JP2003083905A - Sample analyzer based on measurement of surface displacement of sample - Google Patents

Sample analyzer based on measurement of surface displacement of sample

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JP2003083905A
JP2003083905A JP2001274895A JP2001274895A JP2003083905A JP 2003083905 A JP2003083905 A JP 2003083905A JP 2001274895 A JP2001274895 A JP 2001274895A JP 2001274895 A JP2001274895 A JP 2001274895A JP 2003083905 A JP2003083905 A JP 2003083905A
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JP
Japan
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light
sample
probe
reference light
beam splitter
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Application number
JP2001274895A
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Japanese (ja)
Inventor
Norio Sasayama
則生 笹山
Haruo Takahashi
春男 高橋
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Seiko Instruments Inc
Original Assignee
Seiko Instruments Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem raised by the conventional method of measuring surface displacement of sample utilizing the Sagnac interferometer that, when three kinds of light having the same wavelength are used as reference light, probe light, and pumping light, unnecessary light reaches a detector and increases the background and, in addition, when a method of properly using two kinds of wavelengths for the three kinds of light is used for solving the problem, another problem arises that a wavelength changing element, such as the SHG, etc., the conversion efficiency of which is low and fluctuates depending upon the ambient environment, such as the temperature, etc., and which deteriorates the shape of a short-pulse, and so on, must be used at wavelength changing time. SOLUTION: A sample analyzer based on the measurement of the surface displacement of a sample adopts such a constitution that makes three kinds of light of pumping light, probe light, and reference light having the same wavelength incident obliquely to the surface of a sample so that the sample may obliquely reflect the light. Consequently, only necessary interference light can be introduced to the detector while the three kinds of light having the same wavelength are used. At the same time, the Sagnac interferometer or another interfering means showing an effect which is close to that shown by the interferometer is utilized.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、パルス光励起の
弾性波を試料表面の変位として測定し、試料内部を分析
する方法、及び装置に関する。特に、半導体製品におけ
る多層膜の膜厚測定に利用される。また、半導体製品以
外であっても、薄膜が設けられている試料であれば、こ
の発明による測定対象となり得る。磁気記録テープ、磁
気記録ディスク、光記録ディスク、コーティング鋼板等
が、その一例である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for measuring an elastic wave excited by pulsed light as a displacement of a sample surface and analyzing the inside of the sample. In particular, it is used for measuring the film thickness of multilayer films in semiconductor products. Further, even if it is not a semiconductor product, any sample provided with a thin film can be a measurement target according to the present invention. Magnetic recording tapes, magnetic recording disks, optical recording disks, coated steel plates and the like are examples thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】膜厚がミクロン以下の不透明薄膜の膜厚
を非破壊で測定する方法として、ポンププローブ法によ
り薄膜中に弾性波を発生させ、膜界面で反射した弾性波
エコーが表面に戻ってくるまでの時間を測定し、その時
間を膜厚に換算する方法が使われている。
2. Description of the Related Art As a method of nondestructively measuring the thickness of an opaque thin film having a thickness of less than a micron, an elastic wave is generated in the thin film by a pump probe method, and an elastic wave echo reflected at the film interface returns to the surface. A method is used in which the time taken to arrive is measured and the time is converted to a film thickness.

【0003】ポンププローブ法では、短パルスポンプ光
により励起した試料の経時変化を短パルスプローブ光に
よりサンプリング測定するために、少なくとも、短パル
スレーザー光源、ポンプ光とプローブ光の分離手段、こ
れらの光の輸送手段、サンプリングのタイミング調整用
の遅延光路、及び検出器を使用する。また、ポンプ光を
間欠的に照射し、その周期、及び位相と同期したロック
インアンプを利用してS/N比を向上させるのが常套手
段である。
In the pump probe method, at least a short pulse laser light source, a means for separating pump light and probe light, and these lights are used for sampling and measuring the change with time of a sample excited by the short pulse pump light. , A delay optical path for sampling timing adjustment, and a detector are used. Further, it is a conventional means to irradiate pump light intermittently and improve the S / N ratio by utilizing a lock-in amplifier synchronized with its cycle and phase.

【0004】エコーが戻ってくるまでの時間を測定する
方法のひとつとして、エコーによる試料表面の反射率変
化をプローブ光で測定する方法が利用されており、米国
特許第4710030に示されている。また、エコーに
よる試料表面の変動を、プローブ光の反射角度の変化と
して測定する方法も利用されており、O.B.Writ
e and K.Kawashima、Phys.Re
v.Lett.、V69、N11、P1668−167
1(1992)に示されている。
As one of the methods for measuring the time until the echo returns, a method of measuring the reflectance change of the sample surface by the echo with a probe light is used, and it is shown in US Pat. No. 4,710,030. In addition, a method of measuring a change in the sample surface due to an echo as a change in the reflection angle of the probe light is also used. B. Writ
e and K.E. Kawashima, Phys. Re
v. Lett. , V69, N11, P1668-167
1 (1992).

【0005】また、試料表面の変動を測定する方法とし
て、試料表面の厚み方向変位を直接に測定する方法もあ
る。この方法ではプローブ光と参照光の2種の光を使用
し、試料表面変位によるプローブ光の位相変化を、参照
光との干渉により測定する。
As a method of measuring the fluctuation of the sample surface, there is also a method of directly measuring the displacement in the thickness direction of the sample surface. In this method, two types of light, probe light and reference light, are used, and the phase change of the probe light due to the sample surface displacement is measured by interference with the reference light.

【0006】ここで測定された位相変化から表面変位を
知ることができる。例えば、マイケルソン干渉計、マッ
ハツェンダー干渉計、ファブリーペロー干渉計を利用し
た例が、特開平5−172739号公報に示されてい
る。また、同種の方法として、サニャック干渉計の利用
例が米国特許第6108087、及びD.H.Hurl
ey and O.B.Write、Optics L
etters、V24、N18、P1305−1307
(1999)に示されている。
The surface displacement can be known from the phase change measured here. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-172739 discloses an example using a Michelson interferometer, a Mach-Zehnder interferometer, and a Fabry-Perot interferometer. Further, as a method of the same kind, an example of using a Sagnac interferometer is described in US Pat. H. Hurr
ey and O. B. Write, Optics L
etters, V24, N18, P1305-1307
(1999).

【0007】以下に、サニャック干渉計を利用した従来
の試料表面変位測定方法の原理を、図2を用いて説明す
る。
The principle of a conventional sample surface displacement measuring method using a Sagnac interferometer will be described below with reference to FIG.

【0008】短パルスレーザー1から発せられた光は、
SHG21を通過することで、元の光と波長が半分の光
の混合された光となる。その2種の光は、ダイクロイッ
クミラー22により分離され、一方はポンプ光20とし
て、もう一方は参照光18とプローブ光19として利用
される。ダイクロイックミラー22を通過した参照光1
8とプローブ光19の混合光は、ミラー4を通過後、2
分の1波長板5によりそのP偏光成分とS偏光成分の割
合を調整される。その後、図2の紙面に対して0度、ま
たは90度の軸を持つように設置される4分の1波長板
6により、P偏光成分とS偏光成分の間に90度の位相
差が設けられる。この例では、試料17まで届くいたP
偏光成分が参照光18、S偏光成分がプローブ光19と
して利用される。
The light emitted from the short pulse laser 1 is
By passing through the SHG 21, the light becomes a mixture of the original light and the light whose wavelength is half. The two kinds of light are separated by a dichroic mirror 22, one of which is used as a pump light 20 and the other of which is used as a reference light 18 and a probe light 19. Reference light 1 that has passed through the dichroic mirror 22
The mixed light of 8 and the probe light 19 passes through the mirror 4 and then 2
The ratio of the P-polarized component and the S-polarized component is adjusted by the half-wave plate 5. After that, a quarter-wave plate 6 installed so as to have an axis of 0 degree or 90 degrees with respect to the paper surface of FIG. 2 provides a phase difference of 90 degrees between the P-polarized component and the S-polarized component. To be In this example, P reaching sample 17
The polarization component is used as the reference light 18 and the S polarization component is used as the probe light 19.

【0009】参照光18は、BS(ビームスプリッタ
ー)23、PBS(偏光ビームスプリッター)24、4
分の1波長板28、レンズ29、試料17、レンズ2
9、4分の1波長板28、PBS24、ミラー26、ミ
ラー25、BS23の順に進行し、その後、PBS11
を経て、検出器12、及び検出器13へと向かう。一
方、プローブ光19は、BS23、ミラー25、ミラー
26、PBS24、4分の1波長板28、レンズ29、
試料17、レンズ29、4分の1波長板28、PBS2
4、BS23の順に進行し、その後、PBS11を経
て、検出器12、及び検出器13へと向かう。この光路
の通過順序は、各光の偏光状態の違いにより達成される
が、その詳細は後述する。したがって、参照光18とプ
ローブ光19は、1回目にBS23を通過してから2回
目にBS23に到着するまで、同じ光路を逆向きに進行
する。このように、干渉させる2種の光が閉ループ上の
同じ光路を共有し、逆向きに進行するという構成がサニ
ャック干渉計の特徴である。この構成により、両方の光
に対する外乱の影響が同じになり、干渉時にはキャンセ
ルされる。また、両方の光が同じ光路長を進行するの
で、同じタイミングで閉ループから出て、PBS11に
向かう。図2から分かるように、プローブ光19はミラ
ー25、ミラー26と迂回してから試料に到着するの
で、それプローブ光19より先に参照光18が試料17
に到着する。ように、試料17は閉ループの全光路長の
中間地点からずれた位置に設置される。
The reference beam 18 is composed of a BS (beam splitter) 23, a PBS (polarizing beam splitter) 24, and 4.
Sub-wave plate 28, lens 29, sample 17, lens 2
Proceed in the order of 9, quarter-wave plate 28, PBS 24, mirror 26, mirror 25, BS 23, and then PBS 11.
After that, it goes to the detector 12 and the detector 13. On the other hand, the probe light 19 includes a BS 23, a mirror 25, a mirror 26, a PBS 24, a quarter wavelength plate 28, a lens 29,
Sample 17, lens 29, quarter wave plate 28, PBS2
4 and BS23 in this order, and then to the detector 12 and the detector 13 via the PBS 11. The order of passing through this optical path is achieved by the difference in the polarization state of each light, which will be described in detail later. Therefore, the reference light 18 and the probe light 19 travel in the same optical path in opposite directions from the first passage through the BS 23 to the second arrival at the BS 23. As described above, the Sagnac interferometer is characterized in that two types of light to be interfered share the same optical path on the closed loop and travel in opposite directions. With this configuration, the influence of the disturbance on both lights becomes the same and is canceled at the time of interference. Further, since both lights travel the same optical path length, they exit the closed loop at the same timing and head for the PBS 11. As can be seen from FIG. 2, the probe light 19 bypasses the mirrors 25 and 26 and reaches the sample, so that the reference light 18 precedes the probe light 19 and the sample 17.
Arrive at. As described above, the sample 17 is installed at a position displaced from the midpoint of the total optical path length of the closed loop.

【0010】参照光18とプローブ光19は、閉ループ
の途中にある試料17で反射される際に何らかの変調を
受け、その影響の差が干渉光の検出結果から求められ
る。実際には、参照光18、ポンプ光20、プローブ光
19の順に、各光が試料17に到着するように光路が組
まれており、ポンプ光20による影響を受ける前の試料
17により参照光18は反射され、ポンプ光20による
影響を受けた後の試料17によりプローブ光19は反射
される。この方法では、試料表面の変位によるプローブ
光19の位相変化を、参照光18との干渉を利用して検
出する。短パルスのプローブ光19を使用するので、あ
る一瞬の試料表面変位を捉えてサンプリングすることが
可能となる。また、ポンプ光20を導く光路の途中に、
リトロリフレクター8を利用した遅延光路が設けられて
いる。このリトロリフレクター8を光路長が伸縮する方
向に動かすことにより、ポンプ光20が試料17に到着
してからプローブ光19が到着するまでの時間を調節す
る。
The reference light 18 and the probe light 19 undergo some modulation when reflected by the sample 17 in the middle of the closed loop, and the difference in their influences can be obtained from the detection result of the interference light. In practice, the reference light 18, the pump light 20, and the probe light 19 are arranged in this order so that each light reaches the sample 17, and the reference light 18 is generated by the sample 17 before being affected by the pump light 20. Is reflected, and the probe light 19 is reflected by the sample 17 after being influenced by the pump light 20. In this method, the phase change of the probe light 19 due to the displacement of the sample surface is detected by utilizing the interference with the reference light 18. Since the short-pulse probe light 19 is used, it is possible to capture and sample the sample surface displacement at a certain moment. In the middle of the optical path that guides the pump light 20,
A delay optical path using the retro-reflector 8 is provided. By moving the retro-reflector 8 in the direction in which the optical path length expands and contracts, the time from the arrival of the pump light 20 at the sample 17 to the arrival of the probe light 19 is adjusted.

