特許 6483453 テラヘルツ電場波形検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6483453

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】テラヘルツ電場波形検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3586 20140101AFI20190304BHJP

   G02F 1/37 20060101ALI20190304BHJP

   G02F 1/35 20060101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/3586

   G02F1/37

   G02F1/35

【請求項の数】7

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2015-17672(P2015-17672)

(22)【出願日】2015年1月30日

(65)【公開番号】特開2016-142594(P2016-142594A)

(43)【公開日】2016年8月8日

【審査請求日】2017年12月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、総務省、「広帯域短パルスレーザーを用いたテラヘルツ電場検出技術の開発と応用」に関する研究開発に係る委託業務、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】片山 郁文

(72)【発明者】

【氏名】武田 淳

(72)【発明者】

【氏名】南 康夫

(72)【発明者】

【氏名】ジェレミイ ジョンソン

【審査官】 塚本 丈二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０２０３５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２３３６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０１−１７６９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１０６７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／０１０１５９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 再公表特許第０３／０２８１７３（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１４−２３８３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１９２５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０１０１３０５２（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／３５８１

Ｇ０１Ｎ ２１／３５８６

Ｇ０２Ｆ １／３５

Ｇ０２Ｆ １／３７

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

Ｓｃｏｐｕｓ

ＩＥＥＥ Ｘｐｌｏｒｅ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャープパルス波とテラヘルツ波との差周波光及び／又は和周波光によってテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形に基づくチャープパルス波を強度変調し、当該強度変調によってテラヘルツ波からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に重畳させたチャープパルス変調波を出射するチャープ波変調部と、
前記チャープ波変調部のチャープパルス変調波を時間方向に伸張させて低波数側に波数シフトする波形伸張部と、
前記波形伸張部で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部と、
前記光−電気変換部で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び／又は位相情報を検出する電場波形検出部と
を備え、
前記チャープ波変調部は、
電気光学結晶（ＥＯ結晶）に対して前記チャープパルス波とテラヘルツ波の光軸を非同軸に配置し、差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波とを前記チャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向から出射することを特徴とする、テラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項2】

前記波形伸張部は、群速度分散が波長に対して単調なファイバであることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項3】

前記光−電気変換部は、単一の光検出器（シングルフォトダイオード）であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項4】

前記テラヘルツ波はテラヘルツパルス波であり、
前記電場波形検出部は、前記差周波光によるチャープパルス変調波又は前記和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、
参照信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形を検出する第１の積算器を備えことを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項5】

前記テラヘルツ波は連続テラヘルツ波であり、
前記電場波形検出部は、前記差周波光によるチャープパルス変調波又は前記和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換して得られるアナログ信号と、前記チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数を有する周期信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形を検出する第２の積算器を備え、
前記波形伸張部で波形伸張されるチャープパルス変調伸張波の時間幅は、前記チャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以下であることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項6】

前記テラヘルツ波は連続テラヘルツ波であり、
前記電場波形検出部は、前記光−電気変換部のアナログ信号の時間幅（Ｔ）を検出する時間幅検出器と、
前記時間幅を一周期とする周期信号を形成する周期信号形成器と、
前記差周波光にチャープパルス変調波又は前記和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、前記周期信号形成器の周期信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形の位相を検出する第３の積算器を備えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【請求項7】

前記テラヘルツ波はテラヘルツパルス波であり、
前記電場波形検出部は、前記差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、前記和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号によって、チャープパルス波とテラヘルツパルス波との差分信号を得る差分演算器とを備えることを特徴とする請求項１に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、テラヘルツ波の電場波形をテラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ）によって検出する検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

０．１〜１０ＴＨｚ（波数にして３．３〜３３３ｃｍ^−１）の周波数領域はテラヘルツ領域と呼ばれる。テラヘルツ領域の波形の分光法として、テラヘルツパルス波（ＴＨｚパルス波）をサンプルに入射させ、サンプルを透過した後のテラヘルツパルス波の波形を時間分解計測し、その波形をフーリエ変換することで周波数ごとの振幅と位相を検出するテラヘルツ時間領域分光法（THz time-domain spectroscopy,THz-TDS）が知られている。（特許文献１〜３）

【0003】

図１１はテラヘルツ時間領域分光装置の概略を説明するための図である。レーザーから放射された光パルステラヘルツ発生系のポンプ光と検出系のプローブ光に分け、ポンプ光をＴＨｚ発生装置１０１に導いてテラヘルツパルス波を発生させ、プローブ光を時間遅延装置１０２によって光路長を変化させた後、テラヘルツパルス波を検出するための検出素子１０３に導く。

【0004】

ポンプ・プローブ方式によるテラヘルツパルス波の波形計測では、プローブ光を時間遅延させることによってプローブ光が検出素子１０３に到達するタイミングを変えながら、繰り返し到来する同波形のテラヘルツパルス波の電場波形をサンプリングする。テラヘルツパルス波の検出素子１０３は、プローブ光が照射されたときのみ動作するため、プローブ光と同時に到達したテラヘルツパルス波による信号のみを検出器１０４を用いて計測する。計測されたテラヘルツパルス波の時間波形をフーリエ変換することによって周波数ごとの振幅と位相を得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０−１２７８３１号

