JPH075400Y2 - マルチチャンネルカース測定装置 - Google Patents
マルチチャンネルカース測定装置Info
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- JPH075400Y2 JPH075400Y2 JP3844689U JP3844689U JPH075400Y2 JP H075400 Y2 JPH075400 Y2 JP H075400Y2 JP 3844689 U JP3844689 U JP 3844689U JP 3844689 U JP3844689 U JP 3844689U JP H075400 Y2 JPH075400 Y2 JP H075400Y2
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- Japan
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- light
- curse
- sample
- analyzer
- incident
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- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Description
【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案はカース（Cohrent Anti-Stokes Raman Scatteri
ngの各頭文字を綴ったCARS）光の測定に用いられるマル
チチャンネルカース測定装置に関する。
ngの各頭文字を綴ったCARS）光の測定に用いられるマル
チチャンネルカース測定装置に関する。
［従来の技術］ 液体試料のラマン測定において、最も厄介な問題の１つ
は非常に大きな蛍光バックグランドである。例えば通
常、ベンゼン992cm-1の振動モードにおいて10-5モル程
度の検出下限を誇る市販のレーザラマン分光光度計でさ
え、わずかな蛍光性物質の混入で検出下限は大幅に悪く
なる。これは特に、紫外から可視域にかけて吸収極大を
有する生体試料等の分析時に問題となる。
は非常に大きな蛍光バックグランドである。例えば通
常、ベンゼン992cm-1の振動モードにおいて10-5モル程
度の検出下限を誇る市販のレーザラマン分光光度計でさ
え、わずかな蛍光性物質の混入で検出下限は大幅に悪く
なる。これは特に、紫外から可視域にかけて吸収極大を
有する生体試料等の分析時に問題となる。
蛍光除去の手法については、これまでにいくつか提案さ
れており、それぞれある程度の成果をおさめている。そ
の代表的なものとしては、時間分解やFTラマン、UVラマ
ンなどの周波数変換テクニック、そしてCARSなどの非線
型コヒーレントラマン法がある。中でもCARSは、信号強
度の強さ、信号ビームの指向性の良さ、そして試料の経
時変化の追跡や励起状態のCARSへの発展といった視点か
ら魅力的である。この最後の意味において、シングルシ
ョット測定が可能な“マルチチャンネルCARS"は有望で
ある。しかしながら、現在では主として気体の燃料計測
や温度測定に応用されている程度である。
れており、それぞれある程度の成果をおさめている。そ
の代表的なものとしては、時間分解やFTラマン、UVラマ
ンなどの周波数変換テクニック、そしてCARSなどの非線
型コヒーレントラマン法がある。中でもCARSは、信号強
度の強さ、信号ビームの指向性の良さ、そして試料の経
時変化の追跡や励起状態のCARSへの発展といった視点か
ら魅力的である。この最後の意味において、シングルシ
ョット測定が可能な“マルチチャンネルCARS"は有望で
ある。しかしながら、現在では主として気体の燃料計測
や温度測定に応用されている程度である。
この理由は、CARSにもいくつかの問題点があるからであ
る。１つは、信号強度が試料濃度の自乗に比例するた
め、低濃度試料の測定は本質的に不利であること、そし
てもう１つは、検出下限が、不可避的に存在する測定試
料の非共鳴のバックグラウンドによって決定されてしま
う点である。その結果、スペクトルのバンド形状は試料
濃度や電子的共鳴条件によって複雑に変化し、スペクト
ル解析に困難をきたす。特にマルチチャンネルCARS測定
の場合には使用するブロードバンドレーザのスペクトル
モードノイズの問題や入射レーザ光強度の時間的変動に
起因する信号光の出力変動が問題となる。これを示すた
めに、従来のCARS信号検出原理を略記概説する。偏光テ
クニックを用いない通常のカース光の信号強度I
carsは、試料の３次の非線形電気感受率χ(3)＝χR＋χ
NRの絶対値の自乗に比例する。ここに、χRは共鳴成分
であり、χ′＋ｉχ″と表せる。このｉは虚数単位であ
り、χ′、χ″はそれぞれχRの実部、虚部である。χ
NRは非共鳴バックグラウンド成分であって、通常は実数
である。
る。１つは、信号強度が試料濃度の自乗に比例するた
め、低濃度試料の測定は本質的に不利であること、そし
てもう１つは、検出下限が、不可避的に存在する測定試
料の非共鳴のバックグラウンドによって決定されてしま
う点である。その結果、スペクトルのバンド形状は試料
濃度や電子的共鳴条件によって複雑に変化し、スペクト
ル解析に困難をきたす。特にマルチチャンネルCARS測定
の場合には使用するブロードバンドレーザのスペクトル
モードノイズの問題や入射レーザ光強度の時間的変動に
起因する信号光の出力変動が問題となる。これを示すた
めに、従来のCARS信号検出原理を略記概説する。偏光テ
クニックを用いない通常のカース光の信号強度I
carsは、試料の３次の非線形電気感受率χ(3)＝χR＋χ
