特許 6989911 分光素子、測定方法、及び測定装置

(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】

(24)【登録日】2021-12-07

(45)【発行日】2022-01-12

(54)【発明の名称】分光素子、測定方法、及び測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/3586 20140101AFI20220104BHJP

   G01N 21/552 20140101ALI20220104BHJP

   G01N 21/3577 20140101ALI20220104BHJP

【ＦＩ】

G01N21/3586

G01N21/552

G01N21/3577

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2017135803

(22)【出願日】2017-07-11

(65)【公開番号】P2019020147

(43)【公開日】2019-02-07

【審査請求日】2020-05-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000141897

【氏名又は名称】アークレイ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】598163064

【氏名又は名称】学校法人千葉工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】内田 裕久

(72)【発明者】

【氏名】古橋 遼平

(72)【発明者】

【氏名】水津 光司

【審査官】佐藤 仁美

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－１６３７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２２９３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０４４６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－００８２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００３／０２１９８０９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】田中耕一郎，テラヘルツ領域のエバネッセント光をもちいた水溶液の研究，表面科学，2011年，Vol.32, No. 12,(2011)，Pages 785-791

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

ＩＰＣ

Ｇ０１Ｎ ２１／００－Ｇ０１Ｎ ２１／０１、

Ｇ０１Ｎ ２１／１７－Ｇ０１Ｎ ２１／６１

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上に設けられた第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層上に設けられ被測定物と接触する第３の誘電体層と、を備え、
前記第１の誘電体層に入射した電磁波が、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との界面で全反射するように、前記第１の誘電体層の第１の屈折率が前記第２の誘電体層の第２の屈折率よりも大きく、前記第２の誘電体層に生じたエバネッセント波が、前記第３の誘電体層内で多重反射するように、前記第３の誘電体層の第３の屈折率が、前記第２の屈折率よりも大きく、前記第２の誘電体層の厚みは、前記第１の誘電体層に入射する電磁波の波長よりも小さく、前記第３の誘電体層の厚みは、前記第２の誘電体層の厚みより厚い、
分光素子。

【請求項2】

前記第１の誘電体層は、入射した電磁波が前記界面で全反射する条件を満たす角度で前記界面に入射するように成形されたプリズムである
請求項１記載の分光素子。

【請求項3】

前記第２の誘電体層は、石英板である
請求項１又は請求項２記載の分光素子。

【請求項4】

前記第３の誘電体層は、シリコンウェハである
請求項１～３の何れか１項に記載の分光素子。

【請求項5】

前記第３の誘電体層上に形成された側壁により、被測定物を保持する保持部
を備えた請求項１～４の何れか１項に記載の分光素子。

【請求項6】

請求項１～５の何れか１項に記載の分光素子の前記第３の誘電体層上に被測定物を配置し、
前記第１の誘電体層に入射角度を固定した状態で電磁波を入射し、
前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層の界面および前記第３の誘電体層と前記被測定物との界面にエバネッセント波を発生させ、
前記第３の誘電体層内で多重反射した波を含む、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、被測定物の分光情報を測定する
測定方法。

【請求項7】

前記被測定物は溶液であり、前記特定周波数の強度に基づいて、前記溶液の濃度を前記分光情報として測定する
請求項６記載の測定方法。

【請求項8】

前記分光素子に入射される電磁波がテラヘルツ波である
請求項６又は請求項７記載の測定方法。

【請求項9】

請求項１～５の何れか１項に記載の分光素子と、
電磁波を生成する光源と、
前記光源から出射された電磁波を、入射角度を固定した状態で前記分光素子に入射し、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、前記第３の誘電体層上の被測定物の分光情報を測定する測定部と、
を備えた測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光素子、測定方法、及び測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、テラヘルツ波を用いた全反射減衰法（Attenuated Total Reflection、ＡＴＲ法）により溶液の濃度を高感度に測定する装置として、導電性周期構造体を、テラヘルツ波が全反射する界面に設けた構成とし、テラヘルツ波の所定の周波数帯域に特徴的な吸収を示すディップを形成することで測定対象物質の濃度等を測定する装置が開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、ＡＴＲプリズム上に設けられた薄膜試料と、その上部に設置された積層試料の界面における反射係数を用いてテラヘルツ波の減衰を修正することで、薄膜試料の含水率を求める方法が開示されている。

