DE112019007849T5

DE112019007849T5 - Ferninfrarotspektroskopieeinrichtung und ferninfrarotspektroskopieverfahren

Info

Publication number: DE112019007849T5
Application number: DE112019007849.6T
Authority: DE
Inventors: Mizuki Mohara; Kei Shimura; Kenji Aiko
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2022-07-28
Also published as: US20220412885A1; WO2021131014A1; JP7240528B2; US11977026B2; JPWO2021131014A1

Abstract

Diese Erfindung adressiert das oben erwähnte Problem und der Zweck dieser Erfindung ist, eine Ferninfrarotspektroskopieeinrichtung zu schaffen, die ein is-TPG-Verfahren verwendet, um Ferninfrarotlicht zu erzeugen, und ein is-TPG-Licht ohne ein optisches Detektionssystem, das feinabgestimmt ist, effizient detektieren kann. Selbst wenn die Ferninfrarotlichteinfallswinkel auf ein Si-Prisma zur Detektion gleich sind, passt dann, wenn Ferninfrarotlicht, das eine erste Frequenz besitzt, auf einen nichtlinearen optischen Kristall zur Detektion einfällt und wenn Ferninfrarotlicht, das eine zweite Frequenz besitzt, auf den nichtlinearen optischen Kristall zur Detektion einfällt, diese Ferninfrarotspektroskopieeinrichtung den Einfallsoberflächenwinkel von Pumplicht in Bezug auf den nichtlinearen optischen Kristall zur Detektion derart an, dass der Winkel des Ferninfrarotlichts in Bezug auf das Pumplicht im nichtlinearen optischen Kristall zur Detektion für jede Ferninfrarotlichtfrequenz geeignet eingestellt werden kann (siehe Fig. 1A).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ferninfrarotspektrometrievorrichtung, die eine Probe unter Verwendung eines Lichts in einem Ferninfrarotbereich analysiert.
Technischer Hintergrund
Licht im fernen Infrarot, das auch als eine Terahertzwelle bezeichnet wird, weist eine Durchdringbarkeit für ein Material und ein für das Material eindeutiges Absorptionsspektrum auf. Entsprechend wird erwartet, dass das Infrarotlicht beim Analysieren eines Materials nützlich ist, indem das Absorptionsspektrum des Materials, das eine geringe Durchlässigkeit für sichtbares Licht oder Infrarotlicht besitzt, oder das Material, das in einen Schirm eingeschlossen ist, erhalten wird. Als eine Technik in diesem Gebiet ist ein Zeitdomänenspektroskopieverfahren (TDS: Zeitdomänenspektroskopie) bekannt. Während die TDS zur Komponentenidentifizierung und quantitativen Analyse von Medizin nützlich ist, weist sie das Problem eines begrenzten Dynamikbereichs auf. Somit kann es möglich sein, z. B. eine tafelartige Probe, die wenige Millimeter dick ist, unter Verwendung eines is-TPG-Verfahrens (parametrisches Keiminjektions-THz-Generatorverfahren) mit hoher Spitzenleistung zu messen.
Patentliteratur 1 offenbart eine Ferninfrarotlichtquelle, die das is-TPG-Verfahren verwendet. Das Dokument offenbart eine Technik, in der „Die vorliegende Erfindung eine Ferninfrarotlichtquelle schafft, die die Verschiebung des Orts, der mit Ferninfrarotlicht bestrahlt wird, verringern kann, selbst wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichts sich ändert. Eine Ferninfrarotlichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist derart konfiguriert, dass die Schwankung des Abstrahlwinkels von Ferninfrarotlicht in einem nichtlinearen optischen Kristall, wenn die Frequenz der Ferninfrarotlicht sich ändert, durch die Schwankung des Brechungswinkels des Ferninfrarotlichts an einer Grenzschicht zwischen dem nichtlinearen optischen Kristall und einem Prisma im Wesentlichen ausgeglichen wird, wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichts sich ändert“ (siehe Zusammenfassung).
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: W02019/116461
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In dem is-TPG-Verfahren werden, wenn eine Ferninfrarotstrahlung erzeugt wird, zwei Laserlichtstrahlen (Pumplicht mit hoher Pulsenergie und Keimlicht mit einer einzelnen Wellenlänge) in einen nichtlinearen optischen Erzeugungskristall eingeleitet, um eine gepulste Ferninfrarotstrahlung (is-TPG-Licht), die eine einzelne Wellenlänge besitzt, parametrisch zu erzeugen. Durch Ändern der Wellenlänge des Keimlichts oder Anpassen eines Einfallswinkel in den nichtlinearen optischen Kristall ist es möglich, eine Frequenz des is-TPG-Lichts, das erzeugt werden soll, zu ändern. Durch Bestrahlen der Probe mit dem erzeugten is-TPG-Licht und Einleiten des weitergeleiteten Lichts in einen nichtlinearen optischen Detektionskristall, wird das Licht in Nahinfrarotlicht umgesetzt, das detektiert werden soll.
Ein Abstrahlwinkel des is-TPG-Lichts variiert abhängig von seiner Frequenz. Deshalb ist es erforderlich, ein optisches Detektionssystem gemäß der Frequenz feinabzustimmen, wenn die Frequenz des is-TPG-Lichts durchgestimmt wird, oder die Größe eines optischen Beleuchtungssystems oder des optischen Detektionssystems zu erhöhen, wenn ein breites Frequenzband durchgestimmt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Einfallsposition des is-TPG-Lichts in das optische Detektionssystem in Bezug auf jede Frequenz variiert. Dies tendiert, die Größe und die Kosten des optischen Detektionssystems zu erhöhen.
Durch Abzweigen eines Teils des Pumplichts, das in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall eintritt, und sein Umleiten derart, dass es in den nichtlinearen optischen Detektionskristall eintritt, ist es möglich, das is-TPG-Licht im nichtlinearen optischen Detektionskristall in das Nahinfrarotlicht umzuwandeln. Um die Wellenlängenumwandlungseffizienz im nichtlinearen optischen Detektionskristall zu maximieren, ist es zum jetzigen Zeitpunkt erforderlich, einen Winkel des is-TPG-Lichts zum Pumplicht in Bezug auf jede Frequenz des is-TPG-Lichts geeignet zu konfigurieren. Allerdings umfasst das optische Feinabstimmen des Winkels einen bestimmten Schwierigkeitsgrad. Außerdem kann, wenn der Winkel zwischen Ferninfrarotspektrometrievorrichtungen variiert, die Signalintensität von Nahinfrarotlicht, das detektiert werden soll, zwischen den Vorrichtungen variieren.