NRの絶対値の自乗に比例する。ここに、χRは共鳴成分
であり、χ′＋ｉχ″と表せる。このｉは虚数単位であ
り、χ′、χ″はそれぞれχRの実部、虚部である。χ
NRは非共鳴バックグラウンド成分であって、通常は実数
である。
Ｉcars ∝｜χ(3)｜2 ＝｜χ′＋ｉχ″＋χNR｜2 ＝χ′2＋χ″2＋(χNR)2＋２χ′χNR ・・・（１） この式から理解できるように、非共鳴バックグランド成
分に比し信号強度が小さい場合、すなわち、χ′，χ″
＜＜χNRである場合には、観測される信号強度ICARSは
近似的に次のようになる。
分に比し信号強度が小さい場合、すなわち、χ′，χ″
＜＜χNRである場合には、観測される信号強度ICARSは
近似的に次のようになる。
ＩCARS ∝（χNR）2＋２χ′χNR ・・・（２） つまり、観測される信号強度は、大きな非共鳴バックグ
ラウンド値の平方と、このバックグラウンド値にχ(3)
の実部を掛けて２倍したものとの和である。この結果、
得られるスペクトルは分散型となり、χNRが比較的大き
いことから、入射レーザ光（ポンプ光及びプローブ光）
のパルス間変動やストークスレーザ光（プローブ光）の
スペクトルモードノイズの影響を強く受け、検出感度制
限の大きな要因となっている。特にマルチチャンネルCA
RS測定の場合にはそうである。
ラウンド値の平方と、このバックグラウンド値にχ(3)
の実部を掛けて２倍したものとの和である。この結果、
得られるスペクトルは分散型となり、χNRが比較的大き
いことから、入射レーザ光（ポンプ光及びプローブ光）
のパルス間変動やストークスレーザ光（プローブ光）の
スペクトルモードノイズの影響を強く受け、検出感度制
限の大きな要因となっている。特にマルチチャンネルCA
RS測定の場合にはそうである。
非共鳴バックグラウンドの問題に関しては、既に多くの
解決策が提案されている。最も簡単なものは、試料セル
と参照セルを用意し二系列のCARS測定光学系を作成する
方法である。これによって、励起レーザ光の時間的、空
間的な変動や、上記のスペクトルモードノイズゆらぎが
補正できる。しかしながら、この方式は、試料側及び参
照側のセルの位相整合の問題が残り、測定精度の向上は
さほど期待できない。よりエレガントな手法としては、
偏光テクニックを用いて非共鳴バックグラウンドそのも
のを消してしまうCARE（Cohrent Anti−Stokes Raman E
llipsometry）、RIKES（Raman Induced Kerr Effect Sp
ectroscopy）及びOHRIKES（Optically Heterodyned RIK
ES）等がある。ここで、特にCAREは構成が簡単な上、通
常のCARSと比較して検出下限を大幅に下げられるという
報告もある。
解決策が提案されている。最も簡単なものは、試料セル
と参照セルを用意し二系列のCARS測定光学系を作成する
方法である。これによって、励起レーザ光の時間的、空
間的な変動や、上記のスペクトルモードノイズゆらぎが
補正できる。しかしながら、この方式は、試料側及び参
照側のセルの位相整合の問題が残り、測定精度の向上は
さほど期待できない。よりエレガントな手法としては、
偏光テクニックを用いて非共鳴バックグラウンドそのも
のを消してしまうCARE（Cohrent Anti−Stokes Raman E
llipsometry）、RIKES（Raman Induced Kerr Effect Sp
ectroscopy）及びOHRIKES（Optically Heterodyned RIK
ES）等がある。ここで、特にCAREは構成が簡単な上、通
常のCARSと比較して検出下限を大幅に下げられるという
報告もある。
CAREの測定原理を第７図に示す。図中、ω1及びω2はそ
れぞれポンプレーザ光及びストークスレーザ光の角周波
数であり、そのベクトルの方向は偏光方向を示す。ま
た、χR及びχNRの方向はそれぞれ、試料の３次の非線
形電気感受率のベクトル方向、非共鳴バックグラウンド
項のベクトル方向である。また、Ａは信号検出用の検光
子の透過軸方向を示す。
れぞれポンプレーザ光及びストークスレーザ光の角周波
数であり、そのベクトルの方向は偏光方向を示す。ま
た、χR及びχNRの方向はそれぞれ、試料の３次の非線
形電気感受率のベクトル方向、非共鳴バックグラウンド
項のベクトル方向である。また、Ａは信号検出用の検光
子の透過軸方向を示す。
CAREでは通常、χNRとχRが異なる方向を向いているこ
とを利用して、検光子Ａをその透過軸がχNRの方向に対
し直角になるように調整して、χRの透過軸方向の信号
成分のみを得る。これによって、信号成分は１桁程度の
損失があるものの、非共鳴バックグラウンドの影響をほ
ぼ完全に消すことができる。
とを利用して、検光子Ａをその透過軸がχNRの方向に対
し直角になるように調整して、χRの透過軸方向の信号
成分のみを得る。これによって、信号成分は１桁程度の
損失があるものの、非共鳴バックグラウンドの影響をほ
ぼ完全に消すことができる。
計算によると、信号強度ICAREは次式で与えられる。
ＩCARE ∝［｜χR 1111｜（１−３ρ）sinαNR・cosφ］2
（３） ここに、χR 1111は４次のテンソルχRの1111成分であ
り、角度φ、αNRはそれぞれ、w1とw2のなす角、w1とχ
NRのなす角である。また、ρ＝χR 1212/χR 1111は試料
の偏光解消比（depolarization ratio）であり、非共鳴
バックグラウンド項に対しては、Kleinmanの対称性が成
立すると仮定している。ICAREはφ＝60°、つまりαNR
＝30°、θ＝60°のとき理論的に最大となる。
