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JP3962777B2 - Real-time spectrometer - Google Patents

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JP3962777B2
JP3962777B2 JP2001391087A JP2001391087A JP3962777B2 JP 3962777 B2 JP3962777 B2 JP 3962777B2 JP 2001391087 A JP2001391087 A JP 2001391087A JP 2001391087 A JP2001391087 A JP 2001391087A JP 3962777 B2 JP3962777 B2 JP 3962777B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光方法及び分光装置に関し、特に、微小時間における実時間変化のスペクトルを得る実時間イメージング分光方法及び実時間イメージング分光装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
多くの有機化学物質や生体系で行われる光重合,光分解,光合成等の光化学反応や、半導体中の光励起では光誘起現象が生じている。このような光化学反応の初期過程や、半導体中に光励起されたキャリアの緩和現象は、数十フェムト秒から数十ピコ秒の時間内で起きる超高速現象であり、これらの光誘起現象を実時間で捉えることは、各反応状態や物質の光誘起現象を明らかにする上で極めて重要である。
【0003】
物質の光誘起現象を解明するには、スペクトル(波長特性)と時間変化とを求める必要がある。この解析を行う手法として、従来ポンプ―プローブ過渡吸収分光法、4光波混合法、発光を時間解析する方法として和周波発生分光法などの種々のレーザー分光法が用いられている。
【0004】
これらの従来のレーザー分光法において、スペクトル(波長特性)測定では、光学遅延回路を構成するステージを固定することで時間を固定し、分光器によってスペクトルを測定し、時間変化測定では、測定波長を固定し、光学遅延回路を構成するステージを移動させることで時間を変化させて時間応答を測定しており、それぞれ個別に行っている。このように、従来のレーザー分光法は、時間あるいは測定波長の何れか一方を固定して測定を行うため、スペクトル(波長特性)測定と時間変化測定との両測定を同時に行うことができない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来のレーザー分光法は、スペクトル(波長特性)測定と時間変化測定との両測定を同時に行うことができないため、測定試料における時間分解した全吸収(あるいは反射)スペクトルを得るためには、各光遅延時間毎のスペクトル測定と測定波長毎の時間応答測定とを、それぞれ光遅延時間又は測定波長を変更しながら繰り返す必要がある。
【0006】
そのため、スペクトル測定と時間変化測定の一連の測定を行うには通常数時間から数日の長時間を要するという問題がある。また、このように長時間を要する測定では、長期間にわたってレーザーを安定して動作させる点や、長時間のレーザー照射によって試料が劣化する点においても問題がある。
【0007】
また、従来のように過渡現象を時間あるいは波長を変えながら繰り返しデータを蓄積する分光法によって測定するには、過去の反応状態の影響を排除するために反応生成物を常に取り去る必要があり、測定対象物は溶液のようにフローさせることが必要である。
【0008】
しかしながら、固体中の現象にはフォトクロミズムや光重合のように熱的に不可逆な現象が多くある。このような固体中の熱的に不可逆な現象では、励起光(ポンプ光)によって反応生成物が試料中に蓄積し、溶液のようにフローによって反応生成物を取り去ることができないため、固体中の現象の解析に従来の分光法を適用することができないという問題がある。
【0009】
例えば、固体状態のフォトクロミック化合物は光メモリー材料として期待されており、光メモリー・光スイッチングなどの光機能性材料の物性を評価したり、これら材料を設計する際の指針を確立することが求められている他、強励起に弱い生体系試料の動的過程の研究も求められているが、このような化合物の光構造変化の動的過程を解析することは現在困難である。そのため、このような要求に対して、瞬時に時間分解したスペクトルを測定することができる分光方法や分光装置が求められている。
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、分光測定において、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料に励起光を照射して反応生成物を生成させ、この反応生成物にプローブ光を照射し、試料から得られる透過光又は反射光を分光してスペクトル測定を行うものであり、波長軸と共に時間軸に展開して分光することで時間分解とスペクトル測定を同時に行う。
【0011】
本発明の実時間分光は、複数波長を含むプローブ光と励起光とを、プローブ光又は励起光あるいは両方が、少なくとも試料面上で光遅延時間を有するように重ねて試料に照射し、励起光によって反応し生成する反応生成物の情報をプローブ光の照射によって光情報の形態で読み出し、この光を光遅延時間の時間軸及び波長軸の二次元に分光し、光遅延時間の時間幅の実時間で分光することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行う。
【0012】
励起光とプローブ光の元となる光はフェムト秒レーザーパルスであり、このパルス光のパルス幅はフェムト秒の単位であり、この光を遅延することによってピコ秒単位の実時間の時間分解を行うことができる。励起光とプローブ光は一つのフェムト秒レーザーパルス光源から発せられたフェムト秒レーザーパルスを二分することで形成することができる。
【0013】
本発明の分光方法は、以下の態様によってスペクトル測定と共に時間分解を行うことができる。
第1の態様では、プローブ光及び励起光を試料面上に線状又は帯状に集光して照射する。プローブ光と励起光は、この線状又は帯状の集光面において互いに光路差が生じるように入射する。この入射において、プローブ光又は励起光の一方は集光面上に斜入射して、集光面上でその長さ方向に光路差があるよう入射し、他方は集光面上に垂直に入射して、集光面上でその長さ方向に光路差がないように入射する他、プローブ光及び励起光を共に集光面上に斜入射して、集光面上でその長さ方向に光路差があるよう入射することによって、集光面上で互いに長さ方向に光路差を生じさせることができる。
【0014】
この入射は、試料面上に光遅延時間に対応する時間差を形成する。プローブ光及び/又は励起光は、集光面の法線方向に対して所定角度を有して入射することによって光路差を形成することができる。これによって、線状又は帯状の集光面には、長さ方向に沿って照射後の光遅延時間に対する情報が含まれることになり、この線状光又は帯状光を分光して波長成分を測定することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことができる。
【0015】
第2の態様では、プローブ光と励起光とを試料面上に点状に集光して照射する。プローブ光は、照射前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段に通す。これによって、点状の集光面には、励起光照射後の光遅延時間に対する情報が含まれることになる。この点状光を光遅延時間の時間軸に展開し、展開した光を波長軸に分光して波長成分を測定することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことができる。第2の態様によれば、試料上の一点において測定することができるため、試料の不均一性によって照射光の照射位置が異なることによって生じる測定データの不均一性を防ぐことができる。
【0016】
第3の態様では、プローブ光と励起光とを試料面上に線状又は帯状に集光して照射すると共に、この線状又は帯状の集光面において集光面上に垂直に入射して、その長さ方向に光路差がないように入射する。プローブ光及び/又は励起光は、照射前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段に通す。これによって、線状又は帯状の集光面には、線又は帯の長さ方向に沿って照射後の光遅延時間に対する情報が含まれることになる。この線状光又は帯状光を分光して波長成分を測定することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことができる。
【0017】
本発明の実時間分光装置は、励起光と複数波長を含むプローブ光とを試料に重ねて照射する照射手段と、照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、分光手段による分光を二次元的に検出する検出手段とを備える構成とする。
【0018】
ここで、プローブ光及び/又は励起光は少なくとも試料面上において光遅延時間を有するよう構成し、分光手段はこの光遅延時間の情報を時間軸で分光し、光遅延時間の時間幅の実時間で分光することで、時間分解とスペクトル測定を同時に行う。
【0019】
本発明が備える照射手段は、フェムト秒の単位のパルス幅を有するフェムト秒レーザーパルスを発生する光源と、フェムト秒レーザーパルスから励起光を形成する波長変換素子と、フェムト秒レーザーパルスから複数波長を含む白色光のプローブ光を形成する自己位相変調素子と、励起光及びプローブ光を線状又は帯状に形成する光学系とを備える。
【0020】
本発明の実時間分光装置は、プローブ光及び/又は励起光に光遅延時間を持たせることによって、試料面上に光遅延時間の情報を形成し、時間分解とスペクトル測定を同時に行う。この光遅延時間の形成は照射手段によって行うことができ、本発明は複数の態様の照射手段とすることができる。
【0021】
照射手段の第1の態様は、プローブ光及び励起光を試料面上に線状又は帯状に集光する。プローブ光又は励起光の一方は、線状又は帯状の集光面において集光面上に斜入射し、集光面上でその長さ方向に光路差があるように入射し、他方は線状又は帯状の集光面において集光面上に垂直に入射し、集光面上でその長さ方向に光路差がないように入射する。あるいは、プローブ光と励起光の両方を、線状又は帯状の集光面において集光面上に斜入射し、集光面上でその長さ方向に光路差があるように入射する。この光の入射角度によって、試料面上に光遅延時間が形成される。
【0022】
照射手段の第2の態様は、プローブ光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、時間遅れ形成手段を通過したプローブ光を試料面上に点状に集光する光学系と、励起光を試料面上に点状に集光する光学系とを備える。これによって、試料面上に照射される点状のプローブ光は光遅延時間を有することになる。分光手段は試料からの点状の光を光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に展開する光学系を備え、光遅延時間の情報を含む光を光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に展開して分光する。
【0023】
照射手段の第3の態様は、プローブ光及び/又は励起光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、時間遅れ形成手段を通過した光を線状又は帯状に形成し照射面の長さ方向に垂直に照射する光学系と、他方の光を線状又は帯状に形成し照射面の長さ方向に垂直に照射する光学系とを備える。これによって、試料面上に照射される線状又は帯状のプローブ光及び/又は励起光は照射面の長さ方向に光遅延時間を有することになる。分光手段は試料から得られる透過光又は反射光を光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に展開する光学系を備え、光遅延時間の情報を含む光を光遅延時間の時間軸に線状に展開して分光する。
【0024】
また、本発明は、線又は帯方向に光遅延時間に対する情報を含んだ光を分光し、この分光を二次元検出器で検出する。二次元検出器の一方の軸方向のデータから時間応答に関する測定を行い、他方の軸方向のデータから波長に関するスペクトル測定を行う。時間応答とスペクトルの両データを、二次元検出器の二次元配列で同時に得ることによって、スペクトルと時間を同時分解した吸収(あるいは反射)スペクトルをイメージ情報として得ることができる。
また、励起光を光学遅延させてプローブ光との間に時間差を形成することによって、測定時間の調整を行うことができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。図1〜図5を用いて本発明の第1の態様を説明し、図6,図7を用いて本発明の第2の態様を説明し、図8,図9を用いて本発明の第3の態様を説明する。
【0026】
はじめに、第1の態様について説明する。図1〜図5は、第1の態様において、構成を説明するための概略図、透過光の分光を説明するための概略図、反射光の分光を説明するための概略図、時間応答及びスペクトルの測定データの概略例、及びプローブ光と測定光の関係を説明するための概略信号図である。
【0027】
なお、第1の態様では、光遅延時間を形成する構成として、励起光とプローブ光の何れか一方を試料に対して所定の入射角度を有して入射する構成、あるいは励起光とプローブ光の両方を試料に対して所定の入射角度を有して入射する構成とすることができる。
【0028】
以下では、プローブ光を試料に対して所定の入射角度を有して入射する構成について説明するが、励起光を試料に対して所定の入射角度を有して入射する構成、あるいはプローブ光と励起光を試料に対して所定の入射角度を有して入射する構成についても同様とすることができる。
【0029】