Patentliteratur 1 beabsichtigt, eine Differenz zwischen Abstrahlwinkeln in Bezug auf jede Frequenz zu verringern, wenn das is-TPG-Licht erzeugt wird (siehe 0008 in der Literatur). Allerdings ist in der Literatur nicht ausreichend berücksichtigt, einen Winkel zu gewährleisten, der für jede Frequenz im nichtlinearen optischen Detektionskristall geeignet ist, wenn das is-TPG-Licht detektiert wird.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf derartige Probleme, die oben beschrieben sind, gemacht und beabsichtigt, eine Ferninfrarotspektrometrievorrichtung zu schaffen, die Ferninfrarotlicht unter Verwendung des is-TPG-Verfahrens erzeugt, wobei die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung das is-TPG-Licht ohne Feinabstimmen des optischen Detektionssystems oder des nichtlinearen optischen Detektionskristalls wirksam detektieren kann.
Lösung des Problems
Eine Ferninfrarotspektrometrievorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung passt einen Einfallsflächenwinkel von Pumplicht in Bezug auf einen nichtlinearen optischen Detektionskristall an, um in der Lage zu sein, einen Winkel von Ferninfrarotlicht zum Pumplicht in Bezug auf jede Frequenz des Ferninfrarotlichts im nichtlinearen optischen Detektionskristall geeignet zu konfigurieren, selbst wenn ein Einfallswinkel des Ferninfrärotlichts in ein Si-Detektionsprisma gleich bleibt, wenn Ferninfrarotlicht, das eine erste Frequenz besitzt, in den nichtlinearen optischen Detektionskristall eintritt und wenn Ferninfrarotlicht,das eine zweite Frequenz besitzt, in den nichtlinearen optischen Detektionskristall eintritt.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung, die Ferninfrarotlicht unter Verwendung des is-TPG-Verfahrens erzeugt, das is-TPG-Licht wirksam detektiert, ohne das optische Detektionssystem oder den nichtlinearen optischen Detektionskristall in Bezug auf jede Frequenz feinabzustimmen.
Figurenliste

1A ist eine schematische Seitenansicht, die eine Gesamtkonfiguration einer Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt;
1B ist ein Vektordiagramm, das Beziehungen zwischen jeweiligen Lichtstrahlen zeigt;
2A ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen Wellenzahlvektoren jeweiliger Lichtstrahlen in einem Detektionssystem zeigt;
2B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, in dem ein Ferninfrarotlichtstrahl 250 in ein Si-Detektionsprisma 142 und einen nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eintritt;
2C ist ein Diagramm, das einen Fall zeigt, in dem das Si-Detektionsprisma 142 und der nichtlineare optische Detektionskristall 132 um einen Winkel δ1 um ihre Spitzen gedreht werden;
2D zeigt Beispielberechnungen, die Beziehungen zwischen dem Winkel δ1, einer Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 und einem Winkel γ" (einem Winkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250, der in das Si-Detektionsprisma 142 eintritt) veranschaulichen;
3A ist eine schematische Seitenansicht, die eine Gesamtkonfiguration der Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt; und
3B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, in dem der Ferninfrarotlichtstrahl 250 aus dem Si-Detektionsprisma 142 und einem nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 austritt.

Beschreibung der Ausführungsformen
<Erste Ausführungsform: Konfiguration der Ferninfrarotlichtquelle>
1A ist eine schematische Seitenansicht, die eine Gesamtkonfiguration einer Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 ist eine Vorrichtung, die eine Probe 200 durch Bestrahlen der Probe 200 mit Ferninfrarotlicht analysiert. Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 enthält eine Ferninfrarotlichtquelle 100 mit veränderlicher Wellenlänge, ein optisches Beleuchtungssystem 150, ein optisches Detektionssystem 170, einen nichtlinearen optischen Detektionskristall 132, einen Fotodetektor 290, einen Steuerabschnitt 500 und einen Signalverarbeitungsabschnitt 400.
Die Ferninfrarotlichtquelle 100 mit veränderlicher Wellenlänge leitet Laserlichtstrahlen, die verschiedene Wellenlängen besitzen (einen Pumplichtstrahl 115 und einen Keimlichtstrahl 125), in einen nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 ein und erzeugt einen Ferninfrarotlichtstrahl 250 durch Differenzfrequenzerzeugung oder parametrische Erzeugung. Diese Technik wird als ein is-TPG-Verfahren bezeichnet, Im Folgenden wird das Ferninfrarotlicht, das durch das is-TPG-Verfahren erzeugt wird, als is-TPG-Licht bezeichnet.
Eine Pulslaserlichtquelle 110 strahlt den Pumplichtstrahl 115 ab und eine Lichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge 120 strahlt den Keimlichtstrahl 125 ab. Ein Teil des Pumplichtstrahls 115 wird durch ein Verzweigungselement 127 wie z. B. einen Halbspiegel abgezweigt und als ein Pumplichtstrahl 235 in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eingeleitet. Ein Einfallswinkeleinstellmechanismus 121 passt einen Einfallswinkel, unter dem der Keimlichtstrahl 125 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 eintritt, an. Ein Spiegel 126 reflektiert den Keimlichtstrahl 125 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130.
Zum Beispiel kann unter Verwendung von MgO: LiNbO₃ als den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130, unter Verwendung eines . Pulsschwingungs-Q-Schalt-YAG-Lasers (Wellenlänge: 1064 nm) als die Pulslaserlichtquelle 110 und Eingeben des Keimlichtstrahls 125, der durch die Lichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge 120 abgestrahlt wird, in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 der Ferninfrarotlichtstrahl 250 durch die parametrische Erzeugung erhalten werden. Die Lichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge 120 kann ein kontinuierlicher Schwingungslaser sein. Durch Anbringen eines Si-Erzeugungsprismas 140 an einer Seite des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 ist es möglich, den erzeugten Ferninfrarotlichtstrahl 250 effizient zu extrahieren. Durch Verändern der Wellenlänge des Keimlichtstrahls 125 zwischen etwa 1066 nm und 1084 nm und ferner Anpassen des Einfallswinkels des Keimlichtstrahls 125 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 ist es möglich, die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 (des is-TPG-Lichts) derart zu ändern, dass er in einem Bereich zwischen 0,5 THz und 5 THz erzeugt wird.
1B ist ein Vektordiagramm, das Beziehungen zwischen jeweiligen Lichtstrahlen zeigt. Unter der Annahme, dass die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250, der erzeugt werden soll, ω_T ist, die Frequenz des Pumplichtstrahls 115 ω_P ist und die Frequenz des Keimlichtstrahls 125 ω_s ist, wird ω_T = ω_P - ω_S (Gleichung 1) festgelegt. Ferner wird unter der Annahme von Wellenzahlvektoren des Ferninfrarotlichtstrahls 250, des Pumplichtstrahls 115 und des Keimlichtstrahls 125 als k_T, k_P bzw. k_S k_T = k_P - k_S (Gleichung 2) festgelegt. Der erzeugte Ferninfrarotlichtstrahl 250 (0,5 THz - 5 THz) wird mittels des Si-Erzeugungsprismas 140 in einem Winkel etwa im Bereich von 48° bis 36° in Bezug auf den Pumplichtstrahl 115 in die Luft extrahiert.
