JPH0315745A - 光波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料にレーザ光を照射して、試料から出る被
測定光の光波形を測定する光波形測定装置に関するもの
である。

〔従来の技術〕

試料にレーザ光を照射して、試料から出る被測定光の光
波形を測定する光波形測定装置の一例として、例えば、
時間相関単一光子計数法を用いて螢光寿命を測定するこ
との出来る装置が知られている。

この時間相関単一光子計数法を簡単に説明する。

試料に持続時間の十分に短い光パルスを照射し、この照
射によって試料から放出される螢光の光子を検出し、光
パルスを照射してから螢光の光子を検出するまでの時間
を計測する。なお、１回の光パルス照射に対して高々１
個の光子が検出される程度に調整されている。そして、
この時間計測を多数回繰り返し（精度の高い結果を得る
には百万回程度の繰り返しを行い）、得られた多数のデ
ータをヒストグラムに表すことにより試料の螢光寿命特
性（光波形）を得る。

このような螢光寿命特性を得るための螢光寿命測定装置
を含め、光波形測定装置は、螢光寿命特性等の光波形を
測定するために必要な光源や光検出器を備えている。

ところで、これら光波形測定装置の光源として、従来か
らフラッシュランプや気体レーザなどが用いられていた
が、最近では小型で使い勝手のよい半導体レーザが徐々
に用いられるようになってきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、現在のところ実用化されている半導体レーザの
波長は、６００ｎｍ以上であり、これ以下の波長を持つ
光パルスを試料に照射したい場合には、やはり大掛かり
な装置を必要とする気体レーザ等を用いていた。この為
、短波長の光パルスを試料に照射しようとする場合には
、装置が大型化するという課題を有していた。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の光波形測定装置は
、光パルス光源として半導体レーザを用い、その半導体
レーザから出力されたレーザ光を短波長化して試料に照
射する波長変換手段を備えている。更に、本発明の光波
形測定装置においては、試料への照射光強度が微弱とな
り過ぎることを防止することを目的として、波長変換手
段を波長変換されることなく透過する基本波レーザ光を
検出する第１の光検出器と、この第１の光検出器の出力
に基づき試料から出る被測定光の光波形を測定する測定
手段とを備えている。

〔作用〕

このような構成とすることによって、半導体レーザから
放射され、波長変換手段によって短波長化された光が試
料に照射されるようになる。この短波長化された光の照
射によって試料から被測定光が放射され、その光波形は
、測定手段によって測定される。一方、波長変換手段を
透過した基本波レーザ光は、短波長化された光と同一タ
イミングで出力され、第１の光検出器によって検出され
る。したがって、この第１の光検出器の検出出力に基づ
いて光波形の測定をすることによって、正確な光波形の
測定が可能となる。

〔実施例〕

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図である。

半導体レーザ（レーザダイオード）１は、パルス電源２
から立ち上がりの早い電流パルスによって励起され、持
続時間がｉｎｓ以下の十分に短い光パルス（パルス状の
レーザ光）９を出力する。この半導体レーザ１から出力
される光バルス９は、本実施例では波長が８２０ｎｍの
赤色のレーザ光であり、波長変換手段１０に入射される
。

波長変換手段１０は、非線形光学効果を持つ光学結晶材
料（例えばニオプ酸リチウム［ＬｉＮｂＯ３コ）からな
り、入射されるレーザ光９の２分の１の波長を持つレー
ザ光すなわち波長４１０ｎｍの青色の第２高調波１２を
出力する。そして、この第２高調波１２の出力方向には
試料３が置かれており、試料３は波長変換手段１０から
の第２高調波１２を受けて螢光を発する。

このように、波長変換手段１０で短波長化されたレーザ
光を試料３に照射して試料励起用の光として使用するこ
とにより、小型で使い勝手のよい半導体レーザ１を光源
としたままで、それまで半導体レーザでは得られなかっ
た短い波長のレーザ光を試料３に照射することができる
ようになっている。

ところで、時間相関単一光子計数法を行なうためには、
光パルスを試料に照射してから螢光の光子を検出するま
での時間を正確に検出する必要があり、そのために時間
計測の開始の基準となる計測開始信号を光パルス照射毎
に得る必要がある。

この計測開始信号を得るために、従来は試料３に対して
照射する光パルスを半透明鏡などで分岐し、この分岐し
た光を光検出器などで検出し、この検出出力を計測開始
信号としていた。このように光学的セットアップの必要
な半透明鏡などを敢えて用いるのは、光パルス光源を駆
動する電気パルスを計測開始信号として直接用いると、
パルス光源部の温度変化などによるドリフトがあるため
に、光パルスの実際の照射時刻と計測開始信号との間の
時間を一定に保つことができないためである。

ところが、波長変換手段１０から出力される第２高調波
１２の光強度は、波長変換手段１０に入射するレーザ光
９の光強度の１〜２％であり、かなり微弱である。その
ため、上述のように、試料３に照射する光パルスである
第２高調波１２を半透明鏡などで分岐して計測開始信号
を得ようとすると、試料３への照射光強度及び計測開始
信号用に分岐された光の強度は極めて弱いものとなって
しまう。

