JP2002090293A - 和周波発生分光装置および方法 - Google Patents
和周波発生分光装置および方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 シングルチャンネルＳＦＧ分光法における信
号強度が微弱であるという問題を解消しつつ、狭帯域可
視光の発生方法を改良することによりＳ／Ｎ比をさらに
向上し、それによって測定感度、測定精度の向上、測定
分野の大幅な拡大を可能にする和周波発生分光装置およ
び方法を提供する。 【解決手段】 単一のレーザー光源と、該レーザー光源
の基本波の分割波から所定の波数幅、所定のパルス時間
幅をもつ広帯域赤外光を作成する手段と、前記基本波の
残りの分割波を二分し逆方向にチャープさせた後合成し
て倍波を発生させ狭帯域可視光を作成する手段と、広帯
域赤外光作成手段からの広帯域赤外光と狭帯域可視光作
成手段からの狭帯域可視光を試料の表面または界面に集
光させて広帯域和周波光を発生させる和周波光発生手段
と、発生した広帯域和周波光を分光する分光手段と、分
光された和周波光をマルチチャンネルで実質的に同時に
計測するマルチプレックス計測手段と、を有することを
特徴とする和周波発生分光装置、および和周波発生分光
法。
号強度が微弱であるという問題を解消しつつ、狭帯域可
視光の発生方法を改良することによりＳ／Ｎ比をさらに
向上し、それによって測定感度、測定精度の向上、測定
分野の大幅な拡大を可能にする和周波発生分光装置およ
び方法を提供する。 【解決手段】 単一のレーザー光源と、該レーザー光源
の基本波の分割波から所定の波数幅、所定のパルス時間
幅をもつ広帯域赤外光を作成する手段と、前記基本波の
残りの分割波を二分し逆方向にチャープさせた後合成し
て倍波を発生させ狭帯域可視光を作成する手段と、広帯
域赤外光作成手段からの広帯域赤外光と狭帯域可視光作
成手段からの狭帯域可視光を試料の表面または界面に集
光させて広帯域和周波光を発生させる和周波光発生手段
と、発生した広帯域和周波光を分光する分光手段と、分
光された和周波光をマルチチャンネルで実質的に同時に
計測するマルチプレックス計測手段と、を有することを
特徴とする和周波発生分光装置、および和周波発生分光
法。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面や界面の振動
分光法の一種である、赤外−可視光表面和周波発生分光
法に好適な装置および方法に関する。
分光法の一種である、赤外−可視光表面和周波発生分光
法に好適な装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】赤外光−可視光を混合して発生する和周
波光を利用して試料の表面や界面に存在する分子の振動
を計測する和周波発生（以下、「ＳＦＧ」と略称するこ
ともある。）分光法は、Ｓｈｅｎらによって１９８７年
に開発された。このＳＦＧ分光法は原理的に界面選択性
を有するうえに、時間分解測定への展開可能性において
他手法を凌駕するが、得られる信号強度が微弱であると
いう問題を抱えており、それに伴って感度が不十分にな
ることがある、測定可能な対象が限られるという問題も
生じている。Ｓｈｅｎらによる開発当初の測定法は、単
色の可視光と赤外光とから発生する単色の和周波光を赤
外光波数を変化させながら一個の検出器で検出する方法
であった（シングルチャンネル和周波分光法）。
波光を利用して試料の表面や界面に存在する分子の振動
を計測する和周波発生（以下、「ＳＦＧ」と略称するこ
ともある。）分光法は、Ｓｈｅｎらによって１９８７年
に開発された。このＳＦＧ分光法は原理的に界面選択性
を有するうえに、時間分解測定への展開可能性において
他手法を凌駕するが、得られる信号強度が微弱であると
いう問題を抱えており、それに伴って感度が不十分にな
ることがある、測定可能な対象が限られるという問題も
生じている。Ｓｈｅｎらによる開発当初の測定法は、単
色の可視光と赤外光とから発生する単色の和周波光を赤
外光波数を変化させながら一個の検出器で検出する方法
であった（シングルチャンネル和周波分光法）。
【０００３】１９９０年代後半に入ってから、ＳＦＧ分
光法における感度向上をめざした技術開発が行われた。
まず、ｖａｎ ｄｅｒ Ｈａｍらは１９９６年に、自由
電子レーザーから射出される、より強い赤外光を入射光
に利用してＳＦＧ光感度を高めた。このときには、赤外
光は広帯域であり、波数幅８０ｃｍ-1のスペクトルを位
相整合条件を利用して分光器を用いることなくマルチプ
レックス計測している。この方法では、確かにＳＦＧ強
度は増大し、かつ、遠赤外光を利用した低波数領域の分
光も可能になるが、その一方で、大規模な自由電子レー
ザー施設を使わねばならないこと、および、自由電子レ
ーザーによる赤外光と、別途準備する可視レーザー光と
を同期させなければならないため、装置全体が複雑化す
るという欠点をもっている。
光法における感度向上をめざした技術開発が行われた。
まず、ｖａｎ ｄｅｒ Ｈａｍらは１９９６年に、自由
電子レーザーから射出される、より強い赤外光を入射光
に利用してＳＦＧ光感度を高めた。このときには、赤外
