JP2017207446A - 全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物がない状態での計測と、被測定物がある状態での計測とで時間間隔が空いた場合であっても、光源のパワーの変動の影響を受けずに光学定数を導出することができる全反射分光計測装置を提供する。【解決手段】全反射分光計測装置は、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、全反射面に被測定物が配置される内部全反射プリズムと、テラヘルツ波を検出する検出部と、テラへルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、電場ベクトルに基づいて被測定物の光学定数に関する情報を取得する解析部と、を備え、テラヘルツ波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の互いの比率は一定であり、解析部は、全反射面に被測定物が配置されていないときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、被測定物が配置されているときに計測された電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて光学定数に関する情報を取得する。【選択図】図３

Description

本発明は、全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法に関する。

従来、テラヘルツ波を用いてプリズムの全反射面に配置された被測定物を計測する全反射分光計測が知られている。例えば非特許文献１に開示されているように、従来の全反射分光計測では、被測定物がプリズムの全反射面に配置されていない状態で計測された信号をリファレンスとして用いている。そして、被測定物を計測した信号とリファレンスとを比較し、２つの信号の変化の度合いから被測定物の光学定数を導出している。

H. Hirori, K. Yamashita, M. Nagai, and K. Tanaka, "Attenuated totalreflection spectroscopy in time domain using terahertz coherent pulses," Jpn.J. Appl. Phys. 43, L1287, （2004）

上記のような従来の技術では、テラヘルツ波を発生させるために、例えばフェムト秒レーザのような光源が利用されている。このような光源のパワーは、時間によって大きく変動する場合がある。そのため、リファレンスの測定と被測定物の測定との間に時間間隔が空いた場合には、その間に光源のパワーが変動していることが考えられる。この場合、リファレンスの信号と被測定物を測定した信号とで変化が計測されたとしても、被測定物の有無による変化であるのか、光源のパワーの変動による変化であるのかの区別が困難となることが考えられる。

本発明は、テラヘルツ波を発生させる光源のパワーの変動の影響を受けずに光学定数に関する情報を取得することができる全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法を提供することを目的とする。

一側面の全反射分光計測装置は、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、入射面から入射したテラヘルツ波を内部で伝播させるとともに全反射面で全反射させて出射面から出射させる内部全反射プリズムと、内部全反射プリズムの出射面から出射したテラヘルツ波を検出する検出部と、検出部によって検出されたテラへルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、電場ベクトル計測部によって計測された電場ベクトルに基づいて、内部全反射プリズムの全反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を取得する解析部と、を備え、テラヘルツ波発生部によって発生されるテラヘルツ波は、全反射面に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を互いの比率が一定となるように含み、解析部は、全反射面に被測定物が配置されていないときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、全反射面に被測定物が配置されているときに計測された電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて光学定数に関する情報を取得する。

また、一側面の全反射分光計測方法は、被測定物が配置される全反射面を有する内部全反射プリズムの内部を通って全反射面で全反射したテラヘルツ波に基づいて、被測定物の光学定数に関する情報を取得する全反射分光計測方法であって、全反射面に被測定物が配置されていないときに、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を互いの比率が一定となるように含むテラヘルツ波を内部全反射プリズムに入射し、内部全反射プリズムから出射したテラヘルツ波の電場ベクトルを計測する工程と、全反射面に被測定物が配置されているときに、当該テラヘルツ波を内部全反射プリズムに入射し、内部全反射プリズムから出射したテラヘルツ波の電場ベクトルを計測する工程と、被測定物が配置されていないときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、被測定物が配置されているときに計測された電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて光学定数に関する情報を取得する工程と、を含む。

このような全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法では、被測定物が配置されていないときにリファレンスとして計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、被測定物が配置されているときに計測された電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて、光学定数を導出している。ここで、時間経過に伴ってテラヘルツ波のパワーの変動は起こり得るが、テラヘルツ波のＳ偏光成分とＰ偏光成分との比率は互いに一定であり、変動しない。そのため、リファレンスとして計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比は、テラヘルツ波のパワーに関わらず一定となる。したがって、リファレンスの計測と被測定物の計測とで時間間隔が空いた場合であっても、光源のパワーの変動の影響を受けずに光学定数を導出することができる。

