特開 2022-191808 分光計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022191808

(43)【公開日】2022-12-28

(54)【発明の名称】分光計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3586 20140101AFI20221221BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3586

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100259

(22)【出願日】2021-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】陸 昂義

(72)【発明者】

【氏名】河田 陽一

(72)【発明者】

【氏名】安田 敬史

(72)【発明者】

【氏名】泊 和岳

(72)【発明者】

【氏名】藤本 正俊

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA05

2G059BB08

2G059EE02

2G059GG01

2G059GG08

2G059HH01

2G059HH05

2G059JJ01

2G059JJ17

2G059JJ19

2G059JJ20

2G059KK01

(57)【要約】

【課題】測定物に対する測定部のアクセス性を向上させることができる分光計測装置を提供する。
【解決手段】分光計測装置１は、ポンプ光Ｌａ及びプローブ光Ｌｂを出力する光源部１１と、ポンプ光Ｌａの入力によってテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生部２１と、テラヘルツ波Ｔ及びプローブ光Ｌｂがそれぞれ入力され、テラヘルツ波Ｔの入力に伴う電気光学効果によって屈折率が変化することで、当該屈折率に基づくプローブ光Ｌｂの変調を行うテラヘルツ波検出部２３と、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂを検出する光検出部１３と、を備え、光源部１１と光検出部１３とを含んで構成された本体部２と、テラヘルツ波発生部２１とテラヘルツ波検出部２３とを含んで構成された測定部３と、を有し、本体部２と測定部３とが偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ポンプ光及びプローブ光を出力する光源部と、
前記ポンプ光の入力によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、
前記テラヘルツ波及び前記プローブ光がそれぞれ入力され、前記テラヘルツ波の入力に伴う電気光学効果によって屈折率が変化することで、当該屈折率に基づく前記プローブ光の変調を行うテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部で変調された前記プローブ光を検出する光検出部と、を備え、
前記光源部と前記光検出部とを含んで構成された本体部と、
前記テラヘルツ波発生部と前記テラヘルツ波検出部とを含んで構成された測定部と、を有し、
前記本体部と前記測定部とが偏波保持ファイバによって光学的に接続されている分光計測装置。

【請求項2】

前記測定部は、前記テラヘルツ波発生部及び前記テラヘルツ波検出部との間の前記テラヘルツ波の光路上に測定面を有する請求項１記載の分光計測装置。

【請求項3】

前記測定部は、前記テラヘルツ波検出部で変調された前記プローブ光が前記光検出部に向かう光路上に配置された波長板を更に含んで構成されている請求項１又は２記載の分光計測装置。

【請求項4】

前記波長板は、λ／８波長板であり、
前記測定部では、前記テラヘルツ波検出部の一方側から前記テラヘルツ波が入射し、且つ前記テラヘルツ波検出部の他方側から前記プローブ光が入射して前記光検出部側に反射する請求項３記載の分光計測装置。

【請求項5】

前記波長板は、λ／４波長板であり、
前記測定部では、前記テラヘルツ波検出部の一方側から前記テラヘルツ波及び前記プローブ光が入射し、且つ前記テラヘルツ波検出部の他方側に前記プローブ光が透過して前記光検出部側に向かう請求項３記載の分光計測装置。

【請求項6】

前記本体部を構成する光学部品同士の少なくとも一つが偏波保持ファイバによって光学的に接続されている請求項１～５のいずれか一項記載の分光計測装置。

【請求項7】

前記本体部は、前記ポンプ光と前記プローブ光との間の光路長差を調整する調整部を含んで構成されている請求項１～６のいずれか一項記載の分光計測装置。

【請求項8】

前記調整部は、複数のミラー及び前記ミラーの位置を移動させるステージを含んで構成され、前記ポンプ光又は前記プローブ光が光ファイバに依らずに自由空間を伝搬する請求項７記載の分光計測装置。

【請求項9】

前記調整部は、偏波保持ファイバによって構成されている請求項７記載の分光計測装置。

【請求項10】

前記光源部は、ファイバレーザによって構成されている請求項１～９のいずれか一項記載の分光計測装置。

【請求項11】

前記光源部から出力されるレーザ光は、フェムト秒オーダの超短パルス光である請求項１～１０のいずれか一項記載の分光計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、分光計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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～１００ＴＨｚ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。テラヘルツ波の応用として、測定対象物で透過或い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、測定対象物の情報を取得する技術が研究されている。

【0003】

テラヘルツ波を用いた分光計測装置としては、例えば特許文献１，２に記載の装置がある。この分光計測装置は、ポンプ光及びプローブ光を出力する光源部と、ポンプ光の入力によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、測定物に作用したテラヘルツ波とプローブ光とが入力され、当該テラヘルツ波によってプローブ光を変調するテラヘルツ波検出部と、テラヘルツ波検出部で変調されたプローブ光を検出する光検出部とを備えて構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１９－２０２９３号公報

【特許文献2】特開２０２０－２０６４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

テラヘルツ波を用いた分光計測を含めた時間領域分光法の分野では、測定光学系における光路長の担保が非常に重要となっており、一旦光学系のレイアウトを決めると、これを変更するのは容易ではない。例えば特許文献１に記載の分光計測装置では、ポンプ光をテラヘルツ波発生部に入力させる光学系、プローブ光をテラヘルツ波検出部に入力させる光学系、及びテラヘルツ波発生部で発生したテラヘルツ波を測定物に作用させてテラヘルツ波検出部に入力させる光学系のそれぞれの光路長の担保が特に重要となっている。このため、これらの光学系を構成するミラー等の位置を定めた後は、測定プリズムなどの測定部の位置も基本的には不変となる。

