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WO2000079248A1 - Spectrometre a ondes terahertz - Google Patents

Spectrometre a ondes terahertz Download PDF

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WO2000079248A1
WO2000079248A1 PCT/JP2000/004048 JP0004048W WO0079248A1 WO 2000079248 A1 WO2000079248 A1 WO 2000079248A1 JP 0004048 W JP0004048 W JP 0004048W WO 0079248 A1 WO0079248 A1 WO 0079248A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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terahertz wave
frequency
sample
light
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2000/004048
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hironori Takahashi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hamamatsu Photonics KK
Original Assignee
Hamamatsu Photonics KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hamamatsu Photonics KK filed Critical Hamamatsu Photonics KK
Priority to JP2001505169A priority Critical patent/JP4368082B2/ja
Priority to AU55666/00A priority patent/AU5566600A/en
Publication of WO2000079248A1 publication Critical patent/WO2000079248A1/ja
Priority to US10/020,982 priority patent/US6747736B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more

Definitions

  • the present invention relates to a terahertz wave spectrometer that uses a terahertz wave, which is an electromagnetic wave around a frequency I THz (terahertz), for spectroscopic measurement.
  • a terahertz wave which is an electromagnetic wave around a frequency I THz (terahertz)
  • I THz terahertz
  • the electromagnetic wave region around the frequency I THz (Terahertz) (Terahertz wave region, for example, refers to a broad frequency region including about 100 GHz to 10 THz or its surrounding region) is a light wave
  • the terahertz wave is effective for application to, for example, spectral imaging in the infrared wavelength region.
  • measurement for frequency selection is described in, for example, the document “Generation of Terahertz Electromagnetic Waves and Its Application” (Sakai et al., “Laser Research 26, No. 7, pp. 515-521 (1998)”).
  • FFT fast Fourier transform
  • the terahertz wave is sampled by scanning the terahertz wave with a variable optical delay device that performs only one sweep on the outward path.
  • Japanese Patent Application Laid-Open Nos. Hei 8-322054 and Hei10-1503547 disclose terahertz waves using an A / D converter and a digital signal processor (DSP). It describes an imaging system that obtains spectral information by using. In these methods, the DSP recognizes the special shape of the terahertz wave, thereby extracting frequency-related information from the time-domain data.
  • DSP digital signal processor
  • a terahertz wave spectrometer generates a terahertz wave using a predetermined excitation optical system for guiding excitation light, and the excitation light guided by the predetermined excitation optical system.
  • a terahertz wave generator for causing the terahertz wave to be generated by the terahertz generator to a sample for performing spectroscopic measurement, and a predetermined terahertz wave for further guiding the terahertz wave affected by the sample
  • a terahertz wave optical system, a predetermined probe optical system for guiding a probe light synchronized with the excitation light, and the terahertz wave optical system affected by the sample and guided by the terahertz wave optical system for causing the terahertz wave to be generated by the terahertz generator to a sample for performing spectroscopic measurement, and a predetermined terahertz wave for further guiding the terahertz wave affected by the sample
  • a terahertz wave detector that detects a Hertz wave with probe light guided by the predetermined probe optical system and outputs a detection signal; and any one of the excitation optical system and the open-end optical system And the corresponding excitation light or By vibrating the optical path length of the probe light at a predetermined vibration frequency, the corresponding excitation light or probe to one of the terahertz wave generator and the terahertz wave detector is provided.
  • An optical delay oscillation means for periodically oscillating a light irradiation timing; and a spectral processing means for performing spectral measurement of the sample based on a detection signal obtained by the terahertz wave detector;
  • Has frequency analysis means for frequency-analyzing the detection signal that periodically changes according to the vibration frequency, and the frequency analysis result obtained by the frequency analysis means obtains the frequency of the terahertz wave affected by the sample. It is characterized by indicating wave number analysis information and thereby indicating spectral information of the sample.
  • the irradiation timing of the probe light to the terahertz wave detector is different from the irradiation timing of the excitation light to the terahertz wave generator by a timing difference that changes in vibration. Synchronized. You In other words, after the terahertz wave emitted from the terahertz wave generator passes through a predetermined terahertz wave optical system and is transmitted through or reflected by the sample, the terahertz wave is detected. The timing at which the light enters the detector and the detection timing at which the terahertz wave detector detects the terahertz wave using the probe light are adjusted and set so as to vibrate.
  • the optical delay oscillation means when the optical delay oscillation means is provided in the probe optical system, the optical delay oscillation means has a component for changing the optical path length of the probe light, and drives the component at a predetermined frequency.
  • the detection of the terahertz wave is periodically changed in vibration. By changing the detection timing, it is possible to scan the time waveform of the terahertz wave, but by making the change a vibration change, the time waveform of the detection signal from the terahertz wave detector It realizes that the vector is the same as the time waveform and frequency spectrum of the terahertz wave, the homomorphism, or the shape corresponding to a predetermined rule, and the time scale and frequency scale are converted.
  • a frequency scale on the order of THz can be converted to a desired frequency scale such as on the order of KHz.
  • an optical delay oscillation means may be provided in the excitation optical system instead of the probe optical system to vary the oscillation timing of the terahertz wave. It is possible to realize scale conversion of the vector.
  • the frequency of the detection signal is directly measured by performing a frequency domain measurement on the detection signal by frequency analysis means.
  • the frequency information of the detection signal obtained in this manner is the frequency information of the terahertz wave whose frequency scale has been converted, and thus indicates the spectral information of the sample.
  • the spectroscopic measurement of the sample can be performed.
  • the frequency of the detection signal is directly measured, unlike the conventional case where the time domain measurement is performed, it is not necessary to perform the FFT operation and the like, and it is possible to perform the real-time measurement. Become.
  • a terahertz wave frequency analysis can be performed with a simplified data processing method and a simplified device configuration. Therefore, a spectrometer capable of real-time spectrometry and having a simplified device configuration and reduced cost can be realized. In particular, the simplification of the device enables its integration into an integrated circuit.
  • the frequency analysis means preferably includes a spectrum analyzer that generates a frequency spectrum by frequency analysis from a detection signal.
  • the generated frequency spectrum indicates the spectral information of the sample. It is also possible to perform measurement under conditions such as narrowing the measurement frequency band of the spectrum analyzer or limiting it to a specific frequency.
  • the frequency analysis means has a bandpass filter for selecting a predetermined frequency component from the detection signal.
  • the detection signal of the selected frequency component indicates the spectral information of the sample.
  • the band-pass filter includes a plurality of band-pass filters for selecting different frequency components, respectively.
  • a correlation analysis means for obtaining a correlation between a plurality of frequency components selected by the plurality of band bass filters may be further provided.
  • the spectroscopic processing means further includes frequency setting Z changing means for controlling the optical delay oscillation means to set or change the oscillation frequency of the change in the optical path length of the corresponding excitation light or probe light, and the frequency analysis means Alternatively, frequency analysis may be performed based on the set or changed vibration frequency. This makes it possible to arbitrarily control the time / frequency scale conversion conditions from the above-mentioned terahertz wave to the detection signal, and to arbitrarily set / change the frequency region to be measured. .
  • the terahertz wave generator or the terahertz wave detector as a configuration suitable for generating or detecting a terahertz wave, for example, at least a terahertz wave generator and a terahertz wave detector One can be configured using an optical switch element. Further, at least one of the terahertz wave generator and the terahertz wave detector can be configured using an electro-optic crystal.
  • a sample moving means for moving the sample in the two-dimensional direction may be further provided, and the spectroscopic processing means may perform two-dimensional spectroscopic measurement on the sample.
  • the terahertz wave detector is preferably a two-dimensional detector for performing two-dimensional spectroscopic measurement on a sample to be subjected to spectroscopic measurement.
  • a plurality of terahertz wave detectors are two-dimensionally arranged and arranged in a two-dimensional manner, and the spectral processing means has a plurality of frequency analysis means.
  • Each of the plurality of frequency analysis means is connected to a corresponding one of the plurality of frequency analysis means. It is preferable to perform a two-dimensional spectroscopic measurement on the sample by performing a frequency analysis on the detection signal obtained by the Hertz wave detection unit. With such a configuration, measurement such as real-time two-dimensional imaging of a sample can be performed. This is useful for spectroscopic measurement of the distribution of components in a sample.
  • the excitation optical system may include an optical hood that controls ⁇ NZFFF of the excitation light.
  • the SZN ratio of the measurement can be improved, for example, the effect of 1 / f noise from the light source of the excitation light or the probe light can be reduced.
  • the spectroscopic processing means further includes analysis means for obtaining, based on the frequency analysis result of the detection signal by the frequency analysis means, frequency analysis information of the terahertz wave affected by the sample, which indicates the spectral information of the sample. Is preferred.
  • This analysis means returns the frequency scale of the frequency analysis result of the detection signal to the original frequency scale of the terahertz wave, thereby performing the frequency analysis of the terahertz wave, which is the spectral information of the sample. Information can be obtained.
  • the detection timing obtained from the terahertz wave detector is obtained by vibrating the irradiation timing of the probe light or the excitation light at a predetermined frequency by the optical delay vibration means.
  • the signal becomes a signal waveform whose time scale is converted with respect to the time waveform of the terahertz wave.
  • a frequency using a spectrum analyzer, a band bus filter, or the like is applied to the detection signal of such a signal waveform.
  • the analysis means is applied to perform frequency analysis of the detection signal whose frequency scale has been converted with respect to the frequency spectrum of the terahertz wave, and perform spectral measurement from the analysis result output.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing a terahertz wave spectrometer according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (A) is a schematic diagram for explaining a method of generating a terahertz wave of an optical switch element constituting a terahertz wave generator provided in the terahertz wave spectrometer of FIG. .
  • FIG. 2 (B) is a schematic diagram for explaining a method of detecting a terahertz wave of an optical switch element constituting a terahertz wave detector provided in the terahertz wave spectrometer of FIG. .
  • FIG. 2 (C) is a block diagram showing a circuit configuration of a spectrum analyzer provided in the terahertz wave spectrometer of FIG.
  • FIG. 3 (A) is a graph showing an example of a time waveform of a terahertz wave.
  • FIG. 3 (B) is a graph showing an example of a frequency amplitude spectrum of a terahertz wave.
  • FIG. 4 is a configuration diagram showing one embodiment of a movable reflection section of the variable optical delay unit.
  • 5 (A) to 5 (D) are graphs showing examples of driving waveforms of the movable reflector, FIG. 5 (A) is a triangular wave, FIG. 5 (B) is a trapezoidal wave, and FIG. Fig. 5 (C) shows an example of a sine wave, and Fig. 5 (D) shows an example of a sawtooth wave.
  • FIG. 6 is a graph showing a time waveform of a detection signal obtained by driving with a triangular wave.
  • FIG. 7 is a graph showing a frequency spectrum obtained from the detection signal of the time waveform of FIG.
  • FIG. 8 (A) is a configuration diagram schematically showing a second embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 8 (B) is a circuit diagram showing a specific example of the bandpass filter 54 provided in the terahertz wave spectrometer shown in FIG. 8 (A).
  • Fig. 9 (A) and Fig. 9 (B) are graphs showing the state where the frequency spectrum of the detection signal changes when the vibration frequency is changed.
  • Fig. 9 (B) shows the frequency of the detection signal when set to 5 kHz. The vibration frequency is changed from 0.5 kHz to 0.75 kHz with the position amplitude of the vibration unchanged. Indicates the frequency spectrum of the detected signal when the setting is changed.
  • FIG. 10 is a configuration diagram schematically showing a third embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 11 is a configuration diagram schematically showing a fourth embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 12 (A) is a block diagram showing a configuration of an optical switch two-dimensional arrangement type CCD device for detecting a terahertz wave provided in the terahertz wave spectroscope shown in FIG.
  • FIG. 12 (B) is a circuit configuration diagram of an example of the optical switch two-dimensional arrangement type CCD device of FIG. 12 (A).
  • FIG. 13 is a configuration diagram schematically showing a fifth embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 14 is a configuration diagram schematically showing a sixth embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 15 (A) schematically shows a seventh embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 15 (A) schematically shows a seventh embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 15 (B) is a block diagram showing a configuration of a photodetector two-dimensionally arranged CCD device provided in the terahertz wave spectrometer shown in FIG. 15 (A).
  • FIG. 16 is a configuration diagram schematically showing an eighth embodiment of the terahertz wave spectrometer.
  • FIG. 17 is a graph showing a frequency amplitude spectrum obtained by the terahertz wave spectrometer shown in FIG.
  • FIG. 18 is a configuration diagram schematically showing a modification of the terahertz wave spectrometer shown in FIG.
  • FIG. 19 is a configuration diagram showing another embodiment of the movable reflection section of the variable optical delay unit.
  • FIG. 20 is a configuration diagram showing another embodiment of the movable reflector of the variable optical delay device.
  • FIG. 21 is a configuration diagram showing another embodiment of the movable reflection section of the variable optical delay unit.
  • FIG. 22 is a configuration diagram showing another embodiment of the movable reflector of the variable optical delay unit.
  • FIG. 23 (A) is a configuration diagram schematically showing a configuration in which a variable optical delay unit having a movable transmission unit is provided in the terahertz wave spectrometer shown in FIG. .
  • FIG. 23 (B) is a configuration diagram showing one embodiment of the movable transmission section in FIG. 23 (A).
  • each sample Is configured to spectroscopically measure the transmission characteristics of the sample.
  • FIG. 1 shows a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the terahertz wave spectrometer 1 of the present embodiment includes a predetermined pulse light source 100 and a beam splitter 3 for splitting an optical pulse from the pulse light source 100 into excitation light and probe light.
  • a pumping optical system 30 for guiding the pumping light
  • a terahertz wave generator 10 for generating a terahertz wave based on the pumping light guided by the pumping optical system 30
  • a terahertz wave optical path 38 for guiding the Hertz wave to the specified sample A and further guiding the terahertz wave transmitted through the specified sample A, and a probe optic for guiding the probe light Terahertz wave transmitted through system 35 and predetermined sample A and guided by terahertz wave optical path 38 is detected by probe light guided by probe optical system 35, and terahertz wave detection is performed.
  • Terahertz wave detector 20 for signal output and Terahertz wave Consisting spectral processor 5 0 Metropolitan for processing the detection signals from the can 2 0.
  • the excitation optical system 30 includes a reflecting mirror 32 for changing the traveling direction of the excitation light, and an objective lens 11 for allowing the excitation light to enter the terahertz wave generator 10.
  • the second (A) The optical switch element 10a shown in the figure is used.
  • the optical switch element 10a is composed of a substrate 95 of a semiconductor such as GaAs which responds at a high speed, and a photoconductive thin film 96 of GaAs or the like formed on the substrate 95 of the semiconductor at a low temperature.
  • a parallel transmission line 92 composed of transmission lines 92a and 92 is formed on the photoconductive thin film 96, and a single optical switch 90 composed of a small dipole antenna is formed in the center of the parallel transmission line 92. Is provided.
  • At the center of the optical switch 10a there is a minute gap 91 of, for example, about several meters, and an appropriate bias voltage is applied to the gap 91 by a DC bias power supply 97.
  • the optical switch 10a having such a configuration, when a laser pulse light having an energy higher than the band gap of the semiconductor is incident as an optical pulse between the gaps 91, free carriers are generated in the semiconductor and a pulse-like light is generated. An electric current flows, and this pulse-like current generates a terahertz wave in the form of pulses.
  • an emission lens 12 is provided on the side of the optical switch 10a on which the terahertz wave is generated.
  • the terahertz wave optical path 38 further includes an off-axis paraboloid for converting the terahertz wave generated by the terahertz wave generator 10 and transmitted through the exit lens 12 into substantially parallel collimated light.
  • Surface mirror 13 is arranged.
  • a predetermined sample A such as a cell or an object filled with gas or liquid is arranged as a sample for spectroscopic measurement, and the sample from the off-axis parabolic mirror 13 is provided. Terahertz waves are transmitted.
  • the terahertz wave optical path 38 also has a function of focusing the terahertz wave transmitted through the predetermined sample A and making the terahertz wave incident on the optical switch element 20a constituting the terahertz wave detector 20.
  • An off-axis parabolic mirror 23 and an incident lens 22 are arranged.
  • the exit lens 12 and the entrance lens 22 are composed of, for example, a silicon lens.
  • the probe optical system 35 includes a variable optical delay unit 40.
  • the variable optical delay device 40 is for adjusting and setting a timing difference between the probe light and the excitation light.
  • the variable optical delay unit 40 includes fixed reflecting mirrors 41 and 42, a movable reflecting unit 43, and an optical delay control unit 44.
  • the optical delay control device 44 drives and controls the position of the movable reflection portion 43. By driving and controlling the position of the movable reflector 43, the setting and changing of the optical path length of the probe light are controlled, so that the irradiation timing difference between the excitation light and the probe light (terahertz wave generation, detection timing difference) ) Setting ⁇ Change control.
  • the probe optical system 35 is further provided with an objective lens 21 for making the probe light from the variable optical delay device 40 incident on the terahertz wave detector 20.
  • an optical switch element 20a shown in FIG. 2 (B) is used as the terahertz wave detector 20.
  • the optical switch 20a has the same configuration as the optical switch 10a.
  • a spectral processing unit 50 is connected to the gap 91 of the optical switch 20a instead of the DC bias power supply 97.
  • the terahertz electromagnetic wave is focused on the dipole antenna section 90 of the optical switch 20a via the incident lens 22 and at the same time, the probe light pulse is transmitted through the objective lens 21 to the gap.
  • the carrier is excited by exciting 91, a current proportional to the amplitude of the terahertz electromagnetic wave that reaches the optical switch 20 a at that moment flows and is supplied to the spectroscopic processing unit 50.
  • the spectroscopic processing unit 50 includes a current-to-voltage conversion amplifier 51, a spectrum analyzer 52, and an analyzer 53.
  • the current-voltage conversion amplifier 51 is for converting the current signal supplied from the switch element 20a into a voltage signal.
  • the spectrum analyzer 52 is converted by the current-to-voltage conversion amplifier 51. It is for performing frequency analysis of the voltage signal by obtaining the power distribution for each frequency of the obtained voltage signal.
  • the spectrum analyzer 52 is, for example, a swept-tuned receiver of the superheterodyne system, which can display the amplitude of all the frequency components of the signal in that frequency range by sweeping the frequency range of interest. it can.
  • the spectrum analyzer 52 has, for example, the configuration shown in FIG. 2 (C), and the detection signal (voltage) from the current-to-voltage conversion amplifier 51 is input through the input circuit 52a. come.
  • the frequency of this detection signal is converted to a fixed frequency (Intermediate Frequency: IF signal) by the frequency conversion circuit 52b and the local oscillator 52c.
  • IF signal is
  • the input circuit 52a is composed of an attenuator for adjusting the signal level and the like.
  • the IF circuit 52d includes a BPF (Band Pass Filter) circuit for resolving the frequency, an amplifier, a logarithmic amplifier, and the like.
  • the local oscillator 52c is composed of a V T ⁇ (Voltage Tuned Oscillator) that controls the oscillation frequency with a voltage.
  • a sweep signal generator that determines the sweep time (sawtooth wave generation circuit) 5
  • the output signal of 2h is applied to a horizontal deflection electrode of CRT 52j through a horizontal deflection circuit 52i, and is also applied to a local oscillator 52c through a control circuit 52g of a local oscillator 52c.
  • the control circuit 52 g of the local oscillator 52 c includes an attenuator for changing the sweep width, a frequency stabilizing circuit, and the like.
