JP7240528B2

JP7240528B2 - 遠赤外分光装置、遠赤外分光方法

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Inventors: 瑞希茂原; 啓志村; 健二愛甲
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Description

本発明は、遠赤外領域の光を用いて試料を分析する遠赤外分光装置に関する。

遠赤外光はテラヘルツ波とも呼ばれ、物質への透過性と、物質固有の吸収スペクトルを得られる。したがって、可視光や赤外光に対して透過性の低い物質や、遮蔽物に包まれた物質の吸収スペクトルを得て物質を分析する際に有効である事が期待されている。この分野の技術として、時間領域分光（ＴＤＳ：ＴｉｍｅＤｏｍａｉｎＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法が知られている。ＴＤＳは、医薬品の成分同定や有効成分の定量分析などにおいて有用であるが、他方でダイナミックレンジが狭い課題がある。そこでピークパワーの強いｉｓ－ＴＰＧ（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ－ｓｅｅｄｅｄＴＨｚＰａｒａｍｅｔｒｉｃＧｅｎｅｒａｔｏｒ）法を用いることにより、例えば厚さが数ｍｍのタブレット状のサンプルを測定できる可能性がある。

下記特許文献１は、ｉｓ－ＴＰＧ法を用いる遠赤外光源について記載している。同文献は、『本発明は、遠赤外光の周波数を変化させても、遠赤外光の照射位置のずれを低減することができる、遠赤外光源を提供するものである。本発明に係る遠赤外光源は、遠赤外光の周波数を変化させたとき非線形光学結晶内における前記遠赤外光の発生角度の変化量を、前記遠赤外光の周波数を変化させたとき前記非線形光学結晶とプリズムとの間の界面における前記遠赤外光の屈折角の変化量と、略相殺するように構成されている』という技術を開示している（要約参照）。

ＷＯ２０１９／１１６４６１

ｉｓ－ＴＰＧ法においては、遠赤外線を発生させる際に、２つのレーザ光（高パルスエネルギーのポンプ光と単一波長のシード光）を発生用非線形光学結晶に導入して、単一波長のパルス状の遠赤外線（ｉｓ－ＴＰＧ光）をパラメトリック発生させる。シード光の波長を変化させ、あるいは非線形光学結晶への入射角を調整すれば、発生するｉｓ－ＴＰＧ光の周波数を変えることができる。発生させたｉｓ－ＴＰＧ光を試料に照射し、その透過光を検出用非線形光学結晶に導入することにより近赤外光に変換して検出する。

ｉｓ－ＴＰＧ光の発生角度は、その周波数に依存して変化する。したがって、ｉｓ－ＴＰＧ光の周波数を掃引する場合は、その周波数に応じて、検出光学系を周波数ごとに微調整したり、挿引する周波数帯域が広い場合は照明光学系や検出光学系のサイズを大きくしたりする必要がある。検出光学系に対するｉｓ－ＴＰＧ光の入射位置が、周波数ごとに変化するからである。これにより、検出光学系のサイズやコストが増加する傾向がある。

発生用非線形光学結晶に対して入射するポンプ光の一部を分岐し、検出用非線形光学結晶に対して入射することにより、検出用非線形光学結晶の内部において、ｉｓ－ＴＰＧ光を近赤外光へ変換することができる。このとき検出用非線形光学結晶の内部において、波長変換効率を最大にするためには、ポンプ光に対するｉｓ－ＴＰＧ光の角度を、ｉｓ－ＴＰＧ光の周波数毎に適切に構成する必要がある。しかしこの角度を光学的に微調整することは、一定の困難をともなう。またこの角度が遠赤外分光装置間で異なっていると、検出する近赤外光の信号強度が装置間で異なってしまう可能性がある。

特許文献１においては、ｉｓ－ＴＰＧ光を発生させる際における、周波数ごとの発生角度差を低減することを目的としている（同文献の０００８参照）。しかし同文献においては、ｉｓ－ＴＰＧ光を検出する際に、検出用非線形光学結晶の内部において周波数ごとに適した角度を確保することについては、十分考慮されていない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ｉｓ－ＴＰＧ法を用いて遠赤外光を発生させる遠赤外分光装置において、検出光学系や検出用非線形光学結晶を微調整することなく、ｉｓ－ＴＰＧ光を効率的に検出することができる、遠赤外分光装置を提供することを目的とするものである。

本発明に係る遠赤外分光装置は、第１周波数を有する遠赤外光を検出用非線形光学結晶に対して入射したときと、第２周波数を有する前記遠赤外光を前記検出用非線形光学結晶に対して入射したときとの間で、検出用Ｓｉプリズムに対する前記遠赤外光の入射角度が同じである場合であっても、前記検出用非線形光学結晶の内部において、ポンプ光に対する前記遠赤外光の角度を、前記遠赤外光の周波数ごとに適切に構成することができるように、前記検出用非線形光学結晶に対する前記ポンプ光の入射面角度を調整する。

