JP5469474B2 - Single terahertz wave time waveform measurement device - Google Patents
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Description
本発明は、測定対象物で発生,透過または反射するテラヘルツ波の時間波形を測定し、その測定対象物の特性を評価する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for measuring a time waveform of a terahertz wave generated, transmitted, or reflected from a measurement object and evaluating characteristics of the measurement object.
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する0.01THz〜1000THz程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。このようなテラヘルツ波の応用として、測定対象物で発生,透過または反射したテラヘルツ波の電場振幅の時間波形を測定することで該測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。 The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 1000 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave. As an application of such a terahertz wave, a technique for acquiring information on the measurement object by measuring a time waveform of the electric field amplitude of the terahertz wave generated, transmitted, or reflected by the measurement object has been studied.
テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、一般に以下のようなものである。すなわち、光源(例えば、フェムト秒レーザ光源)から出力された光パルスは、分岐部により2分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。そのうちポンプ光パルスはテラヘルツ波発生用の非線形光学結晶に入力されて、これにより、この非線形光学結晶からパルステラヘルツ波が発生する。この発生したテラヘルツ波は、測定対象部で透過または反射されることで該測定対象物の情報(例えば、吸収係数、屈折率)を取得し、その後、合波部によりプローブ光パルスと合波され、プローブ光パルスと略同一タイミングでテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶に入射される。 A technique for measuring information on a measurement object using a terahertz wave is generally as follows. That is, an optical pulse output from a light source (for example, a femtosecond laser light source) is bifurcated by a branching unit into a pump light pulse and a probe light pulse. Among them, the pump light pulse is input to a nonlinear optical crystal for generating a terahertz wave, and thereby a pulsed terahertz wave is generated from the nonlinear optical crystal. The generated terahertz wave is transmitted or reflected by the measurement target unit to acquire information (for example, absorption coefficient, refractive index) of the measurement target, and then combined with the probe light pulse by the multiplexing unit. Then, it is incident on the nonlinear optical crystal for detecting the terahertz wave at substantially the same timing as the probe light pulse.
テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。そこで、分岐部と合波部との間のプローブ光パルスの光路上に偏光子が設けられるとともに、非線形光学結晶の出力側に検光子が設けられて、この検光子を透過したプローブ光パルスの強度が検出されることで、非線形光学結晶におけるプローブ光パルスの偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物の特性が得られる。このように、テラヘルツ波を用いた測定対象物の情報の測定技術は、パルステラヘルツ波がテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶上で引き起こす電気光学効果を利用するものである。 In a nonlinear optical crystal to which a terahertz wave and a probe light pulse are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light pulse changes due to the birefringence. Therefore, a polarizer is provided on the optical path of the probe light pulse between the branching portion and the multiplexing portion, and an analyzer is provided on the output side of the nonlinear optical crystal, so that the probe light pulse transmitted through the analyzer is transmitted. By detecting the intensity, a change in the polarization state of the probe light pulse in the nonlinear optical crystal is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristics of the measurement object are obtained. As described above, the measurement technique for the information on the measurement object using the terahertz wave utilizes the electro-optic effect caused by the pulsed terahertz wave on the nonlinear optical crystal for detecting the terahertz wave.
また、一般に、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光パルスのパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光パルスのパルス幅は数桁狭い。このことから、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶へのプローブ光パルスの入射タイミングが掃引されることで、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形が得られる。 In general, the pulse width of the terahertz wave is about picoseconds, whereas the pulse width of the probe light pulse is about femtoseconds, and the pulse width of the probe light pulse is several orders of magnitude narrower than that of the terahertz wave. From this, the time waveform of the electric field amplitude of the pulsed terahertz wave is obtained by sweeping the incident timing of the probe light pulse to the nonlinear optical crystal for detecting the terahertz wave.
しかしながら、上記の測定対象物の情報の測定技術では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得る為に、光源から多数の光パルスが出力されて、各パルスについて非線形光学結晶へのプローブ光パルスの入射タイミングが設定される必要があることから、所要時間が長い。このような問題点を解決することを意図した発明が特許文献1に開示されている。 However, in the measurement technique of information on the measurement object described above, in order to obtain the time waveform of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave, a large number of optical pulses are output from the light source, and the probe optical pulse to the nonlinear optical crystal for each pulse. Is required to be set, so the required time is long. An invention intended to solve such problems is disclosed in Patent Document 1.
特許文献1に開示された発明は、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とし、この非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を光検出器により検出することで、光源からの単発の光パルスによりパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形を得るものである。このとき、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形は、光検出器により空間的な像として得られる。 The invention disclosed in Patent Document 1 tilts the pulse surface of the probe light pulse so that the pulse surfaces of the terahertz wave and the probe light pulse when input to the nonlinear optical crystal for terahertz wave detection are non-parallel to each other. By detecting the distribution of the polarization state change in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal with a photodetector, a time waveform of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave is obtained by a single light pulse from the light source Is. At this time, the time waveform of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave is obtained as a spatial image by the photodetector.
特許文献1に開示された発明では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くするには、プローブ光パルスのビーム径を大きくするとともに、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶として大きなものを用いることが必要である。 In the invention disclosed in Patent Document 1, in order to widen the measurement time range of the time waveform of the electric field amplitude of the pulsed terahertz wave, the beam diameter of the probe light pulse is increased and the nonlinear optical crystal for detecting the terahertz wave is large. It is necessary to use something.
しかしながら、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶における単位面積当りのプローブ光パルスの強度が低下して、テラヘルツ波の検出感度が低下する。また、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、それに合わせて大きなテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いる必要がある。 However, when the beam diameter of the probe light pulse is increased, the intensity of the probe light pulse per unit area in the nonlinear optical crystal for detecting the terahertz wave is lowered, and the detection sensitivity of the terahertz wave is lowered. Further, when the beam diameter of the probe light pulse is increased, it is necessary to use a large non-linear optical crystal for terahertz wave detection accordingly.
テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶(例えば、ZeTe結晶)の結晶性がよいものは、入手が困難であり且つ高価である。特に、大きく且つ結晶性がよい非線形光学結晶は、尚更、入手が困難であり且つ高価である。また、大きなテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いると、結晶性の悪さに起因してテラヘルツ波の検出感度にバラツキが生じ、光検出器により得られる結果が歪んでしまう。 A non-linear optical crystal for detecting terahertz waves (for example, ZeTe crystal) having good crystallinity is difficult to obtain and expensive. In particular, non-linear optical crystals that are large and have good crystallinity are still difficult to obtain and expensive. Further, when a large nonlinear optical crystal for detecting terahertz waves is used, the detection sensitivity of terahertz waves varies due to poor crystallinity, and the result obtained by the photodetector is distorted.
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、小さいテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いた場合にも単発の光パルスにより得られるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くすることができる単発テラヘルツ波時間波形計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and even when a nonlinear optical crystal for detecting a small terahertz wave is used, the time waveform of the electric field amplitude of a pulsed terahertz wave obtained by a single optical pulse is obtained. An object of the present invention is to provide a single terahertz wave time waveform measuring apparatus capable of widening the measurement time range.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、(1) テラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを出力する非線形光学結晶と、(2) プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、(3) パルス面傾斜部と非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、パルス面傾斜部によってパルス面を傾斜されたプローブ光パルスのビーム径を縮小するビーム径調整光学系と、(4) 非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、パルス面傾斜部が、光源から出力された後にビーム径を拡大されたプローブ光パルスを入力して、そのプローブ光パルスのパルス面を傾斜させてもよい。
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention is (1) a terahertz wave and a probe light pulse are input, and birefringence is induced along with the propagation of the terahertz wave, and the polarization state of the probe light pulse is changed by the birefringence. The nonlinear optical crystal that outputs the probe light pulse and (2) the pulse surface of the probe light pulse is tilted so that the terahertz wave and the pulse surface of the probe light pulse that are input to the nonlinear optical crystal (3) a beam of probe light pulses provided on the optical path of the probe light pulse between the pulse surface inclined part and the nonlinear optical crystal, the pulse surface being inclined by the pulse surface inclined part. Beam diameter adjusting optical system that reduces the diameter, and (4) Detecting the distribution of polarization state changes in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal And a photodetector.