【0006】

しかしながら、測定部の位置が不変である場合、測定部にアクセス（例えば測定面に接触）できる測定物の形状や姿勢などが制限されることが考えられる。また、分光計測装置を組み込むことができる装置や製造ラインなどが制限されることなども考えられる。したがって、産業分野での分光計測装置の用途の拡大を図るためには、測定物に対する測定部のアクセス性を向上させることが必要となる。

【0007】

本開示は、上記課題の解決のためになされたものであり、測定物に対する測定部のアクセス性を向上させることができる分光計測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一側面に係る分光計測装置は、ポンプ光及びプローブ光を出力する光源部と、ポンプ光の入力によってテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波及びプローブ光がそれぞれ入力され、テラヘルツ波の入力に伴う電気光学効果によって屈折率が変化することで、当該屈折率に基づくプローブ光の変調を行うテラヘルツ波検出部と、テラヘルツ波検出部で変調されたプローブ光を検出する光検出部と、を備え、光源部と光検出部とを含んで構成された本体部と、テラヘルツ波発生部とテラヘルツ波検出部とを含んで構成された測定部と、を有し、本体部と測定部とが偏波保持ファイバによって光学的に接続されている。

【0009】

この分光計測装置では、テラヘルツ波の入力に伴う電気光学効果によってテラヘルツ波検出部の屈折率の変化をプローブ光によってサンプリングする。これにより、測定物に作用したテラヘルツ波の電場波形を取得でき、電場波形に基づいて測定物の情報を取得できる。また、この分光計測装置では、測定部が偏波保持ファイバによって本体部と光学的に接続されている。これにより、測定部を本体部に対して自由に配置することが可能となり、測定物に対する測定部のアクセス性を向上させることができる。測定部にアクセスできる測定物の形状や姿勢の制限を撤廃でき、また、分光計測装置を組み込むことができる装置や製造ラインなどが増えることで、産業分野での分光計測装置の用途の拡大が図られる。偏波保持ファイバを用いることで、テラヘルツ波検出部に入力されるプローブ光の偏光状態が保持されるため、光検出部でのプローブ光の検出効率も維持できる。

【0010】

測定部は、テラヘルツ波発生部及びテラヘルツ波検出部との間のテラヘルツ波の光路上に測定面を有していてもよい。本体部に対して自由に配置可能な測定部に測定面を設けることで、測定物に対する測定部のアクセス性を一層向上させることができる。

【0011】

測定部は、テラヘルツ波検出部で変調されたプローブ光が光検出部に向かう光路上に配置された波長板を更に含んで構成されていてもよい。偏波保持ファイバでは、第１偏光成分とこれに直交する第２偏光成分との間で屈折率が異なるため、伝搬した光の第１偏光成分と第２偏光成分とが時間的にずれてしまうことが考えられる。したがって、測定部の適切な位置に波長板を配置することで、光検出部でのプローブ光の検出効率を担保できる。

【0012】

波長板は、λ／８波長板であり、測定部では、テラヘルツ波検出部の一方側からテラヘルツ波が入射し、且つテラヘルツ波検出部の他方側からプローブ光が入射して光検出部側に反射してもよい。この構成によれば、例えばプローブ光の初期の偏光状態を直線偏光とする場合において、テラヘルツ波検出部への入力の前後でプローブ光をλ／８波長板に２回入射させることで、プローブ光の偏光成分を第１偏光成分及び第２偏光成分に適切に分離することが可能となる。したがって、光検出部でのプローブ光の検出効率を好適に担保できる。

【0013】

波長板は、λ／４波長板であり、測定部では、テラヘルツ波検出部の一方側からテラヘルツ波及びプローブ光が入射し、且つテラヘルツ波検出部の他方側にプローブ光が透過して光検出部側に向かってもよい。この構成によれば、例えばプローブ光の初期の偏光状態を直線偏光とする場合において、テラヘルツ波検出部を経たプローブ光をλ／４波長板に１回入射させることで、プローブ光の偏光成分を第１偏光成分及び第２偏光成分に適切に分離することが可能となる。したがって、光検出部でのプローブ光の検出効率を好適に担保できる。

【0014】

本体部を構成する光学部品同士の少なくとも一つが偏波保持ファイバによって光学的に接続されていてもよい。これにより、本体部内での光学部品同士の配置の自由度を高めることができる。このことは、本体部の小型化にも寄与する。

【0015】

本体部は、ポンプ光とプローブ光との間の光路長差を調整する調整部を含んで構成されていてもよい。これにより、テラヘルツ波検出部へのテラヘルツ波及びプローブ光の入力のタイミングを自在に調整できる。調整部によってテラヘルツ波検出部へのプローブ光の入力タイミングを掃引することで、測定物に作用したテラヘルツ波の電場波形を好適に取得できる。

【0016】

調整部は、複数のミラー及びミラーの位置を移動させるステージを含んで構成され、ポンプ光又はプローブ光が光ファイバに依らずに自由空間を伝搬してもよい。この場合、簡単な構成で調整部を構築できる。