（３） ここに、χR 1111は４次のテンソルχRの1111成分であ
り、角度φ、αNRはそれぞれ、w1とw2のなす角、w1とχ
NRのなす角である。また、ρ＝χR 1212/χR 1111は試料
の偏光解消比（depolarization ratio）であり、非共鳴
バックグラウンド項に対しては、Kleinmanの対称性が成
立すると仮定している。ICAREはφ＝60°、つまりαNR
＝30°、θ＝60°のとき理論的に最大となる。
［考案が解決しようとする課題］ しかしながら、このCAREにおいても、非共鳴バックグラ
ウンドはほぼ完全に消せるものの、ストークス光（プロ
ーブ光）のスペクトルモードノイズや、パルス光である
ポンプ光とストーク光のパルス間隔変動に起因する、信
号光の出力変動の影響は避けられない。また、CARE測定
においては、試料の３次の非線形電気感受率χ(3)の実
部のみの値を直接測定することは不可能である。このこ
とは、試料に対してより詳しい情報を得たいという目的
にそぐわないことも生じることを意味している。
ウンドはほぼ完全に消せるものの、ストークス光（プロ
ーブ光）のスペクトルモードノイズや、パルス光である
ポンプ光とストーク光のパルス間隔変動に起因する、信
号光の出力変動の影響は避けられない。また、CARE測定
においては、試料の３次の非線形電気感受率χ(3)の実
部のみの値を直接測定することは不可能である。このこ
とは、試料に対してより詳しい情報を得たいという目的
にそぐわないことも生じることを意味している。
以上の観点から、本考案の目的は、１つの試料セルだけ
を用いて信号光の出力変動を補正することができるマル
チチャンネルカース測定装置を提供することにある。
を用いて信号光の出力変動を補正することができるマル
チチャンネルカース測定装置を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために、本第１及び第２考案に係る
マルチチャンネルカース測定装置では、共通の構成とし
て、 パルスレーザから放出される単一光パルスを２分割し、
その一方でポンプ光を生成（以下の実施例のように直接
生成する場合のみならず、色素レーザを励起して狭波数
域のポンプ光を生成する場合を含む。）し、その他方で
色素レーザを励起して広波数域のプローブ光を生成し、
該ポンプ光及び該プローブ光を試料に対し同一位置に同
一時点で照射してカース光を生成させるカース光生成光
学系と、 該カース光が入射され、該カース光を２分割するビーム
スプリッタと、 同一入射スリットから入射された２光束を回折格子で分
散させて、各一対の受光素子が横方向に対応して配置さ
れかつ一体的に２列配列された２つのラインセンサで該
２光束の各々のスペクトルを同時に検出するポリクロメ
ータと、 第１及び第２の検光子から出射される光をそれぞれ該入
射スリットに導く光案内手段と、 を備えている。
マルチチャンネルカース測定装置では、共通の構成とし
て、 パルスレーザから放出される単一光パルスを２分割し、
その一方でポンプ光を生成（以下の実施例のように直接
生成する場合のみならず、色素レーザを励起して狭波数
域のポンプ光を生成する場合を含む。）し、その他方で
色素レーザを励起して広波数域のプローブ光を生成し、
該ポンプ光及び該プローブ光を試料に対し同一位置に同
一時点で照射してカース光を生成させるカース光生成光
学系と、 該カース光が入射され、該カース光を２分割するビーム
スプリッタと、 同一入射スリットから入射された２光束を回折格子で分
散させて、各一対の受光素子が横方向に対応して配置さ
れかつ一体的に２列配列された２つのラインセンサで該
２光束の各々のスペクトルを同時に検出するポリクロメ
ータと、 第１及び第２の検光子から出射される光をそれぞれ該入
射スリットに導く光案内手段と、 を備えている。
上記共通構成に加えて、第１考案では、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の非共鳴バッ
クグラウンド成分ベクトルに直角に設定され、分割され
た該カース光の一方が入射される第１検光子と、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の共鳴成分ベ
クトルに直角に設定され、分割された該カース光の他方
が入射される第２検光子と、 第１及び第２のラインセンサの対応する各受光素子につ
いて、該第１ラインセンサの出力値A1を該第２ラインセ
ンサの出力値A2で除することにより規格化したスペクト
ルを得る信号処理手段と、 を備え、第２考案では、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の共鳴成分ベ
クトルに平行に設定され、分割された該カース光の一方
が入射される第１検光子と、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の該共鳴成分
ベクトルに直角に設定され、分割された該カース光の他
方が入射される第２検光子と、 該第１及び第２のラインセンサの出力値の少なくとも一
方を定数倍してラマン振動モードから離れた波数域での
これらの値A1、A2を等しくし、両ラインセンサの対応す
る各受光素子について、(A1-A2)/√A2なる演算を行って
スペクトルを得る信号処理手段と、 を備えている。
クグラウンド成分ベクトルに直角に設定され、分割され
た該カース光の一方が入射される第１検光子と、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の共鳴成分ベ
クトルに直角に設定され、分割された該カース光の他方
が入射される第２検光子と、 第１及び第２のラインセンサの対応する各受光素子につ