In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention, the pulse surface tilting unit inputs a probe light pulse whose beam diameter is enlarged after being output from the light source, and tilts the pulse surface of the probe light pulse. Good.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置では、プローブ光パルスは、パルス面傾斜
部によりパルス面が傾斜された後、ビーム径調整光学系によりビーム径が縮小されて、テ
ラヘルツ波とともに非線形光学結晶に入力される。非線形光学結晶に入力される際のテラ
ヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面は互いに非平行とされる。テラヘル
ツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶では、テラヘルツ波の伝搬に伴
い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。光検出
器により、非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状
態変化の分布が検出される。
In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention, the probe light pulse is tilted by the pulse surface tilting part, and then the beam diameter is reduced by the beam diameter adjusting optical system to be converted into a nonlinear optical crystal together with the terahertz wave. Entered. The pulse surfaces of the terahertz wave and the probe light pulse when input to the nonlinear optical crystal are non-parallel to each other. In a nonlinear optical crystal to which a terahertz wave and a probe light pulse are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light pulse changes due to the birefringence. The distribution of the polarization state change in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal is detected by the photodetector.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶へ出力する合波部を更に備え、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と合波部との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていてもよい。また、本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、テラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶へ出力する合波部を更に備え、ビーム径調整光学系が合波部と非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていてもよい。後者の場合、ビーム径調整光学系は、合波部から出力されたプローブ光パルスのビーム径を調整することができるだけでなく、合波部から出力されたテラヘルツ波のビーム径をも調整することができる。また、ビーム径調整光学系がパルス面傾斜部と非線形光学結晶との間に結像関係を有していてもよい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention further includes a multiplexing unit that multiplexes the terahertz wave and the probe light pulse so as to be coaxial with each other and outputs them to the nonlinear optical crystal, and the beam diameter adjusting optical system has a pulse surface. It may be provided on the optical path of the probe light pulse between the inclined part and the multiplexing part. The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention further includes a multiplexing unit that multiplexes the terahertz wave and the probe light pulse so as to be coaxial with each other and outputs them to the nonlinear optical crystal, and the beam diameter adjusting optical system includes It may be provided on the optical path of the probe light pulse between the multiplexing part and the nonlinear optical crystal. In the latter case, the beam diameter adjusting optical system not only can adjust the beam diameter of the probe light pulse output from the combining unit, but also adjusts the beam diameter of the terahertz wave output from the combining unit. Can do. Further, the beam diameter adjusting optical system may have an imaging relationship between the pulse surface inclined portion and the nonlinear optical crystal.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、非線形光学結晶と光検出器との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備えていてもよい。このプローブ光パルスビーム径変更光学系が非線形光学結晶と光検出器との間に結像関係を有していてもよい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention is provided on the optical path of the probe light pulse between the nonlinear optical crystal and the photodetector, and changes the beam diameter of the probe light pulse. A system may be further provided. This probe light pulse beam diameter changing optical system may have an imaging relationship between the nonlinear optical crystal and the photodetector.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更するテラヘルツ波ビーム径変更光学系と、を更に備えていてもよい。このテラヘルツ波ビーム径変更光学系が、テラヘルツ波発生部から出力されるテラヘルツ波の光路上に設けられた測定対象物と非線形光学結晶との間に結像関係を有していてもよい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention includes a terahertz wave generation unit that generates and outputs a terahertz wave by inputting a pump light pulse, and a terahertz wave that changes the beam diameter of the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit And a wave beam diameter changing optical system. This terahertz wave beam diameter changing optical system may have an imaging relationship between a measurement object provided on the optical path of the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit and the nonlinear optical crystal.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、ポンプ光パルスを入力することでテラヘルツ波を発生し出力するテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波発生部に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更するポンプ光パルスビーム径変更光学系と、を更に備えていてもよい。このポンプ光パルスビーム径変更光学系による像面がテラヘルツ波発生部に位置していてもよい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention generates a terahertz wave by inputting a pump light pulse, and changes the beam diameter of the pump light pulse input to the terahertz wave generating part. And a pump light pulse beam diameter changing optical system. The image plane formed by the pump light pulse beam diameter changing optical system may be located at the terahertz wave generation unit.
本発明の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、(a) 測定対象物に対してポンプ光パルスを集光照射するとともに測定対象物における当該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、(b) ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを測定対象物に集光照射することにより測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、(c) 非線形光学結晶にテラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、(d) 光検出器が、ポンプ光パルス照射部による測定対象物への各集光照射位置について、非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出してもよい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus of the present invention further comprises (a) a pump light pulse irradiating unit that condenses and irradiates a pump light pulse onto the measurement object and scans the light collection irradiation position on the measurement object. (B) The pump light pulse irradiation unit collects and irradiates the pump light pulse onto the measurement object to generate a terahertz wave at the measurement object, and (c) inputs the terahertz wave and the probe light pulse to the nonlinear optical crystal. (D) the photodetector detects the distribution of the polarization state change in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal at each focused irradiation position on the measurement object by the pump light pulse irradiation unit. May be.
本発明によれば、小さいテラヘルツ波検出用の非線形光学結晶を用いた場合にも、単発の光パルスにより得られるパルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くすることができる。 According to the present invention, even when a nonlinear optical crystal for detecting a small terahertz wave is used, the measurement time range of the time waveform of the electric field amplitude of the pulsed terahertz wave obtained by a single light pulse can be widened.
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、先ず比較例の構成について説明し、その後に、この比較例の構成と対比しつつ実施形態の構成について説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Below, the structure of a comparative example is demonstrated first, and the structure of embodiment is demonstrated after that, contrasting with the structure of this comparative example.
(比較例) (Comparative example)
図1は、比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置101の構成図である。この図に示される単発テラヘルツ波時間波形計測装置101は、テラヘルツ波を用いて測定対象物9の情報を取得するものであって、光源11、ビーム径調整部12、分岐部13、テラヘルツ波発生部21、光路長差調整部31、パルス面傾斜部32、偏光子33、合波部41、非線形光学結晶42、検光子43、光検出器44およびミラーM1〜M8を備える。 FIG. 1 is a configuration diagram of a single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101 of a comparative example. A single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101 shown in this figure acquires information on a measurement object 9 using a terahertz wave, and includes a light source 11, a beam diameter adjusting unit 12, a branching unit 13, and terahertz wave generation. Unit 21, optical path length adjustment unit 31, pulse surface tilting unit 32, polarizer 33, combining unit 41, nonlinear optical crystal 42, analyzer 43, photodetector 44, and mirrors M1 to M8.
光源11は、光パルスを出力するものであり、好適にはパルス幅がフェムト秒程度であるパルスレーザ光を出力するフェムト秒パルスレーザ光源である。ビーム径調整部12は、光源11から出力された光パルスを入力して、その光パルスのビーム径を拡大して出力する。このビーム径拡大調整に際しては、テラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのビーム径が互いに等しくなるようにし、或いは、プローブ光パルスのビーム径よりテラヘルツ波のビーム径が大きくなるようにする。また、これらのビーム径は、テラヘルツ波発生部21や非線形光学結晶42の大きさを目安として拡大される。 The light source 11 outputs an optical pulse, and is preferably a femtosecond pulse laser light source that outputs a pulse laser beam having a pulse width of about femtoseconds. The beam diameter adjusting unit 12 receives the light pulse output from the light source 11, and expands and outputs the beam diameter of the light pulse. In this beam diameter expansion adjustment, the beam diameters of the terahertz wave and the probe light pulse are made equal to each other, or the beam diameter of the terahertz wave is made larger than the beam diameter of the probe light pulse. In addition, these beam diameters are expanded with the size of the terahertz wave generation unit 21 and the nonlinear optical crystal 42 as a guide.
分岐部13は、例えばビームスプリッタであり、ビーム径調整部12から出力された光パルスを2分岐して、その2分岐した光パルスのうち一方をポンプ光パルスとしてミラーM1へ出力し、他方をプローブ光パルスとしてミラーM4へ出力する。 The branching unit 13 is, for example, a beam splitter, splits the optical pulse output from the beam diameter adjusting unit 12 into two, outputs one of the two branched optical pulses to the mirror M1 as a pump light pulse, and outputs the other to the mirror M1. The probe light pulse is output to the mirror M4.
分岐部13から出力されたポンプ光パルスは、ミラーM1〜M3により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部21に入力される。なお、分岐部13からテラヘルツ波発生部21に到るまでのポンプ光パルスの光学系を、以下では「ポンプ光パルス光学系」という。 The pump light pulses output from the branch unit 13 are sequentially reflected by the mirrors M <b> 1 to M <b> 3 and input to the terahertz wave generation unit 21. The optical system of the pump light pulse from the branching unit 13 to the terahertz wave generation unit 21 is hereinafter referred to as “pump light pulse optical system”.
