JP6498916B2 - Electric field vector detection method and electric field vector detection device - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置に関する。 The present invention relates to an electric field vector detection method and an electric field vector detection device for detecting an electric field vector of a terahertz wave.
テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する手法は、大別して、（Ａ）互いに直交する２つの軸（例えばＸ軸及びＹ軸）方向の成分をそれぞれ検出して合成する手法と、（Ｂ）電場ベクトルを直接検出する手法とが存在している。（Ａ）の手法として、例えば非特許文献１では、テラヘルツ波を直交する２つの軸方向の偏光成分に分割し、これらの偏光成分を２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。 The method of detecting the electric field vector of the terahertz wave is broadly divided into (A) a method of detecting and synthesizing components in two orthogonal directions (for example, the X axis and the Y axis), and (B) an electric field vector. There are direct detection methods. As a technique of (A), for example, in Non-Patent Document 1, two terahertz waves are divided into two orthogonal polarization components orthogonal to each other, and these polarization components are detected by two detection systems, and then obtained two detections. The electric field vector of the terahertz wave is detected by combining the results.
また、非特許文献２では、プローブ光の偏光状態を円偏光とし、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いている。この手法では、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を分割し、これらを２つの直交する軸方向のテラヘルツ波をそれぞれ計測するための２つの検出系により検出した後、得られた２つの検出結果を合成してテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。 In Non-Patent Document 2, the polarization state of the probe light is circularly polarized, and (111) crystal obtained by cutting out the (111) plane of the optical isotropic medium is used as the electro-optic crystal for detecting the terahertz wave. In this method, the probe light after probing the terahertz wave is divided and detected by two detection systems for measuring terahertz waves in two orthogonal axial directions, respectively, and then two detection results obtained. To detect the electric field vector of the terahertz wave.
また、（Ｂ）の手法として、例えば非特許文献３では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶を回転させたときのプローブ光の検出信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。また、非特許文献４では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用いると共に、プローブ光の偏光を直線偏光のまま偏光方向を回転させている。そして、プローブ光の偏光方向の変化に伴う検出信号の変化からテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。 As a method of (B), for example, in Non-Patent Document 3, the electric field vector of the terahertz wave is detected based on the change in the detection signal of the probe light when the electro-optic crystal for detecting the terahertz wave is rotated. . In Non-Patent Document 4, a (111) crystal obtained by cutting out the (111) plane of an optically isotropic medium is used as an electro-optic crystal for detecting terahertz waves, and the polarization direction of the probe light remains linearly polarized. It is rotating. Then, the electric field vector of the terahertz wave is detected from the change in the detection signal accompanying the change in the polarization direction of the probe light.
非特許文献５では、テラヘルツ波検出用の電気光学結晶として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した（１１１）結晶を用い、プローブ光の偏光を円偏光としてテラヘルツ波をプローブしている。そして、テラヘルツ波プローブ後のプローブ光を電気光学変調器によって変調し、変調信号の変化に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出している。 In Non-Patent Document 5, a (111) crystal obtained by cutting out the (111) plane of an optically isotropic medium is used as an electro-optic crystal for terahertz wave detection, and the terahertz wave is probed with the polarization of the probe light as circular polarization. . Then, the probe light after the terahertz wave probe is modulated by the electro-optic modulator, and the electric field vector of the terahertz wave is detected based on the change of the modulation signal.
上述した（Ａ）の手法では、テラヘルツ波において直交する２方向の偏光成分、或いはテラヘルツ波をプローブした後のプローブ光において、互いに直交する２つの軸方向の成分を精度良く分割することが難しいという問題がある。また、それぞれの成分に対応して２つの検出系が必要となるため、光学系が複雑化するという問題もある。 In the method (A) described above, it is difficult to accurately divide two orthogonal polarization components in a terahertz wave or two orthogonal components in a probe light after probing the terahertz wave. There's a problem. In addition, since two detection systems are required for each component, there is a problem that the optical system becomes complicated.
一方、（Ｂ）の方法においても、非特許文献３，４の手法では、電気光学結晶或いはプローブ光の偏光方向の回転によって電気光学結晶が持つ残留複屈折の影響も変化するため、信号の歪みや検出効率の変化を補正する手段が必要となる。また、非特許文献５の手法では、得られる変調信号が２つの周波数成分の和となるので、信号波形が複雑な形状となるという問題がある。このため、２つの周波数成分の導出には、変調信号に対するフーリエ変換などが必要となり、信号処理が複雑化するおそれがあった。 On the other hand, in the method of (B), in the methods of Non-Patent Documents 3 and 4, since the influence of residual birefringence of the electro-optic crystal or the polarization direction of the probe light also changes, the signal distortion And a means for correcting the change in detection efficiency is required. Further, the method of Non-Patent Document 5 has a problem that the signal waveform has a complicated shape because the obtained modulation signal is the sum of two frequency components. For this reason, the derivation of the two frequency components requires Fourier transformation or the like on the modulation signal, which may complicate signal processing.
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides an electric field vector detection method and an electric field vector detection device capable of detecting a terahertz wave electric field vector at high speed and with high accuracy without complicating signal processing. With the goal.
上記課題の解決のため、一側面に係る電場ベクトル検出方法は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出方法であって、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を偏光調整部によって断面内に偏光分布を有するベクトルビームとするステップと、ベクトルビームとなったプローブ光をテラヘルツ波検出素子に入射してテラヘルツ波をプローブするステップと、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を二次元光検出器で検出するステップと、二次元光検出器での検出結果に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える。 In order to solve the above problem, an electric field vector detection method according to one aspect is an electric field vector detection method for detecting an electric field vector of a terahertz wave, and an optically isotropic medium (as a terahertz wave detection element for detecting a terahertz wave) 111) The step of converting the polarization state of the probe light, which is ultrashort pulse light, into a vector beam having a polarization distribution in the cross section by the polarization adjusting unit, using the electro-optic crystal cut out of the plane, and the probe light that has become the vector beam A step of probing the terahertz wave by entering the terahertz wave detecting element, a step of detecting the probe light after probing the terahertz wave by the two-dimensional photodetector, and the terahertz based on the detection result of the two-dimensional photodetector. Detecting an electric field vector of the wave.