【0011】次に、参照光18とプローブ光19の進行
方向と偏光状態について説明する。BS23によって分
割されてPBS24に向かう光が参照光18、ミラー2
5に向かう光がプローブ光19となる。BS23を通過
した時点では、どちらの光も、P偏光成分とS偏光成分
の両成分を持っている。参照光18は、1回目にPBS
24を通過する時、P偏光成分のみが通過する。その
後、図2の紙面に対して45度傾けた軸を持つ4分の1
波長板28を2回通過して、S偏光となって2回目のP
BS24に到着する。したがって、このS偏光の参照光
18はPBS24によりミラー26に向かって導かれ
る。その後、S偏光状態のまま、ミラー26、ミラー2
5、BS23の順に通過してPBS11に向かう。プロ
ーブ光19は、1回目にPBS24を通過する時、S偏
光成分のみが通過する。その後、4分の1波長板28を
2回通過して、P偏光となって2回目のPBS24に到
着する。したがって、このP偏光のプローブ光19はP
BS24によりBS23に向かって導かれる。その後、
P偏光状態のまま、BS23を通過してPBS11に向
かう。
Next, the traveling directions and polarization states of the reference light 18 and the probe light 19 will be described. The light split by the BS 23 and directed to the PBS 24 is the reference light 18 and the mirror 2.
The light traveling toward 5 becomes the probe light 19. When passing through the BS 23, both lights have both P-polarized component and S-polarized component. The reference light 18 is PBS for the first time.
When passing 24, only the P-polarized component passes. Then, a quarter with an axis tilted 45 degrees with respect to the paper of FIG.
After passing through the wave plate 28 twice, it becomes S-polarized light and the second P
Arrived at BS24. Therefore, the S-polarized reference light 18 is guided toward the mirror 26 by the PBS 24. After that, the mirror 26 and the mirror 2 are kept in the S-polarized state.
5 and BS23 in that order toward PBS11. When the probe light 19 first passes through the PBS 24, only the S-polarized component passes through. After that, the light passes through the quarter-wave plate 28 twice, becomes P-polarized light, and reaches the PBS 24 for the second time. Therefore, the P-polarized probe light 19 is P
It is guided toward BS23 by BS24. afterwards,
In the P-polarized state, the light passes through the BS 23 toward the PBS 11.

【0012】2回目にBS23を通過してPBS11に
向かう参照光18とプローブ光19は、偏光状態が直交
しているため、そのままでは干渉しないが、図2の紙面
に対して45度傾けたPBS11を通過することによ
り、干渉光32と干渉光33になる。ところで、4分の
1波長板6により、参照光18とプローブ光19の間に
は、あらかじめ90度の位相差が設けられている。この
位相差により、試料表面変位により発生する微量な位相
変化に対して検出器出力が線型に変化する。実際には、
干渉光32と干渉光33では、4分の1波長板6により
発生させた位相差が逆符号で作用し、それぞれの干渉に
おける参照光18とプローブ光19の位相差は、90度
と−90度になる。また、検出器12と検出器13の出
力には、試料表面変位によるプローブ光19の位相変化
の情報以外に、試料表面での反射率変化の情報が含まれ
ている。そこで、検出器12と検出器13の出力の差を
とると、プローブ光19の位相変化の情報のみを抽出す
ることができる。干渉前の光に対して90度の位相差を
設け、2種の干渉光を得て、その差から位相変化の測定
を行なう上記の方法は、微小な位相変化を測定する際の
常套手段である。
The reference light 18 and the probe light 19 passing through the BS 23 toward the PBS 11 for the second time do not interfere as they are because the polarization states are orthogonal to each other, but the PBS 11 tilted 45 degrees with respect to the paper surface of FIG. The interference light 32 and the interference light 33 are obtained by passing through. By the way, the quarter-wave plate 6 provides a phase difference of 90 degrees between the reference light 18 and the probe light 19 in advance. Due to this phase difference, the detector output changes linearly with respect to a minute phase change generated by the displacement of the sample surface. actually,
In the interference light 32 and the interference light 33, the phase difference generated by the quarter-wave plate 6 acts with the opposite sign, and the phase difference between the reference light 18 and the probe light 19 in each interference is 90 degrees and −90. It becomes degree. Further, the outputs of the detector 12 and the detector 13 include information on the change in the reflectance on the sample surface, in addition to the information on the phase change of the probe light 19 due to the displacement of the sample surface. Therefore, by taking the difference between the outputs of the detector 12 and the detector 13, only the information on the phase change of the probe light 19 can be extracted. The above method in which a phase difference of 90 degrees is provided with respect to the light before interference and two types of interference light are obtained and the phase change is measured from the difference is a conventional means for measuring a minute phase change. is there.

【0013】ダイクロイックビームスプリッター22に
より分離されたポンプ光20は、ミラー7、リトロリフ
レクター8、ミラー9、AOM10、ミラー30の順に
通過した後、ダイクロイックビームスプリッター27に
より、参照光18、及びプローブ光19と同じ光路に重
ねられ、試料17に導かれる。試料17で反射したポン
プ光20は、同じ光路を逆向きに戻り、ダイクロイック
ビームスプリッター27により、参照光18、及びプロ
ーブ光19の光路から分離されるので、検出器12、及
び検出器13までは到達しない。
The pump light 20 separated by the dichroic beam splitter 22 passes through a mirror 7, a retroreflector 8, a mirror 9, an AOM 10 and a mirror 30 in this order, and then a reference light 18 and a probe light 19 by a dichroic beam splitter 27. And is guided to the sample 17. The pump light 20 reflected by the sample 17 returns to the same optical path in the opposite direction and is separated from the optical paths of the reference light 18 and the probe light 19 by the dichroic beam splitter 27, so that the detectors 12 and 13 are Do not reach

【0014】また、ポンプ光20を間欠的に照射し、そ
の周期、及び位相と同期したロックインアンプ14を利
用してS/N比を向上させる方法が、図2に含まれてい
る。ここでは、AOM10を使用してポンプ光20の光
路を周期的に開閉し、光路が開いた時にはAOMを通過
したそれぞれのポンプ光パルスに対して、上記のような
測定が繰り返される。光路が閉じた時にはポンプ光20
が試料に届かないまま、上記の測定が繰り返される。こ
の周期と位相に同期させて、ロックインアンプ14によ
る測定を行なう。ロックインアンプ14の利用により、
ポンプ光20が試料に届かない状態での測定値をバック
グランド信号として、ポンプ光20が届く時の測定結果
から引き、S/N比を向上させる。
A method of intermittently irradiating the pump light 20 and improving the S / N ratio by utilizing the lock-in amplifier 14 synchronized with the cycle and phase thereof is included in FIG. Here, the optical path of the pump light 20 is periodically opened and closed using the AOM 10, and when the optical path is opened, the above measurement is repeated for each pump light pulse that has passed through the AOM. Pump light 20 when the light path is closed
The above measurement is repeated without reaching the sample. The lock-in amplifier 14 performs measurement in synchronization with this cycle and phase. By using the lock-in amplifier 14,
The S / N ratio is improved by subtracting the measured value when the pump light 20 does not reach the sample as the background signal from the measurement result when the pump light 20 reaches.

【0015】この例はサニャック干渉計を利用した試料
表面変位測定方法の一例であり、上記の説明に不要な光
学部品を一部、省略している。光学部品の配置順、また
は各種光の分離方向を変更したり、光学部品を一部変更
したり、追加することにより、同様の機能を持つ多種の
光学回路が実現可能である。上記の例は、最も単純な、
かつ洗練された光学回路例である。
This example is an example of a sample surface displacement measuring method using a Sagnac interferometer, and some optical components unnecessary for the above description are omitted. Various optical circuits having the same function can be realized by changing the arrangement order of the optical components, or changing the separation direction of various lights, or partially changing or adding the optical components. The above example is the simplest,
It is also an example of a sophisticated optical circuit.

【0016】最後に、ポンプ光による試料表面変位に関
して説明する。ポンプ光が不透明薄膜に照射されると、
試料が不透明であるがゆえに、最表面の限られた深さ範
囲でのみポンプ光のエネルギーが吸収される。また、ポ
ンプ光がパルス状であるため、照射された一瞬にエネル
ギーが吸収される。そのため、部分的に集中したエネル
ギーが弾性波となり、試料内部に進行していく。この弾
性波は、薄膜界面等の材質が不均一になる部分で、一部
が反射され、試料表面に向かい戻ってきて、エコーとな
る。弾性波が表面に到達すると、最表面の体積を伸縮さ
せ、結果として試料表面が変動する。試料表面まで到達
した弾性波は、再度、試料内部に向かって進行し、材質
の不均一部分で反射し、2回目のエコーとなる。このよ
うに周期的にエコーが試料表面に到達し、試料表面の変
位として観測される。
Finally, the displacement of the sample surface due to the pump light will be described. When the pump light is applied to the opaque thin film,
Since the sample is opaque, the pump light energy is absorbed only in a limited depth range of the outermost surface. In addition, since the pump light has a pulsed shape, energy is absorbed at the moment of irradiation. Therefore, the partially concentrated energy becomes an elastic wave and advances into the sample. This elastic wave is partly reflected at the part where the material such as the thin film interface is non-uniform, returns toward the sample surface, and becomes an echo. When the elastic wave reaches the surface, the outermost surface volume is expanded and contracted, and as a result, the sample surface is changed. The elastic wave that has reached the surface of the sample again travels toward the inside of the sample, is reflected by the non-uniform portion of the material, and becomes a second echo. In this way, echoes periodically reach the sample surface and are observed as displacement of the sample surface.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】従来の試料表面変位測
定方法では、干渉計に対する試料位置が変動すると、試
料表面変位との区別ができず、測定結果に大きく影響す
るという問題点があった。その問題点を改善する方法と
して、サニャック干渉計を利用する方法が提案された。
サニャック干渉計では、プローブ光と参照光の光路を共
通化することにより、外乱の影響が両方の光に同等に作
用し、結果として干渉時にキャンセルされるように設計
されている。試料位置の変動も外乱要因の一つであり、
サニャック干渉計の利用により、その影響を軽減するこ
とができる。
In the conventional sample surface displacement measuring method, when the sample position with respect to the interferometer fluctuates, it cannot be distinguished from the sample surface displacement, and the measurement result is greatly affected. A method using a Sagnac interferometer has been proposed as a method for improving the problem.
The Sagnac interferometer is designed such that the optical path of the probe light and that of the reference light are made common so that the influence of disturbance acts on both lights equally and, as a result, is canceled at the time of interference. Fluctuation of sample position is also one of the factors of disturbance,
The use of Sagnac interferometer can reduce the effect.

【0018】しかし、サニャック干渉計を利用した従来
の方法では、参照光、プローブ光、及びポンプ光の3種
の入射光と反射光が試料直前で1本の光路を共有する構
造になっている。その構造上、ポンプ光とプローブ光で
異なる波長の光を使用するために、SHG等の波長変換素
子を使用しなければならなかった。従来の方法では、参
照光、プローブ光、及びポンプ光の3種の入射光と反射
光が、試料直前で1本の光路を共有する構造になってい
る。光路を共有した光を試料表面に対して垂直入射させ
ることで、測定スポットサイズを回折限界まで小さくす
ることが可能になる。しかし、同じ波長の3種の入反射
光が1本の光路を共有した場合、このままでは、試料か
ら反射されて戻ってくる光を偏光の違いのみで分離する
ことは不可能なため、検出すべき干渉光以外の不要な光
が検出器まで到達し、バックグランドの増大をもたら
す。そのためそこで、3種の光を分離するために、ポン
プ光とプローブ光で異なる波長の光を使用する必要が生
じた。しかし、そのために使用するSHG等の波長変換素
子の変換効率の低さ、温度等の外部環境による変換効率
の変動、変換時における短パルス形状の劣化等の問題を
抱えていた。
However, in the conventional method using the Sagnac interferometer, the three types of incident light and reflected light of the reference light, the probe light, and the pump light share a single optical path immediately before the sample. . Due to its structure, a wavelength conversion element such as SHG had to be used in order to use light of different wavelengths for the pump light and the probe light. In the conventional method, three types of incident light and reflected light of reference light, probe light, and pump light share a single optical path immediately before the sample. The measurement spot size can be reduced to the diffraction limit by making the light sharing the optical path incident perpendicularly to the sample surface. However, when three types of incident / reflected light of the same wavelength share one optical path, it is impossible to separate the light reflected and returned from the sample by only the difference in polarization as it is, and therefore it is detected. Unwanted light other than the coherent light that should reach the detector causes an increase in background. Therefore, in order to separate the three types of light, it is necessary to use light of different wavelengths for the pump light and the probe light. However, there are problems such as low conversion efficiency of wavelength conversion elements such as SHG used for that purpose, fluctuation of conversion efficiency due to external environment such as temperature, deterioration of short pulse shape during conversion, and the like.

【0019】この発明は、上記問題点を解決し、試料位
置の変動に対して寛容、かつ波長変換素子を必要としな
い測定方法を実現することを課題とする。
It is an object of the present invention to solve the above problems and to realize a measuring method that is tolerant of variations in sample position and that does not require a wavelength conversion element.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明では、ポンプ光、プローブ光、及び参照光
の3種の光を試料表面に対して斜めに入射し、試料によ
り斜めに反射させる構成を採用した。つまり、試料直前
では、これら3種の光が2本の光路を共有する。これに
より、同じ波長の3種の光を使用したまま、必要な干渉
光のみを検出器に導くようにした。同時に、サニャック
干渉計、あるいはそれに近い効果を持つ別の干渉手段を
利用するようにした。これにより、波長変換素子を利用
せずに、試料位置の変動に対して寛容な測定方法を実現
した。
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, three kinds of light of pump light, probe light, and reference light are obliquely incident on the surface of the sample, and the light is oblique to the sample. The structure that reflects the light is adopted. That is, immediately before the sample, these three kinds of light share two optical paths. As a result, only the necessary coherent light is guided to the detector while the three types of light having the same wavelength are used. At the same time, I decided to use the Sagnac interferometer, or another interferometer with an effect close to it. As a result, a measurement method that is tolerant of changes in the sample position was realized without using a wavelength conversion element.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下の記述において、S偏光とP
偏光のように互いに直交する偏光状態を持つ2種の光に
対して、偏光状態が異なるという表現を使用する。この
ような2種の光は、偏光光学素子により、分離すること
ができる。また、以下の記述で検出部と書いた部分に
は、図2の従来技術におけるPBS11、検出器12、
及び検出器13に対応する部分全体を含める。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the following description, S-polarized light and P-polarized light will be used.
The expression that the polarization state is different is used for two types of light having polarization states orthogonal to each other such as polarization. Such two kinds of light can be separated by a polarization optical element. In addition, in the following description, the part described as the detection unit includes the PBS 11, the detector 12, and the
And the entire portion corresponding to the detector 13 is included.

