JP2010237228A - テラヘルツ分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で試料を測定し得るテラヘルツ分光装置を提案する。
【解決手段】超短パルス発振器を構成するゲインファイバから得られる光パルスをディテクタに導く光ファイバに対して負荷を与えて、ディテクタに対するパルス光の到達時間を遅延させる。またこの光ファイバを、時間遅延部から負荷が与えられた状態においてゲインファイバから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるよう、該パルス光の中心波長を基準とする所定帯域での分散特性が互いに異なる光ファイバを連結して構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、おおよそ０．１×１０^１２［Hz］〜１００×１０^１２［Hz］帯域の電磁波（テラヘルツ波）を用いる技術に関するものである。

従来、テラヘルツ波を発生又は検出するものとして、テラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS：Terahertz Time-Domain Spectoroscopy）がある。テラヘルツ時間領域分光法は、１００フェトム秒程度の超短パルスのテラヘルツ波を用いる等といった要因により試料のイメージングに適していることが知られており、工業、医療、バイオ、農業又はセキュリティなどの様々な技術分野において注目されている。

このテラヘルツ時間領域分光法では、超短レーザ光源からのパルス光がポンプ光及びプローブ光に分光され、ポンプ光はテラヘルツ波発生素子に集光される。これによりテラヘルツ波発生素子ではサブピコ秒程度の電流又は電気分極が生成され、当該時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波が発生する。このテラヘルツ波は、光学系を介してテラヘルツ波検出素子に集光される。このとき、テラヘルツ波検出素子にプローブ光が照射されると、キャリアが生成され、テラヘルツ波の電場によって加速されて電気信号となる。プローブ光がテラヘルツ波検出素子に到達するタイミングをずらすことによって、テラヘルツ波の振幅電場の時間波形を測定し、該時間波形をフーリエ変換することによってテラヘルツ波のスペクトルを得ることができる。

ところで、このテラヘルツ時間領域分光法を適用した装置において、ビームスプリッタからテラヘルツ波発生素子までのポンプ光の光経路と、該ビームスプリッタから時間遅延部までのプローブ光の光経路とを光ファイバとしたものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

ＷＯ ０１／０６９１５

近年では、ファイバレーザにおけるＰＢＳや波長板、コリメートレンズのなどの空間光学部品の一部を光ファイバとして、ファイバレーザの小型化を図る等といったことが提案されており、テラヘルツ分野でも小型化の要請が強い傾向にある。しかしながら、かかる装置は、ファイバレーザからビームスプリッタまでパルス光を導くための光学レンズ群を要することとなり大型化の傾向にある。
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成で試料を測定し得るテラヘルツ分光装置を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明は、テラヘルツ分光装置であって、超短パルス発振器を構成するゲインファイバから分配される第１の光ファイバと、第１の光ファイバを通じて導かれるパルス光を用いてテラヘルツ波を発生するエミッタと、ゲインファイバ又は光ファイバから分配される第２の光ファイバと、第２の光ファイバを通じて導かれるパルス光を用いてテラヘルツ波を検出するディテクタと、第２の光ファイバに対して負荷を与えて、ディテクタに対するパルス光の到達時間を遅延させる時間調整部とを有する。
第２の光ファイバは、時間遅延部から負荷が与えられた状態においてゲインファイバから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるよう、該パルス光の中心波長を基準とする所定帯域での分散特性が互いに異なる光ファイバを連結して構成される。

本発明によれば、超短パルス発振器から光学レンズを用いることなく光ファイバを通じてエミッタ・ディテクタにパルス光を導くことができるため、該光学レンズを用いる場合に比して小型化を実現できる。これに加えて、超短パルス発振器からエミッタ・ディテクタまでにわたってパルス光に対する自由空間での伝播を回避することができ、この結果、該パルス光の減衰等を低減する分だけ測定精度を向上することが可能となる。かくして簡易な構成で試料を測定し得るテラヘルツ分光装置を実現できる。

本実施の形態によるテラヘルツ分光装置の全体構成を示す略線図である。 導波路の構成例を示す略線図である。 異特質の光ファイバの連結による分散補償の説明に供する略線図である。 光ファイバに対する温度可変による時間遅延調整の説明に供する略線図である。