【0017】

調整部は、偏波保持ファイバによって構成されていてもよい。この場合、本体部内での光学部品同士の配置の自由度を更に高めることができる。また、本体部の一層の小型化が図られる。

【0018】

光源部は、ファイバレーザによって構成されていてもよい。この場合、光源部の小型化が可能となり、本体部の一層の小型化が図られる。

【0019】

光源部から出力されるレーザ光は、フェムト秒オーダの超短パルス光であってもよい。超短パルス光を用いることで、テラヘルツ波発生部で発生するテラヘルツ波の帯域が拡大され、分光計測装置の計測帯域を広げることが可能となる。

【発明の効果】

【0020】

本開示によれば、測定物に対する測定部のアクセス性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本開示の一側面に係る分光計測装置の一実施形態を示す斜視図である。

【図2】図１に示した分光計測装置の構成要素を示すブロック図である。

【図3】図１に示した分光計測装置による電気光学サンプリングの原理を示す模式図である。

【図4】（ａ）及び（ｂ）は、測定物に作用するテラヘルツ波の電場波形と変調されたプローブ光の偏光状態との関係を示す模式図である。

【図5】（ａ）及び（ｂ）は、比較例に係るプローブ光の偏光状態を示す模式図である。

【図6】（ａ）及び（ｂ）は、実施例に係るプローブ光の偏光状態を示す模式図である。

【図7】変形例に係る分光計測装置の要部の構成要素を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、図面を参照しながら、本開示の一側面に係る分光計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

【0023】

図１は、本開示の一側面に係る分光計測装置の一実施形態を示す斜視図である。同図に示す分光計測装置１は、電気光学サンプリングによって測定物（不図示）の光学パラメータを計測する装置として構成されている。測定物は、液体、粉体、固体等の物質である。計測対象となる光学パラメータとしては、例えば屈折率、吸収係数、複素誘電率等が挙げられる。

【0024】

分光計測装置１は、図１に示すように、例えば直方体形状をなす箱型の本体部２と、測定面Ｍを有するハンディタイプの筐体４を備えた測定部３とを備えている。本体部２と測定部３とは、後述する偏波保持ファイバＦを収容する可撓性のケーブル５によって物理的に接続されている。これにより、分光計測装置１では、測定部３を本体部２に対して自由に動かすことができ、ケーブル５の長さの範囲で測定面Ｍを任意の位置に配置することが可能となっている。図１では、測定部３の筐体４の側面に測定面Ｍが設けられているが、筐体４における測定面Ｍの位置は任意である。

【0025】

図２は、図１に示した分光計測装置の構成要素を示すブロック図である。図２に示すように、分光計測装置１の本体部２は、ポンプ光Ｌａ及びプローブ光Ｌｂとなるレーザ光Ｌを出力する光源部１１と、ポンプ光Ｌａを導光する導光光学系１２Ａと、プローブ光Ｌｂを導光する導光光学系１２Ｂと、プローブ光Ｌｂを検出する光検出部１３とを含んで構成されている。

【0026】

本実施形態では、本体部２の各構成要素は、全てファイバベースの光学部品によって構成され、これらの構成要素同士は、全て偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。ファイバベースの光学部品とは、ファイバによって部品同士を光学的に連結可能な部品である。ファイバベースの光学部品には、光の入力端及び出力端の少なくとも一方が光ファイバである部品も含まれ得る。偏波保持ファイバＦは、例えばコアの両側に円形の応力付与部が配置された構造を有している。偏波保持ファイバＦでは、コアに非軸対称な応力を加えて大きな複屈折を誘起することにより、複屈折の揺らぎによる偏光の変動抑制機能が発揮される。

【0027】

分光計測装置１の測定部３は、ポンプ光Ｌａの入力に応じてテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生部２１と、上述した測定面Ｍ（図１参照）を構成する測定プリズム２２と、テラヘルツ波Ｔ及びプローブ光Ｌｂがそれぞれ入力されるテラヘルツ波検出部２３と、λ／８波長板２４とを含んで構成されている。

【0028】

光源部１１は、ポンプ光Ｌａ及びプローブ光Ｌｂとなるレーザ光Ｌを出力する部分である。本実施形態では、光源部１１は、超短パルスファイバレーザによって構成されており、光源部１１から出力されるレーザ光Ｌは、フェムト秒オーダの超短パルス光となっている。レーザ光Ｌのパルス幅は、例えば２００ｆｓ以下である。本実施形態では、レーザ光Ｌは、例えばパルス幅６０ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５０ｍＷとなっている。レーザ光Ｌの波長は、例えばアイセーフ帯である１５６０ｎｍとなっている。光源部１１から出力されたレーザ光Ｌは、カプラ１４によってポンプ光Ｌａとプローブ光Ｌｂとに分岐される。