本発明に係る遠赤外分光装置によれば、ｉｓ－ＴＰＧ法を用いて遠赤外光を発生させる遠赤外分光装置において、周波数毎に検出光学系や検出用非線形光学結晶を微調整することなく、ｉｓ－ＴＰＧ光を効率的に検出することができる。

実施形態１に係る遠赤外分光装置１の全体構成を示す側面模式図である。各光の関係を示すベクトル図である。検出系における各光の波数ベクトルの関係を示す図である。遠赤外光２５０が、検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２に対して入射する箇所の拡大図である。検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２の先端を中心にして、これらを角度δ１だけ回転させたときの図である。角度δ１、遠赤外光２５０の周波数、および角度γ’’（遠赤外光２５０が検出用Ｓｉプリズム１４２に対して入射するときの角度）の関係を示す計算例である。実施形態２に係る遠赤外分光装置１の全体構成を示す側面模式図である。遠赤外光２５０が、発生用Ｓｉプリズム１４０と発生用非線形光学結晶１３０から出射する箇所の拡大図である。

＜実施の形態１：遠赤外光源の構成＞
図１Ａは、本発明の実施形態１に係る遠赤外分光装置１の全体構成を示す側面模式図である。遠赤外分光装置１は、試料２００に対して遠赤外光を照射することにより試料２００を分析する装置である。遠赤外分光装置１は、波長可変遠赤外光源１００、照明光学系１５０、検出光学系１７０、検出用非線形光学結晶１３２、光検出器２９０、制御部５００、信号処理部４００、を備える。

波長可変遠赤外光源１００は、発生用非線形光学結晶１３０に対して、互いに波長の異なるレーザ光（ポンプ光１１５とシード光１２５）を導入し、差周波発生あるいはパラメトリック発生によって遠赤外光２５０を発生させる。この方式はｉｓ－ＴＰＧ法と呼ばれる。ｉｓ－ＴＰＧ法によって発生させる遠赤外光のことをｉｓ－ＴＰＧ光と呼ぶことにする。

パルスレーザ光源１１０はポンプ光１１５を出射し、波長可変光源１２０はシード光１２５を出射する。ポンプ光１１５の一部は、ハーフミラー等の分岐素子１２７によって分岐され、ポンプ光２３５として検出用非線形光学結晶１３２に対して導かれる。入射角調整機構１２１は、シード光１２５が発生用非線形光学結晶１３０に対して入射する入射角度を調整する。ミラー１２６はシード光１２５を発生用非線形光学結晶１３０へ向けて反射する。

例えば、発生用非線形光学結晶１３０としてＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３を用い、パルスレーザ光源１１０として、パルス発振のＱスイッチＹＡＧレーザ（波長：１０６４ｎｍ）を用い、波長可変光源１２０が出射するシード光１２５を発生用非線形光学結晶１３０に入れると、パラメトリック発生によって遠赤外光２５０を得ることができる。波長可変光源１２０は連続発振のレーザでもよい。発生用非線形光学結晶１３０側面に発生用Ｓｉプリズム１４０を取り付けることにより、発生した遠赤外光２５０を効率よく取り出すことができる。シード光１２５の波長を１０６６ｎｍから１０８４ｎｍ程度の間で変化させ、さらに発生用非線形光学結晶１３０に対するシード光１２５の入射角度を調整することにより、発生する遠赤外光２５０（ｉｓ－ＴＰＧ光）の周波数を０．５ＴＨｚから５ＴＨｚ程度の範囲で変えることができる。

図１Ｂは、各光の関係を示すベクトル図である。発生する遠赤外光２５０の周波数をω_Ｔ、ポンプ光１１５の周波数をω_Ｐ、シード光１２５の周波数をω_Ｓとすると、ω_Ｔ＝ω_Ｐ－ω_Ｓ（式１）が成り立つ。さらに遠赤外光２５０、ポンプ光１１５、シード光１２５それぞれの波数ベクトルをｋ_Ｔ、ｋ_Ｐ、ｋ_Ｓとすると、ｋ_Ｔ＝ｋ_Ｐ－ｋ_Ｓ（式２）が成り立つ。発生した遠赤外光２５０（０．５ＴＨｚ～５ＴＨｚ）は、発生用Ｓｉプリズム１４０を介して、ポンプ光１１５に対して約４８°～３６°の角度で空気中に取り出される。

発生用非線形光学結晶１３０として用いているＬｉＮｂＯ_３は、３ＴＨｚ以上の遠赤外光を強く吸収するので、ポンプ光１１５とシード光１２５を発生用非線形光学結晶１３０のできるだけ端面に近い位置に導入し、発生する遠赤外光２５０が発生用非線形光学結晶１３０内部において通過する距離をできるだけ短くする。発生用非線形光学結晶１３０内部における遠赤外光２５０の通過距離が短いほど、発生用非線形光学結晶１３０によって吸収される遠赤外光２５０の量を抑制できるからである。一方、ポンプ光１１５とシード光１２５を発生用非線形光学結晶１３０のできるだけ端面側に入射させて、１ＴＨｚ以下の低周波数の遠赤外光を発生させると、発生用非線形光学結晶１３０内部における低周波数の遠赤外光の吸収は抑制できるが、他方でポンプ光１１５の光が結晶端でケラレることなく、すべてのエネルギーを結晶に導入できるために、ポンプ光１１５と遠赤外光２５０との間で相互作用が生じる光路長も短くなるので、遠赤外光２５０の発生効率が低下する。これにより、遠赤外光２５０を効率よく発生させられないという課題がある。