【0022】本発明では、従来技術と同様、短パルスレ
ーザー光源、サンプリングのタイミング調整用の遅延光
路、及び検出器を使用する。また、ポンプ光の強度を周
期的に変調するための変調器、及びその変調と同期した
ロックインアンプを使用する。(図1を参照)。以下、
本発明の実施形態の説明においては、従来技術と同じ部
分に関する説明を省略する。したがって、図2、または
図1を例にとると、参照光18とプローブ光19が4分
の1波長板6を通過してから検出部に到達するまでのビ
ーム輸送系、及びポンプ光がAOM10を通過して以降
のビーム輸送系に関して、その実施形態を中心に説明す
る。の説明が中心となる。
As in the prior art, the present invention uses a short pulse laser light source, a delay optical path for adjusting the timing of sampling, and a detector. Further, a modulator for periodically modulating the intensity of pump light and a lock-in amplifier synchronized with the modulation are used. (See Figure 1). Less than,
In the description of the embodiments of the present invention, the description of the same parts as those in the related art will be omitted. Therefore, taking FIG. 2 or FIG. 1 as an example, the beam transport system from when the reference light 18 and the probe light 19 pass through the quarter-wave plate 6 to the detection unit and the pump light is the AOM 10 The beam transport system after passing through will be described focusing on its embodiment. The explanation will be central.

【0023】まず、参照光、プローブ光、及びポンプ光
の3種の光に対する試料直前での光路に関して、説明す
る。従来技術が参照光、プローブ光、及びポンプ光の3
種の光を試料表面に垂直に入射するのに対し、本発明で
はこれらの3種の光を試料表面に対して斜めに入射す
る。(図2、及び図1を参照)。したがって、従来技術
では試料直前の光路が1本しか存在しなかったが、本発
明では試料直前で2本の光路が存在する。その2本の光
路は試料表面に対して垂直ではない角度を持ち、一方の
光路から入射した光がもう一方の光路に沿って反射され
るような位置関係にある。したがって、3種の光は、そ
れぞれ、試料への入射時に一方の光路を通り、試料から
の反射後には入射時とは異なるもう一方の光路を通る。
2本の光路を使用することにより、3種の光の進行方向
と偏光状態の組み合わせから、試料表面から反射して戻
ってくる同じ波長の3種の光を分離することが可能とな
る。それにより、異なる波長の光を得るために使用して
いたSHG等の波長変換素子が不要となる。したがっ
て、本発明では、ひとつの光源から参照光とプローブ光
の混合光、及びポンプ光を取り出すために、BS、ある
いはPBSを使用する。分離比を調節するためには、2
分の1波長板を通してP偏光とS偏光の割合を調整して
からPBSにより分離する方法が好ましい。
First, the optical paths immediately before the sample for the three kinds of light of the reference light, the probe light and the pump light will be described. The conventional technique has three components: reference light, probe light, and pump light.
In the present invention, these three types of light are obliquely incident on the sample surface, whereas the three types of light are perpendicularly incident on the sample surface. (See Figures 2 and 1). Therefore, in the prior art, there was only one optical path immediately before the sample, but in the present invention, there are two optical paths immediately before the sample. The two optical paths have a non-perpendicular angle with respect to the sample surface, and are in a positional relationship such that the light incident from one optical path is reflected along the other optical path. Therefore, each of the three types of light passes through one of the optical paths when it is incident on the sample, and after reflection from the sample, passes through the other optical path that is different from the one upon incidence.
By using two optical paths, it is possible to separate three types of light of the same wavelength that are reflected back from the sample surface and returned from the combination of the traveling directions and polarization states of the three types of light. This eliminates the need for a wavelength conversion element such as SHG used to obtain light of different wavelengths. Therefore, in the present invention, BS or PBS is used to extract the mixed light of the reference light and the probe light and the pump light from one light source. To adjust the separation ratio, 2
A method in which the ratio of P-polarized light and S-polarized light is adjusted through a one-half wavelength plate and then separated with PBS is preferable.

【0024】試料の直前には、試料に向かってくる各平
行光を試料表面に集光するためのレンズ、及び試料表面
の照射スポットから反射した光を平行光に戻するための
レンズが必要となる。試料直前の2本の光路に対して別
々のレンズを使用することも可能だが、ひとつのレンズ
を共用するほうが好ましい。その場合、レンズから見て
試料とは反対側にある光学素子とレンズを結ぶ2本の光
路が、レンズの光軸に平行で、かつレンズの光軸に対し
て対称な位置関係であることが好ましい。このレンズ
は、その光軸に平行な光がその光軸からずれた位置に入
射した場合でも、同じ位置に焦点を結ぶように、ひとつ
の波長に特化した非球面レンズ、あるいは同等の機能を
持つ複合レンズであることが好ましい。
Immediately before the sample, a lens for condensing each parallel light coming toward the sample on the sample surface and a lens for returning the light reflected from the irradiation spot on the sample surface to the parallel light are required. Become. It is possible to use separate lenses for the two optical paths immediately before the sample, but it is preferable to share one lens. In that case, the two optical paths that connect the lens and the optical element on the side opposite to the sample as viewed from the lens have a positional relationship that is parallel to the optical axis of the lens and symmetrical with respect to the optical axis of the lens. preferable. This lens has an aspherical lens specialized for one wavelength, or an equivalent function, so that even if light parallel to the optical axis enters at a position deviated from the optical axis, it focuses on the same position. It is preferable to have a compound lens.

【0025】3種の光を分離するためには、各光の偏光
方向と上記2本の光路との間に、以下に示す3種のパタ
ーンのいずれかが必要である。第1のパターンでは、偏
光状態の異なる参照光18とプローブ光19が、2本の
光路を逆向きに進行する(図3Aを参照)。この時、ポ
ンプ光20は参照光18と同じ進行方向で、かつ参照光
18と異なる偏光状態を持つ。あるいは、プローブ光1
9と同じ進行方向で、かつプローブ光と異なる偏光状態
を持つ。(図3Aを参照)第2のパターンでは、偏光状
態の同じ参照光18とプローブ光19が、2本の光路を
逆向きに進行する(図3Bを参照)。この時、ポンプ光
20は参照光18と同じ進行方向で、かつ参照光18と
異なる偏光状態を持つ。あるいは、プローブ光19と同
じ進行方向で、かつプローブ光19と異なる偏光状態を
持つ。(図3Bを参照)第3のパターンでは、偏光状態
の異なる参照光18とプローブ光19が、2本の光路を
同じ向きに進行する(図3Cを参照)。この時、ポンプ
光20は参照光18、及びプローブ光19とは逆向きに
進行し、参照光、またはプローブ光と同じ偏光状態を持
つ。(図3Cを参照)図3では、参照光がP偏光の場合
に限った図を示したが、参照光をS偏光とすることもで
きる。以下に、これら3種のパターンのそれぞれに対し
て、ビーム輸送系の実施形態を説明する。
In order to separate the three kinds of light, one of the following three kinds of patterns is required between the polarization direction of each light and the above two optical paths. In the first pattern, the reference light 18 and the probe light 19 having different polarization states travel in opposite directions on the two optical paths (see FIG. 3A). At this time, the pump light 20 has the same traveling direction as the reference light 18 and has a polarization state different from that of the reference light 18. Alternatively, probe light 1
It has the same traveling direction as 9 and a polarization state different from that of the probe light. In the second pattern (see FIG. 3A), the reference light 18 and the probe light 19 having the same polarization state travel in opposite directions along the two optical paths (see FIG. 3B). At this time, the pump light 20 has the same traveling direction as the reference light 18 and has a polarization state different from that of the reference light 18. Alternatively, it has the same traveling direction as the probe light 19 and has a polarization state different from that of the probe light 19. In the third pattern (see FIG. 3B), the reference light 18 and the probe light 19 having different polarization states travel along the two optical paths in the same direction (see FIG. 3C). At this time, the pump light 20 travels in the opposite direction to the reference light 18 and the probe light 19, and has the same polarization state as the reference light or the probe light. (Refer to FIG. 3C) Although FIG. 3 shows a diagram only when the reference light is P-polarized light, the reference light may be S-polarized light. Hereinafter, an embodiment of the beam transport system will be described for each of these three types of patterns.

【0026】第1パターンの実施例は図4、及び図5に
示されているが、ここでは、より一般的な実施形態につ
いて説明する。このパターンでは、参照光とプローブ光
はPBSにより分離され、サニャック干渉計の閉ループ
を互いに逆向きに進行した後、再び同じPBSで混合さ
れ、検出部に導かれる。閉ループ上を逆向きに進行する
参照光とプローブ光は、互いに異なる偏光状態を持つ。
ポンプ光は、BSにより、参照光、及びプローブ光と同
じ光路に重ねられ、試料に導かれる。このBSは、閉ル
ープを構成する光路のどこか、あるいは上記PBSと検
出器の間に設置される。試料で反射されたポンプ光は、
上記PBSを通過して閉ループから出る時に、検出部側
ではなく光源側に向かうので、検出器には到達しない。
試料に向かうポンプ光は、対向する参照光、またはプロ
ーブ光と同じ偏光状態を持つ必要があるので、上記BS
に到着する時にはその偏光状態でなければならない。参
照光とプローブ光は検出部に達する前に上記BSを1
回、通過するので、それらの強度は1/2になる。ポン
プ光は試料に達する前にBS36を1回、通過するの
で、その強度は1/2になる。試料は閉ループの途中に
設置され、閉ループ上を進行する両方向の光が試料表面
の同一箇所に集光されるようにレンズを使用する。
An example of the first pattern is shown in FIGS. 4 and 5, but a more general embodiment will be described here. In this pattern, the reference light and the probe light are separated by the PBS, travel in opposite directions in the closed loop of the Sagnac interferometer, then are mixed again by the same PBS and are guided to the detection unit. The reference light and the probe light traveling in opposite directions on the closed loop have different polarization states.
The pump light is superposed by the BS on the same optical path as the reference light and the probe light, and is guided to the sample. This BS is installed somewhere in the optical path forming the closed loop or between the PBS and the detector. The pump light reflected by the sample is
When passing through the above PBS and exiting from the closed loop, it does not reach the detector because it goes to the light source side rather than the detector side.
Since the pump light directed to the sample needs to have the same polarization state as the reference light or the probe light that faces the pump light,
When it arrives at, it must be in that polarization state. The reference light and the probe light are set to 1 above the BS before reaching the detection unit.
As they pass once, their intensity is halved. Since the pump light passes through the BS 36 once before reaching the sample, its intensity is halved. The sample is installed in the middle of the closed loop, and a lens is used so that the light in both directions traveling on the closed loop is condensed at the same position on the surface of the sample.

【0027】第2パターンの実施例は図6、及び図7に
示されているが、ここでは、より一般的な実施形態につ
いて説明する。このパターンでは、参照光とプローブ光
はPBSにより分離され、サニャック干渉計の閉ループ
を互いに逆向きに進行した後、再び同じPBSで混合さ
れ、光源に向かって光路を逆行し、途中に設置されるB
Sにより検出部に導かれる。また、閉ループの途中に、
偏光状態を変換させる光学素子、例えば2分の1波長板
が設置される。この光学素子に入射した光は、入射時と
は異なる偏光状態に変換される。閉ループ上を逆向きに
進行する参照光とプローブ光は、上記の偏光状態変換用
光学素子を挟んで同じ側の光路上では同じ偏光状態を持
つ。ポンプ光は、上記PBS、または閉ループ中に設置
された別のPBSにより、参照光、及びプローブ光と同
じ光路に重ねられ、試料に導かれる。試料で反射された
ポンプ光は、次に通過するPBSにより、参照光、及び
プローブ光の光路から外れ、検出器には到達しない。試
料に向かうポンプ光は、同じ向き、あるいは逆向きに進
行する参照光、及びプローブ光と異なる偏光状態を持つ
必要があるので、上記PBSに到着する時にはその偏光
状態でなければならない。参照光とプローブ光は、検出
部に達する前に上記BSを2回、通過するので、それら
の強度は1/4になる。一方、ポンプ光はBSを1回も
通過しないので、その強度は変化しない。試料は閉ルー
プの途中に設置され、閉ループ上を進行する両方向の光
が試料表面の同一箇所に集光されるようにレンズを使用
する。
An example of the second pattern is shown in FIGS. 6 and 7, but a more general embodiment will be described here. In this pattern, the reference light and the probe light are separated by the PBS, travel in opposite directions in the closed loop of the Sagnac interferometer, and then are mixed by the same PBS again, and the optical path is reversed toward the light source and installed in the middle. B
It is guided to the detection part by S. Also, in the middle of the closed loop,
An optical element for converting the polarization state, for example, a half-wave plate is installed. Light incident on this optical element is converted into a polarization state different from that at the time of incidence. The reference light and the probe light traveling in opposite directions on the closed loop have the same polarization state on the optical path on the same side with the polarization state converting optical element interposed therebetween. The pump light is superposed on the same light path as the reference light and the probe light by the above PBS or another PBS installed in the closed loop, and is guided to the sample. The pump light reflected by the sample is deviated from the optical paths of the reference light and the probe light by the PBS passing next, and does not reach the detector. The pump light directed to the sample needs to have a polarization state different from that of the reference light and the probe light traveling in the same direction or in the opposite direction, and therefore has to be in that polarization state when arriving at the PBS. Since the reference light and the probe light pass through the BS twice before reaching the detection portion, their intensities become ¼. On the other hand, since the pump light does not pass through the BS even once, its intensity does not change. The sample is installed in the middle of the closed loop, and a lens is used so that the light in both directions traveling on the closed loop is condensed at the same position on the surface of the sample.

