JP2004125454A - Near-field spectrometer and method for producing optical fiber probe - Google Patents
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Abstract
【課題】近接場分光装置のバックグラウンド光による影響を低減すること。
【解決手段】所定波長のレーザ光を照射する光照射手段10と、表面が金属又は誘電体で被覆され先端部に微小な開口部を持つ光ファイバプローブ12と、試料による発光を分光する分光手段14と、を備え、前記レーザー光を前記光ファイバプローブ開口部から試料22に近接場として照射し、該近接場による試料22の発光を集光し前記分光手段14へと送る近接場分光装置において、
前記レーザ光の波長を含む波長領域を除去するフィルタ16を備え、
前記光ファイバプローブ12の開口部近傍で光密度を高くし、
試料からの発光を前記フィルタ16に透過させることにより多光子励起に伴う発光を選択的に前記分光手段14に送ることを特徴とする近接場分光装置。
【選択図】 図1An object of the present invention is to reduce the influence of background light on a near-field spectrometer.
A light irradiating means for irradiating a laser beam of a predetermined wavelength, an optical fiber probe having a surface coated with a metal or a dielectric and having a fine opening at a tip, and a spectroscopic means for dispersing light emitted by a sample are provided. And a near-field spectrometer that irradiates the sample 22 with the laser light from the optical fiber probe opening as a near field, condenses light emitted from the sample 22 by the near field, and sends the light to the spectroscopic unit 14. ,
A filter 16 for removing a wavelength region including the wavelength of the laser light,
Increasing the light density near the opening of the optical fiber probe 12,
A near-field spectroscopy apparatus characterized in that light emitted from a sample is transmitted through the filter 16 to selectively transmit light accompanying the multiphoton excitation to the spectroscopic means 14.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は近接場分光装置、特にそのバックグラウンド光の低減に関する。
【0002】
【従来の技術】
近接場分光装置では、試料への近接場の照射、近接場による試料の発光の集光、を行うために、先端を先鋭化した光ファイバの表面を金属などで被覆し先端部に微小な開口部を設けたプローブが用いられている。この開口部の口径は使用する光の波長よりも小さく、照射される近接場は該開口部近傍に局在している。このため、近接場分光装置は、使用する光による回折限界を超えた微小領域を測定することが可能である(例えば非特許文献1、2を参照)。
【0003】
【非特許文献1】
河田聡、井上康志 「近接場と非線形のナノフォトニクス」 “応用物理” 2002年 第71巻 第6号 p.653〜663
【非特許文献2】
Toshiharu Saiki, Yoshihito Narita “ジェイエスエーピー インターナショナル(JSAP International)” 2002年1月 5号 p.22〜29
【非特許文献3】
西澤典彦、後藤俊夫 「光ファイバーにおける非線形効果を用いた広帯域波長可変超短パルス光の発生」 “応用物理” 2001年 第70巻 第11号 p.1313〜1316
【非特許文献4】
西澤典彦、後藤俊夫 「波長可変超短パルスファイバレーザー」 “レーザ研究” 2001年 第29巻 第2号 p.84〜89
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光ファイバに含まれる不純物などに起因する発光がバックグラウンドとなり、試料からの発光と重なり合って正確な測定を困難にするという問題があった。このため、従来は発光の少ない光ファイバを使用する、発光の少ないレーザ波長を選択する、などの対応策が取られていた。しかし、そのため光透過率の低い光ファイバを使用しなければならなかったり、測定対象の試料から要請される励起波長を使用できないなどの問題があった。また、集光する光のうち、試料の特性に依存する発光は非常に微細であるため、反射光や弾性散乱された光に埋もれてしまい測定が困難であった。
本発明は近接場分光装置において、以上のようなバックグラウンドの影響を低減するための改良を目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の近接場分光装置は、所定波長のレーザ光を照射する光照射手段と、表面が金属又は誘電体で被覆され先端部に微小な開口部を持つ光ファイバプローブと、試料による発光を分光する分光手段と、前記レーザ光の波長を含む波長領域を除去するフィルタと、を備えている。前記レーザー光を前記光ファイバプローブ開口部から試料に近接場として照射し、該近接場による試料の発光を集光し前記分光手段へと送り、スペクトルを測定する。ここで、前記光ファイバプローブの開口部近傍で光密度を高くし、前記光ファイバプローブで集光した試料からの発光を前記フィルタに透過させることにより多光子励起に伴う発光を選択的に前記分光手段に送ることを特徴とする