【特許文献2】特許３７９９５４６号

【特許文献3】特許３９６２７７７号

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記したポンプ・プローブ方式によるテラヘルツパルス波の波形計測では、繰り返し現象を利用して時間掃引することでテラヘルツパルス波の時間波形とスペクトルを得るため、相移転や破壊現象といった毎回挙動が異なる現象、絶えず変化する現象、運動する物体、測定に長時間を要する現象などの測定対象には適していない。

【0007】

これを解決するために、チャープパルスを用いて時間情報を波長にマッピングし、分光器と二次元検出器を用いて検出することが提案されているが、検出速度は二次元検出器の検出速度に制限されるという問題がある。また、検出速度に問題がある他、和周波光と差周波光が同時に検出されるために、観測される波形が歪むことや、デジタル信号に変換するため、波形の乗算（ミキシング）などの演算が困難であるという問題がある。

【0008】

そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、ポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、１ショット（シングルショット）のテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を検出することを目的とする。

【0009】

ここで、テラヘルツ波はテラヘルツパルス波及び連続テラヘルツ波を含む。また、１ショット（シングルショット）のテラヘルツパルス波は測定対象が一つのパルス信号波形であることを意味し、１ショット（シングルショット）の連続テラヘルツ波は測定対象が一つの連続信号波形であることを意味している。

【0010】

また、本願発明は、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、１ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を単一の検出器（シングルフォトダイオード）で検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本願発明は、テラヘルツパルス波又は連続テラヘルツ波を含むテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に書き込むことによってテラヘルツ電場波形を検出する部分と、テラヘルツ電場の情報が書き込まれたチャープパルス波を時間方向に伸張させることによってアナログ信号として検出可能な周波数まで低周波化する部分の構成によって、１ショットのテラヘルツ波の単一検出器による検出を可能とする。

【0012】

本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、チャープパルス波とテラヘルツ波との差周波光及び／又は和周波光によってテラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形に基づくチャープパルス波を強度変調し、この強度変調によってテラヘルツ波からテラヘルツ電場のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に重畳させたチャープパルス変調波を出射するチャープ波変調部と、チャープ波変調部で得られるチャープパルス変調波を時間方向に伸張させる波形伸張部と、波形伸張部で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部と、光−電気変換部で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び／又は位相情報を検出する電場波形検出部とを備える。

【0013】

チャープ波変調部において、電気光学結晶（ＥＯ結晶）に対してチャープパルス波とテラヘルツ波を入射すると、電気光学結晶の二次非線形光学効果によって和周波過程による和周波光と差周波過程による差周波光が発生する。二つの異なる光周波数の光が電気光学結晶に入射されると、二つの光周波数の和となる光周波数を持ち、二つの光の強度の積に比例した光強度の和周波光が発生し、二つの光周波数の差となる光周波数を持つ差周波光が発生する。

【0014】

和周波光と差周波光は、非同軸に入射した場合プローブパルスに対してそれぞれ異なる方向の波数を持つ。従来知られているチャープパルス波及びテラヘルツ波の照射では光軸を同軸配置しているため、和周波過程と差周波過程とによってチャープパルス波は二重に変調され、得られるチャープ変調波の波形には歪みが生じる。

【0015】

チャープ変調波の波形歪に対する一構成として、本願発明のチャープ変調波部は、電気光学結晶（ＥＯ結晶）に対するチャープパルス波とテラヘルツ波の入射において、チャープパルス波とテラヘルツ波の光軸を非同軸に配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とをチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。

【0016】

チャープ変調波の波形歪に対する他の構成として、本願発明のチャープ変調波部は、電気光学結晶（ＥＯ結晶）の出射側に１／４波長板と偏光分離素子（ウォラストンプルズム）の構成を配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とをチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。

【0017】

出射方向が異なることから和周波波と差周波波とを選択的に検出することができる。和周波波および差周波波のチャープ変調波には、それぞれテラヘルツ電場波形が互いに干渉することなく書き込まれているため、チャープ変調波を選択して検出することによってテラヘルツ電場波形を互いの干渉を受けること無く測定することができる。

【0018】

本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波とを出射方向の違いによって個別に取り出し、取り出した差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方又は両方を用いてテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び／又は位相情報を検出する。

【0019】

本願発明の波形伸張部は、群速度分散が波長に対して単調なファイバを用いることによって、チャープパルス変調波を時間方向に伸張させる。時間方向に伸張されたチャープパルス変調波の周波数は低周波数側に低周波化される。チャープパルス変調波を低周波化することによって、光−電気変換して得られたアナログ信号はスペクトルアナライザーやオシロスコープ等の測定機器での測定が可能となり、サンプリングによる測定時間の長時間化を解消し１ショットによる測定が可能となる。

