JP2009150811A

JP2009150811A - テラヘルツ分光装置

Info

Publication number: JP2009150811A
Application number: JP2007329926A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Fukushima; 一城福島
Original assignee: Tochigi Nikon Corp
Current assignee: Tochigi Nikon Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5600374B2

Abstract

【課題】環境温度が変化しても高精度の測定を行うことができるテラヘルツ分光装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源１からのパルス光Ｐ１をポンプ光Ｐ２とプローブ光Ｐ３とに分割するビームスプリッタ２と、パルス光Ｐ１の照射によってテラヘルツ波を発生するテラヘルツ光発生器３と、テラヘルツ波を検出するテラヘルツ光検出器９と、テラヘルツ光発生器３及びテラヘルツ光検出器９の少なくとも一方の近傍に設けられ、テラヘルツ波の利用効率を向上させるレンズ４，８とを備えているテラヘルツ分光装置において、周囲温度の変化によるシリコンレンズ４，８の屈折率の変化に応じてプローブ光Ｐ３の光路長を変える光路長補正部材１１をプローブ光Ｐ３の光路中に配置した。
【選択図】図１

Description

この発明はテラヘルツ分光装置に関する。

従来、テラヘルツパルス光（周波数がおおよそ０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚまでの範囲の電磁波）を用いた分光装置が知られている。

この種の分光装置として、例えばテラヘルツパルス光を試料に照射してその試料を透過したテラヘルツパルス光の振幅と位相とを検出する透過測定光学系と、テラヘルツパルス光を試料に照射してその試料で反射したテラヘルツパルス光の振幅と位相とを検出する反射測定光学系とを１つの装置として構成したものがある（下記公報参照）。
特開２００４−１９１３０２号公報

ところが、分光装置が設置されている環境の温度変化等によって分光装置内の温度が変化すると、分光装置に使用している光学素子（シリコンレンズ等）の屈折率が変化し、位相情報に誤差が生じるため、高精度の測定ができなくなるという問題があった。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は設置する環境温度が変化しても高精度の測定を行うことができるテラヘルツ分光装置を提供することである。

上記問題を解決するため請求項１記載の発明は、パルス光を発生するレーザ光源と、前記レーザ光源からのパルス光をポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、前記パルス光の照射によってテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、前記テラヘルツパルス光を検出するテラヘルツ光検出器と、前記テラヘルツ光発生器及び前記テラヘルツ光検出器の少なくとも一方に配置された半球状レンズと、前記ポンプ光又はプローブ光の光路中に配置された時間遅延装置とを備えたテラヘルツ分光装置において、前記プローブ光の光路中に、光路長を補正するための光路長補正部材が少なくとも１個配置されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のテラヘルツ分光装置において、前記半球状レンズは、前記テラヘルツ光発生器と前記テラヘルツ光検出器との両方にそれぞれ配置されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のテラヘルツ分光装置において、前記時間遅延装置は、前記プローブ光の光路中に配置されたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１、２又は３記載のテラヘルツ分光装置において、前記半球状レンズは、超半球レンズであることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項記載のテラヘルツ分光装置において、前記半球状レンズの光軸上の長さの合計と、前記光路長補正部材の光軸上の長さの合計とはほぼ同じであり、前記半球状レンズと前記光路長補正部材とは同じ材料からなることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載のテラヘルツ分光装置において、前記半球状レンズと前記光路長補正部材とは、共に単結晶半導体材料からなることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項６記載のテラヘルツ分光装置において、前記単結晶半導体材料はシリコン単結晶であることを特徴とする。

この発明によれば、設置する環境温度が変化しても高精度の測定を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るテラヘルツ分光装置の構成を模式的に示す全体構成図である。

テラヘルツ分光装置１００は、試料Ｓにテラヘルツパルス光を照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光の電場強度の時間変化データを検出し、このデータに基づいて試料Ｓの複素誘電率や複素屈折率の波長依存性等を求めるものである。

テラヘルツ分光装置１００は、パルス光Ｐ１を発生するレーザ光源１と、レーザ光源１からのパルス光Ｐ１をポンプ光Ｐ２とプローブ光Ｐ３とに分割するビームスプリッタ２と、ポンプ光Ｐ２の照射によってテラヘルツパルス光Ｔ１を発生させるテラヘルツ光発生器３と、試料Ｓを保持するホルダ６と、試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｔ２を検出するテラヘルツ光検出器９とを備える。