また、一側面においては、内部全反射プリズムに入射されるテラヘルツ波は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が等しい直線偏光又は円偏光であってもよい。この構成によれば、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを偏りなく照射することができるので、安定した計測を行うことができる。

また、一側面においては、内部全反射プリズムに入射されるテラヘルツ波は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が異なる直線偏光又は楕円偏光であってもよい。この構成によれば、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との割合が等しくなるような厳密なアライメントをする必要がない。

一側面の全反射分光計測装置及び全反射分光計測方法によれば、テラヘルツ波を発生させる光源のパワーの変動の影響を受けずに光学定数に関する情報を取得することができる。

一実施形態に係る全反射分光計測装置の光学系を示す構成図である。 テラヘルツ波検出素子におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。 図１に示した全反射分光計測装置の光学系に接続される解析装置の構成例を示すブロック図である。 一実施形態に係る全反射分光計測方法を示すフローチャートである。 電場ベクトル検出方法を示すフローチャートである。 テラヘルツ波のＰ偏光成分とＳ偏光成分との関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。便宜上、実質的に同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。

図１は、本実施形態に係る全反射分光計測装置の光学系を示す図である。同図に示すように、全反射分光計測装置１の光学系１Ａは、フェムト秒レーザを光源としてテラヘルツ波Ｔを発生させるテラヘルツ波発生部１０と、テラヘルツ波Ｔを全反射面２０ｂで全反射させて出射させる内部全反射プリズム２０と、内部全反射プリズム２０から出射したテラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子（検出部）３０とを含んでいる。

より具体的には、全反射分光計測装置１の光学系１Ａは、出射光Ｌとしてフェムト秒レーザを出射する光源２と、光源２からの出射光Ｌをプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに分岐するビームスプリッタ３と、ポンプ光Ｌｂを周期的に変調する光変調器５と、ポンプ光Ｌｂをプローブ光Ｌａに対して時間的に遅延させる遅延ステージ６と、ポンプ光Ｌｂの入射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１０と、テラヘルツ波Ｔの入射面２０ａ、全反射面２０ｂ及び出射面２０ｃを有する内部全反射プリズム２０と、テラヘルツ波Ｔを検出するテラヘルツ波検出素子３０と、プローブ光Ｌａの偏光を調整する偏光調整部３２と、プローブ光Ｌａを検出する光検出器３４とを含んで構成されている。

光源２から出射されるフェムト秒レーザは、例えば波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ、繰り返し周波数１００ＭＨｚ、平均出力５００ｍＷとなっている。光変調器５は、例えば光チョッパであり、ポンプ光Ｌｂを変調周波数ｆ_２で時間的に変調する。変調周波数ｆ_２は、例えば１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚである。遅延ステージ６は、例えばビームスプリッタ３で分岐したポンプ光Ｌｂの光軸方向に往復動可能なステージ６ａと、ポンプ光Ｌｂを折り返す一対のミラー６ｂ，６ｃとを有している。遅延ステージ６を経たポンプ光Ｌｂは、ミラー８によってテラヘルツ波発生部１０に導光される。

テラヘルツ波発生部１０は、テラヘルツ波発生素子１１と波長板１３とを含んでいる。テラヘルツ波発生素子１１は、例えばＺｅＴｅなどの非線形光学結晶、ＧａＡｓを用いた光スイッチなどのアンテナ素子、ＩｎＡｓなどの半導体、超伝導体などによって構成されている。これらの素子から発生するテラヘルツ波Ｔのパルスは、一般的には数ピコ秒程度である。テラヘルツ波発生素子１１として非線形光学結晶を用いた場合、テラヘルツ波発生素子１１にポンプ光Ｌｂが入射すると、非線形光学効果によってテラヘルツ波Ｔに変換される。

