JP2001147160A - マルチチャンネル2次元分光方法 - Google Patents
マルチチャンネル2次元分光方法Info
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Abstract
分光を確実に実現することができるマルチチャンネル2
次元分光方法を提供する。 【解決手段】 広帯域プローブ光を分光して外部変調に
よって試料に誘起された変化スペクトルを、マルチチャ
ンネルロックインアンプ11,13により多チャンネル
同時にロックイン検出し、同じ測定時間ではチャンネル
数をNとして√N倍のS/N向上、同じS/Nではパラ
メータを連続的に変化して2次元分光を行えることか
ら、単一粒子(ミクロ)吸収分光・2次元光共鳴分光を
可能にする。
Description
2次元分光方法に係り、特に、単一粒子分光、2次元光
共鳴分光方法に関するものである。
ラやMCPを用いての発光スペクトル・発光パターンの
測定や、広い波長範囲をカバーするパルスレーザー光源
と組み合わせての吸収変化スペクトルの測定等があり、
単一粒子レベルの分光測定では、顕微・近接場分光の手
法を用いての発光・励起スペクトル測定とFM(周波数
変調)分光等、2次元分光では、ラジオ波の周波数領域
での2次元NMR(核磁気共鳴)等が挙げられる。
た従来の分光観測方法には、下記のような問題点があ
る。
一粒子(分子、固体中局在中心、半導体量子点等)レベ
ルの分光観測は普通のものとなってきたが、ほとんどの
計測は発光測定にとどまっている。単一粒子での吸収分
光は励起スペクトル測定、あるいはFM(周波数変調)
分光が行われているにすきない。励起スペクトルは吸収
スペクトルと等価でなく、FM分光はMHz程度までの
鋭い構造のみに敏感で、適用範囲が狭い。単一粒子レベ
ルの分光スペクトルをF(ω、a)、つまり周波数ω、
パラメータaの関数として2次元で測定することはCC
Dカメラを使える発光スペクトルを除いては困難であ
る。
レーザー光源と、CCDカメラによるマルチチャンネル
吸収分光システムも普及してきており、試料の励起によ
る吸収変化スペクトルをマルチチャンネルで測定できる
が、この組み合わせではパルスの光子密度が大き過ぎ
て、単一粒子に適用しても強励起の極限しか検出でき
ず、信号強度も微弱なレベル(10-3以下の変化)は測
定できない。つまり、単一粒子の信号レベルは最大でも
10-3以下であり、また、その光学非線形性は弱励起極
限(単一光子レベル)でも起こり、最も興味があるのは
まさにその領域であるが、全く適用できない。
物質の構造を同定する強力で、かつ標準的な手法となっ
ている。2次元核磁気共鳴では、信号はラジオ波(MH
z)の周波数領域のため、パルス間隔t1 を変えながら
時間(t2 )分解信号を測定し、フーリエ変換によりF
(ω1 、ω2 )の2次元データを得ることができる。
る量子ビートの観測から、物質の電子準位の相関を測定
する手法は普及しているが、測定するエネルギー範囲が
狭く、半導体励起子共鳴等、ごく狭い範囲に応用は限ら
れてきた。
フーリエ変換してF(ω1 ,ω2 )を得るためのf(t
1 ,t2 )の測定で、エコー信号を光の周期の時間分解
能で、かつ、2次元で精密に測定することが困難なため
である。
に2つの時間を掃引するか、パルス遅延時間を掃引し、
実時間については分光器とCCDカメラでフーリエ変換
するか、この2つの方法に限られていた。
かること、後者ではロックイン検出が使えないため信号
強度を大きくする必要があるという欠点があった。
光でなくても、10-3以下の微弱なスペクトル変化を測
定するには、従来は波長をスキャンして1点1点ロック
イン検出するしか方法がなかった。
吸収分光・2次元光共鳴分光を確実に実現することがで
きるマルチチャンネル2次元分光方法を提供することを
目的とする。
成するために、 〔1〕マルチチャンネル2次元分光方法において、分光
スペクトルをマルチチャンネルロックインアンプにより
多チャンネル同時にロックイン検出することを特徴とす
る。
2次元分光方法において、光、電場、磁場、圧力等の外
部からの変調によって試料に誘起された発光、吸収、反
射スペクトルの変化を、分光装置と、光検出器と、マル
チチャンネルロックインアンプを用いて多チャンネル同