この電場ベクトル検出方法では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器では、プローブ光を検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。 In this electric field vector detection method, an electro-optic crystal obtained by cutting out the (111) plane of an optical isotropic medium is used as a terahertz wave detection element, and probe light which is ultrashort pulse light is used as a vector beam having a polarization distribution in the cross section. Perform a terahertz wave probe. Thus, since the electric field vector of the terahertz wave can be uniquely determined based on the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, the electric field vector of the terahertz wave can be directly detected. In addition, since two-dimensional photodetectors do not cause mechanical or electrical modulation when detecting probe light, noise is unlikely to occur, complicated signal processing is not required, and a sufficient number of data can be acquired. The electric field vector of the wave can be detected at high speed and with high accuracy.
また、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素子を用い、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐するステップと、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップと、を更に備えていてもよい。この場合、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射したタイミングと、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光の検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波によるプローブ光の変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを一層精度良く検出できる。 In addition, using a terahertz wave generating element that generates terahertz waves by the incidence of pump light, a step of branching ultrashort pulse light into probe light and pump light, and pump light incident on the terahertz wave generating element by an optical modulator And periodically modulating. In this case, the probe light can be detected both at the timing when the terahertz wave enters the terahertz wave detecting element and at the timing when the terahertz wave does not enter the terahertz wave detecting element. By normalizing these detection results, only the change in the probe light due to the terahertz wave can be detected, so that the electric field vector of the terahertz wave can be detected with higher accuracy.
また、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を、位相補償子及び検光子を通過させた後に二次元光検出器で検出してもよい。これにより、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。 The probe light after probing the terahertz wave may be detected by a two-dimensional photodetector after passing through the phase compensator and the analyzer. Thereby, the amplitude and direction of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector.
また、位相補償子の高速軸又は低速軸と、検光子の透過軸とのなす角度を４５°としてもよい。プローブ光の強度分布の変化は、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、上記構成によれば、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布の変化量がテラヘルツ波の電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子の方位に依存しなくなる。 The angle formed by the high-speed axis or low-speed axis of the phase compensator and the transmission axis of the analyzer may be 45 °. The change in the intensity distribution of the probe light occurs according to the change in the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave. According to the above configuration, the amount of change in the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector is the terahertz wave. The direction of the electric field vector and the direction of the terahertz wave detecting element are not dependent on each other.
また、位相補償子として、λ／４波長板を用いてもよい。これにより、テラヘルツ波の電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。 Further, a λ / 4 wavelength plate may be used as the phase compensator. Thereby, when the electric field vector of the terahertz wave is zero, the contrast of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector is eliminated, and as a result, a large dynamic range can be taken.
また、テラヘルツ波検出素子に入射する前のプローブ光のビームプロファイル及びビーム径を光整形部によって整形するステップを更に備えていてもよい。これにより、プローブ光の波面のノイズや歪みを好適に除去できる。また、ビーム径の整形により、テラヘルツ波のプローブを精度良く実施できる。 In addition, a step of shaping the beam profile and beam diameter of the probe light before entering the terahertz wave detecting element by the light shaping unit may be further provided. Thereby, the noise and distortion of the wavefront of probe light can be removed suitably. Further, the terahertz wave probe can be accurately performed by shaping the beam diameter.
また、光整形部としてスペイシャルフィルタを用いてもよい。この場合、簡単な構成でプローブ光の光整形を行うことができる。 A spatial filter may be used as the light shaping unit. In this case, the light shaping of the probe light can be performed with a simple configuration.
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によってラジアル偏光としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 Further, the polarization state of the probe light may be changed to radial polarization by the polarization adjusting unit. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によってアジマス偏光としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 Further, the polarization state of the probe light may be changed to azimuth polarization by the polarization adjusting unit. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
また、プローブ光の偏光状態を偏光調整部によって光渦としてもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 Further, the polarization state of the probe light may be converted into an optical vortex by the polarization adjusting unit. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
また、一側面に係る電場ベクトル検出装置は、テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出装置であって、超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとする偏光調整部と、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を検出する二次元光検出器と、二次元光検出器での検出結果に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える。 An electric field vector detection device according to one aspect is an electric field vector detection device that detects an electric field vector of a terahertz wave, and a polarization state of probe light that is an ultrashort pulse light is a vector beam having a polarization distribution in a cross section. A terahertz wave detecting element made of an electro-optic crystal obtained by cutting the (111) plane of the optically isotropic medium, a two-dimensional photodetector for detecting the probe light after probing the terahertz wave, An electric field vector detection unit that detects an electric field vector of the terahertz wave based on a detection result of the two-dimensional photodetector.
この電場ベクトル検出装置では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子として用い、超短パルス光であるプローブ光を断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波のプローブを行う。これにより、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波の電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器では、プローブ光を検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。 In this electric field vector detection device, an electro-optic crystal obtained by cutting out the (111) plane of an optical isotropic medium is used as a terahertz wave detection element, and probe light which is ultrashort pulse light is used as a vector beam having a polarization distribution in the cross section. Perform a terahertz wave probe. Thus, since the electric field vector of the terahertz wave can be uniquely determined based on the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, the electric field vector of the terahertz wave can be directly detected. In addition, since two-dimensional photodetectors do not cause mechanical or electrical modulation when detecting probe light, noise is unlikely to occur, complicated signal processing is not required, and a sufficient number of data can be acquired. The electric field vector of the wave can be detected at high speed and with high accuracy.
また、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素子と、超短パルス光をプローブ光とポンプ光とに分岐する分岐部と、テラヘルツ波発生素子に入射するポンプ光を周期的に変調させる光変調器と、を更に備えていてもよい。この場合、テラヘルツ波がテラヘルツ波検出素子に入射したタイミングと、テラヘルツ波検出素子に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光の検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波によるプローブ光の変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波の電場ベクトルを一層精度良く検出できる。 In addition, a terahertz wave generating element that generates terahertz waves by the incidence of pump light, a branching part that branches ultrashort pulse light into probe light and pump light, and pump light that is incident on the terahertz wave generating element are modulated periodically. And an optical modulator. In this case, the probe light can be detected both at the timing when the terahertz wave enters the terahertz wave detection element and at the timing when the terahertz wave detection element does not enter the terahertz wave detection element. By normalizing these detection results, only the change in the probe light due to the terahertz wave can be detected, so that the electric field vector of the terahertz wave can be detected with higher accuracy.