いて、該第１ラインセンサの出力値A1を該第２ラインセ
ンサの出力値A2で除することにより規格化したスペクト
ルを得る信号処理手段と、 を備え、第２考案では、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の共鳴成分ベ
クトルに平行に設定され、分割された該カース光の一方
が入射される第１検光子と、 透過軸が該試料の３次の非線形電気感受率の該共鳴成分
ベクトルに直角に設定され、分割された該カース光の他
方が入射される第２検光子と、 該第１及び第２のラインセンサの出力値の少なくとも一
方を定数倍してラマン振動モードから離れた波数域での
これらの値A1、A2を等しくし、両ラインセンサの対応す
る各受光素子について、(A1-A2)/√A2なる演算を行って
スペクトルを得る信号処理手段と、 を備えている。
［作用］ いずれの考案も、生じたカース光をビームスプリッタで
２分割し、２分割したそれぞれのビームを別々の検光子
に通過させた後、それぞれ信号を検出し処理する構成で
あるので、実際の装置では一つの装置として実現でき
る。
２分割し、２分割したそれぞれのビームを別々の検光子
に通過させた後、それぞれ信号を検出し処理する構成で
あるので、実際の装置では一つの装置として実現でき
る。
また、いずれの考案も、一方を信号側、他方をバックグ
ラウンド（参照）側として規格化を行って上記問題点を
解決する。
ラウンド（参照）側として規格化を行って上記問題点を
解決する。
第１考案では、従来のCARE信号の出力変動補正のため
に、第２図（Ａ）に示す如く、第１検光子の透過軸A1の
設定方向は、第10図に示す従来の透過軸Ａの設定方向と
同一であり、CARE信号を取得する。一方、第２検光子の
透過軸A2は、信号成分χRを消去して非共鳴バックグラ
ウンド成分のみを取得できるように、χRに直角な方向
に設定する。この結果、第１検光子からの出力は信号成
分のみ、第２検光子からの出力は非共鳴バックグラウン
ド成分のみとなる。両出力は、単一光パルスから派生し
た。同一試料の同一位置、同一時点からの出力を分割し
たものであるので、入射レーザ光の時間変動及び入射ス
トークスレーザ光のスペクトルモードノイズの影響を同
時に受けている。よってA1/A2の演算によって規格化を
行えばその影響がキャンセルされる。
に、第２図（Ａ）に示す如く、第１検光子の透過軸A1の
設定方向は、第10図に示す従来の透過軸Ａの設定方向と
同一であり、CARE信号を取得する。一方、第２検光子の
透過軸A2は、信号成分χRを消去して非共鳴バックグラ
ウンド成分のみを取得できるように、χRに直角な方向
に設定する。この結果、第１検光子からの出力は信号成
分のみ、第２検光子からの出力は非共鳴バックグラウン
ド成分のみとなる。両出力は、単一光パルスから派生し
た。同一試料の同一位置、同一時点からの出力を分割し
たものであるので、入射レーザ光の時間変動及び入射ス
トークスレーザ光のスペクトルモードノイズの影響を同
時に受けている。よってA1/A2の演算によって規格化を
行えばその影響がキャンセルされる。
第２考案では、３次の非線形電気感受率χ(3)の実部に
関する分散型のスペクトル波形が得られる。つまり、従
来のCARSスペクトル波形の補正をすることになる。CARE
とは異なり、大きな非共鳴バックグラウンドの上にCARS
信号が重畳した分散型の波形が得られ、補正を行わない
場合には、ポンプ光の時間変動に加えてプローブ光のス
ペクトルモードノイズの影響が非常に大きくなってしま
う。特に、マルチチャンネル測定のために、プローブ光
をブロードバンドにするとこの影響が大となる。第２図
（Ｂ）に示す如く、第１検光子の透過軸A1の方向は、で
きるだけ多くの信号成分が得られる様に、χRの方向に
設定される。第１検光子から得られる信号は、近似的に
上記（２）式の形で表される。一方、第２検光子の透過
軸A2の方向は、非共鳴バックグラウンドのみが得られる
様に、χRに直角に設定する。ラマン振動モードから数
十cm-1離れた波数域では、両検光子からの出力は非共鳴
バックグラウンドのみであると仮定できるので、両者の
出力値の少なくとも一方を定数倍してこの波数域での値
A1、A2を等しくさせた後、(A1-A2)/√A2の演算を行え
ば、χRの実部であるχ′に比例したスペクトルが得ら
れることになる。χ′の値は、試料の３次の非線型屈折
率に関係する量である。なお、この議論は、χNR＞＞
χ′，χ″のときに近似的に成立する。
関する分散型のスペクトル波形が得られる。つまり、従
来のCARSスペクトル波形の補正をすることになる。CARE
とは異なり、大きな非共鳴バックグラウンドの上にCARS
信号が重畳した分散型の波形が得られ、補正を行わない
場合には、ポンプ光の時間変動に加えてプローブ光のス
ペクトルモードノイズの影響が非常に大きくなってしま
う。特に、マルチチャンネル測定のために、プローブ光
をブロードバンドにするとこの影響が大となる。第２図
（Ｂ）に示す如く、第１検光子の透過軸A1の方向は、で
きるだけ多くの信号成分が得られる様に、χRの方向に
設定される。第１検光子から得られる信号は、近似的に
上記（２）式の形で表される。一方、第２検光子の透過
軸A2の方向は、非共鳴バックグラウンドのみが得られる
様に、χRに直角に設定する。ラマン振動モードから数
十cm-1離れた波数域では、両検光子からの出力は非共鳴
バックグラウンドのみであると仮定できるので、両者の
出力値の少なくとも一方を定数倍してこの波数域での値
A1、A2を等しくさせた後、(A1-A2)/√A2の演算を行え
ば、χRの実部であるχ′に比例したスペクトルが得ら
れることになる。χ′の値は、試料の３次の非線型屈折
