JP3577532B2

JP3577532B2 - 分光分析法及び分光分析装置

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Publication number: JP3577532B2
Application number: JP30833696A
Authority: JP
Inventors: 英夫田代; 智之和田; 和幸赤川
Original assignee: RIKEN
Current assignee: RIKEN
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 2004-10-13
Anticipated expiration: 2016-11-19
Also published as: JPH10148573A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料を分光分析する方法及び装置に関し、特に試料から発せられる発光を測定するための分光分析法及び分光分析装置に関する。
なお、本明細書では、試料から発せられる蛍光とラマン散乱光を総称して発光という。
【０００２】
【従来の技術】
試料に振動数ν_０（光速をｃ、波長をλとするとき、ν_０＝ｃ／λ）のレーザ光を照射すると、±Δνだけ入射光の振動数ν_０よりシフトした振動数成分を有するラマン散乱光が得られる。入射光の振動数ν_０とラマン散乱光の振動数の差±Δνはラマンシフトと呼ばれる。ラマン線のうち入射光の振動数ν_０より振動数の低いラマン線（ν_０−Δν）はストークス線と呼ばれ、入射光の振動数ν_０より振動数の高いのラマン線（ν_０＋Δν）はアンチストークス線と呼ばれる。ラマン散乱は赤外吸収と同様に試料の分子振動の状態を反映するものであるが、赤外吸収で観測できるのは双極子モーメントの変化を伴う分子振動であるのに対し、ラマン散乱は分極率の変化を伴う分子振動によって発生し、両者は異なる情報を与える。また、水溶液試料に対する赤外吸収分析は非常に困難であるのに対し、水のラマンスペクトルは弱いため、ラマン散乱を用いると水に溶解した試料の分析が容易になる利点がある。
【０００３】
ラマン散乱は微弱であるため、ラマン散乱の測定には、光源として高強度の単色光が得られるレーザが用いられる。また、ラマンスペクトル測定用の分光器としては、非常に強度の強いレイリー散乱光からラマン散乱光を分離するために、十分な分解能を有し迷光の少ないモノクロメータとして、２個の回折格子を使用するダブルモノクロメータあるいは３個の回折格子を使用するトリプルモノクロメータが使用される。検出器としては、光電子増倍管を用い、分光器の回折格子を回動することにより波長（波数）走査を行うタイプのものと、オプチカルマルチチャンネルアナライザーを用い一度にスペクトルを測定するタイプのものとがある。また、分光器として干渉型分光器を用いたフーリエラマン分光法も知られている。
【０００４】
ところで、入射光の振動数よりシフトした振動数位置で検出される光としてラマン散乱光以外に蛍光がある。蛍光は試料に混入した不純物から発生する場合もあるが、試料そのものから発生する場合もあり、試料から発生している場合には不純物を除去しても蛍光をゼロにすることはできない。しかも、一般に蛍光はラマン散乱光に比較して強度が著しく強く、ラマン散乱光検出の障害となる。
【０００５】
蛍光の発生を抑制してラマン散乱光を測定する方法として、励起光に蛍光のでない赤外領域の光、例えばＹＡＧレーザからの１．０６μｍの光を用いることが考えられるが、赤外励起ではラマン散乱光も弱くなってしまう。
【０００６】
蛍光を分離したラマンスペクトルの測定法の他の例として、特開昭４９−５９６９３号公報に、波長が変調されたレーザ光を試料に照射し、レーザ光の照射によって試料より発生した光を分光した後検出し、検出された信号のうち交流成分のみを得る方法が記載されている。この方法は、入射レーザ光の波長をシフトさせたとき、ラマン散乱光の振動数は入射レーザ光の波長シフトに伴ってシフトするのに対し、蛍光の波長は入射レーザ光の波長シフトによってはシフトしないことを利用するものである。特開昭５１−８０２８２号公報、特開昭５３−３９１５６号公報にも同様の技術が記載されている。
【０００７】
また、特開昭４９−６０５８２号公報、特公昭５５−３１８９３号公報には、試料から発せられるラマン散乱光の偏光解消度と蛍光の偏光解消度の相違を利用して、蛍光の影響のないラマンスペクトルを得る方法が記載されており、特公昭５１−１１５１１号公報には、ラマン散乱光と蛍光の寿命の差を利用してラマン散乱光と蛍光とを分離することが記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ラマンスペクトルの測定に当たっては、微弱なラマン散乱光をレイリー散乱から分離して高分解能で測定するために、前述のようにダブルモノクロメータやトリプルモノクロメータ等の分光器が使用される。分光器の明るさは分解能と両立せず、高分解能を要求すると明るさが犠牲となって測定に長時間を要することになる。また、分光器は広いスペースを占有し、使用にあたってはスリット幅、走査速度、時定数の設定、波長較正など煩雑な作業が伴う。
【０００９】
また、ラマン分光において蛍光の影響を排除することは重要な問題であるが、前記した従来のラマン散乱光と蛍光とを分離する方法はいずれも分光手段として分光器を使用しており、同様の問題がある。
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、分光器を使用せずに、しかも蛍光の影響を受けずにラマン散乱を簡便に測定できる方法及び装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、従来の方法と同様に、励起レーザ光の波長をわずかに変えるとラマン散乱光はそれに応じて波長が変わるが、蛍光は波長変化しないことを利用してラマン散乱光と蛍光を分離する。ただし、ラマン散乱光を分光する手段としては、分光器を使用せず、干渉フィルター等の狭帯域透過フィルターを１枚だけ用いる。
【００１１】