以下図面について本発明の一実施の形態を詳述する。
（１）テラヘルツ分光装置の全体構成
図１において、本実施の形態によるテラヘルツ分光装置１０の全体構成を示す。このテラヘルツ分光装置１０は、超短ファイバレーザ器１１、エミッタ１２、ディテクタ１３及びコンピュータ１４を含む構成とされる。

超短ファイバレーザ器１１は、例えば１００［fs］程度のパルス幅、８００［nm］程度の中心波長をもつパルス光を出射する。この超短ファイバレーザ器１１は、固体チタンサファイアレーザに比べると、冷却が不要、安価、小型、パルスの発信効率が高いなどといった利点をもつ。

超短ファイバレーザ器１１から出射されるパルス光は、ポンプ光及びプローブ光として分離され、該ポンプ光はエミッタ１２に導かれる。一方、プローブ光は、ポンプ光よりも到達時間が遅延されてディテクタ１３に導かれる。

エミッタ１２は、ポンプ光の時間微分に比例した電界振幅をもつテラヘルツ波を発生する。このエミッタ１２は、具体的には、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ又はＧａＡｓ等の光伝導膜と、該光伝導膜で励起される自由電子を加速させるための電極と、該電極にバイアス電圧を与える印加部とで構成される光伝導アンテナや、ＺｎＴｅ等でなる非線形光学結晶膜などが適用される。

ディテクタ１３は、エミッタ１２から発生し、試料ＳＰＬを経由（透過又は反射）したテラヘルツ波を検出する。すなわちディテクタ１３は、試料ＳＰＬを経由したテラヘルツ波に応じた電場を発生し、このときポンプ光よりも到達時間が遅延されたプローブ光が与えられた場合、当該テラヘルツ波の電場強度の時間波形を示す信号を生成する。このディテクタ１３は、具体的には、例えば、光伝導アンテナや非線形光学結晶膜などが適用される。

コンピュータ１４は、所定位置に対して測定対象とされる試料ＳＰＬが配された状態でディテクタ１３から出力される信号と、該測定基準とされる試料ＳＰＬが配された状態でディテクタ１３から出力される信号とを取得する。またコンピュータ１４は、これら信号からテラヘルツ波の振幅情報と位相情報とを抽出し、当該抽出した振幅情報の差及び位相情報の差に基づいて測定対象とされる試料ＳＰＬに関する情報を取得する。このコンピュータ１４は、振幅情報と位相情報とを同時に得ることができるので、遠赤外光を用いたフーリエ分光法と比べて測定精度が高い等の利点をもつ。

（２）導波路の構成
このテラヘルツ分光装置１では、超短ファイバレーザ器１１からエミッタ１２及びディテクタ１３までの導波路が光ファイバとされる。

ここで、導波路の具体的な構成例を図２に示す。この図２において、超短ファイバレーザ器１１では、励起源１１Ａに対して、波長分割多重部１１Ｂを通じてＥｒ(Erbium)等の希土類元素が添加されたゲインファイバ１１Ｃが接続され、該ゲインファイバ１１Ｃの終端には光カプラ１１Ｄの入力ポートが接続される。

この光カプラ１１Ｄにおける第１の出力ポートに接続される光ファイバＯＦ１はモードロックエレメント１１Ｅに接続される。このモードロックエレメント１１Ｅは、発信器の縦モードが同期されたパルス光を生成するとともに、当該モード同期を安定化させる機能をもつものである。

また光カプラ１１Ｄにおける第２の出力ポートに接続される光ファイバＯＦ２はエミッタ１２にまで引き回される。これによりゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光は光カプラ１１Ｄにより分配されて直に光ファイバＯＦ２に注入され、該光ファイバＯＦ２を通じてエミッタ１２に導かれる。

したがって、このテラヘルツ分光装置１では、ゲインファイバ１１Ｃからエミッタ１２までにわたって、該ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光に対する自由空間での伝播が回避される。