時にロックイン検出することを特徴とする。
2次元分光方法において、周波数f 1 によって変調され
た光、電場、磁場、圧力等によって試料に誘起された吸
収(反射)スペクトル変化を、周波数f2 によって変調
された広帯域プローブ光と、分光装置と、光検出器と、
マルチチャンネルダブルロックインアンプを用いて前記
周波数f1 とf2 の相関した成分としてマルチチャンネ
ルダブルロックインアンプにより多チャンネル同時にロ
ックイン検出することを特徴とする。
2次元分光方法において、前記周波数f1 ,f2 によっ
て変調された光、電場、磁場、圧力等によって試料に誘
起された発光、吸収、反射スペクトル変化のうち、前記
周波数f1 とf2 の相関した成分のみを分光装置と、光
検出器と、マルチチャンネルダブルロックインアンプを
用いて多チャンネル同時にロックイン検出することを特
徴とする。
2次元分光方法において、2つの広帯域パルス光ビーム
によって励起された試料からのフォトンエコー信号を、
実時間t1 、2つのパルス間の遅延時間t2 の関数とし
て測定し、2次元フーリエ変換して電子遷移間、電子遷
移−振動遷移間の相関を測定する2次元光共鳴分光を行
う時、前記実時間t1 に関するフーリエ変換を分光装置
で行い、マルチチャンネルロックインアンプによって多
チャンネル同時にロックイン検出することを特徴とす
る。
2次元分光方法において、周波数f 1 、f2 によって変
調された2つの広帯域パルス光ビームによって励起され
た試料からのフォトンエコー信号を、実時間t1 、2つ
のパルス間の遅延時間t2 の関数として測定し、2次元
フーリエ変換して電子遷移間、電子遷移−振動遷移間の
相関を測定する2次元光共鳴分光を行う時、実時間t1
に関するフーリエ変換を分光装置で行い、前記周波数f
1 とf2 の相関した成分をマルチチャンネルダブルロッ
クインアンプによって多チャンネル同時にロックイン検
出することを特徴とする。
2次元分光方法において、光、電場、磁場、圧力等の外
部からの変調によって単一粒子に誘起された発光、吸
収、反射スペクトルの変化を、顕微光学や近接場光学の
光学装置と、分光装置と、光検出器と、マルチチャンネ
ルロックインアンプを用いて多チャンネル同時にロック
イン検出することを特徴とする。
2次元分光方法において、波長によって異なる変調周波
数を持つ広帯域励起光によって励起された試料からの発
光強度をマルチチャンネルロックインアンプによって多
周波数同時ロックイン検出し、励起スペクトルを多チャ
ンネル同時に検出することを特徴とする。
2次元分光方法において、前記光検出器をN×M個2次
元に並べ、試料の変調スペクトルの空間パターンをマル
チチャンネルロックインアンプによって多チャンネル同
時にロックイン検出することを特徴とする。
ル2次元分光方法において、前記光検出器をN×M個2
次元x,y平面に並べ、外部変調によって試料に誘起さ
れた変化を光検出し、分光装置によってx方向に波長分
解し、光学装置でy方向に空間分解した2次元パターン
をパラメータを掃引しながらマルチチャンネルロックイ
ンアンプによって多チャンネル同時にロックイン検出す
ることを特徴とする。
分光、単一粒子分光、2次元光共鳴分光において、外部
変調によって試料に誘起された変化を分光装置とマルチ
チャンネルロックインアンプを用いて多チャンネル同時
にロックイン検出する。
による単一粒子吸収分光・2次元光共鳴分光法におい
て、2次元光共鳴分光(2つのパラメータがともに光周
波数)の場合は、2本の広帯域(フェムト秒)パルスを
用いて(広帯域インコヒーレント光源でも可能)、その
遅延時間τ、実時間tの関数として、(位相分解)量子
ビートを測定し、2次元フーリエ変換して、各エネルギ
ーピークが相関しているか否かの2次元プロットを得る
とき、実時間tに関するフーリエ変換は分光装置で行
い、マルチチャンネルロックインで多チャンネル同時に
測定する。
参照しながら説明する。
ネルロックインアンプによる単一粒子(ミクロ)吸収分
光・2次元光共鳴分光システムの構成図、図2はバンド
ルファイバーアレーの模式図、図3はそのバンドルファ
イバーアレーの検出側の模式図である。ここでは、光変
調による吸収変化スペクトルの測定方法を例に示す。
2はプローブ光であり、それぞれの光は音響光学素子
(AOM)3とチョッパー(またはシャッター)4で、
