特開 2023-184020 分光分析装置

(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】P2023184020

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】分光分析装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3581 20140101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3581

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022097907

(22)【出願日】2022-06-17

【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）総務省、戦略的情報通信研究開発推進事業、「高速テラヘルツ波検出技術による１～３ＴＨｚ帯リアルタイム小型分光センシングシステムの研究開発」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(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

(72)【発明者】

【氏名】秋山 高一郎

(72)【発明者】

【氏名】中西 篤司

(72)【発明者】

【氏名】藤田 和上

(72)【発明者】

【氏名】道垣内 龍男

【テーマコード（参考）】

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G059AA01

2G059DD13

2G059EE01

2G059EE11

2G059GG01

2G059GG09

2G059HH05

2G059JJ11

2G059LL01

2G059NN05

(57)【要約】

【課題】テラヘルツ波による試料の分光分析を適切に実施することができる分光分析装置を提供する。
【解決手段】分光分析装置１Ａは、所定の支持エリア２ａを含むように試料Ｓを支持する支持部２と、所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔを出射する光源３と、テラヘルツ波Ｔをコリメートする第１軸外放物面ミラー４と、テラヘルツ波Ｔを支持エリア２ａ上に集光する第１レンズ５と、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔを検出する光検出器８と、を備える。光源３は、量子カスケードレーザ素子と、可動回折格子と、を有する。光源３から第１軸外放物面ミラー４及び第１レンズ５を介して支持エリア２ａに至る距離は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。第１レンズ５の有効径は、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下である。支持エリア２ａの外径は、０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の支持エリアを含むように試料を支持する支持部と、
所定の周波数範囲のテラヘルツ波を出射する光源と、
前記光源から出射された前記テラヘルツ波をコリメートする第１軸外放物面ミラーと、
前記第１軸外放物面ミラーによってコリメートされた前記テラヘルツ波を前記支持エリア上に集光する第１レンズと、
前記試料に照射された前記テラヘルツ波を検出する光検出器と、を備え、
前記光源は、
第１周波数の第１光及び第２周波数の第２光を生成し、前記第１周波数及び前記第２周波数の差周波数の前記テラヘルツ波を出射する量子カスケードレーザ素子と、
前記第１光について外部共振器を構成し、前記量子カスケードレーザ素子に対する回折格子パターンの角度を変化させることで前記第１周波数を変化させる可動回折格子と、を有し、
前記光源から前記第１軸外放物面ミラー及び前記第１レンズを介して前記支持エリアに至る距離は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、
前記第１レンズの有効径は、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、
前記支持エリアの外径は、０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である、分光分析装置。

【請求項2】

前記試料に照射された前記テラヘルツ波をコリメートする第２レンズを更に備える、請求項１に記載の分光分析装置。

【請求項3】

前記試料に照射された前記テラヘルツ波を前記光検出器に集光する第２軸外放物面ミラーを更に備える、請求項１又は２に記載の分光分析装置。

【請求項4】

不活性ガスへの置換又は真空引きが行われる筐体を更に備え、
少なくとも前記光源、前記第１軸外放物面ミラー、前記第１レンズ及び前記光検出器は、前記筐体内に配置されている、請求項１又は２に記載の分光分析装置。

【請求項5】

前記支持部は、前記筐体外に配置されており、
前記筐体は、前記支持エリアの両側において前記支持エリアに対向する第１壁及び第２壁を有し、
前記第１壁には、前記テラヘルツ波を透過させる第１窓部が設けられており、
前記第２壁には、前記テラヘルツ波を透過させる第２窓部が設けられている、請求項４に記載の分光分析装置。

【請求項6】

前記支持エリアと前記第１壁とが対向する方向から見た場合に、前記第１窓部の外径は、前記支持エリアの外径の１倍以上１０倍以下である、請求項５に記載の分光分析装置。

【請求項7】

前記支持部及び前記光検出器のそれぞれの位置は、前記可動回折格子が前記回折格子パターンの前記角度を変化させた際に、固定されている、請求項１又は２に記載の分光分析装置。

【請求項8】

前記第１軸外放物面ミラー及び前記第１レンズのそれぞれの位置は、前記可動回折格子が前記回折格子パターンの前記角度を変化させた際に、固定されている、請求項１又は２に記載の分光分析装置。

【請求項9】

前記周波数範囲は、０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下である、請求項１又は２に記載の分光分析装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光分析装置に関する。