Da LiNbO₃, das als der nichtlineare optische Erzeugungskristall 130 verwendet wird, das Ferninfrarotlicht von 3 THz oder mehr stark absorbiert, werden der Pumplichtstrahl 115 und der Keimlichtstrahl 125 bei einer Position so nah wie möglich bei einer Facette des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 eingeleitet und dadurch die Entfernung, die der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der erzeugt werden soll, in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 verläuft, so weit wie möglich verringert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der durch den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 absorbiert werden soll, umso mehr niedergehalten werden kann, je kürzer die Bewegungsentfernung des Ferninfrarotlichtstrahls 250 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 ist. Einerseits ist es durch Eingeben des Pumplichtstrahls 115 und des Keimlichtstrahls 125 so nah wie möglich bei zur Facettenseite des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 und Erzeugen des Ferninfrarotlichts, das eine tiefe Frequenz von 1 THz oder weniger besitzt, möglich, eine Absorption des Ferninfrarotlichts, das die tiefe Frequenz besitzt, in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 niederzuhalten. Andererseits wird allerdings, weil das Licht des Pumplichtstrahls 115 nicht durch eine Kristallkante vignettiert wird und alle Energie in den Kristall eingeleitet werden kann, eine optische Pfadlänge, wobei eine Interaktion zwischen dem Pumplichtstrahl 115 und dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 auftritt, verkürzt und wird deshalb auch ein Wirkungsgrad des Erzeugens des Ferninfrarotlichtstrahls 250 verringert. Dies kann eine effiziente Erzeugung des Ferninfrarotlichtstrahls 250 verhindern, was ein Problem ist.
Somit kann, wenn das Ferninfrarotlicht, das die tiefe Frequenz von 1 THz oder weniger besitzt, erzeugt wird, durch Aufbringen des Pumplichtstrahls 115 und des Keimlichtstrahls 125 nahe der Zentrumsnähe des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 alle Energie in den Kristall eingeleitet werden, ohne dass das Licht des Pumplichtstrahls 115 durch die Kristallkante vignettiert wird. Dies verlängert die Entfernung, die der Ferninfrarotlichtstrahl 250 durch den Pumplichtstrahl 115 induziert in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 verläuft, bis der Ferninfrarotlichtstrahl 250 nach außerhalb des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 austritt, wodurch eine größere Entfernung, auf der die Interaktion zwischen dem Pumplichtstrahl 115 und dem Ferninfrarötlichtstrahl 250 auftritt, gewährleistet werden kann. Es ist festzuhalten, dass, weil lediglich eine geringe Absorption des Ferninfrarotlichts, das die tiefe Frequenz von 1 THz oder weniger besitzt, in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 vorliegt, das Erzeugen des Ferninfrarotlichts in der Nähe des Zentrums des Kristalls keine Rolle spielt.
In der ersten Ausführungsform werden unter Verwendung eines automatischen Translationstischs 135 der nichtlineare optische Erzeugungskristall 130 und das Si-Erzeugungsprisma 140 in Richtung einer y'-Achse in Bezug auf den Pumplichtstrahl 115 abhängig von der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 bewegt. Dies ändert die Positionen, bei denen der Pumplichtstrahl 115 und der Keimlichtstrahl 125 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 eintreten. Auf diese Weise ist es möglich, die optische Pfadlänge des Ferninfrarotlichtstrahls 250, der eine tiefe Frequenz von 1 THz oder weniger besitzt, auf der eine Interaktion zwischen dem Pumplichtstrahl 115 und dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 auftritt, für eine ausreichend lange Zeit zu gewährleisten, und es ist möglich, den Ferninfrarotlichtstrahl 250, der eine hohe Frequenz von 3 THz oder höher besitzt, effizient zu erzeugen, ohne dass er im Kristall absorbiert wird.
Überschüssiges Licht, das aus dem nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 abgestrahlt wird, wird durch einen Dumper 240 rückgewonnen und zerstört. Ähnlich wird überschüssiges Licht, das aus dem nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 abgestrahlt wird, auch durch den Dumper 240 zurückgewonnen und zerstört.
<Erste Ausführungsform: Konfiguration zum Entfernen von TPG-Licht>
Im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 wird, wenn auch nur wenig Ferninfrarotlicht (TPG-Licht) erzeugt, das eine breite Frequenz besitzt, die abhängig von der Pumplichtstrahl 115 jedoch nicht vom Keimlichtstrahl 125 erzeugt wird. Das TPG-Licht wird zusammen mit dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 durch die Probe 200 weitergeleitet, in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eingeleitet, durch den Pumplichtstrahl 235 in Nahinfrarotstrahlung, die eine breite Frequenz besitzt, wellenlängenumgesetzt und durch den Fotodetektor 290 detektiert. Dieses Signal beeinflusst die Stabilität eines Detektionssignals, weil es ein Rauschen für das Detektionssignal ist, das durch das is-TPG-Licht erzeugt wird. Darüber hinaus führt es, weil das TPG-Licht instabile Leistungen aufweist, was den Umsetzwirkungsgrad in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 und den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 instabil macht, zu dem Problem, dass die Leistung eines Detektionslichtstrahls 300 nicht in einer stabilen Weise beobachtet werden kann. Darüber hinaus liegt auch das Problem vor, dass die Wellenlängenumwandlungseffizienz vom is-TPG-Licht zum Nahinfrarotlicht bezüglich des Energieerhaltungssatzes verringert wird, weil die Energie des Pumplichtstrahls 235 verwendet wird, um das TPG-Licht in das Nahinfrarotlicht umzuwandeln.
Wie in 1B gezeigt ist, ändert sich, obwohl der nichtlineare optische Erzeugungskristall 130 den Ferninfrarotlichtstrahl 250 in einem Winkel γ, der der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 entspricht, abstrahlt, ein Abstrahlwinkel des TPG-Lichts nicht, selbst wenn die Wellenlänge des Keimlichtstrahls 125 geändert wird (d. h. selbst wenn der Abstrahlwinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird), weil das TPG-Licht eine Komponente ist, die durch das Vorliegen des Pumplichtstrahls 115 erzeugt wird. Deshalb sollte, wenn der Ferninfrarotlichtstrahl 250 und das TPG-Licht unter Verwendung einer Linse 151 mittels eines Spiegels 161 fokussiert wird, die fokussierte Stelle zwischen dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 und dem TPG-Licht räumlich verschieden sein. Entsprechend ist es möglich, unter Verwendung eines Schlitzes 205 (eines Lichtabschirmelements), der in eines automatischen Translationstischs 206 angeordnet ist, lediglich das TPG-Licht zu entfernen.