【0006】
また、上記の近接場分光装置で、前記光照射手段が波長可変であり、前記フィルタは該光源の波長を含む所定範囲の波長領域を除去する除去領域が可変なフィルタとすることも可能である。この前記フィルタが干渉フィルタであり、該干渉フィルタに入射する光の該干渉フィルタへの入射角度を変化させることにより除去する波長領域を変動させることも望ましい。また、異なる対応波長領域を持つ複数のフィルタを備え、測定に使用する光の波長に対応して、該フィルタを切り替えて使用することも好適である。
【0007】
前記光ファイバプローブとして、その中心部に導光路としての中空部を備えた光ファイバプローブを用いることも好適である。
プローブとなる光ファイバの導光路の直径より大きな直径の導光路を持つ光伝送手段となる光ファイバを備え、前記プローブの端面を前記光伝送手段のコア断面に接続し、光源からの光が前記光伝送手段を通して前記プローブへ入射させることも好適である。
【0008】
中心部が中空の光ファイバの作成方法は、光ファイバの端面に先鋭化されたコア先端部を形成する工程と、前記光ファイバプローブの周囲に金属膜または誘電体膜を被覆する工程と、前記先端部に開口を形成する工程と、コア部を選択的に除去するエッチング液に前記開口部を備えた光ファイバプローブを浸すことにより光ファイバプローブ中心部に中空部を形成する工程と、を含んでいる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明では試料の発光に際して、多光子励起に伴う発光に着目した。一般に、一光子励起に伴う発光の波長は、使用する測定光の波長と同程度であり、多光子励起に伴う波長は測定光の波長よりも短い波長となる。例えば測定光の波長をλとすると、二光子励起に伴う発光の波長は、λ/2前後のものとなる。しかし、一光子励起に対し、多光子励起が起こる確率は桁違いに小さい。そのため、光ファイバからのバックグラウンド発光や試料からの発光はその大部分が入射波長よりも長い波長をもった光となり、多光子励起による発光を測定するためには試料への照射領域で十分な大きさの光密度が必要となる。また、光密度が高ければ多光子励起に伴う発光の強度は、集光された他の光と比べて相対的に強くなる。
【0010】
光ファイバの先端部以外の部分で光密度が小さければ、光ファイバに含まれる不純物によるバックグラウンド発光は主に1光子励起による発光となり、バックグラウンド発光の波長は測定光の波長と同程度のものとなる。また、集光した光のうちの大部分が、試料やプローブ先端部からの単なる反射光もしくは弾性散乱された光であり、それらの光は測定光の波長と同じものとなる。このため、試料から集光した光をフィルタに通し、測定レーザ光の波長を含む波長領域の光を除去することで、バックグラウンド発光の影響を小さくでき、試料の性質に依存した発光部分を効率的に取り出せる。このため、プローブとして使用する光ファイバの特性によらずに、バックグラウンドを低減することができる。
【0011】
以下に図1を参照して本発明の1実施形態を説明する。
図1の近接場分光装置は、光照射手段としてパルスレーザを照射する光源10と、表面が金属または誘電体などで被覆され、先端部に微小な開口部を備えた光ファイバプローブ12と、試料による発光をスペクトルに分解するための分光器等から構成される分光手段14と、所定の波長領域を除去するフィルタ16と、を備える。CWレーザよりパルスレーザの方が絶対強度(光密度)を非常に強くすることができるため、ここでの光源10としてパルスレーザを用いている。
【0012】
光源10から照射されたレーザ光はハーフミラー18で反射され、レンズ20により集光され、光ファイバプローブの端面に入射する。光ファイバプローブに入射した光はその先端の開口部から近接場として漏れだし、この近接場光を試料22に照射する。試料内では近接場光による発光が起こり、この発光を再びプローブの先端部から集光する。この集光された光はプローブ12のもとの方向へと進み、ハーフミラー18を透過しフィルタ16へ入射する。フィルタ16に入射した光は、図2のように光源からのレーザ光の波長λを含む波長領域内の光を除去し、それ以外の波長域の光を透過する。もしくは、測定光の波長より長い波長領域をすべて除去してもよい。
【0013】
図3はプローブ12のコア先端部30の概念図である。開口部32以外の表面は金属または誘電体で形成された被覆部34を備える。また、開口部32の口径は光の波長以下の微小なものであり、この開口部32に光源からの光が集光されるので、多光子励起による発光が十分な強度で起こる程度に光密度が大きくなっている。しかし、プローブ12の先端部以外では光密度は小さく多光子励起による発光はほとんどない。そのため、フィルタにより測定に使用するレーザ光の波長と同程度の波長を持つ光を除去することにより、光ファイバからのバックグラウンド発光や単なる反射光による測定への影響を低減し、被測定物である試料に特有の発光をより正確に測定することが可能となる。
【0014】
図4は図1の実施形態において、光源110を波長可変なレーザ光源とし、測定に使用する波長に応じて波長フィルタ116の除去領域が可変となるようにしたものである。波長可変なパルスレーザ光源については、例えば非特許文献3、4等に記載された波長可変超短パルスファイバレーザー等を用いればよい。図1と対応する構成要素には符号100を加え、説明を省く。図4の実施形態ではフィルタ116として干渉フィルタを使用している。この干渉フィルタ116の傾きを光軸に対し傾けることで、図5のように波長の除去領域を変更させる。
【0015】
さらに、異なる対応波長領域を持つ複数のフィルタを備えすることも好適である。使用測定に使用する光の波長に応じた除去領域を持つフィルタに切り替えて測定を行うことで、より広い励起波長での測定を確保できる。
また広い幅の除去領域をもつフィルタをもちいることによってバックグラウンド発光を除去することも可能である。この場合、光源の波長の変更領域をフィルタの除去領域内に制限することにより、単なる反射光や弾性散乱された光などを除去することができる。
【0016】
図6のようなコア部が中空のプローブを用いることも好適である。このプローブは、クラッド部40と、金属または誘電体により形成された被覆部34と、中心部に導光路としての中空部42と、開口部32と、を備えている。導光路であるコア部を除去したプローブを用いることにより、導光路で発生するバックグラウンド光がなくなる。
【0017】