率に関係する量である。なお、この議論は、χNR＞＞
χ′，χ″のときに近似的に成立する。
第１及び第２の考案で強調されるべき点は、単一の試料
セルを用いて参照用信号が得られ、しかも、信号成分の
ロスを最小にすることができるという点である。
セルを用いて参照用信号が得られ、しかも、信号成分の
ロスを最小にすることができるという点である。
［実施例］ 以下、図面に基づいて本考案の実施例を説明する。
（１）装置 第１図はマルチチャンネルカース測定装置の全体構成を
示す。
示す。
Nd:YAGレーザ10はパルスレーザであり、例えば、波長10
64nm、断面直径5mm、パルス幅10nsで10Hzのパルス光を
出力する。角周波数ωのこの出力光が非線形光学素子
（結晶）12を通ると、角周波数２ωの第２高調波が生成
され、これが波長分離器14を通っ分離抽出される。この
レーザ光は、全反射プリズム16で90°曲げられ、波面分
割プリズム18により２分割される。すなわち、例えばそ
の光の75％が色素レーザ励起光として波面分割プリズム
18の側面を通り過ぎ、残りの25％がポンプ光として波面
分割プリズム18内を通り全反射されて90°曲げられる。
64nm、断面直径5mm、パルス幅10nsで10Hzのパルス光を
出力する。角周波数ωのこの出力光が非線形光学素子
（結晶）12を通ると、角周波数２ωの第２高調波が生成
され、これが波長分離器14を通っ分離抽出される。この
レーザ光は、全反射プリズム16で90°曲げられ、波面分
割プリズム18により２分割される。すなわち、例えばそ
の光の75％が色素レーザ励起光として波面分割プリズム
18の側面を通り過ぎ、残りの25％がポンプ光として波面
分割プリズム18内を通り全反射されて90°曲げられる。
この曲げられたポンプ光は、全反射プリズム20、22、24
からなる遅延光学系を通った後、平面鏡26で反射され、
1/2波長板28、偏光子30、アパーチャ32、収束レンズ34
をこの順に通って試料セル36内の試料に焦点が結ばれ
る。遅延光学系は、同一パルス光から派生したポンプ光
ω1とストークスレーザ光ω2とを試料内で時間的に一致
させるためのものである。また、偏光子30の透過軸の向
きは、光軸の回りに第１図紙面垂直方向から60°回転し
た方向である。1/2波長板28は、その回転角を調整して
偏光子30の出射光強度を最大にするためのものである。
からなる遅延光学系を通った後、平面鏡26で反射され、
1/2波長板28、偏光子30、アパーチャ32、収束レンズ34
をこの順に通って試料セル36内の試料に焦点が結ばれ
る。遅延光学系は、同一パルス光から派生したポンプ光
ω1とストークスレーザ光ω2とを試料内で時間的に一致
させるためのものである。また、偏光子30の透過軸の向
きは、光軸の回りに第１図紙面垂直方向から60°回転し
た方向である。1/2波長板28は、その回転角を調整して
偏光子30の出射光強度を最大にするためのものである。
一方、波面分割プリズム18の側面を通過したレーザ光
は、半透鏡38で２分割され、その反射光は励起光として
シリンドリカルレンズ40により色素レーザ42のオシレー
タ用セル42aの中央部第１図左右方向へ直線状に収束さ
れ、このセル内の色素溶液中の色素分子を励起する。ま
た、半透鏡38を透過した光は、平面鏡44で90°曲げら
れ、色素レーザ42の光出力を増幅するために、前記同様
に、励起光としてシリンドリカルレンズ46により色素レ
ーザ42のアンプ用セル42bの中央部第１図左右方向へ直
線状に収束され、このセル内の色素溶液の色素分子を励
起する。オシレータ用セル42aは、光共振器を構成する
平面鏡42cと透過率が例えば95％の半透鏡42dとの間に配
置されており、オシレータ用セル42aと平面鏡42cの間に
は、中心軸の向き等を変えて半透鏡42dから出力される
色素レーザ光の断面の光強度分布を調整するための集光
レンズ42eが配置されている。
は、半透鏡38で２分割され、その反射光は励起光として
シリンドリカルレンズ40により色素レーザ42のオシレー
タ用セル42aの中央部第１図左右方向へ直線状に収束さ
れ、このセル内の色素溶液中の色素分子を励起する。ま
た、半透鏡38を透過した光は、平面鏡44で90°曲げら
れ、色素レーザ42の光出力を増幅するために、前記同様
に、励起光としてシリンドリカルレンズ46により色素レ
ーザ42のアンプ用セル42bの中央部第１図左右方向へ直
線状に収束され、このセル内の色素溶液の色素分子を励
起する。オシレータ用セル42aは、光共振器を構成する
平面鏡42cと透過率が例えば95％の半透鏡42dとの間に配
置されており、オシレータ用セル42aと平面鏡42cの間に
は、中心軸の向き等を変えて半透鏡42dから出力される
色素レーザ光の断面の光強度分布を調整するための集光
レンズ42eが配置されている。
アンプ用セル42bから出力されたレーザ光は、その光軸
方向を調整するための可動平面鏡48、50、52、54で反射
され、コリメートレンズ56で平行化され、透過軸が第１
図紙面垂直方向に設定された偏光子58、アパーチャ60の
ピンホールを通り、可動全反射プリズム62、平面鏡64で
反射され、コリメートレンズ34を通って試料セル36内の
ポンプω1の収束点と同一位置に焦点を結ぶ。この同一
点での、ポンプω1とストークス光ω2の両波数ベクトル
k1、k2のなす角θ（位相整合角）は、可動全反射プリズ
ム62を第１図左右方向へ移動させることにより調整する
ことができる。
方向を調整するための可動平面鏡48、50、52、54で反射
され、コリメートレンズ56で平行化され、透過軸が第１
図紙面垂直方向に設定された偏光子58、アパーチャ60の
ピンホールを通り、可動全反射プリズム62、平面鏡64で