テラヘルツ波発生部21は、ポンプ光パルスを入力することでパルステラヘルツ波を発生し出力するものであり、例えば、非線形光学結晶、光アンテナ素子、半導体および超伝導体の何れかを含んで構成される。テラヘルツ波発生部21が非線形光学結晶を含む場合、このテラヘルツ波発生部21は、ポンプ光パルス入射に伴って発現する非線形光学現象によりテラヘルツ波を発生することができる。 The terahertz wave generation unit 21 generates and outputs a pulsed terahertz wave by inputting a pump light pulse, and includes, for example, any one of a nonlinear optical crystal, an optical antenna element, a semiconductor, and a superconductor. The In the case where the terahertz wave generation unit 21 includes a nonlinear optical crystal, the terahertz wave generation unit 21 can generate a terahertz wave by a nonlinear optical phenomenon that occurs as the pump light pulse is incident.
テラヘルツ波は、光波と電波との中間領域に相当する0.01THz〜1000THz程度の周波数を有する電磁波であり、光波と電波との間の中間的な性質を有している。また、パルステラヘルツ波のパルス幅は数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生部21から出力されたテラヘルツ波は、試料台91上に置かれた測定対象物9を透過することで測定対象物9の情報(例えば、吸収係数、屈折率)を取得し、その後、合波部41に入力される。測定対象物9は、試料台91上に置かれていて、この試料台91の移動によりパルステラヘルツ波入射位置が調整され得る。なお、テラヘルツ波発生部21から合波部41に到るまでのテラヘルツ波の光学系を、以下では「テラヘルツ波光学系」という。 The terahertz wave is an electromagnetic wave having a frequency of about 0.01 THz to 1000 THz corresponding to an intermediate region between the light wave and the radio wave, and has an intermediate property between the light wave and the radio wave. The pulse width of the pulse terahertz wave is about several picoseconds. The terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 passes through the measurement object 9 placed on the sample table 91 to acquire information (for example, absorption coefficient, refractive index) of the measurement object 9, and then Are input to the multiplexing unit 41. The measurement object 9 is placed on the sample table 91, and the pulse terahertz wave incident position can be adjusted by the movement of the sample table 91. The terahertz wave optical system from the terahertz wave generation unit 21 to the multiplexing unit 41 is hereinafter referred to as a “terahertz wave optical system”.
一方、分岐部13から出力されたプローブ光パルスは、ミラーM4〜M8により順次に反射され、パルス面傾斜部32および偏光子33を通過して、合波部41に入力される。偏光子33はパルス面傾斜部32の後段に設けられてもよい。パルス面傾斜部32は、ミラーM8により反射されて到達したプローブ光パルスを入力して、そのプローブ光パルスのパルス面を傾斜させ、非線形光学結晶42に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とする。パルス面とは、ある瞬間において、光パルスのビームライン上の最大出力を示す位置をつないだ面のことである。これに対し、波面とは、光の等位相面をいう。なお、分岐部13から合波部41に到るまでのプローブ光パルスの光学系を、以下では「プローブ光パルス光学系」という。 On the other hand, the probe light pulses output from the branching unit 13 are sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, pass through the pulse surface inclined unit 32 and the polarizer 33, and are input to the multiplexing unit 41. The polarizer 33 may be provided at the subsequent stage of the pulse surface inclined portion 32. The pulse surface tilting unit 32 inputs the probe light pulse that is reflected and arrived at by the mirror M8, tilts the pulse surface of the probe light pulse, and inputs the terahertz wave and the probe light pulse that are input to the nonlinear optical crystal 42. Each pulse surface is made non-parallel to each other. The pulse plane is a plane connecting positions that show the maximum output on the beam line of an optical pulse at a certain moment. On the other hand, the wavefront means an equiphase surface of light. The optical system of the probe light pulse from the branching unit 13 to the multiplexing unit 41 is hereinafter referred to as “probe light pulse optical system”.
4個のミラーM4〜M7は光路長差調整部31を構成している。すなわち、ミラーM5およびM6が移動することで、ミラーM4およびM7とミラーM5およびM6との間の光路長が調整され、プローブ光パルス光学系の光路長が調整される。これにより、光路長差調整部31は、分岐部13から合波部41に到るまでのポンプ光パルス光学系およびテラヘルツ波光学系の光路長と、分岐部13から合波部41に到るまでのプローブ光パルス光学系の光路長との差を、調整することができる。 The four mirrors M4 to M7 constitute an optical path length difference adjusting unit 31. That is, when the mirrors M5 and M6 move, the optical path length between the mirrors M4 and M7 and the mirrors M5 and M6 is adjusted, and the optical path length of the probe light pulse optical system is adjusted. Thereby, the optical path length difference adjusting unit 31 reaches the optical path length of the pump light pulse optical system and the terahertz wave optical system from the branching unit 13 to the multiplexing unit 41, and reaches the multiplexing unit 41 from the branching unit 13. The difference from the optical path length of the probe light pulse optical system up to can be adjusted.
合波部41は、テラヘルツ波発生部21から出力され測定対象物9で透過したテラヘルツ波と、分岐部13から出力されて到達したプローブ光パルスとを入力し、これらテラヘルツ波およびプローブ光パルスを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶42へ出力する。この合波部41はペリクルであるのが好適である。 The multiplexing unit 41 inputs the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 and transmitted through the measurement object 9 and the probe light pulse output from the branching unit 13 and arrived, and the terahertz wave and the probe light pulse are input. The signals are combined so as to be coaxial with each other and output to the nonlinear optical crystal 42. The combining unit 41 is preferably a pellicle.
非線形光学結晶42は、合波部41から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子43へ出力する。光検出器44は、非線形光学結晶42から出力され検光子43を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子33,検光子43および光検出器44は、非線形光学結晶42から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の1次元分布または2次元分布を検出する。 The nonlinear optical crystal 42 receives the terahertz wave and the probe light pulse output from the multiplexing unit 41, and birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light pulse is changed by the birefringence. The probe light pulse is output to the analyzer 43. The photodetector 44 receives the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal 42 and passed through the analyzer 43, and detects the intensity distribution of the received probe light pulse. The polarizer 33, the analyzer 43, and the photodetector 44 detect a one-dimensional distribution or a two-dimensional distribution of the polarization state change in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal.
図2は、パルス面傾斜部32の一構成例を示す図である。この図に示されるパルス面傾斜部32は、プリズムを含み、プリズムの第1面にプローブ光パルスを入力し、その入力したプローブ光パルスをプリズムの内部で伝播させた後に、プリズムの第2面から外部へ出力する。これにより、プリズムの第1面に入力される前のプローブ光パルスのパルス面が主光線に垂直であったのに対して、プリズムの第2面から出力された後のプローブ光パルスのパルス面は、主光線に垂直な面に対して傾斜することになる。なお、プリズムに替えて、例えば、グリズム,反射型回折格子,透過型回折格子または空間光変調器を用いても、プローブ光パルスのパルス面を傾斜させることができる。 FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the configuration of the pulse surface inclined portion 32. The pulse surface inclined portion 32 shown in this figure includes a prism, and after the probe light pulse is input to the first surface of the prism and the input probe light pulse is propagated inside the prism, the second surface of the prism is To the outside. Thereby, the pulse surface of the probe light pulse before being input to the first surface of the prism was perpendicular to the principal ray, whereas the pulse surface of the probe light pulse after being output from the second surface of the prism Is inclined with respect to a plane perpendicular to the principal ray. Note that the pulse surface of the probe light pulse can be inclined by using, for example, a grism, a reflection diffraction grating, a transmission diffraction grating, or a spatial light modulator instead of the prism.
パルス面傾斜部32によるパルス面の時間的な傾斜の程度は、パルステラヘルツ波を検出する際の測定時間範囲となる。したがって、パルステラヘルツ波の時間幅がおよそ数ピコ秒であることから、プローブ光パルスのパルス面は時間的に数ピコ秒以上の傾斜をもたせるのが好ましい。 The degree of temporal inclination of the pulse surface by the pulse surface inclined part 32 is a measurement time range when detecting a pulse terahertz wave. Therefore, since the time width of the pulse terahertz wave is about several picoseconds, it is preferable that the pulse surface of the probe light pulse has a slope of several picoseconds or more in time.