【背景技術】

【0002】

広帯域のテラヘルツ波の出射が可能な光源として、外部共振器型の非線形量子カスケードレーザ光源が知られている（例えば、特許文献１参照）。外部共振器型の非線形量子カスケードレーザ光源は、小型で且つ室温動作が可能な光源であるため、試料の分光分析への応用が期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国出願公開第２０１５／０３１１６６５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、外部共振器型の非線形量子カスケードレーザ光源には、テラヘルツ波の周波数に応じてテラヘルツ波の放射角が変化するという課題がある。そのため、試料の分光分析においては、例えば、テラヘルツ波の周波数に応じて試料を移動させないと、試料に対するテラヘルツ波の照射量がテラヘルツ波の周波数に応じて変化するおそれがある。

【0005】

本発明は、テラヘルツ波による試料の分光分析を適切に実施することができる分光分析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】

【0006】

本発明の分光分析装置は、［１］「所定の支持エリアを含むように試料を支持する支持部と、所定の周波数範囲のテラヘルツ波を出射する光源と、前記光源から出射された前記テラヘルツ波をコリメートする第１軸外放物面ミラーと、前記第１軸外放物面ミラーによってコリメートされた前記テラヘルツ波を前記支持エリア上に集光する第１レンズと、前記試料に照射された前記テラヘルツ波を検出する光検出器と、を備え、前記光源は、第１周波数の第１光及び第２周波数の第２光を生成し、前記第１周波数及び前記第２周波数の差周波数の前記テラヘルツ波を出射する量子カスケードレーザ素子と、前記第１光について外部共振器を構成し、前記量子カスケードレーザ素子に対する回折格子パターンの角度を変化させることで前記第１周波数を変化させる可動回折格子と、を有し、前記光源から前記第１軸外放物面ミラー及び前記第１レンズを介して前記支持エリアに至る距離は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下であり、前記第１レンズの有効径は、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、前記支持エリアの外径は、０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である、分光分析装置」である。

【0007】

上記［１］の分光分析装置では、所定の周波数範囲のテラヘルツ波が第１レンズの有効径内の部分を実質的に通過し、所定の周波数範囲のテラヘルツ波の集光スポットが支持エリア内に実質的に収まる。ここで、試料は、外径が０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下という微小な支持エリアを含むように支持されている。したがって、試料の分光分析の際に、例えば、テラヘルツ波の周波数に応じて試料を移動させなくても、試料に対するテラヘルツ波の照射量が略一定に維持される。テラヘルツ波の周波数に応じて試料を移動させないで済むことは、支持部の構造の簡素化、分析時間の短縮化に繋がる。よって、上記［１］の分光分析装置によれば、テラヘルツ波による試料の分光分析を適切に実施することができる。

【0008】

本発明の分光分析装置は、［２］「前記試料に照射された前記テラヘルツ波をコリメートする第２レンズを更に備える、上記［１］に記載の分光分析装置」であってもよい。当該［２］の分光分析装置によれば、試料に照射されたテラヘルツ波を光検出器に適切に入射させることができる。

【0009】

本発明の分光分析装置は、［３］「前記試料に照射された前記テラヘルツ波を前記光検出器に集光する第２軸外放物面ミラーを更に備える、上記［１］又は［２］に記載の分光分析装置」であってもよい。当該［３］の分光分析装置によれば、試料に照射されたテラヘルツ波を光検出器に適切に入射させることができる。

【0010】

本発明の分光分析装置は、［４］「不活性ガスへの置換又は真空引きが行われる筐体を更に備え、少なくとも前記光源、前記第１軸外放物面ミラー、前記第１レンズ及び前記光検出器は、前記筐体内に配置されている、上記［１］～［３］のいずれかに記載の分光分析装置」であってもよい。当該［４］の分光分析装置によれば、試料に照射されるテラヘルツ波、及び試料に照射されたテラヘルツ波が水分に吸収されるのを防止し、テラヘルツ波の検出感度を向上させることができる。

【0011】

本発明の分光分析装置は、［５］「前記支持部は、前記筐体外に配置されており、前記筐体は、前記支持エリアの両側において前記支持エリアに対向する第１壁及び第２壁を有し、前記第１壁には、前記テラヘルツ波を透過させる第１窓部が設けられており、前記第２壁には、前記テラヘルツ波を透過させる第２窓部が設けられている、上記［４］に記載の分光分析装置」であってもよい。当該［５］の分光分析装置によれば、筐体において不活性ガスへの置換又は真空引きが行われた状態を維持しつつ、支持部に対する試料の配置等を実施することができる。