図7はコア部が除去され導光部としての中空部を持つプローブの作成過程を示した図である。この製造方法は、化学エッチング等により光ファイバの先鋭化された先端部を形成する工程と、先端部が形成された光ファイバの表面に金属や誘電体などをスパッタリング法などで被覆処理する工程と、押し付け法などで先端部の被覆を延ばし開口を形成する工程と、化学エッチング法でコア部を除去する工程と、を含んでいる。
【0018】
先端部を加工する工程、被覆工程、開口工程は通常の手順に従い行われる。ここでは、クラッドがSiO2から成り、コアがSiO2にGeO2をドープされた光ファイバを使用している。まず、フッ酸緩衝溶液をクラッド部の溶解速度がコア部の溶解速度より速くなるような組成比に調節し、そのエッチング溶液に光ファイバの端面を浸す。その結果、クラッド部が選択的に除去され、コア部が突出し先鋭化した先端部が形成される。また、さらにフッ酸緩衝溶液の組成比を変更してコア部とクラッド部との相対的な溶解速度を調節し、そのエッチング溶液に再び光ファイバを浸漬することにより先端部の形状をコントロールすることができる。例えば、最初のエッチング液よりもクラッド部に対するコア部の溶解速度が遅いエッチング液を用意し、それに光ファイバを浸漬することにより、コア部の先端部が2段目の角度が1段目の角度より小さな2段テーパ型の先端部が形成される。
【0019】
上記のように先端部を形成した光ファイバの表面に金属や誘電体の被覆部を形成する。このように被覆された光ファイバの先端部に微小な開口を作成する。開口の作成方法としては、例えば先端部を平坦な板に押し付け被覆部を延ばすことにより開口部を形成する押し付け法などを用いればよい。また、被膜を形成する工程で、斜め蒸着法などにより同時に開口部を形成させてもよい。
【0020】
図7(a)は以上のように形成された光ファイバプローブである。光ファイバの表面に被覆部34を備え、その端面においてクラッド部より突出した先鋭化したコア部48が先端部を形成し、コア先端部に微小な開口部32が設けられている。 次にコア部を除去する工程に移る。コア部48の溶解速度がクラッド部40の溶解速度より速くなるように組成比を調節したフッ酸緩衝溶液のエッチング液に上記に光ファイバを浸漬する。すると、図7(b)に示すように、開口部からエッチング液が浸透し、光ファイバのコア部48が選択的に除去されていく。そして、最終的に図7(c)のような先端部が金属または誘電体の膜から形成され、中心に中空部42を備えたプローブが形成される。
【0021】
中心部分が中空のプローブを作成にあたり、光ファイバとして初めから中心部に細い穴を備えているものを使用することが望ましい。この穴のため、コア部の除去工程において、エッチング液が光ファイバの中心部に浸透しやすくなり、より長い光ファイバにも上記の作成方法を適用できる。また、上記の穴を備えた光ファイバは、中空のガラス管を熱して引き伸ばすことなどにより形成されるが、そのままでは内面の面精度が悪く、導光路としての光透過率が低い。そのため、この場合もエッチングによりコア部を除去することが必要となる。以上のように、化学エッチング法により光ファイバの中心部に中空部を形成しているため、内面の面精度のよいものが形成できる。
【0022】
光源からの光をプローブへと導く光伝送部とプローブの接続には、光ファイバに直接カップルする方法と、プローブと同じ仕様の光ファイバを接続する方法がある。前者では、プローブの交換ごとに光カップルを繰り返す必要があり交換に時間がかかっていた。後者では、光ファイバのコアの芯ずれにより光ロスが大きく透過効率の低下を招いていた。
【0023】
そこで、本発明では図8のように光伝送部50として、プローブ12のコア部48の直径よりも大きな直径のコア部54を持つ光ファイバを使用した。ここで、52は光伝送部50のクラッド部、40はプローブ12のクラッド部である。光伝送部である光ファイバ50の端面に表出したコア部54にプローブとなる光ファイバ12の端面のコア部48が重なるように密着させる。光伝送部50のコア54の直径は十分に大きいため、プローブと光伝送部とに同じ径をもつ光ファイバを使用した場合と異なり、コアの芯ずれが起こりにくく、プローブで集光した光のロスが少なくなる。また、光伝送部のコア径が大きいため光源からの光を光伝送部に集光させることが容易になる。
【0024】
光源から光伝送部50を通り、プローブ12へ導かれる光の一部はプローブ12のコア48へと導かれずロスとなるものもある。しかし、光源からの光の強度は十分に強く、試料の発光による微小な光をロスするのに比べると大きな問題とはならない。
【0025】
【実施例】
図9は本発明の好適な一実施例の概念図である。図1と同様のものは符号200をつけて詳しい説明を省略する。図9の近接場分光装置224の各機器はコンピュータ226と接続され、各種の設定が行われる。例えば、スペクトル測定、トポグラフマッピング測定、スペクトルマッピング測定の設定と開始、ハードウェアの設定条件、分光器の中心波長、電子冷却CCD検出器の設定温度、プローブと試料のフィードバックの開始と終了、プローブと試料との粗動接近、プローブの共振周波数の測定、共振周波数でのプローブの加振の開始と終了、等をコンピュータ226の表示画面にあるウインドウ上のアイコン又はメニューから選択し設定を行うことができる。
【0026】
フィルタ手段216は、除去可能な波長域がそれぞれ異なる複数のフィルタ2161〜216nを含んでいる。測定に使用する光の波長に応じてそれらのフィルタを切り替えて使用することができる。
光照射手段210は特性の異なる複数の励起用光源2101〜210nを備え、電動の光学素子を操作することにより、測定に使用する励起用光源を選択することができる。また、分離フィルタ228は、波長または偏光依存のフィルタであり、この分離フィルタ228を用いることにより、使用する励起光の切り替えを行ったり、複数の光源を同時に使用することが可能となる。
【0027】
回転型フィルタ230は、その回転角によりフィルタ濃度が変化し、回転角に応じて光源からの光の強度を5段階以上に変化させることができる。この回転型フィルタ230を複数用いて光源からの光の強度をより細かく変更させることも好適である。また、プローブ212へのレーザー光の集光は、光伝送手段である光ファイバ250を通して行われている。
補正用光源232は分光手段214の波長補正用の標準光源であり、Neランプなどが使用される。波長補正時には図のように反射板234が光路に挿入され補正用光源の光が分光手段214へと送られる。
【0028】
プローブ212から近接場を試料に照射し、試料を透過した光を集光するイルミネーションモードでの測定のために、試料ステージ222の下部に光ファイバ248が備えられている。このイルミネーションモードでの光ファイバ248の光信号は電動の光学素子を操作することで分光手段214に送られる。また、光ファイバ248の集光面と試料との間に集光レンズを設置することが望ましい。