また、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光が通過する位相補償子及び検光子を更に備えていてもよい。これにより、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。 Further, a phase compensator and an analyzer through which probe light after probing the terahertz wave passes may be further provided. Thereby, the amplitude and direction of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector.
また、位相補償子の高速軸又は低速軸と、検光子の透過軸とのなす角度とが４５°となっていてもよい。プローブ光の強度分布の変化は、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、上記構成によれば、二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布の変化量がテラヘルツ波の電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子の方位に依存しなくなる。 The angle formed by the high-speed axis or low-speed axis of the phase compensator and the transmission axis of the analyzer may be 45 °. The change in the intensity distribution of the probe light occurs according to the change in the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave. According to the above configuration, the amount of change in the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector is the terahertz wave. The direction of the electric field vector and the direction of the terahertz wave detecting element are not dependent on each other.
また、位相補償子は、λ／４波長板であってもよい。これにより、テラヘルツ波の電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器で検出されるプローブ光の強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。 The phase compensator may be a λ / 4 wavelength plate. Thereby, when the electric field vector of the terahertz wave is zero, the contrast of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector is eliminated, and as a result, a large dynamic range can be taken.
また、テラヘルツ波検出素子に入射する前のプローブ光のビームプロファイル及びビーム径を整形する光整形部を更に備えていてもよい。これにより、プローブ光の波面のノイズや歪みを好適に除去できる。また、ビーム径の整形により、テラヘルツ波のプローブを精度良く実施できる。 Moreover, you may further provide the light shaping part which shapes the beam profile and beam diameter of the probe light before injecting into a terahertz wave detection element. Thereby, the noise and distortion of the wavefront of probe light can be removed suitably. Further, the terahertz wave probe can be accurately performed by shaping the beam diameter.
また、光整形部は、スペイシャルフィルタであってもよい。この場合、簡単な構成でプローブ光の光整形を行うことができる。 Further, the light shaping unit may be a spatial filter. In this case, the light shaping of the probe light can be performed with a simple configuration.
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態をラジアル偏光とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 The polarization adjusting unit may change the polarization state of the probe light to radial polarization. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態をアジマス偏光とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 The polarization adjusting unit may change the polarization state of the probe light to azimuth polarization. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
また、偏光調整部は、プローブ光の偏光状態を光渦とするものであってもよい。この場合、二次元光検出器で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波の電場ベクトルの方向を検出できる。 Further, the polarization adjusting unit may change the polarization state of the probe light into an optical vortex. In this case, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector, and the electric field vector of the terahertz wave can be detected based on the direction of the axis where the contrast occurs. Direction can be detected.
本発明の一側面によれば、信号処理を複雑化させることなくテラヘルツ波の電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。 According to one aspect of the present invention, a terahertz electric field vector can be detected with high speed and accuracy without complicating signal processing.
以下、図面を参照しながら、本発明に係る電場ベクトル検出方法及び電場ベクトル検出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 an electric field vector detection method and an electric field vector detection device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、一側面に係る電場ベクトル検出装置を示す図である。同図に示すように、電場ベクトル検出装置１は、超短パルス光を出射する光源２と、光源２からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ３と、ポンプ光Ｌｂの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生素子４と、テラヘルツ波発生素子４で発生したテラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子５と、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する二次元光検出器６と、プローブ光Ｌａの検出結果に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを解析する解析装置７とを備えている。 FIG. 1 is a diagram illustrating an electric field vector detection device according to one aspect. As shown in the figure, an electric field vector detection device 1 includes a light source 2 that emits ultrashort pulse light, a beam splitter 3 that branches the emitted light L from the light source 2 into probe light La and pump light Lb, and a pump. The terahertz wave generating element 4 that generates the terahertz wave T by the incidence of the light Lb, the terahertz wave detecting element 5 that detects the terahertz wave T generated by the terahertz wave generating element 4, and the probe light La after the terahertz wave T is probed And a analyzer 7 for analyzing the electric field vector of the terahertz wave T based on the detection result of the probe light La.
また、電場ベクトル検出装置１は、テラヘルツ波検出素子５にプローブ光Ｌａを導光する第１の光路ＭＡと、テラヘルツ波発生素子４にポンプ光Ｌｂを導光する第２の光路ＭＢと、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを二次元光検出器６に導光する第３の光路ＭＣとを備えている。 In addition, the electric field vector detection device 1 includes a first optical path MA that guides the probe light La to the terahertz wave detecting element 5, a second optical path MB that guides the pump light Lb to the terahertz wave generating element 4, and the terahertz. And a third optical path MC for guiding the probe light La after the wave T is probed to the two-dimensional photodetector 6.
光源２は、フェムト秒パルスレーザである。光源２から出射する出射光Ｌは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷ、ビーム径２ｍｍとなっている。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分され、プローブ光Ｌａは第１の光路ＭＡに導光され、ポンプ光Ｌｂは第２の光路ＭＢに導光される。 The light source 2 is a femtosecond pulse laser. The outgoing light L emitted from the light source 2 has, for example, a wavelength of 800 nm, a pulse width of 100 fs, a repetition frequency of 100 MHz, an average output of 500 mW, and a beam diameter of 2 mm. The outgoing light L emitted from the light source 2 is divided into the probe light La and the pump light Lb by the beam splitter 3, the probe light La is guided to the first optical path MA, and the pump light Lb is sent to the second optical path MB. Light is guided.
第１の光路ＭＡには、テラヘルツ波検出素子５に入射する前のプローブ光Ｌａのビームプロファイル及びビーム径を整形する光整形部１１と、プローブ光Ｌａの偏光状態を、断面内に偏光分布を有するベクトルビームとする偏光調整部１２と、プローブ光Ｌａを分岐する無偏光ビームスプリッタ１９と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子５とが配置されている。 In the first optical path MA, the light shaping unit 11 for shaping the beam profile and beam diameter of the probe light La before entering the terahertz wave detection element 5, the polarization state of the probe light La, and the polarization distribution in the cross section A polarization adjustment unit 12 that makes a vector beam, a non-polarization beam splitter 19 that branches the probe light La, and a terahertz wave detection element 5 that detects the terahertz wave T are arranged.