【0028】第3パターンの実施例は図8、図9、及び
図10に示されているが、ここでは、より一般的な実施
形態について説明する。このパターンでは、参照光とプ
ローブ光はPBSにより分離され、それぞれ長さの異な
る光路を通過した後、PBSにより混合され、試料に導
かれる。試料で反射された参照光とプローブ光は、PB
Sにより分離され、それぞれ長さの異なる光路を通過し
た後、PBSにより混合され、検出器に導かれる。(図
8を参照)。光源と検出器の間で、参照光とプローブは
一部、異なる光路を進行するが、互いの総光路長は同じ
でなければならない。また、各PBS間を進行中の参照
光とプローブ光は、互いに異なる偏光状態を持つ。試料
は2回目のPBSと3回目のPBSの間に設置される。
また、2回目のPBSからの混合光を試料表面に集光す
るためのレンズ、及び試料表面の照射スポットから反射
した光を3回目のPBSに向かう平行光に戻すためのレ
ンズを使用する。参照光、プローブ光共にPBSを4
回、通過するが、1回目のPBSと4回目のPBSをひ
とつのPBSで代用し、同時に2回目のPBSと3回目
のPBSをもうひとつのPBSで代用することができる
好ましい。(図9を参照)。この時、2個のPBSの間
に2本の長い光路と2本の短い光路が存在する。これら
2本の長い光路は重ならず、かつってはいけないが、接
近して平行になる。であることが好ましい。同時に、こ
れら2本の短い光路は重ならず、かつってはいけない
が、接近して平行になる。であることが好ましい。ま
た、4個のPBS全てを1個のPBSで代用することも
できる。(図10を参照)。この時、このPBSから出
て、再びこのPBSに戻ってくる3本の閉ループが存在
する。試料を通過しない2本の光路は重ならず、かつっ
てはいけないが、接近して平行になる。であることが好
ましい。このように、4個のPBSを2個のPBS、あ
るいは1個のPBSで代用する場合、試料とPBS間の
2本の光路の片方に2分の1波長板を挿入する。必要が
ある。レンズとPBS間の2本の光路を平行にした場合
は、あるいは、上記2分の1波長板の代わりに、両方の
光路にまたがるように4分の1波長板を挿入する。こと
もできる。ポンプ光は、BSにより、参照光、またはプ
ローブ光と同じ光路に重ねられ、試料に導かれる。この
BSは、試料と検出部間の光路で、参照光とプローブ光
が共有している光路上に設置するほうが好ましい。ま
た、このBSを、試料と検出器間の光路で、参照光、ま
たはプローブ光の片方の光路上に設置することもでき
る。試料で反射されたポンプ光は、参照光、及びプロー
ブ光の進行方向とは逆向きに進行するので、検出器には
到達しない。試料に向かうポンプ光は、対向する参照
光、またはプローブ光と同じ偏光状態を持つ必要がある
ので、上記BSに到着する時にはその偏光状態でなけれ
ばならない。ポンプ光は、試料に達する前に上記BSを
1回、通過するので、その強度は1/2になる。一方、
参照光とプローブ光は、検出部に達する前に、両方の光
が上記BSを1回、通過する場合と、片方の光が上記B
Sを1回、通過する場合がある。BSを通過した光の強
度は1/2になり、通過しなかった光の強度は変化しな
い。
Examples of the third pattern are shown in FIGS. 8, 9 and 10, but a more general embodiment will be described here. In this pattern, the reference light and the probe light are separated by the PBS, pass through the optical paths having different lengths, are mixed by the PBS, and are guided to the sample. The reference light and the probe light reflected by the sample are PB
After being separated by S and passing through optical paths having different lengths, they are mixed by PBS and guided to a detector. (See Figure 8). Between the light source and the detector, the reference light and the probe partially travel different optical paths, but their total optical path lengths must be the same. Further, the reference light and the probe light traveling between the PBSs have different polarization states. The sample is placed between the second and third PBS.
Further, a lens for condensing the mixed light from the PBS of the second time on the sample surface and a lens for returning the light reflected from the irradiation spot on the sample surface to the parallel light toward the PBS of the third time are used. PBS for both reference light and probe light
Although it passes once, it is preferable that the first PBS and the fourth PBS can be substituted by one PBS, and the second PBS and the third PBS can be simultaneously substituted by another PBS. (See Figure 9). At this time, there are two long optical paths and two short optical paths between the two PBSs. These two long optical paths do not overlap and, never once, come close and parallel. Is preferred. At the same time, these two short optical paths do not overlap, and should not be, but close and parallel. Is preferred. Alternatively, all four PBSs can be replaced with one PBS. (See Figure 10). At this time, there are three closed loops that exit this PBS and return to this PBS again. The two optical paths that do not pass through the sample do not overlap and should not be, but they are close and parallel. Is preferred. As described above, when the four PBSs are replaced with the two PBSs or the one PBS, the half-wave plate is inserted into one of the two optical paths between the sample and the PBS. There is a need. When the two optical paths between the lens and the PBS are made parallel, or instead of the above-mentioned half-wave plate, a quarter-wave plate is inserted so as to span both optical paths. You can also The pump light is superposed on the same optical path as the reference light or the probe light by the BS and guided to the sample. This BS is preferably an optical path between the sample and the detection unit, and is preferably installed on the optical path shared by the reference light and the probe light. Further, this BS can be installed on one optical path of the reference light or the probe light in the optical path between the sample and the detector. The pump light reflected by the sample travels in the direction opposite to the traveling directions of the reference light and the probe light, and therefore does not reach the detector. The pump light heading for the sample needs to have the same polarization state as the reference light or the probe light that faces it, so it must have that polarization state when it reaches the BS. The pump light passes through the BS once before reaching the sample, so its intensity is halved. on the other hand,
The reference light and the probe light both pass through the BS once before reaching the detection unit, and one of the lights passes through the B.
It may pass S once. The intensity of light that has passed through the BS is halved, and the intensity of light that has not passed through does not change.

【0029】[0029]

【実施例】実施例について図面を参照して説明する。た
だし、以下の実施例は、本発明を限定するものではな
い。実際に、光学部品の配置順、または各種光の分離方
向を変更したり、光学部品を一部変更したり、追加する
ことにより、同様の機能を持つ多種の光学回路が実現可
能である。また、実施例のように、ひとつの平面上に全
ての光路を構成する必要もない。また、実際の装置では
適切な光路長を設けるため、あるいは各機能間を結ぶ光
路の向きを合わせるために、見かけ上の光路が複雑にな
る場合がある。
EXAMPLES Examples will be described with reference to the drawings. However, the following examples do not limit the present invention. Actually, various optical circuits having the same function can be realized by changing the arrangement order of the optical components, the separation direction of various lights, changing some of the optical components, or adding them. Further, unlike the embodiment, it is not necessary to form all the optical paths on one plane. Also, in an actual device, the apparent optical path may be complicated in order to provide an appropriate optical path length or to match the direction of the optical path connecting the respective functions.

【0030】図1は、後述する各実施例において共通な
構成部分を示した図である。短パルスレーザー1から出
射された光に対して、適切な角度に設置された2分の1
波長板2により、ポンプ光20用のS偏光成分と、参照
光18とプローブ光19用のP偏光成分の強度比を調整
する。参照光18とプローブ光19の混合光とポンプ光
20は、PBS3により、分離される。分離後のポンプ
光20は、ミラー7、リトロリフレクター8、及びミラ
ー9で構成される遅延光路を通過後、AOM、またはチ
ョッパー10により強度変調を受け、ビーム輸送系31
に導かれる。AOM、またはチョッパー10は、ドライ
バー15により、駆動される。また、ドライバー15の
出力は、ロックインアンプ14にも供給される。一方、
参照光18とプローブ光19の混合光は、ミラー4を通
過後、2分の1波長板5により、S偏光成分とP偏光成分
の割合を調整される。その成分割合として、1対1が良
いとは限らない。試料17の表面変位による干渉光の変
化強度と、バックグランドノイズの強度の関係によって
は、非対称にしたほうが良い場合もある。その後、図1
の紙面に対して0度、または90度の軸を持つように設
置される4分の1波長板により、S偏光成分とP偏光成分
の間に、90度の位相差が作られ、ビーム輸送系31に
導かれる。ビーム輸送系31を通過した参照光18、プ
ローブ光19、及びポンプ光20は、異なるタイミング
で試料17に対して斜めに入射し、斜めに反射され、ビ
ーム輸送系31に戻る。その後、参照光18とプローブ
光19は、再度、ビーム輸送系31から出て、次はBS
43に向かう。BS43によって分割された光の一方
は、偏光板46により、90度の位相差を持つ参照光1
8とプローブ光19間の干渉光32に変換される。もう
一方の光は、偏光板47により、−90度の位相差を持
つ参照光18とプローブ光19間の干渉光33に変換さ
れる。このような位相と偏光の関係を実現するために、
偏光板46と偏光板47はどちらも図1の紙面に対して
45度の軸を持ち、かつ両方の偏光板の軸は直角の関係
である必要がある。ここで、検出器12と検出器13の
出力には、試料表面変位によるプローブ光19の位相変
化の情報以外に、試料表面での反射率変化の情報が含ま
れている。そこで、検出器12と検出器13の出力の差
をとると、主にプローブ光19の位相変化の情報を抽出
することができる。同様の機能は、図2でのPBS1
1、検出器12、及び検出器13の組み合わせでも実現
できる。しかし、4分の1波長板6により設けた90度
の位相差が、その後の反射、及び透過の繰り返しにより
ずれてしまう可能性を考慮できていない。そのずれを補
償するために、この実施例では、参照光18とプローブ
光19の混合光から干渉光を引き出す直前に位相補償板
44、及び位相補償板45を設ける。
FIG. 1 is a diagram showing common constituent parts in each embodiment described later. Half of the light emitted from the short pulse laser 1 is installed at an appropriate angle
The wave plate 2 adjusts the intensity ratio of the S polarization component for the pump light 20 and the P polarization component for the reference light 18 and the probe light 19. The mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 and the pump light 20 are separated by the PBS 3. The separated pump light 20 passes through the delay optical path formed by the mirror 7, the retroreflector 8, and the mirror 9, and is then intensity-modulated by the AOM or the chopper 10, and the beam transport system 31
Be led to. The AOM or the chopper 10 is driven by the driver 15. The output of the driver 15 is also supplied to the lock-in amplifier 14. on the other hand,
After the mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 passes through the mirror 4, the half-wave plate 5 adjusts the ratio of the S-polarized component and the P-polarized component. The ratio of the components is not necessarily 1: 1. Depending on the relationship between the change intensity of the interference light due to the surface displacement of the sample 17 and the intensity of the background noise, it may be better to make it asymmetric. Then, Figure 1
The quarter-wave plate installed so that it has an axis of 0 degree or 90 degree with respect to the plane of the paper, creates a 90 degree phase difference between the S-polarized component and the P-polarized component, and transports the beam. It is led to the system 31. The reference light 18, the probe light 19, and the pump light 20 that have passed through the beam transport system 31 obliquely enter the sample 17 at different timings, are obliquely reflected, and return to the beam transport system 31. After that, the reference light 18 and the probe light 19 again come out of the beam transport system 31, and next, BS
Head to 43. One of the lights split by the BS 43 is the reference light 1 having a phase difference of 90 degrees by the polarizing plate 46.
8 and the probe light 19 are converted into interference light 32. The other light is converted into interference light 33 between the reference light 18 and the probe light 19 having a phase difference of −90 degrees by the polarizing plate 47. In order to realize such a relationship between phase and polarization,
Both the polarizing plate 46 and the polarizing plate 47 need to have an axis of 45 degrees with respect to the paper surface of FIG. 1, and the axes of both polarizing plates must have a right angle relationship. Here, the outputs of the detector 12 and the detector 13 include information on the change in reflectance on the sample surface in addition to the information on the phase change of the probe light 19 due to the displacement of the sample surface. Therefore, by taking the difference between the outputs of the detector 12 and the detector 13, information on the phase change of the probe light 19 can be mainly extracted. The same function is performed by PBS1 in FIG.
It can also be realized by a combination of 1, the detector 12, and the detector 13. However, it is not possible to consider the possibility that the 90-degree phase difference provided by the quarter-wave plate 6 may shift due to repeated reflection and transmission thereafter. In order to compensate for the shift, in this embodiment, the phase compensating plate 44 and the phase compensating plate 45 are provided immediately before the interference light is extracted from the mixed light of the reference light 18 and the probe light 19.