【0004】

また、特許文献３には、プリズムに対し任意の距離調整機構を設けて、試料と反射面との間の距離が一定となるように制御し、反射面側での光の干渉現象を利用することでテラヘルツ波の測定精度を向上させることができる装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－７７６７２号公報

【文献】特開２０１６－５３５２７号公報

【文献】特開２０１６－９０３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般的にテラヘルツ波による液体の測定については、特に水などの極性の高い液体に対するテラヘルツ波の強い吸収が存在するため透過測定を行うことが難しく、試料部位の光路長を極端に短くする必要がある。また、水溶液ではテラヘルツ波の吸収が広範囲に変化するために特徴的なスペクトル構造が存在しないことが多く、定量的な変化を確認することが困難である。

【0007】

上記の課題を解決するための具体的な方法として、上記特許文献１に記載された方法が挙げられるが、複雑な周期構造を有する導電性の構造体が必要となること、テラヘルツ波の波長程度の開口を有するため、そのサイズによってテラヘルツ波が予期しない回折を起こす可能性がある、という問題がある。

【0008】

また、特許文献２記載の方法では、特定のサンプルの含水率を求めるために、一部の材質の物理定数が既知である必要がある、という問題がある。

【0009】

また、特許文献３記載の方法では、試料の表面が極端に柔軟性に富む場合（特に液体表面）は、波紋の発生などにより試料表面の形状が変化し、試料との距離が必ずしも一定でなくなる場合が発生する。という問題がある。

【0010】

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる分光素子、測定方法、及び測定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】

【0011】

上記目的を達成するために、本発明の第１態様に係る分光素子は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上に設けられた第２の誘電体層と、前記第２の誘電体層上に設けられた第３の誘電体層と、を備え、前記第１の誘電体層に入射した電磁波が、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との界面で全反射するように、前記第１の誘電体層の第１の屈折率が前記第２の誘電体層の第２の屈折率よりも大きく、前記第２の誘電体層に生じたエバネッセント波が、前記第３の誘電体層内で多重反射するように、前記第３の誘電体層の第３の屈折率が、前記第２の屈折率よりも大きく、前記第２の誘電体層の厚みは、前記第１の誘電体層に入射する電磁波の波長よりも小さい。

【0012】

また、本発明の第２態様に係る分光素子は、前記第１の誘電体層は、入射した電磁波が前記界面で全反射する条件を満たす角度で前記界面に入射するように成形されたプリズムである。

【0013】

また、本発明の第３態様に係る分光素子は、前記第２の誘電体層は、石英板である。

【0014】

また、本発明の第４態様に係る分光素子は、前記第３の誘電体層は、シリコンウェハである。
また、本発明の第５態様に係る分光素子は、前記第３の誘電体層上に形成された側壁により、被測定物を保持する保持部を備える。

【0015】

また、本発明の第６態様に係る測定方法は、第１態様～第５態様の何れかに係る分光素子の前記第３の誘電体層上に被測定物を配置し、前記第１の誘電体層に電磁波を入射し、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層の界面および前記第３の誘電体層と前記被測定物との界面にエバネッセント波を発生させ、前記第３の誘電体層内で多重反射した波を含む、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、被測定物の分光情報を測定する。

【0016】

また、本発明の第７態様に係る測定方法は、前記被測定物は溶液であり、前記特定周波数の強度に基づいて、前記溶液の濃度を前記分光情報として測定する。

【0017】

また、本発明の第８態様に係る測定方法は、前記分光素子に入射される電磁波がテラヘルツ波である。

【0018】

また、本発明の第９態様に係る測定装置は、第１態様～第５態様の何れかに係る分光素子と、前記分光素子に入射する電磁波を生成する光源と、前記分光素子から出射された電磁波の強度が特徴的なスペクトル構造を有する特定周波数の強度に基づいて、前記第３の誘電体層上の被測定物の分光情報を測定する測定部と、を備える。

【発明の効果】

【0019】

以上説明したように、本発明の分光素子、測定方法、及び測定装置によれば、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる、という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】測定装置の構成を示す構成図である。

【図2】分光素子の構成を示す構成図である。

【図3】多重反射について説明するための図である。

【図4】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図5】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図6】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図7】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図8】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図9】溶液の含水率とテラヘルツ波の強度との関係を示すグラフである。