Das TPG-Licht kann nicht durch einen Polarisator oder dergleichen entfernt werden, weil das TPG-Licht und der Ferninfrarotlichtstrahl 250 dieselbe Polarisierung aufweisen. Zusätzlich werden das TPG-Licht und der Ferninfrarotlichtstrahl 250 als im Wesentlichen gleich gepulstes Licht in einer Zeitdomäne erzeugt. Es wird deshalb angenommen, dass es angemessen ist, das TPG-Licht durch den Schlitz 205 räumlich zu entfernen. Zusätzlich zum Schlitz 205 kann eine Blende, ein Nadelloch, eine Messerkante und dergleichen als das Lichtabschirmelement verwendet werden. Eine Breite des Schlitzes 205, eine Öffnung der Blende, eine Größe des Nadellochs und dergleichen sind bevorzugt so klein wie möglich gestaltet, zu einem Grad, dass der Ferninfrarotlichtstrahl 250 nicht entfernt wird. Ein Material des Lichtabschirmelements kann ein Harz, das das TPG-Licht absorbieren kann, oder ein Metall, das das TPG-Licht ,reflektiert, sein.
Wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 durch Ändern der Wellenlänge des Keimlichtstrahls 125 geändert wird, ändert sich eine Mutationsbelastung Δ des Strahlorts, der durch die Linse 151 fokussiert wird (die Brennweite f), gemäß Δ = fθ (Gleichung 3). θ ist ein Abstrahlwinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250. Es ist möglich, lediglich den Ferninfrarotlichtstrahl 250 bei einer gewünschten Frequenz durch Bewegen des automatischen Translationstischs 206 gemäß Gleichung 3 ständig zu extrahieren.
Aufgrund der oben beschriebenen Konfiguration ist es, weil das TPG-Licht nicht zusammen mit dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eingeleitet wird, möglich, den Ferninfrarotlichtstrahl 250 effizient allein wellenlängenumzusetzen und den Detektionslichtstrahl 300 mit einer stabilen Leistung zu erhalten. Außerdem ist es, weil die Energie des Pumplichtstrahls 235 nicht verwendet wird, um das TPG-Licht während der Wellenlängenumsetzung in das Nahinfrarot umzuwandeln, möglich, den Umsetzwirkungsgrad des Ferninfrarotlichtstrahls 250 zu verbessern.
Eine Kombination des Verfahrens zum Entfernen des TPG-Lichts unter Verwendung des Schlitzes 205 und des oben erwähnten Verfahrens zum Bewegen des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 durch den automatischen Translationstisch 135 kann das Frequenzband zur Detektion durch den Fotodetektor 290 vergrößern.
<Erste Ausführungsform: Konfiguration des optischen Systems>
Während einer optischen Anpassung während des Herstellens der Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1, wird eine optische Achse des Pumplichtstrahls 115, des Keimlichtstrahls 125 oder beidem derart angepasst, dass das is-TPG-Licht seine maximale Leistung erreicht. Wenn mehrere Ferninfrarotspektrometrievorrichtungen 1 hergestellt werden, kann die Erzeugungsposition oder der Abstrahlwinkel des is-TPG-Lichts zwischen den Vorrichtungen abhängig von einer geringen Differenz der optischen Achse variieren. Es ist schwierig, die Differenz zwischen Vorrichtungen zu steuern und es besteht das Problem, dass sämtliche Stellungen der Probe 200, des optischen Detektionssystems 170 und des nichtlinearen optischen Detektionskristalls 132 angepasst werden müssen.
Nun wird das erzeugte is-TPG-Licht (der Ferninfrarotlichtstrahl 250) durch den Spiegel 161 reflektiert, durch den Schlitz 205 weitergeleitet und durch einen Spiegel 162, der an einem Drehtisch 163 montiert ist, zur Probe 200 reflektiert. Der Abstrahlwinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 wird durch Ändern der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert und ein Winkel des Spiegels 162 kann bevorzugt unter Verwendung des Drehtischs 163 korrigiert werden. Mit der Konfiguration, dass sich der Rotationsmittelpunkt des Drehtischs 163 an einer Oberfläche des Spiegels 162 befindet und dass der Rotationsmittelpunkt des Spiegels 162 und die Erzeugungsposition des Ferninfrarotlichtstrahls sich in einer Spiegelbildbeziehung befinden, wird der Ferninfrarotlichtstrahl 250 ständig in den Rotationsmittelpunkt des Spiegels 162 eintreten, selbst wenn die Frequenz geändert wird. Die oben erwähnte Spiegelbildbeziehung kann in Übereinstimmung mit der Stellung der Linse 151 in Richtung der optischen Achse angepasst werden. Außerdem sollte, weil der Winkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 nicht von der Frequenz im Hinblick auf das Licht in einer Richtung senkrecht zur Papieroberfläche abhängt, lediglich die Richtung parallel zur Papieroberfläche betrachtet werden.
Der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der durch den Spiegel 162 reflektiert wurde, wird durch eine Linse 152 in paralleles Licht umgewandelt und durch eine Linse 156 auf die Probe 200 fokussiert. Auf diese Weise wird selbst dann, wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird, der Ferninfrarotlichtstrahl 250 ständig auf dieselbe Position auf der Probe 200 aufgebracht.
Unter Verwendung der oben beschriebenen Konfiguration des optischen Beleuchtungssystems 150 ist es möglich, die Richtung und die Position des Ferninfrarotlichtstrahls 250 unter Verwendung der Spiegel 161 und 162 und der Linse 151 selbst zwischen mehreren Ferninfrarotspektrometrievorrichtungen 1 einfach zu korrigieren.
Das optische Detektionssystem 170 enthält Linsen 177 und 179. Die Linse 177 wandelt den Ferninfrarotlichtstrahl 250, der die Probe 200 durchlaufen hat, in das parallele Licht um. Die Linse 179 fokussiert den Ferninfrarotlichtstrahl 250 auf das Si-Detektionsprisma 142. Das optische Beleuchtungssystem 150/das optische Detektionssystem 170/ein Tisch 145 werden derart angepasst, dass ein Einfallswinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 zum Si-Detektionsprisma 142 γ" ist, wie später beschrieben wird.
<Erste Ausführungsform: Konfiguration des Detektionssystems>
Der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der die Probe 200 durchlaufen hat, wird mittels des optischen Detektionssystems 170 und des Si-Detektionsprismas 142 in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eingeleitet. Der Ferninfrarotlichtstrahl 250 wird durch den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 in das Nahinfrarotlicht (den Detektionslichtstrahl 300) in der Nähe der Wellenlänge von 1066 nm - 1084 nm wellenlängenumgesetzt. Der Detektionslichtstrahl 300 wird durch den Fotodetektor 290, der für das Nahinfrarotlicht empfindlich ist, fotoelektrisch umgesetzt und als das Detektionssignal detektiert.