図3は、非線形光学結晶42におけるテラヘルツ波およびプローブ光パルスの伝播の様子を示す図である。この図に示されるように、テラヘルツ波のパルス幅はピコ秒程度であるのに対して、プローブ光パルスのパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波と比べてプローブ光パルスのパルス幅は数桁狭く、しかも、テラヘルツ波のパルス面に対してプローブ光パルスのパルス面が傾斜している。 FIG. 3 is a diagram illustrating the propagation state of the terahertz wave and the probe light pulse in the nonlinear optical crystal 42. As shown in this figure, the pulse width of the terahertz wave is about picoseconds, whereas the pulse width of the probe light pulse is about femtoseconds, and the pulse width of the probe light pulse is several times that of the terahertz wave. The pulse plane of the probe light pulse is inclined with respect to the pulse plane of the terahertz wave.
この比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置101は以下のように動作する。光源11から出力された光パルスは、ビーム径調整部12によりビーム径が拡大された後に分岐部13に入力され、分岐部13により2分岐されてポンプ光パルスおよびプローブ光パルスとされる。分岐部13から出力されたポンプ光パルスは、ミラーM1〜M3により順次に反射されて、テラヘルツ波発生部21に入力される。テラヘルツ波発生部21では、ポンプ光パルスの入力に応じてテラヘルツ波が発生し出力される。テラヘルツ波発生部21から出力されたテラヘルツ波は、測定対象部9を透過して合波部41に入力される。一方、分岐部13から出力されたプローブ光パルスは、ミラーM4〜M8により順次に反射され、パルス面傾斜部32によりパルス面が傾斜され、偏光子33により直線偏光とされ、合波部41に入力される。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101 of this comparative example operates as follows. The light pulse output from the light source 11 is input to the branching unit 13 after the beam diameter is expanded by the beam diameter adjusting unit 12, and is branched into two by the branching unit 13 to be a pump light pulse and a probe light pulse. The pump light pulses output from the branch unit 13 are sequentially reflected by the mirrors M <b> 1 to M <b> 3 and input to the terahertz wave generation unit 21. The terahertz wave generation unit 21 generates and outputs a terahertz wave in response to the input of the pump light pulse. The terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 passes through the measurement target unit 9 and is input to the multiplexing unit 41. On the other hand, the probe light pulses output from the branching unit 13 are sequentially reflected by the mirrors M4 to M8, the pulse surface is inclined by the pulse surface inclined unit 32, and is linearly polarized by the polarizer 33. Entered.
合波部41に入力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスは、合波部41により互いに同軸となるように合波されて、略同一タイミングで非線形光学結晶42に入力される。テラヘルツ波およびプローブ光パルスが入力された非線形光学結晶42では、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態が変化する。そして、この非線形光学結晶42におけるプローブ光パルスの偏光状態は、プローブ光パルス光学系の光路上に設けられた偏光子33、非線形光学結晶42の出力側に設けられた検光子43、および、この検光子43を透過したプローブ光パルスの強度を検出する光検出器44により、光強度として検出される。このようにして、非線形光学結晶42におけるプローブ光パルスの偏光状態の変化が検出され、ひいては、テラヘルツ波の電場振幅が検出されて、測定対象物9の特性が得られる。 The terahertz wave and the probe light pulse input to the combining unit 41 are combined so as to be coaxial with each other by the combining unit 41 and input to the nonlinear optical crystal 42 at substantially the same timing. In the nonlinear optical crystal 42 to which the terahertz wave and the probe light pulse are input, birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light pulse changes due to the birefringence. The polarization state of the probe light pulse in the nonlinear optical crystal 42 includes a polarizer 33 provided on the optical path of the probe light pulse optical system, an analyzer 43 provided on the output side of the nonlinear optical crystal 42, and this The light intensity is detected by a light detector 44 that detects the intensity of the probe light pulse transmitted through the analyzer 43. In this way, a change in the polarization state of the probe light pulse in the nonlinear optical crystal 42 is detected, and consequently, the electric field amplitude of the terahertz wave is detected, and the characteristics of the measurement object 9 are obtained.
この比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置101では、テラヘルツ波発生部21から出力されたパルステラヘルツ波は、通常、センチメートルからミリメートルのビーム径を持っている。これを検出するプローブ光パルスも同程度のビーム径とする。プローブ光パルスのパルス面がパルステラヘルツ波の時間幅と同程度の傾斜を持っていた場合、図3に示されるように、プローブ光パルスはパルステラヘルツ波と空間的に斜めに重なる。すなわち、プローブ光パルスおよびパルステラヘルツ波の伝播方向(つまり、時間方向)ではパルス面の傾斜によりプローブ光パルスはパルステラヘルツ波の全ての点で重なっているが、伝播方向に対して垂直方向ではビーム径の範囲で位置が異なっている。このことから、1次元または2次元の光強度分布を検出できる光検出器44を用いることにより、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化(時間情報)をプローブ光パルスのビーム断面での光強度分布(空間情報)に置き換え、この空間情報を検出することができる。 In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101 of this comparative example, the pulsed terahertz wave output from the terahertz wave generating unit 21 usually has a beam diameter of centimeter to millimeter. The probe light pulse for detecting this also has the same beam diameter. When the pulse surface of the probe light pulse has an inclination similar to the time width of the pulse terahertz wave, the probe light pulse overlaps the pulse terahertz wave in a spatially oblique manner as shown in FIG. That is, in the propagation direction of the probe light pulse and the pulse terahertz wave (that is, in the time direction), the probe light pulse overlaps at all points of the pulse terahertz wave due to the inclination of the pulse surface, but the beam is perpendicular to the propagation direction. The position is different in the diameter range. From this, by using the photodetector 44 capable of detecting a one-dimensional or two-dimensional light intensity distribution, the time change (time information) of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave is converted into the light intensity distribution in the beam cross section of the probe light pulse. It is possible to detect this spatial information by replacing it with (spatial information).
このように、比較例の単発テラヘルツ波時間波形計測装置101は、時間情報を空間情報に変換し、その空間情報を光検出器44により検出して、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間変化(時間情報)を測定することができる。 As described above, the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101 of the comparative example converts time information into spatial information, detects the spatial information with the photodetector 44, and changes the time variation (time of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave). Information) can be measured.
この単発テラヘルツ波時間波形計測装置101では、パルステラヘルツ波の電場振幅の時間波形の測定時間範囲を広くするには、プローブ光パルスのビーム径を大きくするとともに、大きな非線形光学結晶42を用いることが必要である。しかしながら、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、非線形光学結晶42における単位面積当りのプローブ光パルスの強度が低下して、テラヘルツ波の検出感度が低下する。また、プローブ光パルスのビーム径を大きくすると、それに合わせて大きな非線形光学結晶42を用いる必要がある。非線形光学結晶42の結晶性がよいものは、入手が困難であり且つ高価である。特に、大きく且つ結晶性がよい非線形光学結晶42は、尚更、入手が困難であり且つ高価である。また、大きな非線形光学結晶42を用いると、結晶性の悪さに起因してテラヘルツ波の検出感度にバラツキが生じ、光検出器により得られる結果が歪んでしまう。以下に説明する実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置は、このような問題点を解消し得るものである。 In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 101, in order to widen the measurement time range of the time waveform of the electric field amplitude of the pulse terahertz wave, it is necessary to increase the beam diameter of the probe light pulse and use a large nonlinear optical crystal 42. is necessary. However, when the beam diameter of the probe light pulse is increased, the intensity of the probe light pulse per unit area in the nonlinear optical crystal 42 is lowered, and the terahertz wave detection sensitivity is lowered. Further, when the beam diameter of the probe light pulse is increased, it is necessary to use a large non-linear optical crystal 42 correspondingly. Those having good crystallinity of the nonlinear optical crystal 42 are difficult to obtain and expensive. In particular, the nonlinear optical crystal 42 that is large and has good crystallinity is still difficult to obtain and expensive. Further, when the large nonlinear optical crystal 42 is used, the detection sensitivity of the terahertz wave varies due to poor crystallinity, and the result obtained by the photodetector is distorted. The single-shot terahertz wave time waveform measuring apparatus according to the embodiment described below can solve such problems.
(第1実施形態) (First embodiment)
図4は、第1実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置1の要部構成図である。この図では、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 4 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 1 according to the first embodiment. In this figure, the optical system after the terahertz wave generation unit 21 is shown for the terahertz wave, and the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown for the probe light pulse.
第1実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置1では、プローブ光パルスとテラヘルツ波とを合波する合波部が設けられていない。プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、非線形光学結晶42に対して互いに異なる面に入射する。 In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 1 according to the first embodiment, a multiplexing unit that combines the probe light pulse and the terahertz wave is not provided. The probe light pulse and the terahertz wave are incident on different surfaces with respect to the nonlinear optical crystal 42.