図1において、本発明の実時間分光装置1は、試料Sに励起光とプローブ光とを照射する照射手段2と、照射光によって試料Sから得られる透過光あるいは反射光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段3と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段4を備える。第1の態様では、試料Sに対して励起光とプローブ光とを線状に集光し、プローブ光の試料Sに対する入射角度によって、試料S上に同時に照射されるプローブ光に光遅延時間を形成し、この光遅延時間によって時間分解を行う。
【0030】
照射手段2は、パルス幅がフェムト秒単位のフェムト秒レーザーパルスを発生するレーザー光源2aを備える。このフェムト秒レーザーパルスはビームスプリッタ2bによって2分され、一方のフェムト秒レーザーパルスは励起光として試料Sに照射され、他方のフェムト秒レーザーパルスは複数波長を備えるフェムト秒白色光のプローブ光として試料Sに照射される。
【0031】
励起光は、レーザー光源2aから発せられたフェムト秒レーザーパルスを波長変換素子2fに通すことによって特定波長のパルス光とし、光学遅延ステージ2gによってプローブ光との間の時間差を調整した後、適当な大きさのビーム径(例えば、5mm径程度)にコリメートし、円筒形レンズ2h2によって線状に形成して試料S上に集光する。
なお、光学遅延ステージ2gは、プローブ光側に設ける構成とし、これによって、プローブ光と励起光との間の時間差を調整してもよい。
【0032】
一方、プローブ光は、レーザー光源2aから発せられたフェムト秒レーザーパルスを自己位相変調素子2dに通すことによって複数波長を備えるフェムト秒白色光とし、ミラー2c2等の光学系によって適当な大きさのビーム径(例えば、5mm径程度)にコリメートし、円筒形レンズ2h1によって線状に形成して試料S上に集光する。なお、プローブ光の光路上には、試料Sを挟んで偏光素子2e1及び2e2を配置する。なお、偏光素子2e1及び2e2は、チャープをカー効果で補正する際に使用し、この際には互いに偏光方向を90度ずらして配置する。一方、実際の測定時には、偏光方向は0度として平行の状態で使用する。
【0033】
また、図1において、2c1〜2c7は励起光及びプローブ光の光路を形成するためのミラーである。なお、自己位相変調素子2dとして、例えばサファイアや石英基板や水を用いることができる。
【0034】
円筒型レンズ2h1及び2h2は、ビーム状の光を線状に形成する光学系である。図10はこの円筒型レンズ2hの一例を示している。図示する円筒型レンズ2hは、断面が半円形の柱状レンズであり、光円筒型レンズ2hの長さ方向が出射される光の線方向となる。
【0035】
円筒型レンズ2h1及び2h2によって線状に形成されたプローブ光及び励起光は、試料S上に線状に集光される。この励起光で励起されプローブ光によって試料Sから取り出された測定光は、その後レンズ系により適当な大きさに整形された後、円筒形レンズによりスリット3a上に絞り、分光素子3bで分光され、検出器4で検出される。
【0036】
図2,図3は、試料S上の励起光とプローブ光の入射状態、及び、試料Sから得られる測定光の時間軸及び波長軸での検出状態を示し、図2は透過光を検出する構成例であり、図3は反射光を検出する構成例である。図2と図3は、透過光と反射光の点で相違しその他の構成は共通するため、以下では主に図2の透過光について説明する。
【0037】
図2において、励起光は、試料S上に光路差がつかないような角度で入射させ、他方、プローブ光は、試料S上で光路差がつくような角度で励起光と重なるように入射させる。図2中のプローブ光中に示す破線は、同じ光遅延時間の波面を表している。なお、図示する波面間の間隔は説明上から任意に定めたものであって、間隔自体に格別な意味を含むものではない。
【0038】
プローブ光は、図示するように試料Sの面に対して角度θを有して入射することによって、試料面上への到達時間は線状又は帯状に延びる集光位置によって順次ずれ、光路差が形成されることになる。例えば、図中の斜線部分を施した線状又は帯状の集光面Pにおいて、プローブ光はまず端部Aに到達し、遅れて他方の端部Bに到達し、両端の間に光路差が形成される。この光路差はΔtの光遅延時間の時間差に対応する。例えば、プローブ光の試料S上に線状の集光の長さを5〜6mm(例えば、5.2mm)とし、入射角度を30度とすると、端部Aと端部Bの両端部間の光路差は3mmとなり、時間差として約10ps(ピコ秒)の光遅延時間が形成される。なお、前記した入射角度θは30度に限られるものではなく、所定の集光面Pを形成するよう任意に設定することができ、プローブ光のビーム径と光遅延時間から通常20度〜30度が適当である。
【0039】
試料Sが比較的均一であり位置によって特性に相違が無い場合、あるいは無視できる程度である場合には、この励起光及びプローブ光の入射によって得られる線状の集光面Pの線方向の各位置の状態は、各応答時間に対応する状態を表している。したがって、線状の集光面Pの線方向の各位置から発せられる測定光には、各応答時間に対応する状態の情報が含まれ、この測定光を分光することによって各応答時間における波長成分を求めることができる。
【0040】
集光面Pから試料Sを透過した透過光を、レンズ系で適当な大きさに整形し、円筒形レンズでスリット3a上に絞って、光遅延時間の時間軸に沿った線状又は帯状とする。分光手段3bは、この光遅延時間の時間軸に沿って線状又は帯状に延びる測定光を所定の波長範囲で分光する。なお、図2では分光を示す矢印は一部のみを模式的に表示している。検出器4は二次元検出器4aを備え、この二次元検出器4aの一方の軸方向(図中のx軸方向)を分光手段3bの光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向(図中のy軸方向)を分光手段3bの波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器4aは、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元でイメージングすることができる。
【0041】
図3は反射光を検出する構成例であり、図2の透過光と同様にして、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定し、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元でイメージングすることができる。
図4は光遅延時間とスペクトルの二次元イメージングの一例であり、x軸方向に時間軸をとり、y軸方向に波長軸をとり、z軸方向に強度をとっている。図4(a)中において、実線で示す曲線は各時間(t1〜t6)におけるスペクトルを示し、図4(b)中において、実線及び破線で示す曲線は各波長(λ1〜λ7)における時間変化を示している。なお、図示する各時間(t1〜t6)及び各波長(λ1〜λ7)は一例であって、測定範囲内で任意に選択することができる。また、図4は曲線で表示しているが、曲線による表示に限らず、曲面によって表示することもできる。
【0042】
また、分光手段と二次元検出器は、CCD検出器分光器(例えば、1024ピクセル×1024ピクセル)によって一つの装置で構成することができ、例えば、CCDのx軸方向に励起光照射後の光遅延時間に対する情報を、CCDのy軸方向に分光器によって分光された波長の情報を一度に書き込む。なお、CCDにおいてデータの蓄積は、CCDの露光時間によって定まる。
【0043】
また、測定するスペクトル範囲は、例えば一例として400nm〜800nmとすることができ、このスペクトル範囲は分光器のグレーティングを交換することによって調整することができる。
【0044】
図5はプローブ光と測定光の関係を説明するための概略信号図である。図5(a)は、レーザー光源から発生するパルス幅がフェムト秒単位のフェムト秒レーザーパルスを示し、パルス幅は例えば約100fs(フェムト秒)で、パルスの繰り返しは約1msである。図5(b)は、励起光及びプローブ光の照射によって試料から得られる測定光の時間変化を示している。光化学反応の初期過程や、半導体中に光励起されたキャリアの緩和現象等の光誘起現象は、数十フェムト秒から数十ピコ秒の時間内で起きる超高速現象である。本発明による実時間分光では、前記した光遅延時間を用いることによって、この約10ps(ピコ秒)の超高速の時間変化を測定することができる。
【0045】
また、本発明は、約10ps(ピコ秒)程度の超高速の時間変化だけでなく、これよりの長い時間変化についても対応することができる。図5(c)〜(e)はこの比較的に長い時間変化の測定例を示している。
【0046】
図5(c)は、励起光及びプローブ光の照射によって試料から得られる測定光の時間変化が比較的に長い例を示している。本発明による実時間分光では、励起光及びプローブ光との間の光遅延時間を調整することによってプローブ光の照射タイミングを変え、比較的に長い時間変化中の約10ps(ピコ秒)の時間変化を測定することができる。図5(d),(e)は、時刻t1及びt2から約10ps(ピコ秒)の時間変化を示し、本発明による実時間分光において、プローブ光に光遅延時間を含ませることによってこの時間変化を一測定で得ることができる。
【0047】
なお、図5(c)の測定光の時間変化は、図5(d)(図5(e))に示すパルス光を所定の時間間隔(例えば、約10psの単位)で繰り返すことによって求めることができる。
【0048】
なお、この時間調整は、プローブ光あるいは励起光の何れか一方の光路上に光学遅延ステージを配置する構成、あるいは、プローブ光と励起光の両方の光路上に光学遅延ステージを配置する構成とすることもできる。
【0049】
なお、時間変化を測定する時刻を変更する場合には、光学遅延ステージによってプローブ光と励起光との間で時間調整を行う。例えば、時刻t1からの測定変化に代えて、時刻t2から約10ps(ピコ秒)の時間変化を測定するには(図5(e))、光学遅延ステージ2gの光路長を時刻t1と時刻t2の時間間隔に対応する長さだけ延ばすことによって、プローブ光と励起光との間で時間調整を行う。
【0050】
なお、サファイアや石英基板上や水等の自己位相変調によって得られたフェムト秒白色光は、試料上において正のチャープが生じ、波長による群速度の相違が生じる。この正のチャープは、光が分散媒質を通る際に、分散媒質の屈折率が短波長ほど大きいため、サファイア基板上では同時に発生した白色光が試料到達の際に短波長ほど遅れて到達する現象である。そこで、試料Sを挟んで偏光板2e1及び偏光板2e2を配置し、この偏光を互いに直角にしてカー効果を用いてこのチャープ量を測定し、測定したチャープ量に基づいて測定結果をデータ補正することによってフェムト秒領域での測定誤差を補正することができる。
【0051】
次に、本発明の第2の態様について説明する。図6,図7は、第2の態様において、それぞれ構成を説明するための概略図、分光を説明するための概略図である。なお、第1の態様と共通する部分については説明を省略する。
【0052】
図6において、本発明の第2の態様の実時間分光装置1は、第1の態様と同様に、試料Sに励起光とプローブ光とを照射する照射手段2と、照射光によって試料Sから得られる光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段3と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段4を備える。
【0053】
前記した第1の態様は、試料Sに対して励起光とプローブ光とを線状に集光し、試料Sに対する入射角度によって、試料S上に同時に照射される光に光遅延時間を形成し、この光遅延時間によって時間分解を行う態様であるのに対して、この第2の態様は、試料Sに対して励起光とプローブ光とを点状に集光するものであり、この際、プローブ光は照射前に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段を通し、この時間遅れの形成によって点状の集光面に形成されるプローブ光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。
【0054】
第2の態様は、集光面の点状光を光遅延時間の方向に展開し、展開した光を分光して波長成分を測定することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行う態様であり、この第2の態様によれば、試料上の一点において測定することができるため、試料に位置によって特性の相違がある不均一な試料の場合には特に有効に機能し、第1の態様のように、照射光の集光位置が異なることによって生じる測定データに含まれる不均一性を防ぐことができる。
【0055】
なお、第2の態様の照射手段2は、試料Sに対して励起光とプローブ光とを点状に集光する構成として、励起光を試料S上に集光する集光レンズ2j2、及びプローブ光を試料S上に集光する集光レンズ2j1を備え、光遅延時間を形成する構成として試料Sに照射する前のプローブ光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段2iを備え、集光面の点状光を光遅延時間の方向に展開する構成として、試料Sと分光手段3との間に集光レンズ2j3を備える。
【0056】
この構成によって、コリメートされた励起光は集光レンズ2j2によって試料S上に集光され、湾曲ミラー2c2等の光学系でコリメートされたフェムト白色光は、時間遅れ形成手段2iによって光遅延時間が形成された後、集光レンズ2j1によって試料S上に点状に集光される。この時間遅れ形成手段2iは、形成する時間遅れの幅を異ならせることによって、試料S上の集光点でのプローブ光に光遅延時間を持たせることができる。
【0057】
この励起光で励起され、光遅延時間を有するプローブ光によって取り出された測定光は、分光手段3のスリット3a上に線状に絞られた後、分光素子3bで分光され、検出器4で検出される。
【0058】