  • the spectrum analyzer 52 has the function of sweeping the center frequency of a single filter over time, separates the input voltage signal into multiple sine wave components, and detects each sine wave component. And its amplitude Is calculated, and the frequency and amplitude of each sine wave component are graphed and displayed quantitatively on CRT52j.
  • the single filter can be substituted for a narrow filter having a plurality of pass bands, and the frequency band to be observed can be changed to the plurality of frequencies.
  • the amplitude for each frequency is displayed by dividing it by a virtual file.
  • the spectrum analyzer 52 directly analyzes the frequency components of the input voltage signal, and sets the horizontal axis to the frequency and the vertical axis to the level, and the relative magnitude of each frequency component of the input voltage signal, that is, the input Displays the amplitude spectrum of the voltage signal as a graph.
  • the analyzer 53 is for obtaining the spectral characteristics of the predetermined sample A arranged in the terahertz wave optical path 38 based on the amplitude spectrum obtained by the spectrum analyzer 52. is there.
  • the analyzer 53 includes a personal computer, etc., and is necessary to obtain the terahertz wave spectral characteristics of the sample A based on the amplitude spectrum data obtained by the spectrum analyzer 52. Perform arithmetic processing.
  • the analyzer 53 further includes a controller 53 a for controlling the optical delay controller 44.
  • the 2i output terminal is connected to a data bus (for example, GPIB (General Purpose Interface Bus)) via an analog Z digital (A / D) converter (not shown) in addition to the CRT 5 2j_ This overnight bus is connected to the analyzer 53.
  • the analyzer 53 acquires the digital data of the amplitude spectrum from the spectrum analyzer 52 via the data bus, performs a frequency-axis conversion operation described later on the data, and performs ⁇ Obtain optical characteristics.
  • a predetermined portion of sample A is located in terahertz wave optical path 38 as shown in FIG. 1, terahertz wave transmission spectroscopy at the predetermined portion of sample A is performed. Characteristics are obtained.
  • the terahertz wave transmission spectral characteristics of the entire sample A are obtained.
  • the detection timing of the probe light with respect to the incident timing of the terahertz wave incident on the optical switch element 20a as a detection target changes.
  • the period of a terahertz wave with a frequency of 1 THz is 1 ps, which is equivalent to 0.3 mm in terms of the optical path length. Therefore, for example, when the movable reflector 43 is moved in a direction 1.5 mm away from the reflectors 41 and 42, the optical path length of the probe light increases by 3 mm for the reciprocation, and the probe light irradiation Has a 10 ps delay.
  • a time waveform of a terahertz wave with a measurement time full scale (horizontal axis) of 10 ps as shown in the graph of Fig. 3 (A) is obtained.
  • a fast Fourier transform (FFT) calculation is performed on such data. Is performed, the full scale is 0. A frequency spectrum of 10 THs corresponding to 1 Ps / ste is obtained.
  • Fig. 3 (B) shows the frequency spectrum (horizontal axis: frequency, vertical axis: amplitude of each frequency component) in the range of 0 to 2THz of the full scale of 10THz. .
  • the variable optical delay device 40 performs measurement by reciprocating the optical path length of the probe light at a constant frequency and period.
  • the movable mirror section 43 is driven and controlled by the optical delay control device 44 so as to reciprocally oscillate with respect to the reflecting mirrors 41 and 42 of the variable optical delay device 40 whose positions are fixed.
  • the movable reflector 43 is provided with, for example, a retroreflector 43a attached to the vibration surface of a speaker 43b for audio as shown in FIG. It is configured to be glued and fixed.
  • the speaker 43 b vibrates based on a drive signal from the optical delay control device 44.
  • the position of the retro-reflector 43a in the direction of the incident and outgoing axes of the probe light is vibrated to periodically change the probe optical path length.
  • the amplitude of the position vibration may be made to correspond to the full-scale time waveform of the measured terahertz wave.
  • the position amplitude of the vibration is set so as to correspond to the full scale of the measurement time axis that sufficiently includes the time waveform of the terahertz pulse.
  • FIGS. 5 (A) to 5 (D) are graphs showing specific examples of the time waveform of a drive signal for driving such a movable reflecting section 43, wherein the horizontal axis represents time and the vertical axis represents time.
  • the axis indicates the signal waveform output.
  • the signal waveform output on the vertical axis corresponds to the position change of the retro-reflector 43a in the optical path axis direction.
  • the drive waveforms shown in Figs. 5 (A) to 5 (D) are based on a fixed period, Fig. 5 (A) shows a triangular wave, Fig. 5 (B) shows a trapezoidal wave, and Fig. 5 FIG. 5 (C) shows an example of a sine wave, and FIG. 5 (D) shows an example of a sawtooth wave.
  • Fig. 5 (A) shows a triangular wave
  • Fig. 5 (B) shows a trapezoidal wave
  • Fig. 5 FIG. 5 (C) shows an example
  • Waveforms that can be driven by 43 configurations or suitable waveforms for individual spectroscopic measurements are appropriately selected from the waveforms shown in Figs. 5 (A) to 5 (D) or any other waveform. And use it.
  • the triangular wave shown in FIG. 5 (A) is used, the time and the position change linearly correspond to each other, so that it is not necessary to perform time axis correction or the like on the detection signal, which is preferable.
  • the movable reflecting section 43 is driven by such a triangular wave will be described.
  • the terahertz wave spectrometer 1 of the present embodiment has a frequency of 0.
  • the position amplitude (maximum position movement) is set to 1.5 mm (the maximum change in optical path length is 3 mm), and the movable reflector 43 is driven back and forth.
  • FIG. 6 shows a time waveform of the detection signal from the optical switch element 20a obtained at this time (ie, a graph obtained when the detection signal is measured in the time domain).
  • the time waveform shown in the graph of Fig. 6 corresponds to one cycle of the triangular wave, and its full scale is 2 ms corresponding to the frequency of 0.5 kHz.
  • the waveform part at time 0 to 1 ms is the third (A) It has the same shape as the time waveform of the terahertz wave shown in the figure, where the full scale is 10 ps, and corresponds to the one expanded to 1 ms full scale.
  • the time waveform in FIG. 3A is enlarged and time inverted.
  • the movable reflector 43 of the variable optical delay device 40 is driven by a continuous triangular wave having a constant period as shown in FIG. 5 (A)
  • the detection signal waveform is shown in FIG.
  • the time waveform shown is a periodic repetition. That is, in the terahertz wave spectrometer 1 having the configuration shown in FIG. 1, the change in the optical path length by the variable optical delay device 40 corresponds to the change in the detection time of the terahertz wave.
  • the time waveform of the 1 Ops scale shown in Fig. 3 (A) changes to the time waveform of the 1 ms scale shown in Fig. 6. Converted and detected.
  • a spectrum analyzer 52 which is a frequency analyzer is applied to the detection signal having a time waveform obtained by converting the time scale, and the spectrum analyzer 52 is applied to the spectrum analyzer 52.
  • the above detection signal is input.
  • the spectrum analyzer 52 generates a frequency spectrum by frequency-analyzing the time waveform of the input signal. Therefore, according to the spectrum analyzer 52, the frequency spectrum shown in FIG. 7 can be directly obtained from the detection signal having the time waveform as shown in FIG. For example, assuming that 20 kHz is the full scale as shown in Fig. 7, this frequency spectrum can be obtained by FFT calculation using 2THz as the full scale shown in Fig. 3 (B). It has the same shape as the obtained frequency spectrum, and corresponds to the one with only the scale converted.
  • step frequency f step (THz) (light speed) '/ (optical path amplitude x 2)
  • effective scanning frequency f. fi (kHz) (optical path oscillation frequency) x 2
  • the time and optical path length change use a triangular wave that corresponds to linear, so all frequencies are converted linearly in the same way.
  • the probe light has the same shape as the terahertz wave, and its time scale and frequency scale change.
  • a detection signal having an inverted time waveform can be obtained.
  • a spectrum analyzer 52 which is a frequency analyzer to the detected signal in the spectroscopic processing unit 50, the detected It is possible to directly obtain a frequency spectrum that has the same form as the Hertz wave and is scaled, without performing FFT calculations.
  • the control unit 53a of the analyzer 53 is connected to the optical delay controller 44 in the variable optical delay unit 40, and the vibration frequency fs and the amplitude of the probe optical path length are set to desired values (for example, The vibration frequency fs can be set to 0.5 kHz and the amplitude can be set to 1.5 mm).
  • the optical delay controller 44 vibrates the movable reflector 43 at the vibration frequency and amplitude of the values set by the controller 53a, and vibrates the probe optical path length.
  • the spectrum analyzer 52 generates an amplitude spectrum as shown in FIG.
  • the spectrum analyzer 52 Upon generating such an amplitude spectrum, the spectrum analyzer 52 outputs the data to the analyzer 53.
  • the analyzer 53 performs an arithmetic process for converting the frequency axis of the received amplitude spectrum. That is, the frequency axis of the amplitude spectrum obtained by the spectrum analyzer 52 is in the order of kHz. Therefore, the analyzer 53 performs an arithmetic process for converting this frequency axis into the THz order, which is the frequency of the original terahertz wave.
  • the analyzer 53 uses the above formula (1) to calculate Perform conversion.
  • c the speed of light
  • f the frequency
  • ⁇ the wavelength
  • the terahertz wave spectrometer 1 operates as follows.
  • the light pulse from the pulse light source 100 is Due to 1, the light is split into excitation light applied to the terahertz wave generator 10 and probe light applied to the terahertz wave detector 20.
  • the optical switch constituting the terahertz wave generator 10 is passed through the objective lens 11. The light enters the element 10a.
  • the excitation light is incident as an optical pulse between the gaps 91 of the optical switch element 10a, a terahertz wave is generated in a pulse form.
  • the generated terahertz wave passes through the exit lens 12 in the terahertz wave optical path 38, is converted into almost parallel collimated light by the off-axis parabolic mirror 13 and passes through the predetermined sample A. While being focused by the off-axis parabolic mirror 23 and the incident lens 22, the light is incident on the optical switch element 20 a constituting the terahertz wave detector 20.
  • the probe light branched from the excitation light by the beam splitter 31 passes through the objective lens 21 while the timing difference with respect to the excitation light is oscillated by the variable optical delay device 40.
  • the optical switch element 20a is irradiated with the probe light synchronized with the excitation light while the timing difference is oscillating and the terahertz wave is detected.
  • the detection signal (current) output from the optical switch element 20a has a time waveform as shown in FIG. 6, and has the same shape as the time waveform of the terahertz wave shown in FIG. 3 (A).
  • the time scale becomes a converted waveform.
  • the detection signal (current) is converted into a voltage signal by the current-to-voltage conversion amplifier 51, and then input to the spectrum analyzer 52, where an amplitude spectrum as shown in FIG. 7 is generated.
  • This amplitude spectrum has the same shape as the amplitude spectrum of the terahertz wave in FIG.
  • the analyzer 53 performs a predetermined data conversion such as performing frequency axis conversion on the spectrum data of the detected signal. By performing the overnight processing, the spectral data which is the transmission spectral characteristic data for the predetermined sample A is obtained.
  • the terahertz wave spectrometer 1 of the present embodiment real-time performance of spectroscopic measurement using the terahertz wave is ensured, and the device configuration and circuit configuration are simplified.
  • the manufacturing cost is reduced and the device can be made inexpensive.
  • the simplification of the circuit configuration and the like makes it possible to form such an integrated circuit, which is effective in reducing the size of the device and applying it to various measurements.
  • the SZN ratio can be improved by setting the bandwidth and frequency range (ie, the frequency range to be swept) of the measurement by the spectrum analyzer 52 narrow.
  • the frequency domain of the spectrum analyzer 52 measurement should be narrowed to only the frequency domain of interest, or the measurement mode (zero span measurement) in which the spectrum analyzer 52 measures only a specific frequency can be used. Mode), the spectrometry described above can be performed.
  • the frequency sweep span of the spectrum analyzer 52 is set to zero (0) Hz, so that the spectrum analyzer 52 functions as a receiver fixed to the frequency of interest. Therefore, the spectrum analyzer 52 calculates the amplitude of the sine wave component of the frequency of interest. The time change is measured and displayed.
  • the frequency spectrum of the detection signal shown in FIG. 3 (B) when it is desired to focus on the frequency component of 1 THz in the frequency spectrum of the terahertz wave shown in FIG. 3 (B), the frequency spectrum of the detection signal shown in FIG.
  • the spectrum analyzer 52 By setting the spectrum analyzer 52 to the zero-span mode so as to measure the frequency component of 0 kHz, continuous measurement of the terahertz wave component of 1 THz can be performed.
  • two-dimensional imaging of the sample A becomes possible by performing spectrometry while moving the sample A two-dimensionally.
  • to change the frequency component of the terahertz wave of interest to 2THz simply change the setting of the measurement frequency in the zero span mode of the spectrum analyzer 52 to 20kHz. Measurement conditions can be changed. Note that two-dimensional imaging using a terahertz wave spectrometer will be further described later.
  • the terahertz wave detector that detects the terahertz wave emitted from the terahertz wave generator 10 and transmitted through the sample A is provided.
  • the irradiation timing of the probe light to the 20 optical switch elements 20a is changed by driving the movable reflection section 43 of the variable optical delay device 40 at a predetermined vibration frequency.
  • a detection signal that periodically changes in vibration is obtained from the optical switch element 20a, and this detection signal is subjected to frequency analysis by the spectrum analyzer 52 of the spectral processing unit 50.
  • the detected signal has a time waveform that has been transmitted through the sample A and has the same shape and scale as the terahertz wave affected by the sample A.
  • the frequency analysis of the Ruth wave itself can be performed in real time.
  • the terahertz wave spectrometer 1 firstly detects a change in the irradiation timing of the probe light by the variable light delay device 40 for a predetermined period. It is a vibration that changes periodically and continuously according to the wave number.It makes it possible to convert the time waveform and frequency spectrum of the terahertz wave into a time scale and frequency scale that is easy to process directly. I have.
  • a frequency analyzer called spectrum analyzer 52 is applied to a detected signal having a time waveform and a frequency spectrum that is the same or homomorphic with the terahertz wave only by scale conversion.
  • frequency spectrum measurement of terahertz waves has been realized. Therefore, real-time measurement can be performed with a simplified device configuration without using a device configuration such as an FFT operation or an A / D converter / DSP.
  • various detection conditions such as narrow band detection can be set, high-precision measurement with an improved SZN ratio in spectroscopic measurement can be performed.
  • FIG. 8 (A) is a configuration diagram of a terahertz spectroscope 1 according to the second embodiment of the present invention. Note that the same reference numerals are given to the same or similar components as those of the terahertz spectroscope 1 of the first embodiment, and description thereof will be omitted.
  • This embodiment is the same as the first embodiment with respect to the terahertz wave generator 10, the terahertz wave detector 20, and the optical systems 30, 35, 38, and the like.
  • a narrow-band bandpass filter 54 is used as a frequency analyzer for performing frequency analysis of the detection signal.
  • the spectrum analyzer 52 when it is desired to perform spectroscopic measurement focusing on a specific frequency of the terahertz wave, the spectrum analyzer 52 is used. Measurement mode corresponding to that frequency Such a measurement can be realized by setting the zero span mode so as to selectively measure only the frequency component of the detection signal. Further, when the frequency f1 of interest is known in advance, instead of the spectrum analyzer 52, a band-pass filter such as a narrow band for selecting the component of the frequency f1 is used as in the present embodiment. Evening 54 can be applied.
  • the device can be further simplified and the price can be reduced as compared with the case of the spectrum analyzer 52, and the integration of the device becomes easier. .
  • the bandpass filter 54 includes an OP amplifier OPP, resistors R1, R2, R3, which are passive elements, and capacitors CI, C2. can do.
  • the detection signal (voltage) from the current-to-voltage conversion amplifier 51 is input to the input terminal V IN of the band-pass filter 54, the resistance values of the resistors Rl, R2, Only the signal at the frequency determined by the capacitance value of the capacitance ⁇ 1 and C 2 is the output terminal V. Output from UT .
  • the output terminal V of the band bus filter 54. u ⁇ is connected to the analyzer 53 via an analog / digital (AZD) converter (not shown). Therefore, the analyzer 53 outputs the output terminal V. Receives digital numerical data obtained by AZD converting the output signal from UT .
  • This digital numerical data indicates the intensity of the terahertz wave of the frequency component corresponding to the detection signal frequency selected in the bandpass filter 54. That is, it shows the spectral characteristics of the predetermined sample A with respect to the terahertz wave frequency component.
  • the analyzer 53 is a bandpass filter Predetermined data processing, such as converting the frequency value selected in 54 to the corresponding terahertz wave frequency value, and further converting the converted frequency value to a wavelength value, is performed. As a result, the transmission spectral characteristics of the sample A at a predetermined frequency of the terahertz wave are obtained.
  • the transmission spectral characteristic data thus obtained indicates physical and chemical information of Sample A.
  • bandpass filter 54 may be composed of only the resistor R and the capacitance (:, and the inductor L) which are passive elements.
  • control unit 53 a of the analyzer 53 can change and set the vibration frequency fs of the probe optical path length in the variable optical delay device 40. It has been
  • Figs. 9 (A) to 9 (B) show how the frequency spectrum of the detection signal obtained from the terahertz wave detector 20 by changing the oscillation frequency fs of the probe optical path length is shown in Figs. Change.
  • the frequency of the detection signal, 10 kHz corresponds to the frequency component of 1 THz of the terahertz wave.
  • the vibration frequency f s is changed from 0.5 kHz to 0.75 kHz while keeping the position amplitude (maximum position movement) of the vibration.
  • the frequency spectrum of the detection signal is as shown in FIG. 9 (B).
  • the frequency 10 kHz of the detection signal corresponds to the 0.67 THz frequency component of the terahertz wave.
  • the device is If a fixed configuration is used, the frequency of the detection signal that can be measured (selected) by the bandpass filter 54 is fixed to a predetermined value, for example, 10 kHz. Therefore, the control unit 53a is configured to be able to control the optical path length of the probe light and the oscillation frequency of the irradiation timing by the variable optical delay device 40. For example, as described above, the vibration frequency fs is set to 0.5
  • the correspondence between the frequency scale of the frequency spectrum and the frequency spectrum of the terahertz wave is converted without replacing the bandpass filter 54, and the The target frequency of the Hertz wave can be changed from I TH z to 0.67 TH z.
  • the analyzer 53 converts the frequency value of the detection signal selected by the bandpass filter 54 into the frequency value of interest of the terahertz wave based on the vibration frequency value fs changed and set by the control unit 53a. I do.
  • the detected signal intensity for the frequency component of interest of the terahertz wave indicates the spectral characteristic of the sample B at the frequency of interest.
  • the control unit 53a changes the oscillation frequency fs of the optical path length in the variable optical delay device 40, thereby freely changing the frequency component of interest of the terahertz wave component to be measured among the components. It is possible to do.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to the third embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same or equivalent components as those of the terahertz wave spectrometer 1 of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • This embodiment is similar to the first embodiment with respect to the excitation optical system 30.
  • the optical switch elements 10a and 20a are used as the terahertz wave generator 10 and the terahertz wave detector 20 as well.
  • a reflecting mirror 33 for changing the traveling direction of the probe light is provided downstream of the objective lens 21.
  • the off-axis parabolic mirrors 13 and 23 are not used, and the optical switch elements 10a and 20a are arranged so as to face each other. ing.
