明 細 書 Specification
テラへルツ光検出器、テラへルツ光検出方法およびテラへルツイメージン グ装置 Terahertz photodetector, terahertz light detection method, and terahertz imaging device
技術分野 Technical field
[0001] 本発明は、テラへルツ光検出器、テラへルツ光検出方法およびテラへルツイメージ ング装置に関する。 The present invention relates to a terahertz photodetector, a terahertz light detection method, and a terahertz imaging device.
背景技術 Background art
[0002] テラへルツ光を利用する各種の測定装置では、概ね 0. 01 X 1012〜100 X 1012へ ルツ(0. 01〜: LOOTHz)の周波数領域のテラへルツパルス光を試料に照射して、試 料を透過した透過光または試料で反射された反射光を検出することにより、試料の電 気的特性や成分濃度などを測定する。従来、試料力ゝらのテラへルツパルス光を検出 する検出器として、光スィッチ素子が知られている。この光スィッチ素子は、半導体基 板上に光伝導膜を形成し、光伝導膜上に微小ダイポールアンテナカゝらなる単一の光 スィッチ部を設けた構造である。光スィッチ部にテラへルツパルス光とともにプローブ パルス光を照射すると、アンテナの向きと平行な偏光成分のテラへルツパルス光を検 出することができる。(例えば、特許文献 1参照)。 [0002] Various measuring devices that use terahertz light irradiate the sample with terahertz pulse light in the frequency range of approximately 0.01 x 10 12 to 100 x 10 12 hertz (0.01 to: LOOTHz). Then, by detecting the transmitted light that has passed through the sample or the reflected light that has been reflected from the sample, the electrical characteristics and component concentration of the sample are measured. Conventionally, an optical switch element is known as a detector for detecting a terahertz pulse light of a sample force. This optical switch element has a structure in which a photoconductive film is formed on a semiconductor substrate, and a single optical switch portion such as a micro dipole antenna cover is provided on the photoconductive film. By irradiating the optical switch with probe pulse light together with terahertz pulse light, it is possible to detect terahertz pulse light having a polarization component parallel to the direction of the antenna. (For example, see Patent Document 1).
[0003] 特許文献 l :WO00Z079248号公報(第 12頁、第 2 (B)図) [0003] Patent Document l: WO00Z079248 (Page 12, Figure 2 (B))
発明の開示 Disclosure of the invention
発明が解決しょうとする課題 Problems to be solved by the invention
[0004] 試料を透過した透過テラへルツ光または試料で反射された反射テラへルツ光は、 一般に、偏光方向が直交する 2つの偏光成分を有する可能性がある。特許文献 1の 光スィッチ素子は、アンテナの向きが 1方向しか形成されていないので、アンテナの 向きと直交する偏光成分の光は検出できない。従って、試料力 のテラへルツ光の 偏光状態を正確に測定することができな 、と 、う問題がある。 [0004] In general, the transmitted terahertz light transmitted through the sample or the reflected terahertz light reflected by the sample may have two polarization components whose polarization directions are orthogonal to each other. Since the optical switch element of Patent Document 1 has only one antenna direction, it cannot detect light having a polarization component orthogonal to the antenna direction. Therefore, there is a problem that it is impossible to accurately measure the polarization state of the terahertz light of the sample force.
課題を解決するための手段 Means for solving the problem
[0005] 本発明によるテラへルツ光検出器は、第 1の方向に偏光したテラへルツ光を検出す る第 1のアンテナと、第 1の方向と異なる第 2の方向に偏光したテラへルツ光を検出す
る第 2のアンテナとを備えることを特徴とする。 A terahertz photodetector according to the present invention includes a first antenna that detects terahertz light polarized in a first direction and a tera polarized in a second direction different from the first direction. Detect ruth light And a second antenna.
なお、アンテナ方向が互いに直交するように第 1および第 2のアンテナを配置する のが好ましい。 The first and second antennas are preferably arranged so that the antenna directions are orthogonal to each other.
また、第 1および第 2のアンテナの各々を、光伝導膜上に間隔を開けて対向配置さ れた一対の導電膜から成るダイポールアンテナとし、第 1のアンテナに設けられた一 対の導電膜を、所定領域を挟んで第 1方向に沿って対向配置し、第 2のアンテナに 設けられた一対の導電膜を、所定領域を挟んで第 1方向と異なる第 2方向に沿って 対向配置するようにしても良い。なお、第 1のアンテナに設けられた一対の導電膜の 間隔と、第 2のアンテナに設けられた一対の導電膜の間隔とを等しく設定するのが好 ましい。 Further, each of the first and second antennas is a dipole antenna composed of a pair of conductive films disposed on the photoconductive film with a space therebetween, and a pair of conductive films provided on the first antenna. Are arranged opposite to each other along a first direction across a predetermined region, and a pair of conductive films provided on the second antenna are arranged opposite to each other along a second direction different from the first direction across the predetermined region. You may do it. Note that it is preferable that the distance between the pair of conductive films provided for the first antenna and the distance between the pair of conductive films provided for the second antenna are set to be equal.
本発明によるテラへルツ光検出方法は、請求項 1〜3のいずれか一項に記載のテラ ヘルツ光検出器を用いたテラへルツ光検出方法であって、第 1および第 2のアンテナ に対してテラへルツ光をそれぞれ照射し、第 1のアンテナおよび第 2のアンテナにより 、テラへルツ光の偏光方向が異なる 2つの偏光成分を検出することを特徴とする。 また、テラへルツ光を少なくとも所定領域を含む照射領域に照射し、第 1のアンテナ および第 2のアンテナにより、テラへルツ光の偏光方向が異なる 2つの偏光成分を同 時に検出するようにしても良!、。 A terahertz light detection method according to the present invention is a terahertz light detection method using the terahertz light detector according to any one of claims 1 to 3, wherein the first and second antennas On the other hand, terahertz light is respectively irradiated, and two polarization components having different polarization directions of terahertz light are detected by the first antenna and the second antenna. Also, the irradiation region including at least a predetermined region is irradiated with terahertz light, and two polarization components having different polarization directions of the terahertz light are detected simultaneously by the first antenna and the second antenna. Also good!