【図10】テラヘルツ波の周波数と強度との関係を示すグラフである。

【図11】溶液の濃度とテラヘルツ波の強度との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

【0022】

まず、本実施の形態に係る測定装置について説明する。図１には、本実施の形態に係る測定装置１０の構成を示した。測定装置１０は、テラヘルツ波を用いたＡＴＲ法により被測定物の分光情報を測定する装置である。

【0023】

図１に示すように、測定装置１０は、テラヘルツ波励起光源としてのフェムト秒ファイバレーザ１２を備える。フェムト秒ファイバレーザ１２としては、例えば中心波長が７８０ｎｍ、パルス幅が１００ｆｓ、平均パワーが２０ｍＷ、繰返し周波数が５０ＭＨｚのフェムト秒ファイバレーザを用いることができるが、これに限られるものではない。

【0024】

フェムト秒ファイバレーザ１２が発振したレーザ光は、ビームスプリッター１４によりテラヘルツ波発生用のポンプ光Ｌ１と、テラヘルツ波検出用のプローブ光Ｌ２に分けられる。

【0025】

ポンプ光Ｌ１は、ミラーＭ１、Ｍ２で反射されてテラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６に入射される。テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６は、例えば低温成長のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を基板としたものが用いられる。

【0026】

テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６のギャップ間に図示しない電源から矩形波電圧が印加されると、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６に装着された図示しない超半球型シリコンレンズを介して自由空間にテラヘルツ波（テラヘルツパルス）が放射される。なお、上記矩形波電圧としては、例えば±１０Ｖ、５０ｋＨｚの矩形波電圧とすることができる。

【0027】

テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６から放射されたテラヘルツパルスは、テラヘルツ用レンズ１８によりコリメートされ、分光素子２０に入射される。

【0028】

分光素子２０は、図２に示すように、抵抗率が１ｋΩｃｍ以上である高抵抗率のノンドープシリコン製の第１の誘電体層としてのプリズム２２と、プリズム２２上に設けられた第２の誘電体層としての石英（Ｓ_ｉＯ_２）板２４と、石英板２４上に設けられた第３の誘電体層としての抵抗率が１ｋΩｃｍ以上である高抵抗率のノンドープシリコン製のシリコン（Ｓ_ｉ）ウェハ２６と、シリコンウェハ２６上に設けられた溶液セル２８と、を備えている。溶液セル２８は、シリコンウェハ２６上に側壁を設けることにより、溶液を保持する保持部を有する。なお、被測定物が個体の場合でも測定可能であるが、正確な測定のためには被測定物と第３の誘電体層との間に隙間がなく、密着していることが望ましい。被測定物が液体の場合には、第３の誘電体層と隙間なく接触させることが容易であるため好適である。

【0029】

なお、プリズム２２と石英板２４との間、石英板２４とシリコンウェハ２６との間、シリコンウェハ２６と溶液セル２８との間は、化学的または物理的な結合は必要なく、各々が単に密着していればよい。また、溶液セル２８は、例えばテフロン(登録商標)製の溶液セルを用いることができるが、これに限られるものではない。

【0030】

プリズム２２は、側面から入射したテラヘルツ波Ｔが石英板２４との界面３０で全反射する条件を満たす角度、すなわちテラヘルツ波Ｔの界面３０への入射角が臨界角より大きい角度で界面３０に入射するように成形されている。本実施の形態では、プリズム２２の形状は一例として台形であるが、入射したテラヘルツ波Ｔが界面３０で全反射する条件を満たす角度で界面３０に入射するものであれば、台形に限られるものではない。なお、プリズム２２に入射されるテラヘルツ波Ｔの周波数は、本実施の形態では一例として０．１～４ＴＨｚの帯域を含むテラヘルツパルスである。また、プリズム２２は、例えばシリコン製のプリズムを用いることができるが、これに限られるものではない。

【0031】

また、プリズム２２の屈折率ｎ１は、石英板２４の屈折率ｎ２よりも大きく（ｎ１＞ｎ２）、シリコンウェハ２６の屈折率ｎ３は、石英板２４の屈折率ｎ２よりも大きい（ｎ３＞ｎ２）。

【0032】

このように、プリズム２２の屈折率ｎ１は石英板２４の屈折率ｎ２よりも大きいため、図３に示すように、プリズム２２に入射したテラヘルツ波Ｔは、プリズム２２と石英板２４との界面３０で反射波Ｒのように全反射する。