光整形部１１は、例えばスペイシャルフィルタ１３によって構成されている。スペイシャルフィルタ１３は、一対の凸レンズ１４，１４’と、凸レンズ１４，１４’間に配置されたピンホール１５とを備えている。ビームスプリッタ３で分岐したプローブ光Ｌａは、ミラー１６を経て一方の凸レンズ１４に導光され、集光される。 The light shaping unit 11 is configured by, for example, a spatial filter 13. The spatial filter 13 includes a pair of convex lenses 14, 14 'and a pinhole 15 disposed between the convex lenses 14, 14'. The probe light La branched by the beam splitter 3 is guided to one convex lens 14 through the mirror 16 and is condensed.
一方の凸レンズ１４で集光されたプローブ光Ｌａは、ピンホール１５を通過することによって波面のノイズや歪みが除去され、他方の凸レンズ１４’によって平行光化された状態で偏光調整部１２に導光される。このとき、凸レンズ１４及び凸レンズ１４’の焦点距離を適切に選択することにより、偏光調整部１２に向かうプローブ光Ｌａのビーム径は、テラヘルツ波発生素子４で発生してテラヘルツ波検出素子５に入射するテラヘルツ波Ｔのビーム径以下となる。 The probe light La collected by one convex lens 14 is guided to the polarization adjusting unit 12 in a state where noise and distortion of the wavefront are removed by passing through the pinhole 15 and converted into parallel light by the other convex lens 14 ′. Lighted. At this time, by appropriately selecting the focal lengths of the convex lens 14 and the convex lens 14 ′, the beam diameter of the probe light La toward the polarization adjusting unit 12 is generated by the terahertz wave generating element 4 and incident on the terahertz wave detecting element 5. It becomes below the beam diameter of the terahertz wave T.
偏光調整部１２は、プローブ光Ｌａの偏光状態を直線偏光とする偏光子１７と、プローブ光Ｌａの偏光状態を変換する偏光変換素子１８とによって構成されている。偏光変換素子１８は、プローブ光Ｌａの偏光状態をベクトルビームとする変換素子であり、例えばラジアル偏光変換素子、アジマス偏光変換素子、及び光渦変換素子のいずれかを用いることができる。偏光変換素子１８は、複屈折材料を用いたものであってもよく、液晶或いはフォトニック結晶を用いたものであってもよい。 The polarization adjusting unit 12 includes a polarizer 17 that changes the polarization state of the probe light La to linearly polarized light, and a polarization conversion element 18 that converts the polarization state of the probe light La. The polarization conversion element 18 is a conversion element in which the polarization state of the probe light La is a vector beam. For example, any of a radial polarization conversion element, an azimuth polarization conversion element, and an optical vortex conversion element can be used. The polarization conversion element 18 may use a birefringent material, or may use a liquid crystal or a photonic crystal.
ベクトルビームでは、直線偏光の向きがビーム断面内の位置によって異なる不均一な空間分布となっている。ラジアル偏光では、図２（ａ）に示すように、電場の方向が光軸を中心として放射状になっており、アジマス偏光では、図２（ｂ）に示すように、電場の方向が光軸を中心として周方向を向いている。また、光渦（optical vertex beam）では、図２（ｃ）を示すように、電場の方向が光軸の中心を向かずに渦状になっている。いずれの場合も、光軸の中心付近では直線偏光の向きが定まらない特異点となっており、計算上の強度はゼロとなる。したがって、ベクトルビームは、ビーム断面内において、ラゲールガウス関数で表される環状の強度分布を有している。 The vector beam has a non-uniform spatial distribution in which the direction of linearly polarized light varies depending on the position in the beam cross section. In radial polarization, the direction of the electric field is radial about the optical axis as shown in FIG. 2 (a), and in azimuth polarization, the direction of the electric field is in the direction of the optical axis as shown in FIG. 2 (b). It faces the circumferential direction as the center. Also, in the optical vortex (optical vertex beam), as shown in FIG. 2C, the direction of the electric field is vortexed not toward the center of the optical axis. In either case, near the center of the optical axis, a singular point in which the direction of linearly polarized light is not fixed, and the calculated intensity is zero. Therefore, the vector beam has an annular intensity distribution represented by a Laguerre Gaussian function in the beam cross section.
偏光調整部１２に入射したプローブ光Ｌａは、偏光子１７によって所定の方向の直線偏光となるように調整された後、偏光変換素子１８によってベクトルビームとなる。ベクトルビームとなったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ１９により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子５に導光される。 The probe light La incident on the polarization adjusting unit 12 is adjusted to become linearly polarized light in a predetermined direction by the polarizer 17, and then becomes a vector beam by the polarization conversion element 18. The probe light La that has become a vector beam is bisected by the non-polarizing beam splitter 19 while maintaining the polarization state. One of the divided probe lights La is guided to the terahertz wave detection element 5.
テラヘルツ波検出素子５は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面５ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子５の他方面５ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面５ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。 The terahertz wave detecting element 5 is made of, for example, an electro-optic crystal obtained by cutting a (111) plane of ZnTe that is an optically isotropic medium. One surface 5a of the terahertz wave detecting element 5 is an incident surface on which the terahertz wave T is incident. The one surface 5a is provided with a reflective coating that transmits the terahertz wave T and reflects the probe light La. The other surface 5b of the terahertz wave detecting element 5 is an incident surface on which the probe light La is incident. The other surface 5b is provided with an antireflection coating that suppresses the reflection of the probe light La.
図３は、テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥＴは、振幅｜ＥＴ｜と、方位θＴとによって表される。方位θＴは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。 FIG. 3 is a diagram illustrating an electric field vector of a terahertz wave in the terahertz wave detecting element. As shown in the figure, the electric field vector E T of the terahertz wave T, the amplitude | E T | and is represented by the orientation theta T. Orientation theta T is set to 0 ° to <-211> direction of the (111) plane of the ZnTe, it has a <011> direction is a positive direction so as reference. When the gradient of the electric field of the terahertz wave T with respect to the <−211> direction is 2θ, birefringence is induced in the −θ direction. The magnitude of birefringence induced according to the intensity of the terahertz wave T is constant regardless of the direction.