本発明によるテラへルツ分光装置は、試料にテラへルツ光を照射するテラへルツ光 照射手段と、試料力 のテラへルツ光が入射する請求項 1〜4のいずれか一項に記 載のテラへルツ光検出器と、試料力 のテラへルツ光が入射する第 1および第 2のァ ンテナカ の各検出信号に基づいて、試料の物性情報を演算する演算手段とを備え ることを特徴とする。 The terahertz spectrometer according to the present invention is described in any one of claims 1 to 4 in which the terahertz light irradiation means for irradiating the sample with terahertz light and the terahertz light having the sample force are incident. And a calculating means for calculating physical property information of the sample on the basis of the detection signals of the first and second antennas on which the sample-powered terahertz light is incident. Features.
本発明によるテラへルツ分光装置の第 2の態様は、試料にテラへルツ光を照射する テラへルツ光照射手段と、試料からのテラへルツ光が入射する請求項 1〜5のいずれ か一項に記載のテラへルツ光検出器と、試料力 のテラへルツ光が入射する第 1お よび第 2のアンテナ力 の検出信号を測定する測定回路と、第 1および第 2のアンテ ナからの各検出信号のいずれか一方を選択的に測定回路に入力させる切り換え手 段と、切り換え手段により選択された検出信号に基づいて、試料の物性情報を演算
する演算手段とを備えることを特徴とする。 The second aspect of the terahertz spectrometer according to the present invention is the terahertz light irradiating means for irradiating the sample with terahertz light, and the terahertz light from the sample is incident. A terahertz light detector according to claim 1, a measurement circuit for measuring detection signals of the first and second antenna forces on which the terahertz light of the sample force is incident, and the first and second antennas The physical property information of the sample is calculated based on the switching means for selectively inputting one of each detection signal from the sensor to the measurement circuit and the detection signal selected by the switching means. And an arithmetic means for performing the processing.
本発明によるテラへルツイメージング装置は、試料にテラへルツ光を照射するテラ ヘルツ光照射手段と、試料からのテラへルツ光が入射する請求項 1〜4の 、ずれか 一項に記載のテラへルツ光検出器と、試料を 2次元的に移動して、試料上における テラへルツ光の照射位置を変える移動機構と、試料からのテラへルツ光が入射する 第 1および第 2のアンテナの各検出信号に基づいて、試料の 2次元的物性情報を演 算する演算手段とを備えることを特徴とする。 The terahertz imaging apparatus according to the present invention is the terahertz light irradiating means for irradiating the sample with terahertz light, and the terahertz light from the sample is incident. A terahertz light detector, a moving mechanism that moves the sample two-dimensionally to change the irradiation position of the terahertz light on the sample, and the first and second terahertz light from the sample is incident And a calculation means for calculating two-dimensional physical property information of the sample based on each detection signal of the antenna.
発明の効果 The invention's effect
[0006] 本発明によれば、偏光方向の異なるテラへルツ光を検出できる第 1および第 2のァ ンテナを設けたので、試料によるテラへルツ光の偏光状態の変化をより正確に測定 することが可能となる。 [0006] According to the present invention, since the first and second antennas capable of detecting the terahertz light having different polarization directions are provided, the change in the polarization state of the terahertz light by the sample can be measured more accurately. It becomes possible.
図面の簡単な説明 Brief Description of Drawings
[0007] [図 1]本発明の実施の形態に係るテラへルツイメージング装置の概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a terahertz imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
[図 2]テラへルツ光発生素子 10の構造を模式的に示す斜視図である。 FIG. 2 is a perspective view schematically showing the structure of the terrahertz light generating element 10.
[図 3] (a)は、テラへルツ光検出素子 20の構造を模式的に示す斜視図、(b)は (a)に 示すアンテナ部の拡大図である。 FIG. 3 (a) is a perspective view schematically showing the structure of the terahertz light detection element 20, and FIG. 3 (b) is an enlarged view of the antenna portion shown in FIG. 3 (a).
[図 4]テラへルツ光検出素子 20と測定回路 25とを示す図である。 4 is a diagram showing a terahertz light detection element 20 and a measurement circuit 25. FIG.
[図 5]測定回路の変形例を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a modification of the measurement circuit.
[図 6]テラへルツ光検出素子 20の変形例を示す図である。 FIG. 6 is a view showing a modification of the terahertz light detecting element 20.
発明を実施するための最良の形態 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0008] 以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて説明する。図 1は、本発明によるテ ラヘルツイメージング装置の概略構成を説明する図である。テラへルツイメージング 装置 100は、パルス光 L1を放射するレーザ光源 1と、パルス光 L1をパルス光 L2, L3 に分割するビームスプリッタ 2と、パルス光 L2の照射によりテラへルツパルス光 T1を 放射するテラへルツ光発生素子 10と、試料 Sを透過したテラへルツパルス光 T2を検 出するテラへルツ光検出素子 20とを備える。テラへルツイメージング装置 100は、周 知の時系列テラへルツ光検出法によりテラへルツ光を検出するものであり、パルス光 L3の光路長を変更する可動鏡 5と、試料 Sを 2次元移動させる 2次元駆動機構 8とを
備えている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a terahertz imaging apparatus according to the present invention. The terahertz imaging device 100 emits a terahertz pulsed light T1 by irradiating the pulsed light L2, a laser light source 1 that emits the pulsed light L1, a beam splitter 2 that divides the pulsed light L1 into pulsed light L2 and L3 A terahertz light generating element 10 and a terahertz light detecting element 20 for detecting terahertz pulsed light T2 that has passed through the sample S are provided. The terahertz imaging device 100 detects terahertz light using the well-known time-series terahertz light detection method, and it moves the movable mirror 5 that changes the optical path length of the pulsed light L3 and the sample S in two dimensions. Move the two-dimensional drive mechanism 8 I have.