  • the terahertz wave emitted from the optical switch element 10a for the terahertz wave generator passes through the exit lens 12 in the terahertz wave optical path 38 and passes through the focusing lens 14 to the sample B where the sample B exists. After being radiated and transmitted while being focused at one position, the light is focused by a focusing lens 24, passes through an incidence lens 22, and is incident on an optical switch element 20 for a terahertz wave detector. I have.
  • a sample moving device 56 is provided so that the sample B can be moved in a two-dimensional direction in an XY plane substantially perpendicular to the optical axis of the terahertz wave. It is configured.
  • the sample moving device 56 is controlled by the analyzing device 53 of the spectroscopic processing section 50. Scan and measure the sample B to perform two-dimensional spectral imaging of the sample B. That is, in the present embodiment, the display device 55 such as a display is connected to the analysis device 53, and displays a measurement image of two-dimensional spectral imaging. The two-dimensional spectral imaging image thus obtained shows the two-dimensional distribution information of the physical and chemical properties of the sample B.
  • the spectrum analyzer 52 or the bandpass filter 54 described above can be applied as the frequency analyzer in the spectroscopic processing unit 50.
  • two bandpass filters 54a and 54b capable of selecting components of different frequencies f1 and f2 are used as a frequency analyzer.
  • the distribution of the terahertz wave component at a frequency corresponding to the frequency f1 of the material force detection signal whose distribution is to be measured by spectroscopy is characteristically absorbed, and the terahertz wave component at a frequency corresponding to another frequency f2. If the absorption of the Hertz wave component has a small characteristic, the transmission characteristic at frequency 1 and the transmission characteristic at frequency f2 are both measured, and the difference, product, etc., are calculated and the correlation is calculated. More detailed and efficient distribution of substances can be obtained.
  • the obtained two-dimensional spectral image B ′ of the substance distribution in the sample B is displayed on a display device 55 such as a display connected to the analyzer 53.
  • the transmission characteristics at the frequency f l are measured by the bandpass filter 54a, and the transmission characteristics at the frequency f2 are measured by the bandpass filter 54b.
  • the analyzer 53 is connected to these bandpass filters 54a and 54 via an AZD converter (not shown), and the AZD conversion values of the output signals from the non-passfill filters 54a and 54 are provided. To get.
  • the analyzer 53 calculates a correlation value (for example, a difference or a product) between the two digital numerical values thus obtained.
  • the analysis device 53 further performs a process required to display the correlation value as an image based on the position information of the sample B, and outputs a processing result to the display device 55.
  • the display device 55 displays a two-dimensional spectral image B ′ of the substance distribution in the sample B based on the processing result of the analysis device 53.
  • the number of bandpass filters used is not limited to two. If necessary, bandpass filters corresponding to three or more different frequencies should be installed, and spectral analysis should be performed based on the correlation of measurement data from those. May be configured. Further, a spectrum analyzer 52 is used as a frequency analyzer, a frequency spectrum is obtained by the spectrum analyzer 52, and a plurality of frequency regions are selected from the frequency spectrum in the analyzer 53, and the frequency spectrum is selected. It is also possible to adopt a configuration for performing the same processing and analysis, such as calculating the correlation of the transmission characteristics in a plurality of selected frequency regions.
  • FIGS. 11 to 12 (B) a terahertz wave spectrometer according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 12 (B).
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same or equivalent components as those of the terahertz wave spectrometer 1 of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the excitation optical system 30 is the same as the first embodiment, and the terahertz wave generator 10 includes the optical switch element 10a as in the first embodiment. Used.
  • the terahertz wave detector 20 is not a single optical switch element 20a, but a two-dimensional detector composed of a plurality of optical switch elements 20a arranged two-dimensionally. Switch A two-dimensional arrangement type CCD device 20c is used.
  • the sample B is irradiated as collimated light via the off-axis parabolic mirror 13 and transmitted through the terahertz wave.
  • the light enters the optical switch two-dimensionally arranged CCD device 20c.
  • the probe light is After the timing is adjusted by the variable optical delay device 40, the light is reflected by the reflecting mirror 33, expanded by the lens 25, and then passed through the lens 26 as a substantially parallel collimated light.
  • Light is incident on the arrangement type CCD device 20 c. With such a configuration, the terahertz wave incident on each position is detected by each optical switch element 20a of the optical switch two-dimensional arrangement type CCD device 20c.
  • the optical switch two-dimensional arrangement type CCD device 200c detects a terahertz wave composed of a plurality of units 200 arranged and arranged two-dimensionally.
  • a charge storage unit 204 for storing signals from a plurality of units 200 of the terahertz wave detection unit 210 and a charge storage unit 204 for reading out charges from the charge storage unit 204 It comprises a CCD shift register 205 and a read / transfer control unit 206 for controlling the transfer and read of electric charges.
  • each unit 200 constituting the terahertz wave detection unit 210 includes an optical switch 201 for detecting a terahertz wave, a current-voltage conversion circuit 202, and And a band pass filter 203.
  • the optical switch 201 has the same configuration as the optical switch element 20a in FIG. 2 (B).
  • the current-to-voltage conversion circuit 202 and the band-pass filter 203 are the same as the current-to-voltage conversion amplifier 51 and the band-pass filter 54 in the second embodiment shown in FIG. It has the following configuration. That is, the unit 200 itself has a part of the function of the spectral processing unit 50 that performs frequency analysis.
  • a plurality of units 200 are two-dimensionally arranged as shown in FIG. 12 (B), and each unit 200 One screen is composed of all units 210.
  • the plurality of units 200 are connected to the charge storage unit 204.
  • the charge storage unit 204 is composed of, for example, the same number of capacitors (capacitors) as the unit 200, and stores signal charges for one screen transmitted from all the units 200.
  • the charge storage section 204 is connected to the CCD shift register 205.
  • the CCD shift register 205 is for transferring the signal charges for one screen stored in the charge storage section 204.
  • the readout / transfer control unit 206 controls the charge transfer Z readout by outputting a transfer clock pulse and a readout clock pulse.
  • the transfer clock pulse is a signal for controlling the transfer of charges from each unit 200 to the charge storage unit 204 and the transfer of charges in the charge storage unit 204.
  • the read clock pulse is a signal for controlling reading of charges from the charge storage unit 204 by the CCD shift register 205.
  • the two-dimensional image of the terahertz wave incident on the optical switch two-dimensionally arranged CCD device 200c is detected by each unit 200 after being detected as a pixel signal by the optical switch 201.
  • the current-voltage conversion is performed by the current-to-voltage conversion circuit 202 and the band-pass filter 203, the frequency is selected, and the transfer is performed by the CCD shift register 210 via the charge storage unit 204, and the two-dimensional charge image Is output to the analyzer 53 of the spectroscopic processing unit 50.
  • the two-dimensional charge image thus obtained corresponds to the two-dimensional image information of sample B through which the terahertz wave has passed.
  • FIGS. 12 (A) to 12 (B) as described above are relatively simplified, they can be easily integrated into a circuit, and can be manufactured at low cost using a terahertz wave spectral imaging system. Can be constructed.
  • the optical switch two-dimensionally arranged CCD device 20c is replaced with a one-dimensional detector as a terahertz wave detector, a one-dimensional image can be similarly measured.
  • the optical switch elements 10a and 20a are both used as the terahertz wave generator 10 and the terahertz wave detector 20.
  • a terahertz wave generator / detector having various configurations such as an electro-optic crystal (EO crystal) can be used.
  • EO crystal electro-optic crystal
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same or equivalent components as those of the terahertz wave spectrometer 1 of the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the Terahertz wave generator 10 is an EO crystal 1
  • Ob is used, and an E ⁇ crystal 20 b is used as the terahertz wave detector 20.
  • E ⁇ crystal 10 b when used as the terahertz wave generator 10, excitation light such as a femtosecond light pulse is incident on the E ⁇ crystal 10 b from the pulse light source 100. Therefore, a terahertz wave can be generated by the optical rectification effect by the inverse Pockels effect.
  • the EO crystal 20b When the EO crystal 20b is used as the terahertz wave detector 20, a Pockels effect occurs in the EO crystal 20b due to the electric field of the terahertz wave. As a result, a change in birefringence occurs in the E ⁇ crystal 20 b. Therefore, the probe light having a predetermined polarization state is allowed to pass through the E ⁇ crystal 20b, and the intensity change of the probe light after the passage is measured to obtain the EO crystal 20b. The terahertz wave incident on is detected.
  • a higher frequency (short wavelength) terahertz wave can be generated and detected as compared with the case where the optical switch element is used.
  • the excitation light from the pulse light source 100 enters the EO crystal 10b constituting the terahertz wave generator 10 via the objective lens 11.
  • optical rectification occurs in the EO crystal 10b due to the inverse Pockels effect, and a terahertz wave used for spectroscopy is generated.
  • the generated terahertz wave irradiates the sample A as collimated light through the exit lens 12 and the off-axis parabolic mirror 13, transmits through, and passes through the off-axis parabolic mirror 23 and the incident lens 22. It is incident on the E ⁇ crystal 20 b that constitutes the terahertz wave detector 20.
  • a dielectric multilayer mirror 27 capable of reflecting the probe light is formed by vapor deposition.
  • the irradiation timing of the probe light is periodically changed and oscillated by the variable optical delay device 40, and is further converted into linearly polarized light by the polarization beam splitter 61 and passed through the objective lens 21.
  • the terahertz wave is incident on the E ⁇ crystal 20 b, the Pockels effect occurs in the EO crystal 20 b due to the electric field, and the birefringence changes.
  • the probe light passes through the E ⁇ crystal 20 b, is reflected by the dielectric multilayer mirror 27, and exits again through the E ⁇ crystal 20 b, but the birefringence change occurs.
  • the light passes through the E ⁇ crystal 20 b, its polarization state changes.
  • the probe light whose polarization state has changed is incident on the polarization beam splitter 61, and a linearly polarized light component orthogonal to the original polarization state is reflected and output in a predetermined direction.
  • This polarized beam splitter 6 1 The light amount of the probe light component output from the detector is detected and measured by a photodetector 60, such as a photodiode, for converting the light amount into a voltage or a current, and the terahertz incident on the E ⁇ crystal 20b is detected. Waves can be detected.
  • the photodetector 60 is connected to the spectrum analyzer 52 and the analyzer 53 of the spectroscopic processing unit 50, and the optical switch element 20a is used as the terahertz wave detector 20.
  • frequency analysis and spectroscopic analysis are performed.
  • a single or a plurality of bandpass filters 54 may be used instead of the spectrum analyzer 52 as in the second or third embodiment.
  • the terahertz wave generator 10 is an optical switch element 10a and the detector 20 is an EO crystal 20b is also possible.
  • the terahertz wave generator 10 may be an EO crystal 10b and the detector 20 may be an optical switch element 20a.
  • the crystal orientation of the EO crystal and the polarization direction of the excitation light, probe light, and terahertz wave are arranged so as to satisfy a certain relationship. Is preferred.
  • the polarization state of the light pulse is set on the optical path from the excitation optical system 30 and the probe optical system 35 and the optical path from the light source 100 to the splitting of the excitation light and the probe light by the beam splitter 31.
  • An optical element such as a wave plate, a polarizer, and a Soluvebine compensator for adjustment may be appropriately provided.
  • Various EO crystals can be used, such as ZnTe, GaP, and DAST.
  • FIG. 14 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals denote the same components, and a description thereof will be omitted.
  • the terahertz wave generator 10, the terahertz wave detector 20, the optical systems 30, 35, 38, and the spectral processing unit 50 are the same as in the fifth embodiment.
  • the method of detecting the probe light after passing through the EO crystal 20b constituting the terahertz wave detector 20 is different.
  • the optical path of the probe light passing through the EO crystal 20 b and reflected by the dielectric multilayer mirror 27 is changed by the reflecting mirror 62 in a predetermined direction.
  • a beam splitter or the like may be used instead of the reflecting mirror 62.
  • the probe light passes through a predetermined wavelength plate 63 to be in a predetermined polarization state, and is then split by a polarizing beam splitter 64.
  • the light amounts of the two split probe light components are respectively detected by a photodetector. Detected and measured by 60a and 6Ob.
  • the terahertz wave and its intensity can be measured by measuring the correlation between the detection signal outputs from the two photodetectors 60a and 60b and their changes.
  • the photodetectors 60a and 60b are connected to a differential amplifier 65, thereby realizing the above-described measurement.
  • the EO crystal is used and the terahertz wave is detected based on the difference between the probe light components branched by the polarization beam splitter 64 and the change thereof, thereby providing a probe light source. It is possible to cancel the influence of the intensity noise of the laser 100 by taking the difference between the measurement data to improve the measurement accuracy and the SZN ratio.
  • the differential amplifier 65 is connected to the spectrum analyzer 52 and the analyzer 53 of the spectral processing unit 50, and performs frequency analysis and spectral analysis similarly to the other embodiments. Is performed.
  • FIG. 15 (A) is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to a seventh embodiment of the present invention.
  • an excitation optical system 30 is the same as that of the fifth embodiment, and an EO crystal 10b is used as the terahertz wave generator 10.
  • an E ⁇ crystal 20d for two-dimensional detection which has a predetermined size corresponding to the sample B and enables two-dimensional imaging, is used. I have.
  • the terahertz wave generated and emitted from the EO crystal 10 b that constitutes the terahertz wave generator 10 is off-axis parabolic mirrors 13 a and 13 in the terahertz wave optical path 38. After being magnified by b, the beam is made substantially collimated by an off-axis parabolic mirror 13c, and then radiated and transmitted to sample B.
  • the terahertz wave that has passed through sample B is incident on the two-dimensionally detectable EO crystal 20 d constituting the terahertz wave detector 20 in a collimated light state without being collected.
  • the probe light is reflected by the reflecting mirror 33 in the probe optical system 35, is expanded by the lens 25, and is converted into almost parallel collimated light through the lens 26.
  • a portion of the probe light component passes through the wave plate 66 and is reflected and output by the polarization beam splitter 61 as in the case of the fifth embodiment shown in FIG.
  • the detected probe light component is detected and measured as a two-dimensional image by a photodetector two-dimensionally arranged CCD device 67, and two-dimensional imaging using a terahertz wave is realized.
  • the photodetector two-dimensionally arranged CCD device 67 is substantially the same as the optical switch two-dimensionally arranged CCD device 20c employed in the fourth embodiment. It has the configuration of However, the photodetector two-dimensional arrangement type CCD device 67 is different from the optical switch two-dimensional arrangement type CCD device 20c, and is employed in the fifth embodiment (FIG. 13) instead of the optical switch 201. A photodetector 260 having the same configuration as the photodetector 60 is provided.
  • the unit 200 corresponding to each pixel includes a photodetector 260 and a current-to-voltage conversion circuit for converting the detection current from the photodetector 260 into current-to-voltage. 202, and a bandpass filter 203 for selecting a signal of a predetermined frequency from the voltage signals from the current-to-voltage conversion circuit 202.
  • the plurality of units 200 having such a configuration are arranged two-dimensionally in the same manner as the optical switch two-dimensional arrangement type CCD device 20c shown in FIG. It is connected to the analyzer 53 via the shift register section 205.
  • a 1Z8 wavelength plate is preferably used in order to give a phase difference of 1Z4 wavelength to and from the probe light.
  • the setting of these wave plates and the like may be appropriately changed according to the polarization state of the probe light, the crystal orientation of the EO crystal, and the like.
  • terahertz wave imaging in which a two-dimensional image is acquired at one time using an EO crystal having a large area corresponding to the size of the sample B has been described.
  • the terahertz wave is condensed and radiated to one position of the sample, and the sample is irradiated.
  • the E ⁇ crystal can be similarly applied to two-dimensional imaging performed while scanning the position on the sample by moving in the two-dimensional direction.
  • FIG. 8 a terahertz wave spectrometer according to an eighth embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of a terahertz wave spectrometer 1 according to an eighth embodiment of the present invention. Note that the same or similar components as those of the terahertz wave spectrometer 1 of the fifth embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • the terahertz wave generator 10, the terahertz wave detector 20, the probe optical system 35, the terahertz wave optical system 38, the photodetector 60, and the spectroscopic processing unit 5 0 is the same as in the fifth embodiment.
  • the optical chopper 71 is inserted and arranged at a predetermined position with respect to the optical path of the excitation light.
  • noise / noise light of a femtosecond pulse laser or the like serving as a light source 100 of excitation light and probe light may be a problem.
  • there is a large noise in the low frequency region called 1Zf noise and such noise is measured especially when the oscillation frequency of the measurement by the variable optical delay unit 40 is 1 kHz or less.
  • the optical optics 71 is installed in the excitation optical system 30 to further modulate and control the ONZOFF of the excitation light.
  • the ON / OFF operation of the optical chopper 71 is controlled by the optical chopper driving device 72 at, for example, a constant frequency.
  • spectroscopy is performed.
  • the frequency spectrum obtained by the frequency analysis of the detection signal is as shown in FIG.
  • Each wave's frequency spectrum appears. This is similar to the frequency modulation of FM radio.
  • the optical chopper driving device 72 may be connected to the analyzer 53, and the driving frequency and the like may be controlled by the analyzer 53.
  • the terahertz wave spectrometer according to the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and changes in configuration are possible.
  • the generation and detection of terahertz waves are not limited to those using optical switch elements or EO crystals, but may be performed using generation and detection methods using quantum wells, electro-optical Cherenkov radiation, coherent phonons, etc. Good.
  • all of the above embodiments are configured to measure the transmission characteristics of the samples A and B.
  • Various configurations can be provided so as to give an effect due to.
  • variable optical delay device 40 is configured to be installed in the probe optical system 35 in any of the above-described embodiments.
  • FIG. 30 Terahertz excitation light
  • the generation timing of the terahertz wave due to the irradiation of the wave generator 10 may be changed in vibration with respect to the detection timing. In this case, similar scale conversion and measurement by the frequency analyzer can be performed.
  • the variable optical delay device 40 is driven by various waveforms other than the triangular wave, such as the trapezoidal wave, sine wave, and sawtooth wave shown in FIGS. 5 (B), (C), and (D). Can be vibrated.
  • the time and position oscillation such as a sine wave are not linear and the correspondence between the terahertz wave and the detection signal deviates from the same shape such as homomorphism
  • the time waveform of the detection signal is corrected with a sine wave
  • it may be converted to a linear one, or it may be vibrated with an amplitude that is sufficiently large compared to the full scale of the time to be measured, and only the region near the center of the vibration and whose change can be regarded as almost linear may be used.
  • the frequency of the vibration may be set as appropriate according to the specific configuration of the variable optical delay device and the frequency range that can be measured with a spectrum analyzer or a bandpass filter. It is preferably about 0 Hz to 100 kHz.
  • the movable reflector 43 of the variable optical delay device 40 for oscillating the irradiation timing of the probe light at a predetermined frequency has the speaker 43 b shown in FIG. 4 in the above embodiment.
  • the speaker can generate a vibration frequency of about 20 Hz to 20 kHz, which is a human audible frequency range
  • the light reflecting portion 43a is made of a light weight such as a retro-reflector. With this configuration, it is possible to drive at a frequency of about several kHz.
  • a material other than the retroreflector may be used as the light reflecting portion 43a.
  • FIGS. 19 to 22 show examples in which a configuration other than the speed force is used as the movable reflecting portion 43.
  • FIG. FIG. 19 shows a configuration of the movable reflecting section 43 using a magnet.
