the probe light 49 are simultaneously incident on the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33, a signal having an intensity proportional to the electric field intensity of the terahertz wave T is output from the differential amplifier 44. When the terahertz wave T and the probe light 49 are not incident on the optical crystal 33 at the same time, no signal is output from the differential amplifier 44. Further, the evanescent wave radiated when the terahertz wave T is reflected by the reflection surface 31 c of the internal total reflection prism 31 interacts with the measurement object 34 placed on the reflection surface 31 c of the internal total reflection prism 31. The reflectance of the terahertz wave T changes as compared with the case where the DUT 34 is not placed. Therefore, by measuring the change in reflectance of the terahertz wave T, the spectral characteristics of the DUT 34 can be evaluated.

データ解析部６は、例えば全反射分光計測装置１の専用の解析プログラムに基づいて全反射分光計測のデータ解析処理を行う部分であり、物理的には、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリ、入力装置、及び表示部７などを有するコンピュータシステムである。データ解析部６は、ロックイン増幅器４７から入力された信号に基づいてデータ解析処理を実行し、解析結果を表示部７に表示させる。   The data analysis unit 6 is a part that performs data analysis processing of total reflection spectroscopic measurement based on, for example, a dedicated analysis program of the total reflection spectroscopic measurement device 1, and physically includes a CPU (central processing unit), memory, and input. It is a computer system having an apparatus, a display unit 7 and the like. The data analysis unit 6 executes data analysis processing based on the signal input from the lock-in amplifier 47 and causes the display unit 7 to display the analysis result.

図６は、被測定物３４の光学定数を導出する手順を示すフローチャートである。なお、以下の説明では、テラヘルツ波Ｔが内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃに対しＰ偏光で入射した場合を仮定する。   FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for deriving the optical constant of the DUT 34. In the following description, it is assumed that the terahertz wave T is incident on the reflection surface 31c of the internal total reflection prism 31 as P-polarized light.

図６に示すように、まず、全反射分光計測装置１を用いてリファレンス測定及びサンプル測定を実施する（ステップＳ０１，Ｓ０２）。リファレンス測定では、光学定数が既知である物質（例えば空気）について測定し、サンプル測定では光学定数を得たい物質について測定する。そして、リファレンス計測結果Ｔｒｅｆとサンプル測定結果Ｔｓｉｇとをそれぞれフーリエ変換することによって、リファレンス振幅Ｒｒｅｆ、リファレンス位相Φｒｅｆ、サンプル振幅Ｒｓｉｇ、サンプル位相Φｓｉｇをそれぞれ求める（ステップＳ０３）。 As shown in FIG. 6, first, reference measurement and sample measurement are performed using the total reflection spectroscopic measurement apparatus 1 (steps S01 and S02). In the reference measurement, a substance (for example, air) whose optical constant is known is measured, and in the sample measurement, a substance whose optical constant is desired to be measured is measured. Then, a reference amplitude R ref , a reference phase Φ ref , a sample amplitude R sig , and a sample phase Φ sig are respectively obtained by performing Fourier transform on the reference measurement result T ref and the sample measurement result T sig (step S03).

次に、リファレンス振幅Ｒｒｅｆとサンプル振幅Ｒｓｉｇとの比Ｐを式（１）によって求め、リファレンス位相Φｒｅｆとサンプル位相Φｓｉｇとの位相差Δを式（２）によって求める（ステップＳ０４）。

Figure 0005550521
Figure 0005550521
 さらに、上述した比Ｐと位相差Δとを用いて値ｑを式（３）のように定める（ステップＳ０５）。
Figure 0005550521
 Next, a ratio P between the reference amplitude R ref and the sample amplitude R sig is obtained by the equation (1), and a phase difference Δ between the reference phase Φ ref and the sample phase Φ sig is obtained by the equation (2) (step S04).
Figure 0005550521
Figure 0005550521
 Further, using the ratio P and the phase difference Δ described above, a value q is determined as shown in Expression (3) (step S05).
Figure 0005550521

ここで、内部全反射プリズム３１に対するテラヘルツ波Ｔの入射角をθｉ（図３参照）とし、リファレンス測定及びサンプル測定においてスネルの法則より求められる屈折角をそれぞれθｒｅｆ，θｓｉｇとする。さらに、フレネルの反射式を用いると、式（３）におけるＰｅ−ｉΔは、以下の式（４）で表すことができる。

Figure 0005550521
Here, the incident angle of the terahertz wave T with respect to the internal total reflection prism 31 is θ i (see FIG. 3), and the refraction angles obtained from Snell's law in the reference measurement and the sample measurement are θ ref and θ sig , respectively. Further, using the Fresnel reflection formula, Pe −iΔ in the formula (3) can be expressed by the following formula (4).
Figure 0005550521

上記式（４）を式（３）に代入し、式の変形を行うと、以下の式（５）が得られる。

Figure 0005550521
By substituting the above equation (4) into equation (3) and modifying the equation, the following equation (5) is obtained.
Figure 0005550521