【0020】

本願発明の光−電気変換部は、単一の光検出器（シングルフォトダイオード）を使用することができる。波形伸張部によってチャープパルス変調波は低周波化され、光−電気変換部で得られるアナログ信号は測定機器で測定可能な周波数となっているため、複数のサンプリングデータを、二次元検出器を用いることなく、単一の光検出器（シングルフォトダイオード）によってアナログ信号に変換することができる。

【0021】

本願発明の電場波形検出部は、チャープパルス変調波に重畳されたテラヘルツ電場波形の検出を複数の形態で行うことができる。電場波形検出部の形態は、テラヘルツ波としてテラヘルツパルス波を用いる形態と連続テラヘルツ波を用いる形態を含む。以下に示す第１，４の形態はテラヘルツパルス波による形態であり、第２，３の形態は連続テラヘルツパルス波による形態である。

【0022】

（電場波形検出部の第１の形態）
電場波形検出部の第１の形態は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる形態であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波と参照信号とを積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。

【0023】

第１の形態の電場波形検出部は、差周波光によるチャープパルス変調波又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、参照信号を第１の積算器で積算演算する。参照信号は、チャープパルス波の周波数に基づいて定めることができる。

【0024】

この第１の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。

【0025】

第１の形態において、積算演算に使用する参照信号をチャープパルス波の周波数に基づいて定めることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出（特に位相情報）を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。

【0026】

また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。

【0027】

（電場波形検出部の第２の形態）
電場波形検出部の第２の形態は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いる形態であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を、所定周期の周期信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。

【0028】

第２の形態の電場波形検出部は、差周波光によるチャープパルス変調波又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数を有する周期信号を第２の積算器で積算演算する。

【0029】

この第２の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。

【0030】

第１の形態において、波形伸張部で時間方向に伸張されたチャープパルス変調伸張波の時間幅をチャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以内とし、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出（特に位相情報）を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。

【0031】

また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。これによって、測定時ごとのテラヘルツCWレーザーの位相変化を測定することができ、連続波テラヘルツレーザーの絶対周波数測定に応用できる。

【0032】

（電場波形検出部の第３の形態）
電場波形検出部の第３の形態は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いる形態であり、第２の形態と同様に、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波と、所定周期の周期信号とを積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態であり、周期信号は、チャープパルス変調伸張波の時間幅を検出し、検出した時間幅に基づいて生成する。

【0033】

第３の形態の電場波形検出部は、時間幅検出器において光−電気変換部のアナログ信号の時間幅を検出し、周期信号形成器において時間幅検出器が検出した時間幅を一周期とする周期信号を形成する。差周波光のチャープパルス変調波又は和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、周期信号形成器の周期信号を第３の積算器で積算演算する。

【0034】

この第３の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。

【0035】

第３の形態において、波形伸張部で波形伸張したチャープパルス変調伸張波の時間幅を時間幅検出器で検出し、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、時間幅検出器で検出した時間幅で定まる周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。

【0036】

また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。

【0037】

（電場波形検出部の第４の形態）
電場波形検出部の第４の形態は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる形態であり、第１の形態〜第３の形態では差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方を用いるのに対して、電場波形検出部の第４の形態は差周波光によるチャープパルス変調波光と和周波光によるチャープパルス変調波をそれぞれ波形伸張したチャープパルス変調伸張波を用い、両チャープパルス変調伸張波を差分演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。

【0038】

第４の形態の電場波形検出部は、差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号とし、この二つのアナログ信号を差分演算器で差分演算することによって、テラヘルツパルス波の信号のみを検出する。

【0039】

差分演算器で検出した差分信号はテラヘルツパルス波の電場波形に対応するので、ここからテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出する。

【0040】

第４の形態において、差分演算器の差分演算を、チャープパルス波の１ショットを単位として行うことによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。

【0041】

また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。

【発明の効果】

【0042】

以上説明したように、本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置によれば、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、１ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を検出することができる。

【0043】

また、本願発明は、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、１ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を単一の検出器（シングルフォトダイオード）で検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の概略構成を説明するための図である。

【図2】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第１の構成例を説明するための図である。

【図3】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第１の構成例の波形を説明するための図である。

【図4】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第２の構成例を説明するための図である。

【図5】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第２の構成例の波形を説明するための図である。

【図6】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第３の構成例を説明するための図である。

【図7】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第３の構成例の波形を説明するための図である。

【図8】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第４の構成例を説明するための図である。

【図9】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第４の構成例の波形を説明するための図である。

【図10】本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第４の構成例の他の構成例を説明するための図である

【図11】テラヘルツ時間領域分光装置の概略を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本願発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の概略構成について図１を用いて説明し、構成例について図２〜図１０を用いて説明する。図２，３は本願発明の第１の構成例を説明するための図であり、図４，５は第２の構成例を説明するための図であり、図６，７は第３の構成例を説明するための図であり、図８〜１０は第４の構成例を説明するための図である。