  • the light reflecting portion 45a is fixed to a magnet 45c attached to the force support base 45e via a spring 45b.
  • An electromagnet 45d is fixed to a portion of the support 45e that faces the magnet 45c.
  • the electromagnet 45d is driven by a drive signal from the optical delay control device 44 to realize the vibration of the light reflecting portion 45a.
  • This configuration is based on a method similar to the configuration using a speaker. For example, as is used in an optical pickup unit for a compact disk, a quick response time can be obtained with a simple structure.
  • the retro-reflector has an advantage when used in a movable reflector that allows reflected light to be emitted in the direction opposite to the incident light regardless of the direction in which the incident light is incident.
  • a normal mirror when used, the light paths of the incident light and the reflected light are generally different, so care must be taken to make the incident light path as perpendicular to the light reflection part 45a as possible. .
  • FIG. 20 shows a configuration of the movable reflecting section 43 using a piezo element.
  • a light reflecting portion 46a such as a mirror is fixed to one end of the piezo element 46b.
  • the other end of the piezo element 46b is fixed to a fixed portion 46c. Since the piezo element expands and contracts when a voltage is applied, the light reflecting portion 46a vibrates according to the applied voltage.
  • FIG. 21 shows a configuration of a movable reflecting section 43 using a piston.
  • a light reflecting portion 47a such as a mirror is fixed to a piston 47b movably installed inside a cylindrical portion 47c.
  • the piston 47b is connected to the motor 47e via a crank mechanism 47d. Therefore, the light reflection part 47 a vibrates as the motor 47 e rotates. I do.
  • the configuration of the movable reflecting portion 43 is a method of converting the rotation into a parallel movement of a piston by providing a crank mechanism on the rotating shaft of the motor, and corresponds to the reverse operation of the reciprocating engine. In particular, by reducing the contact resistance of the piston 47b to the cylindrical portion 47c, high-speed vibration can be achieved.
  • FIG. 22 shows a movable reflector 43 constituted by a combination of mirrors.
  • the movable reflection section 43 is configured by a multiple reflection method using the movable mirror 49a and the fixed mirror 49b.
  • the probe light travels back and forth between the movable mirror 49a and the fixed mirror 49b a plurality of times.
  • the mirror and the optical path are configured as in the present embodiment, a sufficiently large delay time difference can be obtained.
  • the moving amount of the movable mirror 49a is 0.3 mm, it is six times as large as 1.8 mm. An optical path length change can be obtained.
  • variable optical delay device 40 does not have to be configured by the reflecting mirrors 41 and 42, the movable reflecting unit 43, and the optical delay control device 44.
  • the variable optical delay device 40 may include a movable transmission section 48 and an optical delay control device 44. This is effective when the reflection units 41, 42, and 43 cannot be installed on the probe optical system 35.
  • the movable transmission section 48 can be composed of, for example, a glass rotating plate as shown in FIG. 23 (B).
  • the movable transparent portion 48 which is a glass rotating plate, is formed to have 16 glass regions 48a to 48p each having a different thickness of the glass plate.
  • the glass thickness of area 48a is 1.0 mm
  • the thickness of area 48b is 1.3 mm
  • the area 48c is 1.
  • the glass thickness is reduced at a pitch of 3 mm, and the thickness returns to 1 mm in the area 48a. However, the glass thickness is uniform in each of the regions 48a to 48p.
  • the optical path length can be changed by vibration. That is, since the refractive index of glass is, for example, 1.5, if the thickness changes by 0.3 mm, the optical path length becomes
  • a change of 0.15 mm results in a time delay of 0.5 ps.
  • the delay time difference between the region 48a and the region 48i is 4 ps, and the timing oscillation in this range can be realized.
  • the boundaries between the regions become discontinuous, there is no practical problem if the area of each region is made sufficiently small. If it is desired to further increase the delay time difference, the change pitch of the glass thickness may be increased.
  • the thickness of the region 48 j is 3.7 mm
  • the region 48 k is 4.0 mm
  • the region 48 j has a maximum thickness of 5.5 mm in the region 48 p. It is also possible to adopt a configuration in which the optical path length increases from a to the region 48p.
  • the waveform of the timing oscillation is a sawtooth waveform in which only one change direction changes gradually.
  • the glass thickness may be formed, for example, so as to continuously change.
  • an optical delay device using a pair of rotating parallel mirrors used in auto collimation (Optics Commun., Vol. 36) , p.406 (1981)) and optical delay devices composed of gratings and galvanomirrors (see Optics Letters, vol.22, pp.1811-1813 (1997)). It is possible to configure a variable optical delay device 40 that makes variable.
  • the terahertz wave spectrometer In the terahertz wave spectrometer according to the present invention, the terahertz wave is transmitted through the sample or reflected by the sample, and the terahertz wave is affected by the sample.
  • the frequency analysis of terahertz waves is widely used to measure the type, amount, distribution, etc. of substances present in a sample.
  • any of gas, liquid, and solid can be adopted, and it is widely used for measurement of many samples such as air pollution, measurement of exhaust gas, measurement of water, measurement of semiconductors and dielectrics, etc. .

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Description

明細書 テラへルツ波分光器 技術分野
本発明は、 周波数 I TH z (テラへルツ） 周辺の電磁波であるテラへ ルツ波を分光測定に利用したテラへルツ波分光器に関する。 背景技術
周波数 I TH z (テラへルツ） 周辺の電磁波領域 （テラへルツ波領域、 例えばおよそ 1 0 0 GH z〜 1 0 TH z、 あるいはさらにその周辺領域 を含んだ広い周波数領域を指す） は、 光波と電波の境界に位置する周波 数領域であり、 テラへルツ波は、 例えば赤外波長域における分光ゃィメ 一ジングへの応用等に有効である。
このような周波数領域はその発生器や検出器などの装置開発が比較的 遅れており、 技術面でも応用面でも未開拓の部分が多い。 特に、 テラへ ルツ波を用いてサンプルの特性 ·定量等について測定を行う分光器など による産業上の応用という点から言えば、 小型かつ簡便な光源であるテ ラヘルツ波発生装置、 及びその検出装置が不可欠である。
近年、 光スィッチ素子や電気光学結晶 （E O結晶、 Electro-Optic
Crystal) などを用いたそのような光源 ·発生器や検出器の開発が進めら れつつある。 電気回路の発振器による方法ではテラへルツ波領域の電磁 波発生は難しいが、 パルス状の光を用いて電流などを変調することによ つて、 この領域の電磁波の発生及び検出を行うことができる
テラへルツ波による分光測定については、 検出されたテラへルツ波の 時間波形強度を直接測定する方法がある。 しかしながら、 このような方 法ではテラへルツ波の各周波数成分について制限 ·選択等を行っていな いため、 例えばサンプルに特有な周波数領域のみについて測定すること ができないなど、 分光によって得られる情報が限られてしまう。
一方、 周波数選択を行う測定として、 例えば、 文献 「テラへルツ電磁 波の発生とその応用」 （阪井他、 「レーザー研究 2 6巻 7号 pp.515— 521 (1998)」） に記載された方法がある。 当該周波数選択を行う測定では、 検出器によるサンプリング計測から、 まず、 テラへルツ波の時間波形を 求め、次に、得られた時間波形を高速フ一リェ変換（ F F T、 fast Fourier transform) して、 振幅についてのスペクトルを評価する。 ここで、 当 該文献の装置では、 テラへルツ波を往路のみの 1回の掃引による可変光 遅延器にて走査することで、 テラへルツ波をサンプリングしている。 また、 特開平 8 - 3 2 0 2 5 4号公報ゃ特開平 1 0— 1 5 3 5 4 7号 公報には、 A / D変換器及びデジタル信号プロセッサ （D S P ) を用い てテラへルツ波による分光情報を得るイメージ化システムが記載されて いる。 これらの方法では、 D S Pがテラへルツ波の特徵的な形状を認識 することによって、 周波数に関連する情報を時間領域データから抽出す る。
上記のように、 これら従来の方法は、 時間波形を計測によって得た後 にコンピュータによって振幅スぺクトル等の周波数に関連する情報を求 めているため、 計測のリアルタイム性に欠け、 全体としての装置構成が 複雑化するという問題がある。 特に、 上記特開平 8— 3 2 0 2 5 4号公 報ゃ特開平 1 0— 1 5 3 5 4 7号公報の方法では、 A / D変換器や D S P等を用いているため、 イメージングの 2次元アレイなどの装置が複雑 ィ匕 ·高価格化するという問題もある。 発明の開示 本発明は、 上述の課題を解決するためになされたもので、 リアルタイ ムで分光測定が行えるとともに、 その装置構成が簡単化されたテラヘル ッ波分光器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、 本発明のテラへルツ波分光器は、 励起光を 導くための所定の励起光学系と、 該所定の励起光学系で導かれた励起光 によってテラへルツ波を発生させるテラへルツ波発生器と、 該テラヘル ッ発生器で発生されたテラへルツ波を分光測定を行う試料へ導き、 該試 料で影響を受けた該テラへルツ波を更に導くための所定のテラへルツ波 光学系と、 該励起光に対して同期されたプローブ光を導くための所定の プローブ光学系と、 該試料で影響を受け該テラへルツ波光学系により導 かれた該テラへルツ波を、 該所定のプローブ光学系で導かれたプローブ 光によって検出し、 検出信号を出力するテラへルツ波検出器と、 該励起 光学系及び該プ口一ブ光学系のうちのいずれか一つに備えられ、 対応す る該励起光または該プローブ光の光路長を所定の振動周波数で振動させ ることによって、 該テラへルツ波発生器及び該テラへルツ波検出器のう ちの該いずれか一つへの該対応する励起光またはプローブ光の照射タイ ミングを周期的に振動させる光遅延振動手段と、 該テラへルツ波検出器 によって得られる検出信号に基づき該試料の分光測定を行う分光処理手 段とを備え、 該分光処理手段が、 該振動周波数によって周期的に変化す る該検出信号を周波数分析する周波数分析手段を備え、 該周波数分析手 段による周波数分析結果が、 該試料の影響を受けた該テラへルツ波の周 波数分析情報を示し、 もって、 該試料の分光情報を示すことを特徴とす る。
このようなテラへルツ波分光器においては、 プローブ光のテラへルツ 波検出器への照射タイミングが、 励起光のテラへルツ波発生器への照射 タイミングに対して、 振動変化するタイミング差で同期されている。 す なわち、 テラへルツ波発生器から出射されたテラへルツ波が所定のテラ ヘルツ波光学系を通過して試料を透過や反射するなど試料にて影響を受 けた後に、 テラへルツ波検出器へと入射されるタイミングと、 プローブ 光によってテラへルツ波検出器がテラへルツ波の検出を行う検出タイミ ングとが、 振動変化するよう調整 ·設定されている。
ここで、 光遅延振動手段をプローブ光学系に設けた場合には、 光遅延 振動手段は、 プローブ光の光路長を変化させるための構成部分を有し、 当該構成部分を所定の周波数によって駆動させて、 テラへルツ波の検出 夕イミングを周期的に振動変化させることが好ましい。 検出タイミング を変化させることによってテラへルツ波の時間波形を走査することがで きるが、 その変化を振動変化とすることによって、 テラへルツ波検出器 からの検出信号の時間波形 ·周波数スぺクトルを、 テラへルツ波の時間 波形 ·周波数スペクトルと同形、 準同形、 または所定の規則で対応する 形であって時間スケール · 周波数スケールが変換されたものとすること を実現している。 これによつて、 例えば T H zオーダ一の周波数スケ一 ルを k H zオーダーなど所望の周波数スケールに変換することができる。 また、 このような光遅延振動手段を、 プローブ光学系の代わりに、 励 起光学系に設け、 テラへルツ波の発生タイミングを振動変化させてもよ レ 上述と同様に時間波形 ·周波数スぺクトルのスケール変換を実現す ることが可能である。
さらに、 この検出信号に対して、 周波数分析手段により周波数ドメイ ン測定を行うことによって、 検出信号の周波数を直接測定する。 このよ うにして得られた検出信号の周波数情報は、 周波数スケールが変換され たテラへルツ波の周波数情報であり、 したがって、 試料の分光情報を示 している。 このように、 検出信号の周波数を直接測定することにより、 試料の分光測定を行うことができる。 以上のように、 本発明では、 検出信号の周波数を直接測定するため、 従来のような時間ドメイン測定を行う場合と異なり、 F F T演算等を行 う必要がなく、 リアルタイム計測を行うことが可能となる。 また、 F F T演算等を行う必要がないため、 簡単化されたデータ処理方法及び簡単 化された装置構成によって、 テラへルツ波の周波数分析を行うことがで きる。 したがって、 リアルタイムでの分光測定が可能で、 かつ、 その装 置構成が簡単化され低価格化された分光器を実現することができる。 特 に、 装置の簡単化によってその集積回路化が可能となる。
なお、 光路長 ·検出タイミングの振動変化については、 リニアな同形 変換については三角波や鋸形波など、 また、 リニアからのずれがある準 同形な変換については正弦波などの振動波形を適用することができる。 これ以外にも、 テラへルツ波と検出信号とが装置構成や測定条件に対し て好適な変換規則によつて対応するようになるような振動波形を適宜選 択して用いることができる。
周波数分析手段については、 検出信号から周波数分析によって周波数 スぺクトルを生成するスぺクトラムアナライザを有して構成されている のが好ましい。 この場合、 生成された周波数スペクトルが、 試料の分光 情報を示している。 また、 スペクトラムアナライザの測定周波数帯域を 狭くするか、 特定の周波数に限定するなどの条件で測定を行うことも可 能である。
また、 周波数分析手段は、 検出信号から所定の周波数成分を選択する バンドパスフィル夕を有して構成されているのが好ましい。 この場合、 選択された周波数成分の検出信号が、 試料の分光情報を示している。 バ ンドパスフィル夕を用いた場合、さらに構成を簡単化することができる。 ここで、 バンドパスフィルタは、 それぞれ異なる周波数成分を選択す るための複数のバンドバスフィル夕より構成されており、 分光処理手段 力 複数のバンドバスフィル夕によって選択された複数の周波数成分の 相関を求める相関解析手段を、 更に備えているようにしてもよい。 複数 の周波数成分の差分などの相関を用いることによって、 さらに多くの分 光情報を得られるとともに、 その分光測定効率が向上する。
また、 分光処理手段は、 光遅延振動手段を制御して、 対応する励起光 またはプローブ光の光路長変化の振動周波数を設定または変更する周波 数設定 Z変更手段を更に有し、 周波数分析手段が、 その設定または変更 された振動周波数に基づいて周波数分析を行うのでもよい。 これによつ て、 上記したテラへルツ波から検出信号への時間 ·周波数スケールの変 換条件を任意に制御して、 計測する周波数領域等を任意に設定 ·変更す ることが可能となる。