そこで、１ＴＨｚ以下の低周波数遠赤外光を発生させるときには、ポンプ光１１５とシード光１２５を発生用非線形光学結晶１３０の中心近辺へ照射すると、ポンプ光１１５の光が結晶端でケラレることなく、すべてのエネルギーを結晶に導入できる。これにより、遠赤外光２５０が発生用非線形光学結晶１３０の外へ出射するまでの間において遠赤外光２５０がポンプ光１１５で誘起された発生用非線形光学結晶１３０内部を通過する距離が長くなるので、ポンプ光１１５と遠赤外光２５０との間で相互作用が生じる距離をより長く確保できる。なお、１ＴＨｚ以下の低周波数の遠赤外光に対する発生用非線形光学結晶１３０内部における吸収は小さいので、結晶中心部で遠赤外光を発生させても問題とならない。

本実施形態１においては、自動並進ステージ１３５を用いて、遠赤外光２５０の周波数に応じて、発生用非線形光学結晶１３０と発生用Ｓｉプリズム１４０を、ポンプ光１１５に対してｙ’軸方向に移動させる。これにより、ポンプ光１１５とシード光１２５が発生用非線形光学結晶１３０に対して入射する位置を変化させる。このようにすると、１ＴＨｚ以下の低周波数の遠赤外光２５０では、ポンプ光１１５と遠赤外光２５０との間で相互作用が生じる光路長を、十分長く確保でき、３ＴＨｚ以上の高周波数の遠赤外光２５０では、結晶内部で吸収されることなく、効率よく発生させることができる。

発生用非線形光学結晶１３０から出射する余分な光は、ダンパー２４０によって回収され破棄される。後述する検出用非線形光学結晶１３２においても同様に、ダンパー２４０によって余分な光を回収および破棄する。

＜実施の形態１：ＴＰＧ光を除去する構成＞
発生用非線形光学結晶１３０内部においては、ポンプ光１１５に依拠しシード光１２５に依拠せずに発生する、ブロードな周波数帯域をもつ遠赤外光（ＴＰＧ光）もわずかながら発生している。ＴＰＧ光は、遠赤外光２５０とともに、試料２００を透過して、検出用非線形光学結晶１３２に導入され、ポンプ光２３５により、ブロードな周波数をもつ近赤外線に波長変換され、光検出器２９０によって検出される。この信号は、ｉｓ－ＴＰＧ光によって生成される検出信号に対して、ノイズとなるので、検出信号の安定性に影響を与える。さらに、ＴＰＧ光は出力が不安定であるので、発生用非線形光学結晶１３０内および検出用非線形光学結晶１３２内における変換効率が不安定になり、検出光３００の出力が安定して観測できなくなるという課題がある。さらには、ＴＰＧ光を近赤外光に変換するためにポンプ光２３５のエネルギーが使われてしまうので、エネルギー保存則の観点から、ｉｓ－ＴＰＧ光から近赤外光への波長変換効率が低下する課題がある。

図１Ｂに示すように、発生用非線形光学結晶１３０は、遠赤外光２５０の周波数に応じた角度γで遠赤外光２５０を出射するが、ＴＰＧ光はポンプ光１１５の存在によって発生する成分であるので、シード光１２５の波長を変化させても（すなわち遠赤外光２５０の出射角度を変化させても）、ＴＰＧ光の出射角度は変化しない。そこで、ミラー１６１を介して遠赤外光２５０とＴＰＧ光をレンズ１５１によって集光すると、その集光スポットは遠赤外光２５０とＴＰＧ光との間で空間的に異なることになる。したがって、自動並進ステージ２０６に設置したスリット２０５（遮光部材）を用いて、ＴＰＧ光のみ除去することができる。

ＴＰＧ光と遠赤外光２５０は同じ偏光を持つので、ＴＰＧ光は偏光子などによって除去することはできない。またＴＰＧ光と遠赤外光２５０は、時間ドメインにおいてもほぼ同じパルス状の光として発生する。したがって、スリット２０５によってＴＰＧ光を空間的に除去することが適していると考えられる。遮光部材としてはスリット２０５の他に、アイリス、ピンホール、ナイフエッジなどを用いることもできる。スリット２０５の幅、アイリスの開口、ピンホールの大きさなどは、遠赤外光２５０を除去しない程度で、可能な限り小さくすることが望ましい。遮光部材の材質は、ＴＰＧ光を吸収できるような樹脂やＴＰＧ光を反射する金属などであってもよい。