反射され、コリメートレンズ34を通って試料セル36内の
ポンプω1の収束点と同一位置に焦点を結ぶ。この同一
点での、ポンプω1とストークス光ω2の両波数ベクトル
k1、k2のなす角θ（位相整合角）は、可動全反射プリズ
ム62を第１図左右方向へ移動させることにより調整する
ことができる。
試料セル36から放出されるカース光は、アパーチャ66の
ピンホールを通る。このピンホール位置はカース光の波
数ベクトルk3の向きに合わされている。波数ベクトル
k1、k2及びk3は、運動量保存法則により、k3＝２k1−k2
なる関係を有する。
ピンホールを通る。このピンホール位置はカース光の波
数ベクトルk3の向きに合わされている。波数ベクトル
k1、k2及びk3は、運動量保存法則により、k3＝２k1−k2
なる関係を有する。
カース光はコリメートレンズ68で平行化され、透過率及
び反射率が例えば共に50％のビームスプリッタ70で２分
割され、その一方の透過光は検光子72、光結合レンズ74
を通り、二股ファイバー76の一方の分枝部76aの入口端
に入射される。また、ビームスプリッタ70で反射された
光は検光子78、光結合レンズ80を通り、二股ファイバー
76の他方の分枝部76bの入口端に入射される。検光子7
2、検光子78の透過軸の方向A1、A2は、第２図（Ａ）、
（Ｂ）に示す如く設定されている。すなわち、透過軸方
向A2は、検光子78に非共鳴バックグラウンド成分のみが
通るように設定されている。また、透過軸A1は、検光子
72に、第２図（Ａ）の場合、CARE信号成分のみが通り、
第２（Ｂ）の場合、非共鳴バックグラウンドにCARS信号
成分を重畳したものが通るように設定されている。
び反射率が例えば共に50％のビームスプリッタ70で２分
割され、その一方の透過光は検光子72、光結合レンズ74
を通り、二股ファイバー76の一方の分枝部76aの入口端
に入射される。また、ビームスプリッタ70で反射された
光は検光子78、光結合レンズ80を通り、二股ファイバー
76の他方の分枝部76bの入口端に入射される。検光子7
2、検光子78の透過軸の方向A1、A2は、第２図（Ａ）、
（Ｂ）に示す如く設定されている。すなわち、透過軸方
向A2は、検光子78に非共鳴バックグラウンド成分のみが
通るように設定されている。また、透過軸A1は、検光子
72に、第２図（Ａ）の場合、CARE信号成分のみが通り、
第２（Ｂ）の場合、非共鳴バックグラウンドにCARS信号
成分を重畳したものが通るように設定されている。
二股ファイバー76の出力端から取り出された２光束は、
明るい例えばF1.2のカメラレンズ82を通ってポリクロメ
ータ84（第１図は概略構成を示す。）の同一入射スリッ
トの上部84a及び下部84bの位置に焦点が結ばれ、この入
射スリットを通り不図示の凹面鏡で平行化されたのち回
折格子84cに入射され、分散され、ポリクロメータ84の
焦点面に配置されたラインセンサとしてのマイクロチャ
ンネルプレート付ホトダイオードアレイ（MCP Intensif
ied Photo−Diode Array）84d、84eは、各一対の受光素
子が長手方向（縦方向）に垂直な方向（横方向）に一定
間隔（例えば2mm）おいて対応して配置され、かつ、２
列のホトダイオードアレイ84d、84eが不図示の１つのベ
ース部材に一体的に配置されて構成されている。ドライ
バ86は、Nd:YAGレーザ10からのパルス光出力信号に基づ
いて、ホトダイオードアレイ84d、84eへの駆動パルスの
供給を開始し、これによりホトダイオードアレイ84d、8
4eから順次読み出された蓄積電荷信号は、信号処理装置
88に供給されて処理される。検出信号は弱いので、複数
個のパルス光についてホトダイオードアレイ84d、84e上
でアナログ積算され、及び／又は、ホトダイオードアレ
イ84d、84eから読み出された信号を信号処理装置によ
り、デジタル変換しこれを各画素位置についてデジタル
積算する。
明るい例えばF1.2のカメラレンズ82を通ってポリクロメ
ータ84（第１図は概略構成を示す。）の同一入射スリッ
トの上部84a及び下部84bの位置に焦点が結ばれ、この入
射スリットを通り不図示の凹面鏡で平行化されたのち回
折格子84cに入射され、分散され、ポリクロメータ84の
焦点面に配置されたラインセンサとしてのマイクロチャ
ンネルプレート付ホトダイオードアレイ（MCP Intensif
ied Photo−Diode Array）84d、84eは、各一対の受光素
子が長手方向（縦方向）に垂直な方向（横方向）に一定
間隔（例えば2mm）おいて対応して配置され、かつ、２
列のホトダイオードアレイ84d、84eが不図示の１つのベ
ース部材に一体的に配置されて構成されている。ドライ
バ86は、Nd:YAGレーザ10からのパルス光出力信号に基づ
いて、ホトダイオードアレイ84d、84eへの駆動パルスの
供給を開始し、これによりホトダイオードアレイ84d、8
4eから順次読み出された蓄積電荷信号は、信号処理装置
88に供給されて処理される。検出信号は弱いので、複数
個のパルス光についてホトダイオードアレイ84d、84e上
でアナログ積算され、及び／又は、ホトダイオードアレ
イ84d、84eから読み出された信号を信号処理装置によ
り、デジタル変換しこれを各画素位置についてデジタル
積算する。
（２）試験例 次に、上記の装置を用いた試験例を説明する。
ポンプ光ω1とプローブ光ω2をCARE信号を得る配置に設
定し、検光子72を回転させながらホトダイオードアレイ
84dのみからえられるスペクトルを記録した。試料はCCl
4溶液中の0.2Mベンゼンであり、992cm-1のラマン振動モ
ードを観測した。その結果を図３（Ａ）、（Ｂ）に示