【0029】
試料ステージ222と光ファイバ248との取り付け時に光ファイバがよじれて切れてしまわないよう注意する必要がある。そこで、図10のような器具を使用することが望ましい。試料台側取り付け器具78を試料ステージの下部に取り付ける。光ファイバ248はファイバ側取り付け器具76に固定されているが、試料台側取り付け器具78とファイバ側取り付け器具76は互いに回転することができるので、試料側取り付け器具78が試料ステージに取り付ける際に回転しても光ファイバ248はねじれてしまうことがない。
【0030】
全反射条件で試料の下側から光を照射し、試料表面に発生した近接場をプローブで集光するコレクションモードの測定のため、XYZステージ236上に直角プリズム、ダブプリズムなどのプリズムが設置できる。これらのプリズムは試料ステージ面222に対して水平に360度の回転が可能なようになっている。
【0031】
また、試料ステージ222はXYZステージ236に取り付けられており、このXYZステージ236はステージコントローラ238に接続され、試料面と水平なXY方向への移動や垂直なZ軸方向への移動を行うことができる。試料の移動は、比較的大きな移動を行うためのステッピングモータ等による粗動移動や、精密な移動を必要とする微動移動を適切に切り換えることで行われる。図13はコンピュータ226の画面に表示されるダイアログである。図13に示されたダイアログ上で、XYZステージ236の一回の駆動量を設定し、矢印のボタン(図の▲印等の部分)をクリックすることによってその方向へXYZステージ236の移動を行う。
【0032】
プローブ212と試料222間の距離制御としてシアフォース制御が用いられる。これは、プローブを共振周波数で振動させ、プローブ先端から照射される近接場と試料との相互作用の結果生じる周波数の変化を観測することにより行うものである。プローブ212は加振手段240によりその共振周波数で加振される。 プローブ制御手段242はプローブ212の先端に光を照射し、反射される光の変動をフィードバック信号としてステージコントローラ238に送り、その情報をもとに試料とプローブ212との間の距離制御を行う。
【0033】
使用するプローブの共振周波数の測定は以下のように行う。コンピュータ226の画面上にダイアログが表示され、周波数の測定範囲、測定点の測定間隔、各測定点での加振周波数の変更を行ってから測定するまでの待ち時間、測定データの積算回数等を設定する。設定された測定範囲の最小値から最大値まで、加振手段240が加振周波数を、設定された測定間隔で自動的に変化させる。プローブ制御手段242による各測定点でのフィードバック信号から、上記の測定範囲の周波数スペクトルが測定される。この周波数スペクトルからその最大点を読み取り、最大点の周波数をプローブの共振周波数としてコンピュータ226の記憶部に登録することができる。以上のようにして共振周波数を測定した後、共振周波数の設定が行われる。また、プローブを共振周波数にて加振した状態で、コンピュータ画面上の矢印ボタン等をクリックすることで、あらかじめ設定しておいたステップで加振周波数を変化させることも可能である。これにより、共振周波数の微調整を行うことができる。
【0034】
また、プローブ212と試料ステージ222の微動接近はピエゾ素子に電圧を印加することにより行われる。この印加した電圧とステージの実際の駆動量との関係を算出する関係式をあらかじめコンピュータ226の記憶部に記憶しておき、データを表示するときのスケールを電圧から実際の距離に、また逆に実際の距離から電圧に自動変換することが好適である。
プローブ212と試料ステージ222の接近時には、上で述べたようにプローブ制御手段242によりプローブの共振周波数の変化を検知することで、フィードバックをかける。このフィードバックに関連した設定は、以下のように行う。
【0035】
まず、初期値として、プローブと試料が離れた状態でのフィードバック信号の大きさを設定する。また、目標値の項目では、プローブを試料に近づける際に、目標とするフィードバック信号の大きさを設定する。この目標値は、通常プローブと試料が十分離れた時の信号強度の10%程度とすればよい。また、フィードバック信号を目標値へと一気に近づけずに、断続的に近づける際の信号間隔の設定や、各移動間の待ち時間の設定などもできる。このような設定を行った後、XYZステージ236の粗動接近機構と微動接近機構を使用してプローブを試料にフィードバックがかかるまで、自動的に近づける。さらに、フィードバック信号の積算回数、ステージの移動間隔、プローブと試料を近づけてからフィードバック信号を取りこむまでの待ち時間、XYZステージ236の微動機構を用いてプローブと試料を離してから、該ステージの粗動機構を駆動するまでの待ち時間、プローブと試料を近づける際の粗動機構と微動機構を切り換える際の待ち時間、等の設定も行うことができる。
【0036】
CCD検出器244は分光手段214に接続されており、設定露光時間と経過露光時間、設定積算時間と経過積算回数がコンピュータの画面のウインドウ上に表示される。
近接場分光装置224は、外部の機器と同期する2チャンネル以上の外部入出力トリガ機能を持ち、その同期設定をソフトウエアにより行うことができる。また、外部の顕微鏡などの機器から送られる光信号を、マルチモードファイバなどを通し、電動の光学素子を操作することで分光手段に導入することも可能である。
【0037】
上記のような測定に使用される光学系(光源210、試料部246、分光手段214、CCD検出器244等)の設定は、コンピュータの画面上に図14に示すような模式図として表示され、表示されたアイコンをクリックすることにより視覚的に切り替えを行う。例えば、使用する光源の波長や強度の設定、波長補正用標準光源からの光の分光器への導入、ビームスプリッタの切換、光源の強度を調節するNDフィルタ等の切換、分光器の前に挿入するフィルタの設定、光源の前の設けられたシャッターの開閉、プローブの端面へ光源からの光をカップリングするためのファイバ端面観察モニタの起動、等を行うことができる。また、実装されていない機器の場合はダミーとして選択できる。これらの機器の電源電圧状態を確認し、機器が正常に動作するか否かの結果も表示させることもできる。さらに近接場分光装置内の機器はソフトウエアを立ち上げたままで、装置をソフトウエア的に初期化または再起動することができる。
【0038】
