JP6483453B2 - Terahertz electric field waveform detector - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波の電場波形をテラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS)によって検出する検出装置に関する。 The present invention relates to a detection device that detects an electric field waveform of a terahertz wave by terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS).
0.1〜10THz(波数にして3.3〜333cm−1)の周波数領域はテラヘルツ領域と呼ばれる。テラヘルツ領域の波形の分光法として、テラヘルツパルス波(THzパルス波)をサンプルに入射させ、サンプルを透過した後のテラヘルツパルス波の波形を時間分解計測し、その波形をフーリエ変換することで周波数ごとの振幅と位相を検出するテラヘルツ時間領域分光法(THz time-domain spectroscopy,THz-TDS)が知られている。(特許文献1〜3) A frequency region of 0.1 to 10 THz (a wave number of 3.3 to 333 cm −1 ) is called a terahertz region. As a spectral method of the terahertz region waveform, a terahertz pulse wave (THz pulse wave) is incident on the sample, the waveform of the terahertz pulse wave after passing through the sample is time-resolved, and the waveform is Fourier transformed for each frequency. Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is known for detecting the amplitude and phase of the laser. (Patent Documents 1 to 3)
図11はテラヘルツ時間領域分光装置の概略を説明するための図である。レーザーから放射された光パルステラヘルツ発生系のポンプ光と検出系のプローブ光に分け、ポンプ光をTHz発生装置101に導いてテラヘルツパルス波を発生させ、プローブ光を時間遅延装置102によって光路長を変化させた後、テラヘルツパルス波を検出するための検出素子103に導く。 FIG. 11 is a diagram for explaining the outline of the terahertz time domain spectroscopic device. The optical pulse terahertz generation pump light emitted from the laser and the probe light of the detection system are divided, the pump light is guided to the THz generator 101 to generate a terahertz pulse wave, and the optical path length of the probe light is increased by the time delay device 102. After the change, the terahertz pulse wave is guided to the detection element 103 for detection.
ポンプ・プローブ方式によるテラヘルツパルス波の波形計測では、プローブ光を時間遅延させることによってプローブ光が検出素子103に到達するタイミングを変えながら、繰り返し到来する同波形のテラヘルツパルス波の電場波形をサンプリングする。テラヘルツパルス波の検出素子103は、プローブ光が照射されたときのみ動作するため、プローブ光と同時に到達したテラヘルツパルス波による信号のみを検出器104を用いて計測する。計測されたテラヘルツパルス波の時間波形をフーリエ変換することによって周波数ごとの振幅と位相を得る。 In the waveform measurement of terahertz pulse waves by the pump-probe method, the electric field waveform of the terahertz pulse wave of the same waveform that repeatedly arrives is sampled while changing the timing at which the probe light reaches the detection element 103 by delaying the probe light. . Since the terahertz pulse wave detection element 103 operates only when the probe light is irradiated, the detector 104 is used to measure only the signal of the terahertz pulse wave that arrives simultaneously with the probe light. The measured time waveform of the terahertz pulse wave is Fourier transformed to obtain the amplitude and phase for each frequency.
上記したポンプ・プローブ方式によるテラヘルツパルス波の波形計測では、繰り返し現象を利用して時間掃引することでテラヘルツパルス波の時間波形とスペクトルを得るため、相移転や破壊現象といった毎回挙動が異なる現象、絶えず変化する現象、運動する物体、測定に長時間を要する現象などの測定対象には適していない。 In the terahertz pulse wave waveform measurement by the above-described pump-probe method, the time waveform and spectrum of the terahertz pulse wave are obtained by time sweeping using the repetitive phenomenon, so that the behavior is different each time, such as phase transfer and destruction phenomenon, It is not suitable for measuring objects such as constantly changing phenomena, moving objects, and phenomena that require a long time for measurement.
これを解決するために、チャープパルスを用いて時間情報を波長にマッピングし、分光器と二次元検出器を用いて検出することが提案されているが、検出速度は二次元検出器の検出速度に制限されるという問題がある。また、検出速度に問題がある他、和周波光と差周波光が同時に検出されるために、観測される波形が歪むことや、デジタル信号に変換するため、波形の乗算(ミキシング)などの演算が困難であるという問題がある。 In order to solve this, it has been proposed that time information is mapped to wavelengths using chirp pulses and detection is performed using a spectroscope and a two-dimensional detector, but the detection speed is the detection speed of the two-dimensional detector. There is a problem that it is limited to. In addition, there is a problem with the detection speed, and since the sum frequency light and difference frequency light are detected at the same time, the observed waveform is distorted or converted into a digital signal, so that operations such as waveform multiplication (mixing) are performed. There is a problem that is difficult.
そこで、本願発明は前記した従来の問題点を解決し、ポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、1ショット(シングルショット)のテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を検出することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described conventional problems and to detect a terahertz electric field waveform of a single shot (single shot) terahertz wave in a terahertz wave waveform measurement by a pump-probe method.
ここで、テラヘルツ波はテラヘルツパルス波及び連続テラヘルツ波を含む。また、1ショット(シングルショット)のテラヘルツパルス波は測定対象が一つのパルス信号波形であることを意味し、1ショット(シングルショット)の連続テラヘルツ波は測定対象が一つの連続信号波形であることを意味している。 Here, the terahertz wave includes a terahertz pulse wave and a continuous terahertz wave. One shot (single shot) terahertz pulse wave means that the measurement target is one pulse signal waveform, and one shot (single shot) continuous terahertz wave is that the measurement target is one continuous signal waveform. Means.
また、本願発明は、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、1ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を単一の検出器(シングルフォトダイオード)で検出することを目的とする。 Further, the present invention provides a single detector (single photodiode) for a terahertz electric field waveform of one shot of terahertz wave in a terahertz wave waveform measurement by a pump-probe method using a terahertz wave and a chirped probe pulse wave. It aims to detect with.
本願発明は、テラヘルツパルス波又は連続テラヘルツ波を含むテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に書き込むことによってテラヘルツ電場波形を検出する部分と、テラヘルツ電場の情報が書き込まれたチャープパルス波を時間方向に伸張させることによってアナログ信号として検出可能な周波数まで低周波化する部分の構成によって、1ショットのテラヘルツ波の単一検出器による検出を可能とする。 In the present invention, a portion for detecting a terahertz electric field waveform by writing spectrum information and phase information of a terahertz electric wave waveform of a terahertz wave including a terahertz pulse wave or a continuous terahertz wave into a chirped pulse wave, and information on the terahertz electric field are written By detecting the frequency of the chirp pulse wave in the time direction to reduce the frequency to a frequency that can be detected as an analog signal, it is possible to detect a one-shot terahertz wave with a single detector.
本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、チャープパルス波とテラヘルツ波との差周波光及び/又は和周波光によってテラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形に基づくチャープパルス波を強度変調し、この強度変調によってテラヘルツ波からテラヘルツ電場のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に重畳させたチャープパルス変調波を出射するチャープ波変調部と、チャープ波変調部で得られるチャープパルス変調波を時間方向に伸張させる波形伸張部と、波形伸張部で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部と、光−電気変換部で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び/又は位相情報を検出する電場波形検出部とを備える。 The terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention intensity-modulates a chirp pulse wave based on the terahertz electric field waveform of the terahertz pulse wave with the difference frequency light and / or the sum frequency light between the chirp pulse wave and the terahertz wave, and the terahertz wave by this intensity modulation. A chirped wave modulation unit that emits a chirped pulse modulated wave in which spectrum information and phase information of the terahertz electric field are superimposed on the chirped pulse wave from the wave, and waveform expansion that extends the chirped pulse modulated wave obtained by the chirped wave modulating unit in the time direction , A photoelectric conversion unit for converting a chirped pulse modulated extended wave expanded in the time direction by the waveform expansion unit to an analog signal, spectrum information of a terahertz electric field waveform from the analog signal converted by the optical-electric conversion unit, and / or An electric field waveform detection unit for detecting phase information.
チャープ波変調部において、電気光学結晶(EO結晶)に対してチャープパルス波とテラヘルツ波を入射すると、電気光学結晶の二次非線形光学効果によって和周波過程による和周波光と差周波過程による差周波光が発生する。二つの異なる光周波数の光が電気光学結晶に入射されると、二つの光周波数の和となる光周波数を持ち、二つの光の強度の積に比例した光強度の和周波光が発生し、二つの光周波数の差となる光周波数を持つ差周波光が発生する。 When a chirped pulse wave and a terahertz wave are incident on the electro-optic crystal (EO crystal) in the chirp wave modulation unit, the sum frequency light by the sum frequency process and the difference frequency by the difference frequency process are caused by the second-order nonlinear optical effect of the electro-optic crystal. Light is generated. When light of two different optical frequencies is incident on the electro-optic crystal, a sum frequency light having an optical frequency that is the sum of the two optical frequencies and having a light intensity proportional to the product of the two light intensities is generated. Difference frequency light having an optical frequency that is the difference between the two optical frequencies is generated.
和周波光と差周波光は、非同軸に入射した場合プローブパルスに対してそれぞれ異なる方向の波数を持つ。従来知られているチャープパルス波及びテラヘルツ波の照射では光軸を同軸配置しているため、和周波過程と差周波過程とによってチャープパルス波は二重に変調され、得られるチャープ変調波の波形には歪みが生じる。 The sum frequency light and the difference frequency light have wave numbers in different directions with respect to the probe pulse when they are incident non-coaxially. In the known chirp pulse wave and terahertz wave irradiation, the optical axis is coaxially arranged, so that the chirp pulse wave is doubly modulated by the sum frequency process and the difference frequency process, and the resulting chirp modulated wave waveform Is distorted.
チャープ変調波の波形歪に対する一構成として、本願発明のチャープ変調波部は、電気光学結晶(EO結晶)に対するチャープパルス波とテラヘルツ波の入射において、チャープパルス波とテラヘルツ波の光軸を非同軸に配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とをチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。 As one configuration for the waveform distortion of the chirp modulation wave, the chirp modulation wave portion of the present invention is configured so that the optical axes of the chirp pulse wave and the terahertz wave are non-coaxial when the chirp pulse wave and the terahertz wave are incident on the electro-optic crystal (EO crystal). Therefore, the chirp pulse modulated wave by the difference frequency process and the chirp pulse modulated wave by the sum frequency process are emitted in different directions with respect to the optical axis direction of the chirp pulse wave.