また、テラヘルツ分光装置１００は、周知の時系列テラヘルツ光検出法によりテラヘルツパルス光を検出する目的で、テラヘルツ光検出器９へ導かれるプローブ光Ｐ３の到達時間を変更する時間遅延装置１０を備えている。時間遅延装置１０は、可動ミラー１０ａ、固定ミラー１０ｂ，１０ｃ及び駆動部（図示せず）を有する。可動ミラー１０ａは駆動部に固定されている。可動ミラー１０ａは、図１中、Ｍ方向に移動可能である。すなわち、テラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度信号を検出するタイミングは、可動ミラー１０ａの移動による光路長の変化によって変更される。

更に、テラヘルツ分光装置１００は、テラヘルツ光検出器９へ導かれるプローブ光Ｐ３の光路上に、光路長補正部材１１を備える。

レーザ光源１で発生したパルス光Ｐ１は平面反射ミラーＭ１を経てビームスプリッタ２で２つのパルス光に分割される。レーザ光源１としては、例えばフェムト秒パルスレーザが用いられる。レーザ光源１で発生するパルス光Ｐ１は、中心波長が赤外領域のうちの１５６０ｎｍ程度、繰り返し周期が数十ＭＨｚ、パルス幅が１００ｆｓｅｃ程度のパルス光である。

ビームスプリッタ２で２分割されたパルス光の一方はテラヘルツ光発生器３を励起してテラヘルツパルス光Ｔ１を発生させるためのポンプ光Ｐ２となる。このポンプ光Ｐ２は平面反射ミラーＭ２を介してテラヘルツ光発生器３へ入射する。テラヘルツ光発生器３にポンプ光Ｐ２が入射すると、テラヘルツ光発生器３からテラヘルツパルス光Ｔ１が発生する。テラヘルツ光発生器３は、光スイッチ素子及びバイアス回路を有する公知の装置である。テラヘルツ光発生器３から発生するテラヘルツパルス光Ｔ１は、概ね０．１×１０¹²〜１０×１０¹²Ｈｚ（０．１〜１０ＴＨｚ）の周波数領域の電磁波である。テラヘルツパルス光Ｔ１は、第１のテラヘルツ光学系５を介して収束し、試料ホルダ６に保持された試料Ｓに導かれる。第１のテラヘルツ光学系５は例えば楕円面ミラーである。

試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｔ２は、試料Ｓの透過領域の物性情報を含む光である。テラヘルツパルス光Ｔ２は、第２のテラヘルツ光学系７を介して収束し、テラヘルツ光検出器９に導かれる。第２のテラヘルツ光学系５は例えば楕円面ミラーである。

ビームスプリッタ２で２分割されたパルス光の他方は、テラヘルツパルス光Ｔ２を検出するためのプローブ光Ｐ３となる。プローブ光Ｐ３は、時間遅延装置１０、固定ミラー１０ｂ、可動ミラー１０ａ及び固定ミラー１０ｃを順次経由し、更に、平面反射ミラーＭ３、光路長補正部材１１、平面反射ミラーＭ４を経てテラヘルツ光検出器９に入射する。テラヘルツ光検出器９は、光スイッチ素子及びＩ／Ｖ変換回路を有する公知の装置である。テラヘルツ光検出器９にプローブ光Ｐ３が入射すると、テラヘルツ光検出器９により、プローブ光Ｐ３が照射された時点での試料Ｓを透過したテラヘルツパルス光Ｔ２の電場強度に応じた電流が検出される。検出された電流には、試料Ｓの物性情報が含まれている。検出された電流は、アンプ（図示せず）により増幅され、演算装置（図示せず）によりフーリエ変換される。最終的に得られた試料Ｓの物性情報はディスプレイ（図示せず）に表示される。

テラヘルツ光発生器３及びテラヘルツ光検出器９の両方には、半球シリコンレンズ（半球状レンズ）４，８が、試料Ｓ側に凸となるように配置されている。半球シリコンレンズ４，８は、例えばシリコン単結晶（単結晶半導体材料）からなる。半球シリコンレンズ４，８をテラヘルツパルス光Ｔ１，Ｔ２が経由することで、テラヘルツパルス光Ｔ１，Ｔ２の利用効率が高まる。なお、半球状レンズとして、半球シリコンレンズ４，８を用いる代わりに超半球シリコンレンズを用いてもよい。超半シリコンレンズを用いた場合には、半球シリコンレンズ４，８を用いた場合に比べて、利用効率が更に高まる。

また、テラヘルツ光発生器３及びテラヘルツ光検出器９の両方に半球シリコンレンズを配置する必要はない。なお、半球シリコンレンズの材料はシリコン単結晶に限られるものではなく、他の単結晶半導体材料であってもよい。