シード光１２５の波長を変えて遠赤外光２５０の周波数を変化させた場合、レンズ１５１（焦点距離ｆ）によって集光されたビームスポットの変異量Δは、Δ＝ｆθ（式３）にしたがって変化する。θは遠赤外光２５０の発生角度である。自動並進ステージ２０６を式３にしたがって移動させることにより、常に所望周波数の遠赤外光２５０のみを取り出すことができる。

上記構成により、ＴＰＧ光が遠赤外光２５０とともに検出用非線形光学結晶１３２に対して導入されることがないので、遠赤外光２５０のみを効率よく波長変換することができ、安定な出力の検出光３００を得ることができる。また、波長変換の際に、ＴＰＧ光を近赤外に変換するためにポンプ光２３５のエネルギーを使うことがないので、遠赤外光２５０の変換効率を上昇させることができる。

スリット２０５を用いてＴＰＧ光を除去する方式と、上記の発生用非線形光学結晶１３０を自動並進ステージ１３５で移動させる方式を組み合わせると、光検出器２９０において検出する周波数帯域を広げることができる。

＜実施の形態１：光学系の構成＞
遠赤外分光装置１の製造時における光学調整の際には、ｉｓ－ＴＰＧ光が最高出力になるように、ポンプ光１１５またはシード光１２５、またはその両方の光軸を調整する。複数の遠赤外分光装置１を製造するとき、わずかな光軸の違いによって、ｉｓ－ＴＰＧ光の発生位置や発生角度が装置間で異なってしまう場合がある。この装置間差を制御するのは難しく、試料２００、検出光学系１７０、検出用非線形光学結晶１３２の位置をすべて調整しなければならないという課題がある。

そこで、発生したｉｓ－ＴＰＧ光（遠赤外光２５０）をミラー１６１によって反射し、スリット２０５を通過させ、回転ステージ１６３に搭載したミラー１６２によって試料２００へ向けて反射する。遠赤外光２５０の周波数を変更すると、遠赤外光２５０の発生角度が変化するが、回転ステージ１６３を用いて、ミラー１６２の角度を補正するとよい。回転ステージ１６３の回転中心はミラー１６２の表面にあるようにし、ミラー１６２上の回転中心と遠赤外光２５０の発生位置が鏡像関係になるようにすると、周波数を変えたときであっても、遠赤外光２５０はミラー１６２の回転中心に常に入射することになる。上記鏡像関係は、レンズ１５１の光軸方向の位置により調整するとよい。また、紙面に垂直な方向の光に関しては、遠赤外光２５０の角度は周波数に依存しないので、紙面に平行な方向のみ考えればよい。

ミラー１６２によって反射された遠赤外光２５０は、レンズ１５２により平行光に変換され、レンズ１５６を用いて試料２００に対して集光される。これにより、遠赤外光２５０の周波数が変わっても、試料２００の常に同じ位置に対して遠赤外光２５０が照射される。

照明光学系１５０の上記構成を用いることにより、複数の遠赤外分光装置１間においても、ミラー１６１と１６２とレンズ１５１のみで、遠赤外光２５０の方向や位置を簡単に補正することができる。

検出光学系１７０は、レンズ１７７と１７９を有する。レンズ１７７は、試料２００を通過した遠赤外光２５０を平行光に変換する。レンズ１７９は、遠赤外光２５０を検出用Ｓｉプリズム１４２に対して集束させる。検出用Ｓｉプリズム１４２に対する遠赤外光２５０の入射角度が後述するγ’’となるように、照明光学系１５０／検出光学系１７０／ステージ１４５を調整する。

＜実施の形態１：検出系の構成＞
試料２００を通過した遠赤外光２５０は、検出光学系１７０と検出用Ｓｉプリズム１４２を経て、検出用非線形光学結晶１３２に導入される。遠赤外光２５０は、検出用非線形光学結晶１３２により、波長１０６６ｎｍ～１０８４ｎｍ付近の近赤外光（検出光３００）に波長変換される。検出光300は、近赤外光に感度を有する光検出器２９０によって光電変換され、検出信号として検出される。

図２Ａは、検出系における各光の波数ベクトルの関係を示す図である。各光のベクトル関係は、発生時と同様に図２Ａのように表すことができる。検出用非線形光学結晶１３２による波長変換を効率的に実施するためには、ポンプ光２３５に対して遠赤外光２５０が形成する角度γを適切に構成する必要がある。遠赤外光２５０の周波数が変化するとγも変化するので、適切なγを確保するためには、例えば検出用非線形光学結晶１３２と検出用Ｓｉプリズム１４２をステージ１４５によって移動（または角度を変更）することが必要となる。しかしそのような微調整を実施するためには、ステージ１４５の制御精度などを相応に確保する必要があり、装置構成が複雑になってしまう。

そこで本実施形態１においては、遠赤外光２５０が、検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２に対して入射するときの屈折現象を利用して、検出用非線形光学結晶１３２内部における遠赤外光２５０の角度（すなわち図２Ａと２Ｂにおける角度γ）を調整する。