一方、光カプラ１１Ｄにおける第３の出力ポートに接続される光ファイバＯＦ３はディテクタ１３にまで引き回される。これによりゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光は光カプラ１１Ｄにより分配されて直に光ファイバＯＦ３に注入され、該光ファイバＯＦ３を通じてディテクタ１３に導かれる。

したがって、このテラヘルツ分光装置１では、ゲインファイバ１１Ｃからディテクタ１３までにわたって、該ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光に対する自由空間での伝播が回避される。

ちなみに、ポートにおける光コネクタＣＮの種には、ＳＣ型、ＦＣ型、ＭＵ型、ＦＣ型又はＳＭＡ型などがあり、ファイバ形状に応じた型の光コネクタＣＮが適宜選定される。また、光カプラ１１Ｄとして、光ファイバを融合することによりテーパ形状とした溶融型カプラを適用した場合、ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光を光ファイバＯＦ２、ＯＦ３に対して同時に伝達することが可能となる。この結果、ポンプ光に対するプローブ光の時間調整が容易となる。

ところで、光ファイバは、波長に依存した屈折率の変化に基づいて光のパルス幅が広がるといった分散特性をもつことが知られており、該パルス幅の広がりは、一般には、プリズム、グレーティング、チャープミラー等の光学系で構成される分散補償部によって補償される。

この実施の形態におけるテラヘルツ分光装置１は、光学系で構成される分散補償部によって分散補償するのではなく、ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるように、該パルス光の中心波長を基準とした所定帯域において分散特性の異なる複数の光ファイバを連結した光ファイバＯＦ２、ＯＦ３によって分散補償するようになされている。

具体例として図３に示すと、光ファイバＯＦ２、ＯＦ３における入力端及び出力端でのパルス光のパルス幅が一致した状態となるように、超短ファイバレーザ器１１におけるゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルスの中心波長を基準とした帯域において正の群速度分散をもつ光ファイバ（図中、「（正）」と付記される太線部分）と、負の群速度分散をもつ光ファイバ（図中、「（負）」と付記される太線部分）とを光コネクタ（図中、四角で表記される部分）によって交互に連結する。

なお、正の群速度分散をもつ光ファイバと、負群速度分散をもつ光ファイバとを同一長のものとして交互に連結する図３に例示した連結態様に限らず、連結された光ファイバ全体としての分散が補償されるのであれば、ファイバ材料の特性やファイバ長、あるいは分散温度などを総合的に考慮して、様々な連結態様をとることが可能である。

このようにこのテラヘルツ分光装置１は、分散特性の異なる複数の光ファイバを連結することによって、連結された光ファイバ全体としての分散を補償するので、物理的に独立した分散補償部を回避できるようになされている。

（３）時間調整部の構成
さらにこの実施の形態におけるテラヘルツ分光装置１では、ディテクタ１３に対するプローブ光の到達時間を、リトロリフレクタ等の光学レンズを用いて構成される時間遅延部によって遅延させるのではなく、光ファイバＯＦ３に対して温度負荷を与えることによって遅延させるようになされている。

具体例として図４に示すように、コア及びグラッドにより形成される光ファイバＯＦ３には、光ファイバＯＦ３に対して力学的耐性、水分耐性をもたせるものとして、プラスチック材等の深層被覆部２０Ａと、ナイロン材等の表層被覆部２０Ｂとでなる被覆部２０が被覆され、該被覆部２０の表層被覆部２０Ｂの全部又は一部の周囲に対して、温度負荷供給部３０が設けられる。この温度負荷供給部３０は、コンピュータ１４における負荷可変部１４Ａによって設定された温度負荷を与えて、光ファイバＯＦ２によりも低温となる一定温度に維持するようになされている。

このテラヘルツ分光装置１では、温度負荷供給部３０によって一定に維持される温度において分散補償するように光ファイバＯＦ３が連結された状態となっており、これにより温度負荷供給部３０は時間遅延部として機能する結果、ゲインファイバ１１Ｃから光カプラ１４Ｄにより光ファイバＯＦ３に分配されるパルス光（プローブ光）は、該光カプラ１４Ｄにより光ファイバＯＦ２に分配されるパルス光（ポンプ光）よりも遅延した状態でディテクタ１３に到達することとなる。