【0029】

カプラ１４で分岐したポンプ光Ｌａの導光光学系１２Ａには、光路長調整部（調整部）１５Ａと、分散補正パッチコード１６Ａと、変調部１７とが配置されている。光路長調整部１５Ａは、テラヘルツ波検出部２３へのプローブ光Ｌｂの入射タイミングをテラヘルツ波Ｔに対して掃引する部分である。本実施形態では、光路長調整部１５Ａは、複数のミラー及びミラーの位置を移動させるステージを含んで構成された遅延ステージによって構成されている。したがって、光路長調整部１５Ａでは、ポンプ光Ｌａは、光ファイバ（偏波保持ファイバＦ）に依らずに自由空間を伝搬する。ポンプ光Ｌａは、遅延ステージによってプローブ光Ｌｂに対する所定の遅延を与えられた状態で分散補正パッチコード１６Ａに入力される。

【0030】

分散補正パッチコード１６Ａは、偏波保持ファイバＦを通過する光（ここではポンプ光Ｌａ）の波長分散を補正する部分である。分散補正パッチコード１６Ａは、例えば導光光学系１２Ａを構成する偏波保持ファイバＦの長さに応じて生じる波長分散を相殺する（逆分散を与える）長さの分散補償ファイバによって構成されている。これにより、ポンプ光Ｌａは、テラヘルツ波発生部２１に入射する際のパルス幅が最小になるように調整された状態で変調部１７に入力される。

【0031】

変調部１７は、テラヘルツ波発生部２１に向かうポンプ光Ｌａのオン／オフを周期的に切り替える部分である。変調部１７は、例えば光チョッパによって構成されている。光チョッパは、光を遮蔽するリブが所定の位相角をもって中心から放射状に設けられた円盤状の部材である。光チョッパの回転によってポンプ光Ｌａのオン／オフが周期的に切り替えられることにより、テラヘルツ波発生部２１におけるテラヘルツ波Ｔの発生のタイミングが制御される。光チョッパによるポンプ光Ｌａのオン／オフの繰り返し周波数を示す信号は、光検出部１３を構成する後述のロックイン増幅器３２に出力される。なお、変調部１７は、光チョッパによる変調に限られず、音響光学素子或いは電気光学素子などを用いた他の変調を行う態様であってもよい。

【0032】

カプラ１４で分岐したプローブ光Ｌｂの導光光学系１２Ｂには、光路長調整部（調整部）１５Ｂと、分散補正パッチコード１６Ｂと、サーキュレータ１８とが配置されている。光路長調整部１５Ｂは、テラヘルツ波検出部２３に対するテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光Ｌｂの入力の時間差を調整する部分である。本実施形態では、光路長調整部１５Ｂは、導光光学系１２Ａに配置された光路長調整部１５Ａと同様の遅延ステージによって構成されている。したがって、光路長調整部１５Ｂでは、プローブ光Ｌｂは、光ファイバ（偏波保持ファイバＦ）に依らずに自由空間を伝搬する。プローブ光Ｌｂは、遅延ステージによってポンプ光Ｌａに対する所定の遅延を与えられた状態で分散補正パッチコード１６Ｂに入力される。

【0033】

本実施形態では、分散補正パッチコード１６Ｂは、導光光学系１２Ａに配置された分散補正パッチコード１６Ａと同様の分散補償ファイバによって構成されている。これにより、プローブ光Ｌｂは、テラヘルツ波検出部２３に入射する際のパルス幅が最小になるように調整された状態でサーキュレータ１８に入力される。サーキュレータ１８は、光に対する３つのポートを有し、互いに反対方向に進行する２つの光を分離するための光学部品である。サーキュレータ１８のポート１に入力されたプローブ光Ｌｂは、ポート２から測定部３に向けて出力される。測定部３からポート２に戻ったプローブ光Ｌｂは、ポート３から出力され、偏光分離素子１９を経て光検出部１３に入力される。

【0034】

変調部１７を通過したポンプ光Ｌａ及びサーキュレータ１８のポート２から出力されたプローブ光Ｌｂは、ケーブル５（図１参照）に収容された偏波保持ファイバＦを介して測定部３に至り、ＧＲＩＮレンズ２０Ａ、２０Ｂからファイバ外に出射される。すなわち、本体部２と測定部３との間のポンプ光Ｌａ及びプローブ光Ｌｂの光学的な接続は、測定部３に配置された２つの屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）２０Ａ，２０Ｂによって実現される。変調部１７から一方のＧＲＩＮレンズ２０Ａを介して測定部３に入力されたポンプ光Ｌａは、テラヘルツ波発生部２１に入力される。

【0035】

テラヘルツ波発生部２１は、ポンプ光Ｌａの入射によってテラヘルツ波Ｔを発生させる部分である。テラヘルツ波発生部２１は、例えばポンプ光Ｌａとして用いるレーザ光Ｌの波長が１５６０ｎｍの場合には、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium tosylate）などの有機非線形光学結晶によって構成され得る。当該結晶から発生するテラヘルツ波Ｔのパルス幅は、一般的には数ｐｓ程度であり、０．１ＴＨｚ～５ＴＨｚ程度の帯域の周波数成分を含んでいる。テラヘルツ波発生部２１で発生したテラヘルツ波Ｔは、測定プリズム２２に入力される。