【0012】

本発明の分光分析装置は、［６］「前記支持エリアと前記第１壁とが対向する方向から見た場合に、前記第１窓部の外径は、前記支持エリアの外径の１倍以上１０倍以下である、上記［５］に記載の分光分析装置」であってもよい。当該［６］の分光分析装置によれば、テラヘルツ波の照射位置を把握しやすくなる。

【0013】

本発明の分光分析装置は、［７］「前記支持部及び前記光検出器のそれぞれの位置は、前記可動回折格子が前記回折格子パターンの前記角度を変化させた際に、固定されている、上記［１］～［６］のいずれかに記載の分光分析装置」であってもよい。当該［７］の分光分析装置によれば、支持部及び光検出器の構造の簡素化を図ることができる。

【0014】

本発明の分光分析装置は、［８］「前記第１軸外放物面ミラー及び前記第１レンズのそれぞれの位置は、前記可動回折格子が前記回折格子パターンの前記角度を変化させた際に、固定されている、上記［１］～［７］のいずれかに記載の分光分析装置」であってもよい。当該［８］の分光分析装置によれば、第１軸外放物面ミラー及び第１レンズの構造の簡素化を図ることができる。

【0015】

本発明の分光分析装置は、［９］「前記周波数範囲は、０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下である、上記［１］～［８］のいずれかに記載の分光分析装置」であってもよい。当該［９］の分光分析装置によれば、テラヘルツ波による試料の分光分析を広い周波数範囲で実施することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、テラヘルツ波による試料の分光分析を適切に実施することができる分光分析装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】一実施形態の分光分析装置の構成図である。

【図2】図１に示される光源の構成図である。

【図3】第１シミュレーションによるテラヘルツ波の集光状態、及び第２シミュレーションによるテラヘルツ波の集光状態を示す図である。

【図4】第１変形例の分光分析装置の構成図である。

【図5】第２変形例の分光分析装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
［分光分析装置の構成］

【0019】

図１に示されるように、分光分析装置１Ａは、支持部２と、光源３と、第１軸外放物面ミラー４と、第１レンズ５と、第２レンズ６と、第２軸外放物面ミラー７と、光検出器８と、筐体９と、を備えている。分光分析装置１Ａは、所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔを試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過したテラヘルツ波Ｔを検出することで、試料Ｓの分光分析を実施する。

【0020】

支持部２は、所定の支持エリア２ａを含むように試料Ｓを支持する。支持エリア２ａは、円形のエリアである。支持部２は、支持エリア２ａに垂直な方向に沿ってテラヘルツ波Ｔが通過可能となるように試料Ｓを支持する。本実施形態では、支持部２は、板状に成形された試料Ｓが円環状のホルダＨによって保持された状態で、試料Ｓを支持する。以下、支持エリア２ａに垂直な方向をＺ方向といい、Ｚ方向に垂直な一方向をＸ方向といい、Ｚ方向及びＸ方向の両方向に垂直な方向をＹ方向という。

【0021】

光源３は、外部共振器型の非線形量子カスケードレーザ光源であり、所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔを出射する。本実施形態では、光源３は、テラヘルツ波ＴをＹ方向に沿って出射する。光源３から出射されるテラヘルツ波Ｔの周波数範囲は、０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下である。

【0022】

第１軸外放物面ミラー４は、光源３から出射されたテラヘルツ波Ｔをコリメートする。第１軸外放物面ミラー４は、テラヘルツ波Ｔをコリメートすると共にテラヘルツ波Ｔを反射するミラー面４ａを有している。本実施形態では、第１軸外放物面ミラー４は、テラヘルツ波Ｔの進行方向をＹ方向からＺ方向に変更するようにテラヘルツ波Ｔを反射する。なお、第１軸外放物面ミラー４は、テラヘルツ波Ｔを完全な平行光にコリメートするものに限定されず、テラヘルツ波Ｔを実質的にコリメートするものであればよい。