チャープ変調波の波形歪に対する他の構成として、本願発明のチャープ変調波部は、電気光学結晶(EO結晶)の出射側に1/4波長板と偏光分離素子(ウォラストンプルズム)の構成を配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とをチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。 As another configuration for the waveform distortion of the chirp modulation wave, the chirp modulation wave portion of the present invention has a configuration of a quarter wavelength plate and a polarization separation element (Wollaston Prism) on the emission side of the electro-optic crystal (EO crystal). By arranging, the chirped pulse modulated wave by the difference frequency process and the chirped pulse modulated wave by the sum frequency process are emitted in different directions with respect to the optical axis direction of the chirped pulse wave.
出射方向が異なることから和周波波と差周波波とを選択的に検出することができる。和周波波および差周波波のチャープ変調波には、それぞれテラヘルツ電場波形が互いに干渉することなく書き込まれているため、チャープ変調波を選択して検出することによってテラヘルツ電場波形を互いの干渉を受けること無く測定することができる。 Since the emission directions are different, the sum frequency wave and the difference frequency wave can be selectively detected. Since the terahertz electric field waveforms are written in the sum frequency wave and the difference frequency wave chirp modulated waves without interfering with each other, the terahertz electric field waveforms are interfered with each other by selecting and detecting the chirp modulated wave. Can be measured without any problems.
本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波とを出射方向の違いによって個別に取り出し、取り出した差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方又は両方を用いてテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び/又は位相情報を検出する。 The terahertz electric field waveform detection device of the present invention takes out a chirp pulse modulated wave of sum frequency light and a chirp pulse modulated wave of difference frequency light separately according to the difference in emission direction, and sums it with the chirp pulse modulated wave by the extracted difference frequency light. Spectral information and / or phase information of the terahertz electric field waveform is detected using either one or both of the chirped pulse modulated wave by frequency light.
本願発明の波形伸張部は、群速度分散が波長に対して単調なファイバを用いることによって、チャープパルス変調波を時間方向に伸張させる。時間方向に伸張されたチャープパルス変調波の周波数は低周波数側に低周波化される。チャープパルス変調波を低周波化することによって、光−電気変換して得られたアナログ信号はスペクトルアナライザーやオシロスコープ等の測定機器での測定が可能となり、サンプリングによる測定時間の長時間化を解消し1ショットによる測定が可能となる。 The waveform stretcher of the present invention stretches the chirped pulse modulated wave in the time direction by using a fiber whose group velocity dispersion is monotonous with respect to the wavelength. The frequency of the chirped pulse modulated wave expanded in the time direction is lowered to the lower frequency side. By reducing the frequency of the chirped pulse modulated wave, the analog signal obtained by opto-electric conversion can be measured with a measuring instrument such as a spectrum analyzer or oscilloscope, eliminating the lengthy measurement time due to sampling. Measurement by one shot becomes possible.
本願発明の光−電気変換部は、単一の光検出器(シングルフォトダイオード)を使用することができる。波形伸張部によってチャープパルス変調波は低周波化され、光−電気変換部で得られるアナログ信号は測定機器で測定可能な周波数となっているため、複数のサンプリングデータを、二次元検出器を用いることなく、単一の光検出器(シングルフォトダイオード)によってアナログ信号に変換することができる。 The photoelectric converter of the present invention can use a single photodetector (single photodiode). The chirped pulse modulated wave is reduced in frequency by the waveform expansion unit, and the analog signal obtained by the opto-electric conversion unit has a frequency that can be measured by a measuring instrument. Therefore, a plurality of sampling data is used with a two-dimensional detector. Instead, it can be converted into an analog signal by a single photodetector (single photodiode).
本願発明の電場波形検出部は、チャープパルス変調波に重畳されたテラヘルツ電場波形の検出を複数の形態で行うことができる。電場波形検出部の形態は、テラヘルツ波としてテラヘルツパルス波を用いる形態と連続テラヘルツ波を用いる形態を含む。以下に示す第1,4の形態はテラヘルツパルス波による形態であり、第2,3の形態は連続テラヘルツパルス波による形態である。 The electric field waveform detector of the present invention can detect the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated wave in a plurality of forms. The form of the electric field waveform detection unit includes a form using a terahertz pulse wave as a terahertz wave and a form using a continuous terahertz wave. The first and fourth forms shown below are forms by terahertz pulse waves, and the second and third forms are forms by continuous terahertz pulse waves.
(電場波形検出部の第1の形態)
電場波形検出部の第1の形態は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる形態であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波と参照信号とを積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。
(First form of electric field waveform detector)
The first form of the electric field waveform detection unit is a form using a terahertz pulse wave and a chirp pulse wave, and a chirp pulse modulation extension wave obtained by extending the chirp pulse modulation wave by the difference frequency light or the sum frequency light in the time direction. In this configuration, the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated extension wave is detected by calculating the integration with the reference signal.
第1の形態の電場波形検出部は、差周波光によるチャープパルス変調波又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、参照信号を第1の積算器で積算演算する。参照信号は、チャープパルス波の周波数に基づいて定めることができる。 The electric field waveform detection unit according to the first embodiment performs an optical-electric conversion on a chirped pulse modulated extended wave obtained by extending a chirped pulse modulated wave by a difference frequency light or a chirped pulse modulated wave by a sum frequency light into an analog signal. The reference signal is integrated with the signal by the first integrator. The reference signal can be determined based on the frequency of the chirped pulse wave.
この第1の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。 The frequency component of the terahertz pulse wave is extracted by the integration calculation of the first integrator, and the terahertz electric field waveform is detected.
第1の形態において、積算演算に使用する参照信号をチャープパルス波の周波数に基づいて定めることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出(特に位相情報)を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。 In the first embodiment, the reference signal used for the integration calculation is determined based on the frequency of the chirped pulse wave, thereby detecting the terahertz electric field waveform (particularly phase information) of the terahertz pulse wave and measuring one shot of the chirped pulse wave. Do as.
また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。 Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. .
(電場波形検出部の第2の形態)
電場波形検出部の第2の形態は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いる形態であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を、所定周期の周期信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。
(Second form of electric field waveform detection unit)
The second form of the electric field waveform detection unit is a form using a continuous terahertz wave and a chirped pulse wave, and a chirped pulse modulated stretched wave obtained by stretching the chirped pulse modulated wave by the difference frequency light or the sum frequency light with a predetermined period. In this embodiment, the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated extension wave is detected by performing an integration operation with the periodic signal.
第2の形態の電場波形検出部は、差周波光によるチャープパルス変調波又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数を有する周期信号を第2の積算器で積算演算する。 The electric field waveform detection unit according to the second embodiment performs an optical-electric conversion on a chirped pulse modulated extended wave obtained by expanding a chirped pulse modulated wave by a difference frequency light or a chirped pulse modulated wave by a sum frequency light into an analog signal, A periodic signal having a frequency that is a constant multiple of the frequency determined by the repetition period of the chirped pulse wave is integrated and calculated by the second integrator.
この第2の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。 The frequency component of the terahertz pulse wave is extracted by the integration calculation of the second integrator, and the terahertz electric field waveform is detected.
第1の形態において、波形伸張部で時間方向に伸張されたチャープパルス変調伸張波の時間幅をチャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以内とし、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出(特に位相情報)を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。 In the first embodiment, the time width of the chirped pulse modulated stretched wave stretched in the time direction by the waveform stretcher is set to be within the time width of the repeated cycle of the chirped pulse wave, and the frequency of the periodic signal of the analog signal used for integration calculation is By making the frequency a constant multiple of the frequency determined by the repetition period of the chirped pulse wave, terahertz electric field waveform detection (particularly phase information) of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirped pulse wave as the measurement period.
また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。これによって、測定時ごとのテラヘルツCWレーザーの位相変化を測定することができ、連続波テラヘルツレーザーの絶対周波数測定に応用できる。 Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. . As a result, the phase change of the terahertz CW laser at each measurement time can be measured, and can be applied to the absolute frequency measurement of the continuous wave terahertz laser.
(電場波形検出部の第3の形態)
電場波形検出部の第3の形態は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いる形態であり、第2の形態と同様に、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波と、所定周期の周期信号とを積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態であり、周期信号は、チャープパルス変調伸張波の時間幅を検出し、検出した時間幅に基づいて生成する。
(Third form of electric field waveform detection unit)
The third form of the electric field waveform detection unit is a form using a continuous terahertz wave and a chirped pulse wave. Similar to the second form, a chirp obtained by expanding a chirped pulse modulated wave by difference frequency light or sum frequency light. This is a form in which the terahertz electric field waveform superimposed on the chirp pulse modulation extension wave is detected by integrating the pulse modulation extension wave and a periodic signal of a predetermined period, and the periodic signal is the time of the chirp pulse modulation extension wave. A width is detected and generated based on the detected time width.
第3の形態の電場波形検出部は、時間幅検出器において光−電気変換部のアナログ信号の時間幅を検出し、周期信号形成器において時間幅検出器が検出した時間幅を一周期とする周期信号を形成する。差周波光のチャープパルス変調波又は和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号とし、このアナログ信号に対して、周期信号形成器の周期信号を第3の積算器で積算演算する。 The electric field waveform detection unit of the third form detects the time width of the analog signal of the photoelectric conversion unit in the time width detector, and sets the time width detected by the time width detector in the periodic signal generator as one cycle. A periodic signal is formed. A chirped pulse modulated extended wave obtained by expanding a chirped pulse modulated wave of difference frequency light or a chirped pulse modulated wave of sum frequency light is photoelectrically converted into an analog signal, and the period of the periodic signal generator is converted to this analog signal. The signal is integrated by a third integrator.
この第3の積算器の積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。 The frequency component of the terahertz pulse wave is extracted by the integration calculation of the third integrator, and the terahertz electric field waveform is detected.
第3の形態において、波形伸張部で波形伸張したチャープパルス変調伸張波の時間幅を時間幅検出器で検出し、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、時間幅検出器で検出した時間幅で定まる周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。 In the third mode, the time width of the chirped pulse modulated extended wave expanded by the waveform expansion unit is detected by the time width detector, and the frequency of the periodic signal of the analog signal used for the integration calculation is detected by the time width detector. By setting the frequency to be determined by the time width, the terahertz electric field waveform detection of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirp pulse wave as a measurement cycle.