図１及び図２を用いて本発明の原理を説明する。図１は試料から蛍光が発生していない場合のラマンスペクトルの模式図、図２はラマン線に蛍光が重なったスペクトルの模式図である。
【００１２】
図１（ａ）において、ν_ｅｘは励起光の振動数であり、Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４はラマン線である。励起光の振動数より高い振動数側にはアンチストークス線が現れているが、ここでは励起光の振動数より低い振動数側に現れるストークス線を用いて説明する。ラマン線Ｒ_１は励起振動数ν_ｅｘから振動数Δν_１だけ低い振動数に振動数シフトした位置に現れている。同様に、他のラマン線Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４も、励起光の振動数ν_ｅｘから各々振動数Δν_２，Δν_３，Δν_４だけ低い振動数だけ振動数シフトした位置に現れる。これらのラマンシフトΔν_１，Δν_２，Δν_３，Δν_４は物質に固有の量である。
【００１３】
いま図１（ｂ）に示すように、励起光の振動数を例えばν_ｅｘより高い振動数ν_ｅｘ’に移動すると、ラマン線Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４は励起光の振動数ν_ｅｘ’に対する振動数シフト量Δν_１，Δν_２，Δν_３，Δν_４を一定に保ったまま同様に高い振動数側に移動する。したがって、励起光の振動数を例えば高い振動数側に掃引しながら、干渉フィルターなどの狭帯域透過フィルターを用いて図１（ａ），（ｂ）中に図示した固定の観察振動数ν_ｏｂで試料からの散乱光を観察すると、Δν＝ν_ｅｘ−ν_ｏｂがν_１，ν_２，ν_３，ν_４となるに従ってラマン線Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４が順番に検出されるため、図１（ｃ）に示すようなラマンスペクトルが得られる。
【００１４】
ところが、試料からラマン散乱光とともに蛍光が発生している場合には、上記方法で励起光の振動数を掃引し、固定の観察振動数ν_ｏｂで試料からの散乱光を検出すると、図２（ａ）に実線で示すように、蛍光励起スペクトルＦＬにラマン線Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４が乗ったスペクトルが得られる。
【００１５】
そこで、本発明では、励起レーザ光の振動数を２つの振動数ν_ｅｘ１，ν_ｅｘ２の間に高速でスイッチングする。このときラマン線Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４は、励起振動数のスイッチングと同期して図２（ａ）に示す実線位置と破線位置の間を移動する。一方、蛍光は、励起振動数を高速スイッチングしてもほとんど変化しない。したがって、励起レーザ光の振動数を２つの振動数の間で高速スイッチングしながら例えば振動数の高い側に掃引し、固定の観察振動数ν_ｏｂで検出される信号を励起振動数のスイッチング信号で同期検波することにより、図２（ｃ）に示すようなラマンスペクトルを得ることができる。
【００１６】
また、図２（ａ）のスペクトルから逆に図２（ｂ）に示したラマンスペクトルを除去すると、図２（ｃ）に示すような蛍光励起スペクトルＦＬが得られる。すなわち、本発明は、試料のラマンスペクトルを測定するために利用することができるとともに、試料の精密な蛍光励起スペクトルの測定のためにも利用することができるものである。
【００１７】
ところで、このような方法でラマンスペクトルを検出するためには、高速で振動（励起波長）をスイッチングしながら広範囲にわたって振動数走査を行うことが可能な振動数可変レーザが不可欠である。このためには、本発明者が別途開発した、回転機構などの機械的可動部分を設けることなしに電気的にレーザ発振波長を制御して高速な波長掃引を可能とした電子制御型波長可変レーザ〔以下、ＥＴＴ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＴｕｎｅｄＴｕｎａｂｌｅ）レーザという〕を用いることができる。
【００１８】
ＥＴＴレーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により所定の角度に回折された光線成分に対してのみレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザであり、例えばチタンサファイアをレーザ媒質とした場合、６８０ｎｍ〜１１００ｎｍの波長範囲を１秒以内の時間で波長掃引可能である。また、複屈折性音響光学素子を用いて電気的に波長選択を行うため、波長切換を瞬時に行うことができ、例えば任意の２波長の切換えを１ｍｓ以下の時間で安定に行うことができる。本発明は、この波長可変レーザの開発によって初めて実現可能となったのである。
【００１９】
すなわち、本発明は、波長可変レーザからの単色光を試料に照射し、試料から発せられる発光を測定する分光分析法において、波長可変レーザとして、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザ（ＥＴＴレーザ）を用い、試料から発せられる一定波長の発光強度を測定することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、ＥＴＴレーザ等の波長可変レーザからの単色光を試料に照射し、試料から発せられる発光を観測する分光分析法において、試料に照射される単色光の波長を高速掃引し、所定の波長において試料から発せられる光を観測し、観測波長での発光励起スペクトルを得ることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、波長可変レーザからの単色光を試料に照射し、試料から発せられる光を観測する分光分析法において、試料に照射される単色光の波長を、第１の波長と該第１の波長に対して一定の周波数差を有する第２の波長との間で交互に波長を切換えながらがら波長掃引し、第３の波長において試料から発せられる光を観測し、第３の波長における観測光のうち波長の切り換えと同期して時間変化する成分をラマン散乱光として分離観察することを特徴とする。