【0023】

第１レンズ５は、第１軸外放物面ミラー４によってコリメートされたテラヘルツ波Ｔを支持エリア２ａ上に集光する。つまり、第１レンズ５は、テラヘルツ波Ｔの集光スポットが支持エリア２ａ上に位置するようにテラヘルツ波Ｔを集光する。本実施形態では、第１レンズ５は、テラヘルツ波ＴをＺ方向に沿って透過させると共にテラヘルツ波Ｔを集光する。第１レンズ５は、支持エリア２ａ上においてテラヘルツ波Ｔの集光スポットの径（＝（１．２２×波長）／開口数）が１ｍｍ以下となるようにテラヘルツ波Ｔを集光する開口数を有している。ただし、支持エリア２ａ上におけるテラヘルツ波Ｔの集光スポットの径は、１ｍｍ以上であってもよい。

【0024】

第２レンズ６は、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔをコリメートする。つまり、第２レンズ６は、試料Ｓを透過して発散状態にあるテラヘルツ波Ｔをコリメートする。本実施形態では、第２レンズ６は、テラヘルツ波ＴをＺ方向に沿って透過させると共にテラヘルツ波Ｔをコリメートする。なお、第２レンズ６は、テラヘルツ波Ｔを完全な平行光にコリメートするものに限定されず、テラヘルツ波Ｔを実質的にコリメートするものであればよい。

【0025】

第２軸外放物面ミラー７は、第２レンズ６によってコリメートされたテラヘルツ波Ｔ（すなわち、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔ）を光検出器８に集光する。第２軸外放物面ミラー７は、テラヘルツ波Ｔを集光すると共にテラヘルツ波Ｔを反射するミラー面７ａを有している。本実施形態では、第２軸外放物面ミラー７は、テラヘルツ波Ｔの進行方向をＺ方向からＹ方向に変更するようにテラヘルツ波Ｔを反射する。

【0026】

光検出器８は、第２軸外放物面ミラー７によって集光されたテラヘルツ波Ｔ（すなわち、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔ）を検出する。光検出器８は、例えば、ゴーレイセル、ボロメータ等である。

【0027】

筐体９は、不活性ガスへの置換又は真空引きが行われる筐体である。光源３、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８は、筐体９内に配置されている。より具体的には、光源３、第１軸外放物面ミラー４及び第１レンズ５は、筐体９の第１部分９Ａ内に配置されており、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８は、筐体９の第２部分９Ｂ内に配置されている。支持部２は、筐体９外に配置されている。一例として、筐体９内には、窒素ガスがパージされる。

【0028】

筐体９は、支持エリア２ａの両側において支持エリア２ａに対向する第１壁９１及び第２壁９２を有している。本実施形態では、第１壁９１は、第１部分９Ａを構成する壁の一部であり、第２壁９２は、第２部分９Ｂを構成する壁の一部である。第１壁９１には、テラヘルツ波Ｔを透過させる第１窓部９１ａが設けられている。第１窓部９１ａは、Ｚ方向において支持エリア２ａに対向している。第１窓部９１ａは、支持エリア２ａと第１壁９１とが対向する方向であるＺ方向から見た場合に支持エリア２ａを含む大きさを有している。つまり、支持エリア２ａと第１壁９１とが対向する方向であるＺ方向から見た場合に、第１窓部９１ａの外縁は、支持エリア２ａの外縁の外側に位置している。具体的には、Ｚ方向から見た場合に、第１窓部９１ａの外径は、支持エリア２ａの外径の１倍以上１０倍以下である。第１窓部９１ａの外径は、例えば、２０ｍｍ程度である。第２壁９２には、テラヘルツ波Ｔを透過させる第２窓部９２ａが設けられている。第２窓部９２ａは、Ｚ方向において支持エリア２ａに対向している。第２窓部９２ａも、第１窓部９１ａと同様に、Ｚ方向から見た場合に支持エリア２ａを含む大きさを有している。第１窓部９１ａ及び第２窓部９２ａの材料は、例えば、合成石英、プラスチック等である。
［光源の構成］

【0029】

図２に示されるように、光源３は、量子カスケードレーザ素子１０を有している。量子カスケードレーザ素子１０は、半導体基板１１と、半導体層１２と、を有している。半導体層１２は、半導体基板１１の一方の表面上に形成されたエピタキシャル成長層である。量子カスケードレーザ素子１０は、方向Ｄを長手方向とするバー状に形成されている。方向Ｄは、半導体基板１１の厚さ方向に垂直な一方向である。半導体層１２は、方向Ｄにおいて対向する第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂを有している。第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂは、例えば、劈開面である。