また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。 Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. .
(電場波形検出部の第4の形態)
電場波形検出部の第4の形態は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる形態であり、第1の形態〜第3の形態では差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方を用いるのに対して、電場波形検出部の第4の形態は差周波光によるチャープパルス変調波光と和周波光によるチャープパルス変調波をそれぞれ波形伸張したチャープパルス変調伸張波を用い、両チャープパルス変調伸張波を差分演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する形態である。
(Fourth form of electric field waveform detector)
A fourth form of the electric field waveform detection unit is a form using a terahertz pulse wave and a chirp pulse wave, and in the first to third forms, any one of the chirp pulse modulated wave by the difference frequency light or the sum frequency light is used. On the other hand, the fourth form of the electric field waveform detection unit uses a chirped pulse modulated stretched wave obtained by stretching the chirped pulse modulated wave by the difference frequency light and the chirped pulse modulated wave by the sum frequency light. In this embodiment, a terahertz electric field waveform superimposed on a chirped pulse modulated extended wave is detected by calculating a difference between the pulse modulated extended wave.
第4の形態の電場波形検出部は、差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号とし、この二つのアナログ信号を差分演算器で差分演算することによって、テラヘルツパルス波の信号のみを検出する。 The electric field waveform detection unit of the fourth embodiment extends the waveform of the chirp pulse modulation wave of the sum frequency light and the analog signal obtained by opto-electric conversion of the chirp pulse modulation expansion wave of the difference frequency light. Only the terahertz pulse wave signal is detected by calculating the difference between the two analog signals by a difference calculator by converting the chirped pulse modulated extension wave into an analog signal.
差分演算器で検出した差分信号はテラヘルツパルス波の電場波形に対応するので、ここからテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出する。 Since the difference signal detected by the difference calculator corresponds to the electric field waveform of the terahertz pulse wave, the frequency component of the terahertz pulse wave is extracted therefrom.
第4の形態において、差分演算器の差分演算を、チャープパルス波の1ショットを単位として行うことによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。 In the fourth embodiment, the difference calculation of the difference calculator is performed in units of one shot of the chirped pulse wave, so that the terahertz electric field waveform detection of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirped pulse wave as a measurement cycle.
また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。 Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. .
以上説明したように、本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置によれば、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、1ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を検出することができる。 As described above, according to the terahertz electric field waveform detection device of the present invention, in the terahertz wave waveform measurement by the pump-probe method using the terahertz wave and the chirped probe pulse wave, the terahertz electric field of one shot terahertz wave is used. Waveform can be detected.
また、本願発明は、テラヘルツ波とチャープ付プロープパルス波とを用いたポンプ・プローブ方式によるテラヘルツ波の波形計測において、1ショットのテラヘルツ波のテラヘルツ電場波形を単一の検出器(シングルフォトダイオード)で検出することができる。 Further, the present invention provides a single detector (single photodiode) for a terahertz electric field waveform of one shot of terahertz wave in a terahertz wave waveform measurement by a pump-probe method using a terahertz wave and a chirped probe pulse wave. Can be detected.
以下、本願発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の概略構成について図1を用いて説明し、構成例について図2〜図10を用いて説明する。図2,3は本願発明の第1の構成例を説明するための図であり、図4,5は第2の構成例を説明するための図であり、図6,7は第3の構成例を説明するための図であり、図8〜10は第4の構成例を説明するための図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A schematic configuration of the terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. 1, and a configuration example will be described with reference to FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining a first configuration example of the present invention, FIGS. 4 and 5 are diagrams for explaining a second configuration example, and FIGS. 6 and 7 are third configurations. FIG. 8 is a diagram for explaining an example, and FIGS. 8 to 10 are diagrams for explaining a fourth configuration example.
(テラヘルツ電場波形検出装置の概略構成)
図1は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の概略構成を説明するための図である。テラヘルツ電場波形検出装置1は、チャープパルス波とテラヘルツ波とからチャープパルス変調波を出射するチャープ波変調部2と、チャープパルス変調波を時間方向に波形伸張して周波数化したチャープパルス変調伸張波を生成する波形伸張部3と、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部4と、アナログ信号からテラヘルツパルス電場波形を検出する電場波形検出部5を備える。テラヘルツ波として、テラヘルツパルス波又は連続テラヘルツ波を適用することができる。以下では、第1の構成例の波形例(図3)を参照して説明する。
(Schematic configuration of terahertz electric field waveform detector)
FIG. 1 is a diagram for explaining a schematic configuration of a terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention. The terahertz electric field waveform detection apparatus 1 includes a chirp wave modulation unit 2 that emits a chirp pulse modulation wave from a chirp pulse wave and a terahertz wave, and a chirp pulse modulation extension wave obtained by expanding the frequency of the chirp pulse modulation wave in the time direction to obtain a frequency. A waveform expansion unit 3 that generates a signal, a photoelectric conversion unit 4 that converts a chirped pulse modulated expansion wave into an analog signal, and an electric field waveform detection unit 5 that detects a terahertz pulse electric field waveform from the analog signal. As the terahertz wave, a terahertz pulse wave or a continuous terahertz wave can be applied. Hereinafter, description will be given with reference to a waveform example (FIG. 3) of the first configuration example.
電場波形検出部5で検出したテラヘルツパルス波電場波形は、オシロスコープ6において波形表示する他、スペクトラムアナライザ7においてスペクトルや位相を解析し表示することができる。 The terahertz pulse wave electric field waveform detected by the electric field waveform detector 5 can be displayed on the oscilloscope 6 as well as on the spectrum analyzer 7 by analyzing the spectrum and phase.
テラヘルツパルス波は、0.1〜10THz(波数にして3.3〜333cm−1)のテラヘルツ領域と呼ばれるパルス波周波数領域の電磁波であり、テラヘルツ時間領域分光法(THz time-domain spectroscopy,THz-TDS)は、テラヘルツパルス波をサンプルに入射し、サンプルを透過した後のテラヘルツパルス波の電場波形を時間分解計測し、電場波形をフーリエ変換することにより周波数毎の振幅と位相を計測する。 A terahertz pulse wave is an electromagnetic wave in a pulse wave frequency region called a terahertz region of 0.1 to 10 THz (a wave number of 3.3 to 333 cm −1 ), and includes terahertz time-domain spectroscopy (THz−). In TDS, a terahertz pulse wave is incident on a sample, the electric field waveform of the terahertz pulse wave after passing through the sample is time-resolved, and the amplitude and phase of each frequency are measured by Fourier transforming the electric field waveform.
フェムト秒テーザーから放射された光パルスを、テラヘルツパルス波を発生させるためのポンプ光と、テラヘルツパルス波を検出するためのプローブ光とに分け、ポンプ光をテラヘルツパルス発生装置(図1には示していない)に導入してテラヘルツ波(図3(a))を発生し、プローブ光を光路上に設けた遅延時間素子を通すことによってチャープパルス波(図3(b))を生成する。テラヘルツパルス発生装置として、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。 The optical pulse emitted from the femtosecond taser is divided into pump light for generating a terahertz pulse wave and probe light for detecting the terahertz pulse wave, and the pump light is generated by a terahertz pulse generator (shown in FIG. 1). The terahertz wave (FIG. 3 (a)) is generated by introducing the probe light, and a chirped pulse wave (FIG. 3 (b)) is generated by passing the probe light through the delay time element provided on the optical path. As the terahertz pulse generator, a configuration in which a terahertz pulse wave is generated by irradiating a nonlinear optical crystal with a femtosecond light pulse, or a configuration using a photoconductive antenna can be used.
チャープ波変調部2は電気光学結晶(EO結晶)を備え、電気光学結晶に対してチャープパルス波とテラヘルツス波を入射してチャープパルス変調波(図3(c))を出射する。二つの異なる光周波数の光が電気光学結晶に入射されると、電気光学結晶の二次非線形光学効果によって和周波光及び差周波光が発生する。和周波光の光周波数は入射した二つの光周波数の和となり、一方、差周波光の光周波数は入射した二つの光周波数の差となる。差周波光の波数はチャープパルス波の波数からテラヘルツパルス波の波数を減算した波数であり、和周波光の波数は前記チャープパルス波の波数にテラヘルツパルス波の波数を加算した波数である。和周波光及び差周波光の光強度は二つの光の強度の積に比例する。電気光学結晶は例えばZnTe結晶やGaP、LiNbO3等を用いることができる。 The chirp wave modulation unit 2 includes an electro-optic crystal (EO crystal), and a chirp pulse wave and a terahertz wave are incident on the electro-optic crystal to emit a chirp pulse modulation wave (FIG. 3C). When light having two different optical frequencies is incident on the electro-optic crystal, sum frequency light and difference frequency light are generated by the second-order nonlinear optical effect of the electro-optic crystal. The optical frequency of the sum frequency light is the sum of the two incident optical frequencies, while the optical frequency of the difference frequency light is the difference between the two incident optical frequencies. The wave number of the difference frequency light is a wave number obtained by subtracting the wave number of the terahertz pulse wave from the wave number of the chirp pulse wave, and the wave number of the sum frequency light is a wave number obtained by adding the wave number of the terahertz pulse wave to the wave number of the chirp pulse wave. The light intensity of the sum frequency light and the difference frequency light is proportional to the product of the two light intensities. As the electro-optic crystal, for example, ZnTe crystal, GaP, LiNbO 3 or the like can be used.
チャープ波変調部2は、チャープパルス波(図3(b))とテラヘルツ波(図3(a))との差周波光、和周波光によってテラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形に基づいてチャープパルス波を強度変調する。この強度変調によってテラヘルツ電場のスペクトル情報及び位相情報をチャープパルス波に重畳させたチャープパルス変調波(図3(c))を発生する。 The chirp wave modulation unit 2 uses a difference frequency light between the chirp pulse wave (FIG. 3B) and the terahertz wave (FIG. 3A), a chirp pulse wave based on the terahertz electric field waveform of the terahertz pulse wave by the sum frequency light. The intensity is modulated. This intensity modulation generates a chirped pulse modulated wave (FIG. 3C) in which spectrum information and phase information of the terahertz electric field are superimposed on the chirped pulse wave.