f1 =1kHz−1MHz、f2 =0.001Hz−1
00Hzの周波数で強度変調されている。5は試料、6
は分光器、7はマルチチャンネル検出器であり、バンド
ルファイバーアレー8、光検出器(PD)9により構成
される。
レー8は、7×128本の光ファイバーで構成され、図
3に示すように、検出器側で7本ずつ束ねられている。
アンプシステム、11は第1のマルチチャンネルロック
インアンプであり、128chのディジタルシグナルプ
ロセッサーロックインアンプ12を備えており、この第
1のマルチチャンネルロックインアンプ11には音響光
学素子3の駆動周波数f1 が参照周波数として入力され
る。
クインアンプであり、128chのディジタルシグナル
プロセッサーロックインアンプ14を備えており、この
第2のマルチチャンネルロックインアンプ13にはチョ
ッパー(シャッター)4の周波数f2 が参照周波数とし
て入力される。また、第1および第2のマルチチャンネ
ルロックインアンプ11,13には、コンピュータ15
が接続されている。
分光して励起光によって誘起された吸収変化スペクトル
(f1 変調成分)を、マルチチャンネルロックインアン
プシステム10により多チャンネル同時にロックイン検
出する。これにより、従来と比較して同じ測定時間では
チャンネル数をNとすると、N1/2 倍のS/Nの向上、
同じS/Nではパラメータaを連続的に変化してスペク
トルF(ω,a)を測定する2次元分光が可能になる。
E・磁場B・圧力Pなどの変調による分光も可能であ
る。パラメータaとしては、2つのパルスの遅延時間
τ、エネルギーω、試料位置x、励起光強度I、電場
E、磁場B、圧力Pなどがある。
(パラメータが光周波数ω)の場合は、図4に示すよう
に、周波数範囲が試料の関心のある電子遷移の周波数を
すべてカバーする2本の広帯域(フェムト秒)パルス1
6,17を用いて(広帯域インコヒーレント光源でも可
能)、その遅延時間τ、実時間tの関数として、(位相
分解)量子ビート信号18を測定し、2次元フーリエ変
換して、図5に示すように、各エネルギーピークが相関
しているか否かの2次元プロット19を得る。
関)20は必ず現れ、非対角ピーク21は2つのレベル
間の相関があるときのみ現れる。この時、実時間tに関
するフーリエ変換は分光器6で行い、マルチチャンネル
検出器7とマルチチャンネルロックインアンプシステム
10で高感度検出すれば、上記遅延時間τに関する掃引
のみを行えばよい。相関がある場合は分光した後も遅延
時間τの関数として2つのレベル間の差周波数で振動す
るビート信号が検出できる。
の透過率変化)に重なるので、周波数f1 とf2 で2つ
のビーム(高繰り返しのパルス列よりなる)を強度変調
し、散乱光を避けて周波数f1 とf2 の相関した信号成
分のみを抽出するために、ダブルロックインが必要とな
る。
f2 で強度変調されたポンプ光22〔図6(a)〕とプ
ローブ光23〔図6(b)〕を用いると、試料のプロー
ブ光の透過光の方向には、ポンプ光の散乱光と信号成分
が重なった検出光(ビーム)24〔図6(c)〕が来
る。
11で周波数f1 成分を復調した後の出力25〔図6
(d)〕を第2のマルチチャンネルロックインアンプ1
3でさらに周波数f2 について復調すると、信号成分の
みに比例した振幅26〔図6(e)〕が取り出せる。T
1 ,T2 は第1、第2ロックインアンプの出力の低域通
過フィルタ(low pass filter)の時定
数で、周波数f1 ,f2と以下のような関係を満たして
いる。
で変調されている励起光の散乱、発光、電波等を避ける
ために、ダブルロックインが必要となる場合が多い。
が成り立たない局在した光子場をミクロなプローブを入
れることで誘起して多重極子遷移を直接誘起し、その遷
移強度から波動関数の情報を得ることができる。
化学反応や生体の分子レベル(DNA、ATP、酵素
等)の研究に極めて有用である。
合物の個々の吸収スペクトルの分離、層状固体試料(基
板上に載った薄膜試料等)で各層からの寄与の分離とい
った分析の現場での応用ばかりでなく、格子振動の周波
数で行えば(この時、必ずしもIRパルスを使う必要は
なく、ラマン遷移を利用してもよい)、振動間の結合定
数が分かることから、格子構造の詳しい同定ができる