【００２２】
このとき、第３の波長とともに該第３の波長と異なる第４の波長において試料から発せられる光を観測し、第３の波長及び第４の波長の周波数差に対する相関性からラマン散乱光を精密に分離することもできる。
波長切り換えによって時間的に変化しない成分は、非ラマン成分として分離観察することができる。
【００２３】
波長可変レーザからの単色光を光ファイバーを通して試料に照射し、試料から発せられる光を光ファイバーを通して観測することで、試料の遠隔測定を行うことが可能である。また、波長可変レーザからの単色光を試料に対して相対的に走査することで、試料の２次元領域における発光の分布を測定することができる。
【００２４】
本発明による分光分析装置は、試料に単色光を照射するための波長可変レーザと、波長可変レーザの発振波長を第１の波長と該第１の波長に対して一定の振動数差を有する第２の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための波長制御手段と、第３の波長を透過する狭帯域透過フィルターと、単色光の照射によって試料から発せられ狭帯域透過フィルターを透過した第３の波長の光を検出する光検出器と、光検出器の検出信号を第１の波長と第２の波長の切り換え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段とを備え、試料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明による分光分析装置は、試料に単色光を照射するための波長可変レーザと、波長可変レーザの発振波長を第１の波長と該第１の波長に対して一定の振動数差を有する第２の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための波長制御手段と、第３の波長を透過する第１の狭帯域透過フィルターと、第３の波長と異なる第４の波長を透過する第２の狭帯域透過フィルターと、単色光の照射によって試料から発せられ第１の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出する第１の光検出器と、第２の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出する第２の光検出器と、第１及び第２の光検出器の検出信号を第１の波長と第２の波長の切り換え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段と、位相同期検波手段の２つの位相同期検波信号を比較する比較手段とを、試料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明による分光分析装置は、試料に単色光を照射するための波長可変レーザと、波長可変レーザの発振波長を第１の波長と該第１の波長に対して一定の振動数差を有する第２の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための波長制御手段と、単色光の照射によって試料から発せられた光を干渉分光する干渉計と、干渉計の出力信号を波長制御手段の波長切り換え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段と、位相同期検波手段の出力をフーリエ変換する手段とを備え、試料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とする。
【００２７】
本発明の分光分析装置に用いる波長可変レーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行うレーザ、すなわちＥＴＴレーザとすると好適である。
【００２８】
波長可変レーザと試料の間及び／又は試料と光検出器の間を結ぶ光ファイバーを備えることで試料の遠隔測定を行うことができる。また、波長可変レーザからの単色光を試料に対して相対的に走査する手段を備えることにより、試料からの発光を２次元的に測定することができる。
【００２９】
本発明によると、分光器を用いることなく、干渉フィルターのように取り扱いの極めて簡易な狭帯域透過フィルターを用いて、蛍光の影響を受けずにラマン散乱光を検出することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
ところで、本発明について説明する前に、まず本発明で用いられ高速波長スイッチング可能な波長可変レーザ（ＥＴＴレーザ）について説明する。複屈折性を示す音響光学結晶中に音響波を励起すると、その結晶に入射された光の中で音響波の周波数に応じた特定の波長の回折光は、音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。図３は、この回折の様子を示す概念図である。
【００３１】
いま、ＴｅＯ_２結晶などの複屈折性を示す音響光学結晶に圧電素子２２を取り付けた複屈折性音響光学素子１００中に、角周波数ωｉの入射光１０２を入射するものとする。さらに、圧電素子２２により複屈折性音響光学素子１００中に角周波数ωａの音響波１０４を励起すると、入射光１０２と音響波１０４との相互作用により、次の〔数１〕で表される角周波数ωｏに周波数シフトした回折光１０６が得られる。なお、入射光１０２は異常光線、回折光１０６は常光線であり、回折光１０６の偏光面は入射光１０２の偏光面と直交している。１０８は非回折光である。
【００３２】
【数１】
ωｏ＝ωｉ＋ωａ
【００３３】
ただし、ωａ≪ωｉ，ωｏであり、ωｉ≒ωｏとみなして差し支えない。
このとき入射光１０２の波数ベクトルをｋｉ、音響波１０４の波数ベクトルをｋａ、回折光１０６の波数ベクトルをｋｏとするとき、位相整合条件より次の〔数２〕で表されるベクトル式が成立する。
【００３４】
【数２】
ｋｏ＝ｋｉ＋ｋａ
【００３５】