[0009] さらに、テラへルツイメージング装置 100には、測定回路 25と制御'演算処理部 9と が設けられている。測定回路 25は、テラへルツ光検出素子 20の光電流 (検出信号) を測定する。制御,演算処理部 9は、測定回路 25の測定結果に基づいて各種演算を 行う。例えば、試料の 2次元物性情報を演算する。演算結果はディスプレイ 9aに表示 される。また、制御 ·演算処理部 9は、可動鏡 5を A方向に動かすリニア駆動機構 6お よび 2次元駆動機構 8も制御する。 Furthermore, the terahertz imaging apparatus 100 is provided with a measurement circuit 25 and a control 'arithmetic processing unit 9. The measurement circuit 25 measures the photocurrent (detection signal) of the terahertz light detection element 20. The control / arithmetic processing unit 9 performs various calculations based on the measurement results of the measurement circuit 25. For example, 2D physical property information of a sample is calculated. The calculation result is displayed on the display 9a. The control / arithmetic processing unit 9 also controls the linear drive mechanism 6 and the two-dimensional drive mechanism 8 that move the movable mirror 5 in the A direction.
[0010] パルス光 L1を放射するレーザ光源 1には、例えば、フェムト秒パルスレーザが用い られる。パルス光 L1は、中心波長が 780〜830nm (近赤外領域)程度での直線偏 光あって、パルスの繰り返し周期は数 kHzから 100MHz、パルス幅は 10〜150fsで ある。 [0010] For the laser light source 1 that emits the pulsed light L1, for example, a femtosecond pulse laser is used. The pulsed light L1 is linearly polarized with a center wavelength of about 780 to 830 nm (near infrared region), and has a pulse repetition period of several kHz to 100 MHz and a pulse width of 10 to 150 fs.
[0011] 次に、テラへルツイメージング装置 100の動作について説明する。レーザ光源 1か ら放射されたパルス光 L1は、ビームスプリッタ 2で分割される。分割された一方のパ ルス光 L2は、ポンプ光 (励起光)としてテラへルツ光発生素子 10に入射する。テラへ ルツ光発生素子 10の詳細は後述する。テラへルツ光発生素子 10はパルス光 L2によ り励起され、テラへルツパルス光 T1を発生する。なお、ビームスプリッタ 2とテラへルツ 光発生素子 10との間に集光レンズを配置し、その集光レンズによりパルス光 L2の光 束を絞ってもよい。 Next, the operation of the terahertz imaging apparatus 100 will be described. The pulsed light L 1 emitted from the laser light source 1 is divided by the beam splitter 2. One of the divided pulse lights L2 is incident on the terahertz light generating element 10 as pump light (excitation light). Details of the terahertz light generating element 10 will be described later. The terahertz light generating element 10 is excited by the pulsed light L2, and generates the terahertz pulsed light T1. Note that a condensing lens may be disposed between the beam splitter 2 and the terahertz light generating element 10, and the light bundle of the pulsed light L2 may be narrowed by the condensing lens.
[0012] テラへルツパルス光 T1は、周波数が 0. 01 X 1012〜100 X 1012ヘルツ(0. 01TH z〜100THz)の光であり、テラへルツ光発生素子 10のアンテナの向きに沿って偏光 した偏光光である。このテラへルツノ ルス光 T1は、曲面鏡 3で反射'集光されて試料 Sの一点に入射する。 [0012] Terahertz pulsed light T1 is light having a frequency of 0.01 X 10 12 to 100 X 10 12 hertz (0.01 TH z to 100 THz), and follows the direction of the antenna of the terahertz light generating element 10. Polarized light. This terahertz light T1 is reflected and collected by the curved mirror 3 and enters one point of the sample S.
[0013] 試料 Sの一点を透過したテラへルツパルス光 T2は、試料 Sの物性情報を含む光で あり、曲面鏡 4で反射されてテラへルツ光検出素子 20に入射する。テラへルツ光検 出素子 20には、ビームスプリッタ 2で分割されたパルス光 L3がプローブ光として照射 される。テラへルツ光検出素子 20にテラへルツパルス光 T2が入射するとそのアンテ ナ部に電場が生じ、その部分にプローブ光が照射されると、テラへルツパルス光 T2 の電場強度に応じた光電流が流れる。
[0014] この光電流の電流値、すなわち電場強度の値から、制御'演算処理部 9で所定の 理論式に基づ!ヽて試料の電気的特性や不純物濃度等が演算される。これらの測定 値、二次元画像等は、必要に応じてディスプレイ 9aに表示される。なお、実際の測定 では、上記のサンプル測定だけではなぐ試料 Sをテラへルツパルス光 T1の光路に 配設しな 、で行うリファレンス測定も行 ヽ、サンプル測定とリファレンス測定の両方の 測定結果から試料 Sの物性値を得て ヽる。 [0013] Terahertz pulsed light T2 transmitted through one point of sample S is light including physical property information of sample S, is reflected by curved mirror 4, and is incident on terahertz light detecting element 20. The terahertz light detection element 20 is irradiated with the pulsed light L3 divided by the beam splitter 2 as probe light. When terahertz pulsed light T2 is incident on the terahertz light detecting element 20, an electric field is generated in the antenna portion, and when the probe light is irradiated on that portion, a photocurrent corresponding to the electric field intensity of the terahertz pulsed light T2 is generated. Flowing. [0014] From the current value of the photocurrent, that is, the electric field strength value, the control and calculation processing unit 9 calculates the electrical characteristics, impurity concentration, and the like of the sample based on a predetermined theoretical formula. These measured values, two-dimensional images, etc. are displayed on the display 9a as necessary. In actual measurement, the sample S, which is not only the sample measurement described above, is also placed in the optical path of the terahertz pulsed light T1, and the reference measurement performed in the sample measurement is performed from both the sample measurement and the reference measurement results. Get the physical property value of S.