【0030】

半導体基板１１は、例えば、方向Ｄを長手方向とする長方形板状のＩｎＰ単結晶基板である。半導体基板１１の長さ、幅、厚さは、それぞれ、数百μｍ～数ｍｍ程度、数百μｍ～数ｍｍ程度、数百μｍ程度である。半導体基板１１は、側面１１ａを有している。側面１１ａは、第１端面１２ａから連続する半導体基板１１の側面と半導体層１２とは反対側の半導体基板１１の他方の表面との間に形成された傾斜面である。第１端面１２ａと側面１１ａとの間の角度は、例えば、１２０°～１７０°程度である。側面１１ａは、例えば、研磨面である。

【0031】

半導体層１２は、活性層１３と、上部ガイド層１４と、下部ガイド層１５と、上部クラッド層１６と、下部クラッド層１７と、上部コンタクト層１８と、下部コンタクト層１９と、を有している。下部コンタクト層１９、下部クラッド層１７、下部ガイド層１５、活性層１３、上部ガイド層１４、上部クラッド層１６及び上部コンタクト層１８は、この順序で半導体基板１１上に積層されている。

【0032】

下部コンタクト層１９は、例えば、厚さ４００ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０^１８ｃｍ^－３）である。下部クラッド層１７は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）である。下部ガイド層１５は、例えば、厚さ２５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）である。活性層１３は、量子カスケード構造を有する層である。活性層１３は、例えば、一層ずつ交互に積層された複数のＩｎＧａＡｓ層及び複数のＩｎＡｌＡｓ層を含んでいる。上部ガイド層１４は、例えば、厚さ４５０ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層（Ｓｉ doped：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）である。上部ガイド層１４には、分布帰還（ＤＦＢ：distributed feedback）構造として機能する回折格子層１４ａが方向Ｄに沿って形成されている。上部クラッド層１６は、例えば、厚さ５μｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉ doped：１．５×１０^１６ｃｍ^－３）である。上部コンタクト層１８は、例えば、厚さ１５ｎｍ程度のＩｎＰ層（Ｓｉdoped：１．５×１０^１８ｃｍ^－３）である。

【0033】

光源３は、可動回折格子２０と、レンズ３０と、を更に有している。可動回折格子２０は、回折格子パターン２０ａを有している。回折格子パターン２０ａは、方向Ｄにおいて量子カスケードレーザ素子１０の第２端面１２ｂと対向している。可動回折格子２０は、第１端面１２ａに平行且つ方向Ｄに垂直な軸線を中心として回折格子パターン２０ａを揺動するように構成されている。可動回折格子２０は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）可動回折格子デバイスである。レンズ３０は、第２端面１２ｂと回折格子パターン２０ａとの間に配置されている。レンズ３０は、第２端面１２ｂから出射された第１光Ｌ１（後述）をコリメートして回折格子パターン２０ａに入射させると共に、回折格子パターン２０ａで反射された第１光Ｌ１を集光して第２端面１２ｂに入射させる。

【0034】

以上のように構成された光源３において、量子カスケードレーザ素子１０は、第１周波数ω_１の第１光Ｌ１及び第２周波数ω_２の第２光Ｌ２を生成し、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の差周波数ω_３（＝｜ω_１－ω_２｜）のテラヘルツ波Ｔを出射する。可動回折格子２０は、第１光Ｌ１について外部共振器を構成し、量子カスケードレーザ素子１０に対する回折格子パターン２０ａの角度を変化させることで第１周波数ω_１を変化させる。

【0035】

より具体的には、活性層１３では、中赤外域の光である第１周波数ω_１の第１光Ｌ１及び第２周波数ω_２の第２光Ｌ２が生成される。第１周波数ω_１の第１光Ｌ１は、第１端面１２ａ及び回折格子パターン２０ａが共振器として機能することで、単一モードで発振させられる。第２周波数ω_２の第２光Ｌ２は、回折格子層１４ａが分布帰還構造として機能し且つ第１端面１２ａ及び第２端面１２ｂが共振器として機能することで、単一モードで発振させられる。その結果、活性層１３では、差周波発生によって、第１周波数ω_１及び第２周波数ω_２の差周波数ω_３のテラヘルツ波Ｔが生成される。このとき、可動回折格子２０が第２端面１２ｂに対する回折格子パターン２０ａの角度を変化させると、回折格子パターン２０ａから第２端面１２ｂに帰還する第１光Ｌ１の第１周波数ω_１が変化し、それに伴って差周波数ω_３も変化する。したがって、量子カスケードレーザ素子１０からは、チェレンコフ位相整合によって所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔが出射され得る。