テラへルツ波発生器またはテラへルツ波検出器の具体的構成について は、 テラへルツ波の発生または検出に好適なものとして、 例えば、 テラ ヘルツ波発生器及びテラへルツ波検出器の少なくとも一方を、 光スィッ チ素子を用いて構成することができる。 また、 テラへルツ波発生器及び テラへルツ波検出器の少なくとも一方を、 電気光学結晶を用いて構成す ることができる。
また、 試料を 2次元方向に移動させるための試料移動手段をさらに備 え、 分光処理手段に試料についての 2次元の分光測定を行わせるのでも よい。
あるいは、 テラへルツ波検出器は、 分光測定の対象となる試料につい ての 2次元の分光測定を行うための 2次元検出器であることが好ましレ すなわち、 テラへルツ波検出器は、 複数のテラへルツ波検出部が 2次元 状に配列されて構成された 2次元検出器からなり、 分光処理手段が複数 の周波数分析手段を有しており、 複数のテラへルツ波検出部が複数の周 波数分析手段にそれぞれ接続され、 各周波数分析手段が、 対応するテラ ヘルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数分析を行うこ とによって、 前記試料についての 2次元の分光測定を行うことが好まし い。 このような構成によって、 試料についてのリアルタイムでの 2次元 イメージング等の測定が可能となる。 これは、 試料内での成分分布等の 分光測定に有用である。
また、 励起光学系は、 励起光の〇N Z〇F Fを制御する光チヨツバを 備えているのでもよい。 この場合には、 励起光やプローブ光の光源から の 1 / f ノイズの影響を低減することができるなど、 測定の S Z N比を 向上させることができる。
さらに、 分光処理手段は、 周波数分析手段による検出信号の周波数分 析結果に基づいて、 試料の分光情報を示す当該試料の影響を受けたテラ ヘルツ波の周波数分析情報を求める解析手段を更に備えていることが好 ましい。 この解析手段が、 検出信号の周波数分析結果の周波数スケール を元のテラへルツ波の周波数スケールに戻す、 等の処理を行うことによ り、 試料の分光情報であるテラへルツ波の周波数分析情報を得ることが できる。
以上のように、 本発明のテラへルツ波分光器では、 光遅延振動手段に よってプローブ光または励起光の照射タイミングを所定の周波数で振動 させることによって、 テラへルツ波検出器から得られる検出信号がテラ ヘルツ波の時間波形に対して時間スケールが変換された信号波形となる さらに、 このような信号波形の検出信号に対してスぺクトラムアナライ ザやバンドバスフィル夕などを用いた周波数分析手段を適用し、 テラへ ルツ波の周波数スぺク トルに対して周波数スケールが変換された検出信 号の周波数分析を行い、 その分析結果出力から分光測定を行う。 したが つて、 2次元イメージングを含めたリアルタイムでのテラへルツ波分光 測定が可能であるとともに、 その装置構成が簡単化 ·低価格化されたテ ラヘルツ波分光器が実現され、 また集積回路化も可能になる。 また、 分 光測定の S/N比についても向上させることができるので、 測定をより 高精度とし、 または測定に必要な時間を短縮することができる。 これに よって、 さらに広い実用範囲へのテラへルツ波分光の応用 ·適用が可能 となる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の第 1の実施形態に係るテラへルツ波分光器を模式 的に示す構成図である。
第 2 (A) 図は、 第 1図のテラへルツ波分光器に設けられたテラヘル ッ波発生器を構成する光スィツチ素子のテラへルツ波発生方法を説明す るための模式図である。
第 2 (B) 図は、 第 1図のテラへルツ波分光器に設けられたテラヘル ッ波検出器を構成する光スィツチ素子のテラへルツ波検出方法を説明す るための模式図である。
第 2 (C) 図は、 第 1図のテラへルツ波分光器に設けられたスぺクト ラムアナライザの回路構成を示すブロック図である。
第 3 (A) 図は、 テラへルツ波の時間波形の一例を示すグラフである。 第 3 (B) 図は、 テラへルツ波の周波数振幅スペクトルの一例を示す グラフである。
第 4図は、可変光遅延器の可動反射部の一実施例を示す構成図である。 第 5 (A) 図〜第 5 (D) 図は、 可動反射部の駆動波形の例を示すグ ラフであり、 第 5 (A) 図は三角波、 第 5 (B) 図は台形波、 第 5 (C) 図は正弦波、 及び、 第 5 (D) 図は鋸形波の例を示す。
第 6図は、 三角波による駆動で得られる検出信号の時間波形を示すグ ラフである。 第 7図は、 第 6図の時間波形の検出信号から得られる周波数スぺクト ルを示すグラフである。
第 8 (A) 図は、 テラへルツ波分光器の第 2の実施形態を模式的に示 す構成図である。
第 8 (B) 図は、 第 8 (A) 図に示すテラへルツ波分光器に設けられ ているバンドパスフィル夕 54の具体例を示す回路図である。
第 9 (A) 図及び第 9 (B) 図は、 振動周波数を変更したとき検出信 号の周波数スペクトルが変化する状態を示すグラフであり、 第 9 (A) 図は、 振動周波数 =0. 5 kHzに設定した場合の検出信号の周波数ス ベクトルであり、 第 9 (B) 図は、 振動周波数を、 振動の位置振幅をそ のままにして 0. 5 kHzから 0. 7 5 kH zに設定変更した場合の検 出信号の周波数スぺクトルを示す。
第 1 0図は、 テラへルツ波分光器の第 3の実施形態を模式的に示す構 成図である。
第 1 1図は、 テラへルツ波分光器の第 4の実施形態を模式的に示す構 成図である。
第 1 2 (A) 図は、 第 1 1図に示すテラへルツ波分光器に設けられた テラへルツ波検出用の光スィツチ 2次元配置型 C CD装置の構成を示す ブロック図である。
第 1 2 (B) 図は、 第 1 2 (A) 図の光スィッチ 2次元配置型 CCD 装置の一例の回路構成図である。
第 1 3図は、 テラへルツ波分光器の第 5の実施形態を模式的に示す構 成図である。
第 14図は、 テラへルツ波分光器の第 6の実施形態を模式的に示す構 成図である。
第 1 5 (A) 図は、 テラへルツ波分光器の第 7の実施形態を模式的に 示す構成図である。
第 1 5 (B) 図は、 第 1 5 (A) 図に示すテラへルツ波分光器に設け られた光検出器 2次元配置型 C CD装置の構成を示すプロック図である。 第 1 6図は、 テラへルツ波分光器の第 8の実施形態を模式的に示す構 成図である。
第 1 7図は、 第 1 6図に示したテラへルツ波分光器によって得られる 周波数振幅スぺクトルを示すグラフである。
第 1 8図は、 第 1図に示したテラへルツ波分光器の変更例を模式的に 示す構成図である。
第 1 9図は、 可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図で ある。
第 20図は、 可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図で ある。
第 2 1図は、 可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図で ある。
第 22図は、 可変光遅延器の可動反射部の他の実施例を示す構成図で ある。
第 2 3 (A).図は、 第 1図に示したテラへルツ波分光器に、 可動透過 部を備えた可変光遅延器を設けた場合の構成を模式的に示す構成図であ る。
第 23 (B) 図は、 第 2 3 (A) 図の可動透過部の一実施例を示す構 成図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1図〜第 2 3 (B) 図に基づき説明する。なお、以下に示す各実施形態は、 いずれも試料（サ ンプル） の透過特性を分光測定するように構成されている。
なお、 図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、 重複する 説明を省略する。 また、 図面の寸法比率は、 説明のものと必ずしも一致 していない。
(第 1の実施形態）
まず、 本発明の第 1の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1図〜 第 7図に基づき説明する。
第 1図に、 本発明の第 1の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の構 成図を示す。
本実施形態のテラへルツ波分光器 1は、 所定のパルス光源 1 0 0と、 当該パルス光源 1 0 0からの光パルスを励起光とプローブ光とに分岐す るためのビ一ムスプリッ夕 3 1と、 この励起光を導くための励起光学系 3 0と、 励起光学系 3 0によって導かれた励起光に基づきテラへルツ波 を発生するためのテラへルツ波発生器 1 0と、 テラへルツ波を所定のサ ンプル Aに導くと共に、 所定のサンプル Aを透過したテラへルツ波をさ らに導くためのテラへルツ波光路 3 8と、 プローブ光を導くためのプロ ーブ光学系 3 5と、 所定のサンプル Aを透過しテラへルツ波光路 3 8に よって導かれたテラへルツ波を、 プローブ光学系 3 5によって導かれた プローブ光により検出し、 テラへルツ波検出信号を出力するためのテラ ヘルツ波検出器 2 0と、 テラへルツ波検出器 2 0からの検出信号を処理 するための分光処理部 5 0とからなる。
ここで、 パルス光源 1 0 0としては、 例えば、 フェムト秒パルスレー ザなどのパルスレーザ装置を用いることができる。 励起光学系 3 0は、 励起光の進行方向を変更するための反射鏡 3 2と、 励起光をテラへルツ 波発生器 1 0に入射させるための対物レンズ 1 1とからなる。
本実施形態においては、 テラへルツ波発生器 1 0として、 第 2 ( A ) 図に示す光スィツチ素子 1 0 aが用いられている。 当該光スィツチ素子 1 0 aは、 GaAs など高速応答する半導体の基板 9 5と、 当該半導体の 基板 9 5上に形成された低温成長 GaAsなどの光伝導薄膜 9 6とから形 成されている。 光伝導薄膜 9 6上には、 伝送線路 9 2 a及び 9 2 から なる平行伝送線路 9 2が形成されており、 その中央部分に、 微小ダイポ 一ルアンテナからなる単一の光スィツチ部 9 0が設けられている。 光ス イッチ 1 0 aの中央には、 例えば数 m程度の微小なギャップ 9 1があ り、 ギャップ 9 1には、 直流バイアス電源 9 7によって、 適当なバイァ ス電圧が印加されている。
かかる構成の光スィッチ 1 0 aにおいて、 半導体のバンドギャップよ りも高いエネルギーを有するレーザパルス光がギャップ 9 1間に光パル スとして入射すると、 半導体中に自由キャリアが生成されて、 パルス状 の電流が流れ、 このパルス状の電流によってテラへルツ波がパルス状に 発生する。
テラへルツ波光路 3 8には、 光スィッチ 1 0 aのテラへルツ波が発生 する側に、 出射レンズ 1 2が設けられている。 テラへルツ波光路 3 8に は、 さらに、 テラへルツ波発生器 1 0で発生し出射レンズ 1 2を透過し たテラへルツ嫁を略平行なコリメート光に変換するための軸外し放物面 鏡 1 3が配置されている。 テラへルツ波光路 3 8にはさらに、 分光測定 の試料として、 ガスや液体が封入されたセルや物体などの所定のサンプ ル Aが配置されており、 軸外し放物面鏡 1 3からのテラへルツ波が透過 するようになつている。 テラへルツ波光路 3 8にはまた、 所定のサンプ ル Aを透過したテラへルツ波を集束しつつテラへルツ波検出器 2 0を構 成する光スィツチ素子 2 0 aに入射させるための軸外し放物面鏡 2 3及 び入射レンズ 2 2とが配置されている。 ここで、 出射レンズ 1 2や入射 レンズ 2 2は、 例えば、 シリコンレンズなどから構成されている。 プローブ光学系 3 5は、 可変光遅延器 4 0を備えている。 可変光遅延 器 4 0は、 プローブ光の励起光に対するタイミング差を調整 ·設定する ためのものである。 可変光遅延器 4 0は、 固定反射鏡 4 1 、 4 2、 可動 反射部 4 3、 及び、 光遅延制御装置 4 4とを備えている。 光遅延制御装 置 4 4は、 可動反射部 4 3の位置を駆動制御するためのものである。 可 動反射部 4 3の位置を駆動制御することによって、 プローブ光の光路長 の設定 ·変更を制御し、 もって、 励起光とプローブ光の照射タイミング 差 （テラへルツ波の発生，検出タイミング差） の設定 ·変更を制御する。 プローブ光学系 3 5には、 さらに、 可変光遅延器 4 0からのプローブ 光を、 テラへルツ波検出器 2 0に入射させるための対物レンズ 2 1が設 けられている。
テラへルツ波検出器 2 0としては、 本実施形態では、 第 2 ( B ) 図に 示す光スィツチ素子 2 0 aが用いられている。 光スィッチ 2 0 aは、 光 スィッチ 1 0 aと同一の構成をしている。 但し、 光スィッチ 2 0 aのギ ヤップ 9 1には、 直流バイアス電源 9 7の代わりに、 分光処理部 5 0が 接続されている。
かかる構成のもと、 光スィッチ 2 0 aのダイポールアンテナ部 9 0に 入射レンズ 2 2を介してテラへルツ電磁波が集束されるのと同時に、 プ ローブ光パルスが対物レンズ 2 1を介してギャップ 9 1を励起しキヤリ ァを生成すると、 その瞬間に光スィッチ 2 0 aに到達したテラへルツ電 磁波の振幅に比例した電流が流れ、 分光処理部 5 0に供給される。
本実施形態においては、 分光処理部 5 0は、 電流一電圧変換アンプ 5 1、 スペクトラムアナライザ 5 2、 及び、 解析装置 5 3を備えている。 ここで、 電流—電圧変換アンプ 5 1は、 スィッチ素子 2 0 aから供給 された電流信号を電圧信号に変換するためのものである。
スペクトラムアナライザ 5 2は、 電流一電圧変換アンプ 5 1で変換さ れた電圧信号の周波数毎のパワー分布を求めることで、 電圧信号の周波 数分析を行うためのものである。 スペクトラムアナライザ 5 2は、 例え ば、 スーパーヘテロダイン方式の掃引同調受信器であり、 対象とする周 波数域を掃引することにより、 その周波数域における信号の全ての周波 数成分の振幅を表示することができる。
スペクトラムアナライザ 5 2は、 例えば、 第 2 ( C ) 図に示す構成を 有しており、 電流一電圧変換アンプ 5 1からの検出信号 （電圧） は、 入 力回路 5 2 aを経て入力してくる。 この検出信号の周波数は、 周波数変 換回路 5 2 bと局部発振器 5 2 c とで、 一定の周波数 （中間周波数 (Intermediate Frequency) ： I F信号） に変換される。 I F信号は、
1 F回路 5 2 d、 検波 · ビデオ回路 5 2 eを通って、 垂直偏向回路 5 2 ίを介して C R T 5 2 j の垂直偏向電極に加えられる。 ここで、 入力回 路 5 2 aは、 信号レベル調整用の減衰器などから構成されている。 I F 回路 5 2 dは、 周波数を分解する B P F (Band Pass Filter) 回路、 増 幅器、 及び、 対数増幅器などから構成されている。 局部発振器 5 2 cは、 電圧で発振周波数を制御する V T〇 (Voltage Tuned Oscillator) から構 成されている。
一方、 掃引時間を決定する掃引信号発生器 （のこぎり波発生回路） 5
2 hの出力信号は、 水平偏向回路 5 2 iを通して、 C R T 5 2 j の水平 偏向電極に加えられるとともに、 局部発振器 5 2 cの制御回路 5 2 gを 経て局部発振器 5 2 cに加えられる。 局部発振器 5 2 cの制御回路 5 2 gは、 掃引幅を変えるための減衰器や周波数安定回路などから構成され ている。
かかる構成により、 スペクトラムアナライザ 5 2は、 単一のフィル夕 の中心周波数を時間とともに掃引していく機能を有し、 入力電圧信号を 複数の正弦波成分に分離し、 それぞれの正弦波成分を検波してその振幅 を求め、 各正弦波成分の周波数と振幅をグラフ化して、 C R T 5 2 j 上 に定量的に表示する。 すなわち、 単一のフィル夕の中心周波数を時間的 にずらしてくことで、 当該単一のフィル夕に複数の通過帯域の狭いフィ ル夕の代わりをさせ、 観測しょうとする周波数帯域を当該複数の仮想フ ィル夕により分割することで、 周波数ごとの振幅を表示させる。 したが つて、 スペクトラムアナライザ 5 2は、 入力電圧信号の周波数成分を直 接分析し、 横軸を周波数、 縦軸をレベルとし、 入力電圧信号の各周波数 成分の相対的な大きさ、 すなわち、 入力電圧信号の振幅スペクトルをグ ラフとして表示する。
また、 スペクトラムアナライザ 5 2としては、 上記構成のものを使用 する代わりに、 例えば、 米国特許第 4， 2 5 7 , 1 0 4号に記載された 構成の信号スぺク 卜ラム分析装置を使用してもよい。
解析装置 5 3は、 スぺク トムアナライザ 5 2にて得られた振幅スぺク トルに基づき、 テラへルツ波光路 3 8に配置されている所定サンプル A の分光特性を求めるためのものである。 解析装置 5 3は、 パーソナルコ ンピュ一夕等からなり、 スペク トラムアナライザ 5 2で得られた振幅ス ぺク トラムのデータに基づき、 サンプル Aのテラへルツ波分光特性を得 るために必要な演算処理を行う。 解析装置 5 3はさらに、 光遅延制御装 置 4 4を制御するための制御部 5 3 aを備えている。
スぺク トムアナライザ 5 2の垂直偏向回路 5 2 f 及び水平偏向回路 5
2 iの出力端子は、 C R T 5 2 j_の他、 図示しないアナログ Zデジタル ( A / D ) 変換器を介して、 データバス （例えば、 G P I B (General Purpose Interface Bus) ) に接続されており、 このデ一夕バスが解析装 置 5 3に接続されている。 解析装置 5 3は、 スペクトラムアナライザ 5 2から、 このデ一夕バスを介して、 振幅スペク トラムのデジタルデータ を取得し、 当該データに対して後述の周波数軸換算演算処理を施し、 サ ^光特性を得る。 ここで、 第 1図のようにサン プル Aのうちの所定の部分がテラへルツ波光路 38中に位置している場 合には、 当該サンプル Aの当該所定部分におけるテラへルツ波透過分光 特性が得られる。 また、 サンプル A全体がテラへルツ波光路 38中に位 置している場合には、 当該サンプル A全体のテラへルツ波透過分光特性 が得られる。
以上の構成を有するテラへルツ波分光器 1による分光測定の原理につ いて、 以下、 具体的に説明する。
可変光遅延器 40によってプローブ光の光路長を変化させると、 光ス ィツチ素子 2 0 aに検出対象として入射するテラへルツ波の入射タイミ ングに対するプローブ光の検出タイミングが変化する。 例えば、 周波数 1 TH zのテラへルツ波の周期は 1 p sであるが、 これは光路長に換算 すると 0. 3 mmに相当する。 したがって、 例えば可動反射部 43を反 射鏡 41、 42から 1. 5mm離れる方向に移動させた場合を考えると、 プローブ光の光路長は往復分で 3 mm増加し、 プローブ光の照射夕イミ ングには 1 0 p sの遅延時間が加えられる。 ここで、 この遅延時間は、 周波数に換算すると、 ステップ周波数 f s i e p (TH z) = (光速） Z往 復光路長 = 3mm) = 1 / 1 0 p s = 0. 1 (THz ) と与えられる。 そこで、 比較例として、 この 0〜 3 mmの移動範囲で可動反射部 43 を往路分のみ 1回だけ移動させ、 各移動位置 （各遅延時間） において順 次テラへルツ波成分の計測を行う時間ドメイン計測を行うことを考える。 この場合には、 第 3 (A) 図のグラフに示すような、 測定時間のフルス ケ一ル （横軸） が 1 0 p sのテラへルツ波の時間波形が得られる。 この 時間波形に対し 0. 1 p s / s t e pごとにデ一夕が得られている （す なわち、 総計 1 00個のデータ点がある） とし、 かかるデータに対し高 速フーリエ変換 （FFT) 計算を行うと、 フルスケールがデータ間隔 0. 1 P s / s t e に対応する 1 0 T H zである周波数スぺクトルが求め られる。 第 3 ( B ) 図に、 当該 1 0 T H zのフルスケールのうちの 0〜 2 T H zの範囲の周波数スぺク トル （横軸： 周波数、 縦軸： 各周波数成 分の振幅） を示す。 ここで、 第 3 ( B ) 図のスペクトルにおける各 F F T計算点のステップ間隔 （=ステップ周波数 f s t e p ) は、 上記した第 3 ( A ) 図の時間波形のフルスケール 1 0 p sに対応する 0 . I T H zで ある。
かかる比較例に対して、 本実施形態によるテラへルツ波分光器 1にお いては、 可変光遅延器 4 0において、 プローブ光の光路長を一定の周波 数 ·周期によって往復振動させて計測を行う。 すなわち、 可変光遅延器 4 0のうち位置が固定されている反射鏡 4 1 、 4 2に対し、 可動反射部 4 3を光遅延制御装置 4 4によつて往復振動するように駆動制御する。 この光路長の振動 ·周期的変化を達成させるため、 可動反射部 4 3は、 例えば、 第 4図に示すように、 リ トロリフレクタ 4 3 aをオーディオ用 などのスピーカ 4 3 bの振動面に対して接着'固定して構成されている。 ここで、 スピーカ 4 3 bは、 光遅延制御装置 4 4からの駆動信号に基づ いて振動するようになっている。 かかる構成により、 リ トロリフレクタ 4 3 aのプローブ光の入射 · 出射軸方向の位置を振動させて、 プローブ 光路長を周期的に変化させる。
このような可動反射部 4 3の振動については、 上述したように、 その 位置振動の振幅 （最大位置変化） を、 測定されるテラへルツ波の時間波 形のフルスケールに対応させればよい。 例えば、 振動の位置振幅を、 テ ラヘルッ波パルスの時間波形を充分に含む測定時間軸のフルスケールに 対応するように設定する。
第 5 ( A ) 図〜第 5 ( D ) 図は、 このような可動反射部 4 3を駆動さ せる駆動信号の時間波形の具体例を示すグラフであり、 横軸は時間、 縦 軸は信号波形出力を示している。 ここで、 縦軸の信号波形出力はリ トロ リフレクタ 43 aの光路軸方向の位置変化に対応している。 第 5 (A) 図〜第 5 (D) 図に示した駆動波形はいずれも一定の周期によるもので あり、 第 5 (A) 図は三角波、 第 5 (B) 図は台形波、 第 5 (C) 図は 正弦波、 及び、 第 5 (D) 図は鋸形波の例を示している。 具体的な波形 については、 所望の周波数によって駆動できるのであれば、 可動反射部
43の構成によって駆動可能な波形、 または個々の分光測定において好 適な波形を、 第 5 (A) 図〜第 5 (D) 図に示した各波形またはこれ以 外の任意の波形から適宜選択して用いれば良い。 特に、 第 5 (A) 図に 示す三角波を用いる場合には、 時間と位置変化とがリニアに対応するた め、 検出信号に対する時間軸補正等を行う必要がなく好ましい。 以下に おいては、 可動反射部 4 3をこのような三角波で駆動する場合について 説明する。
第 3 (A) 図に示した時間波形を有するテラへルツ波を検出 ·測定す るにあたり、本実施形態のテラへルツ波分光器 1においては、周波数 0.