【0033】

界面３０で全反射が生じると、界面３０の石英板２４側にエバネッセント波Ｅが生じる。エバネッセント波Ｅは、全反射条件下において低屈折率媒質側に、波長程度の領域に染み出すという特性を有する。石英板２４の屈折率ｎ２はシリコンウェハ２６の屈折率ｎ３よりも小さいため、石英板２４側に生じたエバネッセント波Ｅは、シリコンウェハ２６側へ透過する。石英板２４の厚みは、プリズム２２に入射するテラヘルツ波の波長よりも小さい。石英板２４の厚みがプリズム２２に入射するテラヘルツ波の波長よりも小さければ、エバネッセント波Ｅがシリコンウェハ２６にまで到達する。なお、プリズム２２に入射するテラヘルツ波の波長がある帯域（幅）を持っている場合には、石英板２４の厚みは、プリズム２２に入射するテラヘルツ波に含まれる一番長い波長よりも小さければよい。

【0034】

そして、溶液セル２８に充填された被測定物としての溶液Ｓの屈折率がシリコンウェハ２６の屈折率ｎ３よりも小さい場合、シリコンウェハ２６と溶液Ｓとの界面３２でエバネッセント波Ｅが石英板２４側へ全反射する。また、シリコンウェハ２６の屈折率ｎ３は石英板２４の屈折率ｎ２よりも大きいので、シリコンウェハ２６と石英板２４との界面３４でも全反射が生じる。これにより、図３に示す光路のように、シリコンウェハ２６内でエバネッセント波Ｅの全反射が複数回繰り返される、すなわち、シリコンウェハ２６内でエバネッセント波Ｅが多重反射する。エバネッセント波Ｅの強度は小さいため、通常であればスペクトル構造の変化を検出することが困難であるが、多重反射による干渉によりスペクトル構造の変化を高感度に検出することが可能となる。

【0035】

シリコンウェハ２６内で多重反射されたエバネッセント波Ｅは、界面３０で全反射されたテラヘルツ波Ｔと共にプリズム２２から放射（出射）される。シリコンウェハ２６内でエバネッセント波Ｅが多重反射することにより、プリズム２２から放射されたテラヘルツ波Ｔが干渉し、検出されたテラヘルツ波Ｔの波形にディップ（干渉縞）が生じる。なお、ディップについての詳細は後述する。

【0036】

図１に示すように、分光素子２０から出力されたテラヘルツ波Ｔは、テラヘルツ用レンズ４０によりコリメートされ、テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ４２に入射される。

【0037】

一方、プローブ光Ｌ２は、ミラーＭ３で反射され、遅延器４４に入射される。遅延器４４は、図中矢印Ａ方向へ移動可能な可動ミラーＭａを備え、可動ミラーＭａを移動させることにより光路長を変化させることが可能な構成となっている。

【0038】

遅延器４４から出射された光は、ミラーＭ４～Ｍ９により反射されてテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ４２に入射される。テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ４２は、テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ１６と同様に、例えば低温成長のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を基板としたものが用いられる。

【0039】

遅延器４４の可動ミラーＭａを移動させることにより光路長を変化させて、プローブ光Ｌ２がテラヘルツ波検出用光伝導アンテナ４２に到達するタイミングをずらしながら、プローブ光Ｌ２と分光素子２０から出力されたテラヘルツ波Ｔとの時間的な重なりを変化させることにより、テラヘルツ波Ｔの時間波形をロックインアンプ４６で検出する。

【0040】

パーソナルコンピュータ４８は、ロックインアンプ４６で検出されたテラヘルツ波Ｔの時間波形に基づいて、被測定物の分光情報を求める。

【0041】

図４には、本実施の形態に係る測定装置１０で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示した。なお、溶液セル２８は、長さ６０ｍｍ、幅２０ｍｍ、高さ３０ｍｍ（内寸の長さ４０ｍｍ、幅１３ｍｍ、高さ３０ｍｍ）のテフロン(登録商標)製の溶液セルとし、被測定物としての溶液はメタノール（ＭｅＯＨ）とした。

【0042】

図４の例では、分光素子２０のシリコンウェハ２６の厚みを３００μｍとし、石英板２４の厚みを５０μｍとした場合（Ｓｉウェハ＋石英板５０μｍ）、石英板２４の厚みを１００μｍとした場合（Ｓｉウェハ＋石英板１００μｍ）の測定結果を示した。