図２Ｂは、遠赤外光２５０が、検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２に対して入射する箇所の拡大図である。遠赤外光２５０は、検出用Ｓｉプリズム１４２に対して入射するときその境界面で屈折し、さらに検出用非線形光学結晶１３２に対して入射するときその境界面で屈折する。ポンプ光２３５に対する遠赤外光２５０の角度γを周波数ごとに適切にセットする必要がある。

図２Ｃは、検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２の先端を中心にして、これらを角度δ１だけ回転させたときの図である。遠赤外光２５０の周波数ごとに、図２Ｃのように検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２を回転させれば、検出用非線形光学結晶１３２内部における角度γを適切にセットできる。しかし周波数ごとにこのような微調整をするのは、制御精度などの観点から困難である。

図２Ｄは、角度δ１、遠赤外光２５０の周波数、および角度γ’’（遠赤外光２５０が検出用Ｓｉプリズム１４２に対して入射するときの角度）の関係を示す計算例である。ここでは角度δ１＝０°、３°、７°の例を示した。検出用非線形光学結晶１３２内部における適切な角度γを確保するためには、検出用Ｓｉプリズム１４２に対する入射角度γ’’を適切にセットする必要がある。遠赤外光２５０の周波数に応じて、適切なγ’’も変化する。さらにδ１を変化させると、周波数とγ’’との間の関係も変化することがわかる。

図２Ｄによれば、δ１＝７°のとき、遠赤外光２５０の周波数を変化させることにともなう適切な入射角度γ’’の変化が最も小さいことが分かる。本発明者等は、このような角度δ１が存在することを見出した。そこで本実施形態１においては、周波数変化にともなう角度γ’’の変化が最も小さくなるように、ステージ１４５によって角度δ１をセットすることとした（図２Ｄの例においてはδ１＝７°）。これにより、遠赤外光２５０の広い周波数帯域にわたって、入射角度γ’’のための複雑な補正機構を必要とせず、検出光３００を効率的に発生させることができる。

周波数変化にともなうγ’’の変化が最も小さいδ１（図２Ｄにおいてはδ１＝７°）の特性においては、γ’’が同一となる周波数が２つ以上存在することが望ましい。例えば図２Ｄのδ１＝７°の例においては、周波数が１．５ＴＨｚ付近と４．０ＴＨｚ付近において、γ’’の値が同じである。さらにその前後の周波数帯においても、γ’’が略同一の範囲内（この例においては、１．５ＴＨｚ付近におけるγ’’との間の差分が許容範囲内であり、かつ４．０ＴＨｚ付近におけるγ’’との間の差分も許容範囲内）に収まっていることが望ましい。

望ましいδ１（図２Ｄにおいてはδ１＝７°）は、遠赤外分光装置１を用いて試料２００を分析する前にあらかじめセットしておいてもよいし、測定開始後において適切なδ１の値を探索してもよい。いずれの場合においても、ステージ１４５によって検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２の角度を変更しながら、適切なγ’’をセットするとともに、周波数を変化させたときにおけるγ’’の変化が最も小さくなるようなδ１（例えば２つの周波数においてγ’’が同一となるようなδ１）を探索すればよい。ステージ１４５は制御部５００によって制御すればよい。自動並進ステージ１３５も同様に制御部５００によって制御できる。

＜実施の形態１：近赤外光を検出する構成＞
遠赤外光から変換された検出光３００は光検出器２９０によって検出される。光検出器２９０は、複数の受光素子が１次元配列に並んだ受光素子（１Ｄアレイ検出器）でもよいし、複数の受光素子が２次元配列に並んだ受光素子（２Ｄアレイ検出器）でもよい。近赤外用の１Ｄアレイ検出器または２Ｄアレイ検出器は、比較的入手が容易であり、応答速度も速く、常温で使用できる。したがって、これらの検出器は産業応用に適している。信号処理部４００は、光検出器２９０のもつノイズや、装置内部の可視光や近赤外光の散乱光などによるノイズ等によるＳ／Ｎ比の低下をふせぐために、測定した信号から、後に遠赤外線を遮断した際の信号強度を差し引く。光検出器２９０の大きさに対して検出光が小さい場合は、光検出器２９０上の検出光が存在する特定の範囲を積分した値を検出光強度として、信号処理部４００に送るとよい。また、周波数を挿引した場合、検出光３００のビーム位置は変化するので、その処理する信号の範囲を追従するとよい。検出光３００と同様に、ノイズ成分も強度が異なるので、周波数毎に対応した範囲のノイズを測定する必要がある。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る遠赤外分光装置１は、第１周波数（例えば図２Ｄにおける１．５ＴＨｚ付近）を有する遠赤外光２５０を検出用非線形光学結晶１３２に対して入射したときと、第２周波数（例えば図２Ｄにおける４．０ＴＨｚ付近）を有する遠赤外光２５０を検出用非線形光学結晶１３２に対して入射したときとの間で、検出用Ｓｉプリズム１４２に対する遠赤外光２５０の適切な入射角度γ’’が同じとなるように、検出用非線形光学結晶１３２に対するポンプ光２３５の入射面の角度δ１を調整する。ここでいう適切な入射角度γ’’とは、検出用非線形光学結晶１３２内部において、遠赤外光２５０を近赤外光へ変換する際の効率がよい角度γを、遠赤外光２５０の周波数に応じて確保できるような角度である。これにより、遠赤外光２５０の広い周波数帯域において、入射角度γ’’のための複雑な補正機構を必要とせず、検出光３００を効率的に発生させることができる。