2A ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen Wellenzahlvektoren jeweiliger Lichtstrahlen in einem Detektionssystem zeigt. Die Vektorbeziehungen zwischen jeweiligen Lichtstrahlen können repräsentiert werden, wie in 2A wie mit der Zeit der Erzeugung gezeigt ist. Um die Wellenlängenumsetzung durch den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 wirksam durchzuführen, ist es erforderlich, den Winkel γ, der vom Ferninfrarotlichtstrahl 250 zum Pumplichtstrahl 235 gebildet wird, geeignet zu konfigurieren. Weil sich γ ändert, wenn sich die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 ändert, ist es, um einen geeigneten γ zu gewährleisten, z. B. erforderlich, den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 und das Si-Detektionsprisma 142 durch der Tisch 145 zu bewegen (oder den Winkel dazwischen zu ändern). Allerdings muss, um ein derartiges Feinabstimmen durchzuführen, die Steuergenauigkeit des Tischs 145 und dergleichen geeignet gewährleistet werden, was die Vorrichtungskonfiguration erschwert.
Deshalb wird in der ersten Ausführungsform der Winkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 im nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 (d. h. der Winkel γ in 2A und 2B) unter Verwendung eines Brechungsphänomensangepasst, das beobachtet wird, wenn der Ferninfrarotlichtstrahl 250 in das Si-Detektionsprisma 142 und den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eintritt.
2B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, in dem der Ferninfrarotlichtstrahl 250 in das Si-Detektionsprisma 142 und den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eintritt. Der Ferninfrarotlichtstrahl 250 wird an einer Grenzschicht des Si-Detektionsprismas 142 gebrochen, wenn er in jenes eintritt, und wird ferner an einer Grenzschicht des nichtlinearen optischen Detektionskristalls 132 gebrochen, wenn er in jenen eintritt. Es ist nötig, den Winkel γ vom Ferninfrarotlichtstrahl 250 zum Pumplichtstrahl 235 in Bezug auf jede Frequenz geeignet einzustellen.
2C ist ein Diagramm, das einen Fall zeigt, in dem das Si-Detektionsprisma 142 und der nichtlineare optische Detektionskristall 132 um einen Winkel δ1 um ihre Spitzen gedreht werden. Es ist möglich, den Winkel γ im nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 durch Drehen des Si-Detektionsprismas 142 und des nichtlinearen optischen Detektionskristalls 132, wie in 2C gezeigt ist, in Bezug auf jede Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geeignet einzustellen. Allerdings ist es bezüglich der Steuergenauigkeit und dergleichen schwierig, ein derartiges Feinabstimmen in Bezug auf jede Frequenz durchzuführen.
2D zeigt Beispielberechnungen, die Beziehungen zwischen dem Winkel δ1, der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 und dem Winkel γ" (einem Winkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250, der in das Si-Detektionsprisma 142 eintritt) veranschaulichen. Es sind Beispiele des Winkels δ1 = 0°, 3° und 7° gezeigt. Um einen geeigneter Winkel γ im nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 zu gewährleisten, ist es erforderlich, den Einfallswinkel γ" in das Si-Detektionsprisma 142 geeignet einzustellen. Der geeignete Einfallswinkel γ" ändert sich gemäß der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass die Beziehung zwischen der Frequenz und γ" sich auch ändert, wenn δ1 geändert wird.
Es ist aus 2D ersichtlich, dass die kleinste Variation des geeigneten Einfallswinkels γ", die eine Änderung der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 begleitet, vorliegt, wenn δ1 =7°. Die Erfinder haben festgestellt, dass ein derartiger Winkel δ1 vorhanden ist. Daher wurde in der ersten Ausführungsform bestimmt, den Winkel δ1 durch der Tisch 145 derart einzustellen, dass die Variation des Winkels γ", die die Frequenzänderung begleitet, am kleinsten ist (δ1= 7° im Beispiel von 2D). Auf diese Weise ist es möglich, den Detektionslichtstrahl 300 über das breite Frequenzband des Ferninfrarotlichtstrahls 250 effizient zu erzeugen, ohne einen komplexen Korrekturmechanismus für den Einfallswinkel γ" zu benötigen.
Für Eigenschaften von δ1(δ1 = 7° im Beispiel von 2D), die die kleinste Änderung von γ", die die Frequenzänderung begleitet, aufweisen, liegen bevorzugt zwei oder mehr Frequenzen vor, die denselben γ" besitzen. Zum Beispiel sind im Beispiel von δ1=7°, das in 2D gezeigt ist, Werte von γ" nahe 1,5 THz und nahe 4,0 THz gleich. Darüber hinaus ist es auch wünschenswert, dass γ" in den Frequenzbändern davor und danach im Wesentlichen im selben Bereich liegt (in diesem Beispiel ist die Differenz von γ" nahe 1,5 THz in einem zulässigen Bereich und ist die Differenz von γ" nahe 4,0 THz auch im zulässigen Bereich).
Der wünschenswerte δ1 (δ1=7 ° im Beispiel von 2D) kann im Voraus vor dem Analysieren der Probe 200 unter Verwendung der Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 eingestellt werden oder ein geeigneter Wert von δ1 kann nach dem Start einer Messung gesucht werden. In jedem Fall kann während des Ändern der Winkel des Si-Detektionsprismas 142 und des nichtlinearen optischen Detektionskristalls 132 durch den Tisch 145 der geeignete γ" eingestellt werden und kann auch ein δ1 derart gesucht werden, dass die Änderung von γ" am kleinsten ist, wenn die Frequenz geändert wird (z. B. ein derartiger δ1, dass γ" bei zwei Frequenzen gleich ist). Der Tisch 145 kann durch den Steuerabschnitt 500 gesteuert werden. Ähnlich kann der automatische Translationstisch 135 durch den Steuerabschnitt 500 gesteuert werden.
<Erste Ausführungsform: Konfiguration zum Detektieren von Nahinfrarotlicht>
Der Detektionslichtstrahl 300, der aus dem Ferninfrarotlicht umgesetzt wurde, wird durch den Fotodetektor 290 detektiert. Der Fotodetektor 290 kann ein Lichtaufnahmeelement (ein 1D-Anordnungsdetektor) sein, das mehrere Lichtaufnahmeelemente enthält, die in einer eindimensionalen Anordnung angeordnet sind, oder kann ein Lichtaufnahmeelement (ein 2D-Anordnungsdetektor) sein, das mehrere Lichtaufnahmeelemente enthält, die in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. Der 1D-Anordnungsdetektor oder der 2D-Anordnungsdetektor für Nahinfrarot ist ziemlich einfach verfügbar, reaktionsschnell und bei Raumtemperatur verwendbar. Entsprechend sind diese Detektoren für industrielle Anwendungen geeignet. Der Signalverarbeitungsabschnitt 400 subtrahiert eine Signalintensität von einem gemessenen Signal zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ferninfrarotstrahlung später blockiert wird, um eine Verringerung des Signal/Rausch-Verhältnisses zu verhindern, die aus dem Rauschen des Fotodetektors 290, dem Rauschen des Streulichts des sichtbaren Lichts oder des Nahinfrarotlichts in der Vorrichtung oder dergleichen entsteht. Wenn das Detektionslicht für die Größe des Fotodetektors 290 zu gering ist, kann bevorzugt ein Integral eines bestimmten Bereichs, in dem das Detektionslicht auf dem Fotodetektor 290 vorhanden ist, als die Detektiönslichtintensität zum Signalverarbeitungsabschnitt 400 gesendet werden. Außerdem wird, wenn die Frequenz durchgestimmt wird, die Strahlposition des Detektionslichtstrahls 300 geändert und kann deshalb dem Bereich der Signale, die verarbeitet werden sollen, gefolgt werden. Ähnlich zum Detektionslichtstrahl 300 weisen Rauschkomponenten auch verschiedene Intensitäten auf und ist es deshalb erforderlich, das Rauschen in dem Bereich, der jede Frequenz entspricht, zu messen.