光は広帯域であり、波数幅８０ｃｍ-1のスペクトルを位
相整合条件を利用して分光器を用いることなくマルチプ
レックス計測している。この方法では、確かにＳＦＧ強
度は増大し、かつ、遠赤外光を利用した低波数領域の分
光も可能になるが、その一方で、大規模な自由電子レー
ザー施設を使わねばならないこと、および、自由電子レ
ーザーによる赤外光と、別途準備する可視レーザー光と
を同期させなければならないため、装置全体が複雑化す
るという欠点をもっている。
【０００４】このような自由電子レーザー光を用いる方
法に対し、１９９８年にＲｉｃｈｔｅｒらによって新し
い方法が提案された。この方法は、単一の卓上型レーザ
ー光源から得られるパルス光を分割して波数幅の広い広
帯域赤外光と波数幅の狭い狭帯域可視光とを作り出し、
それらから広帯域ＳＦＧ光を発生させるマルチプレック
スＳＦＧ分光法である。本方法は、レーザーパルス強度
の変動（通常、±２０％程度）が惹起するＳＦＧスペク
トルの雑音を除去する利点をもっている。つまり、単一
の卓上型レーザー光源からのレーザー光を分割して広帯
域赤外光と狭帯域可視光を作成しているので、レーザー
パルスごとの強度変動が全波数域の和周波光強度に等し
く影響することとなり、スペクトルのＳ／Ｎ比の悪化を
防止することができる。Ｒｉｃｈｔｅｒらは、フェムト
秒レーザーの広帯域出力から広帯域赤外光を発生させる
とともに、同レーザーの可視光出力を分光器によって切
り出し狭帯域化する方法で、半値全幅２８０ｃｍ-1の和
周波光を検出することに成功した。これは、ＳＦＧ分光
法におけるマルチプレックス計測法の優位性を実証した
最初の例である。本発明者らは、このＲｉｃｈｔｅｒら
が開発した卓上型レーザーを光源とするマルチプレック
ス法が、優れたＳ／Ｎ比にて広範囲な対象に対して測定
可能であることから、将来的にＳＦＧ測定の標準的手法
になるものと推測している。
法に対し、１９９８年にＲｉｃｈｔｅｒらによって新し
い方法が提案された。この方法は、単一の卓上型レーザ
ー光源から得られるパルス光を分割して波数幅の広い広
帯域赤外光と波数幅の狭い狭帯域可視光とを作り出し、
それらから広帯域ＳＦＧ光を発生させるマルチプレック
スＳＦＧ分光法である。本方法は、レーザーパルス強度
の変動（通常、±２０％程度）が惹起するＳＦＧスペク
トルの雑音を除去する利点をもっている。つまり、単一
の卓上型レーザー光源からのレーザー光を分割して広帯
域赤外光と狭帯域可視光を作成しているので、レーザー
パルスごとの強度変動が全波数域の和周波光強度に等し
く影響することとなり、スペクトルのＳ／Ｎ比の悪化を
防止することができる。Ｒｉｃｈｔｅｒらは、フェムト
秒レーザーの広帯域出力から広帯域赤外光を発生させる
とともに、同レーザーの可視光出力を分光器によって切
り出し狭帯域化する方法で、半値全幅２８０ｃｍ-1の和
周波光を検出することに成功した。これは、ＳＦＧ分光
法におけるマルチプレックス計測法の優位性を実証した
最初の例である。本発明者らは、このＲｉｃｈｔｅｒら
が開発した卓上型レーザーを光源とするマルチプレック
ス法が、優れたＳ／Ｎ比にて広範囲な対象に対して測定
可能であることから、将来的にＳＦＧ測定の標準的手法
になるものと推測している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上述
のＲｉｃｈｔｅｒらによって開発されたマルチプレック
ス法の利点に着目し、シングルチャンネルＳＦＧ分光法
における信号強度が微弱であるという問題を解消しつ
つ、狭帯域可視光の発生方法を改良することによりＳ／
Ｎ比をさらに向上し、それによって測定感度、測定精度
の向上、測定分野の大幅な拡大を可能にする、和周波発
生分光装置および方法を提供することにある。
のＲｉｃｈｔｅｒらによって開発されたマルチプレック
ス法の利点に着目し、シングルチャンネルＳＦＧ分光法
における信号強度が微弱であるという問題を解消しつ
つ、狭帯域可視光の発生方法を改良することによりＳ／
Ｎ比をさらに向上し、それによって測定感度、測定精度
の向上、測定分野の大幅な拡大を可能にする、和周波発
生分光装置および方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、単一のレーザー光源（卓上型レ
ーザー光源）からの基本波を分割して、所定の広帯域赤
外光と狭帯域可視光とを作り出し、それによって和周波
光発生、計測におけるＳ／Ｎ比の悪化防止を担保すると
ともに、とくにその狭帯域可視光の作成に際し、Ｒａｕ
ｌｔらによって確立された倍波発生法を適用することに
より倍波光として狭帯域可視光を作り出し、それによっ
て発生される和周波光の信号強度を高めて、感度を大幅
に向上するようにしたものである。このＲａｕｌｔらに
よる倍波発生法は、フェムト秒レーザー光からピコ秒幅
の狭帯域化倍波光を高効率で発生させることのできる波
長変換技術として知られており、既にレーザー光学機器
として実用化されているものである。
に、本発明においては、単一のレーザー光源（卓上型レ
ーザー光源）からの基本波を分割して、所定の広帯域赤
外光と狭帯域可視光とを作り出し、それによって和周波