【0036】

本実施形態の手法は、全反射減衰分光（ＡＴＲ）法と称される手法であり、測定面Ｍに測定物を接触させた状態で計測を実施する。測定プリズム２２は、例えば入力面、出力面、及び全反射面を有している。測定プリズム２２の全反射面は、上述した測定面Ｍに相当する面である。測定面Ｍは、テラヘルツ波発生部２１及びテラヘルツ波検出部２３との間のテラヘルツ波Ｔの光路上に位置している。テラヘルツ波Ｔは、入力面から測定プリズム２２内に入射し、測定面Ｍで全反射した後、出力面から測定プリズム２２外に出射する。測定プリズム２２外に出射したテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ波検出部２３に入力される。測定面Ｍでのテラヘルツ波Ｔの全反射の際に生じたエバネセント成分は、測定面Ｍに配置される測定物に作用する。これにより、テラヘルツ波Ｔによる測定物の情報の取得が行われることとなる。

【0037】

テラヘルツ波検出部２３は、測定物に作用したテラヘルツ波Ｔを検出する部分である。テラヘルツ波検出部２３は、例えばＧａＡｓの（１１１）面を切り出した電気光学結晶によって構成されている。本実施形態では、テラヘルツ波検出部２３の一方側からテラヘルツ波Ｔが入射し、テラヘルツ波検出部２３の他方側からプローブ光Ｌｂが入射するようになっている。テラヘルツ波検出部２３では、テラヘルツ波Ｔの入力に伴う電気光学効果によって屈折率が変化し、当該屈折率に基づくプローブ光Ｌｂの変調が行われる。

【0038】

プローブ光Ｌｂは、測定部３に配置された他方のＧＲＩＮレンズ２０Ｂを介して測定部３に入力される。測定部３に入力されたプローブ光Ｌｂは、λ／８波長板２４を通ってテラヘルツ波検出部２３の他方側に入射する。テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂは、テラヘルツ波検出部２３で反射して光検出部１３側に向かう。プローブ光Ｌｂは、再びλ／８波長板２４を通った後、ＧＲＩＮレンズ２０Ｂを介して本体部２に戻る。本体部２に戻ったプローブ光Ｌｂは、サーキュレータ１８を通り、偏光分離素子１９を経て光検出部１３に入力される。

【0039】

光検出部１３は、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂを検出する部分である。本実施形態では、光検出部１３は、バランス検出器３１と、ロックイン増幅器３２とによって構成されている。光検出部１３の前段には、偏光分離素子１９が配置されている。偏光分離素子１９は、例えば光ファイバ融着型偏光ビームスプリッタによって構成されている。光ファイバ融着型偏光ビームスプリッタは、光ファイバに通すことで光の第１偏光成分と第２偏光成分とを分離する光学素子である。第１偏光成分は、例えば光源部１１から出力されるレーザ光Ｌの偏光と同方向の成分であり、第２偏光成分は、第１偏光成分に直交する方向の成分である。以下、説明の便宜上、第１偏光成分を縦偏光成分と称し、第２偏光成分を横偏光成分と称する。

【0040】

バランス検出器３１は、偏光分離素子１９で分離されたプローブ光Ｌｂの縦偏光成分と横偏光成分との差分を検出する。バランス検出器３１は、縦偏光成分と横偏光成分との差分に基づく差分信号をロックイン増幅器３２に出力する。差分検出を行うことにより、プローブ光Ｌｂの強度変動成分が除去される。差分検出を行うにあたっては、テラヘルツ波Ｔがテラヘルツ波検出部２３に入射しない状態でバランス検出器３１から差分信号の強度がゼロとなるように感度調整がなされていることが好ましい。また、偏光分離素子１９とバランス検出器３１との間には、光減衰器を配置してもよい。光減衰器の配置により、バランス検出器３１に入力される縦偏光成分の強度と横偏光成分の強度とをそれぞれ容易に調整できる。

【0041】

ロックイン増幅器３２は、光チョッパによるポンプ光Ｌａのオン／オフの繰り返し周波数に基づいて、バランス検出器３１から出力される差分信号を同期検出する。ロックイン増幅器３２から出力される検出信号は、テラヘルツ波検出部２３に入力されたテラヘルツ波Ｔの電場強度に依存した値をとる。

【0042】

一般に、テラヘルツ波Ｔのパルス幅はピコ秒程度である。これに対し、プローブ光Ｌｂのパルス幅はフェムト秒程度であり、テラヘルツ波Ｔと比べてプローブ光Ｌｂのパルス幅は数桁小さくなっている。このため、光路長調整部１５Ａによりテラヘルツ波検出部２３へのプローブ光Ｌｂの入射タイミングが掃引されることで、テラヘルツ波Ｔの電場波形（電場振幅の時間波形）が得られる。このテラヘルツ波Ｔの電場波形に基づいて、測定物の光学パラメータを得ることができる。

【0043】

図３は、図１に示した分光計測装置による電気光学サンプリングの原理を示す模式図である。同図に示すように、分光計測装置１における電気光学サンプリングでは、パルス状のテラヘルツ波Ｔが用いられる。テラヘルツ波Ｔの入力に伴い、テラヘルツ波検出部２３では、電気光学効果によって屈折率の変化が生じる。電気光学効果は、媒質に入射した電界によって当該媒質の光学特性が変化する現象である。電気光学効果によって変化した屈折率に基づいてテラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂは、テラヘルツ波Ｔの電場波形情報を有するプローブ光Ｌｂとなる。したがって、テラヘルツ波検出部２３での屈折率の変化をプローブ光Ｌｂによってサンプリングすることで、測定物に作用したテラヘルツ波Ｔの電場波形を取得することができる。