【0031】図4に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図4は、本発明の第1パタ
ーンの実施例である。参照光18とプローブ光19の混
合光は、PBS34によりP偏光成分とS偏光成分に分
離され、それぞれ参照光18とプローブ光19になる。
分離後の参照光18とプローブ光19は、それぞれの偏
光状態を保ったまま、閉ループを異なる向きに一周し、
同時にPBS34に達する。PBS34を通過する時
に、参照光18とプローブ光19は混合され、検出部に
導かれる。PBS34と検出部の間に、ポンプ光20を
試料17に導くためのBS36が設置される。ポンプ光
20は、P偏光、またはS偏光のどちらかでなければな
らない。ミラー35とレンズ29を結ぶ光路、及びPB
S34とレンズ29を結ぶ光路は、どちらもレンズ29
の光軸と平行で、かつレンズ29の光軸に対して対称な
位置に設定される。この実施例では、参照光とプローブ
光は検出部に達する前にBS36を1回、通過するの
で、それらの強度は1/2になる。ポンプ光は試料17
に達する前にBS36を1回、通過するので、その強度
は1/2になる。また、プローブ光と参照光が閉ループ
上を異なる偏光状態で通過するので、外乱の影響が各偏
光状態に対して異なる場合がある。
In the embodiment shown in FIG. 4, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. Further, FIG. 4 is an embodiment of the first pattern of the present invention. The mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 is separated into the P-polarized component and the S-polarized component by the PBS 34, and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively.
The reference light 18 and the probe light 19 after separation go around the closed loop in different directions while maintaining their respective polarization states,
At the same time, it reaches PBS 34. When passing through the PBS 34, the reference light 18 and the probe light 19 are mixed and guided to the detection unit. A BS 36 for guiding the pump light 20 to the sample 17 is installed between the PBS 34 and the detection unit. Pump light 20 must be either P-polarized or S-polarized. An optical path connecting the mirror 35 and the lens 29, and PB
The optical path connecting S34 and the lens 29 is the lens 29
Is set in a position that is parallel to the optical axis of the lens and is symmetrical with respect to the optical axis of the lens 29. In this embodiment, since the reference light and the probe light pass through the BS 36 once before reaching the detection portion, their intensities are halved. Pump light is sample 17
Since it passes through the BS 36 once before reaching, the intensity is halved. Moreover, since the probe light and the reference light pass through the closed loop in different polarization states, the influence of disturbance may be different for each polarization state.

【0032】図5に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図5は、本発明の第1パタ
ーンの別の実施例である。参照光18とプローブ光19
の混合光は、PBS34によりS偏光成分とP偏光成分
に分離され、それぞれ参照光18とプローブ光19にな
る。分離後の参照光18とプローブ光19は、それぞれ
の偏光状態を保ったまま、閉ループを異なる向きに一周
し、同時にPBS34に達する。PBS34を通過する
時に、参照光18とプローブ光19は混合され、検出部
に導かれる。閉ループの途中に、ポンプ光20を試料1
7に導くためのBS36が設置される。ポンプ光20
は、S偏光でなければならない。ミラー25とレンズ2
9を結ぶ光路、及びPBS34とレンズ29を結ぶ光路
は、どちらもレンズ29の光軸と平行で、かつレンズ2
9の光軸に対して対称な位置に設定される。この実施例
では、参照光とプローブ光は検出部に達する前にBS3
6を1回、通過するので、それらの強度は1/2にな
る。ポンプ光は試料17に達する前にBS36を1回、
通過するので、その強度は1/2になる。また、プロー
ブ光と参照光が閉ループ上を異なる偏光状態で通過する
ので、外乱の影響が各偏光状態に対して異なる場合があ
る。
In the embodiment shown in FIG. 5, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. FIG. 5 shows another embodiment of the first pattern of the present invention. Reference light 18 and probe light 19
The mixed light of is separated into an S-polarized component and a P-polarized component by the PBS 34 and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively. The separated reference light 18 and probe light 19 make one round in different directions in the closed loop while maintaining their respective polarization states, and at the same time reach the PBS 34. When passing through the PBS 34, the reference light 18 and the probe light 19 are mixed and guided to the detection unit. During the closed loop, the pump light 20 was applied to the sample 1
BS 36 for guiding to 7 is installed. Pump light 20
Must be S-polarized. Mirror 25 and lens 2
The optical path connecting 9 and the optical path connecting the PBS 34 and the lens 29 are both parallel to the optical axis of the lens 29, and the lens 2
It is set at a position symmetrical with respect to the optical axis of 9. In this embodiment, the reference light and the probe light are transmitted to BS3 before reaching the detection unit.
Since 6 passes once, their intensity is halved. Before pump light reaches the sample 17, BS36 once,
As it passes, its intensity is halved. Moreover, since the probe light and the reference light pass through the closed loop in different polarization states, the influence of disturbance may be different for each polarization state.

【0033】図6に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図6は、本発明の第2パタ
ーンの実施例である。参照光18とプローブ光19の混
合光は、PBS34によりP偏光成分とS偏光成分に分
離され、それぞれ参照光18とプローブ光19になる。
分離後の参照光18とプローブ光19は、閉ループを異
なる向きに進行する。参照光18は、図6の紙面に対し
て45度の軸を持つように設置される2分の1波長板3
8により、P偏光からS偏光に変換され、残りの閉ルー
プを進行し、PBS34に達する。一方、プローブ光1
9は、参照光18とは逆向きに閉ループを進行し、同じ
く2分の1波長板38により、S偏光からP偏光に変換
され、残りの閉ループを進行し、参照光18と同時にP
BS34に達する。閉ループを一周した参照光18とプ
ローブ光19は、どちらも異なる偏光状態に変換されて
いるので、PBS34により、光源方向に逆行する向き
に進行し、BS37により検出部側に導かれる。ポンプ
光20は、PBS34を通して閉ループ内に導かれ、閉
ループを一周した後、PBS34により検出器側とは異
なる向きにはじき出される。ポンプ光20は、P偏光、
またはS偏光のどちらかでなければならない。ミラー3
5とレンズ29を結ぶ光路、及び2分の1波長板38と
レンズ29を結ぶ光路は、どちらもレンズ29の光軸と
平行で、かつレンズ29の光軸に対して対称な位置に設
定される。この実施例では、参照光とプローブ光は検出
部に達する前にBS37を2回、通過するので、それら
の強度は1/4になる。一方、ポンプ光はBS37を1
回も通過しないので、その強度は変化しない。また、プ
ローブ光と参照光が共通光路上の大部分を同じ偏光状態
で通過するので、第1パターンと比較して外乱による影
響が小さい。
In the embodiment shown in FIG. 6, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. Further, FIG. 6 shows an embodiment of the second pattern of the present invention. The mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 is separated into the P-polarized component and the S-polarized component by the PBS 34, and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively.
The separated reference light 18 and probe light 19 travel in different directions in the closed loop. The reference light 18 is a half-wave plate 3 installed so as to have an axis of 45 degrees with respect to the paper surface of FIG.
The P polarized light is converted into the S polarized light by 8, and travels through the remaining closed loop to reach the PBS 34. On the other hand, probe light 1
9 travels in a closed loop in the opposite direction to the reference light 18, is converted from S-polarized light into P-polarized light by the same half-wave plate 38, and travels in the remaining closed loop, and P at the same time as the reference light 18.
Reach BS34. Since the reference light 18 and the probe light 19 that have gone around the closed loop are both converted to different polarization states, they travel in the direction opposite to the light source direction by the PBS 34 and are guided to the detection unit side by the BS 37. The pump light 20 is guided into the closed loop through the PBS 34, makes a circuit around the closed loop, and is then ejected by the PBS 34 in a direction different from the detector side. The pump light 20 is P-polarized,
Or must be S-polarized. Mirror 3
The optical path connecting the lens 5 and the lens 29 and the optical path connecting the half-wave plate 38 and the lens 29 are both set parallel to the optical axis of the lens 29 and symmetrical to the optical axis of the lens 29. It In this embodiment, since the reference light and the probe light pass through the BS 37 twice before reaching the detection portion, their intensities become 1/4. On the other hand, pump light sets BS37 to 1
Since it does not pass even times, its intensity does not change. Further, since the probe light and the reference light pass through most of the common optical path in the same polarization state, the influence of disturbance is smaller than that of the first pattern.

【0034】図7に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図7は、本発明の第2パタ
ーンの別の実施例である。参照光18とプローブ光19
の混合光は、PBS34によりS偏光成分とP偏光成分
に分離され、それぞれ参照光18とプローブ光19にな
る。分離後の参照光18とプローブ光19は、閉ループ
を異なる向きに進行する。参照光18は、図6の紙面に
対して45度の軸を持つように設置される2分の1波長
板38により、S偏光からP偏光に変換され、残りの閉
ループを進行し、PBS34に達する。一方、プローブ
光19は、参照光18とは逆向きに閉ループを進行し、
同じく2分の1波長板38により、P偏光からS偏光に
変換され、残りの閉ループを進行し、参照光18と同時
にPBS34に達する。閉ループを一周した参照光18
とプローブ光19は、どちらも異なる偏光状態に変換さ
れているので、PBS34により、光源方向に逆行する
向きに進行し、BS37により検出部側に導かれる。ポ
ンプ光20は、PBS39を通して閉ループ内に導か
れ、試料を通過した後、PBS34により検出器側とは
異なる向きにはじき出される。ポンプ光20は、P偏光
でなければならない。PBS39とレンズ29を結ぶ光
路、及びPBS34とレンズ29を結ぶ光路は、どちら
もレンズ29の光軸と平行で、かつレンズ29の光軸に
対して対称な位置に設定される。この実施例では、参照
光とプローブ光は検出部に達する前にBS37を2回、
通過するので、それらの強度は1/4になる。一方、ポ
ンプ光はBS37を1回も通過しないので、その強度は
変化しない。また、プローブ光と参照光が共通光路上の
大部分を同じ偏光状態で通過するので、第1パターンと
比較して外乱による影響が小さい。
In the embodiment shown in FIG. 7, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. FIG. 7 shows another embodiment of the second pattern of the present invention. Reference light 18 and probe light 19
The mixed light of is separated into an S-polarized component and a P-polarized component by the PBS 34 and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively. The separated reference light 18 and probe light 19 travel in different directions in the closed loop. The reference light 18 is converted from S-polarized light into P-polarized light by the half-wave plate 38 installed so as to have an axis of 45 degrees with respect to the paper surface of FIG. Reach On the other hand, the probe light 19 travels in a closed loop in the opposite direction to the reference light 18,
Similarly, the half-wave plate 38 converts the P-polarized light into S-polarized light, travels through the remaining closed loop, and reaches the PBS 34 at the same time as the reference light 18. Reference beam 18 that goes around the closed loop
Since both the probe light 19 and the probe light 19 have been converted into different polarization states, they travel in a direction opposite to the light source direction by the PBS 34, and are guided to the detection unit side by the BS 37. The pump light 20 is guided into the closed loop through the PBS 39, passes through the sample, and is then ejected by the PBS 34 in a direction different from the detector side. Pump light 20 must be P-polarized. The optical path that connects the PBS 39 and the lens 29 and the optical path that connects the PBS 34 and the lens 29 are both set parallel to the optical axis of the lens 29 and symmetrical to the optical axis of the lens 29. In this embodiment, the reference light and the probe light are transmitted to the BS 37 twice before reaching the detector.
As they pass, their intensity is ¼. On the other hand, since the pump light does not pass through BS37 even once, its intensity does not change. Further, since the probe light and the reference light pass through most of the common optical path in the same polarization state, the influence of disturbance is smaller than that of the first pattern.

【0035】図8に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図8は、本発明の第3パタ
ーンの実施例である。参照光18とプローブ光19の混
合光は、PBS34によりP偏光成分とS偏光成分に分
離され、それぞれ参照光18とプローブ光19になる。
その後、参照光18は、PBS40、レンズ29、試料
17、レンズ50、PBS51、ミラー48、ミラー4
9の順に通過して、PBS52に達する。一方、プロー
ブ光19は、ミラー25、ミラー26、PBS40、レ
ンズ29、試料17、レンズ50、PBS51の順に通
過して、参照光18と同時に、PBS52に達する。P
BS52に達した参照光18とプローブ光19は混合さ
れ、検出部に向かい進行する。PBS51とレンズミラ
ー50の間に、ポンプ光20を試料17に導くためのB
S36が設置される。ポンプ光20は、試料17を通過
した後、光源側に導かれるため、検出部に向かう光路に
は戻らない。ポンプ光20の偏光状態に制限は無い。こ
の実施例では、参照光とプローブ光は検出部に達する前
にBS36を1回、通過するので、それらの強度は1/
2になる。ポンプ光は試料17に達する前にBS36を
1回、通過するので、その強度は1/2になる。また、
プローブ光と参照光が試料に対して同じ光路で入射する
ので、試料表面が傾いた場合に、設計上の光路に対する
反射光のずれが同等に作用し、その影響がキャンセルさ
れる。その様子を、図11に示す。図11Aは、第1パ
ターン、及び第2パターンにおいて試料が傾いた場合の
様子を示す。反射後の参照光18とプローブ光19のレ
ンズ上での反射後の位置が、それぞれa、及びbだけず
れることが分かる。この場合、aとbが等しくないため
に、干渉時の光路のずれを引き起こす。一方、図11B
は、第3パターンにおける参照光18のずれ(a)とプ
ローブ光19のずれ(b)が常に等しいことを示す。し
たがって、第3パターンの場合、試料表面の傾きは干渉
時の光路ずれの要因とはならない。
In the embodiment shown in FIG. 8, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. Further, FIG. 8 shows an embodiment of the third pattern of the present invention. The mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 is separated into the P-polarized component and the S-polarized component by the PBS 34, and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively.
After that, the reference light 18 includes the PBS 40, the lens 29, the sample 17, the lens 50, the PBS 51, the mirror 48, and the mirror 4.
Pass through the order 9 and reach PBS 52. On the other hand, the probe light 19 passes through the mirror 25, the mirror 26, the PBS 40, the lens 29, the sample 17, the lens 50, and the PBS 51 in this order, and reaches the PBS 52 at the same time as the reference light 18. P
The reference light 18 and the probe light 19 reaching the BS 52 are mixed and travel toward the detection unit. B for guiding the pump light 20 to the sample 17 between the PBS 51 and the lens mirror 50
S36 is installed. Since the pump light 20 is guided to the light source side after passing through the sample 17, it does not return to the optical path toward the detection unit. There is no limitation on the polarization state of the pump light 20. In this embodiment, since the reference light and the probe light pass through the BS 36 once before reaching the detection portion, their intensities are 1 /
It becomes 2. Since the pump light passes through the BS 36 once before reaching the sample 17, its intensity is halved. Also,
Since the probe light and the reference light are incident on the sample in the same optical path, when the sample surface is tilted, the deviation of the reflected light with respect to the designed optical path acts equally and cancels the influence. This is shown in FIG. FIG. 11A shows a state in which the sample is tilted in the first pattern and the second pattern. It can be seen that the positions of the reference light 18 and the probe light 19 after reflection on the lens after reflection are displaced by a and b, respectively. In this case, a and b are not equal to each other, which causes a shift of the optical path at the time of interference. On the other hand, FIG. 11B
Indicates that the deviation (a) of the reference light 18 and the deviation (b) of the probe light 19 in the third pattern are always equal. Therefore, in the case of the third pattern, the inclination of the sample surface does not cause the optical path shift at the time of interference.