光発生、計測におけるＳ／Ｎ比の悪化防止を担保すると
ともに、とくにその狭帯域可視光の作成に際し、Ｒａｕ
ｌｔらによって確立された倍波発生法を適用することに
より倍波光として狭帯域可視光を作り出し、それによっ
て発生される和周波光の信号強度を高めて、感度を大幅
に向上するようにしたものである。このＲａｕｌｔらに
よる倍波発生法は、フェムト秒レーザー光からピコ秒幅
の狭帯域化倍波光を高効率で発生させることのできる波
長変換技術として知られており、既にレーザー光学機器
として実用化されているものである。
【０００７】すなわち、本発明に係る和周波発生分光装
置は、単一のレーザー光源と、該レーザー光源の基本波
の分割波から所定の波数幅、所定のパルス時間幅をもつ
広帯域赤外光を作成する手段と、前記基本波の残りの分
割波を二分し逆方向にチャープさせた後合成して倍波を
発生させ狭帯域可視光を作成する手段と、広帯域赤外光
作成手段からの広帯域赤外光と狭帯域可視光作成手段か
らの狭帯域可視光を試料の表面または界面に集光させて
広帯域和周波光を発生させる和周波光発生手段と、発生
した広帯域和周波光を分光する分光手段と、分光された
和周波光をマルチチャンネルで実質的に同時に計測する
マルチプレックス計測手段と、を有することを特徴とす
るものからなる。
置は、単一のレーザー光源と、該レーザー光源の基本波
の分割波から所定の波数幅、所定のパルス時間幅をもつ
広帯域赤外光を作成する手段と、前記基本波の残りの分
割波を二分し逆方向にチャープさせた後合成して倍波を
発生させ狭帯域可視光を作成する手段と、広帯域赤外光
作成手段からの広帯域赤外光と狭帯域可視光作成手段か
らの狭帯域可視光を試料の表面または界面に集光させて
広帯域和周波光を発生させる和周波光発生手段と、発生
した広帯域和周波光を分光する分光手段と、分光された
和周波光をマルチチャンネルで実質的に同時に計測する
マルチプレックス計測手段と、を有することを特徴とす
るものからなる。
【０００８】上記レーザー光源としては、フェムト秒レ
ーザー光源、たとえばチタン・サファイアレーザー光源
を用いることができ、それによってフェムト秒レベルの
レーザー基本波を得ることができる。
ーザー光源、たとえばチタン・サファイアレーザー光源
を用いることができ、それによってフェムト秒レベルの
レーザー基本波を得ることができる。
【０００９】上記広帯域赤外光作成手段では、１００ｃ
ｍ-1以上の波数幅をもつ広帯域赤外光を作成するように
し、狭帯域可視光作成手段では、１５ｃｍ-1以下の（た
とえば、１０ｃｍ-1程度の）波数幅をもつ狭帯域可視光
を作成するようにすることが好ましい。
ｍ-1以上の波数幅をもつ広帯域赤外光を作成するように
し、狭帯域可視光作成手段では、１５ｃｍ-1以下の（た
とえば、１０ｃｍ-1程度の）波数幅をもつ狭帯域可視光
を作成するようにすることが好ましい。
【００１０】本発明に係る和周波発生分光法は、単一の
レーザー光源からの基本波を、二つの分割波に分割し、
一方の分割波から所定の波数幅と所定のパルス時間幅を
もつ和周波光発生用の広帯域赤外光を作成するととも
に、残りの分割波を二分し逆方向にチャープさせた後合
成して倍波の和周波光発生用の狭帯域可視光を作成し、
作成した広帯域赤外光と狭帯域可視光を試料の表面また
は界面に集光して広帯域和周波光を発生させ、発生した
広帯域和周波光を分光手段で分散させ、分散された光を
マルチチャンネル検出器で実質的に同時に計測すること
を特徴とする方法からなる。
レーザー光源からの基本波を、二つの分割波に分割し、
一方の分割波から所定の波数幅と所定のパルス時間幅を
もつ和周波光発生用の広帯域赤外光を作成するととも
に、残りの分割波を二分し逆方向にチャープさせた後合
成して倍波の和周波光発生用の狭帯域可視光を作成し、
作成した広帯域赤外光と狭帯域可視光を試料の表面また
は界面に集光して広帯域和周波光を発生させ、発生した
広帯域和周波光を分光手段で分散させ、分散された光を
マルチチャンネル検出器で実質的に同時に計測すること
を特徴とする方法からなる。
【００１１】上記のような本発明に係る和周波発生分光
装置および方法においては、和周波励起用の狭帯域可視
光が高効率で倍波光として作成されるので、従来のシン
グルチャンネルＳＦＧ分光法における弱点であった信号
強度が弱いことが改善され、和周波分光における感度が
大幅に向上される。
装置および方法においては、和周波励起用の狭帯域可視
光が高効率で倍波光として作成されるので、従来のシン
グルチャンネルＳＦＧ分光法における弱点であった信号
強度が弱いことが改善され、和周波分光における感度が
大幅に向上される。
【００１２】そして、本装置および方法は、基本的に単
一のレーザー光源（卓上型レーザー光源）からのレーザ
ー光を分割して和周波発生用の広帯域赤外光と狭帯域可
視光を作り出すようにしているので、本質的に両光を同
期させる必要がない。しかも、レーザー基本波のパルス
強度変動は和周波光発生用の可視光および赤外光の全波
数成分に等しく影響するから、和周波スペクトルのＳ／
Ｎ比はパルス強度変動が存在しても本質的に悪化しな
い。したがって、優れたＳ／Ｎ比が確保される。しか