また、上記の光学系の設定や、光路の設定、光源の強度や波長などの測定条件などは使用者が設定したファイル、または予め用意されたパターンファイルとしてコンピュータ226に記憶しておくことができ、そのファイルの情報によって上記の設定を行うことも可能である。
次にプローブを試料面上で移動させ、測定を行うマッピング測定について説明する。マッピング測定のX、Y方向の範囲や測定点の数は使用者が設定入力することができる。また、測定条件は予め複数個設定でき、その後自動的に複数の測定を連続して、またはあらかじめ指定した時間スケジュールに基き測定を行うことが可能である。
【0039】
また、図15に示したようなダイアログ上で、あらかじめ用意したビットマップ画像を用い、近接場が露光される試料の点の位置設定、露光時間設定等を行うことができる。つまり、ビットマップ画像(図15の枠90の部分に表示される)を読み込み、その画像ファイルの各点の色、彩度または輝度に従い試料の各点に照射する光の強度や露光時間を設定する。例えば、白色を最大の露光時間、黒色を最小の露光時間とし、その中間色は階調に比例した露光時間で、画像の点と対応した試料上の点に光を照射する。
【0040】
以上のようにして測定されたマッピング測定、スペクトルマッピング測定等のデータは、コンピュータ226の記憶部に記憶される。それらの測定データは、画像情報として、コンピュータの画面上にスペクトルマッピング結果のピーク強度、ピーク位置、ピーク半値幅等を表示する2次元図(図16参照)又は3次元図(図17参照)として表示され、また様々な画像処理がおこなわれる。図16、17に示すように上記の2次元図や3次元図においては、スペクトルの強度(スペクトルマッピング測定)や、試料の凹凸の高さ(トポグラフマッピング測定)等によって色分けがなされている。
【0041】
画像処理としては、通常良く知られているものが可能である。例えば、輪郭のぼかし、輪郭の強調、エンボスフィルタにかけ立体感をだすこと、モザイクフィルタによって画像の分解能を落とすこと、画像のノイズの除去、画像の回転及び反転、画像の拡大縮小、色数や彩度の変更、RGBの強度の変更、使用者が独自に定義したフィルタによる画像処理、等がある。
このような2次元図または3次元図のデータを表示する際のコンピュータ処理としては、XY上の1点を指定し、その点をその周囲の点の平均値でおきかえること、X軸に平行またはY軸に平行な1列の点列を指定し、それぞれの点をその上下または左右の点列の平均値で置き換えること、Z軸の値にある閾値を設け、閾値を超えた点をすべて、その点の周囲にある点の平均値をとり、その値で置き換えること、等がある。
【0042】
上記の画像計測用の二次元図で、そのウインドウ内部または外部に、ウインドウに連動して画像計測用のアイコンや一覧を表示し、選択された画像計測を実行してその計算結果を単独またはタグによる切り替えによって表示することができる。
【0043】
図18の左図のようなスペクトルの強度、試料の凹凸の高さ等によって色分けされた画像計測用の2次元図で線分を指定し、その線分に沿った断面を解析し、表示することができる。つまり、画面に表示された2次元図上で線分の端点をアイコンにより指定する(図18の左図の×印)。すると、その線分に沿った断面図が図18の右図のように表示される。この断面位置を指定する線分の設定や、その線分の長さの変更、その線分の中心を中心とした回転による変更、線分の角度を変えずに平行移動すること、線分の中心を中心とした長さの変更、などはアイコンをドラッグすることにより行うことができる。
【0044】
また、複数の2次元図、3次元図を表示しているビューをドラッグ&ドロップすることにより、一つの図として、スケールを自動的にあわせて合成することもできる。ここで、合成元のないデータ領域は、合成元のデータの最小値で埋めた合成を行う。
【0045】
<プローブ用ホルダ>
図11はプローブ12を固定するためのホルダ60である。円筒状のホルダ60の中心に穴が形成されており、この穴にプローブ12を通して接着、圧入、かしめ止めなどで固定する。また、ホルダ60の下部(プローブ先端部側)は円錐状体となっている。ホルダ60の上部は装置に固定するための同心円状の耳を備えている。また、プローブ12が柔軟性のある樹脂、接着剤、シリコンボンド等の固定剤62で固定されていることが望ましい。このことによりプローブが折れることを防ぐことができる。
【0046】
また、二つのホルダを用い、大きい方のホルダの穴に小さい方のホルダを接着、圧入、かしめ止めなどで、内側のホルダ上部の面が外側のホルダの面よりも引っ込むように固定する。このとき、小さい方ホルダの穴はプローブ12の径とほぼ同じものが望ましい。このように、ホルダ60の形状が円対称であるため、温度や歪みによるプローブの鉛直歪みをなくし、プローブの加振を水平方向に等方的にできるようになる。
【0047】
<ファイバ固定コイル>
図は装置内で光ファイバを配線するときに、光ファイバ74を固定する固定用コイル72である。装置本体70に固定用コイル72を備えつけ、そのコイル状の固定用コイル72に光ファイバ74を通すことにより光ファイバの経路を固定する。
【0048】
【発明の効果】
本発明の近接場分光装置によれば、使用する光ファイバプローブの特性によらず、測定時に発生するバックグラウンド光の影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の近接場分光装置の概念図
【図2】フィルタの波長除去領域を示したグラフ
【図3】光ファイバプローブの先端部の概念図
【図4】波長可変の場合における本発明の近接場分光装置の概念図
【図5】波長可変のフィルタの波長除去領域を示したグラフ
【図6】中空部を備えた光ファイバプローブ
【図7】中空部を備えた光ファイバプローブの製造方法
【図8】プローブと光伝送手段との接続を表した図
【図9】本発明の1実施例の概念図
【図10】光ファイバの取り付け器具
【図11】プローブ用ホルダ
【図12】光ファイバ固定具
【図13】コンピュータの表示画面の一例
【図14】コンピュータの表示画面の一例
【図15】コンピュータの表示画面の一例
【図16】コンピュータの表示画面の一例
【図17】コンピュータの表示画面の一例
【図18】コンピュータの表示画面の一例
【符号の説明】
10…光照射手段
12…光ファイバプローブ
14…分光手段
16…フィルタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to near-field spectroscopy devices, and more particularly, to reducing the background light.