[0015] プローブ光として用いられるパルス光 L3は、図 1の矢印で示した A方向に移動可能 な 2枚もしくは 3枚の反射鏡カゝらなる可動鏡 5に入射する。パルス光 L3は、可動鏡 5で 反射された後に反射鏡 7により光路が曲げられ、テラへルツ光検出素子 20に入射す る。可動鏡 5をリニア駆動機構 6によって A方向に移動させることにより、可動鏡 5の移 動量に応じてパルス光 L3の光路長を変化させることができる。その結果、パルス光 L 3がテラへルツ光検出素子 20へ到達する時間を、遅延させることができる。 [0015] The pulsed light L3 used as the probe light is incident on a movable mirror 5 such as two or three reflecting mirrors that can move in the A direction indicated by the arrow in FIG. After the pulsed light L3 is reflected by the movable mirror 5, the optical path is bent by the reflecting mirror 7 and enters the terahertz light detecting element 20. By moving the movable mirror 5 in the A direction by the linear drive mechanism 6, the optical path length of the pulsed light L3 can be changed according to the amount of movement of the movable mirror 5. As a result, the time for the pulsed light L 3 to reach the terahertz light detecting element 20 can be delayed.
[0016] このように、テラへルツ光検出素子 20に入射するパルス光 L3の遅延時間を変更し ながら、テラへルツ光検出素子 20で検出されるテラへルツパルス光 T2の電場強度を 測定することにより、時系列テラへルツ分光が可能となる。なお、可動鏡 5をプローブ 光 (パルス光 L3)の光路に挿入してプローブ光の時間遅延を行う代わりに、可動鏡 5 をポンプ光 (パルス光 L2)の光路に挿入して、テラへルツパルス光 T1に時間遅延操 作を行ってもよい。 [0016] As described above, the electric field strength of the terahertz pulse light T2 detected by the terahertz light detection element 20 is measured while changing the delay time of the pulse light L3 incident on the terahertz light detection element 20. Thus, time series terahertz spectroscopy becomes possible. Instead of inserting the movable mirror 5 into the optical path of the probe light (pulse light L3) and delaying the probe light time, the movable mirror 5 is inserted into the optical path of the pump light (pulse light L2) to generate a terahertz pulse. A time delay operation may be performed on the optical T1.
[0017] 次に、テラへルツ光発生素子 10の詳細を、図 2を参照して説明する。テラへルツ光 発生素子 10は、例えば半絶縁性 GaAs基板で構成される半導体基板 13と、半球レ ンズ 14とを有する。半導体基板 13上には光伝導膜 12が形成され、その光伝導膜 12 上ににはアンテナとして機能する金属製の導電膜 11が形成されている。光伝導膜 1 2は、例えば GaAsやアモルファスシリコンの薄膜で形成される。半球レンズ 14は、生 成されたテラへルツ光を効率良く外部に取り出すために半導体基板 13の光放射面 側に接合されたものであり、例えば高抵抗シリコンカゝら作製され、テラへルツ光などの 赤外光を透過させる。なお、半球レンズ 14の代わりに超半球レンズを用いても良ぐ ここでは半球レンズや超半球レンズを代表して半球レンズ 14と称する。 Next, details of the terahertz light generating element 10 will be described with reference to FIG. The terahertz light generating element 10 includes a semiconductor substrate 13 made of, for example, a semi-insulating GaAs substrate, and a hemispherical lens 14. A photoconductive film 12 is formed on the semiconductor substrate 13, and a metal conductive film 11 that functions as an antenna is formed on the photoconductive film 12. The photoconductive film 12 is formed of, for example, a thin film of GaAs or amorphous silicon. The hemispherical lens 14 is bonded to the light emitting surface side of the semiconductor substrate 13 in order to efficiently extract the generated terahertz light to the outside. Transmit infrared light such as. A hemispherical lens may be used instead of the hemispherical lens 14. Here, the hemispherical lens or the superhemispherical lens is representatively referred to as a hemispherical lens 14.
[0018] 導電膜 11は、光伝導膜 12上にパターユング形成された金属膜であり、この実施の
形態ではダイポール型アンテナ形状にパターンユングされて 、る。 2本の平行な伝送 線路が狭 、ギャップを介して対向する部分が前述したアンテナ部であり、ダイポール 型アンテナとして機能する。図 2に示されるように、ダイポール型アンテナパターンの 導電膜 11に電源回路 15によりバイアス電圧 Vbを印加し、導電膜 11の形成面上の 領域 Bにパルス光 L2を照射すると、テラへルツパルス光 T1が発生する。領域 Bは、 ほぼアンテナ部のギャップを含む領域である。発生したテラへルツパルス光 T1は、半 球レンズ 14を透過して外部に放射される。 The conductive film 11 is a metal film that is patterned on the photoconductive film 12. In the form, it is patterned in the shape of a dipole antenna. The two parallel transmission lines are narrow and the part facing each other through the gap is the antenna part described above, which functions as a dipole antenna. As shown in FIG. 2, when a bias voltage Vb is applied to the conductive film 11 of the dipole antenna pattern by the power supply circuit 15 and the region B on the conductive film 11 formation surface is irradiated with the pulsed light L2, the terahertz pulsed light is emitted. T1 occurs. Region B is a region that almost includes the gap of the antenna section. The generated terahertz pulsed light T1 passes through the hemispherical lens 14 and is emitted to the outside.
[0019] 次いで、図 3を参照してテラへルツ光検出素子 20について説明する。従来から知ら れて ヽるテラへルツイメージング装置やテラへルツ光分光装置では、テラへルツ光検 出素子とテラへルツ光発生素子とは同一の素子を使用している。しかし、本発明では 、テラへルツ光の偏光状態が、例えば、試料を透過するなどして変化した場合でも、 テラへルツ光に含まれる X方向および Y方向の各偏光成分を精度良く測定できるよう に、テラへルツ光検出素子 20としてテラへルツ光発生素子 10と異なる構造の素子を 使用するようにしている。 Next, the terahertz light detection element 20 will be described with reference to FIG. In the conventionally known terahertz imaging apparatus and terahertz light spectroscopic apparatus, the terahertz light detecting element and the terahertz light generating element use the same element. However, in the present invention, even when the polarization state of the terahertz light changes, for example, by passing through the sample, the respective polarization components in the X direction and the Y direction included in the terahertz light can be accurately measured. Thus, an element having a structure different from that of the terahertz light generating element 10 is used as the terahertz light detecting element 20.