【0043】

また、図４には、分光素子２０から石英板２４を除いた構成、すなわちプリズム２２と溶液セル２８との間にシリコンウェハ２６のみが設けられた構成の測定結果（Ｓｉウェハ）と、分光素子２０から石英板２４及びシリコンウェハ２６を除いた構成、すなわちプリズム２２上に溶液セル２８が設けられた構成の測定結果（プリズムのみ）も示した。

【0044】

図４に示すように、「Ｓｉウェハ＋石英板５０μｍ」の場合、周波数が０．６８ＴＨｚ付近の周波数に特徴的なディップが発生しているのが判る。

【0045】

ここで、ディップとは、テラヘルツ波の強度が急激に落ち込む部分、すなわち、他の周波数の強度と比較して特徴的なスペクトル構造を有する部分をいう。以下では、ディップが形成される特定周波数を「ディップ周波数」と称する。

【0046】

また、図４の例では、石英板２４の厚みが５０μｍの場合と１００μｍの場合を比較すると、石英板２４の厚みが５０μｍの方が、より深いディップが発生しているのが判る。すなわち、石英板２４をシリコンウェハ２６とプリズム２２との間に設け、石英板２４の厚みを調整することでディップの深さを調整することができることが判った。

【0047】

次に、図５、６に、本実施の形態に係る分光素子２０の石英板２４の厚みは５０μｍ固定で、シリコンウェハ２６の厚みが３００μｍ、５００μｍ、７５０μｍの場合におけるテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示す。なお、図５には、溶液セル２８には何も入れず空気のみとした場合の測定結果を示した。また、図６には、溶液セル２８に純度９９．９％のメタノール（ＭｅＯＨ）を６ｍＬ入れた場合の測定結果を示した。

【0048】

下記表１に、図５の測定結果に基づいて、溶液セル２８内が空気のみの場合におけるシリコンウェハ２６の厚み毎のディップ周波数をまとめた結果を示す。

【0049】

【表1】

また、下記表２に、図６の測定結果に基づいて、溶液セル２８内に純度９９．９％のメタノールを６ｍＬ入れた場合におけるシリコンウェハ２６の厚み毎のディップ周波数をまとめた結果を示す。

【0050】

【表2】

上記表１、２に示すように、溶液セル２８内が空気のみの場合、メタノールを入れた場合の何れの場合においても、シリコンウェハ２６の厚みが変わると、発生するディップの数やディップ周波数が異なることが判った。

【0051】

従って、シリコンウェハ２６の厚みを調整することにより、特定の周波数帯域にディップを発生させることができることが判った。

【0052】

次に、図７に、分光素子２０の石英板２４の厚みを５０μｍ、シリコンウェハ２６の厚みを７５０μｍとした構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示した。

【0053】

また、図７の測定結果は、溶液セル２８に水とメタノールを混合した溶液を入れ、含水率を変えて測定した結果である。含水率は、水０％（メタノール１００％）、水２０％（メタノール８０％）、水４０％（メタノール６０％）、水６０％（メタノール４０％）、水８０％（メタノール２０％）、水１００％（メタノール０％）とした。

【0054】

また、図８には、図７の比較対象として、分光素子２０から石英板２４及びシリコンウェハ２６を除いた構成、すなわちプリズム２２上に溶液セル２８が設けられた構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を含水率毎に示した。

【0055】

図７に示すように、本実施の形態に係る分光素子２０を用いて測定した場合、含水率によってディップの深さに顕著な変化が生じていることが判る。

【0056】

これに対し、図８に示すように、石英板２４及びシリコンウェハ２６を省略したプリズム２２のみの構成の場合は、ディップが発生していないことが判る。

【0057】

図９には、図７の測定結果においてディップが発生している０．４９ＴＨｚのテラヘルツ波の強度と含水率との関係（石英板５０μｍ＋シリコンウェハ７５０μｍ）と、図８の測定結果における０．４９ＴＨｚのテラヘルツ波の強度と含水率との関係（プリズムのみ）と、を示した。

【0058】

図９に示すように、本実施の形態に係る分光素子２０を用いることにより、含水率が０％の場合のテラヘルツ波の強度と含水率が１００％の場合のテラヘルツ波の強度との差が約２桁程度ある。これに対し、プリズム２２のみの構成の場合は、含水率が０％の場合のテラヘルツ波の強度と含水率が１００％の場合のテラヘルツ波の強度との差がほとんどない。