図7は、時間遅れ形成手段による時間遅れの形成及び光遅延時間の形成状態、及び試料Sから得られる測定光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図7において、励起光は図示しない集光レンズによって試料S上の集光点に集光させ、他方、プローブ光は、時間遅れ形成手段2iによって時間遅れを形成させると共に、形成する時間遅れの幅を異ならせ、集光レンズ2j1によって試料S上に集光させる。
【0059】
時間遅れ形成手段2iは、例えばエシェロンと呼ばれる光学素子を用いることができる。エシェロンは複数の光路長を備え、エシェロンに入射したパルス光は、パルス幅が拡張されると共に、光路長によって出射時に時間差が形成され、試料Sに集光するプローブ光に光遅延時間を与える。例えば、長さ約30mm,幅約25mmの光学材に、各段の長さが約30μmで幅が約25μmのピクセルを約1000個形成して成るエシェロンに、パルス幅が約150fs(フェムト秒)のプローブ白色光を入射すると、約5ps(ピコ秒)にパルス幅が拡張されたプローブ白色光が出射される。
【0060】
この光遅延時間の形成は、プローブ光にエシェロンの横方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図7において、エシェロンの右端から出射される光は遅延されたパルス幅の初期の光に対応し、エシェロンの左端から出射される光は遅延されたパルス幅の後期の光に対応する。
【0061】
エシェロンの幅方向に遅延されたパルス光は、集光レンズ2j1によって、励起光が集光されている試料S上の点に集光される。試料S上の点に集光したプローブ光は再び光遅延時間に沿って広がる。集光レンズ2j3は、光遅延時間に沿って広がる光を、集光した後コリメートし、分光器及び検出器に導く。ここで、分光器が備えるスリット(図示していない)は、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状に延びる光を分光する。検出器4は、第1の態様と同様に、二次元検出器4aを用い、この二次元検出器の一方の軸方向(図中のx軸方向)を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向(図中のy軸方向)を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元でイメージングすることができる。
【0062】
次に、本発明の第3の態様について説明する。図8,図9は、第3の態様において、それぞれ構成を説明するための概略図、分光を説明するための概略図である。なお、第1の態様と共通する部分については説明を省略する。
【0063】
図8において、本発明の第3の態様の実時間分光装置1は、第1の態様と同様に、試料Sに励起光とプローブ光とを照射する照射手段2と、照射光によって試料Sから得られる光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段3と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段4を備える。
【0064】
前記した第1の態様は、試料Sに対して励起光とプローブ光とを線状に集光し、プローブ光の試料Sに対する入射角度によって、試料S上に同時に照射されるプローブ光に光遅延時間を形成し、この光遅延時間によって時間分解を行う態様であるのに対して、この第3の態様は、試料Sに対して励起光とプローブ光とを同じく線状に集光するものであり、この際、プローブ光及び/又は励起光は照射前に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段を通し、この時間遅れの形成によって線状の集光面に形成されるプローブ光及び/又は励起光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う態様である。
【0065】
なお、第3の態様では、時間遅れ形成手段を通して時間遅れを形成する光として、励起光とプローブ光の何れか一方、あるいは励起光とプローブ光の両方とすることができる。
【0066】
以下では、励起光を時間遅れ形成手段に通すことによって励起光に時間遅れを形成する構成について説明するが、プローブ光を時間遅れ形成手段に通すことによってプローブ光に時間遅れを形成する構成、あるいは励起光とプローブ光の両方を時間遅れ形成手段に通すことによって励起光及びプローブ光に時間遅れを形成する構成についても同様とすることができる。
【0067】
第3の態様の照射手段2は、光遅延時間を形成する構成として試料Sに照射する前の励起光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段2iを備え、時間遅れ形成手段2iを通した励起光を円筒形レンズ2h2によって線状に形成し、試料S上に照射されるプローブ光に重ねて集光する。
【0068】
この構成によって、励起光は時間遅れ形成手段2iによって時間遅れが形成された後、円筒形レンズ2h2によって線状に形成され、試料S上に集光される。一方、湾曲ミラー2c2等の光学系でコリメートされたフェムト白色光は、円筒形レンズ2h1によって試料S上に集光される。この時間遅れ形成手段2iは、形成する時間遅れの幅を異ならせることによって、試料S上の集光点での励起光に光遅延時間を持たせることができる。
【0069】
光遅延時間を有する励起光で励起され、プローブ光によって試料Sから取り出された測定光は、分光手段3のスリット3a上に線状に絞られた後、分光素子3bで分光され、検出器4で検出される。
【0070】
図9は、時間遅れ形成手段による時間遅れの形成及び光遅延時間の形成状態、及び試料Sから得られる測定光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図9において、プローブ光は、試料S上に集光させ、他方、励起光は、時間遅れ形成手段2iによって時間遅れを形成させると共に、形成する時間遅れの幅を異ならせた後、試料S上に線状に集光させる。
【0071】
時間遅れ形成手段2iは、第2の態様と同様のエシェロン等の光学素子を用いることができ、形成された時間遅れは、励起光にエシェロンの横方向に沿って光遅延時間を与える。図9において、エシェロンの左端から出射される光は遅延されたパルス幅の初期の光に対応し、エシェロンの右端から出射される光は遅延されたパルス幅の後期の光に対応する。
【0072】
エシェロンの幅方向に遅延されたパルス光は、円筒形レンズ2h2によって、プローブ光が集光されている試料S上の点に線状に集光される。分光器が備えるスリットは、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状に延びる光を分光する。検出器4は、第1の態様と同様に、二次元検出器4aを用い、この二次元検出器の一方の軸方向(図中のx軸方向)を分光器の時間軸に対応させ、他方の軸方向(図中のy軸方向)を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元でイメージングすることができる。
【0073】
なお、エシェロンをプローブ光の光路上に設けて、プローブ光に光遅延時間を形成する態様とすることもできるが、プローブ光は通常波長範囲が広いため、エシェロンをプローブ光の光路上に設ける構成ではエシェロンを通過する際に正にチャープが生じ易く、このチャープを補正する必要が生じる。これに対して、励起光の光路上にエシェロンを設ける構成によれば、励起光は単色光であるため、エシェロンを通過する際のチャープの発生を抑えることができるという利点がある。
【0074】
第1の態様によれば、プローブ光及び/又は励起光の入射角度を調整することによって、測定する時間幅を調整することができる。
第2の態様によれば、試料上に一点に励起光及びプローブ光を集光することによって、試料上の一点の測定データを得ることができ、試料の位置による不均一性を除くことができ、位置によって特性や状態が異なる試料や、微小な試料や分析領域に適用することができる。
【0075】
また、本発明によれば、分光測定において、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことによって、測定時間を短縮することができる。また、長時間測定によるレーザーの不安定性や、長時間のレーザー照射による試料の劣化の問題を解決し、安定したレーザー状態で測定することができ、また、レーザー照射による試料の劣化を最小限に抑えることができる。
【0076】
また、測定対象が固体であっても、フォトクロミズムや光重合のように熱的に不可逆な現象の過渡現象を測定することができる。
本発明の実時間分光を化合物の光構造変化の動的過程を解析に適用することによって、光メモリー・光スイッチングなどの光機能性材料の物性の評価や、これら材料の設計指針の確立や、あるいは、強励起に弱い生体系試料の動的な過程の研究に応用し、短時間で時間分解したスペクトルを測定することができる。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の実時間分光によれば、分光測定において、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の態様の構成を説明するための概略図である。
【図2】本発明の第1の態様の透過光による分光を説明するための概略図である。
【図3】本発明の第1の態様の反射光による分光を説明するための概略図である。
【図4】本発明の第1の態様の時間分解及びスペクトルの測定データの概略例である。
【図5】本発明の第1の態様のプローブ光と測定光の関係を説明するための概略信号図である。
【図6】本発明の第2の態様の構成を説明するための概略図である。
【図7】本発明の第2の態様の分光を説明するための概略図である。
【図8】本発明の第3の態様の構成を説明するための概略図である。
【図9】本発明の第3の態様の分光を説明するための概略図である。
【図10】円筒型レンズの一例を示す図である。
【符号の説明】
1 実時間分光装置
2 照射手段
2a レーザー光源
2b ビームスプリッタ、
2c ミラー
2d 自己位相変調手段
2e 偏光板
2f 波長変換素子
2g 光学遅延ステージ
2h 円筒形レンズ
2i 時間遅れ形成手段
2j 集光レンズ
3 分光手段
3a スリット
3b 分光素子
4 検出手段
4a 二次元検出器
S 試料
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a spectroscopic method and a spectroscopic device, and more particularly to a real-time imaging spectroscopic method and a real-time imaging spectroscopic device for obtaining a spectrum of a real-time change in a minute time.
[0002]
[Prior art]
Photoinduced reactions occur in photochemical reactions such as photopolymerization, photolysis, and photosynthesis performed in many organic chemicals and biological systems, and in photoexcitation in semiconductors. These initial processes of photochemical reactions and the relaxation phenomenon of photoexcited carriers in semiconductors are ultrafast phenomena that occur within a time period of several tens of femtoseconds to several tens of picoseconds. It is extremely important to clarify the reaction-induced states and photoinduced phenomena of substances.
[0003]
In order to elucidate the photoinduced phenomenon of a substance, it is necessary to obtain the spectrum (wavelength characteristics) and the change with time. As a method for performing this analysis, various laser spectroscopy methods such as conventional pump-probe transient absorption spectroscopy, four-wave mixing method, and sum-frequency generation spectroscopy as a method for temporal analysis of light emission are used.
[0004]