【0046】

（テラヘルツ電場波形検出装置の概略構成）
図１は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の概略構成を説明するための図である。テラヘルツ電場波形検出装置１は、チャープパルス波とテラヘルツ波とからチャープパルス変調波を出射するチャープ波変調部２と、チャープパルス変調波を時間方向に波形伸張して周波数化したチャープパルス変調伸張波を生成する波形伸張部３と、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部４と、アナログ信号からテラヘルツパルス電場波形を検出する電場波形検出部５を備える。テラヘルツ波として、テラヘルツパルス波又は連続テラヘルツ波を適用することができる。以下では、第１の構成例の波形例（図３）を参照して説明する。

【0047】

電場波形検出部５で検出したテラヘルツパルス波電場波形は、オシロスコープ６において波形表示する他、スペクトラムアナライザ７においてスペクトルや位相を解析し表示することができる。

【0048】

テラヘルツパルス波は、０．１〜１０ＴＨｚ（波数にして３．３〜３３３ｃｍ^−１）のテラヘルツ領域と呼ばれるパルス波周波数領域の電磁波であり、テラヘルツ時間領域分光法（THz time-domain spectroscopy,THz-TDS）は、テラヘルツパルス波をサンプルに入射し、サンプルを透過した後のテラヘルツパルス波の電場波形を時間分解計測し、電場波形をフーリエ変換することにより周波数毎の振幅と位相を計測する。

【0049】

フェムト秒テーザーから放射された光パルスを、テラヘルツパルス波を発生させるためのポンプ光と、テラヘルツパルス波を検出するためのプローブ光とに分け、ポンプ光をテラヘルツパルス発生装置（図１には示していない）に導入してテラヘルツ波（図３（ａ））を発生し、プローブ光を光路上に設けた遅延時間素子を通すことによってチャープパルス波（図３（ｂ））を生成する。テラヘルツパルス発生装置として、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。

【0050】

チャープ波変調部２は電気光学結晶（ＥＯ結晶）を備え、電気光学結晶に対してチャープパルス波とテラヘルツス波を入射してチャープパルス変調波（図３（ｃ））を出射する。二つの異なる光周波数の光が電気光学結晶に入射されると、電気光学結晶の二次非線形光学効果によって和周波光及び差周波光が発生する。和周波光の光周波数は入射した二つの光周波数の和となり、一方、差周波光の光周波数は入射した二つの光周波数の差となる。差周波光の波数はチャープパルス波の波数からテラヘルツパルス波の波数を減算した波数であり、和周波光の波数は前記チャープパルス波の波数にテラヘルツパルス波の波数を加算した波数である。和周波光及び差周波光の光強度は二つの光の強度の積に比例する。電気光学結晶は例えばＺｎＴｅ結晶やＧａＰ、ＬｉＮｂＯ_３等を用いることができる。

【0051】

チャープ波変調部２は、チャープパルス波（図３（ｂ））とテラヘルツ波（図３（ａ））との差周波光、和周波光によってテラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形に基づいてチャープパルス波を強度変調する。この強度変調によってテラヘルツ電場のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に重畳させたチャープパルス変調波（図３（ｃ））を発生する。

【0052】

チャープ波変調部２は、電気光学結晶に対するチャープパルス波とテラヘルツパルス波の照射において、チャープパルス波とテラヘルツパルス波の光軸をずらして非同軸配置とする。この非同軸配置によって、差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波とはチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向から出射される。なお、図１では差周波光のテラヘルツパルス変調波と和周波光によるテラヘルツパルス変調波とを一つのテラヘルツパルス変調波で示している。

【0053】

テラヘルツ電場波形検出装置１は、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波とを出射方向の違いによって個別に取り出し、取り出した差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方又は両方を用いてテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び／又は位相情報を検出する。

【0054】

波形伸張部３は、チャープ波変調部２で得たチャープパルス変調波を時間方向に伸張させて低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波（図３（ｄ））を生成する。チャープパルス変調伸張波は低周波化することによって、アナログ信号化した検出信号の周波数をスペクトルアナライザーやオシロスコープ等の測定機器による測定が可能な周波数まで下げることができ、これによって、従来測定において高周波測定のために必要であったサンプリング測定を不要とし、測定時間の長時間化を解消して１ショットによる測定が可能である。波形伸張部３は、群速度分散が波長に対して単調なファイバを用いることができる。

【0055】

光−電気変換部４は、波形伸張部３で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する。光−電気変換部４として、単一の光検出器（シングルフォトダイオード）を用いることができる。

【0056】

波形伸張部３によって波形伸張されたチャープパルス変調伸張波は低周波化されているため、複数のサンプリングデータを、二次元検出器を用いることなく、単一の光検出器（シングルフォトダイオード）によって測定機器で測定可能な周波数のアナログ信号に変換することができる。

【0057】

電場波形検出部５は、光−電気変換部４で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報、位相情報を検出する。

【0058】

電場波形検出部５は、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形の検出において、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号を参照信号と積算演算する形態の他、和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号とを差分算する形態とすることができる。参照信号は、チャープパルス信号の周波数に基づいて定まる信号や、所定周期の周期信号と積算演算する形態、差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号を用いることができる。

【0059】

（テラヘルツ電場波形検出装置の第１の構成例）
図２，３は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第１の構成例を説明するための図及び波形図である。