[0020] 具体的には、テラへルツ光検出素子 20は、半導体基板 23と、半導体基板 23に形 成された光伝導膜 22と、光伝導膜 22上に形成された一対のアンテナとして機能する 金属製の導電膜 21と、半球レンズ 24とを有する。なお、半球レンズ 24の代わりに超 半球レンズを用いても良い。ここでは、半球レンズや超半球レンズを代表して半球レ ンズ 24と称する。 Specifically, the terahertz light detection element 20 functions as a semiconductor substrate 23, a photoconductive film 22 formed on the semiconductor substrate 23, and a pair of antennas formed on the photoconductive film 22. A metal conductive film 21 and a hemispherical lens 24 are provided. Note that a super hemispherical lens may be used instead of the hemispherical lens 24. Here, the hemispherical lens or super hemispherical lens is referred to as the hemispherical lens 24.
[0021] 図 3 (a)に示すように、導電膜 21は 4つの L字型パターンの導電膜から構成される。 As shown in FIG. 3 (a), the conductive film 21 is composed of four L-shaped conductive films.
そして、アンテナの方向が互いに直交する一対のダイポール型アンテナ 21A, 21B を形成する。図 3 (b)に示すように、ダイポール型アンテナ 21Aは 2つの L字型パター ン Al、 A2で構成され、ダイポール型アンテナ 21Bは 2つの L字型パターン Bl、 B2 で構成される。 L字型パターン Al、 A2および L字型パターン Bl、 B2は、テラへルツ 光入射領域 Cにおいて狭いギャップを介して対向しており、これらの対向部分がそれ ぞれダイポール型アンテナ 21A, 21Bのアンテナとして機能する。ダイポール型アン テナ 21Aのアンテナ方向は図 3の X方向であり、ダイポール型アンテナ 21Bのアンテ ナ方向は Y方向である。
[0022] 図 4は、図 1に示したテラへルツ光検出素子 20と測定回路 25とを示す図である。 25 aおよび 25bは測定回路 25に設けられた電流計であり、ダイポール型アンテナ 21A を構成する 2本の L字型伝送線路である L字型パターン Al、 A2は、電流計 25aに接 続されている。一方、ダイポール型アンテナ 21Bを構成する 2本の L字型伝送線路で ある L字型パターン Bl、 B2は、電流計 25bに接続されている。なお、図 3では、ダイ ポール型アンテナ 21Bに接続される電流計 25bの図示を省略した。ダイポール型ァ ンテナ 21Aのアンテナ部 31aおよびダイポール型アンテナ 21Bのアンテナ部 31bは 、互いにアンテナ方向が直交しており、いずれもテラへルツ光入射領域 Cをカバーす る面積を有する。 Then, a pair of dipole antennas 21A and 21B whose antenna directions are orthogonal to each other are formed. As shown in Fig. 3 (b), the dipole antenna 21A is composed of two L-shaped patterns Al and A2, and the dipole antenna 21B is composed of two L-shaped patterns Bl and B2. The L-shaped patterns Al and A2 and the L-shaped patterns Bl and B2 face each other through a narrow gap in the terahertz light incident region C, and these facing portions are respectively the dipole antennas 21A and 21B. Functions as an antenna. The antenna direction of the dipole antenna 21A is the X direction in FIG. 3, and the antenna direction of the dipole antenna 21B is the Y direction. FIG. 4 is a diagram showing the terahertz light detection element 20 and the measurement circuit 25 shown in FIG. 25a and 25b are ammeters provided in the measurement circuit 25. The L-shaped patterns Al and A2, which are the two L-shaped transmission lines constituting the dipole antenna 21A, are connected to the ammeter 25a. ing. On the other hand, the L-shaped patterns Bl and B2, which are the two L-shaped transmission lines constituting the dipole antenna 21B, are connected to the ammeter 25b. In FIG. 3, the ammeter 25b connected to the dipole antenna 21B is not shown. The antenna portion 31a of the dipole antenna 21A and the antenna portion 31b of the dipole antenna 21B are orthogonal to each other and both have an area covering the terahertz light incident region C.
[0023] テラへルツ光入射領域 Cに試料 Sを透過したテラへルツパルス光 T2が入射すると、 テラへルツパルス光 T2が X方向に偏光した光であればダイポール型アンテナ 21Aで 検出され、テラへルツパルス光 T2が Y方向に偏光した光であればダイポール型アン テナ 21Bで検出されることになる。すなわち、一対のダイポール型アンテナ 21 A、 21 Bは、テラへルツノ ルス光 T2に含まれる 2つの直交する偏光成分に対応してテラへ ルツパルス光 T2を検出する。 [0023] When the terahertz pulsed light T2 that has passed through the sample S is incident on the terahertz light incident area C, if the terahertz pulsed light T2 is light polarized in the X direction, it is detected by the dipole antenna 21A and applied to the tera If the rutz pulse light T2 is polarized in the Y direction, it will be detected by the dipole antenna 21B. That is, the pair of dipole antennas 21 A and 21 B detect the terahertz pulse light T2 corresponding to two orthogonal polarization components included in the terahertz light T2.