In these conventional laser spectroscopy methods, in spectrum (wavelength characteristic) measurement, the time is fixed by fixing the stage constituting the optical delay circuit, the spectrum is measured by a spectroscope, and in the time change measurement, the measurement wavelength is measured. The time response is measured by changing the time by moving the stage constituting the optical delay circuit, and each is performed individually. As described above, since the conventional laser spectroscopy is performed by fixing either one of the time and the measurement wavelength, both the spectrum (wavelength characteristic) measurement and the time change measurement cannot be performed simultaneously.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional laser spectroscopy cannot perform both spectrum (wavelength characteristic) measurement and time change measurement at the same time. Therefore, in order to obtain a time-resolved total absorption (or reflection) spectrum in a measurement sample, It is necessary to repeat the spectrum measurement for each delay time and the time response measurement for each measurement wavelength while changing the optical delay time or the measurement wavelength, respectively.
[0006]
Therefore, there is a problem that it usually takes a long time from several hours to several days to perform a series of measurements of spectrum measurement and time change measurement. In addition, in such a measurement that requires a long time, there are problems in that the laser operates stably over a long period of time and that the sample deteriorates due to the long-time laser irradiation.
[0007]
In addition, in order to measure transients by spectroscopic methods that repeatedly accumulate data while changing the time or wavelength as in the past, it is necessary to always remove reaction products in order to eliminate the influence of past reaction conditions. The object needs to flow like a solution.
[0008]
However, many phenomena in solids are thermally irreversible, such as photochromism and photopolymerization. In such a thermally irreversible phenomenon in the solid, the reaction product accumulates in the sample by excitation light (pump light), and the reaction product cannot be removed by flow like a solution. There is a problem that conventional spectroscopy cannot be applied to the analysis of the phenomenon.
[0009]
For example, solid-state photochromic compounds are expected as optical memory materials, and it is required to evaluate the physical properties of optical functional materials such as optical memory and optical switching, and to establish guidelines for designing these materials. In addition, research on dynamic processes of biological samples weak against strong excitation is also required, but it is currently difficult to analyze the dynamic processes of the photostructural changes of such compounds. Therefore, there is a need for a spectroscopic method and a spectroscopic device that can measure a time-resolved spectrum instantaneously in response to such a demand.
Therefore, the present invention aims to solve the above-described conventional problems and simultaneously perform time resolution and spectrum measurement in spectroscopic measurement.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention irradiates a sample with excitation light to generate a reaction product, irradiates the reaction product with probe light, and spectrally measures transmitted light or reflected light obtained from the sample. The time resolution and the spectrum measurement are performed simultaneously by developing the spectrum along the time axis along with the wavelength axis.
[0011]
In the real-time spectroscopy of the present invention, probe light and excitation light including a plurality of wavelengths are irradiated onto a sample by superimposing the probe light and / or excitation light so that at least the sample surface has an optical delay time. The reaction product information generated by the reaction is read in the form of optical information by irradiating the probe light, and this light is split into two dimensions of the optical delay time axis and the wavelength axis to obtain the actual time width of the optical delay time. By performing time spectroscopy, time resolution and spectrum measurement are performed simultaneously.
[0012]
The source light of the excitation light and the probe light is a femtosecond laser pulse, and the pulse width of this pulse light is a unit of femtosecond. By delaying this light, real time time resolution of picosecond unit is performed. be able to. The excitation light and the probe light can be formed by bisecting the femtosecond laser pulse emitted from one femtosecond laser pulse light source.
[0013]
The spectroscopic method of the present invention can perform time resolution together with spectrum measurement in the following manner.
In the first aspect, the probe light and the excitation light are condensed and irradiated on the sample surface in a linear or belt shape. The probe light and the excitation light are incident on the linear or belt-shaped condensing surface so that there is an optical path difference between them. In this incidence, one of the probe light and the excitation light is incident obliquely on the condensing surface, is incident on the condensing surface so that there is an optical path difference in the length direction, and the other is incident vertically on the condensing surface. In addition to incident on the light collecting surface so that there is no optical path difference in the length direction, both the probe light and the excitation light are obliquely incident on the light collecting surface, and on the light collecting surface in the length direction. By making incident light so that there is an optical path difference, it is possible to cause optical path differences in the lengthwise direction on the condensing surface.
[0014]
This incidence forms a time difference corresponding to the optical delay time on the sample surface. The probe light and / or excitation light can form an optical path difference by being incident at a predetermined angle with respect to the normal direction of the light collecting surface. As a result, the information on the optical delay time after irradiation is included in the linear or belt-shaped light condensing surface along the length direction, and the wavelength component is measured by splitting the linear light or the belt-shaped light. By doing so, time resolution and spectrum measurement can be performed simultaneously.