【0060】

電場波形検出部の第１の構成例は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる前記第１の形態に対応し、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張し、得られたチャープパルス変調伸張波を参照信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する。

【0061】

チャープパルス波を発生する構成としてチャープパルス波形成部８Ａを備える。チャープパルス波形成部８Ａはサブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａと一次分散媒質８ｂとを備え、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａで発生したパルス幅が１０ｆｓ（フェムト秒）以下の約数百ＴＨｚのパルス波（図３（ｂ））を一次分散媒質８ｂに通すことによってチャープを付したチャープパルス波（図３（ｃ））を発生させる。ここでは、チャープパルス波の周波数をｆoで表す。

【0062】

図３（ｂ）は、チャープパルス波の１パルスを発生する例を示している。テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形の検出は、テラヘルツパルス波の１パルス（図３（ａ））に対応して発生させた１チャープパルス波で行うことができる。

【0063】

テラヘルツパルス波（図３（ａ））は、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａで発生したサブ１０ｆｓ波（図３に示していない）を図示しないテラヘルツパルス発生装置に導くことで発生することができる。テラヘルツパルス発生装置としては、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。ここでは、テラヘルツパルス波の周波数をｆTHzで表す。

【0064】

チャープ波変調部２Ａは、電気光学結晶（ＥＯ素子）２ａと偏光素子２ｂとを備える。電気光学結晶２ａに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波（波数κTHz）を照射し、プローブ光としてチャープパルス波（周波数ｆo）を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆo ＋ｆTHz））と差周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆo−ｆTHz））が発生する。

【0065】

電気光学結晶（ＥＯ素子）２ａに対する照射において、テラヘルツパルス波（周波数ｆTHz）を照射する光軸を、チャープパルス波（周波数ｆo）を照射する光軸からずらして非同軸となるように配置する。テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを非同軸に配置することによって、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波はチャープパルス波とそれぞれ異なる波数を持つため、各チャープパルス変調波はチャープパルス波の光軸方向に対して異なる方向に放射される。

【0066】

偏光素子２ｂは、電気光学結晶２ａから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の何れか一方のチャープパルス変調波を入射し、偏光状態を直線偏光から円偏光に変換する。図２は差周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆκo−ｆTHz））（図３（ｃ））を選択する例を示している。

【0067】

波形伸張部３Ａは群速度分散が波長に対して単調なファイバ３ａを備え、チャープ波変調部２のチャープパルス変調波（図３（ｃ））を時間方向に伸張して低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波（図３（ｄ））を生成する。波形伸張することによって、チャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz／ｍに低減される。

【0068】

なお、ここでｍはファイバ３ａによって時間方向に伸張する割合を表し、ファイバ３ａの光学特性及び長さ等に依存する。

【0069】

光−電気変換部４Ａは単一の光検出器（シングルフォトダイオード）を備え、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号（図３（e））に変換する。アナログ信号はオシロスコープ６Ａで表示することができる。

【0070】

電場波形検出部５Ａは第１の積算器５ａを備える。第１の積算器５ａは、チャープパルス変調伸張波を変換したアナログ信号（図３（ｅ））と参照信号とを積算演算する。チャープパルス変調伸張波のアナログ信号との積算演算によってアナログ信号に含まれるチャープパルス波の周波数成分を除去するために、参照信号の周波数はチャープパルスの周波数ｆoに基づいて定める。

【0071】

ここで、積算演算の概略を、差周波光のチャープパルス変調伸張波を変換して得られるアナログ信号の周波数をｆTHｚ/ｍで表した場合で示す。ｍの大きさは、アナログ信号の周波数がオシロスコープ等の測定装置が対応できる程度の応答速度となるように設定される。

【0072】

信号Ｆ（周波数ｆTHｚ/ｍ）と信号Ｇ（周波数ｆref）のミキサにおける乗算演算は式（１）で表される。
Ｆ×Ｇ＝sin（2π（ｆTHｚ）ｔ/ｍ＋φ）×sin(2πｎ×ｆref) ・・・（１）

【0073】

ここで、ｆTHz／ｍとｆrefが略等しいとすると、式（１）は以下の式（２）で表される。
Ｆ×Ｇ＝
1/2[cos（2πt（ｆTHｚ/ｍ-ｆref）＋φ）-cos（2πt（ｆTHｚ/ｍ＋ｆref+φ））]
・・・（２）

【0074】

式（２）から、ｆrefは既知であることから第１の積算器５ａの出力は(ｆref−ｆTHz／ｍ)，(ｆref＋ｆTHz／ｍ)の周波数に係る情報を含んでいる。また、式（２）からｆrefの位相が既知であれば、φの値も決定できる。図３（ｆ）は積算演算で得られる信号波形を示している。

【0075】

したがって、第１の積算器５ａで積算演算された演算結果に基づいて、スペクトラムアナライザによってテラヘルツ電場波形の振幅成分および位相成分を検出することができる。なお、上記説明では差周波光を用いて説明したが、和周波光を用いる構成としてもよい。

【0076】

（テラヘルツ電場波形検出装置の第２の構成例）
図４，５は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第２の構成例を説明するための図及び波形図である。