も、上述の如く感度が大幅に向上されるから、分光後に
マルチチャンネルで計測される際のＳ／Ｎ比の向上も可
能となる。
一のレーザー光源（卓上型レーザー光源）からのレーザ
ー光を分割して和周波発生用の広帯域赤外光と狭帯域可
視光を作り出すようにしているので、本質的に両光を同
期させる必要がない。しかも、レーザー基本波のパルス
強度変動は和周波光発生用の可視光および赤外光の全波
数成分に等しく影響するから、和周波スペクトルのＳ／
Ｎ比はパルス強度変動が存在しても本質的に悪化しな
い。したがって、優れたＳ／Ｎ比が確保される。しか
も、上述の如く感度が大幅に向上されるから、分光後に
マルチチャンネルで計測される際のＳ／Ｎ比の向上も可
能となる。
【００１３】感度の大幅な向上と優れたＳ／Ｎ比の確保
により、試料の表面や界面からの和周波の分光計測の感
度、精度が大幅に向上され、それによって測定対象の範
囲も大幅に拡大される。
により、試料の表面や界面からの和周波の分光計測の感
度、精度が大幅に向上され、それによって測定対象の範
囲も大幅に拡大される。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る和周波発生
分光装置および方法の実施の形態について、詳細に説明
する。図１は、本発明の一実施態様に係る和周波発生分
光装置および方法の構成を示している。図１において、
１は和周波発生分光装置全体を示している。２は、フェ
ムト秒レベルのレーザー光を発生可能なフェムト秒レー
ザー光源としての、卓上型のチタン・サファイアレーザ
ー光源を示しており、本実施態様では、増幅機能まで有
するチタン・サファイアレーザー発振器兼再生増幅器と
して構成されている。このチタン・サファイアレーザー
光源２は、たとえば次のようなレーザー光を発振する。 発振波長 ：８００ｎｍ程度 パルス時間幅 ：１００ｆｓ（フェムト秒）程度 パルスエネルギー：３ｍＪ程度 繰り返し周波数 ：１ｋＨｚ程度
分光装置および方法の実施の形態について、詳細に説明
する。図１は、本発明の一実施態様に係る和周波発生分
光装置および方法の構成を示している。図１において、
１は和周波発生分光装置全体を示している。２は、フェ
ムト秒レベルのレーザー光を発生可能なフェムト秒レー
ザー光源としての、卓上型のチタン・サファイアレーザ
ー光源を示しており、本実施態様では、増幅機能まで有
するチタン・サファイアレーザー発振器兼再生増幅器と
して構成されている。このチタン・サファイアレーザー
光源２は、たとえば次のようなレーザー光を発振する。 発振波長 ：８００ｎｍ程度 パルス時間幅 ：１００ｆｓ（フェムト秒）程度 パルスエネルギー：３ｍＪ程度 繰り返し周波数 ：１ｋＨｚ程度
【００１５】このレーザー光源２からのレーザー光の基
本波３が、広帯域赤外光と、狭帯域可視光を作成するた
めの分割波４、５に分割される。たとえば、パルスエネ
ルギーが３ｍＪの基本波３が、１ｍＪの広帯域赤外光作
成用の分割波４と、残りの２ｍＪの狭帯域可視光作成用
の分割波５とに分割される。
本波３が、広帯域赤外光と、狭帯域可視光を作成するた
めの分割波４、５に分割される。たとえば、パルスエネ
ルギーが３ｍＪの基本波３が、１ｍＪの広帯域赤外光作
成用の分割波４と、残りの２ｍＪの狭帯域可視光作成用
の分割波５とに分割される。
【００１６】１ｍＪの分割波４は、それから所定の波数
幅、所定のパルス時間幅の広帯域赤外光を作成する広帯
域赤外光作成手段６に送られる。広帯域赤外光作成手段
６は、たとえば、光パラメトリック発生増幅器（ＯＰＧ
／ＯＰＡ）と差周波発生器（ＤＦＧ）とを備えたものか
らなり、光パラメトリック発生増幅器で、周波数の和が
元の波の周波数に等しい二つの低周波数の波に変換さ
れ、つづいて差周波発生器で差周波が発生されて、和周
波発生用の所定の広帯域赤外光パルス７が得られる。こ
の広帯域赤外光パルス７は、たとえば、中心波数：４０
００〜１０００ｃｍ-1、波数半値全幅：２５０ｃｍ-1、
パルス時間幅：１５０ｆｓ、パルスエネルギー：３μＪ
の赤外光とされる。
幅、所定のパルス時間幅の広帯域赤外光を作成する広帯
域赤外光作成手段６に送られる。広帯域赤外光作成手段
６は、たとえば、光パラメトリック発生増幅器（ＯＰＧ
／ＯＰＡ）と差周波発生器（ＤＦＧ）とを備えたものか
らなり、光パラメトリック発生増幅器で、周波数の和が
元の波の周波数に等しい二つの低周波数の波に変換さ
れ、つづいて差周波発生器で差周波が発生されて、和周
波発生用の所定の広帯域赤外光パルス７が得られる。こ
の広帯域赤外光パルス７は、たとえば、中心波数：４０
００〜１０００ｃｍ-1、波数半値全幅：２５０ｃｍ-1、
パルス時間幅：１５０ｆｓ、パルスエネルギー：３μＪ
の赤外光とされる。
【００１７】残りの２ｍＪの分割波５は、それから所定
の波数幅と所定のパルス時間幅の狭帯域可視光を作成す
る手段としての狭帯域倍波発生器８に送られる。狭帯域
倍波発生器８では、２ｍＪの分割波５が二分され、逆方
向にチャープされた後、それらが合成されて二倍波（倍
波）に形成され、時間幅が拡げられ、波数幅が圧縮され
た、和周波発生用の単色可視光パルス９が発生される。
この単色可視光パルス９は、たとえば、波長：４００ｎ