なお、図４には、便宜上、シングルモードの光ファイバを例示したが、マルチモードであっても同様にして遅延調整することが可能である。

このようにこのテラヘルツ分光装置１は、ディテクタ１３に対するプローブ光の到達時間を、光ファイバＯＦ３に対して温度負荷を与えることによって遅延するので、物理的に独立した時間遅延部を回避できるようになされている。

（４）動作及び効果
以上の構成において、このテラヘルツ分光装置１０は、超短ファイバレーザ器１１におけるゲインファイバ１１Ｃに対して、光カプラ１１Ｄを介して直に光ファイバＯＦ２を連結し、該光ファイバＯＦ２を通じて、ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光（ポンプ光）をエミッタ１２に導く（図２）。

したがってこのテラヘルツ分光装置１０では、超短ファイバレーザ器１１から光学レンズを用いることなく光ファイバＯＦ２にパルス光（ポンプ光）を注入できるため、該光学レンズを用いる場合に比して小型化を実現できる。これに加えて、超短ファイバレーザ器１１からエミッタ１２までにわたってパルス光に対する自由空間での伝播を回避することができ、この結果、該パルス光の減衰等を低減する分だけ測定精度を向上することが可能となる。

この実施の形態の場合、光ファイバＯＦ２は、超短ファイバレーザ器１１におけるゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるように、該パルス光の中心波長を基準とした所定帯域において分散特性の異なる複数の光ファイバを連結することによって構成される（図３）。

したがってこのテラヘルツ分光装置１０では、光学系等で構成される分散補償部を用いることなく分散補償できるため、該分散補償部を用いる場合に比して小型化を実現できる。これに加えて、光学系等で構成される分散補償部を適用する場合に比べると、メンテナンスを大幅に低減でき、またレーザの中心波長を変更したときの分散補償の調整が容易となる。

さらにこの実施の形態の場合、テラヘルツ分光装置１０は、光カプラ１１Ｄを介して直に光ファイバＯＦ３を連結し、該光ファイバＯＦ３を通じて、ゲインファイバ１１Ｃから出力されるパルス光（プローブ光）をディテクタ１３に導く（図２）。またテラヘルツ分光装置１０には、この光ファイバＯＦ３の全部又は一部に対して、光ファイバＯＦ２の温度状態よりも低温状態が維持されるように温度負荷を与える時間調整部（負荷供給部３０及び負荷可変部１４Ａ）が設けられる（図４）。

したがってこのテラヘルツ分光装置１０では、超短ファイバレーザ器１１から光学レンズを用いることなく光ファイバＯＦ３にパルス光（プローブ光）を注入できるとともに、リトロリフレクタ等の光学レンズを用いることなくディテクタ１３に対するパルス光（プローブ光）の到達時間を遅延できるため、該光学レンズを用いる場合に比して大幅に小型化を実現できる。これに加えて、超短ファイバレーザ器１１からディテクタ１３までにわたってパルス光に対する自由空間での伝播を回避することができ、この結果、該パルス光の減衰等を低減する分だけ測定精度を向上することが可能となる。

以上の構成によれば、超短ファイバレーザ器１１からエミッタ１２及びディテクタ１３までの導波路が光ファイバとしたことにより小型化し得るテラヘルツ分光装置１０を実現できる。

（５）他の実施の形態
上述の実施の形態においては、光ファイバＯＦ３をゲインファイバ１１Ｃから直に分配させるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、該光ファイバＯＦ２から分配させるようにしてもよい。例えば、光ファイバＯＦ２の導波路上に光カプラ（又はスプリッタ）を設けるようにすれば、光ファイバＯＦ３をゲインファイバ１１Ｃから直に分配させる場合と同様の効果を得ることが可能である。

また上述の実施の形態においては、光ファイバＯＦ３を被覆する被覆部２０の周囲に温度負荷供給部３０を設けるようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、被覆部２０における深層被覆部２０Ａの周囲に対して温度負荷供給部３０を設けるようにしてもよく、また光ファイバＯＦ３の周囲に対して直に温度負荷供給部３０を設けるようにしてもよい。このようにすれば、被覆部２０の全部又は一部を省略する分だけさらに小型化を実現できる。