本実施形態１に係る遠赤外分光装置１は、遠赤外光２５０の発生角度とＴＰＧ光の発生角度が互いに異なる場合において、スリット２０５の位置を式３にしたがって調整することにより、ＴＰＧ光のみを遮断する。これにより、ＴＰＧ光に起因するノイズを抑制するとともに、ポンプ光２３５のエネルギーをＴＰＧ光のため用いないようにすることができる。

本実施形態１に係る遠赤外分光装置１は、遠赤外光２５０の周波数に応じてその発生角度が異なる場合であっても、検出用Ｓｉプリズム１４２に対して、遠赤外光２５０が適切な入射角度γ’’で入射するように、ミラー１６２によって遠赤外光２５０の角度を調整する。これにより、遠赤外光２５０の周波数を変更した場合であっても、変換効率のよい角度γを常に確保することができる。さらに、検出用Ｓｉプリズム１４２と検出用非線形光学結晶１３２の角度を変更しなくとも、同一の入射角度γ’’の下で、変換効率のよい角度γを常に確保することができる。

本実施形態１に係る遠赤外分光装置１は、遠赤外光２５０の周波数に応じて、ポンプ光１１５と遠赤外光２５０との間の相互作用が生じる光路長を発生用非線形光学結晶１３０内部においてできるだけ長く確保できるように、自動並進ステージ１３５によって発生用非線形光学結晶１３０の位置を調整する。これにより、広範な周波数範囲にわたって、ポンプ光１１５と遠赤外光２５０との間で相互作用が生じる光路長を十分長く確保し、効率よく遠赤外光２５０を発生させることができる。

＜実施の形態２＞
実施形態１においては、検出用非線形光学結晶１３２に対するポンプ光２３５の入射面の角度δ１を調整することにより、γ’’を微調整しなくとも、検出側における変換効率を確保する構成例を説明した。同様の角度調整は、発生用非線形光学結晶１３０においても実施することができる。そこで本発明の実施形態２では、検出側に加えて発生側においても、ポンプ光１１５が入射する入射面の角度を調整する構成例を説明する。

図３Ａは、本実施形態２に係る遠赤外分光装置１の全体構成を示す側面模式図である。図３Ａに示す構成においては、図１Ａの構成と比較して、ミラー１６１からミラー１６２に至る光学素子を省略している。その他構成は実施形態１と同様である。ただし以下に説明するように、発生用非線形光学結晶１３０に対してポンプ光１１５が入射する入射面の角度δ２を調整する。

図３Ｂは、遠赤外光２５０が、発生用Ｓｉプリズム１４０と発生用非線形光学結晶１３０から出射する箇所の拡大図である。発生用非線形光学結晶１３０内部において、遠赤外光２５０は、ポンプ光１１５に対して角度γ２を形成して発生する。遠赤外光２５０は、発生用Ｓｉプリズム１４０と発生用非線形光学結晶１３０との間の境界面において屈折するとともに、発生用Ｓｉプリズム１４０と空気との間の境界面において屈折する。ポンプ光１１５に対する出射角度はγ２’’となる。γ２、γ２’、γ２’’は、遠赤外光２５０の周波数ごとに変化する。

発生用Ｓｉプリズム１４０と発生用非線形光学結晶１３０においても、図２Ｄと同様の関係が存在する。すなわち、遠赤外光２５０の周波数を変更してもγ２’’が略一定となるような、入射面の角度δ２が存在する。そこで本実施形態２においては、自動並進ステージ１３５により、発生用Ｓｉプリズム１４０と発生用非線形光学結晶１３０を傾けて角度δ２を形成する。これにより、遠赤外光２５０の周波数を変更しても、遠赤外光２５０の発生角度γ２’’はほぼ変化しないので、照明光学系１５０などの光学系の大きさを小さくしても問題ないし、照射される試料２００の位置も変わらないので、移動ステージで補正する必要もなくなる。

ただし実施形態１と同様に、遠赤外光２５０の周波数を変更するときは、ポンプ光１１５に対する発生用非線形光学結晶１３０と発生用Ｓｉプリズム１４０の位置を、自動並進ステージ１３５によって適切な位置になるように移動することが望ましい。さらには実施形態１と同様に、角度δ２を自動並進ステージ１３５によって探索してもよい。

試料２００を透過した遠赤外光２５０は、実施形態１と同様に検出用Ｓｉプリズム１４２を介して検出用非線形光学結晶１３２に導入される。実施形態１と同様に、検出用非線形光学結晶１３２と検出用Ｓｉプリズム１４２角度δ１だけ傾けて設置する。これにより検出側においても実施形態１と同様の効果を発揮できる。