また、内部全反射プリズム３１を構成する物質の複素屈折率をｎｐｒｉｓｍとし、被測定物３４の複素屈折率をｎｓａｍｐｌｅとした場合、スネルの法則は以下の式（６）のようになり、被測定物３４の複素屈折率の２乗は、式（７）で表される。したがって、式（５）を式（７）に代入することで、被測定物３４の複素屈折率を求めることができ、これにより、被測定物３４の所望の光学定数が導出される（ステップＳ０６）。

Figure 0005550521
Figure 0005550521
 Further, when the complex refractive index of the material constituting the internal total reflection prism 31 is n prism and the complex refractive index of the DUT 34 is n sample , Snell's law is as shown in the following formula (6): The square of the complex refractive index of the DUT 34 is expressed by Expression (7). Therefore, by substituting equation (5) into equation (7), the complex refractive index of the device under test 34 can be obtained, and thereby the desired optical constant of the device under test 34 is derived (step S06). ).
Figure 0005550521
Figure 0005550521

以上説明したように、この全反射分光計測装置１では、段差部５１Ａ，５１Ｂへの突き当てによって、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａにおけるポンプ光４８の偏光に対するテラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２の方位角の角度決め、及び出射面３１ｂにおけるテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光４９の偏光に対するテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３の方位角の角度決めを簡単な構成で精度良く行うことができる。   As described above, in the total reflection spectroscopic measurement apparatus 1, the nonlinear optical crystal 32 for generating the terahertz wave with respect to the polarization of the pump light 48 on the incident surface 31a of the internal total reflection prism 31 by abutting against the step portions 51A and 51B. It is possible to accurately determine the azimuth angle of the terahertz wave detecting electrooptic crystal 33 with respect to the terahertz wave T and the polarization of the probe light 49 on the emission surface 31b with a simple configuration.

これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生するテラヘルツ波Ｔの発生効率が最大になると共に、テラヘルツ波Ｔの偏光がポンプ光４８と同じく水平方向の直線偏光となり、反射面３１ｃに対するテラヘルツ波Ｔの偏光の条件を設定どおりに合わせることができる。また、テラヘルツ波検出用電気光学結晶３３における検出効率も最大となるので、適切な分光計測結果を得ることができる。   As a result, the generation efficiency of the terahertz wave T generated by the nonlinear optical crystal 32 for generating the terahertz wave is maximized, and the polarization of the terahertz wave T becomes the linearly polarized light in the horizontal direction like the pump light 48, and the terahertz wave with respect to the reflecting surface 31c. The condition of T polarization can be adjusted as set. Further, since the detection efficiency in the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33 is maximized, an appropriate spectroscopic measurement result can be obtained.

また、この全反射分光計測装置１では、内部全反射プリズム３１の入射面３１ａと反射面３１ｃとの間に、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを反射面３１ｃに向けて平行光化する第１光学面３１ｄが設けられ、内部全反射プリズム３１の反射面３１ｃと出射面３１ｂとの間に、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔをテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３に向けて集光する第２光学面３１ｅが設けられている。これにより、テラヘルツ波発生用非線形光学結晶３２で発生したテラヘルツ波Ｔを発散させずに反射面３１ｃに入射させることができる。また、反射面３１ｃで全反射したテラヘルツ波Ｔをテラヘルツ波検出用電気光学結晶３３に集光させることにより、検出信号の強度を一層十分に確保できる。   In the total reflection spectroscopic measurement device 1, the terahertz wave T generated by the nonlinear optical crystal 32 for generating the terahertz wave is directed toward the reflection surface 31c between the incident surface 31a and the reflection surface 31c of the internal total reflection prism 31. A first optical surface 31d for collimating is provided, and the terahertz wave T totally reflected by the reflection surface 31c is provided between the reflection surface 31c and the emission surface 31b of the internal total reflection prism 31. A second optical surface 31e that condenses toward the light is provided. Thereby, the terahertz wave T generated in the nonlinear optical crystal 32 for generating the terahertz wave can be incident on the reflecting surface 31c without diverging. Further, by condensing the terahertz wave T totally reflected by the reflecting surface 31c on the terahertz wave detecting electro-optic crystal 33, the intensity of the detection signal can be more sufficiently secured.

１…全反射分光計測装置、２…レーザ光源、３…一体型プリズム、１３…ビームスプリッター（分岐部）、３１…内部全反射プリズム、３１ａ…入射面、３１ｂ…出射面、３１ｃ…反射面、３１ｄ…第１光学面、３１ｅ…第２光学面、３２…テラヘルツ波発生用非線形光学結晶、３３…テラヘルツ波検出用電気光学結晶、３４…被測定物、４８…ポンプ光、４９…プローブ光、５１Ａ，５１Ｂ…段差部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Total reflection spectroscopy measuring device, 2 ... Laser light source, 3 ... Integrated prism, 13 ... Beam splitter (branch part), 31 ... Internal total reflection prism, 31a ... Incident surface, 31b ... Output surface, 31c ... Reflective surface, 31d: first optical surface, 31e: second optical surface, 32: nonlinear optical crystal for generating terahertz waves, 33: electro-optical crystal for detecting terahertz waves, 34: object to be measured, 48: pump light, 49: probe light, 51A, 51B: Stepped portion.