[0015]
In the second aspect, the probe light and the excitation light are condensed and irradiated in a spot shape on the sample surface. The probe light is passed through time delay forming means for forming a time delay before irradiation. As a result, the information on the optical delay time after the excitation light irradiation is included in the dot-shaped condensing surface. By developing this point light on the time axis of the optical delay time, and dispersing the developed light on the wavelength axis and measuring the wavelength component, time resolution and spectrum measurement can be performed simultaneously. According to the 2nd aspect, since it can measure at one point on a sample, the nonuniformity of the measurement data which arises when the irradiation position of irradiation light changes with nonuniformity of a sample can be prevented.
[0016]
In the third aspect, the probe light and the excitation light are condensed and irradiated in a linear or band shape on the sample surface, and are incident perpendicularly on the condensing surface on the linear or band-shaped condensing surface. , And incident so that there is no optical path difference in the length direction. The probe light and / or excitation light is passed through time delay forming means for forming a time delay before irradiation. Thereby, the information on the optical delay time after irradiation is included in the linear or belt-shaped condensing surface along the length direction of the line or belt. By splitting the linear light or band light and measuring the wavelength component, time resolution and spectrum measurement can be performed simultaneously.
[0017]
The real-time spectroscopic device of the present invention includes an irradiation unit that irradiates a sample with excitation light and probe light including a plurality of wavelengths, and two-dimensional time and wavelength axes of transmitted light or reflected light obtained from the sample by irradiation. And a detecting means for two-dimensionally detecting the spectrum by the spectroscopic means.
[0018]
Here, the probe light and / or excitation light is configured to have an optical delay time at least on the sample surface, and the spectroscopic means disperses the information on the optical delay time on the time axis, and the real time of the time width of the optical delay time. Spectral analysis at the same time resolution and spectral measurement.
[0019]
The irradiation means provided in the present invention includes a light source that generates a femtosecond laser pulse having a pulse width in units of femtoseconds, a wavelength conversion element that forms excitation light from the femtosecond laser pulses, and a plurality of wavelengths from the femtosecond laser pulses. A self-phase modulation element that forms white probe light, and an optical system that forms excitation light and probe light in a linear or belt shape.
[0020]
The real-time spectroscopic device of the present invention forms optical delay time information on the sample surface by providing the probe light and / or excitation light with an optical delay time, and simultaneously performs time resolution and spectrum measurement. The formation of the light delay time can be performed by the irradiation unit, and the present invention can be applied to a plurality of modes of irradiation unit.
[0021]
In the first aspect of the irradiating means, the probe light and the excitation light are condensed on the sample surface in a linear or belt shape. One of the probe light and the excitation light is incident obliquely on the condensing surface at the linear or belt-shaped condensing surface, and incident on the condensing surface so that there is an optical path difference in the length direction, and the other is linear. Alternatively, the light is incident perpendicularly on the light condensing surface at the band-shaped light condensing surface and incident on the light condensing surface so that there is no optical path difference in the length direction. Alternatively, both the probe light and the excitation light are obliquely incident on the condensing surface at the linear or belt-shaped condensing surface and are incident on the condensing surface so that there is an optical path difference in the length direction. Depending on the incident angle of this light, an optical delay time is formed on the sample surface.
[0022]
The second aspect of the irradiating means includes a time delay forming means for forming a time delay in the probe light, an optical system for condensing the probe light that has passed through the time delay forming means on the sample surface in a dot shape, and an excitation light. And an optical system that collects light in a spot shape on the sample surface. Thereby, the spot-like probe light irradiated on the sample surface has an optical delay time. The spectroscopic means is equipped with an optical system that expands the point-like light from the sample in a linear or band-like manner on the time axis of the optical delay time, and the light containing the information on the optical delay time is given a linear or strip-like shape on the time axis of the optical delay time Expand to spectroscopic.
[0023]
The third aspect of the irradiation means is that the time delay forming means for forming a time delay in the probe light and / or the excitation light, and the light passing through the time delay forming means is formed in a linear shape or a belt shape, and the length direction of the irradiation surface And an optical system that irradiates the other light in a linear or belt shape and irradiates perpendicularly to the length direction of the irradiation surface. Accordingly, the linear or belt-like probe light and / or excitation light irradiated on the sample surface has an optical delay time in the length direction of the irradiation surface. The spectroscopic means is equipped with an optical system that expands the transmitted light or reflected light obtained from the sample in a linear or belt shape on the time axis of the optical delay time, and the light including the information on the optical delay time is linear on the optical delay time axis. Expand to spectroscopic.
[0024]
In the present invention, light including information on the optical delay time is dispersed in the line or band direction, and this spectrum is detected by a two-dimensional detector. The time response is measured from the data in one axial direction of the two-dimensional detector, and the spectrum is measured for the wavelength from the data in the other axial direction. By simultaneously obtaining both time response and spectrum data with a two-dimensional array of two-dimensional detectors, an absorption (or reflection) spectrum obtained by simultaneously resolving the spectrum and time can be obtained as image information.
Further, the measurement time can be adjusted by optically delaying the excitation light to form a time difference with the probe light.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 and 7, and the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The third aspect will be described.
[0026]
First, the first aspect will be described. 1 to 5 are schematic diagrams for explaining the configuration, schematic diagrams for explaining the spectrum of transmitted light, schematic diagrams for explaining the spectrum of reflected light, time response and spectrum in the first embodiment. FIG. 6 is a schematic signal diagram for explaining a schematic example of measurement data and a relationship between probe light and measurement light.
[0027]
In the first aspect, as the configuration for forming the optical delay time, either the excitation light or the probe light is incident on the sample with a predetermined incident angle, or the excitation light and the probe light Both can be configured to be incident on the sample with a predetermined incident angle.
[0028]
In the following description, the configuration in which the probe light is incident on the sample with a predetermined incident angle will be described. However, the configuration in which the excitation light is incident on the sample with a predetermined incident angle, or the probe light and the excitation light are excited. The same applies to a configuration in which light is incident on the sample with a predetermined incident angle.
[0029]
In FIG. 1, a real-time spectroscopic apparatus 1 according to the present invention includes an irradiation unit 2 that irradiates a sample S with excitation light and probe light, and a transmitted light or reflected light obtained from the sample S by the irradiation light. A spectroscopic means 3 for performing spectroscopic analysis, and a detection means 4 for detecting the spectrally divided time-axis and wavelength-axis signals in two dimensions. In the first aspect, the excitation light and the probe light are linearly collected with respect to the sample S, and an optical delay time is applied to the probe light simultaneously irradiated onto the sample S according to the incident angle of the probe light with respect to the sample S. And time resolution is performed by this optical delay time.
[0030]
The irradiation unit 2 includes a laser light source 2a that generates femtosecond laser pulses having a pulse width of femtosecond units. This femtosecond laser pulse is divided into two by the beam splitter 2b, one femtosecond laser pulse is irradiated to the sample S as excitation light, and the other femtosecond laser pulse is sampled as probe light of femtosecond white light having a plurality of wavelengths. S is irradiated.
[0031]
Excitation light is converted into pulsed light of a specific wavelength by passing a femtosecond laser pulse emitted from the laser light source 2a through the wavelength conversion element 2f. After adjusting the time difference from the probe light by the optical delay stage 2g, an appropriate light is obtained. Collimated to a large beam diameter (for example, about 5 mm diameter), formed into a linear shape by the cylindrical lens 2h2, and condensed on the sample S.
The optical delay stage 2g may be provided on the probe light side, thereby adjusting the time difference between the probe light and the excitation light.
[0032]
On the other hand, the probe light is converted into femtosecond white light having a plurality of wavelengths by passing a femtosecond laser pulse emitted from the laser light source 2a through the self-phase modulation element 2d, and a beam having an appropriate size is obtained by an optical system such as a mirror 2c2. Collimated to a diameter (for example, about 5 mm diameter), formed into a linear shape by the cylindrical lens 2h1, and condensed on the sample S. Note that polarizing elements 2e1 and 2e2 are disposed on the optical path of the probe light with the sample S interposed therebetween. The polarizing elements 2e1 and 2e2 are used when correcting the chirp by the Kerr effect. In this case, the polarization directions are shifted by 90 degrees from each other. On the other hand, at the time of actual measurement, the polarization direction is set to 0 degree and used in parallel.
[0033]
In FIG. 1, 2c1 to 2c7 are mirrors for forming optical paths of excitation light and probe light. For example, sapphire, a quartz substrate, or water can be used as the self-phase modulation element 2d.
[0034]
The cylindrical lenses 2h1 and 2h2 are optical systems that form beam-like light in a linear shape. FIG. 10 shows an example of the cylindrical lens 2h. The illustrated cylindrical lens 2h is a columnar lens having a semicircular cross section, and the length direction of the optical cylindrical lens 2h is the linear direction of the emitted light.
[0035]
The probe light and the excitation light formed in a linear shape by the cylindrical lenses 2h1 and 2h2 are condensed on the sample S in a linear shape. The measurement light excited by the excitation light and extracted from the sample S by the probe light is then shaped into an appropriate size by the lens system, and then is narrowed down on the slit 3a by the cylindrical lens, and is dispersed by the spectroscopic element 3b. It is detected by the detector 4.