また、温度負荷を与える場所として光ファイバＯＦ３としたが、該光ファイバＯＦ３に代えて光ファイバＯＦ２とするようにしてもよい。温度負荷場所を光ファイバＯＦ２とする場合、例えば、コンピュータ１４における負荷可変部１４Ａによって設定された温度負荷を与えて、光ファイバＯＦ３に対して高温に維持すれば、上述の実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。つまり、光カプラ１１Ｄ（光ファイバＯＦ２の導波路上に光カプラを設けた場合には該光カプラ）からエミッタ１２までの導波路の到達時間よりも、当該ディテクタ１３までの導波路の到達時間が遅延することを条件とすれば、当該導波路の一方又は双方に負荷を与える等、温度負荷を与える場所は適宜変更することができる。

さらに、負荷として温度を適用するようにしたが、これに代えて又はこれに加えて、圧力を適用する等、この他種々の負荷を適用することができる。

さらに、負荷供給対象の光ファイバに対して、非負荷供給対象の光ファイバの負荷状態よりも異なる「一の」負荷状態が維持されるように負荷を与えるようにしたが、本発明はこれに限らず、複数の負荷状態のうち、「選択された」負荷状態が維持されるように負荷を与えるようにしてもよい。このようにすれば、ディテクタ１３に対するパルス光の到達時間を切り換えることができ、この結果、測定精度を向上することが可能となる。

さらに上述の実施の形態においては、超短パルス発振器として、図２に示した超短ファイバレーザ器１１を適用するようにした場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ゲインファイバをもつものであれば、この他種々の超短パルス発振器を適用することができる。

本発明は、工業、医療、バイオ、農業、セキュリティ又は情報通信・エレクトロニクスなどの産業上において利用可能である。

１０……テラヘルツ分光装置、１１……超短ファイバレーザ器、１１Ｃ……ゲインファイバ、１２……エミッタ、１３……ディテクタ、１４……コンピュータ、１４Ａ……負荷可変部、２０Ａ……表層被覆部、２０Ｂ……深層被覆部、２０……被覆部、３０……温度負荷供給部、ＯＦ１、ＯＦ２、ＯＦ３……光ファイバ。

Claims (5)

1. 超短パルス発振器を構成するゲインファイバから分配される第１の光ファイバと、
   上記第１の光ファイバを通じて導かれるパルス光を用いてテラヘルツ波を発生するエミッタと、
   上記ゲインファイバ又は上記光ファイバから分配される第２の光ファイバと、
   上記第２の光ファイバを通じて導かれるパルス光を用いてテラヘルツ波を検出するディテクタと、
   上記第２の光ファイバに対して負荷を与えて、上記ディテクタに対するパルス光の到達時間を遅延させる時間調整部と
   を有し、
   上記第２の光ファイバは、
   上記時間遅延部から負荷が与えられた状態において上記ゲインファイバから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるよう、該パルス光の中心波長を基準とする所定帯域での分散特性が互いに異なる光ファイバを連結して構成される
   テラヘルツ分光装置。
2. 上記時間調整部は、
   上記第１の光ファイバよりも上記第２の光ファイバが低温となる状態で維持されるよう上記第２の光ファイバに対して負荷を与える
   請求項１に記載のテラヘルツ分光装置。
3. 上記時間調整部は、
   上記第２の光ファイバの外周面の全部又は一部を覆う部材と、
   上記部材を介して上記第２の光ファイバに対して与えるべき付加を調整する負荷調整部と
   を有する請求項２に記載のテラヘルツ分光装置。
4. 上記時間調整部が与えるべき負荷を、上記ディテクタに対するパルス光の到達時間を切り換えるために選択させる選択手段
   を有する請求項３に記載のテラヘルツ分光装置。
5. 上記第１の光ファイバは、
   上記ゲインファイバから出力されるパルス光のパルス幅の広がりが相殺されるよう、該パルス光の中心波長を基準とする所定帯域での分散特性が互いに異なる光ファイバを連結して構成される
   を有する請求項４に記載のテラヘルツ分光装置。

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