チャープ波変調部2は、電気光学結晶に対するチャープパルス波とテラヘルツパルス波の照射において、チャープパルス波とテラヘルツパルス波の光軸をずらして非同軸配置とする。この非同軸配置によって、差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波とはチャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向から出射される。なお、図1では差周波光のテラヘルツパルス変調波と和周波光によるテラヘルツパルス変調波とを一つのテラヘルツパルス変調波で示している。 The chirp wave modulation unit 2 is arranged non-coaxially by shifting the optical axes of the chirp pulse wave and the terahertz pulse wave when the electro-optic crystal is irradiated with the chirp pulse wave and the terahertz pulse wave. With this non-coaxial arrangement, the chirped pulse modulated wave by the difference frequency light and the chirped pulse modulated wave by the sum frequency light are emitted from different directions with respect to the optical axis direction of the chirped pulse wave. In FIG. 1, a terahertz pulse modulated wave of difference frequency light and a terahertz pulse modulated wave of sum frequency light are shown as one terahertz pulse modulated wave.
テラヘルツ電場波形検出装置1は、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波とを出射方向の違いによって個別に取り出し、取り出した差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波の何れか一方又は両方を用いてテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び/又は位相情報を検出する。 The terahertz electric field waveform detection apparatus 1 individually extracts a chirp pulse modulated wave of sum frequency light and a chirp pulse modulated wave of difference frequency light according to the difference in emission direction, and chirp pulse modulated wave and sum frequency light by the extracted difference frequency light. Spectral information and / or phase information of the terahertz electric field waveform is detected using either one or both of the chirped pulse modulated waves.
波形伸張部3は、チャープ波変調部2で得たチャープパルス変調波を時間方向に伸張させて低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波(図3(d))を生成する。チャープパルス変調伸張波は低周波化することによって、アナログ信号化した検出信号の周波数をスペクトルアナライザーやオシロスコープ等の測定機器による測定が可能な周波数まで下げることができ、これによって、従来測定において高周波測定のために必要であったサンプリング測定を不要とし、測定時間の長時間化を解消して1ショットによる測定が可能である。波形伸張部3は、群速度分散が波長に対して単調なファイバを用いることができる。 The waveform expansion unit 3 generates a chirp pulse modulation expansion wave (FIG. 3D) obtained by extending the chirp pulse modulation wave obtained by the chirp wave modulation unit 2 in the time direction and expanding the waveform to the low frequency side. By reducing the frequency of the chirped pulse modulated stretch wave, the frequency of the detection signal converted into an analog signal can be lowered to a frequency that can be measured by a measuring instrument such as a spectrum analyzer or oscilloscope. Sampling measurement, which is necessary for the measurement, can be made unnecessary, and measurement with one shot can be performed by eliminating the long measurement time. The waveform stretcher 3 can use a fiber whose group velocity dispersion is monotonous with respect to the wavelength.
光−電気変換部4は、波形伸張部3で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する。光−電気変換部4として、単一の光検出器(シングルフォトダイオード)を用いることができる。 The opto-electric conversion unit 4 converts the chirped pulse modulated expansion wave expanded in the time direction by the waveform expansion unit 3 into an analog signal. As the photoelectric conversion unit 4, a single photodetector (single photodiode) can be used.
波形伸張部3によって波形伸張されたチャープパルス変調伸張波は低周波化されているため、複数のサンプリングデータを、二次元検出器を用いることなく、単一の光検出器(シングルフォトダイオード)によって測定機器で測定可能な周波数のアナログ信号に変換することができる。 Since the chirped pulse modulated stretched wave that has been stretched by the waveform stretcher 3 has a low frequency, a plurality of sampling data can be obtained by a single photodetector (single photodiode) without using a two-dimensional detector. It can be converted into an analog signal having a frequency measurable by a measuring instrument.
電場波形検出部5は、光−電気変換部4で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報、位相情報を検出する。 The electric field waveform detection unit 5 detects spectrum information and phase information of the terahertz electric field waveform from the analog signal converted by the photoelectric conversion unit 4.
電場波形検出部5は、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形の検出において、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号を参照信号と積算演算する形態の他、和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号とを差分算する形態とすることができる。参照信号は、チャープパルス信号の周波数に基づいて定まる信号や、所定周期の周期信号と積算演算する形態、差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波のアナログ信号を用いることができる。 The electric field waveform detection unit 5 detects the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated extended wave, and performs chirped pulse modulation in which either the difference frequency light or the sum frequency light is expanded in the time direction. In addition to a form in which the extension wave analog signal is integrated with the reference signal, a difference between the chirp pulse modulation extension wave analog signal obtained by extending the chirp pulse modulation wave of the sum frequency light in the time direction can be calculated. . As the reference signal, a signal determined based on the frequency of the chirp pulse signal, a form in which the signal is integrated with a periodic signal of a predetermined period, or an analog signal of a chirp pulse modulation expansion wave obtained by expanding the chirp pulse modulation wave of the difference frequency light is used. Can do.
(テラヘルツ電場波形検出装置の第1の構成例)
図2,3は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第1の構成例を説明するための図及び波形図である。
(First configuration example of terahertz electric field waveform detection apparatus)
2 and 3 are a diagram and a waveform diagram for explaining a first configuration example of the terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention.
電場波形検出部の第1の構成例は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いる前記第1の形態に対応し、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張し、得られたチャープパルス変調伸張波を参照信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する。 The first configuration example of the electric field waveform detection unit corresponds to the first embodiment using the terahertz pulse wave and the chirp pulse wave, and converts the chirp pulse modulation wave of either the difference frequency light or the sum frequency light in the time direction. The terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated stretched wave is detected by performing waveform integration on the obtained signal and integrating the obtained chirped pulse modulated stretched wave with the reference signal.
チャープパルス波を発生する構成としてチャープパルス波形成部8Aを備える。チャープパルス波形成部8Aはサブ10fs広帯域レーザー8aと一次分散媒質8bとを備え、サブ10fs広帯域レーザー8aで発生したパルス幅が10fs(フェムト秒)以下の約数百THzのパルス波(図3(b))を一次分散媒質8bに通すことによってチャープを付したチャープパルス波(図3(c))を発生させる。ここでは、チャープパルス波の周波数をfoで表す。 As a configuration for generating a chirped pulse wave, a chirped pulse wave forming unit 8A is provided. The chirp pulse wave forming unit 8A includes a sub 10 fs broadband laser 8a and a primary dispersion medium 8b, and a pulse width generated by the sub 10 fs broadband laser 8a of about several hundred THz with a pulse width of 10 fs (femtosecond) or less (FIG. 3 ( By passing b)) through the primary dispersion medium 8b, a chirped pulse wave with a chirp (FIG. 3C) is generated. Here, the frequency of the chirped pulse wave is represented by fo.
図3(b)は、チャープパルス波の1パルスを発生する例を示している。テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形の検出は、テラヘルツパルス波の1パルス(図3(a))に対応して発生させた1チャープパルス波で行うことができる。 FIG. 3B shows an example in which one pulse of a chirp pulse wave is generated. The detection of the terahertz electric field waveform of the terahertz pulse wave can be performed with one chirp pulse wave generated corresponding to one pulse of the terahertz pulse wave (FIG. 3A).
テラヘルツパルス波(図3(a))は、サブ10fs広帯域レーザー8aで発生したサブ10fs波(図3に示していない)を図示しないテラヘルツパルス発生装置に導くことで発生することができる。テラヘルツパルス発生装置としては、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。ここでは、テラヘルツパルス波の周波数をfTHzで表す。 A terahertz pulse wave (FIG. 3A) can be generated by guiding a sub 10 fs wave (not shown in FIG. 3) generated by the sub 10 fs broadband laser 8a to a terahertz pulse generator (not shown). As the terahertz pulse generator, a configuration in which a terahertz pulse wave is generated by irradiating a non-linear optical crystal with a femtosecond optical pulse, or a configuration using a photoconductive antenna can be used. Here, the frequency of the terahertz pulse wave is represented by fTHz.
チャープ波変調部2Aは、電気光学結晶(EO素子)2aと偏光素子2bとを備える。電気光学結晶2aに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波(波数κTHz)を照射し、プローブ光としてチャープパルス波(周波数fo)を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo +fTHz))と差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))が発生する。 The chirp wave modulation unit 2A includes an electro-optic crystal (EO element) 2a and a polarizing element 2b. When the electro-optic crystal 2a is irradiated with a terahertz pulse wave (wave number κTHz) as pump light and a chirp pulse wave (frequency fo) as probe light, a chirp pulse modulated wave (frequency (fo + fTHz) of sum frequency light is emitted. ) And a chirp pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) of the difference frequency light is generated.
電気光学結晶(EO素子)2aに対する照射において、テラヘルツパルス波(周波数fTHz)を照射する光軸を、チャープパルス波(周波数fo)を照射する光軸からずらして非同軸となるように配置する。テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを非同軸に配置することによって、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波はチャープパルス波とそれぞれ異なる波数を持つため、各チャープパルス変調波はチャープパルス波の光軸方向に対して異なる方向に放射される。 In irradiating the electro-optic crystal (EO element) 2a, the optical axis for irradiating the terahertz pulse wave (frequency fTHz) is shifted from the optical axis for irradiating the chirped pulse wave (frequency fo) so as to be non-coaxial. By arranging the terahertz pulse wave and the chirp pulse wave non-coaxially, the chirp pulse modulation wave of the sum frequency light and the chirp pulse modulation wave of the difference frequency light have different wave numbers from the chirp pulse wave. The waves are emitted in different directions with respect to the optical axis direction of the chirped pulse wave.
偏光素子2bは、電気光学結晶2aから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の何れか一方のチャープパルス変調波を入射し、偏光状態を直線偏光から円偏光に変換する。図2は差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fκo−fTHz))(図3(c))を選択する例を示している。 The polarizing element 2b receives either a chirped pulse modulated wave of sum frequency light or a chirped pulse modulated wave of difference frequency light emitted from the electro-optic crystal 2a, and changes the polarization state from linearly polarized light to circularly polarized light. Convert to polarized light. FIG. 2 shows an example of selecting a chirped pulse modulated wave (frequency (fκo−fTHz)) (FIG. 3C) of difference frequency light.