[0036]
2 and 3 show the incident state of the excitation light and the probe light on the sample S, and the detection state of the measurement light obtained from the sample S on the time axis and the wavelength axis, and FIG. 2 detects the transmitted light. FIG. 3 shows a configuration example, and FIG. 3 shows a configuration example for detecting reflected light. 2 and 3 are different from each other in terms of transmitted light and reflected light, and the other configurations are the same. Therefore, the transmitted light in FIG. 2 will be mainly described below.
[0037]
In FIG. 2, the excitation light is incident on the sample S at an angle that does not cause an optical path difference, while the probe light is incident on the sample S so as to overlap the excitation light at an angle that causes an optical path difference. . The broken line shown in the probe light in FIG. 2 represents the wavefront of the same optical delay time. Note that the interval between the wavefronts shown in the figure is arbitrarily determined from the description, and the interval itself does not include any special meaning.
[0038]
The probe light is incident on the surface of the sample S at an angle θ as shown in the figure, so that the arrival time on the sample surface is sequentially shifted depending on the condensing position extending linearly or in a strip shape, and the optical path difference is increased. Will be formed. For example, on the linear or belt-shaped light condensing surface P with a hatched portion in the figure, the probe light first reaches the end A, then reaches the other end B with a delay, and there is an optical path difference between both ends. It is formed. This optical path difference corresponds to the time difference of the optical delay time of Δt. For example, if the length of the linear focusing on the sample S of the probe light is 5 to 6 mm (for example, 5.2 mm) and the incident angle is 30 degrees, the distance between both ends of the end A and the end B The optical path difference is 3 mm, and an optical delay time of about 10 ps (picosecond) is formed as a time difference. The incident angle θ described above is not limited to 30 degrees, and can be arbitrarily set so as to form a predetermined light converging surface P. Usually, 20 degrees to 30 degrees from the beam diameter of the probe light and the optical delay time. Degree is appropriate.
[0039]
When the sample S is relatively uniform and there is no difference in characteristics depending on the position, or is negligible, each of the linear condensing surfaces P obtained by the incidence of the excitation light and the probe light in the line direction. The position state represents a state corresponding to each response time. Therefore, the measurement light emitted from each position in the linear direction of the linear condensing surface P includes information on the state corresponding to each response time, and wavelength components at each response time are obtained by dispersing the measurement light. Can be requested.
[0040]
The transmitted light that has passed through the sample S from the condensing surface P is shaped to an appropriate size by a lens system, and is narrowed down on the slit 3a by a cylindrical lens to be linear or banded along the time axis of the optical delay time. To do. The spectroscopic means 3b splits the measurement light extending linearly or in a strip shape along the time axis of the optical delay time in a predetermined wavelength range. In FIG. 2, only a part of the arrow indicating the spectrum is schematically displayed. The detector 4 includes a two-dimensional detector 4a. One axial direction (x-axis direction in the figure) of the two-dimensional detector 4a is made to correspond to the time axis of the optical delay time of the spectroscopic means 3b, and the other axial direction. (Y-axis direction in the figure) is made to correspond to the wavelength axis of the spectroscopic means 3b, and the dispersed light is detected in two dimensions, the time axis and the wavelength axis. As a result, the two-dimensional detector 4a can simultaneously measure two measurement elements of the optical delay time and the wavelength, and the detected detection signal can image the spectrum in two dimensions using the optical delay time as real time. Can do.
[0041]
FIG. 3 shows a configuration example for detecting reflected light. Similar to the transmitted light in FIG. 2, two measurement elements of optical delay time and wavelength are measured simultaneously, and the spectrum is two-dimensionally using the optical delay time as real time. Can be imaged.
FIG. 4 is an example of two-dimensional imaging of optical delay time and spectrum. The time axis is taken in the x-axis direction, the wavelength axis is taken in the y-axis direction, and the intensity is taken in the z-axis direction. In FIG. 4A, a curve indicated by a solid line indicates a spectrum at each time (t1 to t6), and in FIG. 4B, a curve indicated by a solid line and a broken line indicates a time change at each wavelength (λ1 to λ7). Is shown. In addition, each time (t1-t6) and each wavelength ((lambda) 1- (lambda) 7) to show in figure are examples, Comprising: It can select arbitrarily within a measurement range. In addition, although FIG. 4 is displayed with a curve, the display is not limited to a curve, and can be displayed with a curved surface.
[0042]
Further, the spectroscopic means and the two-dimensional detector can be constituted by a CCD detector spectroscope (for example, 1024 pixels × 1024 pixels) in one apparatus, for example, light after excitation light irradiation in the x-axis direction of the CCD. Information on the delay time is written at once as information on the wavelength separated by the spectrometer in the y-axis direction of the CCD. Note that the accumulation of data in the CCD is determined by the exposure time of the CCD.
[0043]
Moreover, the spectral range to measure can be 400 nm-800 nm as an example, for example, and this spectral range can be adjusted by replacing | exchanging the grating of a spectrometer.
[0044]
FIG. 5 is a schematic signal diagram for explaining the relationship between the probe light and the measurement light. FIG. 5A shows a femtosecond laser pulse having a pulse width generated from a laser light source in units of femtoseconds. The pulse width is, for example, about 100 fs (femtosecond), and the repetition of the pulse is about 1 ms. FIG. 5B shows a change over time of measurement light obtained from the sample by irradiation with excitation light and probe light. Photoinduced reactions such as the initial process of photochemical reaction and the relaxation phenomenon of carriers photoexcited in a semiconductor are ultrafast phenomena that occur within a period of several tens of femtoseconds to several tens of picoseconds. In the real-time spectroscopy according to the present invention, by using the above-described optical delay time, it is possible to measure this ultrafast time change of about 10 ps (picoseconds).
[0045]
In addition, the present invention can cope with not only an ultrafast time change of about 10 ps (picoseconds) but also a longer time change. FIGS. 5C to 5E show measurement examples of this relatively long time change.
[0046]
FIG. 5C shows an example in which the time change of the measurement light obtained from the sample by the irradiation of the excitation light and the probe light is relatively long. In the real-time spectroscopy according to the present invention, the irradiation timing of the probe light is changed by adjusting the optical delay time between the excitation light and the probe light, and the time change of about 10 ps (picosecond) during a relatively long time change. Can be measured. FIGS. 5D and 5E show time changes of about 10 ps (picoseconds) from the times t1 and t2. In the real-time spectroscopy according to the present invention, the time changes are obtained by including the optical delay time in the probe light. Can be obtained in one measurement.
[0047]
5C is obtained by repeating the pulse light shown in FIG. 5D (FIG. 5E) at a predetermined time interval (for example, a unit of about 10 ps). Can do.
[0048]
This time adjustment has a configuration in which an optical delay stage is disposed on one of the optical paths of the probe light and the excitation light, or a configuration in which an optical delay stage is disposed on the optical paths of both the probe light and the excitation light. You can also.
[0049]
In addition, when changing the time which measures a time change, time adjustment is performed between probe light and excitation light by an optical delay stage. For example, in order to measure a time change of about 10 ps (picosecond) from the time t2 instead of the measurement change from the time t1 (FIG. 5 (e)), the optical path length of the optical delay stage 2g is set to the time t1 and the time t2. The time is adjusted between the probe light and the excitation light by extending the length corresponding to this time interval.
[0050]
Note that femtosecond white light obtained by self-phase modulation on sapphire, a quartz substrate, water, or the like is positively chirped on the sample, resulting in a difference in group velocity depending on the wavelength. This positive chirp is a phenomenon in which when the light passes through the dispersion medium, the refractive index of the dispersion medium increases as the wavelength becomes shorter, so that the white light generated simultaneously on the sapphire substrate arrives with a shorter wavelength when reaching the sample. It is. Therefore, the polarizing plate 2e1 and the polarizing plate 2e2 are arranged with the sample S interposed therebetween, and the amount of chirp is measured using the Kerr effect with the polarizations being perpendicular to each other, and the measurement result is data-corrected based on the measured amount of chirp. Thus, the measurement error in the femtosecond region can be corrected.
[0051]
Next, the second aspect of the present invention will be described. 6 and 7 are a schematic diagram for explaining the configuration and a schematic diagram for explaining spectroscopy in the second mode. In addition, description is abbreviate | omitted about the part which is common in a 1st aspect.
[0052]
In FIG. 6, the real-time spectroscopic device 1 according to the second aspect of the present invention is similar to the first aspect in that the irradiation means 2 that irradiates the sample S with excitation light and probe light, and the sample S by irradiation light. A spectroscopic unit 3 that splits the obtained light into a time axis and a wavelength axis, and a detection unit 4 that detects the split time axis and wavelength axis signals in two dimensions.
[0053]
In the first aspect described above, the excitation light and the probe light are linearly collected on the sample S, and an optical delay time is formed on the light simultaneously irradiated on the sample S according to the incident angle with respect to the sample S. The second mode is a mode in which excitation light and probe light are collected in a dot-like manner with respect to the sample S. The probe light passes through a time delay forming means for forming a time delay before irradiation, and the probe light formed on the spot-like light condensing surface has a light delay time due to the formation of the time delay, thereby performing time resolution. .
[0054]
The second mode is a mode in which time-resolved and spectrum measurement are simultaneously performed by expanding the point light on the light collecting surface in the direction of the optical delay time, and measuring the wavelength component by dispersing the expanded light. According to the second aspect, since measurement can be performed at one point on the sample, it functions particularly effectively in the case of a non-uniform sample having a characteristic difference depending on the position of the sample, as in the first aspect. In addition, it is possible to prevent the non-uniformity included in the measurement data caused by the difference in the collection position of the irradiation light.