【0036】図9に示されている実施例では、図1にお
いてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、試
料17と共に示した。また、図9は、本発明の第3パタ
ーンの別の実施例である。参照光18とプローブ光19
の混合光は、PBS34によりP偏光成分とS偏光成分
に分離され、それぞれ参照光18とプローブ光19にな
る。その後、参照光18は、PBS40、レンズ29、
試料17、レンズ29、2分の1波長板41、PBS4
0、ミラー26、ミラー25の順に通過して、再度、P
BS34に達する。一方、プローブ光19は、ミラー2
5、ミラー26、PBS40、レンズ29、試料17、
レンズ29、2分の1波長板41、PBS40の順に通
過して、参照光18と同時に、PBS34に達する。P
BS34とPBS40間、PBS40とミラー26間、
ミラー26とミラー25間、及びミラー25とPBS3
4間には、それぞれ2本の光路が存在し、それらは平行
で接近した位置に存在する。参照光18をP偏光からS
偏光に変換し、プローブ光19をS偏光からP偏光に変
換するように、2分の1波長板41は図9の紙面に対し
て45度の軸を持つように設置される。2度目にPBS
34に達した参照光18とプローブ光19は混合され、
光源方向に逆行する向きに進行する。ただし、混合光が
最初にPBS34に入射する時の光路と、混合光がPB
S34から検出部に向かう時の光路は、平行だが、位置
が少し異なる。PBS34と検出部の間に、ポンプ光2
0を試料17に導くためのBS36が設置される。ポン
プ光20は、試料17を通過した後、2回目にPBS3
4を通過する時に光源側に導かれるため、検出部に向か
う光路には戻らない。ポンプ光20は、P偏光、または
S偏光のどちらかでなければならない。PBS40とレ
ンズ29を結ぶ光路、及び2分の1波長板41とレンズ
29を結ぶ光路は、どちらもレンズ29の光軸と平行
で、かつレンズ29の光軸に対して対称な位置に設定さ
れる。この実施例では、参照光とプローブ光は検出部に
達する前にBS36を1回、通過するので、それらの強
度は1/2になる。ポンプ光は試料17に達する前にB
S36を1回、通過するので、その強度は1/2にな
る。また、プローブ光と参照光が閉ループの共通光路を
持つことが不可能なのでサニャック干渉計とはならない
が、それぞれの光が空間的に近い位置を平行に進行する
ため、サニャック干渉計に近い効果が得られる。また、
光路の平行した部分では、プローブ光と参照光が同じ偏
光状態で進行するので、第2パターンと同様に、第1パ
ターンと比較して外乱による影響が小さい。また、プロ
ーブ光と参照光が試料に対して同じ光路で入射するの
で、試料表面が傾いた場合に、設計上の光路に対する反
射光のずれが同等に作用し、その影響がキャンセルされ
る。(図11B参照)。したがって、第1パターン、及
び第2のパターンと比較して試料表面の傾きによる影響
を受けない。
In the embodiment shown in FIG. 9, a specific example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG. 1 is shown together with the sample 17. FIG. 9 is another embodiment of the third pattern of the present invention. Reference light 18 and probe light 19
The mixed light of is separated into a P-polarized component and an S-polarized component by the PBS 34 and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively. After that, the reference light 18 is reflected by the PBS 40, the lens 29,
Sample 17, lens 29, half-wave plate 41, PBS4
0, mirror 26, mirror 25 in that order, and then P
Reach BS34. On the other hand, the probe light 19 is reflected by the mirror 2
5, mirror 26, PBS 40, lens 29, sample 17,
The light passes through the lens 29, the half-wave plate 41, and the PBS 40 in this order, and reaches the PBS 34 at the same time as the reference light 18. P
Between BS34 and PBS40, between PBS40 and mirror 26,
Between mirror 26 and mirror 25, and between mirror 25 and PBS3
Between the four, there are two optical paths, which are parallel and close to each other. Reference light 18 from P polarized light to S
The half-wave plate 41 is installed so as to have an axis of 45 degrees with respect to the paper surface of FIG. 9 so as to convert it into polarized light and convert the probe light 19 from S-polarized light into P-polarized light. PBS for the second time
The reference light 18 and the probe light 19 reaching 34 are mixed,
It progresses in the direction opposite to the direction of the light source. However, the optical path when the mixed light first enters the PBS 34 and the mixed light
The optical path from S34 toward the detection unit is parallel, but the position is slightly different. Pump light 2 is provided between the PBS 34 and the detector.
BS36 for guiding 0 to the sample 17 is installed. The pump light 20 passes through the sample 17 and then the second PBS3.
Since it is guided to the light source side when passing through 4, it does not return to the optical path toward the detector. Pump light 20 must be either P-polarized or S-polarized. The optical path that connects the PBS 40 and the lens 29 and the optical path that connects the half-wave plate 41 and the lens 29 are both set parallel to the optical axis of the lens 29 and symmetrical to the optical axis of the lens 29. It In this embodiment, since the reference light and the probe light pass through the BS 36 once before reaching the detection portion, their intensities are halved. Pump light B before reaching sample 17
Since it passes once through S36, its intensity is halved. Also, it is not possible to have a Sagnac interferometer because it is impossible for the probe light and reference light to have a common closed-loop optical path. can get. Also,
In the parallel portion of the optical path, the probe light and the reference light travel in the same polarization state, and therefore, like the second pattern, the influence of disturbance is smaller than that of the first pattern. Further, since the probe light and the reference light are incident on the sample in the same optical path, when the sample surface is tilted, the deviation of the reflected light with respect to the designed optical path acts equally and cancels the influence. (See Figure 11B). Therefore, it is not affected by the inclination of the sample surface as compared with the first pattern and the second pattern.

【0037】図10に示されている実施例では、図1に
おいてビーム輸送系31として示した部分の具体例を、
試料17と共に示した。また、図10は、本発明の第3
パターンのさらに別の実施例である。参照光18とプロ
ーブ光19の混合光は、PBS34によりS偏光成分と
P偏光成分に分離され、それぞれ参照光18とプローブ
光19になる。その後、参照光18は、4分の1波長板
28、レンズ29、試料17、レンズ29、4分の1波
長板28、PBS34、ミラー25、ミラー26、ミラ
ー35の順に通過して、再度、PBS34に達する。一
方、プローブ光19は、ミラー35、ミラー26、ミラ
ー25、PBS34、4分の1波長板28、レンズ2
9、試料17、レンズ29、4分の1波長板28の順に
通過して、参照光18と同時に、PBS34に達する。
PBS34とミラー35間、ミラー35とミラー26
間、ミラー26とミラー25間、及びミラー25とPB
S34間には、それぞれ2本の光路が存在し、それらは
平行で接近した位置に存在する。参照光18をS偏光か
らP偏光に変換し、プローブ光19をP偏光からS偏光
に変換するように、4分の1波長板28は図10の紙面
に対して45度の軸を持つように設置される。3度目に
PBS34に達した参照光18とプローブ光19は混合
され、光源方向に逆行する向きに進行する。ただし、混
合光が最初にPBS34に入射する時の光路と、混合光
がPBS34から検出部に向かう時の光路は、平行だ
が、位置が少し異なる。PBS34とミラー25間の参
照光用光路の途中に、ポンプ光20を試料17に導くた
めのBS36が設置される。ポンプ光20は、試料17
を通過した後、2回目にPBS34を通過する時に光源
側に導かれるため、検出部に向かう光路には戻らない。
ポンプ光20は、P偏光でなければならない。PBS3
4から4分の1波長板28を通過してレンズ29に向か
う2本の光路は、どちらもレンズ29の光軸と平行で、
かつレンズ29の光軸に対して対称な位置に設定され
る。この実施例では、参照光は検出部に達する前にBS
36を1回、通過するので、その強度は1/2になる。
一方、プローブ光はBS36を1回も通過しないので、
その強度は変化しない。ポンプ光は試料17に達する前
にBS36を1回、通過するので、その強度は1/2に
なる。また、プローブ光と参照光が共通光路を持つこと
が不可能なのでサニャック干渉計とはならないが、それ
ぞれの光が空間的に近い位置を平行に進行するため、サ
ニャック干渉計に近い効果が得られる。また、光路の平
行した部分では、プローブ光と参照光が同じ偏光状態で
進行するので、第2パターンと同様に、第1パターンと
比較して外乱による影響が小さい。また、プローブ光と
参照光が試料に対して同じ光路で入射するので、試料表
面が傾いた場合に、設計上の光路に対する反射光のずれ
が同等に作用し、その影響がキャンセルされる。(図1
1B参照)。したがって、第1パターン、及び第2のパ
ターンと比較して試料表面の傾きによる影響を受けな
い。
In the embodiment shown in FIG. 10, a concrete example of the portion shown as the beam transport system 31 in FIG.
Shown with sample 17. Further, FIG. 10 shows a third embodiment of the present invention.
It is another example of a pattern. The mixed light of the reference light 18 and the probe light 19 is separated into the S-polarized component and the P-polarized component by the PBS 34, and becomes the reference light 18 and the probe light 19, respectively. After that, the reference light 18 passes through the quarter-wave plate 28, the lens 29, the sample 17, the lens 29, the quarter-wave plate 28, the PBS 34, the mirror 25, the mirror 26, and the mirror 35 in this order, and then again. Reach PBS 34. On the other hand, the probe light 19 includes a mirror 35, a mirror 26, a mirror 25, a PBS 34, a quarter-wave plate 28, and a lens 2.
9, the sample 17, the lens 29, the quarter wavelength plate 28, and the reference light 18, and reaches the PBS 34 at the same time.
Between PBS 34 and mirror 35, between mirror 35 and mirror 26
, Between mirror 26 and mirror 25, and between mirror 25 and PB
There are two optical paths between S34, which are parallel and close to each other. In order to convert the reference light 18 from S polarized light to P polarized light and the probe light 19 from P polarized light to S polarized light, the quarter wave plate 28 has an axis of 45 degrees with respect to the paper surface of FIG. Is installed in. The reference light 18 and the probe light 19 that have reached the PBS 34 for the third time are mixed and travel in a direction opposite to the light source direction. However, the optical path when the mixed light first enters the PBS 34 and the optical path when the mixed light travels from the PBS 34 to the detection unit are parallel, but the positions are slightly different. A BS 36 for guiding the pump light 20 to the sample 17 is installed in the optical path for reference light between the PBS 34 and the mirror 25. The pump light 20 is the sample 17
After passing through, the light beam is guided to the light source side when passing through the PBS 34 for the second time, and therefore does not return to the optical path toward the detection unit.
Pump light 20 must be P-polarized. PBS3
The two optical paths from the 4 to 1/4 wave plate 28 toward the lens 29 are both parallel to the optical axis of the lens 29,
Moreover, it is set at a position symmetrical with respect to the optical axis of the lens 29. In this embodiment, the reference light is transmitted to the BS before reaching the detector.
Since it passes through 36 once, its intensity is halved.
On the other hand, since the probe light never passes through BS36,
Its intensity does not change. Since the pump light passes through the BS 36 once before reaching the sample 17, its intensity is halved. In addition, since it is impossible for the probe light and the reference light to have a common optical path, it does not serve as a Sagnac interferometer, but since each light travels in parallel in spatially close positions, an effect similar to that of a Sagnac interferometer can be obtained. . Further, in the parallel portions of the optical paths, the probe light and the reference light travel in the same polarization state, and therefore, like the second pattern, the influence of disturbance is smaller than that of the first pattern. Further, since the probe light and the reference light are incident on the sample in the same optical path, when the sample surface is tilted, the deviation of the reflected light with respect to the designed optical path acts equally and cancels the influence. (Fig. 1
1B). Therefore, it is not affected by the inclination of the sample surface as compared with the first pattern and the second pattern.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。同じ波
長の参照光、プローブ光、及びポンプ光を試料表面に対
して斜めに入射し、試料直前で2本の光路を共有するこ
とにより、SHG等の波長変換素子を使用することな
く、サニャック干渉計、あるいはそれに近い効果を持つ
干渉計を利用した試料表面変位測定、及びその方法によ
る膜厚測定ができる。試料に向かってくる各平行光を試
料表面に集光するためのレンズ、及び試料表面の照射ス
ポットから反射した光を平行光に戻すためのレンズをひ
とつのレンズで代用することにより、試料近辺の空間を
有効利用した光学系を組むことができる。また、レンズ
から見て試料とは反対側にある光学素子とレンズを結ぶ
2本の光路を、レンズの光軸に平行で、かつレンズの光
軸に対して対称に配置することで、レンズの収差による
影響を軽減することができる。
The present invention is carried out in the form as described above, and has the following effects. The reference light, the probe light, and the pump light of the same wavelength are obliquely incident on the sample surface, and two optical paths are shared immediately before the sample, so that Sagnac interference can be achieved without using a wavelength conversion element such as SHG. It is possible to measure the sample surface displacement using an interferometer or an interferometer having an effect close to that, and to measure the film thickness by the method. By substituting a lens for condensing each parallel light coming toward the sample on the sample surface and a lens for returning the light reflected from the irradiation spot on the sample surface to the parallel light, one lens can be used. An optical system that makes effective use of space can be assembled. Also, by disposing two optical paths connecting the lens and the optical element on the side opposite to the sample as viewed from the lens in parallel to the optical axis of the lens and symmetrically with respect to the optical axis of the lens, The influence of aberration can be reduced.