5 kH zの三角波を用い、 位置振幅 （最大位置移動） 1. 5mm (最大 の光路長変化は 3mm) に設定して可動反射部 43を往復駆動する。 こ のとき、 走査されるテラへルツ波時間波形のフルスケールは 1 0 p sで あり、 一方、 テラへルツ波時間波形は、 1周期 2msの三角波によって、 時間正逆方向に 2回走査されるので、 1回の走査時間は、 実効走査周波 数 f e i f= l kH z (= 2 x 0. 5 kHz ) に対応する lmsとなる。
このとき得られる光スィツチ素子 2 0 aからの検出信号の時間波形 (すなわち、 当該検出信号を時間ドメイン計測した場合に得られるグラ フ） を第 6図に示す。 第 6図のグラフに示した時間波形は三角波の一周 期に相当する部分であり、 そのフルスケールは周波数 0. 5 kH zに対 応して 2msである。 ここで、 時間 0〜 1 m sの波形部分は、 第 3 (A) 図に示したフルスケールを 1 0 p sとするテラへルツ波の時間波形と同 形であって、それをフルスケール 1 m sに拡大したものに対応している。 また、 時間 1 ~ 2 m sの部分は、 走査の時間方向 （光路長の変化方向） が逆転するため、 第 3 ( A ) 図の時間波形を拡大及び時間反転した形と なっている。 実際には、 可変光遅延器 4 0の可動反射部 4 3は第 5 ( A ) 図に示したような一定周期の連続した三角波によって駆動されているの で、検出信号波形は第 6図に示した時間波形の周期的な繰り返しとなる。 すなわち、 第 1図に示した構成によるテラへルツ波分光器 1において は、 可変光遅延器 4 0による光路長変化はテラへルツ波の検出夕イミン グの変化に対応しているが、 その光路長変化を一定の周波数 ·周期によ る振動変化とすることによって、 第 3 ( A) 図に示した 1 O p sスケー ルの時間波形が第 6図に示した 1 m sスケールの時間波形に変換されて 検出される。
この時間スケールが変換された時間波形を有する検出信号に対して、 本実施形態では、 分光処理部 5 0において周波数分析装置であるスぺク トラムアナライザ 5 2を適用し、 このスペクトラムアナライザ 5 2に上 記した検出信号を入力している。 スペクトラムアナライザ 5 2は、 入力 された信号の時間波形を周波数分析して周波数スぺクトルを生成する。 したがって、 スペクトラムアナライザ 5 2によれば、 第 6図に示すよう な時間波形を有する検出信号から、 第 7図に示す周波数スペクトルが直 接得られる。 この周波数スペクトルは、 例えば、 第 7図に示すように 2 0 k H zをフルスケールとすると、 そのスペクトル形状は、 第 3 ( B ) 図に示した 2 T H zをフルスケールとする F F T計算で得られる周波数 スぺクトルと同形であって、 スケールのみを変換したものに対応してい る。
すなわち、 上記した 0 . 5 k H zでの光路長変化振動によって、 テラ ヘルツ波の周波数スぺク トルにおける 1 TH zの成分が 1 0 kH zの周 波数成分に変換された検出信号の周波数スぺク トルが得られる。
ここで、 このスペク トラムアナライザ 52によって得られる周波数軸 上の周波数値 f s pe e (kH z) と、 テラへルツ波の周波数 f (TH z ) との関係は、 以下の数式 （ 1) によって表される。
f (TH z )
= f s p e c (kHz) x f s t e p (THz) / f e f f (THz) ここで、 ステップ周波数 f s t e p (THz ) = (光速）' / (光路振幅 x 2)、 実効走査周波数 f 。 f i (kHz) = (光路振動周波数） x 2
… （ 1) 例えば、 上記のように、 光路振幅が 1. 5 mmで、 光路振動周波数が 0. 5 kHzの場合、 ステップ周波数 f s t e p (THz ) = (光速） / ( 1 . 5 mmx 2 ) = 0. 1 (THz), 実効走査周波数 f e f f (kHz) = 0. 5 kHz x 2 = l (kHz) と求められる。
したがって、 例えば、 スペクトラムアナライザ 52によって得られる 周波数値 f s p e c (kHz) = 1 0 kHzは、 1 0 (kHz) x 0. 1 (T Hz) / 1 (kHz) = 1 (TH z) より、 テラへルツ波の周波数値 f (THz ) = 1 TH zに対応していることがわかる。 それ以外の周波数 についても、 時間と光路長変化がリニァに対応する三角波を用いている ため、 すべて同様にリニアに周波数が変換されて対応している。
このように、 プローブ光の可変光遅延器 40による光路長 ·照射タイ ミング変化を一定周波数 ·周期による振動変化とすることによって、 テ ラヘルツ波と同形であって、 その時間スケール及び周波数スケールが変 換された時間波形を有する検出信号を得ることができる。 さらに、 その ような検出信号に対して分光処理部 50において周波数分析装置である スペク トラムアナライザ 5 2を適用することによって、 検出されたテラ ヘルツ波と同形でスケールが変換されただけの周波数スぺクトルを、 F F T計算を行うことなく直接得ることが可能となっている。
なお、 解析装置 5 3の制御部 5 3 aが、 可変光遅延器 4 0内の光遅延 制御装置 4 4に接続されており、 プローブ光路長の振動周波数 f s及び 振幅を所望の値 （例えば、 振動周波数 f sを 0 . 5 k H z、 振幅を 1 . 5 mm) に設定することができるようになつている。 光遅延制御装置 4 4は、 制御部 5 3 aにて設定された値の振動周波数及び振幅にて可動反 射部 4 3を振動させ、 プローブ光路長を振動させる。 その結果、 スぺク トラムアナライザ 5 2は、 第 7図に示すような振幅スぺク トラムを生成 する。
スペクトラムアナライザ 5 2は、 かかる振幅スぺク トラムを生成する と、 そのデ一夕を解析装置 5 3に出力する。 解析装置 5 3は、 受け取つ た振幅スぺクトラムの周波数軸を変換する演算処理を行う。 すなわち、 スペクトラムアナライザ 5 2で得られた振幅スぺクトラムの周波数軸は k H zオーダーとなっている。 そのため、 解析装置 5 3は、 この周波数 軸を元のテラへルツ波の周波数である T H zオーダーに換算する演算処 理を行う。 具体的には、 解析装置 5 3は、 その制御部 5 3 aが設定した 可動反射部 4 3の振動周波数と振幅 （最大移動幅） の値に基づき、 上記 数式 （ 1 ) を用いて、 かかる換算を行う。 解析装置 5 3は、 さらに、 周 波数軸を、 数式 c = f · λ (ここで、 cは光速、 f は周波数、 λは波長 である） により、 波長軸に換算することもできる。 これらの演算により 得られた振幅スぺクトラムは、サンプル Αの分光透過特性を示しており、 サンプル Aの物理的及び化学的情報を示している。
上記構成を有する本実施形態のテラへルツ波分光器 1は、 以下のよう に動作する。
すなわち、 パルス光源 1 0 0からの光パルスが、 ビームスプリツ夕 3 1によって、 テラへルツ波発生器 1 0に照射される励起光と、 テラヘル ッ波検出器 2 0に照射されるプローブ光とに分岐される。 励起光は、 励 起光学系 3 0内において、 反射鏡 3 2によって進行方向を所定の方向に 変更された後、 対物レンズ 1 1を介してテラへルツ波発生器 1 0を構成 する光スィッチ素子 1 0 aに入射する。 励起光が光スィッチ素子 1 0 a のギャップ 9 1間に光パルスとして入射すると、 テラへルツ波がパルス 状に発生する。
発生したテラへルツ波は、 テラへルツ波光路 3 8内で、 出射レンズ 1 2を経て、 軸外し放物面鏡 1 3によってほぼ平行なコリメート光とされ て、 所定のサンプル Aを透過し、 軸外し放物面鏡 2 3と入射レンズ 2 2 によって集束されつつ、 テラへルツ波検出器 2 0を構成する光スィツチ 素子 2 0 aに入射する。
プローブ光学系 3 5では、 ビームスプリッ夕 3 1によって励起光と分 岐されたプローブ光が、 励起光に対するタイミング差を可変光遅延器 4 0により振動変化させられながら、 対物レンズ 2 1を介して光スィッチ 素子 2 0 aに入射する。 こうして、 光スィッチ素子 2 0 aには、 励起光 に対してタイミング差が振動変化しながら同期したブローブ光が照射さ れ、 テラへルツ波の検出が行われる。 この結果、 光スィッチ素子 2 0 a から出力された検出信号 （電流） は、 第 6図に示すような時間波形を有 し、 第 3 ( A ) 図に示すテラへルツ波の時間波形と同形で、 時間スケ一 ルが変換された波形となる。 かかる検出信号 （電流） は、 電流一電圧変 換アンプ 5 1によって電圧信号とされた後、 スぺクトラムアナライザ 5 2に入力され、 第 7図に示すような振幅スペクトルが生成される。 この 振幅スペクトルは、 第 3 ( B ) 図のテラへルツ波の振幅スペクトルと同 形で周波数スケールが変換された形状となる。 解析装置 5 3が、 この検 出信号のスぺクトルのデータに対して周波数軸変換を行う等の所定のデ 一夕処理を行うことにより、 所定サンプル Aについての透過分光特性デ 一夕であるスぺクトルデ一夕を得る。
以上のように、 本実施形態のテラへルツ波分光器 1によれば、 テラへ ルツ波を用いた分光測定のリアルタイム性が確保されるとともに、 その 装置構成 · 回路構成が簡単化され、 また、 その製造コストが低減されて 装置を安価にすることができる。 また、 回路構成等の簡略化によってそ れらの集積回路化が可能となるので、 装置の小型化や様々な測定への応 用において有効である。
なお、 電流一電圧変換アンプ 5 1からの出力信号には、 第 6図に点線 で示すように一般にノイズ信号が重畳されており、 これによる S Z N比 の低下が分光測定の精度上問題となる場合がある。このような場合には、 上記したスぺクトラムアナライザ 5 2による測定のバンド幅 ·周波数領 域 （すなわち、 掃引する周波数領域） を狭く設定することによって S Z N比を向上させることができる。
また、 測定対象であるサンプル Aに特徴的な透過特性などによって、 テラへルツ波の周波数スぺク トルから、 特定の周波数領域の成分または 特定の周波数の成分のみに着目し、 その周波数での検出強度について測 定を行うことによって分光測定を行いたい場合がある。 このような場合 においても、 スぺク トラムアナライザ 5 2の測定の周波数領域を着目す る周波数領域のみに狭く限定し、 または、 スペクトラムアナライザ 5 2 を特定の周波数のみについて測定を行う測定モード（ゼロスパンモード） に設定して測定を行うことによって、 上記のような分光測定が可能とな る。 ゼロスパンモードでは、 スペク トラムアナライザ 5 2の周波数掃引 スパンがゼロ （0 ) H zに設定されるため、 スペク トラムアナライザ 5 2は着目する周波数に固定された受信機として機能する。 したがって、 スぺクトラムアナライザ 5 2は、 着目する周波数の正弦波成分の振幅の 時間変化を測定し表示することになる。
例えば、 第 3 ( B ) 図に示したテラへルツ波の周波数スペクトルにお いて 1 T H zの周波数成分に着目したい場合には、 第 7図に示した検出 信号の周波数スぺクトルでの 1 0 k H zの周波数成分を計測するように スペクトラムアナライザ 5 2をゼロスパンモードに設定することによつ て、 1 T H zのテラへルツ波成分についての連続的な測定を行うことが できる。 このような測定条件において、 例えばサンプル Aを 2次元的に 移動させつつ分光測定を行うことによって、 サンプルの 2次元イメージ ングが可能となる。 また、 例えば着目するテラへルツ波の周波数成分を 2 T H zに変更しょうとする場合には、 スペクトラムアナライザ 5 2の ゼロスパンモードによる測定周波数を 2 0 k H zに設定変更するのみで、 そのような測定条件の変更を行うことができる。 なお、 テラへルツ波分 光器による 2次元イメージングについては、 さらに後述する。
以上のように、 本実施形態のテラへルツ波分光器 1によれば、 テラへ ルツ波発生器 1 0から出射されサンプル Aを透過したテラへルツ波を検 出するテラへルツ波検出器 2 0の光スィツチ素子 2 0 aへのプローブ光 の照射タイミングを、 可変光遅延器 4 0の可動反射部 4 3を所定の振動 周波数で駆動することによって振動変化させる。 この結果、 光スィッチ 素子 2 0 aからは、 周期的に振動変化する検出信号が得られ、 この検出 信号を分光処理部 5 0のスぺクトラムアナライザ 5 2で周波数分析する。 ここで、 検出信号は、 試料 Aを透過し試料 Aにて影響を受けたテラヘル ッ波と同形 · スケール変換された時間波形を有しているので、 その周波 数分析を行うことにより、 テラへルツ波自体の周波数分析をリアルタイ ムで行うことができる。
このように、 本実施形態によるテラへルツ波分光器 1は、 第一に、 可 変光遅延器 4 0によるプローブ光の照射タイミングの変化を、 所定の周 波数によって周期的かつ連続的に変化 ·走査する振動とし、 テラへルツ 波の時間波形及び周波数スぺクトルを、 直接的に処理しやすい時間スケ ール及び周波数スケールに変換することを可能にしている。
第二に、 スケールが変換されたのみでテラへルツ波と同形または準同 形な時間波形及び周波数スペクトルを有する検出信号に対して、 スぺク トラムアナライザ 5 2という周波数分析装置を適用して測定を行うこと によって、 テラへルツ波についての周波数スぺクトル測定を実現してい る。 したがって、 F F T演算や、 A / D変換器 · D S Pなどの装置構成 を用いることなく、 簡単化された装置構成によるリアルタイム計測が可 能となる。 また、 スペク トラムアナライザ 5 2においては、 狭帯域検出 を行うなど様々な検出条件が設定可能であるので、 分光測定の S Z N比 を向上させた高精度の計測を行うこともできる。
(第 2の実施形態）
次に、 本発明の第 2の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 8 ( A ) 図〜第 9 ( B ) 図に基づき説明する。
第 8 ( A ) 図は、 本発明の第 2の実施形態に係るテラへルツ分光器 1 の構成図である。 なお、 第 1の実施形態のテラへルツ分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態は、 テラへルツ波発生器 1 0、 テラへルツ波検出器 2 0、 及び各光学系 3 0， 3 5， 3 8等については第 1の実施形態と同様であ る。 しかしながら、 分光処理部 5 0においては、 検出信号の周波数分析 を行う周波数分析装置として、 スペクトラムアナライザ 5 2ではなく、 狭帯域のバンドパスフィル夕 5 4が用いられている。
スぺク トラムアナライザ 5 2を適用した第 1の実施形態では、 上述の ように、 テラへルツ波の特定の周波数に着目して分光測定を行いたい場 合、 スぺク 卜ラムアナライザ 5 2の測定モードをその周波数に対応した 検出信号の周波数成分のみを選択的に測定するようにゼロスパンモード に設定することによって、 そのような測定を実現することができる。 さ らに、 着目する周波数 f 1があらかじめわかっている場合には、 スぺク トラムアナライザ 52ではなく、 本実施形態のように、 その周波数 f 1 の成分を選択する狭帯域などのバンドバスフィル夕 54を適用すること が可能となる。
バンドパスフィルタ 54を用いることによれば、 スぺク トラムアナラ ィザ 52の場合と比較して、 装置をさらに簡単化 ·低価格化することが 可能であり、 その集積回路化もさらに容易となる。
バンドパスフィルタ 54としては、 オペアンプ （演算増幅器： 〇Pァ ンプ） を用いたアクティブフィルタとすることによって、 高い共振特性 を容易に得ることができる。 例えば、 バンドパスフィル夕 54は、 第 8 (B) 図に示すように、 OPアンプ〇Pと、 受動素子である抵抗 R 1, R 2 , R 3、 及び、 容量 C I , C 2とから構成することができる。 電流 一電圧変換アンプ 5 1からの検出信号 （電圧） がバンドパスフィル夕 5 4の入力端子 VI Nに入力すると、 この入力検出信号のうち、 抵抗 R l， R 2 , 尺 3の抵抗値と容量〇 1， C 2の容量値とで決まる周波数の信号 のみが、 出力端子 V。UTから出力される。
本実施形態においては、 このバンドバスフィル夕 54の出力端子 V。u τが、 図示しないアナログ /デジタル （AZD) 変換器を介して解析装 置 53に接続されている。 したがって、 解析装置 5 3は、 当該出力端子 V。UTからの出力信号を AZD変換して得られたデジタル数値データを 受け取る。 このデジタル数値データは、 バンドパスフィル夕 54にて選 択された検出信号周波数に対応する周波数成分のテラへルツ波の強度を 示している。 つまり、 所定サンプル Aの当該テラへルツ波周波数成分に ついての分光特性を示している。 解析装置 53は、 バンドパスフィルタ 54にて選択されている周波数値を、 対応するテラへルツ波の周波数値 に換算する演算処理をしたり、 その換算周波数値をさらに波長値へ換算 する、 等の所定のデータ処理を行う。 この結果、 サンプル Aについての テラへルツ波の所定周波数における透過分光特性デ一夕が得られる。 こ うして得られた透過分光特性データは、 サンプル Aの物理的及び化学的 情報を示している。
なお、 バンドパスフィルタ 54は、 受動素子である抵抗 R、 容量 (：、 及びインダク夕 Lのみで構成しても良い。
さらに、 可変光遅延器 40の駆動条件を制御することによって、 テラ ヘルツ波の各成分のうち測定の対象として着目する成分の周波数値を、 設定または変更することが可能である。 この目的のため、 本実施形態に おいても、 解析装置 53の制御部 5 3 aが、 可変光遅延器 40でのプロ ーブ光路長の振動周波数 f sを変更 ·設定することができるようになつ ている。
ここで、 第 9 (A) 図〜第 9 (B) 図に、 プローブ光路長の振動周波 数 f sの変更により、 テラへルツ波検出器 20より得られる検出信号の 周波数スペク トルがどのように変化するかを示す。 第 9 (A) 図は、 可 変光遅延器 40の振動周波数 f s = 0. 5 kHzに設定した場合の検出 信号の周波数スペクトル （第 7図に示したものと同じ） であり、 このと き、 検出信号の周波数 1 0 kH zはテラへルツ波の 1 TH zの周波数成 分に対応している。 ここで、 振動周波数 f sを、 振動の位置振幅 （最大 位置移動） をそのままにして 0. 5 kHzから 0. 7 5 kHzに設定変 更する。 すると、 検出信号の周波数スペクトルは、 第 9 (B) 図のよう になる。 このとき、 検出信号の周波数 1 0 kH zはテラへルツ波の 0. 6 7 TH zの周波数成分に対応している。
すなわち、 本実施形態のように、 バンドパスフィルタ 54として装置 構成が固定したものを用いる場合には、 バンドパスフィルタ 54によつ て測定 （選択） できる検出信号の周波数は、 例えば、 1 0 kH z等、 所 定の値に固定されてしまう。 そこで、 制御部 5 3 aが、 可変光遅延器 4 0によるプローブ光の光路長 ·照射タイミングの振動周波数を制御でき るようにしている。 例えば、 振動周波数 f sを、 上述のように、 0. 5
12から 0. 7 5 kH zに変更すると、 バンドパスフィルタ 54を置 き換えることなく、 周波数スぺク トルの周波数スケールとテラへルツ波 の周波数スぺクトルとの対応関係を変換し、 テラへルツ波の着目周波数 を I TH zから 0. 6 7 TH zに変更することができるのである。
なお、 解析装置 5 3は、 制御部 5 3 aが変更 ·設定した振動周波数値 f sに基づいて、 バンドパスフィルタ 54が選択した検出信号の周波数 値を、 テラへルツ波の着目周波数値に換算する。 当該テラへルツ波着目 周波数成分に対する検出信号強度は、 サンプル Bの当該着目周波数につ いての分光特性を示している。
また、 このような測定周波数の変更は、 第 1の実施形態のスぺク トラ ムアナライザ 5 2を用いた装置構成においても同様に可能となっている。 すなわち、 制御部 5 3 aが可変光遅延器 40での光路長の振動周波数 f sを変更することによって、 テラへルツ波の各成分のうち測定の対象と して着目する周波数成分を自由に変更することが可能となっている。 (第 3の実施形態）