図４は、複屈折性音響光学素子１００中を伝播する常光線のｋベクトルと、異常光線のｋベクトルの関係を表示したものである。常光線に対するｋベクトルの大きさは進行方向によらず一定であり、ｋベクトルの終点の軌跡は円になる。一方、異常光線に対するｋベクトルの大きさは複屈折性音響光学素子１００の結晶軸に対する伝播角度によって変化し、ｋベクトルの終点の軌跡は楕円形になる。このｋベクトルの軌跡によって形成される円又は楕円は、波長を変えるとほぼ相似的に拡大又は縮小変化する。図４（ａ）は、波長λ_１において〔数２〕の位相整合条件が成立している状態を示している。図中、Ｖａは結晶中を伝わる音響波１０４の速度であり、音響波１０４の波数ベクトルｋａの大きさは｜ωａ／Ｖａ｜である。
【００３６】
ここで、複屈折性音響光学素子１００中に励起する音響波１０４の周波数ωａ、従って波数ベクトルｋａの大きさを変えると、波長λ_１では〔数２〕の位相整合条件が成立しなくなる。このとき位相整合条件が成立するのは、図４（ｂ）に示すように、波長λ_２になる。このように、位相整合条件を満たす光の波長λと音響波の角周波数ωａとは一対一で対応している。
【００３７】
前述のように、ｋベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の大きさは波長によって変化するが、その形はほとんど変化しない。したがって、波長がλ_１からλ_２に変化して、これにより入射光１０２と回折光１０６のベクトルｋｉ，ｋｏの大きさが変わっても相似形となるため、ベクトル（ｋｏ_１−ｋｉ_１）とベクトル（ｋｏ_２−ｋｉ_２）の向きは平行となる。この結果、ｋａ_１＝ｋｏ_１−ｋｉ_１，ｋａ_２＝ｋｏ_２−ｋｉ_２のベクトルをもつ音響波を音響周波数を変えるだけで入力できる。
【００３８】
複屈折性音響光学素子１００から出射した波数ベクトルｋｏの光を、反射ミラー１１０で反射させて、複屈折性音響光学素子１００中に逆方向から入射させると、図２（ｃ）に示すように、戻ってきた光はまた音響波により回折され、再び入射光ｋｉと逆向きに進む−ｋｉとなって入射光の光路を逆に辿る。
【００３９】
したがって、レーザ媒質１４及び複屈折性音響光学素子１００を挟んで、例えば図５に示すように、全反射ミラー１１０と所定の透過率を有する出射側ミラー１１２を配置すると、全反射ミラー１１０と出射側ミラー１１２により両者の間を特定の波長成分のみをもつ光のみが往復するレーザ共振器が構成される。回折光１０６の波長λｏは、複屈折性音響光学素子１００中に発生される音響波１０４の周波数ωａを変えるとｋａが変わり、ｋｉが選択される結果、波長λｉ＝２π／｜ｋｉ｜が決まる。したがって、複屈折性音響光学素子１００に取り付けられた圧電素子２２をＲＦ電源２０からの所定周波数のＲＦ信号で駆動することにより、レーザ発振波長λｉの制御が可能となる。
【００４０】
また、回折光１０６の回折効率は複屈折性音響光学素子１００中に励起された音響波の強度によって決定されるので、ＲＦ電源２０から出力されるＲＦ信号の振幅を制御することにより回折光１０６の強度、したがってレーザ出力を可変制御することができる。
【００４１】
上では、ｋベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の形は波長によってほとんど変化しないと述べたが、実際には僅かに変化する。そのため、回折角も波長によって僅かに変化して、全反射ミラー１１０と部分透過ミラー１１２によって構成される共振器の条件が変化し、出射レーザ光の方向が僅かに変化する。この回折角の波長依存性は、複屈折性音響光学素子１００と全反射ミラー１１０の間にプリズム等の波長分散補正素子２８を配置することで補償することができ、全ての波長で出射レーザ光の方向を一定にすることができる。
【００４２】
レーザ媒質１４と複屈折性音響光学素子１００の間に配置されたテレスコープ３０は、ビーム径調節用のものであり、複屈折性音響光学素子１００にはテレスコープ３０によって径を拡大された平行光が通過する。この配置によると、レーザ共振器を往復する光はレーザ媒質１４中を収束した光強度の高い光線として通過するため、レーザ効率を低下させることがない。一方、複屈折性音響光学素子１００の位置では単位面積当たりに照射される光強度が低下するため、複屈折性音響光学素子１００の光損傷を抑止することができる。
【００４３】
レーザ媒質としては、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３、ＬｉＳＡＦ、ＬｉＣＡＦ等のレーザ結晶、色素溶液など既知のいずれの波長可変レーザ媒質も用いることができる。
このＥＴＴレーザは、励起レーザ源として連続発振レーザ（ＣＷレーザ）を用いることにより連続発振レーザとすることも、励起レーザ源としてパルスレーザを用いることによりパルス発振レーザとすることもできる。例えばレーザ媒質としてＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３を用いた場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザなどのＮｄ固体レーザの第２高調波及びアルゴンイオンレーザを用いることができ、レーザ媒質としてＬｉＳＡＦレーザ結晶、ＬｉＣＡＦレーザ結晶などを用いた場合には半導体レーザやクリプトンイオンレーザを用いることができる。
【００４４】
レーザ媒質内の、励起レーザによる励起体積とレーザ共振器内の光モード体積とを整合させるようにして効率を高め、励起入力を低くすることにより、出力の高くとれない高繰り返しパルス励起レーザや連続発振レーザも励起レーザに利用できる。例えば、レーザ共振器をＺホールド型のレーザ共振器やＸホールド型のレーザ共振器とし、レーザ共振器内の光路に沿って励起レーザ光を導入することで、励起光を効率よく利用して低エネルギーの励起光でレーザ発振を生じさせることができる。
【００４５】
図６は、Ｚホールド型のレーザ共振器を用いたＥＴＴレーザの例を示す概略図である。Ｚホールド型のレーザ共振器は所定の透過率を有する出射側ミラー１１２と全反射ミラー１１０を備える。さらに、励起レーザ光Ａを入射させるとともに出射側ミラー１１２と全反射ミラー１１０との間を往復する光Ｂを反射する第１中間ミラー３７と、出射側ミラー１１２と全反射ミラー１１０との間を往復する光Ｂを反射する第２中間ミラー３８を備えており、レーザ共振器内を往復する光Ｂの光路はアルファベットのＺ字形状とされる。