ミラー８によってテラヘルツ波発生部１０に導光されたポンプ光Ｌｂは、波長板１３によってその偏光が調整され、テラヘルツ波発生素子１１に入射される。テラヘルツ波発生素子１１から出射されるテラヘルツ波Ｔは、内部全反射プリズム２０の全反射面２０ｂにおいてＳ偏光成分及びＰ偏光成分を含むように、波長板１３及びテラヘルツ波発生素子１１によって調整されている。テラヘルツ波発生素子１１としてＺｅＴｅの（１１１）面を切り出した非線形光学結晶を用いた場合、波長板１３によるポンプ光Ｌｂの偏光調整とＺｅＴｅの（１１１）面の結晶軸の調整とによって、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を含むテラヘルツ波Ｔを得ることができる。例えば、斜め２２．５°の直線偏光とすることによって、テラヘルツ波Ｔは、光軸に対して全反射面２０ｂを基準に斜め４５°の直線偏光となる。この場合、テラヘルツ波ＴのＳ偏光成分及びＰ偏光成分の割合を等しくすることができる。発生したテラヘルツ波Ｔは、内部全反射プリズム２０に入射する。

内部全反射プリズム２０は、テラヘルツ波発生素子１１から出力されたテラヘルツ波Ｔを入射面２０ａに入力し、その入力したテラヘルツ波Ｔを内部で伝播させるとともに全反射面２０ｂで全反射させ、その全反射した後のテラヘルツ波Ｔを出射面２０ｃからテラヘルツ波検出素子３０へ出力する。全反射面２０ｂには、屈折率、誘電率、吸収係数といった各種の光学定数を測定する対象となる被測定物Ｓが載置される。

プローブ光Ｌａは、ミラー９を経て偏光調整部３２に導光される。偏光調整部３２は、偏光子３６と、λ／４波長板３７とによって構成されている。偏光調整部３２に導光されたプローブ光Ｌａは、偏光子３６によって所定方向の直線偏光となり、さらに、λ／４波長板３７によって円偏光となる。

円偏光となったプローブ光Ｌａは、無偏光ビームスプリッタ３８により偏光状態を維持したまま二分される。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、テラヘルツ波検出素子３０に導光され、他方は、第２の光検出器３４Ｂに導光される。

テラヘルツ波検出素子３０は、例えば光学的等方媒質であるＺｎＴｅ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。テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａは、テラヘルツ波Ｔが入射する入射面となっている。一方面３０ａには、テラヘルツ波Ｔを透過し、かつプローブ光Ｌａを反射する反射コーティングが施されている。また、テラヘルツ波検出素子３０の他方面３０ｂは、プローブ光Ｌａが入射する入射面となっている。他方面３０ｂには、プローブ光Ｌａの反射を抑制する反射防止コーティングが施されている。

図２は、テラヘルツ波検出素子３０におけるテラヘルツ波の電場ベクトルを示す図である。同図に示すように、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルＥ_Ｔは、振幅｜Ｅ_Ｔ｜と、方位θ_Ｔとによって表される。方位θ_Ｔは、ＺｎＴｅの（１１１）面における＜−２１１＞方向を０°とし、これを基準として＜０−１１＞方向を正方向としている。＜−２１１＞方向に対するテラヘルツ波Ｔの電場の傾きが２θである場合、複屈折は−θ方向に誘起される。テラヘルツ波Ｔの強さに応じて誘起される複屈折の大きさは、方向によらず一定となる。

テラヘルツ波検出素子３０に入射したプローブ光Ｌａは、入射したタイミングでのテラヘルツ波Ｔの電場によって変調され、偏光状態が楕円偏光などに変化する。テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０の一方面３０ａで反射して無偏光ビームスプリッタ３８に再び入射する。二分されたプローブ光Ｌａの一方は、回転検光子３９に入射し、他方は戻り光となる。

回転検光子３９は、モータなどにより、検光子が面内で回転する素子である。プローブ光Ｌａが検光子に入射すると、特定の直線偏光のみが出力される。したがって、検光子が回転する場合、プローブ光Ｌａが変調される。回転検光子３９で変調されたプローブ光Ｌａは、第１の光検出器３４Ａに入射する。戻り光は、λ／４波長板３７によって直線偏光に近い楕円偏光となり、大部分が偏光子３６でカットされる。

第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、例えばフォトダイオードである。第１の光検出器３４Ａは、テラヘルツ波Ｔをプローブした後のプローブ光Ｌａを検出する光検出器であり、回転検光子３９によって変調されたプローブ光Ｌａを検出する。第２の光検出器３４Ｂは、パワー変動のモニタリングに用いられる光検出器であり、テラヘルツ波検出素子３０に向かわずに無偏光ビームスプリッタ３８を透過したプローブ光Ｌａを検出する。