[0024] ダイポール型アンテナ 21A, 21Bは、例えば、アンテナ部 31a、 31bのギャップ長 G 力 / z m、導電膜 21のパターン幅が 4 μ m、各パターンのアンテナ部の位置力も折れ 曲がる位置までの長さ dが 10〜20 /ζ πιのように設定される。一般に、ギャップ長 Gと 導電膜 21のパターン幅は、領域 Cの直径より若干狭く設定され、アンテナ部のバタ ーン長さ dは、テラへルツ光の検出すべき周波数帯域に応じて設定される。 [0024] The dipole antennas 21A and 21B have, for example, the gap length G force / zm of the antenna portions 31a and 31b, the pattern width of the conductive film 21 is 4 μm, and the position force of the antenna portion of each pattern is also bent. The length d is set to 10-20 / ζ πι. In general, the gap length G and the pattern width of the conductive film 21 are set slightly narrower than the diameter of the region C, and the pattern length d of the antenna section is set according to the frequency band to be detected by the terahertz light. The
[0025] 特に、アンテナ部 31aとアンテナ部 31bのギャップ長 Gを等しくとることにより、 X方向 の偏光成分と Y方向の偏光成分の両方の光を同一条件で検出することができる。本 実施の形態では、アンテナ部 3 laは一対の導電膜パターン Al, A2からなる伝送線 路を含み、アンテナ部 31bは一対の導電膜パターン Bl, B2からなる伝送線路とを含 む。そして、アンテナ部 31a, 31bにおいて、各一対の伝送線路は同一ギャップ長で 対向させるようにした。アンテナ部 31a, 31bにおける伝送線路の対向方向が各アン テナ方向となる。 [0025] In particular, by setting the gap length G between the antenna unit 31a and the antenna unit 31b to be equal, it is possible to detect light of both the X-direction polarization component and the Y-direction polarization component under the same conditions. In the present embodiment, the antenna unit 3la includes a transmission line composed of a pair of conductive film patterns Al and A2, and the antenna unit 31b includes a transmission line composed of a pair of conductive film patterns Bl and B2. In each of the antenna portions 31a and 31b, each pair of transmission lines is opposed to each other with the same gap length. The opposing direction of the transmission line in the antenna units 31a and 31b is the direction of each antenna.
[0026] このように構成されるテラへルツ光検出素子 20の作用を図 3,図 4を参照して説明
する。図 3に示すように、テラへルツパルス光 T2は、半球レンズ 24側からテラへルツ 光検出素子 20へ入射し、半球レンズ 24の屈折作用を受けて導電膜 21形成面上の 領域 Cへ集光する。一方、プローブ光としてのパルス光 L3は、テラへルツパルス光 T 2とは逆に、テラへルツ光検出素子 20の導電膜 21が形成された側力も領域 Cへ照射 される。このとき、テラへルツパルス光 T2の偏光方向がダイポール型アンテナ 21Aの アンテナ方向と一致していれば、テラへルツパルス光 T2の電場によって生じる光電 流 Imがダイポール型アンテナ 21Aに流れ、この電場強度に応じた光電流 Imは測定 回路 25に設けられた電流計 25aにより測定される。なお、図 3では、矢印で示した抵 抗および増幅器が設けられた回路部分が、電流計 25aを構成して 、る。 [0026] The operation of the terahertz light detecting element 20 configured as described above will be described with reference to Figs. To do. As shown in FIG. 3, the terahertz pulsed light T2 is incident on the terahertz light detecting element 20 from the hemispherical lens 24 side, and is collected in the region C on the conductive film 21 forming surface by receiving the refractive action of the hemispherical lens 24. Shine. On the other hand, the pulse light L3 as the probe light irradiates the region C with the side force on which the conductive film 21 of the terahertz light detection element 20 is formed, contrary to the terahertz pulse light T2. At this time, if the polarization direction of the terahertz pulse light T2 coincides with the antenna direction of the dipole antenna 21A, the photoelectric current Im generated by the electric field of the terahertz pulse light T2 flows to the dipole antenna 21A, and this electric field strength is The corresponding photocurrent Im is measured by an ammeter 25 a provided in the measurement circuit 25. In FIG. 3, the circuit portion provided with the resistor and the amplifier indicated by the arrow constitutes the ammeter 25a.
[0027] 図 2および図 3を参照しながら、テラへルツパルス光 T1の偏光方向とテラへルツパ ルス光 T2の偏光方向との関係につ 、て説明する。テラへルツ光発生素子 10に形成 されたダイポール型アンテナ 11のアンテナ方向が図 2の X方向に配置された場合は 、テラへルツ光発生素子 10は X方向の偏光成分を有するテラへルツパルス光 T1を 放射する。この X方向に偏光したテラへルツパルス光 T1が試料 Sに照射され、試料 S を透過したテラへルツパルス光 T2がテラへルツ光検出素子 20に入射する。 [0027] The relationship between the polarization direction of the terahertz pulsed light T1 and the polarization direction of the terahertz pulsed light T2 will be described with reference to FIG. 2 and FIG. When the antenna direction of the dipole antenna 11 formed in the terahertz light generating element 10 is arranged in the X direction in FIG. 2, the terahertz light generating element 10 is a terahertz pulsed light having a polarization component in the X direction. T1 is emitted. The sample S is irradiated with the terahertz pulse light T1 polarized in the X direction, and the terahertz pulse light T2 transmitted through the sample S is incident on the terahertz light detection element 20.
[0028] テラへルツパルス光 T2も X方向に偏光して ヽるとすれば、テラへルツ光検出素子 2 0においては、アンテナ方向が X方向であるダイポール型アンテナ 21Aにより検出さ れる。一方、ダイポール型アンテナ 21Bのアンテナ方向は Y方向なので、 X方向に偏 光したテラへルツパルス光 T2は検出されない。このように、テラへルツ光発生素子 1 0に形成されたダイポール型アンテナ 11のアンテナ方向と、テラへルツ光検出素子 2 0に形成されたダイポール型アンテナ 21Aのアンテナ方向とを同一方向に揃えて設 置すれば、 X方向に偏光したテラへルツパルス光 T2を検出することができる。 If the terahertz pulsed light T2 is also polarized in the X direction, the terahertz light detecting element 20 is detected by the dipole antenna 21A whose antenna direction is the X direction. On the other hand, since the antenna direction of the dipole antenna 21B is the Y direction, the terahertz pulse light T2 polarized in the X direction is not detected. Thus, the antenna direction of the dipole antenna 11 formed on the terahertz light generating element 10 and the antenna direction of the dipole antenna 21A formed on the terahertz light detecting element 20 are aligned in the same direction. The terahertz pulsed light T2 polarized in the X direction can be detected.