[0002]
[Prior art]
In near-field spectroscopy, the surface of an optical fiber whose tip is sharpened is coated with metal or the like, and a fine aperture is formed at the tip in order to irradiate the sample with the near field and condense the emission of the sample by the near field. A probe provided with a section is used. The diameter of the opening is smaller than the wavelength of the light used, and the near field to be irradiated is localized near the opening. For this reason, the near-field spectrometer can measure a minute area exceeding a diffraction limit due to light used (for example, see Non-Patent
[0003]
[Non-patent document 1]
Satoshi Kawata, Yasushi Inoue “Near-Field and Nonlinear Nanophotonics” “Applied Physics” 2002 Vol. 71, No. 6, p. 653-663
[Non-patent document 2]
Toshihara Saiki, Yoshihito Narita “JSAP International” January 5, 2002, p. 22-29
[Non-Patent Document 3]
Norihiko Nishizawa, Toshio Goto "Generation of ultra-short pulse light with wide wavelength tunable wavelength using nonlinear effect in optical fiber""AppliedPhysics" 2001 Vol. 70, No. 11, p. 1313 to 1316
[Non-patent document 4]
Norihiko Nishizawa, Toshio Goto “Tunable ultrashort pulse fiber laser” “Laser Research” 2001 Vol. 29, No. 2, p. 84-89
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that light emission due to impurities contained in the optical fiber becomes a background, and overlaps with light emission from the sample, making accurate measurement difficult. For this reason, conventionally, countermeasures such as using an optical fiber with low light emission and selecting a laser wavelength with low light emission have been taken. However, there are problems that an optical fiber having a low light transmittance must be used and that an excitation wavelength required from a sample to be measured cannot be used. Further, among the condensed light, the light emission depending on the characteristics of the sample is extremely fine, and is buried in reflected light or elastically scattered light, making measurement difficult.
An object of the present invention is to improve the near-field spectrometer to reduce the influence of the background as described above.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a near-field spectrometer according to the present invention includes a light irradiation unit that irradiates a laser beam having a predetermined wavelength, and an optical fiber whose surface is covered with a metal or a dielectric and has a minute opening at a tip end. The apparatus includes a probe, spectroscopic means for dispersing light emitted by the sample, and a filter for removing a wavelength region including the wavelength of the laser light. The laser beam is applied to the sample from the opening of the optical fiber probe as a near-field, the light emitted from the sample due to the near-field is collected, sent to the spectroscopic means, and the spectrum is measured. Here, the light density is increased near the opening of the optical fiber probe, and the light emitted from the sample condensed by the optical fiber probe is transmitted through the filter to selectively emit light accompanying the multiphoton excitation. Characterized by sending to means
[0006]
In the above-described near-field spectrometer, the light irradiation means may be variable in wavelength, and the filter may be a filter in which a removal region for removing a predetermined wavelength region including the wavelength of the light source is variable. . It is also preferable that the filter is an interference filter, and that the wavelength region to be removed is changed by changing the angle of incidence of light incident on the interference filter. It is also preferable to provide a plurality of filters having different corresponding wavelength ranges, and to switch between the filters according to the wavelength of light used for measurement.
[0007]
As the optical fiber probe, it is also preferable to use an optical fiber probe having a hollow portion as a light guide path at the center thereof.
An optical fiber serving as a light transmission unit having a light guide path having a diameter larger than the diameter of the light guide path of the optical fiber serving as a probe is provided.The end face of the probe is connected to a core cross section of the light transmission unit, and light from a light source is emitted from the light source. It is also preferable to make the light enter the probe through an optical transmission means.
[0008]
A method of forming an optical fiber having a hollow center portion is a step of forming a sharpened core tip on an end surface of the optical fiber, and a step of coating a metal film or a dielectric film around the optical fiber probe; Forming an opening in the tip portion, and forming a hollow portion in the center of the optical fiber probe by immersing the optical fiber probe having the opening in an etchant for selectively removing the core portion. In.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, attention was paid to light emission accompanying multiphoton excitation in light emission of a sample. In general, the wavelength of light emitted by one-photon excitation is substantially equal to the wavelength of measurement light to be used, and the wavelength of multi-photon excitation is shorter than the wavelength of measurement light. For example, assuming that the wavelength of the measurement light is λ, the wavelength of the light emission due to the two-photon excitation is about λ / 2. However, the probability of occurrence of multiphoton excitation with respect to one-photon excitation is extremely small. For this reason, most of the background light emission from the optical fiber and light emission from the sample become light having a wavelength longer than the incident wavelength, and the irradiation area on the sample is sufficient to measure the light emission due to multiphoton excitation. A large light density is required. In addition, when the light density is high, the intensity of light emission due to multiphoton excitation becomes relatively strong as compared with other collected light.
[0010]
If the light density is low at the part other than the tip of the optical fiber, the background emission due to impurities contained in the optical fiber is mainly one-photon excitation, and the wavelength of the background emission is about the same as the wavelength of the measurement light. It becomes. Most of the collected light is simply reflected light or elastically scattered light from the sample or the tip of the probe, and these lights have the same wavelength as the measurement light. For this reason, by passing the light condensed from the sample through a filter and removing the light in the wavelength region including the wavelength of the measurement laser light, the influence of background light emission can be reduced, and the light emitting portion depending on the properties of the sample can be efficiently used. Can be taken out. Therefore, the background can be reduced regardless of the characteristics of the optical fiber used as the probe.