波形伸張部3Aは群速度分散が波長に対して単調なファイバ3aを備え、チャープ波変調部2のチャープパルス変調波(図3(c))を時間方向に伸張して低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波(図3(d))を生成する。波形伸張することによって、チャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz/mに低減される。 The waveform stretching unit 3A includes a fiber 3a whose group velocity dispersion is monotonous with respect to the wavelength. The chirped pulse modulated stretched wave (FIG. 3D) is generated. By extending the waveform, the frequency of the chirped pulse modulated extended wave is reduced to fTHz / m.
なお、ここでmはファイバ3aによって時間方向に伸張する割合を表し、ファイバ3aの光学特性及び長さ等に依存する。 Here, m represents the rate of expansion in the time direction by the fiber 3a, and depends on the optical characteristics and length of the fiber 3a.
光−電気変換部4Aは単一の光検出器(シングルフォトダイオード)を備え、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号(図3(e))に変換する。アナログ信号はオシロスコープ6Aで表示することができる。 The photoelectric conversion unit 4A includes a single photodetector (single photodiode), and converts the chirped pulse modulated stretch wave into an analog signal (FIG. 3 (e)). The analog signal can be displayed on the oscilloscope 6A.
電場波形検出部5Aは第1の積算器5aを備える。第1の積算器5aは、チャープパルス変調伸張波を変換したアナログ信号(図3(e))と参照信号とを積算演算する。チャープパルス変調伸張波のアナログ信号との積算演算によってアナログ信号に含まれるチャープパルス波の周波数成分を除去するために、参照信号の周波数はチャープパルスの周波数foに基づいて定める。 The electric field waveform detection unit 5A includes a first integrator 5a. The first integrator 5a performs an integration operation on the analog signal (FIG. 3 (e)) obtained by converting the chirped pulse modulated extension wave and the reference signal. The frequency of the reference signal is determined based on the frequency fo of the chirp pulse in order to remove the frequency component of the chirp pulse wave included in the analog signal by integration with the analog signal of the chirped pulse modulated extension wave.
ここで、積算演算の概略を、差周波光のチャープパルス変調伸張波を変換して得られるアナログ信号の周波数をfTHz/mで表した場合で示す。mの大きさは、アナログ信号の周波数がオシロスコープ等の測定装置が対応できる程度の応答速度となるように設定される。 Here, an outline of the integration calculation is shown in the case where the frequency of the analog signal obtained by converting the chirped pulse modulated extension wave of the difference frequency light is expressed by fTHz / m. The magnitude of m is set so that the frequency of the analog signal is a response speed that can be supported by a measuring device such as an oscilloscope.
信号F(周波数fTHz/m)と信号G(周波数fref)のミキサにおける乗算演算は式(1)で表される。
F×G=sin(2π(fTHz)t/m+φ)×sin(2πn×fref) ・・・(1)
The multiplication operation in the mixer of the signal F (frequency fTHz / m) and the signal G (frequency fref) is expressed by Expression (1).
F × G = sin (2π (fTHz) t / m + φ) × sin (2πn × fref) (1)
ここで、fTHz/mとfrefが略等しいとすると、式(1)は以下の式(2)で表される。
F×G=
1/2[cos(2πt(fTHz/m-fref)+φ)-cos(2πt(fTHz/m+fref+φ))]
・・・(2)
Here, assuming that fTHz / m and fref are substantially equal, Expression (1) is expressed by Expression (2) below.
F × G =
1/2 [cos (2πt (fTHz / m−fref) + φ) −cos (2πt (fTHz / m + fref + φ))]
... (2)
式(2)から、frefは既知であることから第1の積算器5aの出力は(fref−fTHz/m),(fref+fTHz/m)の周波数に係る情報を含んでいる。また、式(2)からfrefの位相が既知であれば、φの値も決定できる。図3(f)は積算演算で得られる信号波形を示している。 Since fref is known from the equation (2), the output of the first integrator 5a includes information on the frequencies of (fref−fTHz / m) and (fref + fTHz / m). If the phase of fref is known from the equation (2), the value of φ can also be determined. FIG. 3F shows a signal waveform obtained by integration calculation.
したがって、第1の積算器5aで積算演算された演算結果に基づいて、スペクトラムアナライザによってテラヘルツ電場波形の振幅成分および位相成分を検出することができる。なお、上記説明では差周波光を用いて説明したが、和周波光を用いる構成としてもよい。 Therefore, the amplitude component and the phase component of the terahertz electric field waveform can be detected by the spectrum analyzer based on the calculation result calculated by the first integrator 5a. In the above description, the difference frequency light is used. However, a sum frequency light may be used.
(テラヘルツ電場波形検出装置の第2の構成例)
図4,5は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第2の構成例を説明するための図及び波形図である。
(Second configuration example of terahertz electric field waveform detection apparatus)
4 and 5 are a diagram and a waveform diagram for explaining a second configuration example of the terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention.
電場波形検出部の第2の構成例は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いた第2の形態に対応する構成であり、差周波光又は和周波光の何れか一方のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張し、得られたチャープパルス変調伸張波を所定周期の周期信号と積算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する。 The second configuration example of the electric field waveform detection unit is a configuration corresponding to the second form using a continuous terahertz wave and a chirp pulse wave, and either a chirp pulse modulated wave of either difference frequency light or sum frequency light. Is expanded in the time direction, and the obtained chirped pulse modulated stretched wave is integrated with a periodic signal having a predetermined period to detect a terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated stretched wave.
チャープパルス波を発生する構成としてチャープパルス波形成部8Bを備える。チャープパルス波形成部8Bはサブ10fs広帯域レーザー8aと一次分散媒質8bとを備え、サブ10fs広帯域レーザー8aで発生したパルス幅が10fs(フェムト秒)以下の約数百THzのパルス波(図5(a))を一次分散媒質8bに通すことによってチャープを付したチャープパルス波(図5(c))を発生させる。ここでは、チャープパルス波の波数をκoで表す。 A chirp pulse wave forming unit 8B is provided as a configuration for generating a chirp pulse wave. The chirp pulse wave forming unit 8B includes a sub 10 fs broadband laser 8a and a primary dispersion medium 8b, and a pulse wave of about several hundred THz with a pulse width generated by the sub 10 fs broadband laser 8a of 10 fs (femtosecond) or less (FIG. 5 ( By passing a)) through the primary dispersion medium 8b, a chirped pulse wave (FIG. 5C) with a chirp is generated. Here, the wave number of the chirped pulse wave is represented by κo.
図5(c)は、示したチャープパルス波を1/frepの周期で繰り返して発生する例を示している。テラヘルツ電場波形の検出は、一周期内で発生した一チャープパルス波で行うことができるため、チャープパルス波を繰り返して発生させることによって異なる測定時点でのテラヘルツ電場波形を検出する。 FIG. 5C shows an example in which the chirped pulse wave shown is repeatedly generated with a period of 1 / frep. Since the terahertz electric field waveform can be detected with one chirped pulse wave generated within one period, the terahertz electric field waveform at different measurement points is detected by repeatedly generating the chirped pulse wave.
連続テラヘルツ波(図5(b))は、サブ10fs広帯域レーザー8aで発生したサブ10fs波(図5(a))を図示しないテラヘルツパルス発生装置に導くことで発生することができる。テラヘルツパルス発生装置としては、非線形光学結晶にフェムト秒の光パルスを照射してテラヘルツパルス波発生させる構成や、光伝導アンテナによる構成を用いることができる。ここでは、テラヘルツパルス波の周波数をfTHzで表す。 The continuous terahertz wave (FIG. 5B) can be generated by guiding the sub 10 fs wave (FIG. 5A) generated by the sub 10 fs broadband laser 8a to a terahertz pulse generator (not shown). As the terahertz pulse generator, a configuration in which a terahertz pulse wave is generated by irradiating a non-linear optical crystal with a femtosecond optical pulse, or a configuration using a photoconductive antenna can be used. Here, the frequency of the terahertz pulse wave is represented by fTHz.
チャープ波変調部2Bは、電気光学結晶(EO素子)2aと偏光素子2bとを備える。電気光学結晶2aに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波(周波数fTHz)を照射し、プローブ光としてチャープパルス波(周波数fo)を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo +fTHz))と差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))が発生する。 The chirp wave modulating unit 2B includes an electro-optic crystal (EO element) 2a and a polarizing element 2b. When the electro-optic crystal 2a is irradiated with a terahertz pulse wave (frequency fTHz) as pump light and a chirp pulse wave (frequency fo) as probe light, a chirp pulse modulated wave (frequency (fo + fTHz) of sum frequency light is emitted. ) And a chirp pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) of the difference frequency light is generated.
電気光学結晶(EO素子)2aに対する照射において、テラヘルツパルス波を照射する光軸を、チャープパルス波を照射する光軸からずらして非同軸となるように配置する。テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを非同軸に配置することによって、和周波光のチャープパルス変調波と差周波光のチャープパルス変調波はチャープパルス波とそれぞれ異なる波数を持つため、各チャープパルス変調波はチャープパルス波の光軸方向に対して異なる方向に放射される。 In irradiating the electro-optic crystal (EO element) 2a, the optical axis for irradiating the terahertz pulse wave is shifted from the optical axis for irradiating the chirped pulse wave so as to be non-coaxial. By arranging the terahertz pulse wave and the chirp pulse wave non-coaxially, the chirp pulse modulation wave of the sum frequency light and the chirp pulse modulation wave of the difference frequency light have different wave numbers from the chirp pulse wave. The waves are emitted in different directions with respect to the optical axis direction of the chirped pulse wave.
偏光素子2bは、電気光学結晶2aから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の何れか一方のチャープパルス変調波を入射し、偏光状態を直線偏光から円偏光に変換する。図5は差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))(図5(d))を選択する例を示している。 The polarizing element 2b receives either a chirped pulse modulated wave of sum frequency light or a chirped pulse modulated wave of difference frequency light emitted from the electro-optic crystal 2a, and changes the polarization state from linearly polarized light to circularly polarized light. Convert to polarized light. FIG. 5 shows an example of selecting a chirp pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) (FIG. 5D) of difference frequency light.