次に、 本発明の第 3の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 0図 に基づき説明する。
第 1 0図は、 本発明の第 3の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の 構成図である。 なお、 第 1の実施形態のテラへルツ波分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態は、 励起光学系 3 0については第 1の実施形態と同様であ り、 また、 テラへルツ波発生器 1 0及びテラへルツ波検出器 2 0として も、 第 1の実施形態と同様に、 光スィッチ素子 1 0 a及び 2 0 aが用い られている。 しかしながら、 プローブ光学系 3 5においては、 対物レン ズ 2 1の後段に、 プローブ光の進行方向を変更させるための反射鏡 3 3 が設けられている。 また、 テラへルツ波の光学系 3 8においては、 軸外 し放物面鏡 1 3， 2 3を用いず、 また、 光スィッチ素子 1 0 a及び 2 0 aは互いに対向するように配置されている。
テラへルツ波発生器用の光スィツチ素子 1 0 aから出射されたテラへ ルツ波は、 テラへルツ波光路 3 8において、 出射レンズ 1 2を経て、 集 束レンズ 1 4によってサンプル Bのある一つの位置に集束されつつ照 射 ·透過された後、 集束レンズ 2 4によって集束されつつ、 入射レンズ 2 2を経て、 テラへルツ波検出器用の光スィツチ素子 2 0 に入射され るようになっている。 このようにテラへルツ波光学系 3 8を構成するこ とによって、 サンプル Bの特定の部位についての分光測定を行うことが できる。
さらに本実施形態においては、 サンプル移動装置 5 6が設けられてお り、 サンプル Bを、 テラへルツ波の光軸に対して略垂直な X— Y平面内 において 2次元方向に移動できるように構成されている。 このサンプル 移動装置 5 6は分光処理部 5 0の解析装置 5 3によって制御されており、 サンプル Bの 2次元の各部位が順次測定部位とされるようにサンプル B を移動させることによって、 サンプル Bを走査 ·測定してサンプル Bに ついての 2次元の分光イメージングを行うことができる。 すなわち、 本 実施形態では、 ディスプレイなどの表示装置 5 5が、 解析装置 5 3に接 続されており、 2次元分光イメージングの測定画像を表示するようにな つている。 こうして得られる 2次元分光イメージング画像は、 サンプル Bにおける物理的 ·化学的特性の 2次元分布情報を示している。 このとき、 分光処理部 5 0における周波数分析装置としては、 上述し たスぺクトラムアナライザ 5 2またはバンドパスフィル夕 5 4などを適 用することが可能である。 第 1 0図に示した例においては、 それぞれ異 なる周波数 f 1及び f 2の成分を選択可能な 2つのバンドパスフィル夕 5 4 a及び 5 4 bが周波数分析装置として用いられている。
例えば、 サンプル Bにおいてその分布を分光によって測定したい物質 力 検出信号の周波数 f 1に対応する周波数のテラへルツ波成分を特徴 的に吸収し、 かつ、 別の周波数 f 2に対応する周波数のテラへルツ波成 分の吸収が小さい特性を有する場合、 周波数 1における透過特性と周 波数 f 2における透過特性とをともに計測し、 その差分や積などを計算 してそれらの相関を求めることによってその物質の分布等をより詳細か つ効率的に得ることができる。 得られたサンプル Bでの物質分布につい ての 2次元分光イメージ B ' は、 解析装置 5 3に接続されたディスプレ ィなどの表示装置 5 5によって表示される。
具体的には、 サンプル Bの各位置に対し、 周波数 f lにおける透過特 性をバンドパスフィル夕 5 4 aにより、 また、 周波数 f 2における透過 特性をバンドパスフィルタ 5 4 bにより計測する。 解析装置 5 3が、 図 示しない A Z D変換器を介して、 これらバンドパスフィル夕 5 4 a及び 5 4 に接続されており、 ノ ンドパスフィル夕 5 4 a及び 5 4 からの 出力信号の A Z D変換値を取得する。 解析装置 5 3は、 こうして得られ た 2つのデジタル数値の相関値 （例えば、 差分または積） を計算する。 解析装置 5 3は、 さらに、 サンプル Bの位置情報に基づいて、 この相関 値をイメージ表示するのに必要な処理を行って、 処理結果を表示装置 5 5に出力する。 表示装置 5 5は、 解析装置 5 3の処理結果に基づいて、 サンプル B内の物質分布についての 2次元分光イメージ B 'を表示する。
このように複数の周波数成分について測定'比較等を行うことにより、 サンプルについてのより詳しい情報を得ることが可能となる。この場合、 用いるバンドパスフィル夕は 2個に限られず、 必要に応じて、 3個以上 の異なる周波数に対応するバンドパスフィルタを設置し、 それらからの 測定デー夕の相関によって分光解析を行うように構成しても良い。また、 周波数分析装置としてスペクトラムアナライザ 5 2を用い、 スぺクトラ ムアナライザ 5 2により周波数スぺクトルを求めた後に、 解析装置 5 3 において、 その周波数スペクトルから複数の周波数領域を選択して、 そ れら選択された複数の周波数領域における透過特性の相関を求めるとい つたような同様の処理 ·解析を行う構成とすることも可能である。
(第 4の実施形態）
次に、 本発明の第 4の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 1図 〜第 1 2 ( B ) 図に基づき説明する。
第 1 1図は、 本発明の第 4の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の 構成図である。 なお、 第 1の実施形態のテラへルツ波分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態は、 励起光学系 3 0については第 1の実施形態と同様であ り、 また、 テラへルツ波発生器 1 0としても第 1の実施形態と同様、 光 スィッチ素子 1 0 aを用いている。
一方、 テラへルツ波検出器 2 0としては、 単一の光スィッチ素子 2 0 aではなく、 複数の光スィッチ素子 2 0 aが 2次元に配列されて構成さ れる 2次元検出器である光スィツチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cが用 いられている。
本実施形態では、 テラへルツ波光路 3 8では、 軸外し放物面鏡 1 3を 介してコリメート光としてサンプル Bに照射 ·透過されたテラへルツ波 は、 集光されずにほぼコリメート光の状態で光スィッチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cに入射する。 一方、 プローブ光はプローブ光学系 3 5に おいて、 可変光遅延器 4 0によってタイミングが調整された後、 反射鏡 3 3によって反射され、 レンズ 2 5によって拡大された後、 レンズ 2 6 を介してほぼ平行なコリメート光として光スィツチ 2次元配置型 C C D 装置 2 0 cへ入射する。 このような構成により、 光スィッチ 2次元配置 型 C C D装置 2 0 cの各光スィッチ素子 2 0 aによって、 各位置に入射 したテラへルツ波が検出される。
光スィッチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cは、 例えば、 第 1 2 ( A ) 図に示すように、 2次元状に集合 ·配列された複数のュニット 2 0 0か らなるテラへルツ波検出部 2 1 0と、 テラへルツ波検出部 2 1 0の複数 のユニット 2 0 0からの信号を蓄積するための電荷蓄積部 2 0 4， 電荷 蓄積部 2 0 4からの電荷を読み出すための C C Dシフトレジス夕 2 0 5 , 及び、 電荷の転送及び読みだしを制御するための読みだし ·転送制御部 2 0 6とから構成されている。
ここで、 テラへルツ波検出部 2 1 0を構成する各ュニット 2 0 0は、 テラへルツ波を検出するための光スィッチ 2 0 1と、 電流—電圧変換回 路 2 0 2、 及び、 バンドパスフィルタ 2 0 3とから構成されている。 こ こで、 光スィッチ 2 0 1は、 第 2 ( B ) 図の光スィツチ素子 2 0 aと同 一の構成をしている。 また、 電流一電圧変換回路 2 0 2及びバンドパス フィルタ 2 0 3は、 第 8 ( A ) 図に示した第 2の実施形態における電流 一電圧変換アンプ 5 1及びバンドバスフィル夕 5 4と同一の構成を有し ている。 すなわち、 ュニット 2 0 0自体が、 周波数分析を行う分光処理 部 5 0の機能の一部を有している。
テラへルツ波検出部 2 1 0では、 複数個のユニット 2 0 0が、 第 1 2 ( B ) 図に示されるように、 2次元状に配列されており、 各ユニット 2 0 0がー画素に対応し、全ュニット 2 1 0により 1画面を構成している。 これら複数のュニット 2 0 0は、 電荷蓄積部 2 0 4に接続されている。 電荷蓄積部 2 0 4は、 例えば、 ュニット 2 0 0と同数の容量 （コンデン サー） から構成されており、 全ユニット 2 0 0から送られてくる 1画面 分の信号電荷を蓄積する。 電荷蓄積部 2 0 4は、 C C Dシフトレジスタ 2 0 5に接続されている。 C C Dシフ トレジス夕 2 0 5は、 電荷蓄積部 2 0 4に蓄積された 1画面分の信号電荷を転送するためのものである。 読みだし ·転送制御部 2 0 6は、 転送クロックパルスと読みだしクロッ クパルスとを出力することで、 電荷の転送 Z読みだしを制御するための ものである。 ここで、 転送クロックパルスは、 各ユニット 2 0 0から電 荷蓄積部 2 0 4への電荷の転送、 及び、 電荷蓄積部 2 0 4での電荷の転 送を制御するための信号であり、 読みだしクロックパルスは、 C C Dシ フトレジス夕 2 0 5による電荷蓄積部 2 0 4からの電荷の読みだしを制 御するための信号である。
かかる構成のもと、 光スィツチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cに入射 したテラへルツ波の 2次元イメージは、 各ユニット 2 0 0において、 光 スィッチ 2 0 1で画素信号として検出された後、 電流一電圧変換回路 2 0 2及びバンドバスフィルタ 2 0 3によって電流—電圧変換 ·周波数選 択され、 電荷蓄積部 2 0 4を介して C C Dシフトレジスタ 2 1 0で転送 され、 2次元電荷イメージとして分光処理部 5 0の解析装置 5 3へ出力 される。 こうして得られた 2次元電荷イメージは、 テラへルツ波が透過 したサンプル Bの 2次元イメージ情報に対応している。
このように、 本実施形態によれば、 サンプル Bを移動装置等によって 駆動することなく、 一度に、 テラへルツ波による 2次元イメージングを 行うことが可能となっている。 また、 上述のような第 1 2 ( A) 〜 1 2 ( B ) 図の構成要素は比較的簡単化されているので、 集積回路化が容易 であり、 低価格でテラへルツ波分光イメージングシステムを構築するこ とが可能となる。 なお、 テラへルツ波検出器として光スィツチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cを 1次元検出器に置き換えれば、 同様に 1次元イメージの計測を 行うことができる。
上述の第 1〜第 4実施形態においては、 テラへルツ波発生器 1 0及び テラへルツ波検出器 2 0としていずれも光スィツチ素子 1 0 a及び 2 0 aを用いていたが、 それ以外にも例えば電気光学結晶 （E O結晶、 Electro-Optic Crystal) を用いるなど、 様々な構成によるテラへルツ波 の発生器 ·検出器を用いることができる。
(第 5の実施形態）
次に、 本発明の第 5の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 3図 に基づき説明する。
第 1 3図は、 本発明の第 5の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の 構成図である。 なお、 第 1の実施形態のテラへルツ波分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態においては、 テラへルツ波発生器 1 0としては E O結晶 1
O bを、 また、 テラへルツ波検出器 2 0としては E〇結晶 2 0 bを用い ている。
このように、. E〇結晶 1 0 bをテラへルツ波発生器 1 0として用いる 場合には、 パルス光源 1 0 0よりフェムト秒光パルスなどの励起光を E 〇結晶 1 0 bに入射させて、 逆ポッケルス効果による光整流作用によつ てテラへルツ波を発生させることができる。
また、 E O結晶 2 0 bをテラへルツ波検出器 2 0として用いる場合に は、 テラへルツ波の電界によって E O結晶 2 0 b内にポッケルス効果が 生じる。 その結果、 E〇結晶 2 0 b内に複屈折率変化が起きる。 そこで、 所定の偏光状態とされたプローブ光を E〇結晶 2 0 b中に通過させ、 通 過後のプローブ光の強度変化を測定することによって、 E O結晶 2 0 b に入射したテラへルツ波を検出する。
このように E O結晶を用いた場合には、 光スィツチ素子を用いた場合 に比べて、 より高い周波数 （短い波長） のテラへルツ波を発生 .検出す ることが可能である。
本実施形態では、 パルス光源 1 0 0からの励起光は、 対物レンズ 1 1 を介して、 テラへルツ波発生器 1 0を構成する E O結晶 1 0 bに入射す る。 このとき、 E O結晶 1 0 bには逆ポッケルス効果によって光整流作 用が生じて、 分光に用いるテラへルツ波が発生する。 発生したテラヘル ッ波は、 出射レンズ 1 2及び軸外し放物面鏡 1 3を介してコリメート光 としてサンプル Aに照射 '透過し、 軸外し放物面鏡 2 3及び入射レンズ 2 2を介してテラへルツ波検出器 2 0を構成する E〇結晶 2 0 bに入射 する。
E O結晶 2 0 bの入射レンズ 2 2側（テラへルツ波入射側） の面には、 プローブ光を反射可能な誘電体多層膜鏡 2 7が蒸着によって形成されて いる。 プローブ光は、 可変光遅延器 4 0によって、 その照射タイミング が周期的に変化 ·振動するようになっており、 さらに、 偏光ビームスプ リツ夕 6 1によって直線偏光にされて、 対物レンズ 2 1を介して E O結 晶 2 O bに入射する。 このとき、 E〇結晶 2 0 bにテラへルツ波が入射 していると、その電界により E O結晶 2 0 b内にポッケルス効果が生じ、 複屈折率変化が生じる。
プローブ光は、 この E〇結晶 2 0 b内を通過して誘電体多層膜鏡 2 7 で反射し、 再び E〇結晶 2 0 b内を通過して出射するが、 複屈折率変化 が生じている E〇結晶 2 0 b内を通過することによって、 その偏光状態 が変化する。 偏光状態が変化したプローブ光は、 偏光ビームスプリツ夕 6 1に入射して、 そのうちの元の偏光状態に対して直交している直線偏 光成分が所定の方向に反射 · 出力する。 この偏光ビームスプリッ夕 6 1 から出力したプローブ光成分の光量を、 ホトダイオード等、 光量を電圧 あるいは電流に変換するための光検出器 6 0で検出 ·測定することによ つて、 E〇結晶 2 0 bに入射したテラへルツ波を検出することができる。 光検出器 6 0は分光処理部 5 0のスぺクトラムアナライザ 5 2及び解 析装置 5 3に接続されており、 テラへルツ波検出器 2 0として光スイツ チ素子 2 0 aを用いた場合と同様にして、 周波数分析及び分光解析等が 行われる。 また、 周波数分析装置としては、 スペクトラムアナライザ 5 2の代わりに、 第 2または第 3の実施形態のように単一または複数のバ ンドパスフィル夕 5 4を用いてもよい。 また、 例えばテラへルツ波発生 器 1 0を光スィツチ素子 1 0 a、 検出器 2 0を E O結晶 2 0 bとする構 成なども可能である。 また、 その逆に、 テラへルツ波発生器 1 0を E O 結晶 1 0 b、 検出器 2 0を光スィツチ素子 2 0 aとするのでもよい。 なお、 E O結晶をテラへルツ波の発生 ·検出に用いる場合には E O結 晶の結晶方位と、 励起光、 プローブ光、 及びテラへルツ波の偏光方向と が一定の関係を満たすように配置することが好ましい。 このため、 励起 光学系 3 0やプローブ光学系 3 5、 及び、 光源 1 0 0からビームスプリ ッ夕 3 1によって励起光及びプローブ光が分岐されるまでの光路上に、 光パルスの偏光状態を調整するための波長板、 偏光子、 ソレイュバビネ 補償板などの光学要素などを適宜設置しても良い。
また、 用いる E O結晶としては、 Z n T e、 G a Pや D A S Tなど、 様々なものを適用可能である。
(第 6の実施形態）
次に、 本発明の第 6の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 4図 に基づき説明する。
第 1 4図は、 本発明の第 6の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の 構成図である。 なお、 第 5の実施形態のテラへルツ波分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態は、 テラへルツ波発生器 1 0、 テラへルツ波検出器 2 0、 各光学系 3 0 , 3 5， 3 8、 及び分光処理部 5 0については第 5の実施 形態と同様であるが、 テラへルツ波検出器 2 0を構成する E O結晶 2 0 bを通過した後のプローブ光の検出方法が異なっている。
本実施形態においては、 E O結晶 2 0 bを通過し誘電体多層膜鏡 2 7 によって反射されたプローブ光は、 反射鏡 6 2によって所定の方向に光 路変更される。 なお、 反射鏡 6 2の代わりにビームスプリッ夕等を用い ても良い。 このプローブ光は所定の波長板 6 3を通過して所定の偏光状 態とされた後、 偏光ビームスプリツ夕 6 4によって分岐されて、 分岐さ れた 2つのプローブ光成分の光量がそれぞれ光検出器 6 0 a及び 6 O b によって検出 ·測定される。
このとき、 E O結晶 2 0 bへのテラへルツ波の入射によってプローブ 光の偏光状態が変化すると、 プローブ光の偏光ビームスプリッ夕 6 4に よる分岐成分の光量比等の相関が変化する。 したがって、 2つの光検出 器 6 0 a及び 6 0 bからの検出信号出力の相関とその変化を測定するこ とによってテラへルツ波及びその強度を測定することができる。
本実施形態においては、 光検出器 6 0 a及び 6 0 bは差動アンプ 6 5 に接続されており、 これによつて上記のような測定を実現している。 こ のように、 E O結晶を用いるとともに偏光ビームスプリツ夕 6 4によつ て分岐されたプローブ光成分の差分及びその変化によってテラへルツ波 を検出する構成とすることにより、 プローブ光の光源であるレーザ 1 0 0の強度雑音の影響などを、 測定データの差分をとることによってキヤ ンセルして、 測定の精度 · S Z N比を向上させることが可能である。 差 動アンプ 6 5は分光処理部 5 0のスペクトラムアナライザ 5 2及び解析 装置 5 3に接続されて、 他の実施形態と同様に周波数分析及び分光解析 が行われる。
(第 7の実施形態）
次に、 本発明の第 7の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 5 ( A ) 図及び第 1 5 ( B ) 図に基づき説明する。
第 1 5 ( A ) 図は、 本発明の第 7の実施形態に係るテラへルツ波分光 器 1の構成図である。 なお、 第 5の実施形態のテラへルツ波分光器 1と 同一又は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。 本実施形態は、 励起光学系 3 0については第 5の実施形態と同様であ り、 また、 テラへルツ波発生器 1 0としては E O結晶 1 0 bが用いられ ている。 しかしながら、 テラへルツ波検出器 2 0としては、 サンプル B に対応した所定の大きさを有することで 2次元イメージングが可能とな つている 2次元検出用の E〇結晶 2 0 dが用いられている。