図３は、上述した全反射分光計測装置１の光学系１Ａに接続される解析装置１Ｂの構成例を示すブロック図である。本実施形態では、解析装置１Ｂによって、電場ベクトル計測部及び解析部が構成されている。同図に示すように、解析装置１Ｂは、差動検出器４１と、周波数演算器４２と、ロックイン検出器４３と、電場ベクトル検出部４４と、光学定数解析部４５とを備えている。

差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分を検出する部分である。差動検出器４１は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号と第２の光検出器３４Ｂからの検出信号との差分に基づく検出信号をロックイン検出器４３に出力する。差動検出を行うことにより、プローブ光Ｌａにおけるパワー変動成分が除去される。このとき、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂは、テラヘルツ波Ｔが入射しない状態で、かつ回転検光子３９を配置していないときの差動検出器４１の検出信号の強度がゼロとなるように感度調整されていることが好ましい。

周波数演算器４２は、回転検光子３９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数を生成し、ロックイン検出器４３に参照信号を出力する。より具体的には、周波数演算器４２は、回転検光子３９の回転周波数をｆ_１とし、ポンプ光Ｌｂの変調周波数をｆ_２とした場合に、ｆ_２±２ｆ_１となる周波数を生成する。

ロックイン検出器４３は、第１の光検出器３４Ａからの検出信号（ここでは差動検出器４１からの検出信号）をロックイン検出する部分である。本実施形態のロックイン検出器４３は、２位相ロックイン検出器であり、参照信号の周波数に同期して変化する検出信号の振幅と位相とを同時に検出する。ロックイン検出器４３は、参照信号の周波数をｆ_２±２ｆ_１として、差動検出器４１から出力される検出信号のロックイン検出を行う。ロックイン検出器４３からの検出信号は、電場ベクトル検出部４４に出力される。回転周波数ｆ_１は、例えば２０Ｈｚ〜１００Ｈｚである。

電場ベクトル検出部４４は、ロックイン検出器４３からの検出信号に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを検出する部分である。電場ベクトル検出部４４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。

ロックイン検出器４３からの検出信号に含まれる振幅Ａ_Ｌ及び位相φ_Ｌと、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜Ｅ_Ｔ｜及び方位θ_Ｔとの間には、下記の関係が成り立つ。下記式におけるＡ_Ｃは、テラヘルツ波検出素子３０として用いる電気光学結晶の非線形光学定数及び厚さ、プローブ光Ｌａの波長などに基づいて決定される定数である。下記式により、ロックイン検出器４３からの検出結果に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを一意に決定できる。

なお、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合には、下記式が成立する。この場合には、ロックイン検出器４３の検出信号に含まれる振幅Ａ_Ｌを、そのままテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅｜Ｅ_Ｔ｜としてもよい。

また、２位相ロックイン検出器は、参照信号の位相に従ってＡ_Ｌｃｏｓφ_ＬとＡ_Ｌｓｉｎφ_Ｌとをそれぞれ出力することができる。テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅が十分に小さい場合、これらの出力とテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分との間には、下記式が成立する。したがって、ロックイン検出器４３から出力される２つの出力に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分に比例する値Ｅ_Ｔｘ，Ｅ_Ｔｙが得られることとなる。本実施形態では、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルにおける互いに直交する２つの軸方向の成分を、内部全反射プリズムの全反射面に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分に一致させている。これにより、電場ベクトルのＳ偏光成分及びＰ偏光成分が得られる。

光学定数解析部４５は、電場ベクトル検出部４４によって計測された電場ベクトルに基づいて、被測定物の光学定数に関する情報を取得する部分である。光学定数解析部４５は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス等を備えたコンピュータシステムによって構成されている。光学定数解析部４５と電場ベクトル検出部４４とは、同一のコンピュータシステムによって構成されてもよい。例えば、光学定数解析部４５は、計測された電場ベクトルのＳ偏光成分及びＰ偏光成分のデータをメモリ等に保存しておき、必要に応じて呼び出すことができる。