テラヘルツ波検出素子５に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調を受ける。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａで反射して無偏光ビームスプリッタ１９に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、第３の光路ＭＣに導光され、他方は戻り光となる。戻り光が光源２まで到達しないように、第２の光路ＭＢ上にアイソレータを配置しておいてもよい。 The probe light La incident on the terahertz wave detecting element 5 is modulated by the electric field of the terahertz wave T at the incident timing. The probe light La after probing the terahertz wave T is reflected by the one surface 5 a of the terahertz wave detecting element 5 and is incident on the non-polarizing beam splitter 19 again. One of the halved probe lights La is guided to the third optical path MC, and the other becomes return light. An isolator may be arranged on the second optical path MB so that the return light does not reach the light source 2.
第２の光路ＭＢには、ポンプ光Ｌｂを周期的に変調する光変調器２１と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ２２と、ポンプ光Ｌｂ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素子４とが配置されている。 In the second optical path MB, an optical modulator 21 that periodically modulates the pump light Lb, a delay stage 22 that temporally delays the pump light Lb with respect to the probe light La, and terahertz by the incidence of the pump light Lb A terahertz wave generating element 4 for generating a wave is disposed.
光変調器２１は、例えば光チョッパである。光変調器２１は、後述の二次元光検出器６による画像取得と同期して動作し、ポンプ光Ｌｂを所定の変調周波数で時間的に変調する。遅延ステージ２２は、例えばビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ２３と、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー２４，２４とを有している。遅延ステージ２２を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー２５によってテラヘルツ波発生素子４に導光される。 The optical modulator 21 is, for example, an optical chopper. The optical modulator 21 operates in synchronization with image acquisition by a two-dimensional photodetector 6 described later, and temporally modulates the pump light Lb with a predetermined modulation frequency. The delay stage 22 includes, for example, a stage 23 that can reciprocate in the optical axis direction of the pump light Lb branched by the beam splitter 3, and a pair of mirrors 24 and 24 that turn back the pump light Lb. The pump light Lb that has passed through the delay stage 22 is guided to the terahertz wave generating element 4 by the mirror 25.
テラヘルツ波発生素子４は、例えばＺｅＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などによって構成されている。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。テラヘルツ波発生素子４として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子４にポンプ光Ｌｂが入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子５に入射する。 The terahertz wave generating element 4 is configured by a nonlinear optical crystal such as ZeTe, an antenna element such as an optical switch using GaAs, a semiconductor such as InAs, a superconductor, and the like. The pulse of the terahertz wave T generated from these elements is generally about several picoseconds. When a nonlinear optical crystal is used as the terahertz wave generating element 4, when the pump light Lb is incident on the terahertz wave generating element 4, the terahertz wave generating element 4 is converted into a terahertz wave T by the nonlinear optical effect. The generated terahertz wave T is incident on the terahertz wave detecting element 5.
第３の光路ＭＣには、位相補償子であるλ／４波長板３１と、検光子３２と、ビーム径調整部３３とが配置されている。λ／４波長板３１の高速軸又は低速軸と、検光子３２の透過軸とのなす角度は４５°となっている。ビーム径調整部３３は、一対の凸レンズ３４，３５によって構成されている。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、λ／４波長板３１及び検光子３２を通過した後、ビーム径調整部３３により、例えば二次元光検出器６の画素サイズに合わせて大径化された状態で二次元光検出器６に入射する。 In the third optical path MC, a λ / 4 wavelength plate 31, which is a phase compensator, an analyzer 32, and a beam diameter adjusting unit 33 are arranged. The angle formed by the high-speed axis or low-speed axis of the λ / 4 wavelength plate 31 and the transmission axis of the analyzer 32 is 45 °. The beam diameter adjusting unit 33 includes a pair of convex lenses 34 and 35. The probe light La after probing the terahertz wave T passes through the λ / 4 wavelength plate 31 and the analyzer 32, and then has a large diameter according to the pixel size of the two-dimensional photodetector 6, for example, by the beam diameter adjusting unit 33. In this state, the light enters the two-dimensional photodetector 6.
二次元光検出器６は、例えばＣＣＤカメラによって構成されている。二次元光検出器６は、第３の光路ＭＣを経たプローブ光Ｌａを検出し、検出結果を示す検出信号を解析装置７に出力する。二次元光検出器６としては、ＣＣＤカメラの他、例えばＣ−ＭＯＳカメラ、Ｎ−ＭＯＳイメージセンサ、フォトダイオードアレイ、光位置センサなどを用いることもできる。 The two-dimensional photodetector 6 is constituted by, for example, a CCD camera. The two-dimensional photodetector 6 detects the probe light La that has passed through the third optical path MC, and outputs a detection signal indicating the detection result to the analysis device 7. As the two-dimensional photodetector 6, in addition to a CCD camera, for example, a C-MOS camera, an N-MOS image sensor, a photodiode array, an optical position sensor, or the like can be used.
解析装置７は、二次元光検出器６からの検出信号に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する装置である。解析装置７は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。 The analysis device 7 is a device that detects an electric field vector of the terahertz wave T based on a detection signal from the two-dimensional photodetector 6. The analysis device 7 is physically configured by a computer system including a CPU, a memory, a communication interface, and the like.
図４は、プローブ光の強度分布とテラヘルツ波の電場ベクトルとの関係を示す図である。図４（ａ）〜（ｃ）では、電場ベクトルの振幅を０〜１００で相対的に示すと共に、Ｘ軸方向を基準として反時計回りを正方向として電場ベクトルの方向を０°〜３６０°で示している。図４（ａ）〜（ｃ）は、方向が同一で振幅が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示している。図４（ａ）は、振幅が３０、方向３０°の電場ベクトルとなっており、図４（ｂ）は、振幅が５０、方向３０°の電場ベクトルとなっている。図４（ｃ）は、振幅が１００、方向３０°の電場ベクトルとなっている。 FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between the intensity distribution of the probe light and the electric field vector of the terahertz wave. 4A to 4C, the amplitude of the electric field vector is relatively indicated by 0 to 100, and the direction of the electric field vector is 0 ° to 360 ° with the counterclockwise rotation as the positive direction with respect to the X-axis direction. Show. 4A to 4C show electric field vectors of terahertz waves having the same direction and different amplitudes. 4A shows an electric field vector having an amplitude of 30 and a direction of 30 °, and FIG. 4B shows an electric field vector having an amplitude of 50 and a direction of 30 °. FIG. 4C shows an electric field vector having an amplitude of 100 and a direction of 30 °.