【0044】

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、測定物に作用するテラヘルツ波の電場波形と変調されたプローブ光の偏光状態との関係を示す模式図である。同図に示すように、テラヘルツ波検出部２３での屈折率の変化は、テラヘルツ波検出部２３を経たプローブ光Ｌｂの偏光状態の変化として読み取ることができる。この場合、例えばテラヘルツ波検出部２３に向かうプローブ光Ｌｂの初期の偏光状態を直線偏光とし、テラヘルツ波Ｔの電場強度がゼロである場合（図４（ａ）におけるＡ，Ｄの場合）に偏光分離素子１９に入力されるプローブ光Ｌｂの偏光状態を円偏光とすることが好適である。

【0045】

例えばテラヘルツ波Ｔの電場強度がゼロである場合（図４（ａ）におけるＡ，Ｄの場合）には、テラヘルツ波検出部２３での屈折率の変化は生じず、テラヘルツ波検出部２３を経たプローブ光Ｌｂの偏光状態が初期の偏光状態のままで維持される。このとき、偏光分離素子１９に入力されるプローブ光Ｌｂの偏光状態が円偏光であれば、バランス検出器３１からの出力がゼロとなる。一方、テラヘルツ波Ｔの電場強度がゼロより大きい場合（図４（ａ）におけるＢ，Ｃの場合）には、テラヘルツ波Ｔの電場強度に応じてテラヘルツ波検出部２３での屈折率の変化が生じる。このとき、テラヘルツ波検出部２３を経たプローブ光Ｌｂの偏光状態が屈折率の変化に応じた位相の楕円偏光に変化すれば、バランス検出器３１からの出力は、テラヘルツ波Ｔの電場強度に応じた非ゼロの値となる。

【0046】

続いて、プローブ光の偏光状態に基づくテラヘルツ波の電場波形の復元手法について説明する。上述したように、分光計測装置１では、本体部２と測定部３とが偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。また、本体部２を構成する光学部品同士も偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。偏波保持ファイバＦでは、コアに非軸対称な応力を加えており、伝搬する光の縦偏光成分に対する屈折率と横偏光成分に対する屈折率とが互いに異なっている。このため、偏波保持ファイバＦを伝搬した光では、縦偏光成分と横偏光成分との間で出力のタイミングにずれが生じ得る。

【0047】

ここで、比較例として、図５（ａ）に示すように、テラヘルツ波検出部２３の一方側からテラヘルツ波Ｔが入射し、テラヘルツ波検出部２３の他方側からプローブ光Ｌｂが入射する態様において、例えばλ／４波長板１０１をサーキュレータ１８と偏光分離素子１９との間に配置する場合を想定する。この場合、図５（ｂ）に示すように、テラヘルツ波検出部２３に向かうプローブ光Ｌｂ（図５（ａ）におけるＡ）が直線偏光であり、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂ（図５（ａ）におけるＢ）が楕円偏光であるとすると、サーキュレータ１８から偏光分離素子１９に向かうプローブ光Ｌｂ（図５（ａ）におけるＣ）の偏光状態は、タイミングがずれた２つの直線偏光となる。

【0048】

このプローブ光Ｌｂが偏光分離素子１９に入力される直前にλ／４波長板１０１を通ると、当該λ／４波長板１０１を通ったプローブ光Ｌｂ（図５（ａ）におけるＤ）の偏光状態は、タイミングがずれた２つの円偏光となる。この場合、偏光分離素子１９で分離されるプローブ光Ｌｂの縦偏光成分及び横偏光成分が等しくなり、バランス検出器３１から出力される差分値がゼロとなる。したがって、テラヘルツ波検出部２３での屈折率の変化が生じているにも関わらず、光検出部１３で検出されるプローブ光Ｌｂの偏光状態が直線偏光の場合と同じとなり、テラヘルツ波Ｔの電場強度が０であるとの検出結果が得られてしまうことが想定される。

【0049】

これに対し、分光計測装置１では、図６（ａ）に示すように、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂが光検出部１３に向かう光路上、より具体的には、測定部３におけるテラヘルツ波検出部２３とＧＲＩＮレンズ２０Ｂ（図２参照）との間にλ／８波長板２４が配置されている。この構成では、図６（ｂ）に示すように、サーキュレータ１８から向かうλ／８波長板２４に向かうプローブ光Ｌｂ（図６（ａ）におけるＡ）の偏光状態が直線偏光であり、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂ（図６（ａ）におけるＢ）の偏光状態は、屈折率の変化に応じた位相の楕円偏光となる。

【0050】

テラヘルツ波検出部２３で反射して再びλ／８波長板２４を通ったプローブ光Ｌｂ（図６（ａ）におけるＣ）の偏光状態は、楕円率の異なる楕円偏光となり、サーキュレータ１８から偏光分離素子１９に向かうプローブ光Ｌｂ（図６（ａ）におけるＤ）の偏光状態は、タイミングがずれた２つの直線偏光となる。偏光分離素子１９で分離されるプローブ光Ｌｂの縦偏光成分及び横偏光成分の差分値をバランス検出器３１で検出した場合にその値は非ゼロとなるため、プローブ光Ｌｂの偏光状態に基づくテラヘルツ波Ｔの電場波形を容易に復元できる。