(このアプローチは2次元ラマン分光として始まったば
かりだが、現在のところまだデモの域を出ていない)。
複雑な化合物(有機化合物、固体、結晶場中の局在中
心、錯体等)があるとき、その電子遷移は化合物を構成
する原子、分子の元の電子遷移を反映している。線形の
吸収スペクトルでは色々な電子遷移間の相互関係が分か
らない。これを2次元に展開することで、電子遷移のo
riginの同定が簡単になり、極めて強力な分光手段
が得られる。
クトル測定、励起スペクトル測定にも適用可能である。
前者においては、励起光を周波数f1 で変調し、試料か
らの発光スペクトルのみを背景光から区別して波長スキ
ャンを行わないで測定できる。特に赤外発光を測定する
とき、背景輻射が発光スペクトルに重なるので有用であ
る。また、周波数f1 とf2 で変調された2本の励起光
で光励起した試料からの発光を測定して、周波数f1 と
f2 に相関した非線形発光スペクトルを容易に得ること
ができる(請求項4に係る発明に対応)。
N のN個の光周波数をもつマルチビームを用い、各ωi
ごとに異なる変調周波数fi を与えておく。この励起光
で励起された試料からある光周波数ωk の発光を単一の
光検出器で検出し、その出力の周波数f1 からfN 成分
をNチャンネルロックインで独立に復調すれば、ωkを
モニタ周波数とする励起スペクトルがマルチチャンネル
検出でき、ωk を変化して容易に2次元励起スペクトル
を得ることができる(請求項8に係る発明に対応)。
易に拡張することができる。例えば、光検出器をN×M
個2次元に並べ、外部変調によって誘起された試料から
の発光・透過・反射光の変化を2次元で空間分解するこ
とで、試料の空間情報を得る。波長可変の分光フィルタ
を用いてパラメータとして波長を掃引すれば、分光スペ
クトルが2次元空間の各点で得られ、3次元分光となる
(請求項9に係る発明に対応)。
(入射スリット上の空間パターンがそのまま出射される
分光器)の出口集点面に置けば、横軸波長、縦軸空間の
2次元変調スペクトルが得られる(請求項10に係る発
明に対応)。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、それらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
よれば、以下のような効果を奏することができる。
元光共鳴分光をチャンネル数の平方根に比例するS/N
の向上によって確実に表現することができる。
10-3以下の微弱な分光スペクトル変化をマルチチャン
ネルで波長スキャンなしで測定できることにより、パラ
メータを連続的に変えて詳細な分光データを得ることが
できる。
子近似が成り立たない局在した光子場をミクロなプロー
ブを入れることで誘起して多重極子遷移を直接誘起し、
その遷移強度から波動関数の情報を得ることができる。
の混合物の個々の吸収スペクトルの分離、層状固体試料
(基板上に載った薄膜試料など)で各層からの寄与の分
離、格子振動の周波数で行って振動間の結合定数が分か
ることから格子構造の詳しい同定ができる。
結晶場中の局在中心、錯体等)があるとき、その電子遷
移は化合物を構成する原子、分子の元の電子遷移を反映
している。線形の吸収スペクトルでは色々な電子遷移間
の相互関係が分からないが、本発明によれば、これを2
次元に展開することにより、電子遷移のoriginの
同定が簡単になり、極めて強力な分光手段が得られる。
インアンプによる単一粒子(ミクロ)吸収分光・2次元
光共鳴分光システムの構成図である。
ーの模式図である。
ーの検出側の模式図である。
図である。
次元フーリエ変換して、各エネルギーピークが相関して
いるか否かの2次元プロットを示す図である。
を示す図である。
インアンプ 13 第2のマルチチャンネルロックインアンプ 15 コンピュータ 16,17 2本の広帯域(フェムト秒)パルス 18 量子ビート信号 19 2次元プロット 20 対角ピーク 21 非対角ピーク 22 周波数f1 で強度変調されたポンプ光 23 周波数f2 で強度変調されたプローブ光 24 検出光(ビーム) 25 第1(1段目)のロックインアンプの出力 26 第2(2段目)のロックインアンプの出力
Claims (10)
- 【請求項1】 分光スペクトルをマルチチャンネルロッ
クインアンプにより多チャンネル同時にロックイン検出