<Erste Ausführungsform: Zusammenfassung>
Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform passt den Winkel δ1 der Einfallsoberfläche des Pumplichtstrahls 235 derart an den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 an, dass der geeignete Einfallswinkel γ" des Ferninfrarotlichtstrahls 250 zum Si-Detektionsprisma 142 gleich bleibt, wenn der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der die erste Frequenz (z. B. nahe 1,5 THz in 2D) besitzt, in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eintritt und wenn der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der die zweite Frequenz (z. B. nahe 4,0 THz in 2D) besitzt, in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 eintritt. Der geeignete Einfallswinkel y" bedeutet hier einen Winkel, der den Winkel γ gewährleisten kann, der zum Umsetzen des Ferninfrarotlichtstrahls 250 in das Nahinfrarotlicht im nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 in Übereinstimmung mit der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 effizient ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Detektionslichtstrahl 300 im breiten Frequenzband des Ferninfrarotlichtstrahls 250 effizient zu erzeugen, ohne einen komplexen Korrekturmechanismus für den Einfallswinkel γ" zu benötigen.
Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform blockiert das TPG-Licht durch Anpassen der Stellung des Schlitzes 205 gemäß Gleichung 3 lediglich in einem Fall, in dem der Abstrahlwinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 und der Abstrahlwinkel des TPG-Lichts voneinander verschieden sind. Auf diese Weise ist es möglich, das Rauschen, das aus dem TPG-Licht entsteht, niederzuhalten und außerdem die Energie des Pumplichtstrahls 235 nicht für das TPG-Licht zu verwenden.
Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform passt den Winkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 durch den Spiegel 162 derart an, dass der Ferninfrarotlichtstrahl 250 in das Si-Detektionsprisma 142 bei dem geeigneten Einfallswinkel y" eintritt, selbst wenn der Abstrahlwinkel abhängig von der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 variiert. Auf diese Weise ist es möglich, den Winkel γ mit hohem Umsetzwirkungsgrad ständig zu gewährleisten, selbst wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird. Darüber hinaus ist es möglich, den Winkel γ mit hohem Umsetzwirkungsgrad unter demselben Einfallswinkel γ" selbst ohne Ändern der Winkel des Si-Detektionsprismas 142 und des nichtlinearen optischen Detektionskristalls 132 ständig zu gewährleisten.
Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform passt die Stellung des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 durch den automatischen Translationstisch 135 derart an, dass die optische Pfadlänge, wobei die Interaktion zwischen dem Pumplichtstrahl 115 und dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 auftritt, im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 in Übereinstimmung mit der Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 so lange wie möglich gehalten werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die optische Pfadlänge, wobei die Interaktion zwischen dem Pumplichtstrahl 115 und dem Ferninfrarotlichtstrahl 250 auftritt, über den breiten Frequenzbereich so lange wie möglich zu halten und den Ferninfrarotlichtstrahl 250 effizient zu erzeugen.
<Zweite Ausführungsform >
In der ersten Ausführungsform wurde ein Konfigurationsbeispiel beschrieben, das den Umsetzwirkungsgrad auf der Detektionsseite ohne Feinabstimmen von γ" durch Anpassen des Winkels δ1 des Pumplichtstrahls 235 zum nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 gewährleistet. Eine ähnliche Winkelanpassung kann auch am nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 durchgeführt werden. Deshalb wird in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Konfigurationsbeispiel beschrieben, das einen Winkel der Einfallsoberfläche, in die der Pumplichtstrahl 115 eintritt, auf der Erzeugungsseite zusätzlich zur Detektionsseite anpasst.
3A ist eine schematische Seitenansicht, die eine Gesamtkonfiguration der Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In der Konfiguration, die in 3A gezeigt ist, sind optische Elemente vom Spiegel 161 zum Spiegel 162 im Vergleich zur Konfiguration in 1A ausgelassen. Der Rest der Konfiguration ist ähnlich der in der ersten Ausführungsform. Wie unten beschrieben ist, sollte allerdings ein Winkel δ2 der Einfallsoberfläche, bei der der Pumplichtstrahl 115 in den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 eintritt, angepasst werden.
3B ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts, in dem der Ferninfrarotlichtstrahl 250 aus dem Si-Detektionsprisma 142 und dem nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 austritt. Im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 wird der Ferninfrarotlichtstrahl 250 derart erzeugt, dass er einen Winkel γ2 in Bezug auf den Pumplichtstrahl 115 bildet. Der Ferninfrarotlichtstrahl 250 wird an einer Grenzschicht zwischen dem Si-Erzeugungsprisma 140 und dem nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 gebrochen und außerdem an einer Grenzschicht zwischen dem Si-Erzeugungsprisma 140 und der Luft gebrochen. Ein Abstrahlwinkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl 115 ist y2". γ2, y2' und y2" ändern sich in Bezug auf jede Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250.
Es existiert eine Beziehung ähnlich der in 2D zwischen dem Si-Erzeugungsprisma 140 und dem riichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130. Das heißt, es existiert der Winkel 32 der Einfallsoberfläche derart, dass y2" im Wesentlichen konstant bleibt, selbst wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird. Somit wird in der zweiten Ausführungsform der Winkels δ2 ist durch den automatischen Translationstisch 135 gebildet, der das Si-Erzeugungsprisma 140 und den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall 130 neigt. Auf diese Weise spielt es selbst dann, wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird, keine Rolle, wenn die Größe des optischen Systems wie z. B. des optischen Beleuchtungssystems 150 verringert wird, weil der Abstrahlwinkel y2" des Ferninfrarotlichtstrahls 250 nicht wesentlich geändert wird, und es besteht kein Bedarf des Korrigierens der Stellung der Probe 200, die bestrahlt werden soll, weil die Stellung nicht geändert wird.