【0077】

電場波形検出部の第２の構成例は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いた第２の形態に対応する構成であり、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張し、得られたチャープパルス変調伸張波を所定周期の周期信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する。

【0078】

チャープパルス波を発生する構成としてチャープパルス波形成部８Ｂを備える。チャープパルス波形成部８Ｂはサブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａと一次分散媒質８ｂとを備え、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａで発生したパルス幅が１０ｆｓ（フェムト秒）以下の約数百ＴＨｚのパルス波（図５（ａ））を一次分散媒質８ｂに通すことによってチャープを付したチャープパルス波（図５（ｃ））を発生させる。ここでは、チャープパルス波の波数をκoで表す。

【0079】

図５（ｃ）は、示したチャープパルス波を１／ｆrepの周期で繰り返して発生する例を示している。テラヘルツ電場波形の検出は、一周期内で発生した一チャープパルス波で行うことができるため、チャープパルス波を繰り返して発生させることによって異なる測定時点でのテラヘルツ電場波形を検出する。

【0080】

連続テラヘルツ波（図５（ｂ））は、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａで発生したサブ１０ｆｓ波（図５（ａ））を図示しないテラヘルツパルス発生装置に導くことで発生することができる。テラヘルツパルス発生装置としては、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。ここでは、テラヘルツパルス波の周波数をｆTHzで表す。

【0081】

チャープ波変調部２Ｂは、電気光学結晶（ＥＯ素子）２ａと偏光素子２ｂとを備える。電気光学結晶２ａに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波（周波数ｆTHz）を照射し、プローブ光としてチャープパルス波（周波数ｆo）を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆo ＋ｆTHz））と差周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆo−ｆTHz））が発生する。

【0082】

電気光学結晶（ＥＯ素子）２ａに対する照射において、テラヘルツパルス波を照射する光軸を、チャープパルス波を照射する光軸からずらして非同軸となるように配置する。テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを非同軸に配置することによって、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波はチャープパルス波とそれぞれ異なる波数を持つため、各チャープパルス変調波はチャープパルス波の光軸方向に対して異なる方向に放射される。

【0083】

偏光素子２ｂは、電気光学結晶２ａから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の何れか一方のチャープパルス変調波を入射し、偏光状態を直線偏光から円偏光に変換する。図５は差周波光のチャープパルス変調波（周波数（ｆo−ｆTHz））（図５（ｄ））を選択する例を示している。

【0084】

波形伸張部３Ｂは群速度分散が波長に対して単調なファイバ３ａを備え、チャープ波変調部２のチャープパルス変調波（図５（ｄ））を時間方向に伸張して低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波（図５（ｅ））を生成する。波形伸張することによって、チャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz／ｍに低減される。

【0085】

なお、ここでｍはファイバ３ａによって時間方向に伸張する割合を表し、ファイバ３ａの光学特性及び長さ等に依存する。波形伸張によって時間方向に伸張するチャープパルス変調伸張波の時間幅と、チャープパルス波を繰り返す周期（１／ｆrep）の時間幅とは、一つのチャープパルス波の周期で生成されるチャープパルス変調伸張波が、次のチャープパルス波の周期で生成されるチャープパルス変調伸張波と重ならないように設定する。

【0086】

例えば、チャープパルス波の周期（１／ｆrep）が既定である場合にはチャープパルス波の波形伸張の程度ｍを調整し、チャープパルス波の波形伸張の程度ｍが既定である場合には、チャープパルス波の周期（１／ｆrep）を調整する。

【0087】

光−電気変換部４Ｂは単一の光検出器（シングルフォトダイオード）を備え、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号（図５（ｆ））に変換する。アナログ信号はオシロスコープ６Ｂで表示することができる。

【0088】

電場波形検出部５Ｂは第１の積算器５ａと周波数変換器５ｂとを備える。周波数変換器５ｂは、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａのサブ１０ｆｓ波（図５（ａ））と同期して発生させた繰り返し波ｆrep（図５（ｇ））をｎ倍に逓倍してｎ×ｆrepの周波数の信号（図５（ｈ））を発生する。

【0089】

積算器５ａは、チャープパルス変調伸張波を変換したアナログ信号（図５（ｆ））と、ｎ×ｆrepの周波数の信号（図５（ｈ））とを積算演算する。積算演算を行う周期信号は、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数ｆrepを周波数変換器５ｂによって定数倍（ｎ倍）して周波数（ｎ×ｆrep）とする。

【0090】

ここで、積算演算の概略を、差周波光のチャープパルス変調伸張波を変換して得られるアナログ信号の周波数をｆTHｚ/ｍで表した場合で示す。

【0091】

信号Ｆ（周波数ｆTHｚ/ｍ）と信号Ｇ（周波数ｎ×ｆrep）のミキサ（積算器）における乗算演算は式（３）で表される。
Ｆ×Ｇ＝sin（2π（ｆTHｚ）ｔ/ｍ＋φ）×sin(2πｎ×ｆrep t) ・・・（３）