ｍ、波数半値全幅：１０ｃｍ-1、パルス時間幅：５ｐ
ｓ、パルスエネルギー：５００μＪの可視光とされる。
このような手法で、倍波化された可視光が高効率で得ら
れる。
の波数幅と所定のパルス時間幅の狭帯域可視光を作成す
る手段としての狭帯域倍波発生器８に送られる。狭帯域
倍波発生器８では、２ｍＪの分割波５が二分され、逆方
向にチャープされた後、それらが合成されて二倍波（倍
波）に形成され、時間幅が拡げられ、波数幅が圧縮され
た、和周波発生用の単色可視光パルス９が発生される。
この単色可視光パルス９は、たとえば、波長：４００ｎ
ｍ、波数半値全幅：１０ｃｍ-1、パルス時間幅：５ｐ
ｓ、パルスエネルギー：５００μＪの可視光とされる。
このような手法で、倍波化された可視光が高効率で得ら
れる。
【００１８】上記広帯域赤外光７と狭帯域可視光９が、
試料１０の表面あるいは界面に集光するように照射さ
れ、それによって和周波光が発生される。発生する和周
波光は、広帯域和周波光１１となる。
試料１０の表面あるいは界面に集光するように照射さ
れ、それによって和周波光が発生される。発生する和周
波光は、広帯域和周波光１１となる。
【００１９】発生した広帯域和周波光１１は、たとえば
分光手段としての分散型分光器１２（焦点距離ｆ：たと
えば５５ｃｍ）に入光されて分散され、分散された光
が、マルチチャンネル検出器１３（たとえば、マルチチ
ャンネルＣＣＤ検出器）で検出される。
分光手段としての分散型分光器１２（焦点距離ｆ：たと
えば５５ｃｍ）に入光されて分散され、分散された光
が、マルチチャンネル検出器１３（たとえば、マルチチ
ャンネルＣＣＤ検出器）で検出される。
【００２０】上記のような和周波発生分光装置１では、
単一の卓上型レーザー光源２から、和周波光励起用の広
帯域赤外光７と、狭帯域可視光９をともに作り出してい
るので、レーザー基本波のパルス強度変動は和周波光発
生用の可視光および赤外光の全波数成分に等しく影響す
る。それゆえ和周波スペクトルのＳ／Ｎ比はパルス強度
変動が存在しても本質的に悪化しない。
単一の卓上型レーザー光源２から、和周波光励起用の広
帯域赤外光７と、狭帯域可視光９をともに作り出してい
るので、レーザー基本波のパルス強度変動は和周波光発
生用の可視光および赤外光の全波数成分に等しく影響す
る。それゆえ和周波スペクトルのＳ／Ｎ比はパルス強度
変動が存在しても本質的に悪化しない。
【００２１】そして、狭帯域可視光９が倍波として作り
出されるので、それを用いて発生される和周波光による
測定の感度が、従来のシングルチャンネルＳＦＧ分光法
に比べると大幅に向上され、測定精度の大幅な向上、測
定対象の大幅な拡大が可能になる。
出されるので、それを用いて発生される和周波光による
測定の感度が、従来のシングルチャンネルＳＦＧ分光法
に比べると大幅に向上され、測定精度の大幅な向上、測
定対象の大幅な拡大が可能になる。
【００２２】
【実施例】図１に示したのと同等の装置を用いて、以下
のような試験を行った。
のような試験を行った。
【００２３】〔試験〕 光源部分：狭帯域可視光：チタン・サファイア増幅器
（波長：８０２ｎｍ、時間幅：１２０ｆｓ、端数幅：２
５０ｃｍ-1、パルスエネルギー：２．８ｍＪ、繰り返し
周波数：１ｋＨｚ）の出力の一部（分割波：１．９ｍ
Ｊ）を二つに分けた後、それぞれの光を逆方向にチャー
プさせ約５ピコまで時間幅を拡げ、ＢＢＯ結晶上で二つ
のチャープ光の即時的波数の和が一定になるように調整
し、倍波４０１ｎｍの狭帯域可視光を発生させた。倍波
の波数幅は約１０ｃｍ-1、出力は約０．５ｍＪであっ
た。 広帯域赤外光：チタンサファイア増幅器の出力の残りの
一部（０．９ｍＪ）を用いて光パラメトリック発生／増
幅器を発振させ、シグナル光とアイドラー光の差周波を
発生させて赤外光を得た。赤外光は中心波長３４００ｎ
ｍ、波数幅２５０ｃｍ-1であった。
（波長：８０２ｎｍ、時間幅：１２０ｆｓ、端数幅：２
５０ｃｍ-1、パルスエネルギー：２．８ｍＪ、繰り返し
周波数：１ｋＨｚ）の出力の一部（分割波：１．９ｍ
Ｊ）を二つに分けた後、それぞれの光を逆方向にチャー
プさせ約５ピコまで時間幅を拡げ、ＢＢＯ結晶上で二つ
のチャープ光の即時的波数の和が一定になるように調整
し、倍波４０１ｎｍの狭帯域可視光を発生させた。倍波
の波数幅は約１０ｃｍ-1、出力は約０．５ｍＪであっ
た。 広帯域赤外光：チタンサファイア増幅器の出力の残りの
一部（０．９ｍＪ）を用いて光パラメトリック発生／増
幅器を発振させ、シグナル光とアイドラー光の差周波を
発生させて赤外光を得た。赤外光は中心波長３４００ｎ
ｍ、波数幅２５０ｃｍ-1であった。
【００２４】分光部分：狭帯域可視光と広帯域赤外光を
試料の表面上に集光し、発生した和周波光は焦点距離５
５ｃｍの分光器で分光し、マルチチャンネル光検出器で
検出した。
試料の表面上に集光し、発生した和周波光は焦点距離５
５ｃｍの分光器で分光し、マルチチャンネル光検出器で
検出した。
【００２５】測定例 測定は、偏光条件を可視と赤外のプローブ光、ＳＦＧ光
ともにｐ偏光とし、分光学的スリット幅１１ｃｍ-1で行
った。
ともにｐ偏光とし、分光学的スリット幅１１ｃｍ-1で行
った。