【0039】試料直前の2本の光路に関して、偏光状態
の直交する参照光とプローブ光が2本の光路を逆向きに
進行し、参照光と直交する偏光状態を持つポンプ光が参
照光と同じ向きに進行することで、本発明の測定方法の
第1パターンを実現することができる。または、試料直
前の2本の光路に関して、偏光状態の直交する参照光と
プローブ光が2本の光路を逆向きに進行し、プローブ光
と直交する偏光状態を持つポンプ光がプローブ光と同じ
向きに進行することで、本発明の測定方法の第1パター
ンを実現することができる。参照光とプローブ光を分離
するPBS、分離後の参照光とプローブ光がその偏光状
態を保ったまま互いに逆向きに進行する閉ループ、閉ル
ープの途中に設置される試料、及び参照光とプローブ光
の光路にポンプ光を導くBSにより、上記の第1パター
ンのビーム輸送系を実現することができる。
Regarding the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light having orthogonal polarization states travel in opposite directions in the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the reference light is the same as the reference light. By proceeding in the direction, the first pattern of the measuring method of the present invention can be realized. Alternatively, with respect to the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel in opposite directions in the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the probe light has the same direction as the probe light. Then, the first pattern of the measuring method of the present invention can be realized. PBS for separating the reference light and the probe light, a closed loop in which the separated reference light and the probe light travel in opposite directions while maintaining their polarization states, a sample installed in the middle of the closed loop, and a reference light and a probe light. With the BS that guides the pump light to the optical path, the beam transport system of the first pattern can be realized.

【0040】試料直前の2本の光路に関して、偏光状態
の同じ参照光とプローブ光が2本の光路を逆向きに進行
し、参照光と直交する偏光状態を持つポンプ光が参照光
と同じ向きに進行することで、本発明の測定方法の第2
パターンを実現することができる。または、試料直前の
2本の光路に関して、偏光状態の同じ参照光とプローブ
光が2本の光路を逆向きに進行し、プローブ光と直交す
る偏光状態を持つポンプ光がプローブ光と同じ向きに進
行することで、本発明の測定方法の第2パターンを実現
することができる。参照光とプローブ光を分離するPB
S、分離後の参照光とプローブ光が逆向きに進行する閉
ループ、閉ループを進行中の参照光とプローブ光の各偏
光状態を直交した状態に変換する2分の1波長板、閉ル
ープの途中に設置される試料、及び参照光とプローブ光
の光路にポンプ光を導くBSにより、上記の第2パター
ンのビーム輸送系を実現することができる。
Regarding the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light having the same polarization state travel in opposite directions in the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the reference light has the same direction as the reference light. To the second of the measuring method of the present invention.
The pattern can be realized. Alternatively, with respect to the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light having the same polarization state travel in opposite directions in the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the probe light is in the same direction as the probe light. By proceeding, the second pattern of the measuring method of the present invention can be realized. PB for separating reference light and probe light
S, a closed loop in which the reference light and the probe light after separation travel in opposite directions, a half-wave plate that converts each polarization state of the ongoing reference light and probe light into orthogonal states, and in the middle of the closed loop The beam transport system of the second pattern can be realized by the sample to be installed and the BS that guides the pump light to the optical paths of the reference light and the probe light.

【0041】試料直前の2本の光路に関して、偏光状態
の直交する参照光とプローブ光が2本の光路を同じ向き
に進行し、参照光と同じ偏光状態を持つポンプ光が参照
光とは逆向きに進行することで、本発明の測定方法の第
3パターンを実現することができる。または、試料直前
の2本の光路に関して、偏光状態の直交する参照光とプ
ローブ光が2本の光路を同じ向きに進行し、プローブ光
と同じ偏光状態を持つポンプ光がプローブ光とは逆向き
に進行することで、本発明の測定方法の第3パターンを
実現することができる。光源の光から参照光とプローブ
光を分離するPBS、異なる光路を通過してきた参照光
とプローブ光を混合するPBS、混合光を試料表面に導
く手段、試料で反射された混合光を次の光路に導く手
段、反射後の混合光から参照光とプローブ光を再分離す
るPBSA、再分離後に異なる光路を通過してきた参照
光とプローブ光を混合するPBS、及び参照光とプロー
ブ光の光路にポンプ光を導くBSにより、上記の第3パ
ターンのビーム輸送系を実現することができる。参照光
とプローブ光に対して、光源と検出器間での総光路長が
等しい光路を組むことにより、両方の光を同時に検出器
に到着させ、干渉させることができる。上記の第3パタ
ーンにおいて、光源の光から参照光とプローブ光を分離
するPBS、及び再分離後に異なる光路を通過してきた
参照光とプローブ光を混合するPBSをひとつのPBS
で置き換え、同時に、異なる光路を通過してきた参照光
とプローブ光を混合するPBS、及び反射後の混合光か
ら参照光とプローブ光を再分離するPBSをもうひとつ
のPBSで置き換えることにより、ビーム輸送系を単純
化することができる。上記のビーム輸送系において、2
個のPBSの間に2本の長い光路を平行、かつ重ならな
いように配置し、同時に、2本の短い光路を平行、かつ
重ならないように配置することにより、サニャック干渉
計に近い効果を持たせることができる。上記の第3パタ
ーンにおいて、光源の光から参照光とプローブ光を分離
するPBS、異なる光路を通過してきた参照光とプロー
ブ光を混合するPBS、反射後の混合光から参照光とプ
ローブ光を再分離するPBS、及び再分離後に異なる光
路を通過してきた参照光とプローブ光を混合するPBS
をひとつの偏光ビームスプリッターで置き換えることに
より、ビーム輸送系を単純化することができる。上記の
ビーム輸送系において、上記PBSを通る3本の閉ルー
プのうち、試料を通過しない2本の光路を平行、かつ重
ならないように配置することにより、サニャック干渉計
に近い効果を持たせることができる。
Regarding the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel along the two optical paths in the same direction, and the pump light having the same polarization state as the reference light is opposite to the reference light. By proceeding in the direction, the third pattern of the measuring method of the present invention can be realized. Alternatively, with respect to the two optical paths immediately before the sample, the reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel in the same optical path in the two optical paths, and the pump light having the same polarization state as the probe light is opposite to the probe light. Then, the third pattern of the measuring method of the present invention can be realized. PBS for separating the reference light and the probe light from the light of the light source, a PBS for mixing the reference light and the probe light that have passed through different optical paths, a means for guiding the mixed light to the sample surface, and a mixed light reflected by the sample for the next optical path. , PBSA for re-separating the reference light and the probe light from the mixed light after the reflection, a PBS for mixing the reference light and the probe light that have passed through different optical paths after the re-separation, and a pump for the optical paths of the reference light and the probe light. The BS that guides the light can realize the above-described beam transport system of the third pattern. By constructing an optical path having the same total optical path length between the light source and the detector for the reference light and the probe light, both lights can reach the detector at the same time and interfere with each other. In the above third pattern, one PBS for separating the reference light and the probe light from the light of the light source, and one PBS for mixing the reference light and the probe light that have passed through different optical paths after the re-separation are used.
, And at the same time, the PBS that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths and the PBS that re-separates the reference light and the probe light from the mixed light after reflection is replaced by another PBS. The system can be simplified. In the above beam transportation system, 2
By arranging two long optical paths in parallel between the PBSs so as not to overlap with each other, and at the same time arranging two short optical paths in parallel with each other so as not to overlap with each other, an effect close to that of the Sagnac interferometer is obtained. Can be made. In the above third pattern, a PBS for separating the reference light and the probe light from the light of the light source, a PBS for mixing the reference light and the probe light that have passed through different optical paths, and a PBS for mixing the reflected light with the reference light and the probe light. PBS for separation, and PBS for mixing reference light and probe light that have passed through different optical paths after re-separation
The beam transport system can be simplified by substituting one polarization beam splitter for. In the above beam transport system, by arranging two optical paths of the three closed loops passing through the PBS that do not pass through the sample in parallel and so as not to overlap, an effect close to that of a Sagnac interferometer can be obtained. it can.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例における共通部分を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a common part in an embodiment of the present invention.

【図2】従来のサニャック干渉計を利用した試料表面変
位測定方法の原理を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the principle of a sample surface displacement measuring method using a conventional Sagnac interferometer.

【図3】参照光、プローブ光、ポンプ光の試料への入射
光路と偏光状態を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing incident light paths of a reference light, a probe light, and a pump light on a sample, and polarization states.

【図4】本発明における第1パターンの実施例を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing an example of a first pattern in the present invention.

【図5】本発明における第1パターンの別の実施例を示
す図である。
FIG. 5 is a diagram showing another embodiment of the first pattern of the present invention.

【図6】本発明における第2パターンの実施例を示す図
である。
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of a second pattern in the present invention.

【図7】本発明における第2パターンの別の実施例を示
す図である。
FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the second pattern in the present invention.

【図8】本発明における第3パターンの実施例を示す図
である。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a third pattern in the present invention.

【図9】本発明における第3パターンの別の実施例を示
す図である。
FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the third pattern of the present invention.

【図10】本発明における第3パターンのさらに別の実
施例を示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing still another embodiment of the third pattern of the present invention.

【図11】試料の傾きによる影響を比較して示す図であ
る。
FIG. 11 is a diagram showing a comparison of influences of sample inclinations.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 短パルスレーザー 2、5、38、41 2分の1波長板 3、11、24、34、39、40、51、52 偏光
ビームスプリッター 4、7、9、25、26、30、35、42、48、4
9 ミラー 6、28 4分の1波長板 8 リトロリフレクター 10 AOM、またはチョッパー 12、13 検出器 14 ロックインアンプ 15 ドライバー 16 データ収集システム 17 試料 18 参照光 19 プローブ光 20 ポンプ光 21 波長変換素子(SHG、他) 22、27 ダイクロイックビームスプリッター 23、36、37、43 ビームスプリッター 29、50 レンズ 31 ビーム輸送系 32、33 干渉光 44、45 位相補償板 46、47 偏光板
1 Short pulse laser 2, 5, 38, 41 Half-wave plate 3, 11, 24, 34, 39, 40, 51, 52 Polarizing beam splitter 4, 7, 9, 25, 26, 30, 35, 42 , 48, 4
9 mirror 6, 28 quarter wave plate 8 retroreflector 10 AOM or chopper 12, 13 detector 14 lock-in amplifier 15 driver 16 data acquisition system 17 sample 18 reference light 19 probe light 20 pump light 21 wavelength conversion element ( SHG, etc.) 22, 27 Dichroic beam splitter 23, 36, 37, 43 Beam splitter 29, 50 Lens 31 Beam transport system 32, 33 Interfering light 44, 45 Phase compensation plate 46, 47 Polarizing plate

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA30 AA65 BB13 BB17 CC02 CC03 CC31 EE00 FF51 GG04 GG25 LL12 LL33 LL35 LL37 2G051 AA32 AA37 AA41 AA71 AB02 AB06 BA10 BA11 BC01 CA03 CB01 CB10 EA04 2H052 AA01 AA04 AB24 AC04 AC09 AC14 AC27 AD02 AD34 AF04   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 2F065 AA30 AA65 BB13 BB17 CC02                       CC03 CC31 EE00 FF51 GG04                       GG25 LL12 LL33 LL35 LL37                 2G051 AA32 AA37 AA41 AA71 AB02                       AB06 BA10 BA11 BC01 CA03                       CB01 CB10 EA04                 2H052 AA01 AA04 AB24 AC04 AC09                       AC14 AC27 AD02 AD34 AF04