【0036】

テラヘルツ波Ｔは、放射角θｃ及び発散角θｄで量子カスケードレーザ素子１０の側面１１ａから出射される。放射角θｃは、テラヘルツ波Ｔの中心線が方向Ｄに対して成す角度である。発散角θｄは、テラヘルツ波Ｔの広がりの角度である。放射角θｃは、テラヘルツ波Ｔの周波数（すなわち、差周波数ω_３）に応じて変化する。例えば、２．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔと３．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔとでは、放射角θｃに２．７°程度の差が出る。発散角θｄは、５０°程度である。
［分光分析装置における各構成の配置及び寸法］

【0037】

図１に示されるように、光源３は、Ｙ方向に平行な光軸Ａ１を有している。光軸Ａ１は、テラヘルツ波Ｔが出射される光源３の光出射部（例えば、光出射レンズ等）の光軸である。第１レンズ５は、Ｚ方向に平行な光軸Ａ２を有している。第２レンズ６は、Ｚ方向に平行な光軸Ａ３を有している。光検出器８は、Ｙ方向に平行な光軸Ａ４を有している。光軸Ａ４は、テラヘルツ波Ｔが入射する光検出器８の光入射部（例えば、光入射窓部材等）の光軸である。光軸Ａ１及び光軸Ａ２は、第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａ上の同じ位置でミラー面４ａと交わっている。光軸Ａ３及び光軸Ａ４は、第２軸外放物面ミラー７のミラー面７ａ上の同じ位置でミラー面７ａと交わっている。光軸Ａ２及び光軸Ａ３は、支持エリア２ａ上の同じ位置で支持エリア２ａと交わっている。

【0038】

光源３から第１軸外放物面ミラー４及び第１レンズ５を介して支持エリア２ａに至る距離（すなわち、「光源３から第１軸外放物面ミラー４及び第１レンズ５を介して支持エリア２ａに至る光路」に沿った実距離）（以下、「光源３から支持エリア２ａまでの距離」という）は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。すなわち、「光軸Ａ１と光源３の光出射部の光出射面との交点から、光軸Ａ１と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点までの距離」と「光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から、光軸Ａ２と支持エリア２ａとの交点までの距離」との和は、１０ｍｍ以上２００ｍｍ以下である。第１レンズ５の有効径は、５ｍｍ以上８０ｍｍ以下である。支持エリア２ａの外径は、０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である。

【0039】

（i）光源３から出射されるテラヘルツ波Ｔの周波数範囲が０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下であり、（ii）支持エリア２ａ上においてテラヘルツ波Ｔの集光スポットの径が１ｍｍ以下となるように第１レンズ５がテラヘルツ波Ｔを集光する開口数を有しており、（iii）第１レンズ５の有効径が５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、（iv）支持エリア２ａの外径が０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下である場合に、光源３から支持エリア２ａまでの距離が２００ｍｍ以下であると、テラヘルツ波Ｔが第１レンズ５の有効径内の部分を実質的に通過し、且つテラヘルツ波Ｔの集光スポットが支持エリア２ａ内に実質的に収まるように、分光分析装置１Ａを構成することができる。そのため、分光分析装置１Ａでは、支持部２、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８のそれぞれの位置が、可動回折格子２０が回折格子パターン２０ａの角度を変化させた際にも、固定されている。

【0040】

なお、光源３から支持エリア２ａまでの距離が１０ｍｍよりも小さくなると、各構成の配置が物理的に困難になる。そのため、分光分析装置１Ａでは、光源３から支持エリア２ａまでの距離が１０ｍｍ以上とされている。また、第１レンズ５の有効径が８０ｍｍよりも大きくなると、第１レンズ５の開口数を確保するために第１レンズ５が厚くなり、第１レンズ５によるテラヘルツ波Ｔの減衰量が増加する。そのため、分光分析装置１Ａでは、第１レンズ５の有効径が８０ｍｍ以下とされている。また、光源３から支持エリア２ａまでの距離を短くすることで、第１軸外放物面ミラー４の径が小さくなり、第１レンズ５によって集光される前のテラヘルツ波Ｔのビーム径も小さくなった場合にも、第１レンズ５の有効径を５ｍｍ以上とすることで、光源３から出射されたテラヘルツ波Ｔを支持エリア２ａに十分に集光することができる。