【0092】

ここで、ｆo／ｍとｎ×ｆrepが略等しいため、式（３）は以下の式（４）で表される。
Ｆ×Ｇ＝
1/2[cos（2πt(ｆTHｚ/ｍ-ｎ×ｆren)＋φ）-cos(2πt(ｆTHｚ/ｍ＋ｎ×ｆrep+φ))]
・・・（４）

【0093】

式（４）は、（ｎ×ｆrep）は既知であることから積算器５ａの出力は(ｎ×ｆrep−ｆTHz／ｍ)の周波数に係る情報を含んでいることを示している。

【0094】

また、式（４）から（ｎ×ｆrep）の位相が既知であれば、φの値も決定できる。

【0095】

したがって、積算器５ａで積算演算された演算結果に基づいて、スペクトラムアナライザ７Ｂによってテラヘルツ電場波形の振幅成分および位相成分を検出することができる。図５（ｉ）は位相信号 を表している。

【0096】

波形伸張部３Ｂで時間方向に伸張されるチャープパルス変調伸張波の時間幅をチャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以内とし、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍（ｎ倍）の周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。なお、上記説明では差周波光を用いて説明したが、和周波光を用いる構成としてもよい。

【0097】

（テラヘルツ電場波形検出装置の第３の構成例）
図６，７は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第３の構成例を説明するための図及び波形図である。

【0098】

電場波形検出部の第３の構成例は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いた第３の形態に対応する構成であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を所定周期の周期信号と乗算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する構成であり、乗算演算を行う所定周期の周期信号として、チャープパルス変調伸張波の繰り返し時間幅に基づいて生成した信号を用いる。

【0099】

第３の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置１Ｃは、第１，２の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置１Ａ，１Ｂと同様に、チャープ波変調部２Ｃ、波形伸張部３Ｃ、光-電気変換部４Ｃ、及び電場波形検出部５Ｃを備える。これら構成の内、チャープ波変調部２Ｃ、波形伸張部３Ｃ、及び光-電気変換部４Ｃの各構成は第２の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置１Ｂが備える各構成と同様であるため、ここでの説明は省略し電場波形検出部５Ｃについてのみ説明する。

【0100】

電場波形検出部５Ｃは、時間幅検出器５ｆ、周期信号形成器５ｇ、及び第３の積算器５ｄを備える。

【0101】

時間幅検出器５ｆは、光−電気変換部４Ｃのアナログ信号の時間幅Ｔを検出する。時間幅Ｔの検出は、チャープパルス波形成部８Ｃのサブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａからパルス波をパイロット信号（図７（ｇ））として発生し、時間幅検出器５ｆはこのパイロット信号のパルス波を受けて時間幅の計測を開始する。時間幅検出器５ｆは、光−電気変換部４Ｃのアナログ信号（図７（ｈ））をモニタし、アナログ信号が終了した時点で時間幅の計測を終了し、時間幅出力Ｔ（図７（ｉ））を出力する。

【0102】

周期信号形成器５ｇは、時間幅検出器５ｆが検出した時間幅Ｔを一周期とする周期信号Ｆrep（図７（ｊ））を形成する。

【0103】

第３の積算器５ｄは、差周波光にチャープパルス変調波又は和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号（図７（ｆ））と、周期信号形成器５ｇの周期信号Ｆrepとを積算演算する。第３の積算器５ｄは、積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。

【0104】

第３の構成では、波形伸張部３Ｃで波形伸張されたチャープパルス変調伸張波の時間幅Ｔを時間幅検出器５ｆで検出し、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数Ｆrepとして、時間幅検出器５ｆで検出した時間幅Ｔで定まる周波数を用いることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行う。

【0105】

また、第１の構成と同様に、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。

【0106】

（テラヘルツ電場波形検出装置の第４の構成例）
図８，９は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第４の構成例を説明するための図及び波形図である。

【0107】

電場波形検出部の第４の構成例は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いた第４の形態に対応する構成であり、差周波光によるチャープパルス変調波光と和周波光によるチャープパルス変調波をそれぞれ時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を用い、両チャープパルス変調伸張波の差分演算を行うことによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する構成である。

【0108】

第４の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置１Ｄは、第１〜３の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置１Ａ〜１Ｃと同様に、チャープ波変調部２Ｄ、波形伸張部３Ｄ、光-電気変換部４Ｄ、及び電場波形検出部５Ｄを備える。

【0109】

チャープ波変調部２Ｄは、電気光学結晶（ＥＯ素子）２ａと二つの偏光素子２ｂ、２ｃとを備える。電気光学結晶２ａに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波（周波数ｆTHz）を照射し、プローブ光としてチャープパルス波（周波数ｆo）を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo ＋ｆTHz)）と差周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo−ｆTHz)）が発生する。

【0110】

偏光素子２ｂ，２ｃは、それぞれ電気光学結晶２ａから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の一方を入射し、偏光状態を直線偏光から楕円偏光に変換する。図８では、偏光素子２ｂから差周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo−ｆTHz)）を選別して出射し、偏光素子２ｃから和周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo＋ｆTHz））を選別して出射する例を示している。図９は差周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo−ｆTHz））（図９（ｄ））を選択する例を示している。