[0029] しかし、実際のテラへルツ分光測定やテラへルツイメージングにお 、ては、試料 Sを 透過したテラへルツパルス光 T2が X方向の偏光成分のみであるとは限らな ヽ。例え ば、試料 Sによって X方向の偏光成分と Y方向の偏光成分の両方を有する旋光が生 じた場合、ダイポール型アンテナ 21Aだけでは Y方向の偏光成分を検出できな ヽ。 そのため、ダイポール型アンテナ 21Aで検出された X方向の偏光成分の変化力 単 に試料 Sの吸収によるものなの力旋光によるものなのか区別できない。
[0030] ところ力 図 4に示すように、本実施の形態では、 1つのテラへルツ光検出素子 20に 、アンテナ方向が直交している一対のダイポール型アンテナ 21A, 21Bを設けている 。そのため、テラへルツパルス光 T2の X方向および Y方向の偏光成分をそれぞれ独 立して検出可能となり、正確な検出データを得ることができる。また、ダイポール型ァ ンテナ 21A, 21Bの各アンテナ部 31a、 31bは、いずれもテラへルツ光入射領域 Cを カバーするように配設されているので、テラへルツパルス光 T2の X方向および Y方向 の偏光成分を同時に検出できる。 [0029] However, in actual terahertz spectroscopic measurement and terahertz imaging, terahertz pulsed light T2 that has passed through the sample S is not always the only polarization component in the X direction. For example, if the sample S generates an optical rotation that has both a polarization component in the X direction and a polarization component in the Y direction, the dipole antenna 21A alone cannot detect the polarization component in the Y direction. For this reason, it is impossible to distinguish whether the change in the polarization component in the X direction detected by the dipole antenna 21A is due to the optical rotation or not due to the absorption of the sample S. However, as shown in FIG. 4, in this embodiment, one terahertz light detection element 20 is provided with a pair of dipole antennas 21A and 21B whose antenna directions are orthogonal to each other. Therefore, the polarization components in the X and Y directions of the terahertz pulse light T2 can be detected independently, and accurate detection data can be obtained. In addition, since the antenna portions 31a and 31b of the dipole antennas 21A and 21B are arranged so as to cover the terahertz light incident area C, the X and Y directions of the terahertz pulse light T2 are arranged. Can be detected simultaneously.
[0031] 例えば、 1方向のダイポール型アンテナし力もたないテラへルツ光検出素子では、 両方の偏光成分を検出するためには、テラへルツ光検出素子を光軸廻りに回転する 必要があった。一方、本実施の形態では、テラへルツ光検出素子 20を回転する必要 がなく、回転機構を設ける必要もない。 [0031] For example, in a terahertz light detecting element that does not have a force as a unidirectional dipole antenna, it is necessary to rotate the terahertz light detecting element around the optical axis in order to detect both polarization components. It was. On the other hand, in the present embodiment, it is not necessary to rotate the terahertz light detection element 20, and it is not necessary to provide a rotation mechanism.
[0032] 次に、本実施の形態によるテラへルツイメージング装置による、試料 Sの 2次元的測 定について説明する。図 1に示したように、本実施の形態のテラへルツイメージング 装置 100では、 2次元駆動機構 8により試料 Sを 2次元的に移動させることにより、試 料 S上においてテラへルツパルス光 T1を 2次元走査することができる。その結果、試 料 S上の走査領域の各点を透過したテラへルツパルス光 T2が、テラへルツ光検出素 子 20により検出されることになる。そして、 2次元走査時に測定回路 25a, 25bで測定 される光電流 Imに基づいて、制御 ·演算処理部 9で所定の演算を行うことにより、試 料 Sの電気的特性や不純物濃度などの分布が測定される。これらの分布は、制御' 演算処理部 9で 2次元画像として合成され、合成された画像がディスプレイ 9aに表示 される。 [0032] Next, two-dimensional measurement of the sample S by the terahertz imaging apparatus according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 1, in the terahertz imaging apparatus 100 according to the present embodiment, the sample S is moved two-dimensionally by the two-dimensional drive mechanism 8, thereby generating the terahertz pulsed light T1 on the sample S. Two-dimensional scanning is possible. As a result, the terahertz pulsed light T2 that has passed through each point of the scanning region on the sample S is detected by the terahertz light detecting element 20. Then, based on the photocurrent Im measured by the measurement circuits 25a and 25b during the two-dimensional scanning, a predetermined calculation is performed by the control / calculation processing unit 9, thereby distributing the electrical characteristics and impurity concentration of the sample S. Is measured. These distributions are synthesized as a two-dimensional image by the control processing unit 9, and the synthesized image is displayed on the display 9a.
[0033] 図 5は、測定回路 25 (25a, 25b)の変形例を示す図であり、図 4に対応する図であ る。図 5では、図 4の測定回路 25 (25a, 25b)に代えて、切換えスィッチ 26および電 流計 27を有する測定回路 25Aを設けた。切換えスィッチ 26の端子 Tal、 Ta2には、 ダイポール型アンテナ 21Aの 2本の L字型伝送線路パターン Al, A2が接続され、端 子 Tbl、 Tb2には、ダイポール型アンテナ 21Bの 2本の L字型伝送線路パターン B1 , B2が接続される。切換えスィッチ 26の端子 Telおよび Tc2は、電流計 27に接続さ れている。
[0034] 切換えスィッチ 26を駆動して、端子 Talと Telとを接続するとともに、端子 Ta2と端 子 Tc2とを接続すると、ダイポール型アンテナ 21Aのアンテナ部 31aが検出可能な 状態となる。逆に、端子 Tblと端子 Telとを接続するとともに、端子 Tb2と端子 Tc2を 接続することにより、ダイポール型アンテナ 21Bのアンテナ部 31bが検出可能な状態 となる。その結果、切換えスィッチ 26を切り換えることにより、 1つの電流計 27でテラ ヘルツパルス光 T2の X方向および Y方向の偏光成分を、順に測定することができる FIG. 5 is a diagram showing a modification of the measurement circuit 25 (25a, 25b), and corresponds to FIG. In FIG. 5, instead of the measurement circuit 25 (25a, 25b) of FIG. 4, a measurement circuit 25A having a switching switch 26 and an ammeter 27 is provided. Two L-shaped transmission line patterns Al and A2 of dipole antenna 21A are connected to terminals Tal and Ta2 of switching switch 26, and two L-shapes of dipole antenna 21B are connected to terminals Tbl and Tb2. Type transmission line patterns B1 and B2 are connected. Terminals Tel and Tc2 of switch 26 are connected to ammeter 27. [0034] When the switching switch 26 is driven to connect the terminals Tal and Tel, and the terminal Ta2 and the terminal Tc2 are connected, the antenna section 31a of the dipole antenna 21A becomes in a detectable state. Conversely, by connecting the terminal Tbl and the terminal Tel, and connecting the terminal Tb2 and the terminal Tc2, the antenna portion 31b of the dipole antenna 21B can be detected. As a result, by switching the switching switch 26, the polarization component in the X direction and the Y direction of the terahertz pulse light T2 can be measured in order with one ammeter 27.