本実施形態２においては、ミラー１６１からミラー１６２に至る光学素子を省略しているので、遠赤外分光装置１を小型化し、かつコストを抑制できる。ただしＴＰＧ光を除去するスリット２０５などがないので、ＴＰＧ光によるノイズやエネルギー消費を許容できる用途において、本実施形態２を用いることが望ましい。これに対して実施形態１においては、ＴＰＧ光をスリット２０５などによって除去するためには、遠赤外光２５０の発生角度とＴＰＧの発生角度が互いに異なる必要があるので、波長可変遠赤外光源１００において本実施形態２の構成を用いるべきではない。

＜本発明の変形例について＞
以上の実施形態において、遠赤外分光装置１は、例えば試料２００中の化学物質の成分含有量の定量分析や定性分析、あるいは、試料２００内における異物の検査などの検査工程において、用いることができる。遠赤外光２５０を用いて試料２００を分析するその他適当な用途においても用いることができる。

以上の実施形態において、制御部５００は、遠赤外分光装置１の全体を制御することができる。信号処理部４００と制御部５００は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することによって構成することもできる。

１：遠赤外分光装置
１００：波長可変遠赤外光源
１１０：パルスレーザ光源
１２０：波長可変光源
１１５、２３５：ポンプ光
１２５：シード光
１３０：発生用非線形光学結晶
１３２：検出用非線形光学結晶
１３５：自動並進ステージ
１４０：発生用Ｓｉプリズム
１４２：検出用Ｓｉプリズム
１４５：ステージ
１５０：照明光学系
１５２、１５６：レンズ
１６１、１６２：ミラー
１６３：回転ステージ
２００：試料
２０５：スリット
２０６：自動並進ステージ
２５０：遠赤外光（ｉｓ－ＴＰＧ光）
２９０：光検出器
３００：検出光
４００：信号処理部
５００：制御部