【0111】

波形伸張部３Ｄは群速度分散が波長に対して単調なファイバ３ａ，３ｂを備える。ファイバ３ａは、チャープ波変調部２Ｄのチャープパルス変調波（図９（ｄ））を時間方向に伸張した差周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo−ｆTHz)）（図９（ｅ））を生成し、

【0112】

ファイバ３ｂは、チャープ波変調部２Ｄの和周波光のチャープパルス変調波（周波数(ｆo＋ｆTHz)）（図９（ｇ））を時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波（図９（ｈ））を生成する。波形伸張することによって、差周波光及び和周波光のチャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz／ｍに低減される。

【0113】

光−電気変換部４Ｄは単一の光検出器（シングルフォトダイオード）４ａ，４ｂを備え、光検出器４ａは差周波光のチャープパルス変調伸張波をアナログ信号（図９（ｆ））に変換し、光検出器４ｂは和周波光のチャープパルス変調伸張波をアナログ信号（図９（ｉ））に変換する。アナログ信号はそれぞれオシロスコープ６Ｄで表示することができる。

【0114】

電場波形検出部５Ｄは、差分演算器５ｈとファイバ５ｉと単一の光検出器（シングルフォトダイオード）５ｊと周波数変換器５ｉと除算器５ｋを備える。

【0115】

差分演算器５ｈは、チャープパルス変調伸張波のアナログ信号Ｉ1と、和周波光のチャープパルス変調伸張波のアナログ信号Ｉ2とを差分演算して差分信号（Ｉ1−Ｉ2）（図９（ｊ））を出力する。差分信号（Ｉ1−Ｉ2）は、テラヘルツ電場波形無しのチャープパルス波の波形を参照することによってテラヘルツ電場波形を求めることができる。

【0116】

ファイバ５ｉは、一次分散媒質８ｂを通過したチャープパルス波（周波数ｆｏ）を時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波（周波数ｆo／ｍ）を生成する。単一の光検出器（シングルフォトダイオード）５ｊは、チャープパルス変調伸張波（周波数ｆo／ｍ）を光−電気変換して周波数（ｆo／ｍ）のアナログ信号Ｉrefを出力する。除算器５ｋによって、アナログ信号Ｉrefを参照信号として差分信号（Ｉ1−Ｉ2）を除算する。得られた（Ｉ1−Ｉ2）／Ｉrefはテラヘルツ電場波形を表し、オシロスコープ６Ｄで表示することができる。

【0117】

第４の構成例において、差分演算器の差分演算を、チャープパルス波の１ショットを単位として行うことによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の１ショットを測定周期として行うことができる。また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって１ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において１ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において１ショット測定の干渉を避けることができる。

【0118】

第４の構成例の、差周波と和周波との差分によってテラヘルツ電場波形を求める構成は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを電位光学結晶に対して非同軸に入射する構成の他、同軸に入射する構成にも適用することができる。図１０を用いて第４の構成例の非同軸配置の適用例を説明する。ここでは、テラヘルツ電場波形検出装置１Ｅにおいて、チャープ波変調部２Ｅ、及び波形伸張部３Ｅについてのみ説明する。

【0119】

チャープ波変調部２Ｅは、サブ１０ｆｓ広帯域レーザー８ａで発生したパルス波を一次分散媒質８ｂに通すことによってチャープを付したチャープパルス波ｆoを発生させると共に、テラヘルツパルスｆTHzを発生する。

【0120】

波形伸張部３Ｅは、電気光学結晶２ａと１／４波長板２ｄと偏光分離素子２ｅとを備える。偏光分離素子２ｅはウォラストンプルズムを用いることができる。この構成を配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とを１／４波長板で偏光させた後に偏光分離素子２ｅで分離し、チャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。

【産業上の利用可能性】

【0121】

本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、半導体、樹脂等の種々の素材を非破壊で検査する材料分析、生産ライン上のモニタリング、スペクトルイメージング等に適用することができる。

【符号の説明】

【0122】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ テラヘルツ電場波形検出装置
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ チャープ波変調部
２ａ 電気光学結晶
２ｂ，２ｃ 偏光素子
２ｄ １／４波長板
２ｅ 偏光分離素子
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ 波形伸張部
３ａ，３ｂ，３ｃ ファイバ
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 光−電気変換部
４ａ，４ｂ 光検出器
５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ 電場波形検出部
５ａ 積算器
５ｂ 周波数変換器
５ｃ 積算器
５ｄ 時間幅検出器
５ｅ 周期信号形成器
５ｆ 積算器
５ｇ ファイバ
５ｉ 周波数変換器
５ｊ 減算器
６，６Ａ，６Ｂ、６Ｃ，６Ｄ オシロスコープ
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ スペクトラムアナライザ
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ、８Ｄ，８Ｅ チャープパルス波形成部
８ａ サブ１０ｆｓ広帯域レーザー
８ｂ 一次分散媒質
１０１ 発生装置
１０２ 時間遅延装置
１０３ 検出素子
１０４ 二次元検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】