単発テラヘルツ波時間波形計測装置1は、パルス面傾斜部32と非線形光学結晶42との間のプローブ光パルスの光路上に、プローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系34を備えている。ビーム径調整光学系34は、レンズ34Aおよびレンズ34Bを含む。前段のレンズ34Aの後側焦点位置と後段のレンズ34Bの前側焦点位置とは互いに一致している。前段のレンズ34Aの焦点距離より後段のレンズ34Bの焦点距離を短くすることで、ビーム径調整光学系34に入力されるプローブ光パルスのビーム径より、ビーム径調整光学系34から出力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることができる。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 1 includes a beam diameter adjusting optical system 34 that adjusts the beam diameter of the probe light pulse on the optical path of the probe light pulse between the pulse surface inclined portion 32 and the nonlinear optical crystal 42. Yes. The beam diameter adjusting optical system 34 includes a lens 34A and a lens 34B. The rear focal position of the front lens 34A and the front focal position of the rear lens 34B coincide with each other. The probe output from the beam diameter adjusting optical system 34 is made smaller than the beam diameter of the probe light pulse input to the beam diameter adjusting optical system 34 by shortening the focal length of the subsequent lens 34B from the focal length of the front lens 34A. The beam diameter of the light pulse can be reduced.
図5は、ビーム径調整光学系34によるプローブ光パルスのパルス面の傾斜の変化を説明する図である。この図に示されるように、パルス面傾斜部32に入力されるプローブ光パルスのパルス面S1は光軸に垂直であるが、パルス面傾斜部32から出力されるプローブ光パルスのパルス面S2は光軸に垂直な面に対して傾斜する。ビーム径調整光学系34の入力光のビーム径に対して出力光のビーム径が変化すると、ビーム径調整光学系34に入力されるプローブ光パルスのパルス面S2の傾斜角度に対して、ビーム径調整光学系34から出力されるプローブ光パルスのパルス面S3の傾斜角度も変化するが、時間方向は変化しない。ビーム径調整光学系34から出力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲T2は、ビーム径調整光学系34に入力されるプローブ光パルスによる測定時間範囲T1と変わらない。すなわち、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波の測定時間範囲は、プローブ光パルス光学系におけるビーム径調整光学系34の有無によっては変わらない。 FIG. 5 is a diagram for explaining a change in the inclination of the pulse surface of the probe light pulse by the beam diameter adjusting optical system 34. As shown in this figure, the pulse surface S1 of the probe light pulse input to the pulse surface inclined portion 32 is perpendicular to the optical axis, but the pulse surface S2 of the probe light pulse output from the pulse surface inclined portion 32 is Inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis. When the beam diameter of the output light changes with respect to the beam diameter of the input light of the beam diameter adjusting optical system 34, the beam diameter with respect to the tilt angle of the pulse surface S2 of the probe light pulse input to the beam diameter adjusting optical system 34. The tilt angle of the pulse surface S3 of the probe light pulse output from the adjustment optical system 34 also changes, but the time direction does not change. The measurement time range T2 by the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 34 is not different from the measurement time range T1 by the probe light pulse input to the beam diameter adjusting optical system 34. That is, the terahertz wave measurement time range in the single terahertz wave time waveform measurement does not change depending on the presence or absence of the beam diameter adjusting optical system 34 in the probe light pulse optical system.
したがって、図4に示される構成の単発テラヘルツ波時間波形計測装置1は、ビーム径調整光学系34を備えて、テラヘルツ波検出用の非線形光学結晶42に入力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることにより、テラヘルツ波の測定時間範囲を保ったまま、より小さな非線形光学結晶42を用いることができる。小さな非線形光学結晶42を用いることで、結晶性の悪さに起因するテラヘルツ波検出感度のバラつきによる単発テラヘルツ波時間波形計測における計測誤差を抑制することができる。また、小さな非線形光学結晶42を用いることで、単発テラヘルツ波時間波形計測を用いた装置を小型かつ安価にすることができる。 Therefore, the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 1 having the configuration shown in FIG. 4 includes the beam diameter adjusting optical system 34 and reduces the beam diameter of the probe light pulse input to the nonlinear optical crystal 42 for detecting the terahertz wave. By doing so, a smaller nonlinear optical crystal 42 can be used while maintaining the measurement time range of the terahertz wave. By using the small non-linear optical crystal 42, it is possible to suppress measurement errors in single terahertz wave time waveform measurement due to variations in terahertz wave detection sensitivity due to poor crystallinity. In addition, by using the small nonlinear optical crystal 42, the apparatus using the single terahertz wave time waveform measurement can be made small and inexpensive.
ビーム径調整光学系34は、レンズ対により構成されてもよいし、曲面ミラー対により構成されてもよい。偏光子33は、パルス面傾斜部32の前段に設けられてもよいし、パルス面傾斜部32の後段に設けられてもよい。また、プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、非線形光学結晶42の共通の面に非同軸で入射してもよい。 The beam diameter adjusting optical system 34 may be constituted by a lens pair or a curved mirror pair. The polarizer 33 may be provided in the previous stage of the pulse surface inclined part 32 or may be provided in the subsequent stage of the pulse surface inclined part 32. Further, the probe light pulse and the terahertz wave may be incident on the common surface of the nonlinear optical crystal 42 non-coaxially.
ビーム径調整光学系34は、パルス面傾斜部32と非線形光学結晶42との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径調整光学系34は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば4f光学系となっているのが好ましい。 The beam diameter adjusting optical system 34 preferably has an imaging relationship between the pulse surface inclined portion 32 and the nonlinear optical crystal 42. The beam diameter adjusting optical system 34 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is preferable.
また、ビーム径調整光学系34は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、テラヘルツ波のビーム径に合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。 Further, the beam diameter adjusting optical system 34 is a zoom lens type optical system capable of arbitrarily changing the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. Is preferred. By doing in this way, the optimal beam diameter of the probe light pulse can be set according to the beam diameter of the terahertz wave.
例えば、テラヘルツ波がガウシアン型である場合のように、テラヘルツ波がビーム面内に強度分布を有する状態で非線形光学結晶42に達した場合、テラヘルツ波のビーム径よりプローブ光パルスのビーム径を小さくすることで、テラヘルツ波強度が強い中心部分のみをプローブ光パルスにより検出することができ、感度が高く且つ定量性が高い単発テラヘルツ波時間波形計測が可能となる。 For example, when the terahertz wave reaches the nonlinear optical crystal 42 with the intensity distribution in the beam plane as in the case where the terahertz wave is a Gaussian type, the beam diameter of the probe light pulse is smaller than the beam diameter of the terahertz wave. As a result, only the central portion where the terahertz wave intensity is strong can be detected by the probe light pulse, and single terahertz wave time waveform measurement with high sensitivity and high quantitativeness becomes possible.
(第2実施形態) (Second Embodiment)
図6は、第2実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置2の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 6 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 according to the second embodiment. Also in this figure, the optical system after the terahertz wave generation unit 21 is shown for the terahertz wave, and the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown for the probe light pulse.
第2実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置2では、プローブ光パルスとテラヘルツ波とを互いに同軸となるように合波する合波部41が設けられている。プローブ光パルスおよびテラヘルツ波は、互いに同軸となって非線形光学結晶42に入射する。 In the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 of the second embodiment, a multiplexing unit 41 that multiplexes the probe light pulse and the terahertz wave so as to be coaxial with each other is provided. The probe light pulse and the terahertz wave are coaxial with each other and enter the nonlinear optical crystal 42.
単発テラヘルツ波時間波形計測装置2は、パルス面傾斜部32と合波部41との間のプローブ光パルスの光路上に、プローブ光パルスのビーム径を調整するビーム径調整光学系34を備えている。 The single-shot terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 includes a beam diameter adjusting optical system 34 that adjusts the beam diameter of the probe light pulse on the optical path of the probe light pulse between the pulse surface tilting section 32 and the combining section 41. Yes.
第2実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置2は、第1実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置1と略同様に動作し同様の効果を奏することができる。第2実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置2においても、ビーム径調整光学系34は、パルス面傾斜部32と非線形光学結晶42との間に結像関係を有するのが好ましい。ビーム径調整光学系34は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましい。また、ビーム径調整光学系34は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 of the second embodiment operates in substantially the same manner as the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 1 of the first embodiment, and can provide the same effects. Also in the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 of the second embodiment, it is preferable that the beam diameter adjusting optical system 34 has an imaging relationship between the pulse surface inclined portion 32 and the nonlinear optical crystal 42. The beam diameter adjusting optical system 34 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion. Further, the beam diameter adjusting optical system 34 is a zoom lens type optical system capable of arbitrarily changing the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. Is preferred.