【００４６】
励起レーザ３２によって発生された励起レーザ光Ａは、全反射ミラー３４により全反射集光ミラー３６に反射され、全反射集光ミラー３６により集光されて第１中間ミラー３７を介してレーザ媒質１４を縦方向同軸励起するように入射される。出射側ミラー１１２から出射させたい出射レーザ光Ｃの波長（周波数ωｉ）に応じて、ＲＦ電源２０の周波数ωａをパーソナル・コンピュータ２６により制御し、圧電素子２２を駆動する。
【００４７】
このようにすると、レーザ媒質１４から出射して複屈折性音響光学素子１００に入射された広範囲の波長帯域の光の中で、ＲＦ電源２０の周波数に応じた波長の光は、複屈折性音響光学素子１００で回折光Ｄ（周波数ωｏ）として回折される。この回折光Ｄは、回折角の波長分散補正用プリズム２８を介して全反射ミラー１１０に垂直入射し、全反射ミラー１１０で反射されてＺ字形状の光路を辿ってレーザ共振器内を往復する（レーザ媒質１４の位置では角周波数ωｉ）。したがって、ＲＦ電源２０の周波数に応じた波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、レーザ共振器から当該波長の出射レーザ光Ｃ（周波数ωｉ）を出射させる。
【００４８】
図７は、図６に示したＥＴＴレーザの波長可変特性を示すものである。レーザ媒質１４としてＴｉ：Ａｌ_２Ｏ_３結晶を用い、励起レーザ３２としてＣＷ−ＱスイッチパルスＮｄ：ＹＬＦレーザを用い、その第２高調波を励起レーザ光Ａとして用いた。励起レーザ光Ａの波長は５２３ｎｍ、パルスの繰り返し周波数は１ｋＨｚ、１パルス当たりの出力は１００μＪとした。また、全反射集光ミラー３６の直径は２００ｍｍとし、第１中間ミラー３７及び第２中間ミラー３８の半径は１００ｍｍとし、出射側ミラー１１２を反射率９７％（透過率３％）とした。レーザ媒質１４で励起領域と共振器モード径は数十μｍまで絞られ、全反射集光ミラー３６によりこの領域に励起レーザ光Ａを集光することによって、励起効率の向上が図られる。図７から明らかなように、波長可変域は約７４０ｎｍ〜約８７０ｎｍである。回折角の波長分散補正用プリズム２８を設けたことにより、レーザの波長同調時に観測されるビームの振れは、観測限界以下であった。
【００４９】
図８は、本発明による分光分析装置の一例の概略構成図である。波長可変レーザ４０から発生された単色レーザビームＬＢは、試料Ｓに入射される。試料Ｓから発生された散乱光は、コリメータレンズ４３で平行光とされたのち、振動数ν_ｏｂを中心とする狭帯域の振動数のみを透過させる干渉フィルター等の狭帯域透過フィルター４４に入射する。狭帯域透過フィルター４４を透過した光線は、光電子増倍管等の光検出器４５で検出される。光検出器４５の出力は、ロックイン増幅器４６に供給される。ロックイン増幅器４６の出力は信号処理装置４７に供給され、信号処理された結果はＣＲＴ等の表示装置４８に表示される。
【００５０】
一方、波長可変レーザ４０は、制御装置４１の制御を受けて第１の振動数ν_ｅｘ１と、第１の振動数ν_ｅｘ１に対して一定の振動数差Δν_ｅｘを有する第２の振動数ν_ｅｘ２の２つの振動数で交互に発振するように波長スイッチングされる。この第１の振動数ν_ｅｘ１及び第２の振動数ν_ｅｘ２は、一定の振動数差Δν_ｅｘを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引される。第１の振動数ν_ｅｘ１と第２の振動数ν_ｅｘ２の振動数差Δν_ｅｘは任意の値でよいが、通常はラマンスペクトル幅よりわずかに広くなるように選定されている。制御装置４１からの制御信号は、またロックイン増幅器４６に同期信号として入力される。
【００５１】
図９（ａ）は、波長可変レーザ４０の出力を模式的に示した図である。横軸は時間軸である。図示するように、波長可変レーザ４０は制御装置４１による制御を受けて第１の振動数ν_ｅｘ１と第２の振動数ν_ｅｘ２（＝ν_ｅｘ１＋Δν_ｅｘ）で交互にレーザ発振する。本発明で用いる波長可変レーザ４０は、１ｍｓ程度の波長スイッチング周波数ｆ（＝１／ｔ）で２波長を切り換えることが可能である。
【００５２】
図９（ｂ）は、検出器４５の出力信号を模式的に示した図である。検出器４５によって測定される光は、狭帯域透過フィルター４４を透過した第３の振動数ν_ｏｂ（固定振動数）を中心とする狭帯域の散乱光成分である。検出器４５の検出出力Ｉ_１は、第１の振動数ν_ｅｘ１のレーザ光ＬＢで照射されたとき試料Ｓから発生された散乱光検出信号に対応し、検出信号Ｉ_２は第２の振動数ν_ｅｘ２のレーザ光ＬＢで照射されたとき試料Ｓから発生された散乱光検出信号に対応する。
【００５３】
励起光の振動数が第１の振動数ν_ｅｘ１と第２の振動数ν_ｅｘ２の間で変化するとき、狭帯域透過フィルター４４を透過して光検出器４５で受光される蛍光強度はほとんど変化しないため、検出出力Ｉ_１に対する蛍光の寄与分と検出出力Ｉ_２に対する蛍光の寄与分は等しい。一方、ラマン散乱光の振動数は、図２（ａ）に示したように励起光の振動数変化に応じて変化し、例えば第１の振動数ν_ｅｘ１のレーザ光ＬＢで励起したときラマン線の振動数がちょうど観察振動数ν_ｏｂに合致していて検出器５５で検出されたとしても、第２の振動数ν_ｅｘ２のレーザ光ＬＢで励起した際には、Δν_ｅｘがラマンスペクトル幅より大きく、ラマン線の振動数は観察振動数ν_ｏｂから外れるため検出器４５で検出されなくなる。すなわち、ラマン散乱光は検出出力Ｉ_１には寄与しているが、検出出力Ｉ_２には寄与していない。したがって、図９（ｂ）に略示するように、周波数ｆ／２の信号成分をロックイン増幅器４６で位相同期検波することにより、検出器４５の検出信号からラマン成分を分離して計測することができる。
【００５４】
ラマンスペクトルを測定するには、周波数可変レーザ４０から発生される単色レーザビームＬＢの振動数を、第１の振動数ν_ｅｘ１と第２の振動数ν_ｅｘ２の振動数差Δν_ｅｘ（＝ν_ｅｘ１−ν_ｅｘ２）を一定に保って２つの振動数で交互にスイッチングしながら振動数の高い方向又は振動数の低い方向に連続して掃引する。
【００５５】