[0055]
Note that the irradiating means 2 of the second aspect has a configuration in which the excitation light and the probe light are focused on the sample S in the form of dots, and a condensing lens 2j2 that condenses the excitation light on the sample S, and the probe A condensing lens 2j1 for condensing the light on the sample S, and a time delay forming means 2i for forming a time delay on the optical path of the probe light before irradiating the sample S as a configuration for forming an optical delay time; A condensing lens 2j3 is provided between the sample S and the spectroscopic means 3 as a configuration for expanding the spot light on the condensing surface in the direction of the optical delay time.
[0056]
With this configuration, the collimated excitation light is condensed on the sample S by the condenser lens 2j2, and the femto white light collimated by the optical system such as the curved mirror 2c2 forms the optical delay time by the time delay forming means 2i. After that, the light is condensed in a dot shape on the sample S by the condenser lens 2j1. The time delay forming means 2i can provide the optical delay time to the probe light at the condensing point on the sample S by changing the width of the time delay to be formed.
[0057]
The measurement light excited by the excitation light and extracted by the probe light having an optical delay time is linearly focused on the slit 3 a of the spectroscopic means 3, and then dispersed by the spectroscopic element 3 b and detected by the detector 4. Is done.
[0058]
FIG. 7 shows a time delay formation and a light delay time formation state by the time delay formation means, and a detection state of the measurement light obtained from the sample S on the time axis and the wavelength axis. In FIG. 7, the excitation light is condensed at a condensing point on the sample S by a condensing lens (not shown), while the probe light is caused to form a time delay by the time delay forming means 2i and the width of the time delay to be formed. And the light is condensed on the sample S by the condensing lens 2j1.
[0059]
As the time delay forming means 2i, for example, an optical element called echelon can be used. Echelon has a plurality of optical path lengths, the pulse width of the pulsed light incident on the echelon is expanded, and a time difference is formed at the time of emission due to the optical path length, giving an optical delay time to the probe light condensed on the sample S. For example, about 150 fs (femtoseconds) of pulse width is about 150 fs (femtoseconds) in an optical material having a length of about 30 mm and a width of about 25 mm and an echelon formed by forming about 1000 pixels each having a length of about 30 μm and a width of about 25 μm When the probe white light is incident, probe white light having a pulse width extended to about 5 ps (picosecond) is emitted.
[0060]
This formation of the optical delay time can give the probe light an optical delay time along the lateral direction of the echelon. In FIG. 7, the light emitted from the right end of the echelon corresponds to the initial light with the delayed pulse width, and the light emitted from the left end of the echelon corresponds to the late light with the delayed pulse width.
[0061]
The pulse light delayed in the width direction of the echelon is condensed by the condenser lens 2j1 at a point on the sample S where the excitation light is condensed. The probe light focused on the point on the sample S again spreads along the optical delay time. The condensing lens 2j3 collects the light spreading along the optical delay time, collimates it, and guides it to the spectroscope and the detector. Here, a slit (not shown) provided in the spectroscope squeezes incident light along the optical delay time and separates light extending linearly along the time axis. As in the first embodiment, the detector 4 uses the two-dimensional detector 4a, and one axial direction (x-axis direction in the figure) of the two-dimensional detector is set to the time axis of the optical delay time of the spectrometer. The other axis direction (y-axis direction in the figure) is made to correspond to the wavelength axis of the spectrometer, and the dispersed light is detected in two dimensions, the time axis and the wavelength axis. As a result, the two-dimensional detector can simultaneously measure two measurement elements of the optical delay time and the wavelength, and the detected detection signal can image the spectrum in two dimensions using the optical delay time as real time. it can.
[0062]
Next, a third aspect of the present invention will be described. FIG. 8 and FIG. 9 are a schematic diagram for explaining the configuration and a schematic diagram for explaining spectroscopy in the third mode. In addition, description is abbreviate | omitted about the part which is common in a 1st aspect.
[0063]
In FIG. 8, the real-time spectroscopic device 1 according to the third aspect of the present invention is similar to the first aspect in that the irradiation means 2 for irradiating the sample S with excitation light and probe light, and the sample S from the sample S by irradiation light. A spectroscopic unit 3 that splits the obtained light into a time axis and a wavelength axis, and a detection unit 4 that detects the split time axis and wavelength axis signals in two dimensions.
[0064]
In the first aspect described above, excitation light and probe light are linearly collected with respect to the sample S, and optical delay is applied to the probe light that is simultaneously irradiated onto the sample S according to the incident angle of the probe light with respect to the sample S. In contrast to the mode in which time is formed and the time resolution is performed by the optical delay time, the third mode is a method in which the excitation light and the probe light are similarly collected linearly on the sample S. In this case, the probe light and / or excitation light passes through time delay forming means for forming a time delay before irradiation, and the probe light and / or excitation formed on the linear condensing surface by the time delay formation. This is a mode in which light is given a light delay time and time resolution is thereby performed.
[0065]
In the third aspect, the light that forms the time delay through the time delay forming means can be either excitation light or probe light, or both excitation light and probe light.
[0066]
In the following, a configuration for forming a time delay in the excitation light by passing the excitation light through the time delay forming unit will be described. However, a configuration for forming a time delay in the probe light by passing the probe light through the time delay forming unit, or The same can be applied to the configuration in which the time delay is formed in the excitation light and the probe light by passing both the excitation light and the probe light through the time delay forming means.
[0067]
The irradiation means 2 of the third aspect includes a time delay forming means 2i that forms a time delay on the optical path of the excitation light before irradiating the sample S as a configuration for forming an optical delay time. The passed excitation light is formed into a linear shape by the cylindrical lens 2h2, and is superposed on the probe light irradiated on the sample S and condensed.
[0068]
With this configuration, the excitation light is formed in a linear shape by the cylindrical lens 2h2 after being time-delayed by the time-delay forming means 2i, and is condensed on the sample S. On the other hand, the femto white light collimated by the optical system such as the curved mirror 2c2 is condensed on the sample S by the cylindrical lens 2h1. The time delay forming means 2i can provide the optical delay time to the excitation light at the condensing point on the sample S by changing the width of the time delay to be formed.
[0069]
The measurement light excited by the excitation light having the optical delay time and taken out from the sample S by the probe light is linearly focused on the slit 3a of the spectroscopic means 3, and then spectrally separated by the spectroscopic element 3b, and the detector 4 Is detected.
[0070]
FIG. 9 shows the time delay formation and the light delay time formation state by the time delay formation means, and the detection state of the measurement light obtained from the sample S on the time axis and the wavelength axis. In FIG. 9, the probe light is collected on the sample S, while the excitation light forms a time delay by the time delay forming means 2 i and the width of the time delay to be formed is made different. Condensate linearly.
[0071]
The time delay forming means 2i can use an optical element such as echelon similar to the second embodiment, and the formed time delay gives the excitation light an optical delay time along the lateral direction of the echelon. In FIG. 9, the light emitted from the left end of the echelon corresponds to the initial light with the delayed pulse width, and the light emitted from the right end of the echelon corresponds to the latter light with the delayed pulse width.
[0072]
The pulsed light delayed in the width direction of the echelon is condensed linearly at a point on the sample S where the probe light is condensed by the cylindrical lens 2h2. The slit provided in the spectroscope squeezes incident light along the optical delay time and separates light extending linearly along the time axis. As in the first embodiment, the detector 4 uses the two-dimensional detector 4a, one axial direction (x-axis direction in the figure) of the two-dimensional detector is made to correspond to the time axis of the spectrometer, and the other The axis direction (y-axis direction in the figure) is made to correspond to the wavelength axis of the spectrometer, and the dispersed light is detected in two dimensions, the time axis and the wavelength axis. As a result, the two-dimensional detector can simultaneously measure two measurement elements of the optical delay time and the wavelength, and the detected detection signal can image the spectrum in two dimensions using the optical delay time as real time. it can.
[0073]
In addition, although it can be set as the aspect which forms an optical delay time in probe light by providing echelon on the optical path of probe light, since probe light has a wide wavelength range normally, composition which provides echelon on the optical path of probe light Then, when passing through Echelon, chirp is likely to occur, and it is necessary to correct this chirp. On the other hand, according to the configuration in which the echelon is provided on the optical path of the excitation light, since the excitation light is monochromatic light, there is an advantage that the generation of chirp when passing through the echelon can be suppressed.
[0074]
According to the first aspect, the time width to be measured can be adjusted by adjusting the incident angle of the probe light and / or the excitation light.
According to the second aspect, by collecting the excitation light and the probe light at one point on the sample, measurement data at one point on the sample can be obtained, and non-uniformity due to the position of the sample can be eliminated. It can be applied to samples having different characteristics and states depending on positions, minute samples, and analysis regions.
[0075]
Further, according to the present invention, in the spectroscopic measurement, the time can be shortened by simultaneously performing the time resolution and the spectrum measurement. In addition, it solves the problems of laser instability due to long-time measurement and sample deterioration due to long-term laser irradiation, and can perform measurement in a stable laser state, and minimizes sample deterioration due to laser irradiation. Can be suppressed.
[0076]
Even if the object to be measured is a solid, it is possible to measure a transient phenomenon of a thermally irreversible phenomenon such as photochromism or photopolymerization.
By applying the real-time spectroscopy of the present invention to the analysis of the dynamic process of the optical structure change of the compound, evaluation of the physical properties of optical functional materials such as optical memory and optical switching, establishment of design guidelines for these materials, Alternatively, it can be applied to the study of dynamic processes of biological samples that are vulnerable to strong excitation, and the time-resolved spectrum can be measured in a short time.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the real-time spectroscopy of the present invention, time resolution and spectrum measurement can be performed simultaneously in spectroscopic measurement.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a configuration of a first aspect of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view for explaining spectroscopy by transmitted light according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining spectroscopy by reflected light according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic example of time-resolved and spectrum measurement data according to the first aspect of the present invention.