す。横軸はホトダイオードアレイを構成する512個のホ
トダイオードのアドレスであるチャンネルナンバであ
り、縦軸は相対光強度である。図中、角度ψは検光子72
の透過軸A1の第２図（Ａ）に示す配置からのずれを示し
ており、ψ＞０は時計回り方向、ψ＜０は反時計回り方
向を示す。これらの図から、ψ＝0.5°のときローレン
ツ型のCARE信号が得られ、ψ＝−29°（理論的にはψ＝
−30°）のとき非共鳴なバックグラウンド成分のみが得
られることが判る。
定し、検光子72を回転させながらホトダイオードアレイ
84dのみからえられるスペクトルを記録した。試料はCCl
4溶液中の0.2Mベンゼンであり、992cm-1のラマン振動モ
ードを観測した。その結果を図３（Ａ）、（Ｂ）に示
す。横軸はホトダイオードアレイを構成する512個のホ
トダイオードのアドレスであるチャンネルナンバであ
り、縦軸は相対光強度である。図中、角度ψは検光子72
の透過軸A1の第２図（Ａ）に示す配置からのずれを示し
ており、ψ＞０は時計回り方向、ψ＜０は反時計回り方
向を示す。これらの図から、ψ＝0.5°のときローレン
ツ型のCARE信号が得られ、ψ＝−29°（理論的にはψ＝
−30°）のとき非共鳴なバックグラウンド成分のみが得
られることが判る。
上記と同一の試料に対して、第２考案の場合の結果を第
４図に示す。この図から、大きなスペクトルモードノイ
ズがキャンセルされて分散型のスペクトルが得られてい
ることが判る。第１考案を実施するための、ホトダイオ
ードアレイ84d、84eで得られた典型的なデータを第５図
に示す。試料は上記と同一である。CARE信号を対応する
波数の非共鳴バックグラウンド成分で規格化することに
より、入射レーザ光の時間的変動の補正が可能である。
４図に示す。この図から、大きなスペクトルモードノイ
ズがキャンセルされて分散型のスペクトルが得られてい
ることが判る。第１考案を実施するための、ホトダイオ
ードアレイ84d、84eで得られた典型的なデータを第５図
に示す。試料は上記と同一である。CARE信号を対応する
波数の非共鳴バックグラウンド成分で規格化することに
より、入射レーザ光の時間的変動の補正が可能である。
実際にこの規格化を行った結果を第６図（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）に示す。１分毎に１回測定し、１回の測
定は、同図（Ａ）が単一光パルス測定の場合を示し、同
図（Ｂ）が10個の光パルスについてのホトダイオードア
レイ84d、84eによるアナログ積算（電荷蓄積）の場合を
示し、同図（Ｃ）が10個の光パルスについてのホトダイ
オードアレイ84d、84eによるアナログ積算値を信号処理
装置88のメモリ上で10回デジタル積算したを示す。試料
は上記と同一の0.2Mベンゼンであり、測定波数は992cm
-1である。いずれの場合も、従来の補正しないCARE信号
（○印）の場合と比較して、補正した場合（●印）は出
力ゆらぎが相対標準偏差（RSD）で４倍程度改善されて
いることが判る。
（Ｂ）、（Ｃ）に示す。１分毎に１回測定し、１回の測
定は、同図（Ａ）が単一光パルス測定の場合を示し、同
図（Ｂ）が10個の光パルスについてのホトダイオードア
レイ84d、84eによるアナログ積算（電荷蓄積）の場合を
示し、同図（Ｃ）が10個の光パルスについてのホトダイ
オードアレイ84d、84eによるアナログ積算値を信号処理
装置88のメモリ上で10回デジタル積算したを示す。試料
は上記と同一の0.2Mベンゼンであり、測定波数は992cm
-1である。いずれの場合も、従来の補正しないCARE信号
（○印）の場合と比較して、補正した場合（●印）は出
力ゆらぎが相対標準偏差（RSD）で４倍程度改善されて
いることが判る。
［考案の効果］ 以上説明した如く、本考案に係るマルチチャンネルカー
ス測定装置によれば、１つの試料セルだけを用いて信号
光の出力変動を補正することができるという優れた効果
を奏する。
ス測定装置によれば、１つの試料セルだけを用いて信号
光の出力変動を補正することができるという優れた効果
を奏する。
第１図乃至第６図は本考案の一実施例に係り、 第１図はマルチチャンネルカース測定装置の構成図、 第２図（Ａ）、（Ｂ）は第１図に示す検光子72、78の透
過軸の配置と出力信号との関係を示すベクトル図、 第３図乃至第６図はこの実施例装置を用いた試験結果を
示し、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は検光子72の透過軸A1の第２図
（Ａ）の配置からのずれ角ψをパラメータとした、ホト
ダイオードアレイ84dのみから得られるスペクトル図、 第４図は第２考案に係る結果を示すスペクトル図、 第５図は第１考案に係るスペクトル図、 第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はベンゼンの波数992cm
-1での第１考案に係る測定値の時間的変動を従来装置で
の結果と比較して示す図、 第７図は従来のマルチチャンネルカース測定装置の検光
子の透過軸の配置と出力信号との関係を示すベクトル図
である。
過軸の配置と出力信号との関係を示すベクトル図、 第３図乃至第６図はこの実施例装置を用いた試験結果を
示し、 第３図（Ａ）、（Ｂ）は検光子72の透過軸A1の第２図
（Ａ）の配置からのずれ角ψをパラメータとした、ホト
ダイオードアレイ84dのみから得られるスペクトル図、 第４図は第２考案に係る結果を示すスペクトル図、 第５図は第１考案に係るスペクトル図、 第６図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はベンゼンの波数992cm