図１０は、このような振動数掃引を行ったときロックイン増幅器４６から得られた出力を模式的に示した図である。あるストークス線のラマンシフトをΔν_Ｒとすると、ν_ｅｘ１又はν_ｅｘ２の励起でν_ｏｂのラマン線が観測されるとき、次の〔数３〕の関係を満たす。
【００５６】
【数３】
Δν_Ｒ＝ν_ｅｘ１−ν_ｏｂ，
Δν_Ｒ＝ν_ｅｘ２−ν_ｏｂ
【００５７】
したがって、波長可変レーザ４０の振動数を掃引し、振動数ν_ｅｘ１又はν_ｅｘ２が上記〔数３〕の共鳴関係を満たすとき、大きなラマン信号ΔＩが得られる。位相同期検波するロックイン増幅器４６の設定により、振動数ν_ｅｘ１が共鳴しているときにはΔＩ＞０、振動数ν_ｅｘ２が共鳴しているときにはΔＩ＜０となるものとすると、図１０中の正のピークＰ_２，Ｐ_４，Ｐ_６，Ｐ_８は、ν_ｅｘ１の共鳴に基づくピークであり、負のピークＰ_１，Ｐ_３，Ｐ_５，Ｐ_７はν_ｅｘ２の共鳴に基づくピークである。１つのラマン線に対してロックイン増幅器４６からは一定の振動数差Δν_ｅｘ（＝ν_ｅｘ１−ν_ｅｘ２）をもって出現する正と負の一対のピークが得られ、異なるラマン線に対して同様のピーク対（Ｐ_１，Ｐ_２），（Ｐ_３，Ｐ_４），（Ｐ_５，Ｐ_６），（Ｐ_７，Ｐ_８）が得られる。
【００５８】
信号処理装置４７は、ロックイン増幅器４６から出力された正の信号ピーク列Ｐ_２，Ｐ_４，Ｐ_６，Ｐ_８を、観察振動数ν_ｏｂと各ピークが出現したときの励起振動数ν_ｅｘ１との差Δν（＝ν_ｏｂ−ν_ｅｘ１）を横軸にとって配列し直したものを試料Ｓのラマンスペクトルとして表示装置４８に表示する。正の信号ピーク列の代わりに負の信号ピーク列Ｐ_１，Ｐ_３，Ｐ_５，Ｐ_７に対して同様の処理を施しても同じラマンスペクトルを得ることができる。さらに、信号処理装置４７において、正の信号ピーク列Ｐ_２，Ｐ_４，Ｐ_６，Ｐ_８から得られたラマンスペクトルの波形と信号ピーク列Ｐ_１，Ｐ_３，Ｐ_５，Ｐ_７から得られたラマンスペクトルの波形とを比較し、両方の波形が重なり合う部分のみをラマンスペクトルとして表示装置４８に出力することもできる。この場合、２つのスペクトル波形が重ならない部分はノイズとみなすことができる。
【００５９】
図１１は、散乱光を２種類の振動数で観察することにより、ラマンスペクトルの測定精度を更に上げた分光分析装置の例を示す概略構成図である。
ＥＴＴレーザ等の波長可変レーザ４０は、制御装置４１の制御を受けて第１の振動数ν_ｅｘ１と、第２の振動数ν_ｅｘ２で交互に発振する。第２の振動数ν_ｅｘ２は、第１の振動数ν_ｅｘ１に対して一定の振動数差Δν_ｅｘを有し、第１の振動数ν_ｅｘ１及び第２の振動数ν_ｅｘ２は、一定の振動数差Δν_ｅｘを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引される。
【００６０】
波長可変レーザ４０から発生された単色レーザビームＬＢは、試料Ｓに入射される。試料Ｓから発生された散乱光は、コリメータレンズ４３ａで平行光とされたのち、振動数ν_ｏｂ１を中心とする狭帯域の振動数の光のみを透過させる干渉フィルター等の狭帯域透過フィルター４４ａに入射する。狭帯域透過フィルター４４ａを透過した光線は、光電子増倍管等の光検出器４５ａで検出される。試料Ｓから発生された散乱光は、同時に、コリメータレンズ４３ｂで平行光とされたのち、振動数ν_ｏｂ１と異なる第２の振動数ν_ｏｂ２を中心とする狭帯域の振動数の光のみを透過させる狭帯域透過フィルター４４ｂを透過して光検出器４５ｂで検出される。光検出器４５ａ，４５ｂの出力はロックイン増幅器４６に供給される。
【００６１】
ロックイン増幅器４６は、制御装置４１からの制御信号を同期信号として、光検出器４５ａ，４５ｂの出力信号を位相同期検波する。信号処理装置４７は、光検出器４５ａの出力信号を位相同期検波したロックイン増幅器４６の出力信号から前述のようにして試料Ｓのラマンスペクトルを求め、また、同様に光検出器４５ｂの出力信号を位相同期検波したロックイン増幅器４６の出力信号から試料Ｓのラマンスペクトルを求める。そして、これら２つのラマンスペクトルを比較し、周波数の差に対して相関の強いものを真のラマンスペクトルとし、相関の弱いものをノイズとして、ノイズを除去したスペクトルをＣＲＴ等の表示装置４８に表示する。この分光分析装置によると、ラマン観測精度を上げて試料Ｓの精密なラマンスペクトルを求めることができ、観測時間も短縮することができる。
【００６２】
図１２は、干渉型分光器を用いた本発明の分光分析装置の例を示す概略構成図である。
ＥＴＴレーザ等の波長可変レーザ４０は、制御装置４１の制御を受けて第１の振動数ν_ｅｘ１と、第２の振動数ν_ｅｘ２で交互に発振する。第２の振動数ν_ｅｘ２は、第１の振動数ν_ｅｘ１に対して一定の振動数差Δν_ｅｘを有し、第１の振動数ν_ｅｘ１及び第２の振動数ν_ｅｘ２は、一定の振動数差Δν_ｅｘを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引される。
【００６３】
可変レーザ４０から発生された波長λ_１とλ_２の２波長交互発振レーザビームＬＢは試料Ｓに入射され、試料Ｓから発生された散乱光は、コリメータレンズＬで平行光とされたのち、固定ミラーＭ_１、移動ミラーＭ_２及びハーフミラーＨＭを備える干渉型分光器に入射する。試料Ｓからの散乱光は、ハーフミラーＨＭで固定ミラーＭ_１に入射する成分と移動ミラーＭ_２に入射する成分とに分割され、固定ミラーＭ_１で反射された成分と移動ミラーＭ_２で反射された成分は再びハーフミラーＨＭで結合され、光検出器Ｄ上で干渉する。
【００６４】
制御装置４１からの制御信号は、ロックイン増幅器４６にも入力され、ロックイン増幅器４６は光検出器Ｄの出力信号を波長交互発振の切り替え周波数ｆで位相同期検波する。Δλ（＝λ_１−λ_２）は小さく、ラマン散乱光は波長切り換えにより波長シフトするが蛍光は波長シフトしないため、同期検波された成分はラマン散乱出力成分となる。ロックイン増幅器４６の出力は信号処理装置４７に供給され、移動ミラーＭ_２を掃引しながら検出した出力をフーリエ変換することによって得られたスペクトルはＣＲＴ等の表示装置４８に表示される。こうして、試料Ｓのラマンスペクトルが得られる。
【００６５】