次に、光路長補正部材１１について詳しく説明する。

光路長補正部材１１はプローブ光Ｐ３の光路上に配置されている。光路長補正部材１１は、例えば上面と下面とが平行な平行平板部材である。光路長補正部材１１の材料は半球シリコンレンズ４，８の材料と同一（例えばシリコン単結晶）であることが望ましい。また、光路長補正部材１１の光路長は、半球シリコンレンズ４，８の光路長の合計とほぼ等しくすることが望ましい。

半球シリコンレンズ４，８に使用されているシリコン単結晶の屈折率は、波長１５６０ｎｍの赤外領域、及びテラヘルツ光に対して、温度が１℃上昇する毎に約１．９×１０^-4増加する。半球シリコンレンズ４，８の光軸に沿った厚さがそれぞれ１０ｍｍの場合、半球シリコンレンズ４，８の温度が共に１℃上昇すると、半球シリコンレンズ４，８のそれぞれの光路長は１．９μｍ増加することになる。すなわち、半球シリコンレンズ４と半球シリコンレンズ８とで光路長が合計３．８μｍ増加するので、ビームスプリッタ２から試料Ｓを経てテラヘルツ光検出器９に達する光路長Ｌ１が３．８μｍ増加する。

そこで、光路長補正部材１１としてシリコン単結晶からなる厚さ２０ｍｍの平行平板部材をプローブ光Ｐ３の光路上に配置する。光路長補正部材１１の温度が１℃上昇すると、光路長補正部材１１の光路長が３．８μｍ増加する。すなわち、ビームスプリッタ２から光路長補正部材１１を経てテラヘルツ光検出器９に達する光路長Ｌ２が３．８μｍ増加する。

上記したように、温度変化による光路長Ｌ１と光路長Ｌ２との増加量は等しいので、光路長Ｌ１と光路長Ｌ２との差に変化は生じない。したがって、テラヘルツ分光装置１００内の温度変化により光路長が変化しても、テラヘルツ光検出器９に対して、テラヘルツパルス光Ｔ２が入射するタイミングとプローブ光Ｐ３が入射するタイミングとがずれることがない。

この実施形態によれば、プローブ光Ｐ３の光路中に配置された光路長補正部材１１によって半球シリコンレンズ４，８の屈折率の温度変化による光路長の変化を吸収することができるので、環境温度が変化しても高精度の測定を行うことができる。

なお、光路長補正部材１１はポンプ光Ｐ２の光路中に配置してもよい。

符号の説明

１：レーザ光源、２：ビームスプリッタ、３：テラヘルツ光発生器、４，８：半球シリコンレンズ（半球状レンズ）、９：テラヘルツ光検出器、１０：時間遅延装置、１１：光路長補正部材、Ｐ１：パルス光、Ｐ２：ポンプ光、Ｐ３：プローブ光。

Claims

パルス光を発生するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのパルス光をポンプ光とプローブ光とに分割するビームスプリッタと、
前記パルス光の照射によってテラヘルツパルス光を発生するテラヘルツ光発生器と、
前記テラヘルツパルス光を検出するテラヘルツ光検出器と、
前記テラヘルツ光発生器及び前記テラヘルツ光検出器の少なくとも一方に配置された半球状レンズと、
前記ポンプ光又はプローブ光の光路中に配置された時間遅延装置と
を備えたテラヘルツ分光装置において、
前記プローブ光の光路中に、光路長を補正するための光路長補正部材が少なくとも１個配置されていることを特徴とするテラヘルツ分光装置。
前記半球状レンズは、前記テラヘルツ光発生器と前記テラヘルツ光検出器との両方にそれぞれ配置されたことを特徴とする請求項１記載のテラヘルツ分光装置。
前記時間遅延装置は、前記プローブ光の光路中に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のテラヘルツ分光装置。
前記半球状レンズは、超半球レンズであることを特徴とする請求項１、２又は３記載のテラヘルツ分光装置。
前記半球状レンズの光軸上の長さの合計と、前記光路長補正部材の光軸上の長さの合計とはほぼ同じであり、前記半球状レンズと前記光路長補正部材とは同じ材料からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載のテラヘルツ分光装置。
前記半球状レンズと前記光路長補正部材とは、共に単結晶半導体材料からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載のテラヘルツ分光装置。
前記単結晶半導体材料はシリコン単結晶であることを特徴とする請求項６記載のテラヘルツ分光装置。