本実施形態の光学定数解析部４５では、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されていない状態と配置されている状態とにおける、Ｓ偏光成分の反射率の比Ｒ_ＳとＰ偏光成分の反射率の比Ｒ_Ｐとの比ρを利用して被測定物Ｓの光学定数に関する情報を取得する。この場合に、比ρは、以下の式で示される。

ここで、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されていないときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれＥ_Ｓ０とＥ_Ｐ０とし、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されているときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分とをそれぞれＥ_ＳとＥ_Ｐとすると、ρは以下のように決定される。

すなわち、ρは、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されていないときに計測された電場ベクトルのＳ偏光成分Ｅ_Ｓ０とＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０との比と、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されているときに計測された電場ベクトルのＰ偏光成分Ｅ_ＰとＳ偏光成分Ｅ_Ｓとの比とによって表すことができる。光学定数解析部４５では、Ｓ偏光成分Ｅ_Ｓ０、Ｐ偏光成分Ｅ_Ｐ０、Ｐ偏光成分Ｅ_Ｐ及びＳ偏光成分Ｅ_Ｓから求められるρを利用して、屈折率、誘電率、吸収係数といった光学定数に関する情報を取得する。

図４は、本実施形態における全反射分光計測方法を示すフローチャートである。全反射分光計測方法は、上述の全反射分光計測装置１を用いて実行され得る。

図４に示されるように、全反射分光計測方法は、リファレンス計測工程Ｓ１、サンプル計測工程Ｓ２及び解析工程Ｓ３を有している。リファレンス計測工程Ｓ１では、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されていない状態で、内部全反射プリズム２０から出射したテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測し、Ｓ偏光成分Ｅ_Ｓ０とＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０とを取得する。また、サンプル計測工程Ｓ２では、全反射面２０ｂに被測定物Ｓが配置されている状態で、内部全反射プリズム２０から出射したテラヘルツ波Ｔの電場ベクトルを計測し、Ｓ偏光成分Ｅ_ＳとＰ偏光成分Ｅ_Ｐとを取得する。リファレンス計測工程Ｓ１とサンプル計測工程Ｓ２とは、同様の環境条件の下で実施される。

図４のフローチャートでは、リファレンス計測工程Ｓ１をサンプル計測工程Ｓ２よりも先に行っているが、この順番は反対でもよい。また、サンプル計測工程Ｓ２を行うたびに、リファレンス計測工程Ｓ１が行われる必要はなく、一度計測したＳ偏光成分Ｅ_Ｓ０及びＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０をメモリから呼び出して利用してもよい。

図５は、リファレンス計測工程Ｓ１及びサンプル計測工程Ｓ２に共通する電場ベクトルの計測方法を示すフローチャートである。図５に示すように、この電場ベクトルの計測方法では、まず、光源２によって超短パルス光である出射光Ｌが出射される（ステップＳ１１：レーザ出射ステップ）。光源２から出射した出射光Ｌは、ビームスプリッタ３によってプローブ光Ｌａとポンプ光Ｌｂとに二分される。ポンプ光Ｌｂは、光変調器５によって時間的に変調され（ステップＳ１２：ポンプ光変調ステップ）、遅延ステージ６を通過することによって時間的に遅延させられる（ステップＳ１３：遅延ステップ）。

遅延ステージ６を通過したポンプ光Ｌｂは、テラヘルツ波発生部に入射し、テラヘルツ波Ｔを発生させる（ステップＳ１４：テラヘルツ波発生ステップ）。テラヘルツ波発生素子１１で発生したテラヘルツ波Ｔは、内部全反射プリズム２０に入射し、全反射面２０ｂで反射されて、テラヘルツ波検出素子３０に入射する（ステップＳ１５：テラヘルツ波検出ステップ）。

一方、プローブ光Ｌａは、偏光調整部３２に導光され、偏光状態が円偏光となる（ステップＳ１６：偏光状態調整ステップ）。偏光状態が円偏光となったプローブ光Ｌａは、テラヘルツ波検出素子３０に入射し、テラヘルツ波Ｔのプローブがなされる（ステップＳ１７：テラヘルツ波プローブステップ）。このとき、テラヘルツ波Ｔの偏光状態は、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルによって変化する。