図４（ｄ）〜（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｃ）で示した電場ベクトルに対応するプローブ光の強度分布を示している。図４（ｄ）〜（ｆ）に示す結果から、電場ベクトルの振幅の変化に伴ってプローブ光の強度分布が変化し、電場ベクトルの振幅に比例してプローブ光の強度分布のコントラスト値が高くなることが分かる。 4D to 4F show the intensity distributions of the probe light corresponding to the electric field vectors shown in FIGS. 4A to 4C. From the results shown in FIGS. 4D to 4F, the intensity distribution of the probe light changes with a change in the amplitude of the electric field vector, and the contrast value of the intensity distribution of the probe light increases in proportion to the amplitude of the electric field vector. I understand that
また、図５は、図４と同様に、テラヘルツ波の電場ベクトルとプローブ光の強度分布との関係を示す図である。図５（ａ），（ｂ）は、振幅が同一で方向が互いに異なるテラヘルツ波の電場ベクトルを示している。図５（ａ）は、振幅が１００、方向３０°の電場ベクトルとなっており、図５（ｂ）は、振幅が１００、方向１２０°の電場ベクトルとなっている。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the electric field vector of the terahertz wave and the intensity distribution of the probe light, as in FIG. FIGS. 5A and 5B show electric field vectors of terahertz waves having the same amplitude and different directions. FIG. 5A shows an electric field vector having an amplitude of 100 and a direction of 30 °, and FIG. 5B shows an electric field vector having an amplitude of 100 and a direction of 120 °.
図５（ｃ），（ｄ）は、図５（ａ），（ｂ）で示した電場ベクトルに対応するプローブ光の強度分布を示している。図５（ｃ），（ｄ）に示す結果から、電場ベクトルの方向の変化に伴って、プローブ光の強度分布のコントラストが生じる軸の方向が変化することが分かる。例えば電場ベクトルが３０°の方向から１２０°の方向へ９０°変化する場合、プローブ光の強度分布のコントラストが生じる軸の方向は４５°変化する。解析装置７は、二次元光検出器６からの検出信号を受け取ると、検出信号に基づいてプローブ光Ｌａの強度分布のコントラスト値、及びコントラストが生じる軸の方向を解析する。そして、解析装置７は、解析したコントラスト値及びコントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定する。 FIGS. 5C and 5D show the intensity distribution of the probe light corresponding to the electric field vectors shown in FIGS. 5A and 5B. From the results shown in FIGS. 5C and 5D, it can be seen that the direction of the axis where the contrast of the intensity distribution of the probe light changes changes with the change of the direction of the electric field vector. For example, when the electric field vector changes by 90 ° from the direction of 30 ° to the direction of 120 °, the direction of the axis causing the contrast of the intensity distribution of the probe light changes by 45 °. When the analysis device 7 receives the detection signal from the two-dimensional photodetector 6, the analysis device 7 analyzes the contrast value of the intensity distribution of the probe light La and the direction of the axis where the contrast occurs based on the detection signal. Then, the analysis device 7 uniquely determines the electric field vector of the terahertz wave T based on the analyzed contrast value and the direction of the axis where the contrast occurs.
続いて、一側面に係る電場ベクトル検出方法について説明する。 Next, an electric field vector detection method according to one aspect will be described.
図６は、一側面に係る電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。この電場ベクトル検出方法は、上述した電場ベクトル検出装置１を用いて実行される。 FIG. 6 is a flowchart illustrating an electric field vector detection method according to one aspect. This electric field vector detection method is executed using the electric field vector detection device 1 described above.
同図に示すように、この電場ベクトル検出方法では、まず、光源２によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ０１：レーザ出射ステップ）。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、光変調器２１によって時間的に変調され（ステップＳ０２：ポンプ光変調ステップ）、遅延ステージを通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ０３：遅延ステップ）。 As shown in the figure, in this electric field vector detection method, first, the light source 2 emits outgoing light L that is ultrashort pulse light (step S01: laser emission step). The outgoing light L emitted from the light source 2 is divided into two by the beam splitter 3 into the probe light La and the pump light Lb. The pump light Lb is temporally modulated by the optical modulator 21 (step S02: pump light modulation step) and delayed in time by passing through the delay stage (step S03: delay step).
遅延ステージ２２を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生素子４に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ０４：テラヘルツ波発生ステップ）。テラヘルツ波発生素子４で発生したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出素子５に入射する（ステップＳ０５：テラヘルツ波検出ステップ）。 The pump light Lb that has passed through the delay stage 22 is incident on the terahertz wave generating element 4 and generates a terahertz wave T (step S04: terahertz wave generating step). The terahertz wave T generated by the terahertz wave generating element 4 is incident on the terahertz wave detecting element 5 (step S05: terahertz wave detecting step).
一方、プローブ光Ｌａは、プローブ光Ｌａは、光整形部１１に導光され、ビームプロファイル及びビーム径の整形がなされる（ステップＳ０６：プローブ光整形ステップ）。プローブ光Ｌａのビーム径は、テラヘルツ波発生素子４で発生してテラヘルツ波検出素子５に入射するテラヘルツ波Ｔのビーム径以下となるように小径化される。 On the other hand, the probe light La is guided to the light shaping unit 11, and the beam profile and the beam diameter are shaped (step S06: probe light shaping step). The beam diameter of the probe light La is reduced to be equal to or smaller than the beam diameter of the terahertz wave T generated by the terahertz wave generating element 4 and entering the terahertz wave detecting element 5.
光整形の後、プローブ光Ｌａは、偏光調整部１２に導光され、断面内に偏光分布を有するベクトルビームとなる（ステップＳ０７：偏光状態調整ステップ）。ベクトルビームとなったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子５に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ０８：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、プローブ光Ｌａの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。 After the light shaping, the probe light La is guided to the polarization adjusting unit 12 and becomes a vector beam having a polarization distribution in the cross section (step S07: polarization state adjusting step). The probe light La that has become a vector beam is incident on the terahertz wave detecting element 5 to be probed with a terahertz wave T (step S08: terahertz wave probe step). At this time, the polarization state of the probe light La changes depending on the electric field vector of the terahertz wave T.