【0059】

従って、本実施の形態に係る分光素子２０を用いることにより、プリズム２２のみの構成の場合と比較して高感度に溶液の濃度を測定することができる。

【0060】

次に、図１０に、溶液セル２８に、２３度飽和に調整した４－Ｄｉｍｅｔｈｙｌａｍｉｎｏ－Ｎ’－ｍｅｔｈｙｌ－４’－ｓｔｉｌｂａｚｏｌｉｕｍ ｔｏｓｙｌａｔｅ－ＭｅＯＨ溶液（以下、ＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液と称する）を入れて、分光素子２０の石英板２４の厚みを５０μｍ、シリコンウェハ２６の厚みを７５０μｍとした構成で測定したテラヘルツ波の周波数と強度との関係を示す。

【0061】

ＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液は、１．８９グラムのＤＡＳＴ粉末（純度９９．９ ％以上）を１００グラムのメタノール、具体的にはＨＰＬＣ（high performance liquid chromatography）用メタノールを混合させた後に、５５℃に加熱して完全に溶解させた。また、ＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液の濃度は、初期濃度１．８６ｗｔ％で測定した後に、同溶液に対して１．５９ｗｔ％、１．４０ｗｔ％、１．２０ｗｔ％となるように溶液セル２８中にメタノールを追加し、一度マイクロピペットにて撹拌した後に、液面の揺れが治まってから測定を開始した。

【0062】

図１０に示すように、ＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液の濃度変化に伴い、０．４９ＴＨｚのディップ周波数におけるテラヘルツ波の強度が変化していることが判る。

【0063】

また、図１１に、０．４９ＴＨｚにおけるＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液の濃度とテラヘルツ波の強度の関係を示す。図１１に示すように、ＤＡＳＴ－ＭｅＯＨ溶液の濃度が減少するに従って、テラヘルツ波の強度が増加していることが判る。

【0064】

従って、本実施の形態に係る分光素子２０を用いて溶液の分光を行うことにより、溶液の濃度を高感度で測定することができる。すなわち、パーソナルコンピュータ４８は、ロックインアンプ４６で検出されたテラヘルツ波に基づいて、ディップ発生する周波数のテラヘルツ波の強度を求め、求めた強度に基づいて溶液の濃度を求めることができる。

【0065】

このように、本実施の形態では、テラヘルツ波がプリズム２２と石英板２４との界面３０で全反射した際に生じるエバネッセント波をシリコンウェハ２６内で多重反射させる構成としたことにより特定の周波数にディップを発生させることができ、ディップ周波数のテラヘルツ波の強度を測定することで溶液セル２８内の溶液の濃度等、被測定物の分光情報を高感度で測定することができる。

【0066】

また、テラヘルツ波の発生方法は限定されないため、連続してテラヘルツ波を発生する発生装置を使用することにより、リアルタイムで溶液の濃度変化を計測することもできる。

【0067】

なお、本実施の形態では、テラヘルツ波を用いて溶液の濃度を測定する場合について説明したが、テラヘルツ波に限らず、他の周波数帯域の電磁波、特に光領域の電磁波を用いて被測定物の分光情報を測定してもよい。

【0068】

また、本実施の形態では、被測定物が溶液であり、分光情報として溶液の濃度を測定する場合について説明したが、測定する分光情報は、溶液の濃度に限られるものではない。

【0069】

また、本実施の形態では、第１の誘電体層がプリズム、第２の誘電体層が石英板、第３の誘電体層がシリコンウェハの場合について説明したが、これらに限られるものではない。すなわち、第１の誘電体層の屈折率が第２の誘電体層の屈折率よりも大きく、第３の誘電体層の屈折率が、第２の誘電体層の屈折率よりも大きい材料で構成されればよい。

【符号の説明】

【0070】

１０ 測定装置
１２ フェムト秒ファイバレーザ
１４ ビームスプリッター
１６ テラヘルツ波発生用光伝導アンテナ
１８、４０ テラヘルツ用レンズ
２０ 分光素子
２２ プリズム
２４ 石英板
２６ シリコンウェハ
２８ 溶液セル
３０、３２、３４ 界面
４２ テラヘルツ波検出用光伝導アンテナ
４４ 遅延器
４６ ロックインアンプ
４８ パーソナルコンピュータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】