(第3実施形態) (Third embodiment)
図7は、第3実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置3の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 7 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 3 according to the third embodiment. Also in this figure, the optical system after the terahertz wave generation unit 21 is shown for the terahertz wave, and the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown for the probe light pulse.
この図7に示される第3実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置3は、図6に示された第2実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置2の構成に加えて、プローブ光パルスビーム径変更光学系45を更に備える。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 3 according to the third embodiment shown in FIG. 7 includes a probe light pulse beam in addition to the configuration of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 2 according to the second embodiment shown in FIG. A diameter changing optical system 45 is further provided.
プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、非線形光学結晶42と光検出器44との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、そのプローブ光パルスのビーム径を変更(拡大または縮小)する。プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、レンズ45Aおよびレンズ45Bを含む。前段のレンズ45Aの後側焦点位置と後段のレンズ45Bの前側焦点位置とは互いに一致している。プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、前段のレンズ45Aの焦点距離と後段のレンズ45Bの焦点距離との比に応じて、プローブ光パルスのビーム径を変更することができる。 The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is provided on the optical path of the probe light pulse between the nonlinear optical crystal 42 and the photodetector 44, and changes (enlarges or reduces) the beam diameter of the probe light pulse. The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 includes a lens 45A and a lens 45B. The rear focal position of the front lens 45A and the front focal position of the rear lens 45B coincide with each other. The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 can change the beam diameter of the probe light pulse according to the ratio of the focal length of the front lens 45A and the focal length of the rear lens 45B.
光検出器44の画素数は、計測するテラヘルツ波時間波形の時間分解能に対応する。光検出器により画素数や画素ピッチが異なるので、プローブ光パルスビーム径変更光学系45を設けることにより、所望の時間分解能で計測することができる。プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、プローブ光パルスのビーム断面における垂直方向と水平方向とで独立したビーム径変更であってもよい。検光子43は、プローブ光パルスビーム径変更光学系45の前段に設けられてもよいし、プローブ光パルスビーム径変更光学系45の後段に設けられてもよい。 The number of pixels of the photodetector 44 corresponds to the time resolution of the terahertz wave time waveform to be measured. Since the number of pixels and the pixel pitch differ depending on the photodetector, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 can be provided to perform measurement with a desired time resolution. The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 may be an independent beam diameter change in the vertical and horizontal directions in the beam cross section of the probe light pulse. The analyzer 43 may be provided before the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 or may be provided after the probe light pulse beam diameter changing optical system 45.
プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、非線形光学結晶42と光検出器44との間に結像関係を有するのが好ましい。プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば4f光学系となっているのが好ましい。 The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 preferably has an imaging relationship between the nonlinear optical crystal 42 and the photodetector 44. The probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is preferable. .
また、プローブ光パルスビーム径変更光学系45は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、光検出器44の受光面のサイズに合わせて、最適なプローブ光パルスのビーム径を設定することができる。 Further, the probe light pulse beam diameter changing optical system 45 is a zoom lens type optical system that can arbitrarily change the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. It is preferable. By doing so, the optimum beam diameter of the probe light pulse can be set in accordance with the size of the light receiving surface of the photodetector 44.
(第4実施形態) (Fourth embodiment)
図8は、第4実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置4の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 8 is a configuration diagram of a main part of the single terahertz wave time waveform measuring device 4 according to the fourth embodiment. Also in this figure, the optical system after the terahertz wave generation unit 21 is shown for the terahertz wave, and the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown for the probe light pulse.
この図8に示される第4実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置4は、図7に示された第3実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置3の構成に加えて、テラヘルツ波ビーム径変更光学系22を更に備える。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 4 of the fourth embodiment shown in FIG. 8 has a terahertz wave beam diameter in addition to the configuration of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 3 of the third embodiment shown in FIG. A change optical system 22 is further provided.
テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、測定対象物9と合波部41との間のテラヘルツ波の光路上に設けられ、テラヘルツ波発生部21から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更する。テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、レンズ22Aおよびレンズ22Bを含む。前段のレンズ22Aの後側焦点位置と後段のレンズ22Bの前側焦点位置とは互いに一致している。テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、前段のレンズ22Aの焦点距離と後段のレンズ22Bの焦点距離との比に応じて、テラヘルツ波のビーム径を変更することができる。 The terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is provided on the optical path of the terahertz wave between the measuring object 9 and the multiplexing unit 41 and changes the beam diameter of the terahertz wave output from the terahertz wave generating unit 21. The terahertz wave beam diameter changing optical system 22 includes a lens 22A and a lens 22B. The rear focal position of the front lens 22A and the front focal position of the rear lens 22B coincide with each other. The terahertz wave beam diameter changing optical system 22 can change the beam diameter of the terahertz wave according to the ratio of the focal length of the front lens 22A and the focal length of the rear lens 22B.
テラヘルツ波ビーム径変更光学系22によりテラヘルツ波のビーム径を縮小すると、非線形光学結晶42上におけるテラヘルツ波の強度が高くなり、検出される信号の強度が増大する。逆に、テラヘルツ波ビーム径変更光学系22によりテラヘルツ波のビーム径を拡大すると、非線形光学結晶42上におけるテラヘルツ波ビーム中の中心部分のみを検出することになり、テラヘルツ波のビーム面内の強度分布の影響を除くことができる。テラヘルツ波ビーム径変更光学系22を縮小光学系とするか拡大光学系とするかは、用途によって決定される。 When the beam diameter of the terahertz wave is reduced by the terahertz wave beam diameter changing optical system 22, the intensity of the terahertz wave on the nonlinear optical crystal 42 is increased and the intensity of the detected signal is increased. Conversely, when the beam diameter of the terahertz wave is enlarged by the terahertz wave beam diameter changing optical system 22, only the center portion in the terahertz wave beam on the nonlinear optical crystal 42 is detected, and the intensity of the terahertz wave in the beam plane is detected. Distribution effects can be eliminated. Whether the terahertz beam diameter changing optical system 22 is a reduction optical system or an expansion optical system is determined by the application.
テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、測定対象物9と非線形光学結晶42との間に結像関係を有するのが好ましい。テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、像面歪曲等の収差に因る像の歪みを取り去る光学系となっているのが更に好ましく、その為に例えば4f光学系となっているのが好ましい。 The terahertz wave beam diameter changing optical system 22 preferably has an imaging relationship between the measurement object 9 and the nonlinear optical crystal 42. The terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is more preferably an optical system that removes image distortion caused by aberrations such as image plane distortion, and for this purpose, for example, a 4f optical system is preferable.
また、テラヘルツ波ビーム径変更光学系22は、上記結像関係における物面と像面との位置関係を保ったまま拡大率・縮小率を任意に変えることができるズームレンズ型光学系となっているのが好ましい。このようにすることで、プローブ光パルスのビーム径に合わせて最適なテラヘルツ波のビーム径を設定することができる。 Further, the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 is a zoom lens type optical system that can arbitrarily change the enlargement / reduction ratio while maintaining the positional relationship between the object plane and the image plane in the imaging relation. It is preferable. By doing so, the optimum beam diameter of the terahertz wave can be set in accordance with the beam diameter of the probe light pulse.
(第5実施形態) (Fifth embodiment)
図9は、第5実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置5の要部構成図である。この図でも、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 9 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 5 of the fifth embodiment. Also in this figure, the optical system after the terahertz wave generation unit 21 is shown for the terahertz wave, and the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown for the probe light pulse.
この図9に示される第5実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置5は、図7に示された第3実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置3の構成においてビーム径調整光学系34に替えてビーム径調整光学系46を備える。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 5 of the fifth embodiment shown in FIG. 9 is added to the beam diameter adjusting optical system 34 in the configuration of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 3 of the third embodiment shown in FIG. Instead, a beam diameter adjusting optical system 46 is provided.