Claims (3)

レーザ光を出射する光源と、
前記光源から出射されたレーザ光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部と、
前記分岐部で分岐した前記ポンプ光の入射によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生用非線形光学結晶と、
前記テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させると共に反射面で全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
前記内部全反射プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波と、前記分岐部で分岐した前記プローブ光とが入射し、前記テラヘルツ波と前記プローブ光との間の相関を検出するテラヘルツ波検出用電気光学結晶と、を備え、
前記内部全反射プリズムの前記反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を、前記テラヘルツ波の全反射の際に生じる当該テラヘルツ波のエバネッセント成分により取得する全反射分光計測装置であって、
前記内部全反射プリズムの前記入射面及び前記出射面には、前記レーザ光の偏光に対して非線形光学結晶及び電気光学結晶の方位角を定める角度決め用の段差部がそれぞれ設けられ、
前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶に入射する前記ポンプ光の偏光は、直線偏光であり、
前記入射面側の段差部は、面方位が（１１０）である前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶が突き当てられたときに、前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶の［０，０，１］軸と前記ポンプ光との偏光方向とのなす角が所定の角度となるように前記反射面に対して傾斜する突き当て部分を有し、
前記出射面側の段差部は、面方位が（１１０）である前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶が突き当てられたときに、前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶の［−１，１，０］軸と前記テラヘルツ波及び前記プローブ光の偏光方向とが略平行になるように前記反射面に対して略平行となる突き当て部分を有し、
前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶は、前記段差部の前記突き当て部分に突き当てられた状態で前記入射面に固定され、
前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶は、前記段差部の前記突き当て部分に突き当てられた状態で前記出射面に固定されていることを特徴とする全反射分光計測装置。 A light source that emits laser light;
A branching portion for branching the laser light emitted from the light source into pump light and probe light;
A non-linear optical crystal for generating a terahertz wave that generates a terahertz wave by the incidence of the pump light branched by the branch part; and
An internal total reflection prism having an incidence surface and an emission surface of the terahertz wave, propagating the terahertz wave incident from the incidence surface inside and totally reflecting off the reflection surface to be emitted from the emission surface;
Terahertz wave detection for detecting the correlation between the terahertz wave and the probe light by the incidence of the terahertz wave emitted from the exit surface of the internal total reflection prism and the probe light branched at the branching portion An electro-optic crystal,
A total reflection spectroscopic measurement device that acquires information on an optical constant of an object to be measured disposed on the reflection surface of the internal total reflection prism by using an evanescent component of the terahertz wave generated at the time of total reflection of the terahertz wave. ,
The entrance surface and the exit surface of the internal total reflection prism are provided with step portions for determining angles that determine the azimuth angle of the nonlinear optical crystal and the electro-optic crystal with respect to the polarization of the laser light, respectively.
The polarization of the pump light incident on the nonlinear optical crystal for generating the terahertz wave is linearly polarized light,
The step portion on the incident surface side has a [0, 0, 1] axis of the non-linear optical crystal for generating terahertz waves when the non-linear optical crystal for generating terahertz waves having a plane orientation of (110) is abutted. And an abutting portion that is inclined with respect to the reflecting surface such that an angle formed by the polarization direction of the pump light is a predetermined angle,
When the terahertz wave detecting electro-optic crystal having a surface orientation of (110) is abutted on the stepped portion on the exit surface side, the [-1, 1, 0] of the terahertz wave detecting electro-optic crystal is detected. An abutting portion that is substantially parallel to the reflecting surface so that the axis and the polarization direction of the terahertz wave and the probe light are substantially parallel;
The terahertz wave generating nonlinear optical crystal is fixed to the incident surface in a state of being abutted against the abutting portion of the stepped portion,
The total reflection spectroscopic measurement apparatus, wherein the terahertz wave detecting electro-optic crystal is fixed to the emission surface in a state of being abutted against the abutting portion of the stepped portion. 前記内部全反射プリズムの前記入射面と前記反射面との間には、前記テラヘルツ波発生用非線形光学結晶で発生した前記テラヘルツ波を前記反射面に向けて平行光化する光学面が設けられていることを特徴とする請求項１記載の全反射分光計測装置。   An optical surface for collimating the terahertz wave generated by the non-linear optical crystal for generating the terahertz wave toward the reflection surface is provided between the incident surface and the reflection surface of the internal total reflection prism. The total reflection spectroscopic measurement apparatus according to claim 1. 前記内部全反射プリズムの前記反射面と前記出射面との間には、前記反射面で全反射した前記テラヘルツ波を前記テラヘルツ波検出用電気光学結晶に向けて集光する光学面が更に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の全反射分光計測装置。   An optical surface for condensing the terahertz wave totally reflected by the reflection surface toward the terahertz wave detecting electro-optic crystal is further provided between the reflection surface and the emission surface of the internal total reflection prism. The total reflection spectroscopic measurement apparatus according to claim 1, wherein the total reflection spectroscopic measurement apparatus is provided.
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