波形伸張部3Bは群速度分散が波長に対して単調なファイバ3aを備え、チャープ波変調部2のチャープパルス変調波(図5(d))を時間方向に伸張して低周波数側に波形伸張したチャープパルス変調伸張波(図5(e))を生成する。波形伸張することによって、チャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz/mに低減される。 The waveform stretching unit 3B includes a fiber 3a whose group velocity dispersion is monotonous with respect to the wavelength. The chirped pulse modulated wave (FIG. 5 (d)) of the chirp wave modulating unit 2 is stretched in the time direction to expand the waveform toward the low frequency side. The chirped pulse modulated stretched wave (FIG. 5E) is generated. By extending the waveform, the frequency of the chirped pulse modulated extended wave is reduced to fTHz / m.
なお、ここでmはファイバ3aによって時間方向に伸張する割合を表し、ファイバ3aの光学特性及び長さ等に依存する。波形伸張によって時間方向に伸張するチャープパルス変調伸張波の時間幅と、チャープパルス波を繰り返す周期(1/frep)の時間幅とは、一つのチャープパルス波の周期で生成されるチャープパルス変調伸張波が、次のチャープパルス波の周期で生成されるチャープパルス変調伸張波と重ならないように設定する。 Here, m represents the rate of expansion in the time direction by the fiber 3a, and depends on the optical characteristics and length of the fiber 3a. The time width of the chirped pulse modulated stretched wave that expands in the time direction by waveform stretching and the time width of the cycle of repeating the chirped pulse wave (1 / frep) are the chirped pulse modulated stretch generated at the cycle of one chirped pulse wave. The wave is set so that it does not overlap with the chirped pulse modulated stretched wave generated at the next chirped pulse wave period.
例えば、チャープパルス波の周期(1/frep)が既定である場合にはチャープパルス波の波形伸張の程度mを調整し、チャープパルス波の波形伸張の程度mが既定である場合には、チャープパルス波の周期(1/frep)を調整する。 For example, when the period (1 / frep) of the chirp pulse wave is predetermined, the degree m of the waveform expansion of the chirp pulse wave is adjusted, and when the degree m of the waveform expansion of the chirp pulse wave is the default, the chirp is adjusted. Adjust the period (1 / frep) of the pulse wave.
光−電気変換部4Bは単一の光検出器(シングルフォトダイオード)を備え、チャープパルス変調伸張波をアナログ信号(図5(f))に変換する。アナログ信号はオシロスコープ6Bで表示することができる。 The photoelectric conversion unit 4B includes a single photodetector (single photodiode), and converts the chirped pulse modulated extension wave into an analog signal (FIG. 5 (f)). The analog signal can be displayed on the oscilloscope 6B.
電場波形検出部5Bは第1の積算器5aと周波数変換器5bとを備える。周波数変換器5bは、サブ10fs広帯域レーザー8aのサブ10fs波(図5(a))と同期して発生させた繰り返し波frep(図5(g))をn倍に逓倍してn×frepの周波数の信号(図5(h))を発生する。 The electric field waveform detection unit 5B includes a first integrator 5a and a frequency converter 5b. The frequency converter 5b multiplies the repetitive wave frep (FIG. 5 (g)) generated in synchronization with the sub 10fs wave (FIG. 5 (a)) of the sub 10fs broadband laser 8a by n times to obtain an n × frep A frequency signal (FIG. 5 (h)) is generated.
積算器5aは、チャープパルス変調伸張波を変換したアナログ信号(図5(f))と、n×frepの周波数の信号(図5(h))とを積算演算する。積算演算を行う周期信号は、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数frepを周波数変換器5bによって定数倍(n倍)して周波数(n×frep)とする。 The integrator 5a integrates and calculates the analog signal (FIG. 5 (f)) obtained by converting the chirped pulse modulated extension wave and the signal having the frequency of n × frep (FIG. 5 (h)). The periodic signal for performing the integration calculation is a frequency (n × frep) obtained by multiplying the frequency frep determined by the repetition period of the chirp pulse wave by a constant (n times) by the frequency converter 5b.
ここで、積算演算の概略を、差周波光のチャープパルス変調伸張波を変換して得られるアナログ信号の周波数をfTHz/mで表した場合で示す。 Here, an outline of the integration calculation is shown in the case where the frequency of the analog signal obtained by converting the chirped pulse modulated extension wave of the difference frequency light is expressed by fTHz / m.
信号F(周波数fTHz/m)と信号G(周波数n×frep)のミキサ(積算器)における乗算演算は式(3)で表される。
F×G=sin(2π(fTHz)t/m+φ)×sin(2πn×frep t) ・・・(3)
A multiplication operation in a mixer (integrator) of the signal F (frequency fTHz / m) and the signal G (frequency n × frep) is expressed by Expression (3).
F × G = sin (2π (fTHz) t / m + φ) × sin (2πn × frep t) (3)
ここで、fo/mとn×frepが略等しいため、式(3)は以下の式(4)で表される。
F×G=
1/2[cos(2πt(fTHz/m-n×fren)+φ)-cos(2πt(fTHz/m+n×frep+φ))]
・・・(4)
Here, since fo / m and n × frep are substantially equal, Expression (3) is expressed by the following Expression (4).
F × G =
1/2 [cos (2πt (fTHz / m × n × fren) + φ) −cos (2πt (fTHz / m + n × frep + φ))]
... (4)
式(4)は、(n×frep)は既知であることから積算器5aの出力は(n×frep−fTHz/m)の周波数に係る情報を含んでいることを示している。 Expression (4) indicates that (n × frep) is known, and therefore the output of the integrator 5a includes information related to the frequency of (n × frep−fTHz / m).
また、式(4)から(n×frep)の位相が既知であれば、φの値も決定できる。 Further, if the phase of (n × frep) is known from the equation (4), the value of φ can also be determined.
したがって、積算器5aで積算演算された演算結果に基づいて、スペクトラムアナライザ7Bによってテラヘルツ電場波形の振幅成分および位相成分を検出することができる。図5(i)は位相信号 を表している。 Therefore, the amplitude component and the phase component of the terahertz electric field waveform can be detected by the spectrum analyzer 7B based on the calculation result obtained by the integration calculation by the integrator 5a. FIG. 5 (i) represents the phase signal.
波形伸張部3Bで時間方向に伸張されるチャープパルス変調伸張波の時間幅をチャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以内とし、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数を、チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍(n倍)の周波数とすることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。なお、上記説明では差周波光を用いて説明したが、和周波光を用いる構成としてもよい。 The time width of the chirp pulse modulation expansion wave expanded in the time direction by the waveform expansion unit 3B is set to be within the time width of the repetition cycle of the chirp pulse wave, and the frequency of the periodic signal of the analog signal used for integration calculation is By setting the frequency to a constant multiple (n times) of the frequency determined by the repetition period, terahertz electric field waveform detection of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirp pulse wave as the measurement period. Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. . In the above description, the difference frequency light is used. However, a sum frequency light may be used.
(テラヘルツ電場波形検出装置の第3の構成例)
図6,7は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第3の構成例を説明するための図及び波形図である。
(Third configuration example of terahertz electric field waveform detection apparatus)
6 and 7 are a diagram and a waveform diagram for explaining a third configuration example of the terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention.
電場波形検出部の第3の構成例は、連続テラヘルツ波とチャープパルス波とを用いた第3の形態に対応する構成であり、差周波光又は和周波光によるチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を所定周期の周期信号と乗算演算することによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する構成であり、乗算演算を行う所定周期の周期信号として、チャープパルス変調伸張波の繰り返し時間幅に基づいて生成した信号を用いる。 The third configuration example of the electric field waveform detection unit is a configuration corresponding to the third form using a continuous terahertz wave and a chirp pulse wave, and the waveform of the chirp pulse modulation wave by the difference frequency light or the sum frequency light is expanded. This is a configuration that detects the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse modulated stretched wave by multiplying the chirped pulse modulated stretched wave with a periodic signal of a predetermined cycle. A signal generated based on the repetition time width of the pulse modulation stretch wave is used.
第3の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置1Cは、第1,2の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置1A,1Bと同様に、チャープ波変調部2C、波形伸張部3C、光-電気変換部4C、及び電場波形検出部5Cを備える。これら構成の内、チャープ波変調部2C、波形伸張部3C、及び光-電気変換部4Cの各構成は第2の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置1Bが備える各構成と同様であるため、ここでの説明は省略し電場波形検出部5Cについてのみ説明する。 The terahertz electric field waveform detection device 1C of the third configuration example is similar to the terahertz electric field waveform detection devices 1A and 1B of the first and second configuration examples, with a chirp wave modulation unit 2C, a waveform expansion unit 3C, and an optical-electric conversion unit. 4C and an electric field waveform detector 5C. Among these configurations, the chirp wave modulation unit 2C, the waveform expansion unit 3C, and the photoelectric conversion unit 4C are the same as the configurations included in the terahertz electric field waveform detection device 1B of the second configuration example. The description in is omitted, and only the electric field waveform detection unit 5C will be described.
電場波形検出部5Cは、時間幅検出器5f、周期信号形成器5g、及び第3の積算器5dを備える。 The electric field waveform detector 5C includes a time width detector 5f, a periodic signal generator 5g, and a third integrator 5d.
時間幅検出器5fは、光−電気変換部4Cのアナログ信号の時間幅Tを検出する。時間幅Tの検出は、チャープパルス波形成部8Cのサブ10fs広帯域レーザー8aからパルス波をパイロット信号(図7(g))として発生し、時間幅検出器5fはこのパイロット信号のパルス波を受けて時間幅の計測を開始する。時間幅検出器5fは、光−電気変換部4Cのアナログ信号(図7(h))をモニタし、アナログ信号が終了した時点で時間幅の計測を終了し、時間幅出力T(図7(i))を出力する。 The time width detector 5f detects the time width T of the analog signal of the photoelectric conversion unit 4C. The time width T is detected by generating a pulse wave as a pilot signal (FIG. 7 (g)) from the sub 10 fs broadband laser 8a of the chirp pulse wave forming unit 8C, and the time width detector 5f receives the pulse wave of the pilot signal. Start measuring the time span. The time width detector 5f monitors the analog signal (FIG. 7 (h)) of the photoelectric conversion unit 4C, ends the measurement of the time width when the analog signal ends, and outputs the time width output T (FIG. 7 ( i)) is output.
周期信号形成器5gは、時間幅検出器5fが検出した時間幅Tを一周期とする周期信号Frep(図7(j))を形成する。 The periodic signal generator 5g forms a periodic signal Frep (FIG. 7 (j)) having the time width T detected by the time width detector 5f as one period.