テラへルツ波発生器 1 0を構成する E O結晶 1 0 bから発生 · 出射さ れたテラへルツ波は、 テラへルツ波光路 3 8において、 軸外し放物面鏡 1 3 a及び 1 3 bによって拡大された後、 軸外し放物面鏡 1 3 cによつ てほぼ平行なコリメート光とされてサンプル Bに照射 ·透過される。 サ ンプル Bを通過したテラへルツ波は、 集光されずにコリメート光の状態 でテラへルツ波検出器 2 0を構成する 2次元検出可能な E O結晶 2 0 d に入射する。 一方、 プローブ光は、 プローブ光学系 3 5において、 反射 鏡 3 3で反射され、 レンズ 2 5によって拡大された後、 レンズ 2 6を介 してほぼ平行なコリメート光とされ、 偏光ビームスプリッ夕 6 1及び波 長板 6 6によって所定の偏光状態とされて E O結晶 2 0 dへと入射する c E O結晶 2 0 dに形成された誘電体多層膜鏡 2 7によって反射された プローブ光は、 再び波長板 6 6を通過し、 第 1 3図に示した第 5の実施 形態の場合と同様に、 偏光ビームスプリツ夕 6 1によって、 一部のプロ —ブ光成分が反射 · 出力される。 偏光ビームスプリッ夕 6 1から出力さ れたプローブ光成分は、 光検出器 2次元配置型 CCD装置 6 7によって 2次元イメージとしてその光量が検出 ·測定され、 テラへルツ波による 2次元ィメージングが実現される。
ここで、 光検出器 2次元配置型 C CD装置 6 7は、 第 1 5 (B) 図に 示すように、 第 4の実施形態において採用した光スィッチ 2次元配置型 CCD装置 20 cと略同一の構成を有している。 但し、 光検出器 2次元 配置型 C CD装置 67は、 光スィッチ 2次元配置型 CCD装置 20 cと は異なり、 光スィッチ 20 1の代わりに、 第 5の実施形態 （第 1 3図） で採用した光検出器 60と同一構成の光検出器 26 0を備えている。 す なわち、 光検出器 2次元配置型 CCD装置 67では、 各画素に対応した ユニット 200が、 光検出器 260と、 光検出器 260からの検出電流 を電流一電圧変換する電流一電圧変換回路 202と、 電流一電圧変換回 路 202からの電圧信号のうち所定の周波数の信号を選択するバンドパ スフィル夕 20 3とから構成されている。 かかる構成を有する複数のュ ニット 200は、 第 1 2 (B) 図に示した光スィッチ 2次元配置型 C C D装置 2 0 cと同様に、 2次元状に配列され、 電荷蓄積部 204及び C CDシフトレジス夕部 20 5を介して、解析装置 53に接続されている。 なお、 波長板 66としては、 例えばプローブ光に対して往復で 1 Z4 波長の位相差を与えるために 1 Z 8波長板を用いることが好ましい。 こ れらの波長板等の設定については、 プローブ光の偏光状態や EO結晶の 結晶方位等に応じて適宜変更して良い。
また、 本実施形態においては、 サンプル Bの大きさに対応した大面積 を有する EO結晶を用いて、 2次元イメージを 1度に取得するテラヘル ッ波イメージングについて記載した。 しかしながら、 光スィッチ素子を 用いた場合について第 1 0図を参照して説明した場合のように、 テラへ ルツ波を集光してサンプルの一つの位置に照射するとともにサンプルを 2次元方向に移動させることによってサンプル上の位置を走査しながら 行う 2次元イメージングに対しても、 E〇結晶を同様に適用することが 可能である。
(第 8の実施形態）
次に、 本発明の第 8の実施形態に係るテラへルツ波分光器を第 1 6図
〜第 1 7図に基づき説明する。
第 1 6図は、 本発明の第 8の実施形態に係るテラへルツ波分光器 1の 構成図である。 なお、 第 5の実施形態のテラへルツ波分光器 1と同一又 は同等な構成部分には同一符号を付し、 その説明は省略する。
本実施形態は、 テラへルツ波発生器 1 0、 テラへルツ波検出器 2 0 、 プローブ光学系 3 5、 テラへルツ波光学系 3 8、 光検出器 6 0、 及び分 光処理部 5 0については第 5の実施形態と同様である。 しかしながら、 励起光学系 3 0においては、 その励起光の光路に対して所定の位置に光 チヨッパ 7 1が挿入 ·配置されている。
テラへルツ波を用いた分光測定において、 励起光及びプローブ光の光 源 1 0 0となるフエムト秒パルスレーザなどが持つ雑音 · ノイズ光が問 題となる場合がある。 特に、 1 Z f ノイズといわれる低周波数領域での 大きなノイズが存在するが、 このようなノイズは特に可変光遅延器 4 0 による測定の振動周波数が 1 k H z以下である場合に、 その測定の S Z N比を悪化させる原因となる。
このような問題に対して、 励起光学系 3 0において第 1 6図に示すよ うに光チヨツバ 7 1を設置して、 励起光の O N Z O F Fをさらに変調 · 制御する。 この光チヨツバ 7 1による O N Z O F Fは光チヨッパ駆動装 置 7 2によって、 例えば、 一定の周波数で駆動制御される。 ここで、 光 チヨツバ駆動装置 7 2による光チヨツバ 7 1の駆動周波数を f 0 = 5 k H z、 可変光遅延器 4 0の振動周波数を f s = 1 0 0 H zとして分光測 定を行った場合を考えると、 検出信号の周波数分析によって得られる周 波数スぺク トルは第 1 7図のようになる。
この周波数スぺクトルにおいては、 光チヨッパ 7 1の駆動周波数 f 0 = 5 k H zを中心とし、 その両側に対称に、 サイ ドバンドとして第 7図 の周波数スぺク トルに相当するテラへルツ波の周波数スぺク トルがそれ ぞれ現れる。 これは、 F Mラジオの周波数変調と類似の方法である。 こ の場合、 例えばスペクトラムアナライザ 5 2によって 5 k H z〜7 k H zの周波数範囲を測定してテラへルツ波の周波数スぺク トルを得ること によって、 第 1 7図のグラフにも示されている低周波数領域に生じる 1 Z f ノイズの影響を受けずに分光測定を行うことが可能となり、 S Z N 比を向上させることができる。 なお、 第 1 6図に破線にて示したように、 光チヨッパ駆動装置 7 2を解析装置 5 3に接続して、 その駆動周波数等 を解析装置 5 3により制御させる構成としても良い。
本発明によるテラへルツ波分光器は、 上記した各実施形態に限られる ものではなく、 様々な変形 ·構成の変更が可能である。
例えば、 テラへルツ波の発生及び検出については光スィツチ素子また は E O結晶を用いるものに限らず、 量子井戸、 電気光学的チェレンコフ 放射、 コヒ一レントフオノン等を利用した発生 ·検出方法を用いても良 い。
また、 分光測定についての構成に関しては、 上記した実施形態はすべ てサンプル Aや Bの透過特性を測定する構成としたが、 例えばサンプル の反射特性を測定するものなど、 テラへルツ波に対しサンプルによる影 響を与えることができるような様々な構成とすることができる。
また、 可変光遅延器 4 0については、 上記した実施形態ではいずれも プローブ光学系 3 5に設置する構成とされていたが、 これを、 例えば、 第 1 8図に示すように、 励起光学系 3 0に設置して、 励起光のテラヘル ッ波発生器 1 0への照射によるテラへルツ波の発生タイミングを検出夕 イミングに対して振動変化させても良い。 この場合でも、 同様のスケ一 ル変換と周波数分析装置による測定が可能である。
また、可変光遅延器 4 0の駆動についても、三角波以外にも、第 5 ( B )、 ( C )、 ( D ) 図に示した台形波、 正弦波や鋸形波など様々な波形によつ て振動させることができる。 この場合、 例えば正弦波など時間と位置振 動とがリニアにならず、 テラへルツ波と検出信号との対応が準同形など 同形からずれる場合には、 検出信号の時間波形を正弦波によって補正し てリニアなものに変換するか、 または、 測定したい時間のフルスケール に比べて充分に大きい振幅で振動させ、 その振動中心に近く変化がほぼ リニァと見なせる領域のみを用いても良い。
また、 振動の周波数についても、 可変光遅延器の具体的構成や、 スぺ クトラムアナライザまたはバンドパスフィル夕で計測可能な周波数領域 に応じて、 適宜設定すれば良く、 その範囲としては、 例えば 1 0 H z〜 1 0 0 k H z程度が好ましい。
プローブ光の照射タイミングを所定の周波数によって振動させるため の可変光遅延器 4 0の可動反射部 4 3としては、 上述の実施形態では、 第 4図に示したスピーカ 4 3 bを有する構成としている。 スピーカは例 えば人間の可聴周波数領域である 2 0 H z〜 2 0 k H z程度の振動周波 数を発生させることができ、 光反射部 4 3 aを例えばリ トロリフレクタ など重量の軽いもので構成すれば、 数 k H z程度の周波数によって駆動 することが可能である。 但し、 光反射部 4 3 aとしてはリ トロリフレク 夕以外のものを用いても良い。
また、 スピーカを用いた構成以外にも、 様々な可動反射部 4 3の構成 が考えられる。 第 1 9図〜第 2 2図に、 可動反射部 4 3として、 スピー 力以外の構成を用いた例を示す。 第 1 9図は、 磁石を用いた可動反射部 4 3の構成を示す。 本実施例に おいては、 光反射部 4 5 a力 支持台 4 5 eに対してバネ 4 5 bを介し て取り付けられた磁石 4 5 cに固定されている。 支持台 4 5 eの磁石 4 5 cに対向する部位には、 電磁石 4 5 dが固定されている。 この電磁石 4 5 dを光遅延制御装置 4 4からの駆動信号によって駆動して、 光反射 部 4 5 aの振動を実現する。 この構成は、 スピーカによる構成と類似の 方法によるものであり、 例えばコンパクトディスク用の光ピックアップ 部に使用されているように、 簡単な構造で早い応答時間を得ることがで さる。
ここで、 光反射部 4 5 aとしてはリ トロリフレクタではなく、 より軽 い通常のミラーを用いることが好ましい。 リ トロリフレクタは、 入射光 がどの方向から入射されても反射光は入射光と反対の方向に出射される という可動反射部に用いる上での利点を持つ。 これに対して、 通常のミ ラーを用いた場合には入射光及び反射光の光路が一般に異なるので、 入 射光路を光反射部 4 5 aに対してできるだけ垂直にするなど注意が必要 である。
第 2 0図は、 ピエゾ素子を用いた可動反射部 4 3の構成を示す。 本実 施例においては、 ミラ一などの光反射部 4 6 aがピエゾ素子 4 6 bの一 端に固定されている。 このピエゾ素子 4 6 bの他端は固定部 4 6 cに固 定されている。 ピエゾ素子は電圧が印加されると伸縮するので、 光反射 部 4 6 aは、 印加される電圧にしたがって振動する。
第 2 1図は、 ピストンを用いた可動反射部 4 3の構成を示す。 本実施 例においては、 ミラ一などの光反射部 4 7 aが、 筒状部 4 7 cの内部に 可動に設置されたピストン 4 7 bに固定されている。 さらに、 ピストン 4 7 bがクランク機構 4 7 dを介してモー夕 4 7 eに接続されている。 したがって、 光反射部 4 7 aが、 モータ 4 7 eの回転にしたがって振動 する。 この可動反射部 43の構成は、 モー夕の回転軸にクランク機構を 設けて回転をピストンの平行移動に変換する方法であり、 レシプロェン ジンの逆操作に相当する。 特に、 ピストン 47 bの筒状部 47 cへの接 触抵抗を小さくすることによって、 高速での振動が可能となる。
第 22図は、 ミラーの組み合わせにより構成された可動反射部 43を 示す。 本実施例においては、 可動ミラ一 49 a及び固定ミラー 49 bを 用いた多重反射方式によって可動反射部 43が構成されている。 この場 合、 プローブ光は可動ミラー 49 aと固定ミラ一 49 bとの間を複数回 往復するので、 上記したような構成による反射型の可動反射部において 充分な遅延時間差を得られない場合にも、 本実施例のようなミラー及び 光路の構成とすれば、 充分に大きな遅延時間差を得ることができる。 こ の例においては、 プローブ光は固定ミラー 49 bで 2回反射されて 3往 復しているので、 可動ミラー 49 aの移動量が 0. 3mmであればその 6倍の 1. 8 mmの光路長変化を得ることができる。
さらに、 可変光遅延器 40は、 反射鏡 4 1 , 42と可動反射部 43と 光遅延制御装置 44とから構成するのでなくてもよい。 例えば、 可変光 遅延器 40は、 第 23 (A) 図に示すように、 可動透過部 48と光遅延 制御装置 44とから構成するようにしてもよい。 これは、 反射部 4 1， 42、 43をプローブ光学系 3 5上に設置できない場合などに有効であ る。
可動透過部 48としては、 例えば、 第 23 (B) 図に示すようなガラ ス回転板で構成することができる。 ここで、 ガラス回転板である可動透 過部 48は、 それぞれガラス板の厚さが異なる 1 6個のガラス領域 48 a〜48 pを有して形成されている。 例えば、 領域 48 aのガラス厚さ を 1. 0 mmとし、 領域 48 bの厚さを 1. 3mm、 領域 48 cを 1.
6111111と 0. 3 mmピッチでガラス厚さを厚くし、 領域 48 aに対向す る領域 4 8 iで最大厚さの 3 . 4 mmとして、領域 4 8 j以降は逆に 0 .
3 mmピッチでガラス厚さを薄くしていき、 領域 4 8 aの厚さ 1 mmに 戻る構成とする。 ただし、 各領域 4 8 a〜4 8 p内においては、 そのガ ラス厚さは均一とする。
このようなガラス回転板の可動透過部 4 8を回転させてやることによ つて、 光路長を振動変化させることができる。 すなわち、 ガラスの屈折 率は例えば 1 . 5であるから、 その厚さが 0 . 3 mm変わると光路長は
0 . 1 5 mm変化して、 0 . 5 p sの時間遅延を生じる。 第 2 3 ( B ) 図に示したガラス回転板では、 領域 4 8 aと領域 4 8 iでの遅延時間差 は 4 p s となり、この範囲でのタイミング振動を実現することができる。 なお、 各領域の境界は不連続になるが、 各領域の面積を充分に小さく すれば実用上問題とはならない。 また、 遅延時間差をさらに大きくした い場合には、 ガラス厚さの変化ピッチを大きくすれば良い。 また、 上記 の設定において領域 4 8 j の厚さを 3 . 7 mm、 領域 4 8 kを 4 . 0 m mとし、 領域 4 8 pで最大厚さの 5 . 5 mmとなるように領域 4 8 aか ら領域 4 8 pへと光路長が増加していく構成にすることも可能である。 この場合、 タイミング振動の波形は一方の変化方向のみが緩やかな変化 となる鋸形の波形となる。
また、 ガラス厚さを、 例えば連続的に変化していくように形成しても 良い。
上記した可動反射部 4 3 , 可動透過部 4 8の構成例以外にも、 例えば ォ一トコリメ一夕に使用されているような回転する平行ミラー対による 光遅延装置 （Optics Commun., vol.36, p.406 (1981)参照） や、 グレーテ イング及びガルバノミラーで構成される光遅延装置 （Optics Letters, vol.22， pp.1811-1813 (1997) 参照） など、 様々な構成により、 光路長を 可変とする可変光遅延器 4 0を構成することが可能である。 産業上の利用可能性
本発明に係るテラへルツ波分光器は、 テラへルツ波を試料に透過させ たり試料で反射させたりする等してテラへルツ波に試料による影響を与 え、 その試料による影響を受けたテラへルツ波を周波数分析することに よって、 試料内に存在する物質の種類や量、 分布等を測定するのに幅広 く用いられる。 測定対象たる試料としては、 気体、 液体、 及び、 固体の いずれをも採用でき、 大気汚染ゃ排ガスの測定、 水の測定、 半導体、 誘 電体の測定等、 多くの試料の測定に幅広く用いられる。

Claims

請求の範囲
1 . 励起光を導くための所定の励起光学系と、
該所定の励起光学系で導かれた励起光によってテラへルツ波を発生さ せるテラへルツ波発生器と、
該テラへルツ波発生器で発生されたテラへルツ波を分光測定を行う試 料へ導き、 該試料で影響を受けた該テラへルツ波を更に導くための所定 のテラへルツ波光学系と、
該励起光に対して同期されたプローブ光を導くための所定のプローブ 光学系と、
該試料で影響を受け該テラへルツ波光学系により導かれた該テラヘル ッ波を、該所定のプロ一ブ光学系で導かれたプローブ光によって検出し、 検出信号を出力するテラへルツ波検出器と、
該励起光学系及び該プローブ光学系のうちのいずれか一つに備えられ、 対応する該励起光または該プローブ光の光路長を所定の振動周波数で振 動させることによって、 該テラへルツ波発生器及び該テラへルツ波検出 器のうちの該いずれか一つへの該対応する励起光またはプロ一ブ光の照 射夕イミングを周期的に振動させる光遅延振動手段と、
該テラへルツ波検出器によって得られる検出信号に基づき該試料の分 光測定を行う分光処理手段とを備え、 該分光処理手段が、 該振動周波数 によって周期的に変化する該検出信号を周波数分析する周波数分析手段 を備え、 該周波数分析手段による周波数分析結果が、 該試料の影響を受 けた該テラへルツ波の周波数分析情報を示し、 もって、 該試料の分光情 報を示すことを特徴とする、 テラへルツ波を用いて分光測定を行うテラ ヘルツ波分光器。
2 . 前記周波数分析手段は、 前記検出信号から周波数分析によって周 波数スぺク トルを生成するためのスぺクトラムアナライザからなること を特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光器。
3 . 前記周波数分析手段は、 前記検出信号から所定の周波数成分を選 択するためのバンドバスフィル夕からなることを特徴とする請求項 1記 載のテラへルツ波分光器。
4 . 前記バンドパスフィル夕は、 それぞれ異なる周波数成分を選択す るための複数のバンドバスフィル夕より構成されており、 前記分光処理 手段が、 該複数のバンドバスフィル夕によって選択された複数の周波数 成分の相関を求める相関解析手段を、 更に備えていることを特徴とする 請求項 3記載のテラへルツ波分光器。
5 . 前記分光処理手段は、 前記光遅延振動手段を制御して前記対応す る励起光またはプローブ光の光路長変化の前記振動周波数を設定または 変更する周波数設定 Z変更手段を更に有し、 前記周波数分析手段が、 そ の設定または変更された前記振動周波数に基づいて周波数分析を行うこ とを特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光器。
6 . 前記テラへルツ波発生器及び前記テラへルツ波検出器の少なくと も一方は、 光スィツチ素子からなることを特徴とする請求項 1記載のテ ラヘルツ波分光器。
7 . 前記テラへルツ波発生器及び前記テラへルツ波検出器の少なくと も一方は、 電気光学結晶からなることを特徴とする請求項 1記載のテラ ヘルツ波分光器。
8 . 前記試料を 2次元方向に移動させるための試料移動手段をさらに 備え、 前記分光処理手段に該試料についての 2次元の分光測定を行わせ ることを特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光器。
9 . 前記テラへルツ波検出器は、 複数のテラへルツ波検出部が 2次元 状に配列されて構成された 2次元検出器からなり、 前記分光処理手段が 複数の周波数分析手段を有しており、 該複数のテラへルツ波検出部が、 該複数の周波数分析手段にそれぞれ接続され、 各周波数分析手段が、 対 応するテラへルツ波検出部によって得られた検出信号に対する周波数分 析を行うことによって、 前記試料についての 2次元の分光測定を行うこ とを特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光器。
1 0 . 前記励起光学系は、 前記励起光の O N Z O F Fを制御する光チ ョッパを備えていることを特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光 器。
1 1 . 前記分光処理手段が、 前記周波数分析手段による前記検出信号 の周波数分析結果に基づいて、 前記試料の分光情報を示す該試料の影響 を受けたテラへルツ波の周波数分析情報を求める解析手段を更に備えて いることを特徴とする請求項 1記載のテラへルツ波分光器。
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