することを特徴とするマルチチャンネル2次元分光方
法。 - 【請求項2】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、光、電場、磁場、圧力等の外部から
の変調によって試料に誘起された発光、吸収、反射スペ
クトルの変化を、分光装置と、光検出器と、マルチチャ
ンネルロックインアンプを用いて多チャンネル同時にロ
ックイン検出することを特徴とするマルチチャンネル2
次元分光方法。 - 【請求項3】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、周波数f1 によって変調された光、
電場、磁場、圧力等によって試料に誘起された吸収(反
射)スペクトル変化を、周波数f2 によって変調された
広帯域プローブ光と、分光装置と、光検出器と、マルチ
チャンネルダブルロックインアンプを用いて前記周波数
f1 とf2 の相関した成分としてマルチチャンネルダブ
ルロックインアンプにより多チャンネル同時にロックイ
ン検出することを特徴とするマルチチャンネル2次元分
光方法。 - 【請求項4】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、前記周波数f1 ,f2 によって変調
された光、電場、磁場、圧力等によって試料に誘起され
た発光、吸収、反射スペクトル変化のうち、前記周波数
f1 とf2 の相関した成分のみを分光装置と、光検出器
と、マルチチャンネルダブルロックインアンプを用いて
多チャンネル同時にロックイン検出することを特徴とす
るマルチチャンネル2次元分光方法。 - 【請求項5】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、2つの広帯域パルス光ビームによっ
て励起された試料からのフォトンエコー信号を、実時間
t1 、2つのパルス間の遅延時間t2 の関数として測定
し、2次元フーリエ変換して電子遷移間、電子遷移−振
動遷移間の相関を測定する2次元光共鳴分光を行う時、
前記実時間t1 に関するフーリエ変換を分光装置で行
い、マルチチャンネルロックインアンプによって多チャ
ンネル同時にロックイン検出することを特徴とするマル
チチャンネル2次元分光方法。 - 【請求項6】 請求項5記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、周波数f1 、f2 によって変調され
た2つの広帯域パルス光ビームによって励起された試料
からのフォトンエコー信号を、実時間t1 、2つのパル
ス間の遅延時間t2 の関数として測定し、2次元フーリ
エ変換して電子遷移間、電子遷移−振動遷移間の相関を
測定する2次元光共鳴分光を行う時、実時間t1 に関す
るフーリエ変換を分光装置で行い、前記周波数f1 とf
2 の相関した信号成分をマルチチャンネルダブルロック
インアンプによって多チャンネル同時にロックイン検出
することを特徴とするマルチチャンネル2次元分光方
法。 - 【請求項7】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、光、電場、磁場、圧力等の外部から
の変調によって単一粒子に誘起された発光、吸収、反射
スペクトルの変化を、顕微光学や近接場光学の光学装置
と、分光装置と、光検出器と、マルチチャンネルロック
インアンプを用いて多チャンネル同時にロックイン検出
することを特徴とするマルチチャンネル2次元分光方
法。 - 【請求項8】 請求項1記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、波長によって異なる変調周波数を持
つ広帯域励起光によって励起された試料からの発光強度
をマルチチャンネルロックインアンプによって多周波数
同時ロックイン検出し、励起スペクトルを多チャンネル
同時に検出することを特徴とするマルチチャンネル2次
元分光方法。 - 【請求項9】 請求項2記載のマルチチャンネル2次元
分光方法において、前記光検出器をN×M個2次元に並
べ、試料の変調スペクトルの空間パターンをマルチチャ
ンネルロックインアンプによって多チャンネル同時にロ
ックイン検出することを特徴とするマルチチャンネル多
