JP2004226224A

JP2004226224A - Method of measuring optical response of substance, and instrument therefor

Info

Publication number: JP2004226224A
Application number: JP2003014142A
Authority: JP
Inventors: Muneaki Hase; 宗明長谷; Masahiro Kitajima; 正弘北島; Kunie Ishioka; 邦江石岡
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2003-01-23
Filing date: 2003-01-23
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2023-01-23
Also published as: JP3918054B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To quickly measure, with a satisfactory S/N ratio, a change of reflectance or transmittance in a solid due to non-equilibrium carrier and non-equilibrium lattice vibration of the solid generated by laser pulse excitation. <P>SOLUTION: In a pump & probe spectroscopy, repetition operations in a time lag generator 13 on a time lag circuit are carried out at 20 Hz or more to 100 Hz or less of high speed using high speed linear scanning, a signal of photoelectric current of probe light 6 received by an Si-PIN photodiode 17 is read into a current amplifier 18 after irradiating a solid sample 10, and the amplified signal is recorded in a digital oscilloscope 15 by triggering it with a position signal 14 from the time lag generator 13 in the digital oscilloscope 15. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、物質の光応答を測定する方法および装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、レーザパルス励起により生じた固体の非平衡キャリアおよび非平衡格子振動による固体の反射率または透過率変化を高速且つＳ／Ｎ比良く測定することのできる、物質の光応答を測定する方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、固体試料の光応答時間を正確に測定する手法として、フェムト秒（１ｆｓ＝１０^−１５ｓ）パルスレーザ光を励起光（ポンプ光）およびプローブ光として用い、励起光照射によって固体試料中に生じた反射率変化あるいは透過率変化を、プローブ光を用いて測定するというポンプ＆プローブ分光法が注目されている。このポンプ＆プローブ分光法で測定できる事象は、固体の光励起状態であり、電子−電子散乱、電子正孔対（光励起キャリアあるいは励起子）の再結合緩和時間、格子振動の寿命、電子−格子散乱時間などで、光スイッチの光応答特性の評価や格子欠陥によるキャリアの短寿命化などに応用されている。その典型的な手法としては、光学遅延回路と光変調器を組み合わせたいわゆる“スロースキャン型”時間分解ポンプ＆プローブ法である（特開２００２−２１４１３７）。
【０００３】
具体的には、このタイプの測定方法では、固体試料に、直線偏光であって且つ光変調器により２ｋＨｚ程度で変調された励起パルス光を照射し、その後励起パルス光の偏光方向と直交した方向に直線偏光したプローブ（探査）光を時間遅延させた状態で固体試料の励起パルス光照射位置に照射し、光検出器で固体試料によって反射されたプローブ光強度を測定している。そして、プローブ光の信号成分のうち、励起光と同じ周波数で光変調された信号成分のみをロックイン・アンプを用いて取り出し、プローブ光の遅延時間を少しずつ変化させながら繰り返し記録することで固体試料の反射率あるいは透過率を時間分解測定している。
【０００４】
このときプローブ光の遅延時間の変化は、ステッピングモータ（もしくはＤＣモータ）駆動の光学遅延回路によってなされる。このスロースキャン型時間分解ポンプ＆プローブ法では通常Ｓ／Ｎ比の向上のために上記のようなステッピングモータ駆動の光学遅延回路によるスキャンを測定時間範囲において反復動作させる。その反復回数Ｎに対してＮ^１／２（√Ｎ）倍のＳ／Ｎ比向上が可能である。