プローブ後のプローブ光Ｌａは、回転検光子３９によって変調され（ステップＳ１８：プローブ光変調ステップ）、第１の光検出器３４Ａによって検出される（ステップＳ１９：プローブ光検出ステップ）。また、プローブに用いられなかったプローブ光Ｌａは、第２の光検出器３４Ｂによって検出される。

次に、第１の光検出器３４Ａ及び第２の光検出器３４Ｂからの検出信号がそれぞれ差動検出器４１に出力され、差動検出が行われる。また、周波数演算器４２によって、回転検光子３９の回転周波数と、ポンプ光Ｌｂの変調周波数とに基づく周波数が生成され、ロックイン検出器４３に出力される（ステップＳ２０：差動検出ステップ及び周波数演算ステップ）。

差動検出器４１からの検出信号がロックイン検出器４３に出力されると、周波数演算器４２によって生成された周波数を参照信号としてロックイン検出が行われる（ステップＳ２１：ロックイン検出ステップ）。ロックイン検出器４３からの検出信号は、電場ベクトル検出部４４に出力され、ロックイン検出器４３からの検出信号に含まれる振幅及び位相に基づいて、テラヘルツ波Ｔの電場ベクトルの振幅及び方向が検出される（ステップＳ２２：電場ベクトル検出ステップ）。

再び図４に戻り、解析工程Ｓ３では、リファレンス計測工程Ｓ１で取得された電場ベクトルのＳ偏光成分Ｅ_Ｓ０とＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０との比と、サンプル計測工程Ｓ２で計測された電場ベクトルのＰ偏光成分Ｅ_ＰとＳ偏光成分Ｅ_Ｓとの比とに基づいてρを求め、光学定数に関する情報を取得する。この工程は、光学定数解析部４５によって実行される。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。図６は、テラヘルツ波発生部１０によって発生したテラヘルツ波のＰ偏光成分とＳ偏光成分との関係を模式的に示す図である。図６の（ａ）は、あるタイミングで発生したテラヘルツ波の電場ベクトルＥ１を示している。また、図６の（ｂ）は、図６の（ａ）とは異なるタイミングで発生したテラヘルツ波の電場ベクトルＥ２を示している。図示例では、図６の（ａ）の場合のテラヘルツ波に比べて、（ｂ）の場合のテラヘルツ波のパワーが小さくなっている。このように、異なる時間にテラヘルツ波発生部１０で発生した２つのテラヘルツ波のパワーは、変動している場合がある。そのため、従来の技術では、リファレンスの信号と被測定物を測定した信号とで変化が計測されたとしても、被測定物の有無による変化であるのか、光源のパワーの変動による変化であるのかの区別が困難となることが考えられる。

本実施形態の全反射分光計測装置１では、リファレンス計測工程Ｓ１で計測された電場ベクトルのＳ偏光成分Ｅ_Ｓ０とＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０との比Ｅ_Ｓ０／Ｅ_Ｐ０と、サンプル計測工程Ｓ２で計測された電場ベクトルのＰ偏光成分Ｅ_ＰとＳ偏光成分Ｅ_Ｓとの比Ｅ_Ｐ／Ｅ_Ｓとに基づいて、光学定数を導出している。ここで、テラヘルツ波発生部１０では、入力されるフェムト秒レーザであるポンプ光Ｌｂの偏光調整が行われている。これにより、図６に示されるように、時間によって異なるパワーのテラヘルツ波が発生した場合であっても、ある時間の電場ベクトルＥ１のＳ偏光成分Ｅ_ＳＴ１とＰ偏光成分Ｅ_ＰＴ１との比率と、別の時間の電場ベクトルＥ２のＳ偏光成分Ｅ_ＳＴ２とＰ偏光成分Ｅ_ＰＴ２との比率とは同一となっている。そのため、リファレンス工程Ｓ１で計測される電場ベクトルのＳ偏光成分Ｅ_Ｓ０とＰ偏光成分Ｅ_Ｐ０との比Ｅ_Ｓ０／Ｅ_Ｐ０は、フェムト秒レーザのパワー変動の影響を受けない。したがって、リファレンス計測工程Ｓ１とサンプル計測工程Ｓ２との間の時間経過に伴って、フェムト秒レーザのパワーが変動した場合であっても、フェムト秒レーザのパワー変動の影響を受けずに光学定数を導出することができる。