【0041】

参考として、光軸Ａ１と光源３の光出射部の光出射面との交点から、光軸Ａ１と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点までの距離は、１ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から、光軸Ａ２と支持エリア２ａとの交点までの距離は、４ｍｍ以上１９９ｍｍ以下である。光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から第１レンズ５の中心までの距離は、１ｍｍ以上１９９ｍｍ以下である。なお、第１レンズ５は、複数のレンズによって構成されていてもよい。その場合、第１レンズ５の有効径とは、支持エリア２ａに最も近いレンズの有効径を意味し、第１レンズ５の中心とは、支持エリア２ａに最も近いレンズの中心を意味する。
［作用及び効果］

【0042】

分光分析装置１Ａでは、所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔが第１レンズ５の有効径内の部分を実質的に通過し、所定の周波数範囲のテラヘルツ波Ｔの集光スポットが支持エリア２ａ内に実質的に収まる。ここで、試料Ｓは、外径が０．５ｍｍ以上３．５ｍｍ以下という微小な支持エリア２ａを含むように支持されている。したがって、試料Ｓの分光分析の際に、例えば、テラヘルツ波Ｔの周波数に応じて試料Ｓを移動させなくても、試料Ｓに対するテラヘルツ波Ｔの照射量が略一定に維持される。テラヘルツ波Ｔの周波数に応じて試料Ｓを移動させないで済むことは、支持部２の構造の簡素化（ハード及びソフトの両面での簡素化）、延いては、分光分析装置１Ａの小型化に繋がり、更に、分析時間の短縮化にも繋がる。よって、分光分析装置１Ａによれば、テラヘルツ波Ｔによる試料Ｓの分光分析を適切に実施することができる。

【0043】

分光分析装置１Ａでは、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔが第２レンズ６によってコリメートされる。これにより、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔを光検出器８に適切に入射させることができる。

【0044】

分光分析装置１Ａでは、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔが第２軸外放物面ミラー７によって光検出器８に集光される。これにより、試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔを光検出器８に適切に入射させることができる。

【0045】

分光分析装置１Ａでは、不活性ガスへの置換又は真空引きが行われる筐体９内に、光源３、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８が配置されている。これにより、試料Ｓに照射されるテラヘルツ波Ｔ、及び試料Ｓに照射されたテラヘルツ波Ｔが水分に吸収されるのを防止し、テラヘルツ波Ｔの検出感度を向上させることができる。

【0046】

分光分析装置１Ａでは、支持部２が筐体９外に配置されており、支持エリア２ａに対向する筐体９の第１壁９１に、テラヘルツ波Ｔを透過させる第１窓部９１ａが設けられており、支持エリア２ａに対向する筐体９の第２壁９２に、テラヘルツ波Ｔを透過させる第２窓部９２ａが設けられている。これにより、筐体９において不活性ガスへの置換又は真空引きが行われた状態を維持しつつ、支持部２に対する試料Ｓの配置等を実施することができる。

【0047】

分光分析装置１Ａでは、Ｚ方向から見た場合に、第１窓部９１ａの外径が、支持エリア２ａの外径の１倍以上１０倍以下である。これにより、テラヘルツ波Ｔの照射位置を把握しやすくなる。

【0048】

分光分析装置１Ａでは、支持部２、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８のそれぞれの位置が、可動回折格子２０が回折格子パターン２０ａの角度を変化させた際に、固定されている。これにより、支持部２、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８の構造の簡素化を図ることができる。

【0049】

分光分析装置１Ａでは、光源３から出射されるテラヘルツ波Ｔの周波数範囲が０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下である。これにより、テラヘルツ波Ｔによる試料Ｓの分光分析を広い周波数範囲で実施することができる。

【0050】

図３の（ａ）は、第１シミュレーションによるテラヘルツ波Ｔの集光状態を示す図である。第１シミュレーションの条件は、「放物面が３インチであり且つ焦点距離が２インチである第１軸外放物面ミラー４」及び「有効径が４５ｍｍであり且つ開口数が０．５６２５ｍｍである第１レンズ５」を用い、「光軸Ａ１と光源３の光出射部の光出射面との交点から、光軸Ａ１と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点までの距離」を５０．８ｍｍ、「光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から、光軸Ａ２と支持エリア２ａとの交点までの距離」を１０５ｍｍ、「光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から第１レンズ５の中心までの距離」を６５ｍｍとした。この場合、光源３から支持エリア２ａまでの距離は１５５ｍｍである。