第3の積算器5dは、差周波光にチャープパルス変調波又は和周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換してアナログ信号(図7(f))と、周期信号形成器5gの周期信号Frepとを積算演算する。第3の積算器5dは、積算演算によってテラヘルツパルス波の周波数成分を抽出し、テラヘルツ電場波形を検出する。 The third integrator 5d photoelectrically converts the chirped pulse modulated wave obtained by expanding the chirped pulse modulated wave or the chirped pulse modulated wave of the sum frequency light into the difference frequency light, and converts it into an analog signal (FIG. 7 (f)). And the periodic signal Frep of the periodic signal former 5g are integrated. The third integrator 5d extracts the frequency component of the terahertz pulse wave by the integration calculation and detects the terahertz electric field waveform.
第3の構成では、波形伸張部3Cで波形伸張されたチャープパルス変調伸張波の時間幅Tを時間幅検出器5fで検出し、積算演算に使用するアナログ信号の周期信号の周波数Frepとして、時間幅検出器5fで検出した時間幅Tで定まる周波数を用いることによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行う。 In the third configuration, the time width T of the chirped pulse modulated expanded wave expanded by the waveform expansion unit 3C is detected by the time width detector 5f, and the frequency Frep of the periodic signal of the analog signal used for integration calculation is used as the time. By using the frequency determined by the time width T detected by the width detector 5f, terahertz electric field waveform detection of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirp pulse wave as a measurement cycle.
また、第1の構成と同様に、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。 Similarly to the first configuration, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating generation of the chirp pulse wave, and one shot measurement is completed within each period. Measurement interference can be avoided.
(テラヘルツ電場波形検出装置の第4の構成例)
図8,9は本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置の第4の構成例を説明するための図及び波形図である。
(Fourth configuration example of terahertz electric field waveform detection apparatus)
8 and 9 are a diagram and a waveform diagram for explaining a fourth configuration example of the terahertz electric field waveform detection apparatus according to the present invention.
電場波形検出部の第4の構成例は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを用いた第4の形態に対応する構成であり、差周波光によるチャープパルス変調波光と和周波光によるチャープパルス変調波をそれぞれ時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を用い、両チャープパルス変調伸張波の差分演算を行うことによって、チャープパルス変調伸張波に重畳されているテラヘルツ電場波形を検出する構成である。 The fourth configuration example of the electric field waveform detection unit corresponds to the fourth configuration using the terahertz pulse wave and the chirp pulse wave, and chirp pulse modulation by the chirp pulse modulated wave light by the difference frequency light and the sum frequency light. This configuration detects the terahertz electric field waveform superimposed on the chirped pulse-modulated stretched wave by using the chirped-pulse modulated stretched wave obtained by stretching each wave in the time direction and performing the differential operation of both the chirped-pulse modulated stretched wave. .
第4の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置1Dは、第1〜3の構成例のテラヘルツ電場波形検出装置1A〜1Cと同様に、チャープ波変調部2D、波形伸張部3D、光-電気変換部4D、及び電場波形検出部5Dを備える。 The terahertz electric field waveform detection device 1D of the fourth configuration example is similar to the terahertz electric field waveform detection devices 1A to 1C of the first to third configuration examples, as described above, a chirp wave modulation unit 2D, a waveform expansion unit 3D, and an optical-electric conversion unit. 4D and the electric field waveform detection part 5D are provided.
チャープ波変調部2Dは、電気光学結晶(EO素子)2aと二つの偏光素子2b、2cとを備える。電気光学結晶2aに対して、ポンプ光としてテラヘルツパルス波(周波数fTHz)を照射し、プローブ光としてチャープパルス波(周波数fo)を照射すると、和周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo +fTHz))と差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))が発生する。 The chirp wave modulation unit 2D includes an electro-optic crystal (EO element) 2a and two polarizing elements 2b and 2c. When the electro-optic crystal 2a is irradiated with a terahertz pulse wave (frequency fTHz) as pump light and a chirp pulse wave (frequency fo) as probe light, a chirp pulse modulated wave (frequency (fo + fTHz) of sum frequency light is emitted. ) And a chirped pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) of the difference frequency light is generated.
偏光素子2b,2cは、それぞれ電気光学結晶2aから放射される和周波光のチャープパルス変調波又は差周波光のチャープパルス変調波の一方を入射し、偏光状態を直線偏光から楕円偏光に変換する。図8では、偏光素子2bから差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))を選別して出射し、偏光素子2cから和周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo+fTHz))を選別して出射する例を示している。図9は差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))(図9(d))を選択する例を示している。 The polarization elements 2b and 2c each receive one of a chirp pulse modulated wave of sum frequency light or a chirp pulse modulated wave of difference frequency light emitted from the electro-optic crystal 2a, and convert the polarization state from linearly polarized light to elliptically polarized light. . In FIG. 8, the chirp pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) of the difference frequency light is selected and emitted from the polarizing element 2b, and the chirp pulse modulated wave (frequency (fo + fTHz)) of the sum frequency light is output from the polarizing element 2c. An example of sorting and emitting is shown. FIG. 9 shows an example in which a chirped pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) (FIG. 9D) of difference frequency light is selected.
波形伸張部3Dは群速度分散が波長に対して単調なファイバ3a,3bを備える。ファイバ3aは、チャープ波変調部2Dのチャープパルス変調波(図9(d))を時間方向に伸張した差周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo−fTHz))(図9(e))を生成し、 The waveform stretching unit 3D includes fibers 3a and 3b whose group velocity dispersion is monotonous with respect to the wavelength. The fiber 3a includes a chirped pulse modulated wave (frequency (fo−fTHz)) of a difference frequency light obtained by extending the chirped pulse modulated wave (FIG. 9D) of the chirped wave modulation unit 2D in the time direction (FIG. 9E). Produces
ファイバ3bは、チャープ波変調部2Dの和周波光のチャープパルス変調波(周波数(fo+fTHz))(図9(g))を時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波(図9(h))を生成する。波形伸張することによって、差周波光及び和周波光のチャープパルス変調伸張波の周波数はfTHz/mに低減される。 The fiber 3b is a chirped pulse modulated extended wave (FIG. 9 (h)) obtained by extending the chirped pulse modulated wave (frequency (fo + fTHz)) (FIG. 9 (g)) of the sum frequency light of the chirped wave modulation unit 2D in the time direction. Generate. By extending the waveform, the frequency of the chirped pulse modulated extended wave of the difference frequency light and the sum frequency light is reduced to fTHz / m.
光−電気変換部4Dは単一の光検出器(シングルフォトダイオード)4a,4bを備え、光検出器4aは差周波光のチャープパルス変調伸張波をアナログ信号(図9(f))に変換し、光検出器4bは和周波光のチャープパルス変調伸張波をアナログ信号(図9(i))に変換する。アナログ信号はそれぞれオシロスコープ6Dで表示することができる。 The photoelectric conversion unit 4D includes a single photodetector (single photodiode) 4a and 4b, and the photodetector 4a converts a chirped pulse modulated stretch wave of difference frequency light into an analog signal (FIG. 9 (f)). Then, the photodetector 4b converts the chirped pulse modulated extended wave of the sum frequency light into an analog signal (FIG. 9 (i)). Each analog signal can be displayed on the oscilloscope 6D.
電場波形検出部5Dは、差分演算器5hとファイバ5iと単一の光検出器(シングルフォトダイオード)5jと周波数変換器5iと除算器5kを備える。 The electric field waveform detection unit 5D includes a difference calculator 5h, a fiber 5i, a single photodetector (single photodiode) 5j, a frequency converter 5i, and a divider 5k.
差分演算器5hは、チャープパルス変調伸張波のアナログ信号I1と、和周波光のチャープパルス変調伸張波のアナログ信号I2とを差分演算して差分信号(I1−I2)(図9(j))を出力する。差分信号(I1−I2)は、テラヘルツ電場波形無しのチャープパルス波の波形を参照することによってテラヘルツ電場波形を求めることができる。 The difference calculator 5h calculates the difference between the analog signal I1 of the chirped pulse modulation extension wave and the analog signal I2 of the chirped pulse modulation extension wave of the sum frequency light, and obtains a difference signal (I1-I2) (FIG. 9 (j)). Is output. The difference signal (I1-I2) can be obtained as a terahertz electric field waveform by referring to the waveform of the chirped pulse wave without the terahertz electric field waveform.
ファイバ5iは、一次分散媒質8bを通過したチャープパルス波(周波数fo)を時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波(周波数fo/m)を生成する。単一の光検出器(シングルフォトダイオード)5jは、チャープパルス変調伸張波(周波数fo/m)を光−電気変換して周波数(fo/m)のアナログ信号Irefを出力する。除算器5kによって、アナログ信号Irefを参照信号として差分信号(I1−I2)を除算する。得られた(I1−I2)/Irefはテラヘルツ電場波形を表し、オシロスコープ6Dで表示することができる。 The fiber 5i generates a chirped pulse modulated stretched wave (frequency fo / m) obtained by stretching the chirped pulse wave (frequency fo) that has passed through the primary dispersion medium 8b in the time direction. The single photodetector (single photodiode) 5j photoelectrically converts the chirped pulse modulated extension wave (frequency fo / m) and outputs an analog signal Iref having the frequency (fo / m). The divider 5k divides the difference signal (I1-I2) using the analog signal Iref as a reference signal. The obtained (I1-I2) / Iref represents a terahertz electric field waveform and can be displayed on the oscilloscope 6D.
第4の構成例において、差分演算器の差分演算を、チャープパルス波の1ショットを単位として行うことによって、テラヘルツパルス波のテラヘルツ電場波形検出を、チャープパルス波の1ショットを測定周期として行うことができる。また、チャープパルス波の発生を繰り返すことによって1ショット測定を複数回行うことができ、各周期内において1ショットの測定が完了するため、隣接する周期間において1ショット測定の干渉を避けることができる。 In the fourth configuration example, the difference calculation of the difference calculator is performed in units of one shot of the chirped pulse wave, so that the terahertz electric field waveform detection of the terahertz pulse wave is performed using one shot of the chirped pulse wave as the measurement cycle. Can do. Further, one shot measurement can be performed a plurality of times by repeating the generation of the chirp pulse wave, and the measurement of one shot is completed within each period, so that interference of one shot measurement can be avoided between adjacent periods. .