ビーム径調整光学系46は、合波部41と非線形光学結晶42との間のプローブ光パルスの光路上に設けられていて、合波部41から互いに同軸とされて出力されたプローブ光パルスおよびテラヘルツ波それぞれのビーム径を調整する。ビーム径調整光学系46は、レンズ46Aおよびレンズ46Bを含む。前段のレンズ46Aの後側焦点位置と後段のレンズ46Bの前側焦点位置とは互いに一致している。前段のレンズ46Aの焦点距離より後段のレンズ46Bの焦点距離を短くすることで、ビーム径調整光学系46に入力されるプローブ光パルスのビーム径より、ビーム径調整光学系46から出力されるプローブ光パルスのビーム径を小さくすることができ、また、ビーム径調整光学系46に入力されるテラヘルツ波のビーム径より、ビーム径調整光学系46から出力されるテラヘルツ波のビーム径を小さくすることができる。 The beam diameter adjusting optical system 46 is provided on the optical path of the probe light pulse between the multiplexing unit 41 and the nonlinear optical crystal 42, and the probe light pulse output from the multiplexing unit 41 coaxially with each other. Adjust the beam diameter of each terahertz wave. The beam diameter adjusting optical system 46 includes a lens 46A and a lens 46B. The rear focal position of the front lens 46A and the front focal position of the rear lens 46B coincide with each other. The probe output from the beam diameter adjusting optical system 46 is made smaller than the beam diameter of the probe light pulse input to the beam diameter adjusting optical system 46 by shortening the focal length of the latter lens 46B from the focal length of the preceding lens 46A. The beam diameter of the optical pulse can be reduced, and the beam diameter of the terahertz wave output from the beam diameter adjusting optical system 46 can be made smaller than the beam diameter of the terahertz wave input to the beam diameter adjusting optical system 46. Can do.
ビーム径調整光学系46は、第4実施形態におけるビーム径調整光学系34とテラヘルツ波ビーム径変更光学系22とを兼ねたものに相当する。ビーム径調整光学系46を構成するレンズ46Aおよびレンズ46Bそれぞれは、テラヘルツ波およびプローブ光パルスの双方に対して透明であって、また、双方に対して略同等の屈折率を有する材質からなるのが好ましい。 The beam diameter adjusting optical system 46 corresponds to a combination of the beam diameter adjusting optical system 34 and the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 in the fourth embodiment. Each of the lens 46A and the lens 46B constituting the beam diameter adjusting optical system 46 is transparent to both the terahertz wave and the probe light pulse, and is made of a material having a refractive index substantially equal to both. Is preferred.
(第6実施形態) (Sixth embodiment)
図10は、第6実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置6の要部構成図である。この図では、テラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部21の前段部分より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 10 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 6 according to the sixth embodiment. In this figure, for the terahertz wave, the optical system after the preceding stage of the terahertz wave generation unit 21 is shown, and for the probe light pulse, the optical system after the pulse plane inclined unit 32 is shown.
この図10に示される第6実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置6は、図7に示された第3実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置3の構成に加えて、ポンプ光パルスビーム径変更光学系23を備える。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 6 of the sixth embodiment shown in FIG. 10 includes a pump light pulse beam in addition to the configuration of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 3 of the third embodiment shown in FIG. A diameter changing optical system 23 is provided.
ポンプ光パルスビーム径変更光学系23は、分岐部13とテラヘルツ波発生部21との間のポンプ光パルス光学系の途中に設けられ、テラヘルツ波発生部21に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更する。ポンプ光パルスビーム径変更光学系23は、レンズ23Aおよびレンズ23Bを含む。前段のレンズ23Aの後側焦点位置と後段のレンズ23Bの前側焦点位置とは互いに一致している。 The pump light pulse beam diameter changing optical system 23 is provided in the middle of the pump light pulse optical system between the branching unit 13 and the terahertz wave generating unit 21, and the beam diameter of the pump light pulse input to the terahertz wave generating unit 21. To change. The pump light pulse beam diameter changing optical system 23 includes a lens 23A and a lens 23B. The rear focal position of the front lens 23A and the front focal position of the rear lens 23B coincide with each other.
ポンプ光パルスビーム径変更光学系23は、前段のレンズ23Aの焦点距離と後段のレンズ23Bの焦点距離との比に応じて、ポンプ光パルスのビーム径を変更することができる。そして、テラヘルツ波発生部21に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更することにより、テラヘルツ波発生部21から出力されるテラヘルツ波のビーム径を変更することができる。 The pump light pulse beam diameter changing optical system 23 can change the beam diameter of the pump light pulse in accordance with the ratio of the focal length of the front lens 23A and the focal length of the rear lens 23B. The beam diameter of the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit 21 can be changed by changing the beam diameter of the pump light pulse input to the terahertz wave generation unit 21.
ポンプ光パルスビーム径変更光学系23による像面はテラヘルツ波発生部21に位置するのが好ましい。ポンプ光パルスビーム径変更光学系23は、第4実施形態におけるテラヘルツ波ビーム径変更光学系22と共に用いられてもよい。 The image plane formed by the pump light pulse beam diameter changing optical system 23 is preferably located at the terahertz wave generation unit 21. The pump light pulse beam diameter changing optical system 23 may be used together with the terahertz wave beam diameter changing optical system 22 in the fourth embodiment.
(第7実施形態) (Seventh embodiment)
図11は、第7実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置7の要部構成図である。この図では、ポンプ光パルスおよびテラヘルツ波についてはテラヘルツ波発生部としての測定対象物9の前段部分より以降の光学系が示され、また、プローブ光パルスについてはパルス面傾斜部32より以降の光学系が示されている。 FIG. 11 is a main part configuration diagram of the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 7 of the seventh embodiment. In this figure, the optical system after the front part of the measuring object 9 as the terahertz wave generating unit is shown for the pump light pulse and the terahertz wave, and the optical system after the pulse surface tilting part 32 is shown for the probe light pulse. The system is shown.
この図11に示される第7実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置7は、図8に示された第4実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置4の構成において測定対象物9がテラヘルツ波発生部21を兼ねることとし、また、レンズ24,ITO膜付き光学板25および対物レンズ26を備える。 The single terahertz wave time waveform measuring apparatus 7 according to the seventh embodiment shown in FIG. 11 is the same as the single terahertz wave time waveform measuring apparatus 4 according to the fourth embodiment shown in FIG. It also serves as the generating unit 21 and includes a lens 24, an optical plate 25 with an ITO film, and an objective lens 26.
ポンプ光パルス光学系に設けられたレンズ24,ITO膜付き光学板25および対物レンズ26は、測定対象物9に対してポンプ光パルスを集光照射するポンプ光パルス照射部を構成する。その測定対象物9における当該集光照射位置は2次元走査される。集光照射位置の走査は、測定対象物9を走査することにより行われてもよいし、レンズ24に入射されるポンプ光パルスの主光線を走査することにより行われてもよい。 The lens 24, the ITO film-coated optical plate 25, and the objective lens 26 provided in the pump light pulse optical system constitute a pump light pulse irradiation unit that collects and irradiates the pump light pulse to the measurement object 9. The focused irradiation position on the measurement object 9 is two-dimensionally scanned. The condensing irradiation position may be scanned by scanning the measurement object 9 or by scanning the principal ray of the pump light pulse incident on the lens 24.
測定対象物9は、例えば半導体デバイスであって、ポンプ光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。そのテラヘルツ波は、対物レンズ26,ITO膜付き光学板25およびテラヘルツ波ビーム径変更光学系22を経て合波部41に入力される。 The measurement object 9 is a semiconductor device, for example, and generates a terahertz wave when irradiated with a pump light pulse. The terahertz wave is input to the multiplexing unit 41 through the objective lens 26, the optical plate 25 with the ITO film, and the terahertz wave beam diameter changing optical system 22.
合波部41は、ポンプ光パルスが測定対象物9に集光照射されることにより測定対象物9で発生したテラヘルツ波と、ビーム径調整光学系34から出力されたプローブ光パルスとを入力し、これらを互いに同軸となるように合波して非線形光学結晶42へ出力する。 The multiplexing unit 41 inputs the terahertz wave generated in the measurement target 9 by the pump light pulse being focused and irradiated on the measurement target 9 and the probe light pulse output from the beam diameter adjusting optical system 34. These are combined so as to be coaxial with each other and output to the nonlinear optical crystal 42.
非線形光学結晶42は、合波部41から出力されたテラヘルツ波およびプローブ光パルスを入力し、テラヘルツ波の伝搬に伴い複屈折が誘起され、その複屈折によりプローブ光パルスの偏光状態を変化させて、そのプローブ光パルスを検光子43へ出力する。 The nonlinear optical crystal 42 receives the terahertz wave and the probe light pulse output from the multiplexing unit 41, and birefringence is induced as the terahertz wave propagates, and the polarization state of the probe light pulse is changed by the birefringence. The probe light pulse is output to the analyzer 43.