【0051】

第１シミュレーションの結果、図３の（ａ）に示されるように、「２．５ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」に対する「２．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」のずれ量は－０．２ｍｍ程度となり、「２．５ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」に対する「３．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」のずれ量は＋０．２ｍｍ程度となった。この場合、集光スポットの径は０．５ｍｍ～０．６ｍｍ程度である。図３の（ａ）に示される支持エリア２ａの外径は２ｍｍであるから、少なくとも２．０ＴＨｚ以上３．０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波Ｔの集光スポットは、外径が２ｍｍである支持エリア２ａ内に実質的に収まることが分かった。

【0052】

図３の（ｂ）は、第２シミュレーションによるテラヘルツ波Ｔの集光状態を示す図である。第２シミュレーションの条件は、「光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から、光軸Ａ２と支持エリア２ａとの交点までの距離」を１４０ｍｍ、「光軸Ａ２と第１軸外放物面ミラー４のミラー面４ａとの交点から第１レンズ５の中心までの距離」を１００ｍｍとした点のみにおいて、上述した第１シミュレーションの条件と異なっている。この場合、光源３から支持エリア２ａまでの距離は１９０ｍｍである。

【0053】

第２シミュレーションの結果、図３の（ｂ）に示されるように、「２．５ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」に対する「２．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」のずれ量は－０．１ｍｍ程度となり、「２．５ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」に対する「３．０ＴＨｚのテラヘルツ波Ｔの集光スポットの中心」のずれ量は＋０．１ｍｍ程度となった。この場合、集光スポットの径は０．５ｍｍ～０．６ｍｍ程度である。図３の（ｂ）に示される支持エリア２ａの外径は２ｍｍであるから、少なくとも２．０ＴＨｚ以上３．０ＴＨｚ以下のテラヘルツ波Ｔの集光スポットは、外径が２ｍｍである支持エリア２ａ内に実質的に収まることが分かった。ただし、第２シミュレーションにおいて支持エリア２ａ内に収まった各テラヘルツ波Ｔの光量の総和は、第１シミュレーションにおいて支持エリア２ａ内に収まった各テラヘルツ波Ｔの光量の総和に対して、３８％程度低下した。ただし、第２シミュレーションにおいて支持エリア２ａ内に収まった各テラヘルツ波Ｔの光量の総和は、分光分析を行う上では十分なものである。光源３から支持エリア２ａまでの距離を２００ｍｍ以下とすれば、分光分析を行う上で十分な光量を得ることができる。
［変形例］

【0054】

本発明は、上述した実施形態に限定されない。例えば、図４に示される分光分析装置１Ｂのように、光源３、第１軸外放物面ミラー４、第１レンズ５、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８と共に、支持部２も筐体９内に配置されていてもよい。また、図５に示される分光分析装置１Ｃのように、光源３、第１軸外放物面ミラー４及び第１レンズ５を収容する筐体９の第１部分と、第２レンズ６、第２軸外放物面ミラー７及び光検出器８を収容する筐体９の第２部分とが連続していてもよい。また、Ｚ方向から見た場合に、第１窓部９１ａの外径は、支持エリア２ａの外径の１倍よりも小さくてもよいし、或いは、支持エリア２ａの外径の１０倍よりも大きくてもよい。また、支持エリア２ａから光検出器８に至る光路上には、第２レンズ６及び第２軸外放物面ミラー７の少なくとも一方が配置されていなくてもよい。また、光源３から出射されるテラヘルツ波Ｔの周波数範囲は、０．５ＴＨｚ以上５．０ＴＨｚ以下に限定されない。

【符号の説明】

【0055】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…分光分析装置、２…支持部、２ａ…支持エリア、３…光源、４…第１軸外放物面ミラー、５…第１レンズ、６…第２レンズ、７…第２軸外放物面ミラー、８…光検出器、９…筐体、１０…量子カスケードレーザ素子、２０…可動回折格子、２０ａ…回折格子パターン、９１…第１壁、９１ａ…第１窓部、９２…第２壁、９２ａ…第２窓部、Ｌ１…第１光、Ｌ２…第２光、Ｓ…試料、Ｔ…テラヘルツ波。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】