[0011]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
The near-field spectrometer shown in FIG. 1 includes a
[0012]
The laser light emitted from the
[0013]
FIG. 3 is a conceptual diagram of the
[0014]
FIG. 4 shows an embodiment in which the
[0015]
Further, it is preferable to provide a plurality of filters having different corresponding wavelength regions. By switching to a filter having a removal region corresponding to the wavelength of light used for use measurement and performing measurement, measurement at a wider excitation wavelength can be ensured.
It is also possible to remove background light emission by using a filter having a wide removal region. In this case, by limiting the wavelength change region of the light source to the removal region of the filter, it is possible to remove mere reflected light, elastically scattered light, and the like.
[0016]
It is also preferable to use a probe having a hollow core as shown in FIG. This probe includes a
[0017]
FIG. 7 is a view showing a process of producing a probe having a hollow portion as a light guide portion from which a core portion is removed. This manufacturing method includes a step of forming a sharpened tip of the optical fiber by chemical etching or the like, and a step of coating a surface of the optical fiber on which the tip is formed with a metal or a dielectric by sputtering or the like. A step of extending the coating of the tip part by a pressing method or the like to form an opening, and a step of removing the core part by a chemical etching method.
[0018]
The step of processing the tip, the covering step, and the opening step are performed according to ordinary procedures. Here, the cladding is SiO 2 And the core is SiO 2 GeO 2 Is used. First, a hydrofluoric acid buffer solution is adjusted to a composition ratio such that the dissolution rate of the clad portion is faster than the dissolution rate of the core portion, and the end face of the optical fiber is immersed in the etching solution. As a result, the clad portion is selectively removed, and a sharpened tip portion is formed in which the core portion protrudes. In addition, the composition ratio of the hydrofluoric acid buffer solution is changed to adjust the relative dissolution rate between the core and the clad, and the shape of the tip is controlled by immersing the optical fiber again in the etching solution. Can be. For example, by preparing an etching solution in which the dissolution rate of the core portion in the clad portion is lower than that of the first etching solution, and immersing the optical fiber in the etching solution, the tip of the core portion becomes the second stage angle. A smaller two-step tapered tip is formed.
[0019]
A metal or dielectric coating is formed on the surface of the optical fiber having the tip portion formed as described above. A minute opening is formed at the tip of the optical fiber coated in this manner. As a method for forming the opening, for example, a pressing method in which the tip is pressed against a flat plate to extend the covering portion to form the opening may be used. In the step of forming the coating, the opening may be formed at the same time by an oblique evaporation method or the like.
[0020]
FIG. 7A shows an optical fiber probe formed as described above. An optical fiber is provided with a
[0021]
In preparing a probe having a hollow central portion, it is desirable to use an optical fiber having a narrow hole at the center from the beginning. Because of this hole, the etching solution easily penetrates into the center of the optical fiber in the step of removing the core portion, and the above-described manufacturing method can be applied to a longer optical fiber. The optical fiber having the above-mentioned hole is formed by heating a hollow glass tube and stretching it. However, as it is, the surface accuracy of the inner surface is poor and the light transmittance as a light guide path is low. Therefore, also in this case, it is necessary to remove the core portion by etching. As described above, the hollow portion is formed at the center of the optical fiber by the chemical etching method, so that the inner surface can be formed with good surface accuracy.
[0022]
The connection between the probe and the optical transmission unit that guides light from the light source to the probe includes a method of directly coupling to the optical fiber and a method of connecting an optical fiber having the same specifications as the probe. In the former case, it was necessary to repeat the optical coupling every time the probe was replaced, which took a long time. In the latter case, the optical loss is large due to the misalignment of the core of the optical fiber, and the transmission efficiency is lowered.
[0023]
Therefore, in the present invention, an optical fiber having a
[0024]
Some of the light guided from the light source through the
[0025]
【Example】
FIG. 9 is a conceptual diagram of a preferred embodiment of the present invention. 1 are denoted by reference numeral 200, and detailed description is omitted. Each device of the near-
[0026]
The
The light irradiation means 210 includes a plurality of excitation
[0027]
The filter density of the
The correction
[0028]
An
[0029]
Care must be taken to prevent the optical fiber from being twisted and cut when the
[0030]
A prism such as a right-angle prism or a Dove prism can be placed on the
[0031]
The
[0032]
Shear force control is used as distance control between the
[0033]
The resonance frequency of the probe to be used is measured as follows. A dialog is displayed on the screen of the
[0034]
Further, the fine movement of the
When the
[0035]
First, the magnitude of the feedback signal when the probe and the sample are separated is set as an initial value. In the target value item, the magnitude of the target feedback signal is set when the probe is brought closer to the sample. This target value may be about 10% of the signal strength when the probe and the sample are sufficiently separated. In addition, it is possible to set a signal interval when the feedback signal is intermittently approached without approaching the target value all at once, or to set a waiting time between each movement. After such setting, the probe is automatically brought close to the sample using the coarse movement mechanism and the fine movement mechanism of the
[0036]
The
The near-
[0037]
The settings of the optical system (the
[0038]
Further, the settings of the optical system, the setting of the optical path, and the measurement conditions such as the intensity and wavelength of the light source can be stored in the
Next, mapping measurement in which a probe is moved on a sample surface to perform measurement will be described. The user can set and input the range of the mapping measurement in the X and Y directions and the number of measurement points. In addition, a plurality of measurement conditions can be set in advance, and thereafter, it is possible to automatically perform a plurality of measurements continuously or to perform the measurement based on a time schedule specified in advance.