光検出器44は、非線形光学結晶42から出力され検光子43およびプローブ光パルスビーム径変更光学系45を通過したプローブ光パルスを受光して、その受光したプローブ光パルスの強度分布を検出する。偏光子33,検光子43および光検出器44は、測定対象物9へのポンプ光パルスの各集光照射位置について、非線形光学結晶42から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の1次元分布または2次元分布を検出する。 The photodetector 44 receives the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal 42 and passed through the analyzer 43 and the probe light pulse beam diameter changing optical system 45, and detects the intensity distribution of the received probe light pulse. The polarizer 33, the analyzer 43, and the photodetector 44 change the polarization state in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal 42 at each focused irradiation position of the pump light pulse to the measurement object 9. A one-dimensional distribution or a two-dimensional distribution is detected.
この第7実施形態の単発テラヘルツ波時間波形計測装置7は、いわゆるレーザテラヘルツエミッション顕微鏡(LaserTerahertz Emission Microscopy: LTEM)を構成している。LTEMは、例えば半導体デバイスである測定対象物の電界分布を非接触で測定することができる。 The single-shot terahertz wave time waveform measuring apparatus 7 of the seventh embodiment constitutes a so-called laser terahertz emission microscope (LTEM). LTEM can measure the electric field distribution of an object to be measured, which is a semiconductor device, for example, in a non-contact manner.
本発明をLTEMに適用することができる。これにより、単発テラヘルツ波時間波形計測におけるテラヘルツ波時間波形の歪みを抑制することができ、精度が高いLTEMシステムを構築することができる。 The present invention can be applied to LTEM. Thereby, the distortion of the terahertz wave time waveform in the single terahertz wave time waveform measurement can be suppressed, and a highly accurate LTEM system can be constructed.
1〜7…単発テラヘルツ波時間波形計測装置、9…測定対象物、11…光源、12…ビーム径調整部、13…分岐部、21…テラヘルツ波発生部、22…テラヘルツ波ビーム径変更光学系、23…ポンプ光パルスビーム径変更光学系、31…光路長差調整部、32…パルス面傾斜部、33…偏光子、34…ビーム径調整光学系、41…合波部、42…非線形光学結晶、43…検光子、44…光検出器、45…プローブ光パルスビーム径変更光学系、46…ビーム径調整光学系、M1〜M8…ミラー。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-7 ... Single terahertz wave time waveform measuring device, 9 ... Measuring object, 11 ... Light source, 12 ... Beam diameter adjustment part, 13 ... Branch part, 21 ... Terahertz wave generation part, 22 ... Terahertz wave beam diameter change optical system , 23 ... Pump light pulse beam diameter changing optical system, 31 ... Optical path length difference adjusting section, 32 ... Pulse surface tilting section, 33 ... Polarizer, 34 ... Beam diameter adjusting optical system, 41 ... Multiplexing section, 42 ... Nonlinear optics Crystal, 43 ... Analyzer, 44 ... Photodetector, 45 ... Probe light pulse beam diameter changing optical system, 46 ... Beam diameter adjusting optical system, M1-M8 ... Mirror.
Claims (12)
プローブ光パルスのパルス面を傾斜させて、前記非線形光学結晶に入力される際のテラヘルツ波およびプローブ光パルスそれぞれのパルス面を互いに非平行とするパルス面傾斜部と、
前記パルス面傾斜部と前記非線形光学結晶との間のプローブ光パルスの光路上に設けられ、前記パルス面傾斜部によってパルス面を傾斜されたプローブ光パルスのビーム径を縮小するビーム径調整光学系と、
前記非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏光状態変化の分布を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とする単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 A nonlinear optical crystal that inputs a terahertz wave and a probe light pulse, induces birefringence as the terahertz wave propagates, changes the polarization state of the probe light pulse by the birefringence, and outputs the probe light pulse;
Inclining the pulse surface of the probe light pulse, a pulse surface inclined portion that makes the pulse surfaces of the terahertz wave and the probe light pulse non-parallel to each other when input to the nonlinear optical crystal,
A beam diameter adjusting optical system which is provided on the optical path of the probe light pulse between the pulse surface inclined portion and the nonlinear optical crystal and reduces the beam diameter of the probe light pulse whose pulse surface is inclined by the pulse surface inclined portion. When,
A photodetector for detecting the distribution of polarization state changes in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal;
A single terahertz wave time waveform measuring apparatus comprising:
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
学結晶へ出力する合波部を更に備え、
前記ビーム径調整光学系が前記パルス面傾斜部と前記合波部との間のプローブ光パルス
の光路上に設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 Further comprising a combining unit for combining the terahertz wave and the probe light pulse so as to be coaxial with each other and outputting the combined light to the nonlinear optical crystal;
The beam diameter adjusting optical system is provided on the optical path of the probe light pulse between the pulse surface inclined portion and the multiplexing portion,
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
学結晶へ出力する合波部を更に備え、
前記ビーム径調整光学系が前記合波部と前記非線形光学結晶との間のプローブ光パルス
の光路上に設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 Further comprising a combining unit for combining the terahertz wave and the probe light pulse so as to be coaxial with each other and outputting the combined light to the nonlinear optical crystal;
The beam diameter adjusting optical system is provided on an optical path of a probe light pulse between the multiplexing unit and the nonlinear optical crystal;
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 The beam diameter adjusting optical system has an imaging relationship between the pulse surface inclined portion and the nonlinear optical crystal;
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
のプローブ光パルスのビーム径を変更するプローブ光パルスビーム径変更光学系を更に備
える、
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 A probe light pulse beam diameter changing optical system which is provided on the optical path of the probe light pulse between the nonlinear optical crystal and the photodetector and changes the beam diameter of the probe light pulse;
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
に結像関係を有する、
ことを特徴とする請求項6に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 The probe light pulse beam diameter changing optical system has an imaging relationship between the nonlinear optical crystal and the photodetector;
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 6 .
、
前記テラヘルツ波発生部から出力されたテラヘルツ波のビーム径を変更するテラヘルツ
波ビーム径変更光学系と、
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 A terahertz wave generator that generates and outputs a terahertz wave by inputting a pump light pulse;
A terahertz wave beam diameter changing optical system that changes the beam diameter of the terahertz wave output from the terahertz wave generating unit;
The single terahertz wave time waveform measuring device according to claim 1, further comprising:
ヘルツ波の光路上に設けられた測定対象物と前記非線形光学結晶との間に結像関係を有す
る、
ことを特徴とする請求項8に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 The terahertz wave beam diameter changing optical system has an imaging relationship between the measurement object provided on the optical path of the terahertz wave output from the terahertz wave generation unit and the nonlinear optical crystal.
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 8 .
、
前記テラヘルツ波発生部に入力されるポンプ光パルスのビーム径を変更するポンプ光パ
ルスビーム径変更光学系と、
を更に備えることを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 A terahertz wave generator that generates and outputs a terahertz wave by inputting a pump light pulse;
A pump light pulse beam diameter changing optical system for changing the beam diameter of the pump light pulse input to the terahertz wave generation unit;
The single terahertz wave time waveform measuring device according to claim 1, further comprising:
る、
ことを特徴とする請求項10に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 An image plane by the pump light pulse beam diameter changing optical system is located in the terahertz wave generation unit,
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 10 .
該集光照射位置を走査するポンプ光パルス照射部を更に備え、
前記ポンプ光パルス照射部によりポンプ光パルスを前記測定対象物に集光照射すること
により前記測定対象物でテラヘルツ波を発生させ、
前記非線形光学結晶に前記テラヘルツ波とプローブ光パルスとを入力させ、
前記光検出器が、前記ポンプ光パルス照射部による前記測定対象物への各集光照射位置
について、前記非線形光学結晶から出力されたプローブ光パルスのビーム断面における偏
光状態変化の分布を検出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の単発テラヘルツ波時間波形計測装置。 Further comprising a pump light pulse irradiating unit for condensing and irradiating the measurement object with a pump light pulse and scanning the condensing irradiation position in the measurement object,
Terahertz waves are generated in the measurement object by condensing and irradiating the measurement object with the pump light pulse by the pump light pulse irradiation unit,
Input the terahertz wave and the probe light pulse to the nonlinear optical crystal,
The photodetector detects the distribution of polarization state changes in the beam cross section of the probe light pulse output from the nonlinear optical crystal for each focused irradiation position on the measurement object by the pump light pulse irradiation unit,
The single terahertz wave time waveform measuring apparatus according to claim 1.
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