FIG. 5 is a schematic signal diagram for explaining the relationship between the probe light and the measurement light according to the first aspect of the present invention.
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a configuration of a second aspect of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram for explaining spectroscopy of a second aspect of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a configuration of a third aspect of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining spectroscopy of a third aspect of the present invention.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a cylindrical lens.
[Explanation of symbols]
1 Real-time spectrometer
2 Irradiation means
2a Laser light source
2b beam splitter,
2c mirror
2d self-phase modulation means
2e Polarizing plate
2f Wavelength conversion element
2g optical delay stage
2h Cylindrical lens
2i Time delay formation means
2j condenser lens
3 Spectroscopic means
3a slit
3b Spectroscopic element
4 detection means
4a Two-dimensional detector
S sample

Claims (10)

複数の波長を含むフェムト秒白色光のプローブ光及び/又は特定波長パルス光の励起光とを試料に重ねて照射する照射手段と、
前記照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、
前記二次元の分光を二次元的に検出する検出手段と、
前記試料を挟んで偏光方向が互いに直角となるように配置した2枚の偏光板とを備え、
前記プローブ光及び/又は励起光は、試料面上において光遅延時間を有し、
前記分光手段は、当該光遅延時間を前記時間軸として分光し、
当該光遅延時間の時間幅を実時間で分光し、
当該時間幅を前記偏光板によって得られたチャープ量に基づいて補正することを特徴とする、実時間分光装置。
Irradiation means for irradiating a sample with femtosecond white light probe light and / or excitation light of a specific wavelength pulsed light including a plurality of wavelengths,
A spectroscopic means for splitting the transmitted light or reflected light obtained from the sample by the irradiation in two dimensions of the time axis and wavelength axis;
Detection means for two-dimensionally detecting the two-dimensional spectrum;
Two polarizing plates arranged such that the polarization directions are perpendicular to each other with the sample interposed therebetween,
The probe light and / or excitation light has an optical delay time on the sample surface,
The spectroscopic means splits the light delay time as the time axis,
Spectral the time width of the optical delay time in real time,
A real-time spectroscopic device, wherein the time width is corrected based on a chirp amount obtained by the polarizing plate.
複数の波長を含むフェムト秒白色光のプローブ光及び/又は特定波長パルス光の励起光とを試料に重ねて照射する照射手段と、
前記照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、
前記二次元の分光を二次元的に検出する検出手段と、
前記励起光路上に配置した時間遅れ形成手段とを備え、
前記プローブ光及び/又は励起光は、試料面上において光遅延時間を有し、
前記分光手段は、当該光遅延時間を前記時間軸として分光し、
当該光遅延時間の時間幅を実時間で分光することを特徴とする、実時間分光装置。
Irradiation means for irradiating a sample with femtosecond white light probe light and / or excitation light of a specific wavelength pulsed light including a plurality of wavelengths,
A spectroscopic means for splitting the transmitted light or reflected light obtained from the sample by the irradiation in two dimensions of the time axis and wavelength axis;
Detection means for two-dimensionally detecting the two-dimensional spectrum;
A time delay forming means disposed on the excitation light path,
The probe light and / or excitation light has an optical delay time on the sample surface,
The spectroscopic means splits the light delay time as the time axis,
A real-time spectroscopic device characterized in that the time width of the optical delay time is spectroscopically analyzed in real time.
複数の波長を含むフェムト秒白色光のプローブ光及び/又は特定波長パルス光の励起光とを試料に重ねて照射する照射手段と、
前記照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、
前記二次元の分光を二次元的に検出する検出手段と、
前記励起光路上に配置した時間遅れ形成手段と、
前記試料を挟んで偏光方向が互いに直角となるように配置した2枚の偏光板とを備え、
前記プローブ光及び/又は励起光は、試料面上において光遅延時間を有し、
前記分光手段は、当該光遅延時間を前記時間軸として分光し、
当該光遅延時間の時間幅を実時間で分光し、
当該時間幅を前記偏光板によって得られたチャープ量に基づいて補正することを特徴とする、実時間分光装置。
Irradiation means for irradiating a sample with femtosecond white light probe light and / or excitation light of a specific wavelength pulsed light including a plurality of wavelengths,
A spectroscopic means for splitting the transmitted light or reflected light obtained from the sample by the irradiation in two dimensions of the time axis and wavelength axis;
Detection means for two-dimensionally detecting the two-dimensional spectrum;
A time delay forming means disposed on the excitation light path;
Two polarizing plates arranged such that the polarization directions are perpendicular to each other with the sample interposed therebetween,
The probe light and / or excitation light has an optical delay time on the sample surface,
The spectroscopic means splits the light delay time as the time axis,
Spectral the time width of the optical delay time in real time,
A real-time spectroscopic device, wherein the time width is corrected based on a chirp amount obtained by the polarizing plate.
前記照射手段は、フェムト秒の単位のパルス幅を有するフェムト秒レーザーパルスを発生する光源と、前記フェムト秒レーザーパルスから励起光を形成する波長変換素子と、前記フェムト秒レーザーパルスから複数波長を含む白色光のプローブ光を形成する自己位相変調素子とを備えることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載の実時間分光装置。  The irradiation means includes a light source that generates a femtosecond laser pulse having a pulse width in units of femtoseconds, a wavelength conversion element that forms excitation light from the femtosecond laser pulses, and a plurality of wavelengths from the femtosecond laser pulses. The real-time spectroscopic device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a self-phase modulation element that forms white probe light. 前記照射手段は、前記プローブ光及び励起光を試料面上に線状又は帯状に集光すると共に、前記プローブ光又は前記励起光の何れか一方を当該線状又は帯状の集光面においてその長さ方向に光路差を有して入射し、他方を当該線状又は帯状の集光面においてその長さ方向に光路差がないように入射し、前記入射によって集光面上に光遅延時間の時間差を形成することを特徴とする、請求項1に記載の実時間分光装置。  The irradiating means condenses the probe light and excitation light in a linear or strip shape on the sample surface, and lengthens either one of the probe light or the excitation light on the linear or strip condensing surface. The light beam is incident with an optical path difference in the vertical direction, and the other is incident on the linear or belt-shaped light collecting surface so that there is no optical path difference in the length direction. The real-time spectroscopic apparatus according to claim 1, wherein a time difference is formed. 前記照射手段は、前記プローブ光又は前記励起光を前記集光面の法線方向に対して所定角度を有して入射することによって、前記集光面の長さ方向に前記光路差を形成することを特徴とする、請求項5に記載の実時間分光装置。  The irradiation means forms the optical path difference in the length direction of the light collecting surface by making the probe light or the excitation light incident at a predetermined angle with respect to the normal direction of the light collecting surface. The real-time spectroscopic apparatus according to claim 5. 前記照射手段は、前記プローブ光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、前記時間遅れ形成手段を通過したプローブ光を試料面上に点状に集光する光学系と、前記励起光を試料面上に点状に集光する光学系とを備え、前記分光手段は、試料から得られる光を前記光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に分光する光学系とを備えることを特徴とする、請求項1から3の何れか一つに記載の実時間分光装置。  The irradiation means includes a time delay forming means for forming a time delay in the probe light, an optical system for condensing the probe light that has passed through the time delay forming means on a sample surface, and the excitation light as a sample. An optical system that collects light in a spot shape on a surface, and the spectroscopic unit includes an optical system that splits light obtained from a sample in a linear or belt-like manner on the time axis of the optical delay time. The real-time spectroscopic device according to any one of claims 1 to 3. 前記照射手段は、前記プローブ光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、前記時間遅れ形成手段を通過したプローブ光を線状又は帯状に形成し、照射面の長さ方向に垂直に照射する光学系とを備え、前記分光手段は、試料から得られる透過光又は反射光を前記光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に分光する光学系とを備えることを特徴とする、請求項1に記載の実時間分光装置。  The irradiation means forms a time delay forming means for forming a time delay in the probe light, and forms the probe light that has passed through the time delay forming means in a linear shape or a belt shape, and irradiates it perpendicularly to the length direction of the irradiation surface. 2. An optical system, wherein the spectroscopic means includes an optical system that splits transmitted light or reflected light obtained from a sample in a linear or belt-like manner on a time axis of the optical delay time. The real-time spectroscopic device described in 1. 前記検出手段は二次元検出器を備え、一軸方向の配列によって時間軸の分光を検出し、他軸方向の配列によって波長軸の分光を検出することを特徴とする、請求項1から8の何れか一つに記載の実時間分光装置。  9. The detection unit according to claim 1, wherein the detection unit includes a two-dimensional detector, and detects a spectrum on a time axis by an arrangement in a uniaxial direction, and detects a spectrum on a wavelength axis by an arrangement in another axis direction. A real-time spectroscopic device according to any one of the above. 前記照射手段は、プローブ光及び/又は励起光を光学遅延させ、励起光とプローブ光との間に時間差を形成して測定時間の調整する光学遅延手段を備えることを特徴とする、請求項1から9の何れか一つに記載の実時間分光装置。  The said irradiation means is provided with the optical delay means which optically delays probe light and / or excitation light, and forms the time difference between excitation light and probe light, and adjusts measurement time. The real-time spectroscopic device according to any one of 1 to 9.
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