【0051】

プローブ光Ｌｂにおける２つの直線偏光のタイミングのずれは、概ねピコ秒オーダとなる。このため、この種の分光計測に通常利用されるＭＨｚ帯以下のバランス検出器では、プローブ光Ｌｂにおける２つの直線偏光のタイミングのずれが分離されることはなく、同時にバランス検出器に入力したと見做されて差分検出が行われる。したがって、λ／８波長板２４を通過した後のプローブ光Ｌｂに関しては、偏波保持ファイバＦによる作用で時間的に直線偏光成分が分離されたとしても、テラヘルツ波Ｔの計測に対する影響は生じない。

【0052】

以上説明したように、分光計測装置１では、テラヘルツ波Ｔの入力に伴う電気光学効果によってテラヘルツ波検出部２３の屈折率の変化をプローブ光Ｌｂによってサンプリングする。これにより、測定物に作用したテラヘルツ波Ｔの電場波形を取得でき、電場波形に基づいて測定物の情報を取得できる。また、分光計測装置１では、測定部３が偏波保持ファイバＦによって本体部２と光学的に接続されている。これにより、測定部３（測定面Ｍ）を本体部２に対して自由に配置することが可能となり、測定物に対する測定部３のアクセス性を向上させることができる。

【0053】

測定部３にアクセスできる測定物の形状や姿勢の制限を撤廃でき、また、分光計測装置１を組み込むことができる装置や製造ラインなどが増えることで、産業分野での分光計測装置１の用途の拡大が図られる。分光計測装置１では、偏波保持ファイバＦを用いることで、テラヘルツ波検出部２３に入力されるプローブ光Ｌｂの偏光状態が保持されるため、光検出部１３でのプローブ光Ｌｂの検出効率も維持できる。

【0054】

また、分光計測装置１では、テラヘルツ波検出部２３が電気光学結晶によって構成されているため、電磁環境両立性（ＥＭＣ）対策が不要となる。例えばテラヘルツ波検出部２３を光伝導アンテナによって構成する場合、テラヘルツ波検出部２３において電気信号を利用するため、測定部３において、ノイズ対策に加え、電磁シールドを備えた筐体４を設計する必要が生じる。これに対し、テラヘルツ波検出部２３を電気光学結晶によって構成した電気光学サンプリングでは、テラヘルツ波検出部２３において電気信号を利用しないため、電磁シールドを設けないプラスチック等で測定部３の筐体４を構成することができる。

【0055】

分光計測装置１では、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂが光検出部１３に向かう光路上に配置された波長板を含んで構成されている。本実施形態では、波長板は、λ／８波長板２４であり、測定部３では、テラヘルツ波検出部２３の一方側からテラヘルツ波Ｔが入射し、且つテラヘルツ波検出部２３の他方側からプローブ光Ｌｂが入射して光検出部１３側に反射する。この構成によれば、例えばプローブ光Ｌｂの初期の偏光状態が直線偏光である場合、テラヘルツ波検出部２３への入力の前後でプローブ光Ｌｂをλ／８波長板２４に２回入射させることで、プローブ光Ｌｂの偏光成分を縦偏光成分及び横偏光成分に適切に分離することが可能となる。したがって、光検出部１３でのプローブ光Ｌｂの検出効率を好適に担保できる。

【0056】

分光計測装置１では、本体部２を構成する光学部品同士の少なくとも一つが偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。本実施形態では、本体部２を構成する光学部品は、光路長調整部１５Ａ，１５Ｂを除いて全てファイバベースの光学部品によって構成され、これらの構成要素同士が全て偏波保持ファイバＦによって光学的に接続されている。これにより、本体部２内での光学部品同士の配置の自由度を高めることができる。このことは、本体部２の小型化にも寄与する。

【0057】

分光計測装置１では、ポンプ光Ｌａとプローブ光Ｌｂとの間の光路長差を調整する光路長調整部１５Ａ，１５Ｂを含んで本体部２が構成されている。これにより、テラヘルツ波検出部２３へのテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光Ｌｂの入力のタイミングを自在に調整できる。例えば光路長調整部１５Ａによってテラヘルツ波検出部２３へのプローブ光Ｌｂの入力タイミングを掃引することで、測定物に作用したテラヘルツ波Ｔの電場波形を好適に取得できる。

【0058】

分光計測装置１では、光路長調整部１５Ａ，１５Ｂのそれぞれが複数のミラー及びミラーの位置を移動させるステージを含んで構成され、ポンプ光Ｌａ又はプローブ光Ｌｂが光ファイバに依らずに自由空間を伝搬する。これにより、簡単な構成で光路長調整部１５Ａ，１５Ｂを構築できる。また、分光計測装置１では、光源部１１がファイバレーザによって構成されている。これにより、光源部１１の小型化が可能となり、本体部２の一層の小型化が図られる。

【0059】

本開示は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、波長板がλ／８波長板２４によって構成され、測定部３では、テラヘルツ波検出部２３の一方側からテラヘルツ波Ｔが入射し、且つテラヘルツ波検出部２３の他方側からプローブ光Ｌｂが入射して光検出部１３側に反射するが、測定部３の構成は、他の態様を採り得る。