[0039]
Further, on a dialog as shown in FIG. 15, it is possible to use a bitmap image prepared in advance to set a position of a sample point to be exposed to a near field, an exposure time, and the like. That is, a bitmap image (displayed in a
[0040]
Data such as the mapping measurement and the spectrum mapping measurement measured as described above are stored in the storage unit of the
[0041]
As the image processing, generally well-known processing is possible. For example, contour blurring, contour emphasis, emboss filtering to create a three-dimensional effect, mosaic filter to reduce image resolution, image noise removal, image rotation and inversion, image scaling, color number and color There is a change in degree, a change in RGB intensity, image processing using a filter uniquely defined by the user, and the like.
As a computer process for displaying such two-dimensional or three-dimensional diagram data, one point on XY is designated, and that point is replaced with the average value of the surrounding points. Specify one point sequence parallel to the Y axis, replace each point with the average value of the upper and lower or left and right point sequences, set a threshold value on the Z axis value, and mark all points that exceed the threshold value, There is a method of taking an average value of points around the point and replacing it with the average value.
[0042]
In the above two-dimensional diagram for image measurement, icons or lists for image measurement are displayed inside or outside the window in conjunction with the window, execute the selected image measurement, and calculate the result alone or as a tag. It can be displayed by switching by.
[0043]
A line segment is specified in a two-dimensional diagram for image measurement, which is color-coded according to the intensity of the spectrum, the height of the unevenness of the sample, and the like as in the left diagram of FIG. 18, and a cross section along the line segment is analyzed and displayed. be able to. That is, the end point of the line segment is designated by an icon on the two-dimensional diagram displayed on the screen (the mark x in the left diagram of FIG. 18). Then, a cross-sectional view along the line is displayed as shown in the right diagram of FIG. Set a line segment that specifies the cross-section position, change the length of the line segment, change it by rotation around the center of the line segment, translate the line segment without changing its angle, Changing the length around the center can be performed by dragging the icon.
[0044]
Also, by dragging and dropping a view displaying a plurality of two-dimensional views and three-dimensional views, it is possible to automatically combine the scales as a single view. Here, the data area without the synthesis source is synthesized by filling it with the minimum value of the data of the synthesis source.
[0045]
<Probe holder>
FIG. 11 shows a
[0046]
Further, using two holders, the smaller holder is fixed to the hole of the larger holder by bonding, press-fitting, crimping, or the like so that the upper surface of the inner holder is retracted from the surface of the outer holder. At this time, the hole of the smaller holder is desirably substantially the same as the diameter of the
[0047]
<Fibre fixed coil>
The figure shows a fixing
[0048]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the near-field spectroscopy apparatus of this invention, the influence of the background light which arises at the time of a measurement can be reduced regardless of the characteristic of the optical fiber probe used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a near-field spectrometer of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a wavelength removal region of a filter.
FIG. 3 is a conceptual diagram of a tip portion of an optical fiber probe.
FIG. 4 is a conceptual diagram of the near-field spectrometer of the present invention in a case where the wavelength is variable.
FIG. 5 is a graph showing a wavelength rejection region of a tunable filter.
FIG. 6 is an optical fiber probe having a hollow portion.
FIG. 7 is a method for manufacturing an optical fiber probe having a hollow portion.
FIG. 8 is a diagram showing a connection between a probe and an optical transmission unit.
FIG. 9 is a conceptual diagram of one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a mounting device for an optical fiber.
FIG. 11: Probe holder
FIG. 12 is an optical fiber fixing device.
FIG. 13 shows an example of a display screen of a computer.
FIG. 14 is an example of a display screen of a computer.
FIG. 15 shows an example of a display screen of a computer.
FIG. 16 shows an example of a display screen of a computer.
FIG. 17 shows an example of a display screen of a computer.
FIG. 18 shows an example of a display screen of a computer.
[Explanation of symbols]
10 ... Light irradiation means
12 ... Optical fiber probe
14 ... Spectroscopic means
16 ... Filter
Claims (7)
前記レーザ光の波長を含む波長領域を除去するフィルタを備え、
前記光ファイバプローブの開口部近傍で光密度を高くし、
試料からの発光を前記フィルタに透過させることにより多光子励起に伴う発光を選択的に前記分光手段に送ることを特徴とする近接場分光装置。Light irradiating means for irradiating laser light of a predetermined wavelength, an optical fiber probe whose surface is coated with a metal or a dielectric and having a minute opening at its tip, and spectral means for measuring the spectrum of light emitted by the sample, In the near-field spectroscope, the laser light is irradiated from the optical fiber probe opening to the sample as a near field, and the emission of the sample by the near field is collected and sent to the spectroscopic means.
A filter for removing a wavelength region including the wavelength of the laser light,
Increase the light density near the opening of the optical fiber probe,
A near-field spectroscopy apparatus characterized in that light emitted from a sample is transmitted through the filter to selectively transmit light accompanying the multiphoton excitation to the spectroscopic means.
プローブとなる光ファイバの導光路の直径より大きな直径の導光路を持つ光伝送手段となる光ファイバを備え、前記プローブの端面を前記光伝送手段のコア断面に接続し、光源からの光が前記光伝送手段を通して前記プローブへ入射することを特徴とする近接場分光装置。The near-field spectrometer according to claim 1,
An optical fiber serving as light transmission means having a light guide path having a diameter larger than the diameter of the light guide path of the optical fiber serving as a probe is provided.The end face of the probe is connected to a core cross section of the light transmission means, and light from a light source emits light. A near-field spectrometer, which is incident on the probe through an optical transmission unit.
コア部を選択的に除去するエッチング液に前記開口部を備えた光ファイバプローブを浸すことにより光ファイバプローブ中心部に中空部を形成する工程を含むことを特徴とする光ファイバプローブの作成方法。Forming a sharpened core tip on the end face of the optical fiber, coating a metal film or a dielectric film around the optical fiber probe, and forming an opening in the tip. In the method of making an optical fiber probe,
A method for producing an optical fiber probe, comprising a step of immersing an optical fiber probe having the opening in an etching solution for selectively removing a core to form a hollow portion in the center of the optical fiber probe.
Priority Applications (1)
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