そこで、本発明では波長変換手段１０を透過して出力さ
れる基本波１１が、第２高調波１２と同一のタイミング
であること及びその光強度が強いことに着目し、この基
本波１１を利用して計測開始信号を得ている。すなわち
、波長変換手段１０の基本波ｌ１が出力される方向には
、例えばホトダイオードなどで構成された第１の光検出
器４が設けられており、その検出出力は、計測開始信号
として、時間電圧変換器（ｔｉｍｅ−ｔｏ−ａＩＩｐｌ
ｉｔｕｄｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　；　Ｔ　Ａ　Ｃ　）　
５のスタート端子に入力される。

一方、波長変換手段１０から放射された第２高調波１２
が試料３に照射されると、この試料３から螢光の光子１
３が出力される。第２の光検出器６はこの螢光の光子１
３を検出する手段であり、例えば光電子増倍管などから
なる。この光検出器６の検出出力はＴＡＣ５のストップ
端子に入力される。なお、ここでは、試料３が数十回の
光パルスの照射を受けて初めて光子１３が１個検出され
るような条件に設定されている。

ＴＡＣ５は、スタート端子に入力された信号とストップ
端子に入力された信号との間の時間差に比例する高さを
持つ電圧パルスを出力する装置である。したがって、そ
の出力は、実際には、レーザ光及び検出出力の伝播時間
分の遅れがあるものの、半導体レーザ１の光パルス照射
から試料３の螢光光子放出までの時間に対応する高さを
持つ電圧パルスとなる。なお、前述したように、数十回
の照射に対して光子ｌ３が１個検出されるような条件に
なっているので、ＴＡＣ５から電圧パルスが出力される
のは、数十回の計測開始信号を入力した中の１回だけで
ある。

ＴＡＣ５の出力端子は波高分析器（ｐｕｌｓｅｈｅｉｇ
ｈｔ　ａｎａｌｌｚｅｒ；　Ｐ　Ｈ　Ａ　）　７の入力
端子に接続されている。このＰＨＡ７は、入力される電
圧パルスの高さをデジタル化して記憶し、パルスの高さ
別にその個数を計数する装置であり、ＴＡＣ５と共に螢
光寿命特性算出手段８を構成している。

第２図は、ＴＡＣ５から多数回の電圧パルスをＰＨＡ７
に与えたときのＰＨＡ７での計数結果の一例を図示した
ものであり、横軸を電圧パルスの高さに応じた時間、縦
軸をその電圧パルスの個数としている。この図において
、縦軸はその時刻に光子１３が検出される確率を示して
おり、その値はその時刻の螢光強度に比例することとな
る。したがって、この図は、そのまま螢光強度の時間変
化すなわち螢光寿命特性を表すことになる。実際には、
百万から数千万回の光パルス照射を行い、１００万個程
度の光子を検出し終えるまで測定を続け、その測定結果
に基づいて螢光寿命特性を算出する。

第３図は、上述した実施例と異なる本発明の一実施例の
ブロック図である。なお、上述した実施例と同一の部分
には、同一の符号を付してその説明を省略する。

この実施例においては、ＴＡＣ５、ＰＨＡ７及び光検出
器６の代わりにストリークカメラ５ｏを用いている。こ
のストリークカメラの構造及び動作について、第４図を
参照して簡単に説明しておく。第４図に示したように、
ストリークカメラ５０は、ストリーク管５２とストリー
ク管によって得られるストリーク像を撮像するカメラ５
３とから構成されている。試料から放射され、ストリー
クカメラによって測定される被測定光５１は、スリット
（図示せず）、レンズ（図示せず）等の入力光学系を通
って、ストリーク管５２の光電面５５に達する。光は光
電面５５で電子に変換され、変換された電子は、加速電
極５６によって加速され、偏向仮５７の間を通過してマ
イクロチャネルプレート（ｍｉｃｒｏ　ｃｈａｎｎｅｌ
　ｐｌａｔｅ　；　Ｍ　Ｃ　Ｐ　）　５　８に導かれる
。電子は、偏向板５７の間を通過するときに、偏向板５
７相互間に印加される掃引電圧によって掃引され、ＭＣ
Ｐ５８に到達する。ＭＣＰ５８に達した電子は、ここで
増倍され螢光而６０を発光させ、ストリーク像を形成す
る。このストリーク像を螢光面６０の後方に配置したカ
メラ５３によって撮像できるようになっている。ところ
で、掃引電圧を偏向板５７に印加するタイミングは、電
子が偏向板５７の間を通過するのに合わせる必要がある
。この為、ストリークヵメラ５０には、第１の光検出器
４の検出出力が掃引動作開始のためのトリガ信号として
入力されており、この入力に対応して掃引電圧発生器６
２が掃引電圧を発生し、これを偏向板５７に印加するよ
うになっている。