第4の構成例の、差周波と和周波との差分によってテラヘルツ電場波形を求める構成は、テラヘルツパルス波とチャープパルス波とを電位光学結晶に対して非同軸に入射する構成の他、同軸に入射する構成にも適用することができる。図10を用いて第4の構成例の非同軸配置の適用例を説明する。ここでは、テラヘルツ電場波形検出装置1Eにおいて、チャープ波変調部2E、及び波形伸張部3Eについてのみ説明する。 In the fourth configuration example, the terahertz electric field waveform is obtained by the difference between the difference frequency and the sum frequency. In addition to the configuration in which the terahertz pulse wave and the chirp pulse wave are incident non-coaxially with respect to the potential optical crystal, The present invention can also be applied to an incident configuration. An application example of the non-coaxial arrangement of the fourth configuration example will be described with reference to FIG. Here, in the terahertz electric field waveform detection apparatus 1E, only the chirp wave modulation unit 2E and the waveform expansion unit 3E will be described.
チャープ波変調部2Eは、サブ10fs広帯域レーザー8aで発生したパルス波を一次分散媒質8bに通すことによってチャープを付したチャープパルス波foを発生させると共に、テラヘルツパルスfTHzを発生する。 The chirp wave modulation unit 2E generates a chirped pulse wave fo with a chirp by passing the pulse wave generated by the sub 10 fs broadband laser 8a through the primary dispersion medium 8b, and also generates a terahertz pulse fTHz.
波形伸張部3Eは、電気光学結晶2aと1/4波長板2dと偏光分離素子2eとを備える。偏光分離素子2eはウォラストンプルズムを用いることができる。この構成を配置することによって、差周波過程によるチャープパルス変調波と和周波過程によるチャープパルス変調波とを1/4波長板で偏光させた後に偏光分離素子2eで分離し、チャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向に出射する。 The waveform stretching unit 3E includes an electro-optic crystal 2a, a quarter-wave plate 2d, and a polarization separation element 2e. The polarization separating element 2e can use Wollaston Prism. By arranging this configuration, the chirped pulse modulated wave by the difference frequency process and the chirped pulse modulated wave by the sum frequency process are polarized by the quarter wavelength plate and then separated by the polarization separation element 2e, and the chirped pulse wave light is separated. The light is emitted in different directions with respect to the axial direction.
本願発明のテラヘルツ電場波形検出装置は、半導体、樹脂等の種々の素材を非破壊で検査する材料分析、生産ライン上のモニタリング、スペクトルイメージング等に適用することができる。 The terahertz electric field waveform detection apparatus of the present invention can be applied to material analysis for non-destructive inspection of various materials such as semiconductors and resins, monitoring on a production line, spectrum imaging, and the like.
1,1A,1B,1C,1D,1E テラヘルツ電場波形検出装置
2,2A,2B,2C,2D,2E チャープ波変調部
2a 電気光学結晶
2b,2c 偏光素子
2d 1/4波長板
2e 偏光分離素子
3,3A,3B,3C,3D,3E 波形伸張部
3a,3b,3c ファイバ
4,4A,4B,4C,4D 光−電気変換部
4a,4b 光検出器
5,5A,5B,5C,5D 電場波形検出部
5a 積算器
5b 周波数変換器
5c 積算器
5d 時間幅検出器
5e 周期信号形成器
5f 積算器
5g ファイバ
5i 周波数変換器
5j 減算器
6,6A,6B、6C,6D オシロスコープ
7,7A,7B,7C スペクトラムアナライザ
8A,8B,8C、8D,8E チャープパルス波形成部
8a サブ10fs広帯域レーザー
8b 一次分散媒質
101 発生装置
102 時間遅延装置
103 検出素子
104 二次元検出器
1, 1A, 1B, 1C, 1D, 1E Terahertz electric field waveform detector 2, 2A, 2B, 2C, 2D, 2E Chirp wave modulator 2a Electro-optic crystal 2b, 2c Polarizing element 2d 1/4 wavelength plate 2e Polarization separating element 3, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E Waveform expansion unit 3a, 3b, 3c Fiber 4, 4A, 4B, 4C, 4D Photo-electric conversion unit 4a, 4b Photodetector 5, 5A, 5B, 5C, 5D Electric field Waveform detector 5a Accumulator 5b Frequency converter 5c Accumulator 5d Time width detector 5e Periodic signal generator 5f Accumulator 5g Fiber 5i Frequency converter 5j Subtractor 6, 6A, 6B, 6C, 6D Oscilloscope 7, 7A, 7B , 7C Spectrum analyzer 8A, 8B, 8C, 8D, 8E Chirped pulse wave forming unit 8a Sub 10 fs broadband laser 8b Primary dispersion medium 01 generator 102 hours delay unit 103 detecting elements 104 two-dimensional detector
Claims (7)
前記チャープ波変調部のチャープパルス変調波を時間方向に伸張させて低波数側に波数シフトする波形伸張部と、
前記波形伸張部で時間方向に伸張したチャープパルス変調伸張波をアナログ信号に変換する光−電気変換部と、
前記光−電気変換部で変換したアナログ信号からテラヘルツ電場波形のスペクトル情報及び/又は位相情報を検出する電場波形検出部と
を備え、
前記チャープ波変調部は、
電気光学結晶(EO結晶)に対して前記チャープパルス波とテラヘルツ波の光軸を非同軸に配置し、差周波光によるチャープパルス変調波と和周波光によるチャープパルス変調波とを前記チャープパルス波の光軸方向に対してそれぞれ異なる方向から出射することを特徴とする、テラヘルツ電場波形検出装置。 The chirp pulse wave based on the terahertz electric field waveform of the terahertz wave is intensity-modulated by the difference frequency light and / or the sum frequency light of the chirp pulse wave and the terahertz wave, and the spectrum information and phase information of the terahertz electric wave waveform from the terahertz wave by the intensity modulation A chirped wave modulator that emits a chirped pulse modulated wave that is superimposed on the chirped pulse wave;
A waveform expansion unit that expands the chirp pulse modulation wave of the chirp wave modulation unit in the time direction and shifts the wave number to the low wave number side; and
An opto-electric converter that converts the chirped pulse modulated stretched wave stretched in the time direction by the waveform stretcher into an analog signal;
An electric field waveform detection unit for detecting spectrum information and / or phase information of the terahertz electric field waveform from the analog signal converted by the photoelectric conversion unit ,
The chirp wave modulator is
The optical axes of the chirped pulse wave and the terahertz wave are arranged non-coaxial with respect to an electro-optic crystal (EO crystal), and the chirped pulse modulated wave by the difference frequency light and the chirped pulse modulated wave by the sum frequency light are converted into the chirped pulse wave. The terahertz electric field waveform detection apparatus emits light from different directions with respect to the optical axis direction .
前記電場波形検出部は、前記差周波光によるチャープパルス変調波又は前記和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、
参照信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形を検出する第1の積算器を備えことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。 The terahertz wave is a terahertz pulse wave,
The electric field waveform detection unit is an analog signal obtained by opto-electric conversion of a chirped pulse modulated wave by the difference frequency light or a chirped pulse modulated wave obtained by extending the chirped pulse modulated wave by the sum frequency light in the time direction, and
The terahertz electric field waveform detection apparatus according to claim 1, further comprising a first integrator that detects a terahertz electric field waveform by an integration calculation with a reference signal.
前記電場波形検出部は、前記差周波光によるチャープパルス変調波又は前記和周波光によるチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換して得られるアナログ信号と、前記チャープパルス波の繰り返し周期で定まる周波数の定数倍の周波数を有する周期信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形を検出する第2の積算器を備え、
前記波形伸張部で波形伸張されるチャープパルス変調伸張波の時間幅は、前記チャープパルス波の繰り返し周期の時間幅以下であることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。 The terahertz wave is a continuous terahertz wave;
The electric field waveform detection unit includes an analog signal obtained by opto-electric conversion of a chirped pulse modulated wave generated by the difference frequency light or a chirped pulse modulated wave obtained by extending the chirped pulse modulated wave generated by the sum frequency light in a time direction. A second integrator for detecting a terahertz electric field waveform by an integration operation with a periodic signal having a frequency that is a constant multiple of the frequency determined by the repetition period of the chirped pulse wave,
2. The terahertz electric field waveform detection apparatus according to claim 1, wherein a time width of the chirped pulse modulation stretched wave that is waveform-stretched by the waveform stretching unit is equal to or less than a time width of a repetition period of the chirped pulse wave.
前記電場波形検出部は、前記光−電気変換部のアナログ信号の時間幅(T)を検出する時間幅検出器と、
前記時間幅を一周期とする周期信号を形成する周期信号形成器と、
前記差周波光にチャープパルス変調波又は前記和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、前記周期信号形成器の周期信号との積算演算によってテラヘルツ電場波形の位相を検出する第3の積算器を備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。 The terahertz wave is a continuous terahertz wave;
The electric field waveform detector includes a time width detector that detects a time width (T) of an analog signal of the photoelectric conversion unit,
A periodic signal former for forming a periodic signal having the time width as one period;
An analog signal obtained by opto-electric conversion of a chirped pulse modulated wave obtained by expanding the chirped pulse modulated wave of the difference frequency light or the chirped pulse modulated wave of the sum frequency light in the time direction; and a periodic signal of the periodic signal former; The terahertz electric field waveform detection apparatus according to claim 1, further comprising a third integrator that detects a phase of the terahertz electric field waveform by the integration calculation.
前記電場波形検出部は、前記差周波光のチャープパルス変調波を波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号と、前記和周波光のチャープパルス変調波を時間方向に波形伸張したチャープパルス変調伸張波を光−電気変換したアナログ信号によって、チャープパルス波とテラヘルツパルス波との差分信号を得る差分演算器とを備えることを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ電場波形検出装置。 The terahertz wave is a terahertz pulse wave,
The electric field waveform detection unit is configured to extend an analog signal obtained by opto-electric conversion of a chirped pulse modulated extended wave obtained by extending the chirped pulse modulated wave of the difference frequency light and a chirped pulse modulated wave of the sum frequency light in the time direction. 2. A terahertz electric field waveform detection according to claim 1, further comprising: a difference calculator that obtains a differential signal between the chirp pulse wave and the terahertz pulse wave by an analog signal obtained by opto-electrically converting the chirped pulse modulated extension wave. apparatus.
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