【００２６】（１）ＧａＡｓ基板の和周波スペクトルを
図２に示す。可視と赤外のプローブ光のパルスエネルギ
ーは、それぞれ０．０９μＪと３μＪ、露光時間は６０
０秒である。ＳＦＧ光は二次の非線形感受率の非共鳴項
に基づくものであり、このスペクトルは振動構造を持た
ない。観測されたスペクトルの半値全幅は約２８０ｃｍ
-1であり、スペクトル形は広帯域赤外光のスペクトル形
によってほぼ決まっていると考えられる。また可視光と
赤外光の時間差に対するこのＳＦＧ信号強度の依存性か
ら、相互相関時間は半値全幅で５．５ｐｓと求められ
た。
図２に示す。可視と赤外のプローブ光のパルスエネルギ
ーは、それぞれ０．０９μＪと３μＪ、露光時間は６０
０秒である。ＳＦＧ光は二次の非線形感受率の非共鳴項
に基づくものであり、このスペクトルは振動構造を持た
ない。観測されたスペクトルの半値全幅は約２８０ｃｍ
-1であり、スペクトル形は広帯域赤外光のスペクトル形
によってほぼ決まっていると考えられる。また可視光と
赤外光の時間差に対するこのＳＦＧ信号強度の依存性か
ら、相互相関時間は半値全幅で５．５ｐｓと求められ
た。
【００２７】（２）金基板上のオクタデカンチオール自
己組織化膜（ＯＤＴＳＡＭ）の和周波スペクトルを図３
に示す。可視と赤外のプローブ光のパルスエネルギー
は、それぞれ０．８μＪと３μＪ、露光時間は６０秒で
ある。赤外プローブ光のスペクトル形による影響を補正
するため、図３のスペクトルを図２のＧａＡｓのスペク
トルで割算したものが図４のスペクトルである。図４に
示すスペクトルでは、金基板の非共鳴項に基づくバック
グラウンドに加え、ＯＤＴのアルカン部分の振動に基づ
く３本の振動バンドが明瞭に確認できる。
己組織化膜（ＯＤＴＳＡＭ）の和周波スペクトルを図３
に示す。可視と赤外のプローブ光のパルスエネルギー
は、それぞれ０．８μＪと３μＪ、露光時間は６０秒で
ある。赤外プローブ光のスペクトル形による影響を補正
するため、図３のスペクトルを図２のＧａＡｓのスペク
トルで割算したものが図４のスペクトルである。図４に
示すスペクトルでは、金基板の非共鳴項に基づくバック
グラウンドに加え、ＯＤＴのアルカン部分の振動に基づ
く３本の振動バンドが明瞭に確認できる。
【００２８】このように、３本の振動バンドが明瞭なス
ペクトルとして現れ、高感度で測定できることが確認で
きた。
ペクトルとして現れ、高感度で測定できることが確認で
きた。
【００２９】本発明は、種々の分野に適用可能であり、
これまで限定されていたＳＦＧ分光法の適用範囲を大幅
に拡大することができる。すなわち、ＳＦＧ分光法の対
象はこれまで巨視的に平坦な表面や界面に限られてき
た。これは、和周波光は入射光二色と位相整合条件を満
たす方向にのみ選択的に放出される性質があるためであ
る。事実、電子デバイスなどを対象とした研究において
は、半導体ウエハーのような平坦表面のみを考慮すれば
こと足りる。しかし、細胞膜のような生体界面やエアロ
ゾルのような環境界面における物質移動や化学反応を解
析することに対する社会的要請が現在急速に高まってい
る。これらの界面は非平坦であるため、これまでＳＦＧ
分光の対象から外れていた。
これまで限定されていたＳＦＧ分光法の適用範囲を大幅
に拡大することができる。すなわち、ＳＦＧ分光法の対
象はこれまで巨視的に平坦な表面や界面に限られてき
た。これは、和周波光は入射光二色と位相整合条件を満
たす方向にのみ選択的に放出される性質があるためであ
る。事実、電子デバイスなどを対象とした研究において
は、半導体ウエハーのような平坦表面のみを考慮すれば
こと足りる。しかし、細胞膜のような生体界面やエアロ
ゾルのような環境界面における物質移動や化学反応を解
析することに対する社会的要請が現在急速に高まってい
る。これらの界面は非平坦であるため、これまでＳＦＧ
分光の対象から外れていた。
【００３０】本発明者らは、本発明が生体や環境に関連
した非平坦界面の和周波振動スペクトル測定を可能にす
ると考えている。現にＥｉｓｅｎｔｈａｌ（ＵＳＡ）ら
はコロイド粒子表面からの二倍波発生（ＳＨＧ）スペク
トルを測定することに１９９６年に成功した。和周波光
は二倍波光よりは微弱ではあるが、分子振動という化学
的に意味の明確な情報を担っている。本発明は、ランダ
ムな方向を向いた微平面からの和周波光を捕集すること
によって非平坦界面の和周波発生分光を可能ならしめ、
生体界面、環境界面、実用触媒などを対象とした高速振
動分光測定への道を拓くことを可能にし、それによっ
て、環境エネルギー問題の解決や生体技術の発展を望む
社会的要請に応えることができるものである。
した非平坦界面の和周波振動スペクトル測定を可能にす
ると考えている。現にＥｉｓｅｎｔｈａｌ（ＵＳＡ）ら
はコロイド粒子表面からの二倍波発生（ＳＨＧ）スペク
トルを測定することに１９９６年に成功した。和周波光
は二倍波光よりは微弱ではあるが、分子振動という化学
的に意味の明確な情報を担っている。本発明は、ランダ
ムな方向を向いた微平面からの和周波光を捕集すること
によって非平坦界面の和周波発生分光を可能ならしめ、
生体界面、環境界面、実用触媒などを対象とした高速振
動分光測定への道を拓くことを可能にし、それによっ