【0060】

例えば図７に示すように、波長板がλ／４波長板４１によって構成され、測定部３では、テラヘルツ波検出部２３の一方側からテラヘルツ波Ｔ及びプローブ光Ｌｂが入射し、且つテラヘルツ波検出部２３の他方側にプローブ光Ｌｂが透過して光検出部１３側に向かってもよい。この構成によれば、例えばプローブ光Ｌｂの初期の偏光状態が直線偏光である場合、テラヘルツ波検出部２３を経たプローブ光Ｌｂをλ／４波長板４１に１回入射させることで、偏光分離素子１９に向かうプローブ光Ｌｂの偏光状態をタイミングがずれた２つの直線偏光とすることができる。したがって、プローブ光Ｌｂの偏光成分を縦偏光成分及び横偏光成分に適切に分離することが可能となり、光検出部１３でのプローブ光Ｌｂの検出効率を好適に担保できる。

【0061】

なお、図７の例では、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂを測定部３から本体部２に導光する構成として、λ／４波長板４１の後段側にファイバ結合素子４２が配置されている。ファイバ結合素子４２は、例えばレンズによって構成され、λ／４波長板４１を通ったプローブ光Ｌｂを、本体部２と測定部３とを光学的に接続する偏波保持ファイバＦに入射させる。

【0062】

また、上記実施形態では、光路長調整部１５Ａ，１５Ｂのそれぞれが複数のミラー及びミラーの位置を移動させるステージを含んで構成され、ポンプ光Ｌａ又はプローブ光Ｌｂが光ファイバに依らずに自由空間を伝搬するが、光路長調整部１５Ａ，１５Ｂの少なくとも一方が偏波保持ファイバＦによって構成されていてもよい。この場合、本体部２内での光学部品同士の配置の自由度を更に高めることができる。また、本体部２の一層の小型化が図られる。

【0063】

光路長調整部１５Ａ，１５Ｂを偏波保持ファイバＦによって構成する場合の一例としては、圧電素子に所定の長さの偏波保持ファイバＦを巻き付けた構成が考えられる。この構成によれば、圧電素子に電圧を印加して体積を変化させることで、圧電素子に巻き付けられている偏波保持ファイバＦのファイバ長を調整することができる。したがって、ポンプ光Ｌａ又はプローブ光Ｌｂの光路長の制御を精度良く実施できる。

【0064】

また、上記実施形態では、ポンプ光Ｌａの導光光学系１２Ａに分散補正パッチコード１６Ａが配置され、プローブ光Ｌｂの導光光学系１２Ｂに分散補正パッチコード１６Ｂが配置されているが、分散補正パッチコード１６Ａ，１６Ｂを必ずしも用いなくてもよい。この場合、一定の距離を伝搬したポンプ光Ｌａ及びプローブ光Ｌｂのパルス幅がテラヘルツ波発生部２１及びテラヘルツ波検出部２３に入射する際に最短となるように、予め逆分散を与えたレーザ光源を用いて分光計測装置１を構成すればよい。また、分散補正パッチコード１６Ａ，１６Ｂに代えて、偏波保持パッチコードを用いてもよく、偏波保持パッチコードと分散補正パッチコードとを組み合わせて用いてもよい。

【0065】

また、上記実施形態では、測定部３において、テラヘルツ波検出部２３で変調されたプローブ光Ｌｂが光検出部１３に向かう光路上に波長板（λ／８波長板２４、λ／４波長板４１）が配置されているが、波長板に代えて、プローブ光Ｌｂの偏光状態を調節可能な他の素子を配置してもよい。このような素子としては、例えばファラデー回転子などが挙げられる。図７に示した例のように、プローブ光ｂが波長板を往復しない構成の場合には、偏光回転子（例えば石英偏光回転子）などを用いることも可能である。

【0066】

また、上記実施形態では、全反射減衰分光（ＡＴＲ）法に基づき、測定面Ｍに測定物を接触させた状態で計測を実施する態様を例示したが、分光計測装置１における計測手法はこれに限られない。例えば測定面Ｍから自由空間に出射させたテラヘルツ波Ｔを測定物に照射し、その反射光を再び測定面Ｍに入射させ、テラヘルツ波検出部２３で検出する態様としてもよい。また、例えば測定面Ｍから自由空間に出射させたテラヘルツ波Ｔを測定物に照射し、その透過光をミラー等で反射させて再び測定面Ｍに入射させ、テラヘルツ波検出部２３で検出する態様としてもよい。

【0067】

また、測定部３の筐体４に測定面Ｍを設けず、筐体４内に測定物を配置する態様としてもよい。この場合、例えば測定部３において、測定プリズム２２の配置を省略し、その代わりにテラヘルツ波発生部２１とテラヘルツ波検出部２３との間に測定物を配置する。そして、テラヘルツ波発生部２１で発生したテラヘルツ波Ｔを測定物に照射し、その透過光をテラヘルツ波検出部２３で検出する態様としてもよい。

【符号の説明】

【0068】

１…分光計測装置、２…本体部、３…測定部、１１…光源部、１３…光検出部、１５Ａ，１５Ｂ…光路長調整部（調整部）、２１…テラヘルツ波発生部、２３…テラヘルツ波検出部、２４…λ／８波長板（波長板）、４１…λ／４波長板（波長板）、Ｆ…偏波保持ファイバ、Ｌ…レーザ光、Ｌａ…ポンプ光、Ｌｂ…プローブ光、Ｍ…測定面、Ｔ…テラヘルツ波。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】