Es ist festzuhalten, dass, wie in der ersten Ausführungsform, die Stellungen des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls 130 und des Si-Erzeugungsprismas 140 in Bezug auf das Si-Erzeugungsprisma 140 bevorzugt durch den automatischen Translationstisch 135 derart bewegt werden, dass sie bei geeigneten Stellungen sind, wenn die Frequenz des Ferninfrarotlichtstrahls 250 geändert wird. Darüber hinaus kann der Winkel δ2 durch den automatischen Translationstisch 135 gesucht werden wie in der ersten Ausführungsform.
Der Ferninfrarotlichtstrahl 250, der die Probe 200 durchlaufen hat, wird in den nichtlinearen optischen Detektionskristall 132 mittels des Si-Detektionsprismas 142 eingeleitet wie in der ersten Ausführungsform. Wie in der ersten Ausführungsform sind der nichtlineare optische Detektionskristall 132 und das Si-Detektionsprisma 142 um den Winkel δ1 geneigt. Auf diese Weise ist es möglich, ebenfalls auf der Detektionsseite eine Wirkung ähnlich der in der ersten Ausführungsform zu zeigen.
In der zweiten Ausführungsform ist es, weil die optischen Elemente vom Spiegel 161 zum Spiegel 162 ausgelassen sind, möglich, die Größe der Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 zu verringern und die Kosten niederhalten. Allerdings ist es, weil kein Schlitz 205 oder dergleichen, der das TPG-Licht entfernt, vorhanden ist, wünschenswert, die zweite Ausführungsform in einer Anwendung zu verwenden, die das Rauschen oder den Energieverbrauch, das bzw. der durch das TPG-Licht verursacht wird, zu erlauben. Hingegen müssen in der ersten Ausführungsform der Abstrahlwinkel des Ferninfrarotlichtstrahls 250 und der Abstrahlwinkel des TPG voneinander verschieden sein, um das TPG-Licht unter Verwendung des Schlitzes 205 oder dergleichen zu entfernen. Deshalb sollte die Konfiguration der zweiten Ausführungsform nicht für die Ferninfrarotlichtquelle 100 mit veränderlicher Wellenlänge verwendet werden.
<Änderung der Erfindung>
In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann z. B. die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 in einer quantitativen Analyse oder einer qualitativen Analyse des Komponenteninhalts einer chemischen Substanz in der Probe 200 oder in einem Prüfschritt wie z. B. einer Prüfung hinsichtlich eines Fremdstoffs in der Probe 200 verwendet werden. Die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 kann auch in weiteren geeigneten Anwendungen zum Analysieren der Probe 200 unter Verwendung des Ferninfrarotlichtstrahls 250 verwendet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann der Steuerabschnitt 500 die gesamte Ferninfrarotspektrometrievorrichtung 1 steuern. Der Signalverarbeitungsabschnitt 400 und der Steuerabschnitt 500 können mit Hardware wie z. B. einer Schaltungseinrichtung, die mit der Funktion implementiert ist, konfiguriert sein oder können durch eine Recheneinrichtung, die Software, die mit der Funktion implementiert ist, ausführt, konfiguriert sein.
Bezugszeichenliste

1: Ferninfrarotspektrometrievorrichtung
100: Ferninfrarotlichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge
110: Pulslaserlichtquelle
120: Lichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge
115, 235: Pumplichtstrahl
125: Keimlichtstrahl
130: Nichtlinearer optischer Erzeugungskristall
132: Nichtlinearer optischer Detektionskristall
135: Automatischer Translationstisch
140: Si-Erzeugungsprisma
142: Si-Detektionsprisma
145: Tisch
150: Optisches Beleuchtungssystem
152, 156: Linse
161, 162: Spiegel
163: Drehtisch
200: Probe
205: Schlitz
206: Automatischer Translationstisch
250: Ferninfrarotlicht (is-TPG-Licht)
290: Fotodetektor
300: Detektionslicht
400: Signalverarbeitungsabschnitt
500: Steuerabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/116461 [0004]

Claims

Ferninfrarotspektrometrievorrichtung, die eine Probe unter Verwendung von Ferninfrarotlicht analysiert und die Folgendes umfasst: eine Ferninfrarotlichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge, die einen ersten Infrarotlichtstrahl mit veränderlicher Wellenlänge abstrahlt; und ein Detektionssystem, das den ersten Infrarotlichtstrahl, der die Probe durchlaufen hat, detektiert, wobei die Ferninfrarotlichtquelle mit veränderlicher Wellenlänge konfiguriert ist, einen Pumplichtstrahl und einen Keimlichtstrahl in einen nichtlinearen optischen Erzeugungskristall einzugeben und den ersten Infrarotlichtstrahl mittels eines Si-Erzeugungsprismas, das zum nichtlinearen optischen Erzeugungskristall benachbart angeordnet ist, abzustrahlen, das Detektionssystem konfiguriert ist, den ersten Infrarotlichtstrahl in Nahinfrarotlicht umzusetzen und das resultierende Nahinfrarotlicht mittels eines nichtlinearen optischen Detektionskristalls abzustrahlen, indem der erste Infrarotlichtstrahl in ein Si-Detektionsprisma eingegeben wird und der Pumplichtstrahl in den nichtlinearen optischen Detektionskristall, der zum Si-Detektionsprisma benachbart angeordnet ist, eingegeben wird, der nichtlineare optische Detektionskristall und das Si-Detektionsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer ersten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die erste Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der einen ersten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, der nichtlineare optische Detektionskristall und das Si-Detektionsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer zweiten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der eerste Infrarotlichtstrahl, der die zweite Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der einen zweiten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der nichtlineare optische Detektionskristall konfiguriert ist, den ersten Winkel und den zweiten Winkel durch Anpassen eines Winkels δ1 zwischen einer Normallinie einer Einfallsoberfläche des nichtlinearen optischen Detektionskristalls, in den der Pumplichtstrahl eintritt, und dem Pumplichtstrahl auszugleichen.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: einen Detektionstisch, der den Winkel δ1 durch Bewegen oder Neigen des nichtlinearen optischen Detektionskristalls anpasst; und einen Steuerabschnitt, der den Detektionstisch steuert, wobei der Steuerabschnitt den Winkel δ1 derart anpasst, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der der ersten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die erste Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der den ersten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, der Steuerabschnitt den Winkel δ1 derart anpasst, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der der zweiten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die zweite Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der den zweiten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der Steuerabschnitt den Winkel δ1 durch Suchen des Winkels δ1 derart anpasst, dass der erste Winkel mit dem zweiten Winkel übereinstimmt.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare optische Detektionskristall und das Si-Detektionsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer dritten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die dritte Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der einen dritten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der nichtlineare optische Detektionskristall konfiguriert ist, durch Anpassen des Winkels δ1 eine Differenz zwischen dem ersten Winkel und dem dritten Winkel in einem zulässigen Bereich zu halten und eine Differenz zwischen dem zweiten Winkel und dem dritten Winkel in dem zulässigen Bereich zu halten.