て、環境エネルギー問題の解決や生体技術の発展を望む
社会的要請に応えることができるものである。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る和周
波発生分光装置および方法によれば、和周波光を利用し
て試料の表面や界面の分子振動測定の感度を大幅に向上
でき、測定精度の大幅な向上、測定対象の大幅な拡大を
はかることができる。
波発生分光装置および方法によれば、和周波光を利用し
て試料の表面や界面の分子振動測定の感度を大幅に向上
でき、測定精度の大幅な向上、測定対象の大幅な拡大を
はかることができる。
【図１】本発明の一実施態様に係る和周波発生分光装置
の概略構成図である。
の概略構成図である。
【図２】実施例におけるＧａＡｓのマルチプレックスＳ
ＦＧスペクトル図である。
ＦＧスペクトル図である。
【図３】実施例におけるオクタデカンチオール自己組織
化膜（ＯＤＴＳＡＭ）のマルチプレックスＳＦＧスペク
トル図である。
化膜（ＯＤＴＳＡＭ）のマルチプレックスＳＦＧスペク
トル図である。
【図４】図３のスペクトルを図２のスペクトルで割算し
たスペクトル図である。
たスペクトル図である。
１ 和周波発生分光装置 ２ レーザー光源 ３ 基本波 ４、５ 分割波 ６ 広帯域赤外光作成手段 ７ 広帯域赤外光 ８ 狭帯域可視光作成手段としての狭帯域倍波発生器 ９ 狭帯域可視光 １０ 試料 １１ 広帯域和周波光 １２ 分割手段としての分散型分光器 １３ マルチチャンネル検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｆ Ｆターム(参考） 2G020 AA03 AA04 BA04 BA17 CA11 CB05 CB23 CB42 CB43 CB54 CC02 CC13 CC47 CC63 CD06 CD32 2G059 AA02 BB06 BB10 BB12 CC12 EE12 EE20 FF06 GG01 HH01 HH02 JJ05 JJ06 KK04 MM17 NN05 2K002 AA04 AB12 BA02 CA05 CA13 HA20 HA21 5F072 AB20 QQ02 QQ03 RR01 SS08 YY11
Claims (4)
- 【請求項１】 単一のレーザー光源と、該レーザー光源
の基本波の分割波から所定の波数幅、所定のパルス時間
幅をもつ広帯域赤外光を作成する手段と、前記基本波の
残りの分割波を二分し逆方向にチャープさせた後合成し
て倍波を発生させ狭帯域可視光を作成する手段と、広帯
域赤外光作成手段からの広帯域赤外光と狭帯域可視光作
成手段からの狭帯域可視光を試料の表面または界面に集
光させて広帯域和周波光を発生させる和周波光発生手段
と、発生した広帯域和周波光を分光する分光手段と、分
光された和周波光をマルチチャンネルで実質的に同時に
計測するマルチプレックス計測手段と、を有することを
特徴とする和周波発生分光装置。 - 【請求項２】 前記レーザー光源がフェムト秒レーザー
光源からなる、請求項１の和周波発生分光装置。 - 【請求項３】 前記広帯域赤外光作成手段が１００ｃｍ
-1以上の波数幅をもつ広帯域赤外光を作成する手段から
なり、前記狭帯域可視光作成手段が１５ｃｍ -1以下の波
数幅をもつ狭帯域可視光を作成する手段からなる、請求
項１または２の和周波発生分光装置。 - 【請求項４】 単一のレーザー光源からの基本波を、二
つの分割波に分割し、一方の分割波から所定の波数幅と
所定のパルス時間幅をもつ和周波光発生用の広帯域赤外
光を作成するとともに、残りの分割波を二分し逆方向に
チャープさせた後合成して倍波の和周波光発生用の狭帯
域可視光を作成し、作成した広帯域赤外光と狭帯域可視
光を試料の表面または界面に集光して広帯域和周波光を
発生させ、発生した広帯域和周波光を分光手段で分散さ
せ、分散された光をマルチチャンネルで実質的に同時に
計測することを特徴とする和周波発生分光法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000282209A JP2002090293A (ja) | 2000-09-18 | 2000-09-18 | 和周波発生分光装置および方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000282209A JP2002090293A (ja) | 2000-09-18 | 2000-09-18 | 和周波発生分光装置および方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002090293A true JP2002090293A (ja) | 2002-03-27 |
Family
ID=18766760