プローブ後のプローブ光Ｌａは、λ／４波長板３１及び検光子３２を通過した後、ビーム径調整部３３によって二次元光検出器６の画素サイズに応じたビーム径に大径化され、二次元光検出器６によって検出される（ステップＳ０９：プローブ光検出ステップ）。二次元光検出器６からの検出信号は、解析装置７に出力され、検出信号に含まれるプローブ光Ｌａの強度分布のコントラスト値、及びコントラストが生じる軸の方向の解析により、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ１０：電場ベクトル検出ステップ）。 The probe light La after the probe passes through the λ / 4 wavelength plate 31 and the analyzer 32, and is then enlarged to a beam diameter corresponding to the pixel size of the two-dimensional photodetector 6 by the beam diameter adjusting unit 33. It is detected by the two-dimensional photodetector 6 (step S09: probe light detection step). The detection signal from the two-dimensional photodetector 6 is output to the analysis device 7, and the electric field of the terahertz wave T is analyzed by analyzing the contrast value of the intensity distribution of the probe light La included in the detection signal and the direction of the axis where the contrast occurs. The amplitude and direction of the vector are detected (step S10: electric field vector detection step).
以上説明したように、電場ベクトル検出装置１では、光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶をテラヘルツ波検出素子５として用い、超短パルス光であるプローブ光Ｌａを断面内に偏光分布を有するベクトルビームとしてテラヘルツ波Ｔのプローブが行われる。これにより、二次元光検出器６で検出されたプローブ光の強度分布に基づいてテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを直接検出することが可能となる。また、二次元光検出器６では、プローブ光Ｌａを検出する際に機械的・電気的な変調が生じないので雑音が生じにくく、複雑な信号処理も不要となり、データ数も十分に取得できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを高速かつ精度良く検出できる。 As described above, in the electric field vector detection device 1, the electro-optic crystal obtained by cutting out the (111) plane of the optical isotropic medium is used as the terahertz wave detection element 5, and the probe light La that is an ultrashort pulse light is within the cross section. A terahertz wave T probe is performed as a vector beam having a polarization distribution. Thereby, since the electric field vector of the terahertz wave T can be uniquely determined based on the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector 6, it becomes possible to directly detect the electric field vector of the terahertz wave T. In the two-dimensional photodetector 6, since no mechanical / electrical modulation occurs when detecting the probe light La, noise is hardly generated, complicated signal processing is not required, and a sufficient number of data can be acquired. The electric field vector of the terahertz wave T can be detected at high speed and with high accuracy.
また、電場ベクトル検出装置１は、テラヘルツ波発生素子４に入射するポンプ光Ｌｂを、二次元光検出器６の画像取得のタイミングと同期するように光変調器２１によって周期的に変調させている。これにより、テラヘルツ波Ｔがテラヘルツ波検出素子５に入射したタイミングと、テラヘルツ波Ｔがテラヘルツ波検出素子５に入射しないタイミングとの双方で、プローブ光Ｌａの検出を行うことができる。これらの検出結果を規格化することで、テラヘルツ波Ｔによるプローブ光Ｌａの変化分のみを検出できるので、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一層精度良く検出できる。 In addition, the electric field vector detection device 1 periodically modulates the pump light Lb incident on the terahertz wave generating element 4 by the optical modulator 21 so as to synchronize with the image acquisition timing of the two-dimensional photodetector 6. . Thereby, the probe light La can be detected both at the timing when the terahertz wave T is incident on the terahertz wave detection element 5 and at the timing when the terahertz wave T is not incident on the terahertz wave detection element 5. By normalizing these detection results, only the change in the probe light La due to the terahertz wave T can be detected, so that the electric field vector of the terahertz wave T can be detected with higher accuracy.
さらに、電場ベクトル検出装置１では、遅延ステージ２２によってポンプ光Ｌｂの遅延時間を掃引することで、テラヘルツ波検出素子５へのテラヘルツ波Ｔの入射のタイミングを変化させている。したがって、時間の経過に対するテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの変化を連続的に検出することが可能となり、偏光情報を含むテラヘルツ波Ｔの時間波形を検出することができる。 Further, in the electric field vector detection device 1, the delay time of the pump light Lb is swept by the delay stage 22, thereby changing the timing of incidence of the terahertz wave T on the terahertz wave detection element 5. Therefore, it is possible to continuously detect a change in the electric field vector of the terahertz wave T with the passage of time, and it is possible to detect the time waveform of the terahertz wave T including polarization information.
また、電場ベクトル検出装置１では、テラヘルツ波をプローブした後のプローブ光を、位相補償子としてのλ／４波長板３１及び検光子３２を通過させた後に二次元光検出器６で検出している。また、λ／４波長板３１の高速軸又は低速軸と、検光子３２の透過軸とのなす角度を４５°としている。 Further, in the electric field vector detection device 1, the probe light after probing the terahertz wave is detected by the two-dimensional photodetector 6 after passing through the λ / 4 wavelength plate 31 and the analyzer 32 as phase compensators. Yes. Further, the angle formed by the high-speed axis or the low-speed axis of the λ / 4 wavelength plate 31 and the transmission axis of the analyzer 32 is 45 °.
これにより、二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向を検出できる。プローブ光Ｌａの強度分布の変化は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅の変化に応じて生じるが、当該構成によれば、二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布の変化量がテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向及びテラヘルツ波検出素子５の方位に依存しなくなる。同時に、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルがゼロである場合に二次元光検出器６で検出されるプローブ光Ｌａの強度分布のコントラストが無くなるので、結果として大きなダイナミックレンジをとることができる。 Thereby, the amplitude and direction of the electric field vector of the terahertz wave T can be detected based on the intensity distribution of the probe light La detected by the two-dimensional photodetector 6. The change in the intensity distribution of the probe light La occurs in accordance with the change in the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave T. According to this configuration, the change in the intensity distribution of the probe light La detected by the two-dimensional photodetector 6. The quantity does not depend on the direction of the electric field vector of the terahertz wave T and the direction of the terahertz wave detecting element 5. At the same time, when the electric field vector of the terahertz wave T is zero, the contrast of the intensity distribution of the probe light La detected by the two-dimensional photodetector 6 is lost, so that a large dynamic range can be obtained as a result.