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare optische Erzeugungskristall konfiguriert ist, den ersten Infrarotlichtstrahl zu erzeugen und einen zweiten Ferninfrarotlichtstrahl, der nicht abhängig vom Keimlichtstrahl jedoch abhängig vom Pumplichtstrahl erzeugt wird, zu erzeugen, und die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung ferner ein Lichtabschirmelement umfasst, das den zweiten Ferninfrarotlichtstrahl auf einem optischen Pfad des ersten Infrarotlichtstrahls blockiert.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 4, wobei der nichtlineare optische Erzeugungskristall konfiguriert ist, den ersten Infrarotlichtstrahl gemäß einer Frequenz des ersten Infrarotlichtstrahls in einem verschiedenen Winkel abzustrahlen, und das Lichtabschirmelement konfiguriert ist, den ersten Infrarotlichtstrahl weiterzuleiten und den zweiten Ferninfrarotlichtstrahl zu blockieren, indem es sich zu einer Stellung, die einer Frequenz des ersten Infrarotlichtstrahls entspricht, bewegt.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung ferner einen Spiegel umfasst, der den ersten Infrarotlichtstrahl zum Si-Detektionsprisma derart reflektiert, dass er in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der den ersten Winkel oder den zweiten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ferninfrarotspektrometrievorrichtung ferner einen Tisch umfasst, der den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bewegt, und der Tisch den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall zu einer Stellung bewegt, die einem Abstrahlwinkel entspricht, in dem der nichtlineare optische Erzeugungskristall den ersten Infrarotlichtstrahl abstrahlt.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 7, wobei der nichtlineare optische Erzeugungskristall konfiguriert ist, den ersten Infrarotlichtstrahl gemäß einer Frequenz des ersten Infrarotlichtstrahls in einem verschiedenen Winkel abzustrahlen, und der Tisch den nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bewegt, um eine optische Pfadlänge, wobei eine Interaktion zwischen dem ersten Infrarotlichtstrahl und der Pumplichtstrahl auftritt, in Übereinstimmung mit dem Abstrahlwinkel zu verlängern.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei der nichtlineare optische Erzeugungskristall und das Si-Erzeugungsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer vierten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die vierte Frequenz besitzt, vom Si-Erzeugungsprisma in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird, der einen vierten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, der nichtlineare optische Erzeugungskristall und das Si-Erzeugungsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer fünften Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die fünfte Frequenz besitzt, vom Si-Erzeugungsprisma in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird, der einen fünften Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der nichtlineare optische Erzeugungskristall konfiguriert ist, den vierten Winkel und den fünften Winkel durch Anpassen eines Winkels 32 zwischen einer Normallinie einer Einfallsoberfläche des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls, in die der Pumplichtstrahl eintritt, und dem Pumplichtstrahl auszugleichen.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 9, die ferner Folgendes umfasst: einen Erzeugungstisch, der den Winkel δ2 durch Bewegen oder Neigen des nichtlinearen optischen Erzeugungskristalls anpasst, und einen Steuerabschnitt, der den Erzeugungstisch steuert, wobei der Steuerabschnitt den Winkel δ2 derart anpasst, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der der vierten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die vierte Frequenz besitzt, vom Si-Erzeugungsprisma in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird, der den vierten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, der Steuerabschnitt den Winkel δ2 derart anpasst, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel bildet, der einer fünften Frequenz in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall entspricht, wenn der erste Infrarotlichtstrahl vom Si-Erzeugungsprisma in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird, der den fünften Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der Steuerabschnitt den Winkel 32 durch Suchen des Winkels 62 derart, dass der vierte Winkel mit dem fünften Winkel übereinstimmt, anpasst.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 9, wobei der nichtlineare optische Erzeugungskristall und das Si-Erzeugungsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer sechsten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Erzeugungskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die sechste Frequenz besitzt, vom Si-Erzeugungsprisma in einem Abstrahlwinkel abgestrahlt wird, der einen sechsten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der nichtlineare optische Erzeugungskristall konfiguriert ist, durch Anpassen des Winkels 52 eine Differenz zwischen dem vierten Winkel und dem sechsten Winkel in einem zulässigen Bereich zu halten und eine Differenz zwischen dem fünften Winkel und dem sechsten Winkel in dem zulässigen Bereich zu halten.
Ferninfrarotspektrometrievorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Wellenlänge des Keimlichtstrahls in einem Bereich zwischen 1066 nm und 1084 nm liegt und eine Frequenz des ersten Infrarotlichtstrahls in einem Bereich zwischen 0,5 THz und 5 THz liegt.
Ferninfrarotspektrometrieverfahren zum Analysieren einer Probe unter Verwendung von Ferninfrarotlicht, das die folgenden Schritte umfasst: Abstrahlen eines ersten Infrarotlichtstrahls mit veränderlicher Wellenlänge von einer wellenlängenvariablen Ferninfrarotlichtquelle und Detektieren des ersten Infrarotlichtstrahls, der die Probe durchlaufen hat, wobei der Schritt des Abstrahlens des ersten Infrarotlichtstrahls ein Eingeben eines Pumplichtstrahls und eines Keimlichtstrahls in einen nichtlinearen optischen Erzeugungskristall und ein Abstrahlen des ersten Infrarotlichtstrahls mittels eines Si-Erzeugungsprismas, das zum nichtlinearen optischen Erzeugungskristall benachbart angeordnet ist, enthält, der Schritt des Detektierens des ersten Infrarotlichtstrahls ein Umsetzen des ersten Infrarotlichtstrahls in Nahinfrarotlicht und ein Abstrahlen des resultierenden Nahinfrarotlichts mittels eines nichtlinearen optischen Detektionskristalls enthält, indem der erste Infrarotlichtstrahl in ein Si-Detektionsprisma eingegeben wird und der Pumplichtstrahl in den nichtlinearen optischen Detektionskristall, der zum Si-Detektionsprisma benachbart angeordnet ist, eingegeben wird, der nichtlineare optische Detektionskristall und das Si-Detektionsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahleinen Winkel, der einer ersten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die erste Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der einen ersten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, der nichtlineare optische Detektionskristall und das Si-Detektionsprisma derart angeordnet sind, dass der erste Infrarotlichtstrahl einen Winkel, der einer zweiten Frequenz entspricht, in Bezug auf den Pumplichtstrahl im nichtlinearen optischen Detektionskristall bildet, wenn der erste Infrarotlichtstrahl, der die zweite Frequenz besitzt, in das Si-Detektionsprisma unter einem Einfallswinkel eintritt, der einen zweiten Winkel in Bezug auf den Pumplichtstrahl bildet, und der Schritt des Detektierens des ersten Infrarotlichtstrahls ein Ausgleichen des ersten Winkels und des zweiten Winkels durch Anpassen eines Winkels δ1 zwischen einer Normallinie einer Einfallsoberfläche des nichtlinearen optischen Detektionskristalls, in den der Pumplichtstrahl eintritt, und dem Pumplichtstrahl enthält.