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000282209A Pending JP2002090293A (ja) | 2000-09-18 | 2000-09-18 | 和周波発生分光装置および方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002090293A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002340672A (ja) * | 2001-05-22 | 2002-11-27 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | 和周波発生分光装置および方法 |
| JP2007005410A (ja) * | 2005-06-21 | 2007-01-11 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 中赤外光−紫外光発生装置 |
| JP2009229386A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 和周波発生分光装置及びその分光方法 |
-
2000
- 2000-09-18 JP JP2000282209A patent/JP2002090293A/ja active Pending
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| JPN6009063700, Ｃｈ．Ｈｅｓｓ， 他, ""Ｈｏｔ−ｂａｎｄ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＯ ｃｈｅｍｉｓｏｒｂｅｄ ｏｎ Ｒｕ（００１） ｓｔｕｄｉｅｄ ｗｉｔｈ ｂｒｏａｄｂａｎｄ−ＩＲ ｓｕｍ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏ", Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ, 20000721, Ｖｏｌ．３２５， Ｉｓｓｕｅｓ １−３, ｐｐ．１３９−１４５ * |
| JPN6009063702, Ｐ．Ｓ．Ｃｒｅｍｅｒ， 他, ""Ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ−ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｕｍ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ"", Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｃａｔａｌｙｓｉｓ Ａ： Ｃｈｅｍｉｃａｌ, 19980501, Ｖｏｌ．１３１， Ｉｓｓｕｅｓ １−３, ｐｐ．２２５−２４１ * |
| JPN6009063704, Ｈ．Ｈａｅｒｌｅ， 他, ""Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ （１０−８−１０００ ｍｂａｒ） ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｃｔｒａ ｏｆ ＣＯ ｃｈｅｍｉｓｏｒｂｅｄ ｏｎ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉ", Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ, 1999, Ｖｏｌ．１， Ｉｓｓｕｅ ２１, ｐｐ．５０５９−５０６４ * |
| JPN6009063705, Ｆ．Ｒａｏｕｌｔ， 他, ""Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｎａｒｒｏｗ−ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｕｂｌｉｎｇ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｃｈ", ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ, 19980715, Ｖｏｌ．２３， Ｎｏ．１４, ｐｐ．１１１７−１１１９ * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002340672A (ja) * | 2001-05-22 | 2002-11-27 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | 和周波発生分光装置および方法 |
| JP2007005410A (ja) * | 2005-06-21 | 2007-01-11 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 中赤外光−紫外光発生装置 |
| JP2009229386A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-08 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 和周波発生分光装置及びその分光方法 |
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