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 短パルスレーザー光源と、参照光とプロ
ーブ光とポンプ光の分離手段と、これらの光の輸送手段
と、サンプリングのタイミング調整用の遅延光路と、検
出器とで構成され、さらにた試料分析装置。この試料分
析装置は、前記ポンプ光により励起された弾性波のエコ
ーを測定するための試料表面変位測定手段を、含む試料
分析装置であって、。この試料表面変位測定手段は、以
下のものを含む。 (イ) 同一波長の参照光とプローブ光とポンプ光の各
光を試料に導き、試料で反射した各光を分離し、参照光
とプローブ光のみを検出器に導いて干渉させる手段。 (ロ) また、この試料表面変位測定手段は、参照光と
プローブ光とポンプ光の各光を試料に対して斜めに入射
させ、これら3種の光の入反射光に2本の光路を共有さ
せる手段を含む。
1. A short pulse laser light source, a reference light / probe light / pump light separation means, a means for transporting these lights, a delay optical path for adjusting sampling timing, and a detector. Sample analyzer. The sample analyzer is a sample analyzer including a sample surface displacement measuring means for measuring an echo of an elastic wave excited by the pump light. This sample surface displacement measuring means includes the following. (A) A means that guides the reference light, the probe light, and the pump light having the same wavelength to the sample, separates the lights reflected by the sample, and guides only the reference light and the probe light to the detector to cause interference. (B) Further, the sample surface displacement measuring means makes each of the reference light, the probe light, and the pump light obliquely incident on the sample, and the two optical paths are shared by the incident and reflected lights of these three kinds of light. Including means to make.
【請求項2】 試料に向かってくる各平行光を試料表面
に集光するためのレンズ、及び試料表面の照射スポット
から反射した光を平行光に戻すためのレンズを含む。
と、この試料分析装置は、上記2種のレンズをひとつの
レンズで代用する手段を含む。とを含み、上記該手段
は、レンズから見て試料とは反対側にある光学素子とレ
ンズを結ぶ2本の光路を、レンズの光軸に平行で、かつ
レンズの光軸に対して対称な位置関係に配置する手段を
含む請求項1記載の試料分析装置。
2. A lens for converging each parallel light coming toward the sample on the sample surface, and a lens for returning the light reflected from the irradiation spot on the sample surface to the parallel light.
In addition, this sample analyzer includes means for substituting one lens for the above two types of lenses. The means includes two optical paths connecting the lens and an optical element on the side opposite to the sample as viewed from the lens, parallel to the optical axis of the lens and symmetric with respect to the optical axis of the lens. The sample analyzer according to claim 1, further comprising means arranged in a positional relationship.
【請求項3】 参照光とプローブ光を分離する偏光ビー
ムスプリッター、分離後の参照光とプローブ光がその偏
光状態を保ったまま互いに逆向きに進行する閉ループ、
閉ループの途中に設置される試料、及び参照光とプロー
ブ光の光路にポンプ光を導くビームスプリッターを含
み、試料直前での参照光とプローブ光とポンプ光の偏光
状態と光路とが以下の関係にあるある請求項1記載の試
料分析装置装置。 (イ) 偏光状態の直交する参照光とプローブ光が2本
の光路を逆向きに進行し、参照光と直交する偏光状態を
持つポンプ光が参照光と同じ向きに進行する。 (ロ) または、偏光状態の直交する参照光とプローブ
光が2本の光路を逆向きに進行し、プローブ光と直交す
る偏光状態を持つポンプ光がプローブ光と同じ向きに進
行するこの試料分析装置は、参照光とプローブ光を分離
する偏光ビームスプリッター、分離後の参照光とプロー
ブ光がその偏光状態を保ったまま互いに逆向きに進行す
る閉ループ、閉ループの途中に設置される試料、及び参
照光とプローブ光の光路にポンプ光を導くビームスプリ
ッターを含むことを特徴とする請求項1記載の試料分析
装置。
3. A polarization beam splitter for separating the reference light and the probe light, a closed loop in which the separated reference light and probe light travel in opposite directions while maintaining their polarization states,
Includes a sample installed in the middle of the closed loop and a beam splitter that guides the pump light to the optical paths of the reference light and the probe light, and the polarization state and the optical path of the reference light, the probe light and the pump light immediately before the sample have the following relationship. The sample analyzer according to claim 1, which is present. (A) The reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel in opposite directions on the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the reference light travels in the same direction as the reference light. (B) Alternatively, reference light and probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel in opposite directions in two optical paths, and pump light having a polarization state orthogonal to the probe light travels in the same direction as the probe light. The device consists of a polarized beam splitter that separates the reference light and the probe light, a closed loop in which the separated reference light and probe light travel in opposite directions while maintaining their polarization states, a sample installed in the middle of the closed loop, and a reference. The sample analyzer according to claim 1, further comprising a beam splitter that guides the pump light to the optical paths of the light and the probe light.
【請求項4】 参照光とプローブ光を分離する偏光ビー
ムスプリッター、分離後の参照光とプローブ光が逆向き
に進行する閉ループ、閉ループを進行中の参照光とプロ
ーブ光の各偏光状態を直交した状態に変換する2分の1
波長板、閉ループの途中に設置される試料、及び参照光
とプローブ光の光路にポンプ光を導くビームスプリッタ
ーを含み、試料直前での参照光とプローブ光とポンプ光
の偏光状態と光路が以下の関係にあるにある請求項1記
載の試料分析装置。 (イ) 偏光状態の同じ参照光とプローブ光が2本の光
路を逆向きに進行し、参照光と直交する偏光状態を持つ
ポンプ光が参照光と同じ向きに進行する。 (ロ) または、偏光状態の同じ参照光とプローブ光が
2本の光路を逆向きに進行し、プローブ光と直交する偏
光状態を持つポンプ光がプローブ光と同じ向きに進行す
る。この試料分析装置は、参照光とプローブ光を分離す
る偏光ビームスプリッター、分離後の参照光とプローブ
光が逆向きに進行する閉ループ、閉ループを進行中の参
照光とプローブ光の各偏光状態を直交した状態に変換す
る2分の1波長板、閉ループの途中に設置される試料、
及び参照光とプローブ光の光路にポンプ光を導くビーム
スプリッターを含む
4. A polarization beam splitter for separating the reference light and the probe light, a closed loop in which the separated reference light and the probe light travel in opposite directions, and a polarization state of the reference light and the probe light in the closed loop orthogonal to each other. Half to convert to state
It includes a wave plate, a sample installed in the middle of a closed loop, and a beam splitter that guides the pump light to the optical paths of the reference light and probe light, and the polarization state and the optical path of the reference light, probe light, and pump light immediately before the sample are as follows. The sample analyzer according to claim 1, which is in a relationship. (A) The reference light and the probe light having the same polarization state travel in opposite directions on the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the reference light travels in the same direction as the reference light. (B) Alternatively, the reference light and the probe light having the same polarization state travel in opposite directions on the two optical paths, and the pump light having a polarization state orthogonal to the probe light travels in the same direction as the probe light. This sample analyzer is a polarization beam splitter that separates the reference light and the probe light, a closed loop in which the separated reference light and probe light travel in opposite directions, and orthogonal polarization states of the reference light and probe light that are running in the closed loop. Half-wave plate for converting into a closed state, sample installed in the middle of the closed loop,
And a beam splitter that guides the pump light to the optical paths of the reference light and probe light.
【請求項5】 光源の光から参照光とプローブ光を分離
する偏光ビームスプリッター、異なる光路を通過してき
た参照光とプローブ光を混合する偏光ビームスプリッタ
ー、混合光を試料表面に導く手段、試料で反射された混
合光を次の光路に導く手段、反射後の混合光から参照光
とプローブ光を再分離する偏光ビームスプリッター、再
分離後に異なる光路を通過してきた参照光とプローブ光
を混合する偏光ビームスプリッター、及び参照光とプロ
ーブ光の光路にポンプ光を導くビームスプリッターと、
参照光とプローブ光に対して、光源と検出器間での総光
路長が等しい光路を含み、試料直前での参照光とプロー
ブ光とポンプ光の偏光状態と光路が以下の関係にある請
求項1記載の試料分析装置。 (イ) 偏光状態の直交する参照光とプローブ光が2本
の光路を同じ向きに進行し、参照光と同じ偏光状態を持
つポンプ光が参照光とは逆向きに進行する。 (ロ) または、偏光状態の直交する参照光とプローブ
光が2本の光路を同じ向きに進行し、プローブ光と同じ
偏光状態を持つポンプ光がプローブ光とは逆向きに進行
する。 (イ) この試料分析装置は、光源の光から参照光とプ
ローブ光を分離する偏光ビームスプリッター、異なる光
路を通過してきた参照光とプローブ光を混合する偏光ビ
ームスプリッター、混合光を試料表面に導く手段、試料
で反射された混合光を次の光路に導く手段、反射後の混
合光から参照光とプローブ光を再分離する偏光ビームス
プリッター、再分離後に異なる光路を通過してきた参照
光とプローブ光を混合する偏光ビームスプリッター、及
び参照光とプローブ光の光路にポンプ光を導くビームス
プリッターを含む。この試料分析装置は、参照光とプロ
ーブ光に対して、光源と検出器間での総光路長が等しい
光路を含む。
5. A polarization beam splitter for separating reference light and probe light from light from a light source, a polarization beam splitter for mixing reference light and probe light that have passed through different optical paths, means for guiding the mixed light to a sample surface, and a sample A means for guiding the reflected mixed light to the next optical path, a polarization beam splitter that re-separates the reference light and the probe light from the reflected mixed light, and a polarization that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths after the re-separation. A beam splitter, and a beam splitter that guides pump light to the optical paths of the reference light and the probe light,
For the reference light and the probe light, including the optical path with the same total optical path length between the light source and the detector, the polarization state and the optical path of the reference light, the probe light and the pump light immediately before the sample have the following relationship. 1. The sample analyzer according to 1. (A) The reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel along the two optical paths in the same direction, and the pump light having the same polarization state as the reference light travels in the opposite direction to the reference light. (B) Alternatively, the reference light and the probe light whose polarization states are orthogonal to each other travel along the two optical paths in the same direction, and the pump light having the same polarization state as the probe light travels in the opposite direction to the probe light. (A) This sample analyzer is a polarization beam splitter that separates the reference light and the probe light from the light of the light source, a polarization beam splitter that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths, and guides the mixed light to the sample surface. Means, means for guiding the mixed light reflected by the sample to the next optical path, a polarizing beam splitter for re-separating the reference light and probe light from the mixed light after reflection, reference light and probe light that have passed through different optical paths after re-separation And a beam splitter that guides the pump light to the optical paths of the reference light and the probe light. This sample analyzer includes an optical path having the same total optical path length between the light source and the detector with respect to the reference light and the probe light.
【請求項6】 請求項5記載の試料分析装置であって、
以下のように偏光ビームスプリッターを共用した装置。 (イ) 光源の光から参照光とプローブ光を分離する偏
光ビームスプリッター、及び再分離後に異なる光路を通
過してきた参照光とプローブ光を混合する偏光ビームス
プリッターを、ひとつの偏光ビームスプリッターで置き
換える。 (ロ) 同時に、異なる光路を通過してきた参照光とプ
ローブ光を混合する偏光ビームスプリッター、及び反射
後の混合光から参照光とプローブ光を再分離する偏光ビ
ームスプリッターを、もうひとつの偏光ビームスプリッ
ターで置き換える。 (ハ) この試料分析装置は、上記2個の偏光ビームス
プリッター間に2本の長い光路と2本の短い光路を含
み、む。これら2本の長い光路は、平行、かつ重ならな
い位置関係を持ち、つ。また、これら2本の短い光路
は、平行、かつ重ならない位置関係を持つことを特徴と
する。
6. The sample analyzer according to claim 5, wherein
A device that shares a polarization beam splitter as shown below. (B) The polarization beam splitter that separates the reference light and the probe light from the light from the light source and the polarization beam splitter that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths after re-splitting are replaced with a single polarization beam splitter. (B) At the same time, a polarizing beam splitter that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths, and a polarizing beam splitter that re-separates the reference light and the probe light from the mixed light after reflection is another polarizing beam splitter. Replace with. (C) This sample analyzer includes two long optical paths and two short optical paths between the two polarization beam splitters. These two long optical paths have a parallel and non-overlapping positional relationship. Further, these two short optical paths are characterized in that they have a parallel and non-overlapping positional relationship.
【請求項7】 請求項5の試料分析装置であって、請求
項5記載の試料分析装置であって、以下のように偏光ビ
ームスプリッターを共用した装置。、この偏光ビームス
プリッターから出て、再びこの偏光ビームスプリッター
に戻ってくる3本の閉ループを含み、上記3本の閉ルー
プのうち、試料を通過しない2本の光路は、平行、かつ
重ならない位置関係を持つ請求項5の試料分析装置た装
置。 (イ) 光源の光から参照光とプローブ光を分離する偏
光ビームスプリッター、異なる光路を通過してきた参照
光とプローブ光を混合する偏光ビームスプリッター、反
射後の混合光から参照光とプローブ光を再分離する偏光
ビームスプリッター、及び再分離後に異なる光路を通過
してきた参照光とプローブ光を混合する偏光ビームスプ
リッターを、ひとつの偏光ビームスプリッターで置き換
える。 (ロ) 上記偏光ビームスプリッターから出て、再びこ
の偏光ビームスプリッターに戻ってくる3本の閉ループ
を含み、上記3本の閉ループのうち、試料を通過しない
2本の光路は、平行、かつ重ならない位置関係を持つ。
この試料分析装置は、この偏光ビームスプリッターから
出て、再びこの偏光ビームスプリッターに戻ってくる3
本の閉ループを含む。上記3本の閉ループのうち、試料
を通過しない2本の光路は、平行、かつ重ならない位置
関係を持つ。
7. The sample analyzer according to claim 5, which is a sample analyzer according to claim 5, wherein the polarizing beam splitter is shared as follows. , The three closed loops that come out of the polarization beam splitter and return to the polarization beam splitter again, and the two optical paths of the three closed loops that do not pass through the sample are parallel and do not overlap each other. An apparatus having the sample analyzer of claim 5. (A) A polarization beam splitter that separates the reference light and the probe light from the light of the light source, a polarization beam splitter that mixes the reference light and the probe light that have passed through different optical paths, and a reference beam and a probe light from the mixed light after reflection. The polarization beam splitter for splitting and the polarization beam splitter for mixing the reference light and the probe light that have passed through different optical paths after re-splitting are replaced with one polarization beam splitter. (B) Including the three closed loops that come out of the polarization beam splitter and return to the polarization beam splitter, the two optical paths of the three closed loops that do not pass through the sample are parallel and do not overlap. Have a positional relationship.
This sample analyzer exits from this polarization beam splitter and returns to this polarization beam splitter again. 3
Contains a closed loop of books. Of the three closed loops, the two optical paths that do not pass through the sample have a parallel and non-overlapping positional relationship.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006267651A (en) * 2005-03-24 2006-10-05 Olympus Corp Microscopic device
JP2006276667A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Olympus Corp Microscopic device
JP2007504499A (en) * 2003-09-05 2007-03-01 ライカ マイクロシステムス ツェーエムエス ゲーエムベーハー Light source having a plurality of microstructured optical elements
JP2008020359A (en) * 2006-07-13 2008-01-31 Hitachi High-Technologies Corp Surface inspection method and device

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