また、電場ベクトル検出装置１では、プローブ光Ｌａの偏光状態が偏光調整部１２によってラジアル偏光、アジマス偏光、及び光渦といったベクトルビームに変換される。このようなベクトルビームをプローブ光Ｌａとして用いることにより、二次元光検出器６で検出されたプローブ光の強度分布のコントラスト値に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅を検出でき、コントラストが生じる軸の方向に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの方向を検出できる。 In the electric field vector detection device 1, the polarization state of the probe light La is converted by the polarization adjustment unit 12 into vector beams such as radial polarization, azimuth polarization, and optical vortex. By using such a vector beam as the probe light La, the amplitude of the electric field vector of the terahertz wave T can be detected based on the contrast value of the intensity distribution of the probe light detected by the two-dimensional photodetector 6, and the contrast is Based on the direction of the generated axis, the direction of the electric field vector of the terahertz wave T can be detected.
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。上記実施形態では、テラヘルツ波検出素子５として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。また、上記実施形態では、テラヘルツ波検出素子５の一方面５ａでプローブ光Ｌａを反射させる構成としているが、テラヘルツ波検出素子５の内部でテラヘルツ波Ｔとプローブ光Ｌａとが同軸で透過する構成としてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. In the above embodiment, the terahertz wave detection element 5 is exemplified by the electro-optic crystal obtained by cutting out the (111) plane of ZnTe, which is an optical isotropic medium, but the electro-optic crystal is other optical isotropic medium such as GaP. It may be a crystal with a (111) plane cut out. In the above embodiment, the probe light La is reflected by the one surface 5a of the terahertz wave detection element 5. However, the terahertz wave T and the probe light La are coaxially transmitted inside the terahertz wave detection element 5. It is good.
１…電場ベクトル検出装置、３…ビームスプリッタ（分岐部）、４…テラヘルツ波発生素子、５…テラヘルツ波検出素子、６…二次元光検出器、７…解析装置（電場ベクトル検出部）、１１…光整形部、１２…偏光調整部、１３…スペイシャルフィルタ、１８…偏光変換素子、２１…光変調器、３１…λ／４波長板（位相補償子）、３２…検光子、Ｔ…テラヘルツ波、Ｌａ…プローブ光、Ｌｂ…ポンプ光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electric field vector detection apparatus, 3 ... Beam splitter (branch part), 4 ... Terahertz wave generation element, 5 ... Terahertz wave detection element, 6 ... Two-dimensional photodetector, 7 ... Analysis apparatus (electric field vector detection part), 11 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Light shaping part, 12 ... Polarization adjustment part, 13 ... Spatial filter, 18 ... Polarization conversion element, 21 ... Optical modulator, 31 ... λ / 4 wavelength plate (phase compensator), 32 ... Analyzer, T ... Terahertz Wave, La ... probe light, Lb ... pump light.
Claims (20)
テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出素子として光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶を用い、
超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を、偏光調整部によって直線偏光の向きがビーム断面内の位置によって異なる不均一な空間分布となっているベクトルビームとするステップと、
前記ベクトルビームとなった前記プローブ光を前記テラヘルツ波検出素子に入射して前記テラヘルツ波をプローブするステップと、
前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を二次元光検出器で検出するステップと、
前記二次元光検出器での検出結果に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出するステップと、を備える電場ベクトル検出方法。 An electric field vector detection method for detecting an electric field vector of a terahertz wave,
As the terahertz wave detecting element for detecting the terahertz wave, an electro-optic crystal obtained by cutting out the (111) plane of the optical isotropic medium is used.
The polarization state of the probe light, which is an ultrashort pulse light, is set as a vector beam having a non-uniform spatial distribution in which the direction of linearly polarized light varies depending on the position in the beam cross section by the polarization adjusting unit;
Injecting the probe light that has become the vector beam into the terahertz wave detecting element to probe the terahertz wave;
Detecting the probe light after probing the terahertz wave with a two-dimensional photodetector;
Detecting an electric field vector of the terahertz wave based on a detection result of the two-dimensional photodetector.
前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐するステップと、
前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光を光変調器で周期的に変調させるステップと、を更に備える請求項１記載の電場ベクトル検出方法。 Using a terahertz wave generating element that generates the terahertz wave by the incidence of pump light,
Branching the ultrashort pulse light into the probe light and the pump light;
The electric field vector detection method according to claim 1, further comprising: periodically modulating the pump light incident on the terahertz wave generating element with an optical modulator.
超短パルス光であるプローブ光の偏光状態を、直線偏光の向きがビーム断面内の位置によって異なる不均一な空間分布となっているベクトルビームとする偏光調整部と、
光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した電気光学結晶からなるテラヘルツ波検出素子と、
前記テラヘルツ波をプローブした後の前記プローブ光を検出する二次元光検出器と、
前記二次元光検出器での検出結果に基づいて前記テラヘルツ波の電場ベクトルを検出する電場ベクトル検出部と、を備える電場ベクトル検出装置。 An electric field vector detection device for detecting an electric field vector of a terahertz wave,
A polarization adjusting unit that changes the polarization state of the probe light, which is an ultrashort pulse light, as a vector beam having a non-uniform spatial distribution in which the direction of linearly polarized light varies depending on the position in the beam cross-section ;
A terahertz wave detecting element made of an electro-optic crystal obtained by cutting a (111) plane of an optically isotropic medium;
A two-dimensional photodetector for detecting the probe light after probing the terahertz wave;
An electric field vector detection device comprising: an electric field vector detection unit that detects an electric field vector of the terahertz wave based on a detection result of the two-dimensional photodetector.
前記超短パルス光を前記プローブ光と前記ポンプ光とに分岐する分岐部と、
前記テラヘルツ波発生素子に入射する前記ポンプ光を周期的に変調させる光変調器と、を更に備える請求項１１記載の電場ベクトル検出装置。 A terahertz wave generating element that generates the terahertz wave by incidence of pump light; and
A branching section for branching the ultrashort pulse light into the probe light and the pump light;
The electric field vector detection device according to claim 11, further comprising: an optical modulator that periodically modulates the pump light incident on the terahertz wave generating element.
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