-1での第１考案に係る測定値の時間的変動を従来装置で
の結果と比較して示す図、 第７図は従来のマルチチャンネルカース測定装置の検光
子の透過軸の配置と出力信号との関係を示すベクトル図
である。
Claims (2)
- 【請求項１】パルスレーザから放出される単一光パルス
を２分割し、その一方でポンプ光を生成し、その他方で
色素レーザを励起して広波数域のプローブ光を生成し、
該ポンプ光及び該プローブ光を試料に対し同一位置に同
一時点で照射してカース光を生成させるカース光生成光
学系（10〜68）と、 該カース光が入射され、該カース光を２分割するビーム
スプリッタ（70）と、 透過軸（A1）が該試料の３次の非線形電気感受率χ(3)
の非共鳴バックグラウンド成分ベクトルχNRに直角に設
定され、分割された該カース光の一方が入射される第１
検光子（72）と、 透過軸（A2）が該試料の３次の非線形電気感受率χ(3)
の共鳴成分ベクトルχRに直角に設定され、分割された
該カース光の他方が入射される第２検光子（78）と、 同一入射スリットから入射された２光束を回折格子で分
散させて、各一対の受光素子が横方向に対応して配置さ
れかつ一体的に２列配列された２つのラインセンサで該
２光束の各々のスペクトルを同時に検出するポリクロメ
ータ（84）と、 該第１及び第２の検光子から出射される光束を該入射ス
リットに導く光案内手段（74,76,80）と、 該第１及び第２のラインセンサから信号を読み出し、両
ラインセンサの対応する各受光素子について、該第１ラ
インセンサの出力値A1を該第２ラインセンサの出力値A2
で除することにより規格化したスペクトルを得る信号処
理手段（86,88）と、 を有することを特徴とするマルチチャンネルカース測定
装置。 - 【請求項２】パルスレーザから放出される単一光パルス
を２分割し、その一方でポンプ光を生成し、その他方で
色素レーザを励起して広波数域のプローブ光を生成し、
該ポンプ光及び該プローブ光を試料に対し同一位置に同
一時点で照射してカース光を生成させるカース光生成光
学系（10〜68）と、 該カース光が入射され、該カース光を２分割するビーム
スプリッタ（70）と、 透過軸（A1）が該試料の３次の非線形電気感受率χ(3)
の共鳴成分ベクトルχRに平行に設定され、分割された
該カース光の一方が入射される第１検光子（72）と、 透過軸（A2）が該試料の３次の非線形電気感受率χ(3)
の該共鳴成分ベクトルχRに直角に設定され、分割され
た該カース光の他方が入射される第２検光子（78）と、 同一入射スリットから入射された２光束を回折格子で分
散させて、各一対の受光素子が横方向に対応して配置さ
れかつ一体的に２列配列された２つのラインセンサで該
２光束の各々のスペクトルを同時に検出するポリクロメ
ータ（84）と、 該第１及び第２の検光子から出射される光束を該入射ス
リットに導く光案内手段（74,76,80）と、 該第１及び第２のラインセンサから信号を読み出し、両
信号値の少なくとも一方を定数倍してラマン振動モード
から離れた波数域でのこれらの値A1、A2を等しくし、該
ラインセンサの対応する各受光素子について、（A1‐
A2）／√A2なる演算を行ってスペクトルを得る信号処理
手段（86,88）と、 を有することを特徴とするマルチチャンネルカース測定
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3844689U JPH075400Y2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | マルチチャンネルカース測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3844689U JPH075400Y2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | マルチチャンネルカース測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0319949U JPH0319949U (ja) | 1991-02-27 |
| JPH075400Y2 true JPH075400Y2 (ja) | 1995-02-08 |
Family
ID=31546461
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3844689U Expired - Lifetime JPH075400Y2 (ja) | 1989-03-31 | 1989-03-31 | マルチチャンネルカース測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH075400Y2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002123201A (ja) * | 2000-10-18 | 2002-04-26 | Ys Yamazaki:Kk | 掲揚ポール付きスタンド |
| JP2013083460A (ja) * | 2011-10-06 | 2013-05-09 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分光計測装置 |
-
1989
- 1989-03-31 JP JP3844689U patent/JPH075400Y2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0319949U (ja) | 1991-02-27 |
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