図１３は、ＥＴＴレーザ等の波長可変レーザ４０と試料Ｓ、及び試料Ｓと光検出器５５の間を光ファイバー５２ａ，５２ｂで結ぶことにより遠隔測定を可能にした分光分析装置の一例を示す説明図である。
【００６６】
ＥＴＴ等の波長可変レーザ４０からの出射光は、光結合器５１ａから送光用の光ファイバー５２ａに入射し、送光用光ファイバー５２ａ中を通って他端の照射用光結合器５１ｂから出射し、試料Ｓを照射する。試料Ｓで散乱された光は受光用光結合器５１ｃから受光用の光ファイバー５２ｂに入射し、受光用光ファイバー５２ｂの他端に設けられた光結合器５１ｄ中に狭帯域透過フィルター５４を透過したのち光電子増倍管等の光検出器５５で検出される。光検出器５５の出力信号はロックイン増幅器４６に入力される。
【００６７】
前述のように、制御装置４１によって波長可変レーザ４０の発振波長を第１の振動数ν_ｅｘ１と、第１の振動数ν_ｅｘ１に対して一定の振動数差Δν_ｅｘを有する第２の振動数ν_ｅｘ２の２つの振動数で交互に発振するように波長スイッチングし、同時に第１の振動数ν_ｅｘ１及び第２の振動数ν_ｅｘ２を、一定の振動数差Δν_ｅｘを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引する。このとき、制御装置４１の制御信号をロックイン増幅器４６に入力して、光検出器５５の出力信号を位相同期検波することにより、信号処理手段４７で試料Ｓのラマンスペクトルを求め、表示装置４８に表示することができる。
【００６８】
このように波長可変レーザ４０と試料Ｓ、及び試料Ｓと光検出器５５の間を光ファイバー５２ａ，５２ｂで結ぶ方法は、試料Ｓに対して波長可変レーザ４０及び他の計測機器５５，４６，４７，４８を分離して設置しなければならない場合に有効である。そのような測定が必要とされる場合の例として、隔離された病室、高温又は低温エリア、電磁ノイズ等の大きなエリアでの測定が挙げられる。この方法によると、複数箇所に設定された測定位置での試料測定を測定位置から数十メートルあるいは数百メートル離れた測定室において集中的に行うことができる。
【００６９】
図１４は、試料からのラマン散乱光の２次元分布を測定する分光測定装置の概略説明図である。
試料Ｓは試料台６１に保持され、試料台６１に組み込まれたモータ等の駆動手段によってＸＹ方向に移動可能になっている。ＥＴＴレーザ等の波長可変レーザ４０は、制御装置４１によって制御され、第１の振動数ν_ｅｘ１と、第１の振動数ν_ｅｘ１に対して一定の振動数差Δν_ｅｘを有する第２の振動数ν_ｅｘ２の２つの振動数で交互に発振するように波長スイッチングされ、同時に一定の振動数差Δν_ｅｘを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引される。
【００７０】
波長可変レーザ４０から出射された単色レーザ光ＬＢは、反射ミラー６２ａによって反射され、集束レンズ６３ａによって細く絞られて試料Ｓ上の微小領域に斜め方向からスポット照射される。試料Ｓの微小領域で散乱されたレーザ光は集光レンズ６３ｂによって集光され、反射ミラー６２ｂで反射されて光検出器６５に入射する。光検出器６５の出力信号はロックイン増幅器４６に入力され、制御装置４１の制御信号に位相同期して検波され、その出力信号は信号処理手段４７に入力され、信号処理によってラマンスペクトルが求められる。
【００７１】
試料台制御装置６９は試料台６１をＸＹ方向に駆動することによって試料Ｓ上でのレーザビームＬＢの照射位置を変更し、試料Ｓの各位置でのラマンスペクトルを求める。信号処理手段４７は、試料台制御装置６９から試料Ｓ上でのレーザビーム照射位置情報を供給され、ＣＲＴ等のモニター４８に特定のラマン線強度の２次元分布を表示する。このように、試料Ｓ上でのレーザ光照射位置を２次元走査することで、試料表面のラマン画像を求めることができる。
【００７２】
なお、ここでは励起波長をわずかに変えてラマン光と蛍光とを分離する方法として、周波数スイッチングの効果を使ってロックインアンプ方式により検出する方法について主に説明した。しかし、この方法は、オプチカルマルチチャンネルアナライザーを用いて一度にスペクトルを測定するタイプの通常のラマン分光法に、λ_ｅｘ１，λ_ｅｘ２励起光に対するスペクトルの差分分析を使うことにより同様に適用できるのは明らかである。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によると、分光器を用いることなく、干渉フィルターのような取り扱いの極めて簡易な狭帯域透過フィルターを用いて、蛍光の影響を受けずにラマン散乱光を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】試料から蛍光が発生していない場合のラマンスペクトルの模式図。
【図２】ラマン線に蛍光が重なったスペクトルの模式図。
【図３】複屈折性音響光学素子による波長選択作用を説明する概念図。
【図４】複屈折性音響光学素子中を伝播する常光線のｋベクトルと、異常光線のｋベクトルを表示した図。
【図５】ＥＴＴレーザの他の例の説明図。
【図６】Ｚホールド型共振器を用いたＥＴＴレーザの説明図。
【図７】図６に示したＥＴＴレーザの波長可変特性を示す図。
【図８】本発明による分光分析装置の一例の概略構成図。
【図９】（ａ）は振動数可変レーザの出力を模式的に示した図、（ｂ）は検出器の出力信号を模式的に示した図。
【図１０】ロックイン増幅器の出力を模式的に示した図。
【図１１】観察振動数を２種類とした分光分析装置の例を示す概略構成図。
【図１２】干渉型分光器を用いた分光分析装置の例を示す概略構成図。
【図１３】波長可変レーザと試料、及び試料と光検出器の間を光ファイバーで結んだ分光分析装置の一例を示す説明図。
【図１４】試料からのラマン散乱光の２次元分布を測定する分光測定装置の概略説明図。
【符号の説明】