Claims

遠赤外光を用いて試料を分析する遠赤外分光装置であって、
波長可変の第１遠赤外光を出射する波長可変遠赤外光源、
前記試料を透過した前記第１遠赤外光を検出する検出系、
を備え、
前記波長可変遠赤外光源は、ポンプ光とシード光を発生用非線形光学結晶に対して入射し、前記発生用非線形光学結晶に隣接して配置された発生用Ｓｉプリズムを介して、前記第１遠赤外光を出射するように構成されており、
前記検出系は、前記第１遠赤外光を検出用Ｓｉプリズムに対して入射するとともに、前記ポンプ光を前記検出用Ｓｉプリズムに隣接して配置された検出用非線形光学結晶に対して入射することにより、前記検出用非線形光学結晶を介して、前記第１遠赤外光を近赤外光に変換して出射するように構成されており、
前記検出用非線形光学結晶と前記検出用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第１角度を形成する入射角度で、第１周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第１周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記検出用非線形光学結晶と前記検出用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第２角度を形成する入射角度で、第２周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第２周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記検出用非線形光学結晶は、前記検出用非線形光学結晶に対して前記ポンプ光が入射する入射面の法線と、前記ポンプ光との間の角度δ１を調整することにより、前記第１角度と前記第２角度を等しくするように構成されている
ことを特徴とする遠赤外分光装置。
前記遠赤外分光装置はさらに、
前記検出用非線形光学結晶を移動または傾けることにより前記角度δ１を調整する検出用ステージ、
前記検出用ステージを制御する制御部、
を備え、
前記制御部は、前記ポンプ光に対して前記第１角度を形成する入射角度で、前記第１周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して前記第１周波数に対応する角度を形成するように、前記角度δ１を調整し、
前記制御部は、前記ポンプ光に対して前記第２角度を形成する入射角度で、前記第２周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して前記第２周波数に対応する角度を形成するように、前記角度δ１を調整し、
前記制御部は、前記第１角度と前記第２角度が一致するような前記角度δ１を探索することにより、前記角度δ１を調整する
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記検出用非線形光学結晶と前記検出用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第３角度を形成する入射角度で、第３周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第３周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記検出用非線形光学結晶は、前記角度δ１を調整することにより、前記第１角度と前記第３角度との間の差分を許容範囲内に収めるとともに、前記第２角度と前記第３角度との間の差分を前記許容範囲内に収めるように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記発生用非線形光学結晶は、前記第１遠赤外光を発生させるとともに、前記シード光に依拠せず前記ポンプ光に依拠して生じる第２遠赤外光を発生させるように構成されており、
前記遠赤外分光装置はさらに、前記第１遠赤外光の光路上において、前記第２遠赤外光を遮断する遮光部材を備える
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記発生用非線形光学結晶は、前記第１遠赤外光の周波数に応じて異なる角度で前記第１遠赤外光を出射するように構成されており、
前記遮光部材は、前記第１遠赤外光の周波数に対応する位置に移動することにより、前記第１遠赤外光を通過させるとともに前記第２遠赤外光を遮断するように構成されている
ことを特徴とする請求項４記載の遠赤外分光装置。
前記遠赤外分光装置はさらに、前記ポンプ光に対して前記第１角度または前記第２角度を形成する入射角度で、前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射するように、前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに向かって反射させるミラーを備える
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記遠赤外分光装置はさらに、前記発生用非線形光学結晶を移動させるステージを備え、
前記ステージは、前記発生用非線形光学結晶が前記第１遠赤外光を出射する出射角度に対応する位置に前記発生用非線形光学結晶を移動させる
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記発生用非線形光学結晶は、前記第１遠赤外光の周波数に応じて異なる角度で前記第１遠赤外光を出射するように構成されており、
前記ステージは、前記出射角度に応じて、前記第１遠赤外光と前記ポンプ光との間で相互作用が生じる光路長が長くなるように、前記発生用非線形光学結晶を移動させる
ことを特徴とする請求項７記載の遠赤外分光装置。
前記発生用非線形光学結晶と前記発生用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第４角度を形成する出射角度で、第４周波数を有する前記第１遠赤外光を前記発生用Ｓｉプリズムから出射したとき、前記発生用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第４周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記発生用非線形光学結晶と前記発生用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第５角度を形成する出射角度で、第５周波数を有する前記第１遠赤外光を前記発生用Ｓｉプリズムから出射したとき、前記発生用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第５周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記発生用非線形光学結晶は、前記発生用非線形光学結晶に対して前記ポンプ光が入射する入射面の法線と、前記ポンプ光との間の角度δ２を調整することにより、前記第４角度と前記第５角度を等しくするように構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
前記遠赤外分光装置はさらに、
前記発生用非線形光学結晶を移動または傾けることにより前記角度δ２を調整する発生用ステージ、
前記発生用ステージを制御する制御部、
を備え、
前記制御部は、前記ポンプ光に対して前記第４角度を形成する出射角度で、前記第４周波数を有する前記第１遠赤外光を前記発生用Ｓｉプリズムから出射したとき、前記発生用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して前記第４周波数に対応する角度を形成するように、前記角度δ２を調整し、
前記制御部は、前記ポンプ光に対して前記第５角度を形成する出射角度で、前記第５周波数を有する前記第１遠赤外光を前記発生用Ｓｉプリズムから出射したとき、前記発生用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して前記第５周波数に対応する角度を形成するように、前記角度δ２を調整し、
前記制御部は、前記第４角度と前記第５角度が一致するような前記角度δ２を探索することにより、前記角度δ２を調整する
ことを特徴とする請求項９記載の遠赤外分光装置。
前記発生用非線形光学結晶と前記発生用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第６角度を形成する出射角度で、第６周波数を有する前記第１遠赤外光を前記発生用Ｓｉプリズムから出射したとき、前記発生用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第６周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記発生用非線形光学結晶は、前記角度δ２を調整することにより、前記第４角度と前記第６角度との間の差分を閾値以内に収めるとともに、前記第５角度と前記第６角度との間の差分を前記閾値以内に収めるように構成されている
ことを特徴とする請求項９記載の遠赤外分光装置。
前記シード光の波長は、１０６６ｎｍから１０８４ｎｍまでの範囲であり、
前記第１遠赤外光の周波数は、０．５ＴＨｚから５ＴＨｚまでの範囲である
ことを特徴とする請求項１記載の遠赤外分光装置。
遠赤外光を用いて試料を分析する遠赤外分光方法であって、
波長可変遠赤外光源から波長可変の第１遠赤外光を出射するステップ、
試料を透過した前記第１遠赤外光を検出するステップ、
を有し、
前記第１遠赤外光を出射するステップにおいては、ポンプ光とシード光を発生用非線形光学結晶に対して入射し、前記発生用非線形光学結晶に隣接して配置された発生用Ｓｉプリズムを介して、前記第１遠赤外光を出射し、
前記第１遠赤外光を検出するステップにおいては、前記第１遠赤外光を検出用Ｓｉプリズムに対して入射するとともに、前記ポンプ光を前記検出用Ｓｉプリズムに隣接して配置された検出用非線形光学結晶に対して入射することにより、前記検出用非線形光学結晶を介して、前記第１遠赤外光を近赤外光に変換して出射し、
前記検出用非線形光学結晶と前記検出用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第１角度を形成する入射角度で、第１周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第１周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記検出用非線形光学結晶と前記検出用Ｓｉプリズムは、前記ポンプ光に対して第２角度を形成する入射角度で、第２周波数を有する前記第１遠赤外光を前記検出用Ｓｉプリズムに対して入射したとき、前記検出用非線形光学結晶の内部において前記第１遠赤外光が前記ポンプ光に対して、前記第２周波数に対応する角度を形成するように配置されており、
前記第１遠赤外光を検出するステップにおいては、前記検出用非線形光学結晶に対して前記ポンプ光が入射する入射面の法線と、前記ポンプ光との間の角度δ１を調整することにより、前記第１角度と前記第２角度を等しくする
ことを特徴とする遠赤外分光方法。