そして、波長変換手段１０から第２高調波１２が試料３
に照射されると、試料３から被測定光５１が放射される
。この被測定光５１はストリークカメラ５０に入射し、
ストリークカメラ５０によって、試料３から放射される
被測定光５１の光強度の時間的変化（光波形）がストリ
ーク像として測定されるようになっている。

この測定を繰り遍して行ない、得られたストリーク像を
画像処理装置（図示せず）などにより積算して、信号対
雑音比（Ｓ／Ｎ比）の良いストリーク像すなわち被測定
光の光波形を得ることができるようになっている。

なお、第３図及び第４図に示したストリークヵメラ５０
の代わりに、サンプリング型光波形観測手段を用いるこ
ともできる。

このサンプリング型光波形観測手段の構造例及びその動
作について、第５図を参照して簡単に説明する。第５図
に示したサンプリング型光波形観測手段は、主としてサ
ンプリング型ストリーク管６５と、これによって披測定
光５１の一部を抽出して得られる被測定光の光波形に関
する情報を処理する情報処理部６６とから構成されてい
る。試料から放射され、サンプリング型光波形観測手段
によって観測される被測定光５１は、レンズ６７によっ
てサンプリング型ストリーク管６５の光電面６８に集光
される。この入射光は充電面６８でその光強度に応じた
電子に変換され、変換された電子は、加速電極７０によ
って加速され、偏向板７１の間を通過してスリット板７
２に導かれる。

電子は、偏向板７１の間を通過するときに、偏向板７１
相互間に印加される掃引電圧によって掃引され、スリッ
ト板７２に到達する。スリット板７２には、掃引方向に
直角な微小スリットが形成されているため、スリット板
７２に達した電子の一部のみがこのスリットを通過し、
その後方の螢光面７３に達する。螢光面７３は、電子の
衝突によって発光する。この発光強度は光電子増倍管７
５によって捕えられ、アンプ７６によって増幅され、電
気信号として出力される。このようにして、被測定光５
１の光強度をサンプリングして得られた信号は、情報処
理部６６に記憶されるようになっている。

このようなサンプリング操作を、被測定光の入射タイミ
ングに対して、掃引のタイミングを僅かずつ順次ずらし
て繰り返し行ない、１ｑられた情報から第６図に示した
如くに光波形を得ることが出来るようになっている。

なお、第１の光検出器４の検出出力がサンプリング型ス
トリーク管６５に入力されるようになっており、偏向板
７１への掃引電圧の印加は第１の光検出器４の検出出力
がサンプリング型ストリーク管６５に入力された時点か
ら順次タイミングをずらして行なわれるようになってい
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光波形測定装置によれば
、波長変換手段で短波長化されたレーザ光を試料に照射
して試料励起用の光として使用すると共に、波長変換手
段を透過する基本波レーザ光を検出し、この検出出力に
基づいて光波形の測定をすることとしているので、波長
変換手段から試料に照射されるレーザ光の強度を低下さ
せることなく正確に光パルスの照射時刻を取り出すこと
ができる。

１・・・半導体レーザ、２・・・パルス電源、３・・・
試料、４・・・第１の光検出器、５・・・時間電圧変換
器（ＴＡＣ）、６・・・第２の光検出器、７・・・波高
分析器（ＰＨＡ）　、８・・・螢光寿命特性算出手段、
１０・・・波長変換手段、５０・・・ストリークカメラ
、６５・・・サンプリング型ストリーク管。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
ＰＨＡ７の演算結果を示すグラフ、第３図は本発明の一
実施例であって、第１図に示した実施例と異なる実施例
のブロック図、第４図はストリークカメラの構造図、第
５図はサンプリング型光波形観測手段の構造図、第６図
はサンプリング型光波形観測手段を用いて得られた光波
形を示したグラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光を試料に照射して、試料から出る被測定光
   を測定する光波形測定装置であって、半導体レーザと、
   この半導体レーザからのレーザ光を短波長化して試料に
   照射する波長変換手段と、前記波長変換手段を透過する
   前記半導体レーザの基本波長のレーザ光を検出する第１
   の光検出器と、前記第１の光検出器の出力が入力され、
   この出力に基づいて前記被測定光の光波形を測定する測
   定手段とを備えたことを特徴とする光波形測定装置。 ２、前記測定手段は、前記第１の光検出器の出力に基づ
   き掃引動作をするストリークカメラであることを特徴と
   する請求項１記載の光波形測定装置。 ３、前記測定手段は、前記第１の光検出器の出力に基づ
   き動作するサンプリング型光波形観測手段であることを
   特徴とする請求項１記載の光波形測定装置。 ４、前記測定手段は、前記試料からの被側定光の光子を
   検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力
   から前記第２の光検出器の出力までの時間を複数回計測
   し、時間相関単一光子計数法により試料からの光波形を
   算出する手段とを備えていることを特徴とする請求項１
   記載の光波形測定装置。