１４…レーザ媒質、２０…ＲＦ電源、２２…圧電素子、２４…励起レーザ光、２６…パーソナル・コンピュータ、２８…プリズム、３０…テレスコープ、３２…励起レーザ、４０…波長可変レーザ、４１…制御装置、４３…コリメータレンズ、４４，４４ａ，４４ｂ…狭帯域透過フィルター、４５，４５ａ，４５ｂ…光検出器、４６…ロックイン増幅器、４７…信号処理装置、４８…表示装置、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ…光結合器、５４…狭帯域透過フィルター、５５…光検出器、５２ａ，５２ｂ…光ファイバー、６１…試料台、６２ａ，６２ｂ…反射ミラー、６５…光検出器、６９…試料台制御装置、１００…複屈折性音響光学素子、１０４…音響波、１０６…回折光、１１０…全反射ミラー、１１２…出射側ミラー

Claims

波長可変レーザからの単色光を試料に照射し、試料から発せられる光を観測する分光分析法において、
前記試料に照射される単色光の波長を、第１の波長と該第１の波長に対して一定の周波数差を有する第２の波長との間で交互に波長を切り換えながら波長掃引し、第３の波長において前記試料から発せられる光を観測し、前記第３の波長における観測光のうち前記波長の切り換えと同期して時間変化する成分をラマン散乱光として分離観察することを特徴とする分光分析法。
前記第３の波長とともに該第３の波長と異なる第４の波長において前記試料から発せられる光を観測し、前記第３の波長及び第４の波長の周波数差に対する相関性を用いてラマン散乱光を分離することを特徴とする請求項１記載の分光分析法。
前記波長切り換えによって時間的に変化しない成分を非ラマン成分として分離観察することを特徴とする請求項１記載の分光分析法。
前記波長可変レーザとして、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子と前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザを用い、
前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子は、音響周波数の選択により音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす回折光が、所定の光軸から偏向するという回折角の波長分散を補正するように設計されたプリズムであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の分光分析法。
前記波長可変レーザからの単色光を光ファイバーを通して試料に照射し、試料から発せられる光を光ファイバーを通して観測することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の分光分析法。
前記波長可変レーザからの単色光を前記試料に対して相対的に走査し、試料の２次元領域における発光の分布を測定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の分光分析法。
試料に単色光を照射するための波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの発振波長を第１の波長と該第１の波長に対して一定の振動数差を有する第２の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための波長制御手段と、
第３の波長を透過する狭帯域透過フィルターと、
前記単色光の照射によって試料から発せられ前記狭帯域透過フィルターを透過した前記第３の波長の光を検出する光検出器と、
前記光検出器の検出信号を前記第１の波長と第２の波長の切り換え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段とを備え、
試料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とする分光分析装置。
試料に単色光を照射するための波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの発振波長を第１の波長と該第１の波長に対して一定の振動数差を有する第２の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための波長制御手段と、
第３の波長を透過する第１の狭帯域透過フィルターと、
前記第３の波長と異なる第４の波長を透過する第２の狭帯域透過フィルターと、
前記単色光の照射によって試料から発せられ前記第１の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出する第１の光検出器と、
前記第２の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出する第２の光検出器と、
前記第１及び第２の光検出器の検出信号を前記第１の波長と第２の波長の切り換え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段と、
前記位相同期検波手段の２つの位相同期検波信号を比較する比較手段とを備え、
試料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とする分光分析装置。
前記波長可変レーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子と前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行うものであり、
前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子は、音響周波数の選択により音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす回折光が、所定の光軸から偏向するという回折角の波長分散を補正するように設計されたプリズムであることを特徴とする請求項７又は８記載の分光分析装置。
前記波長可変レーザと前記試料の間及び／又は前記試料と前記光検出器の間を結ぶ光ファイバーを備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項記載の分光分析装置。
前記波長可変レーザからの単色光を前記試料に対して相対的に走査する手段を備えることを特徴とする請求項６〜１０のいずれか１項記載の分光分析装置。