また、内部全反射プリズム２０に入射されるテラヘルツ波Ｔが、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が等しい直線偏光であるため、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを偏りなく照射することができ、安定した計測を行うことができる。なお、内部全反射プリズム２０に入射されるテラヘルツ波Ｔは、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が等しい円偏光であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではない。内部全反射プリズム２０の出射面２０ｃから出射したテラヘルツ波の電場ベクトルの計測は、上記計測方法以外の他の計測方法によって実行され得る。例えば、テラヘルツ波検出素子３０として光学的等方媒質であるＺｎＴｅの（１１１）面を切り出した電気光学結晶を例示したが、電気光学結晶はＧａＰなどの他の光学的等方媒質の（１１１）面を切り出した結晶であってもよい。

また、内部全反射プリズムに入射されるテラヘルツ波は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との割合が異なる直線偏光又は楕円偏光であってもよい。この構成によれば、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との割合が等しくなるような厳密なアライメントをする必要がない。

１…全反射分光計測装置、１Ａ…光学系、１Ｂ…解析装置、１０…テラヘルツ波発生部、２０…内部全反射プリズム、２０ａ…入射面、２０ｂ…全反射面、２０ｃ…出射面、３０…テラヘルツ波検出素子（検出部）、４４…電場ベクトル検出部、４５…光学定数解析部（解析部）、Ｔ…テラヘルツ波。

Claims (6)

1. テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部と、
   前記テラヘルツ波の入射面及び出射面を有し、前記入射面から入射した前記テラヘルツ波を内部で伝播させるとともに全反射面で全反射させて前記出射面から出射させる内部全反射プリズムと、
   前記内部全反射プリズムの前記出射面から出射した前記テラヘルツ波を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出された前記テラへルツ波の電場ベクトルを計測する電場ベクトル計測部と、
   電場ベクトル計測部によって計測された電場ベクトルに基づいて、前記内部全反射プリズムの前記全反射面に配置された被測定物の光学定数に関する情報を取得する解析部と、を備え、
   前記テラヘルツ波発生部によって発生される前記テラヘルツ波は、前記全反射面に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を互いの比率が一定となるように含み、
   前記解析部は、前記全反射面に前記被測定物が配置されていないときに計測された前記電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、前記全反射面に前記被測定物が配置されているときに計測された前記電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて前記光学定数に関する情報を取得する、全反射分光計測装置。
2. 前記テラヘルツ波発生部によって発生される前記テラヘルツ波は、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分の割合が等しい直線偏光又は円偏光である、請求項１に記載の全反射分光計測装置。
3. 前記テラヘルツ波発生部によって発生される前記テラヘルツ波は、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分の割合が異なる直線偏光又は楕円偏光である、請求項１に記載の全反射分光計測装置。
4. 被測定物が配置される全反射面を有する内部全反射プリズムの内部を通って前記全反射面で全反射したテラヘルツ波に基づいて、前記被測定物の光学定数に関する情報を取得する全反射分光計測方法であって、
   前記全反射面に前記被測定物が配置されていないときに、前記全反射面に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を互いの比率が一定となるように含む前記テラヘルツ波を前記内部全反射プリズムに入射し、内部全反射プリズムから出射した前記テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する工程と、
   前記全反射面に前記被測定物が配置されているときに、前記全反射面に対するＳ偏光成分及びＰ偏光成分を前記比率で含む前記テラヘルツ波を前記内部全反射プリズムに入射し、内部全反射プリズムから出射した前記テラヘルツ波の電場ベクトルを計測する工程と、
   前記被測定物が配置されていないときに計測された前記電場ベクトルのＳ偏光成分とＰ偏光成分との比と、前記被測定物が配置されているときに計測された前記電場ベクトルのＰ偏光成分とＳ偏光成分との比とに基づいて前記光学定数に関する情報を取得する工程と、を含む、全反射分光計測方法。
5. 前記内部全反射プリズムに入射される前記テラヘルツ波は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が等しい直線偏光又は円偏光である、請求項４に記載の全反射分光計測方法。
6. 前記内部全反射プリズムに入射される前記テラヘルツ波は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分の割合が異なる直線偏光又は楕円偏光である、請求項４に記載の全反射分光計測方法。

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