次元分光方法。 - 【請求項10】 請求項2記載のマルチチャンネル2次
元分光方法において、前記光検出器をN×M個2次元
x,y平面に並べ、外部変調によって試料に誘起された
変化を光検出し、分光装置によってx方向に波長分解
し、光学装置でy方向に空間分解した2次元パターンを
パラメータを掃引しながらマルチチャンネルロックイン
アンプによって多チャンネル同時にロックイン検出する
ことを特徴とするマルチチャンネル多次元分光方法。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP32891899A JP3568847B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | マルチチャンネル2次元分光方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP32891899A JP3568847B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | マルチチャンネル2次元分光方法 |
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JP2001147160A true JP2001147160A (ja) | 2001-05-29 |
JP3568847B2 JP3568847B2 (ja) | 2004-09-22 |
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ID=18215557
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP32891899A Expired - Fee Related JP3568847B2 (ja) | 1999-11-19 | 1999-11-19 | マルチチャンネル2次元分光方法 |
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Cited By (5)
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---|---|---|---|---|
JP2003227796A (ja) * | 2001-10-09 | 2003-08-15 | Carl Zeiss Jena Gmbh | 深部分解による試料把握のための方法および配置 |
JP2011180570A (ja) * | 2010-02-02 | 2011-09-15 | Kyoto Univ | 蛍光顕微鏡装置 |
CN104048948A (zh) * | 2014-03-20 | 2014-09-17 | 中国科学院物理研究所 | 一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪 |
KR20220103085A (ko) * | 2018-08-21 | 2022-07-21 | 비아비 솔루션즈 아이엔씨. | 다중 스펙트럼 센서 기반 비상 상태 감지기 |
JP7437651B2 (ja) | 2020-03-12 | 2024-02-26 | 国立大学法人横浜国立大学 | 分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法 |
-
1999
- 1999-11-19 JP JP32891899A patent/JP3568847B2/ja not_active Expired - Fee Related
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KR102638266B1 (ko) | 2018-08-21 | 2024-02-19 | 비아비 솔루션즈 아이엔씨. | 다중 스펙트럼 센서 기반 비상 상태 감지기 |
JP7437651B2 (ja) | 2020-03-12 | 2024-02-26 | 国立大学法人横浜国立大学 | 分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法 |
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