[0035] 本実施の形態によるテラへルツイメージング装置 100では、 1つのテラへルツ光検 出素子 (テラへルツ光検出器) 20にアンテナ方向の異なる一対のアンテナ (ダイポー ル型アンテナ 21A, 21B)が設けられているので、試料 Sの電気的特性や不純物濃 度などの 2次元的分布状態を容易にかつ正確に求めることができ、容易に 2次元画 像としてイメージィ匕することができる。 In the terahertz imaging apparatus 100 according to the present embodiment, one terahertz light detecting element (terahertz light detector) 20 has a pair of antennas (dipole antennas 21A and 21B) having different antenna directions. ) Is provided, the two-dimensional distribution state such as the electrical characteristics and impurity concentration of sample S can be obtained easily and accurately, and can be easily imaged as a two-dimensional image. .
[0036] 以上説明したように、本発明は、 1つのテラへルツ光検出素子 (テラへルツ光検出 器)に一対のアンテナを設けたこと、すなわち、検出する偏光光に対応して互いにァ ンテナの向きが異なる一対のアンテナ部を設けたことを特徴とし、その特徴を損なわ ない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。例えば、アンテナの向きが 異なる一対のアンテナ部は、本実施の形態のテラへルツ光検出素子 20のように位置 的に重なり合って ヽても良 、し、図 6に示すように位置的に離れて ヽても良 、。 As described above, according to the present invention, a pair of antennas are provided in one terahertz light detecting element (terahertz light detector), that is, each of the antennas corresponds to the polarized light to be detected. The present invention is characterized in that a pair of antenna portions having different antenna orientations are provided, and the present invention is not limited to the above-described embodiment as long as the characteristics are not impaired. For example, a pair of antenna portions having different antenna orientations may overlap in position as in the terahertz light detection element 20 of the present embodiment, and may be positioned apart as shown in FIG. It ’s okay to go.
[0037] なお、一対のアンテナ部のアンテナ方向は、必ずしも直交している必要はない。す なわち、アンテナ方向の異なる一対のアンテナを設ければ、それらの検出結果を用 いて直交する 2つの偏光成分を演算により求めることができる。 [0037] Note that the antenna directions of the pair of antenna units do not necessarily have to be orthogonal. In other words, if a pair of antennas having different antenna directions are provided, two orthogonal polarization components can be obtained by calculation using the detection results.
[0038] 図 6に示すテラへルツ光検出素子 20Aでは、 X方向の偏光検出用アンテナ 121A と Y方向の偏光検出用アンテナ 121Bとを、導電膜 122上の異なる位置に独立に配 置した。 X方向の偏光光を検出するアンテナ部 131aと、 Y方向の偏光光を検出する アンテナ部 131bとを備えている。この場合、検出すべき偏光成分に応じて、テラヘル ッパルス光 T2およびプローブ光 L3が入射するテラへルツ光入射領域 Cと、アンテナ 部 131aおよび 131bとが重なるように、テラへルツ光検出素子 20Aをァクチユエータ 等で移動させるようにすればょ 、。
[0039] また、本発明はテラへルツイメージング装置 100に限らず、テラへルツ光を用いるテ ラヘルツ分光装置にも適用できる。さらに、試料を透過した透過テラへルツ光を検出 する場合に限らず、試料で反射された反射テラへルツ光を検出する場合にも適用で きる。例えば、テラへルツ光を試料表面に斜めに入射させ、試料で反射された反射テ ラヘルツ光を光検出器で受光できるように、試料の一方の表面側にテラへルツ光発 生素子 10とテラへルツ光検出素子 20を配置する。 In the terahertz light detection element 20 A shown in FIG. 6, the X-direction polarization detection antenna 121 A and the Y-direction polarization detection antenna 121 B are independently arranged at different positions on the conductive film 122. An antenna unit 131a that detects polarized light in the X direction and an antenna unit 131b that detects polarized light in the Y direction are provided. In this case, the terahertz light detecting element 20A is arranged so that the terahertz light incident area C on which the terahertz pulse light T2 and the probe light L3 are incident and the antenna parts 131a and 131b overlap according to the polarization component to be detected. If you move it with an actuator, etc. In addition, the present invention is not limited to the terahertz imaging apparatus 100 but can be applied to a terahertz spectrometer using terahertz light. Furthermore, the present invention is not limited to detecting transmitted terahertz light transmitted through a sample, but can also be applied to detecting reflected terahertz light reflected by a sample. For example, terahertz light is incident on the sample surface at an angle, and the reflected terahertz light reflected by the sample is received by the photodetector, so that the terahertz light generating element 10 and A terahertz light detection element 20 is arranged.
[0040] 次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。 [0040] The disclosure content of the following priority application is hereby incorporated by reference.
日本国特許出願 2004年第 364175号(2004年 12月 16日出願)
Japanese patent application 2004 No. 364175 (filed December 16, 2004)