【０００５】
なおこの方法を“スロースキャン型”というのは、反復回数Ｎを行うためには光学遅延回路のステッピングモータ（もしくはＤＣモータ）を約１μｍ／ｓ（時間分解能が約６．７ｆｓの典型的な場合）のゆっくりとした速さで走査させなくてはならないからである。
【０００６】
つまりこの手法で１０ピコ秒（１ｐｓ＝１０^−１２ｓ）の時間範囲の時間分解信号を１００回反復させることによりＳ／Ｎ比を１０倍向上させるのに要する測定時間を計算すると、
測定時間＝２×（１０×１０^−１２（ｓ））×（光速ｃ（３×１０^８（ｍ／ｓ））÷（ステッピングモータの速度（１．０×１０^−６（ｍ／ｓ））×（反復回数（１００（回）））
で表され、測定時間＝６０００ｓとなり、１００分を要することになる。さらにこの測定手法の未解決課題としては、測定可能な反射率（透過率）変化ΔＲ／Ｒ（ΔＴ／Ｔ）が最小値でΔＲ／Ｒ（ΔＴ／Ｔ）＝１０^−４程度に限られていることが挙げられる。このとき、信号のノイズレベルは１０^−５に相当する。
【０００７】
これまで、この手法ではＧａＡｓなど直接遷移型半導体のキャリアダイナミクスおよびＢｉ、Ｓｂなど半金属のコヒーレントフォノン信号（位相が揃った格子振動の信号）が測定されており、その信号強度はおおよそΔＴ／Ｔ＝１０^−４〜１０^−３（ＧａＡｓのキャリア）、ΔＲ／Ｒ＝１０^−４〜１０^−３（Ｂｉ、Ｓｂのコヒーレントフォノン）であった。しかしながら、他の間接遷移型半導体（Ｓｉ、Ｇｅなど）などでは光励起キャリアやコヒーレントフォノンの信号強度がさらに小さいと考えられることから、さらに反射率（透過率）変化の測定感度をΔＲ／Ｒ＝１０^−５以下に下げる必要があった。
【０００８】
上記のような状況の中、ドイツの研究グループが反射率ΔＲ／Ｒ＝１０^−５の大きさのＧａＡｓのコヒーレントフォノン信号およびΔＲ／Ｒ＝１０^−６のＧｅのコヒーレントフォノン信号を高速スキャンとデータ積算器およびＡＤ変換ボードを用いて測定したが（非特許文献１および非特許文献２）、その研究においても半導体Ｓｉのコヒーレントフォノンおよび光励起キャリアダイナミクスはＳ／Ｎ比の不足で観測されていなかった。なおそのドイツのシステムのノイズレベルは１０^−７程度であった。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−２１４１３７
【非特許文献１】
Ｇ．Ｃ．Ｃｈｏ，Ｗ．ＫｕｔｔおよびＨ．Ｋｕｒｚ、”Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌｖｅｄｃｏｈｅｒｅｎｔ−ｐｈｏｎｏｎｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎＧａＡｓ” ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，６５巻，ｐ．７６４−７６６１９９０年
【非特許文献２】
Ｔ．Ｐｆｅｉｆｅｒ，Ｗ．Ｋｕｔｔ，Ｈ．ＫｕｒｚおよびＲ．Ｓｃｈｏｌｚ、”Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏｈｅｒｅｎｔｏｐｔｉｃａｌｐｈｏｎｏｎｓｉｎｇｅｒｍａｎｉｕｍ”，ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ，６９巻，ｐ．３２４８−３２５１１９９２年
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、ポンプ＆プローブ分光法において、レーザパルス励起により生じた固体の非平衡キャリアおよび非平衡格子振動による固体の反射率または透過率変化を高速且つＳ／Ｎ比良く（１０^−８以下のノイズレベルで）測定することのできる、物質の光応答を測定する方法および装置を提供することを課題としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、まず第１には、フェムト秒レーザパルス光であって直線偏光しかつ変調された励起パルス光と、フェムト秒レーザパルス光であって励起パルス光の偏光方向と直交した方向もしくは４５°傾いた方向に直線偏光したプローブ光とを、いずれか一方の光を時間遅延回路により時間遅延させた状態で固体試料に照射し、励起パルス光により反射率あるいは透過率が変化した固体試料において反射あるいは透過されたプローブ光の強度を測定する方法において、時間遅延回路上の時間遅延発生装置における反復動作を、高速リニアスキャンを用いて２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の高速で行い、かつ固体試料に照射した後フォトダイオードで受光したプローブ光の光電流出力の信号を電流増幅器に取り込んで増幅し、さらにその増幅された信号を、デジタルオシロスコープにおいて時間遅延発生装置からの位置信号によりトリガーすることでそのデジタルオシロスコープ上に記録することを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１１】
第２には、この出願の発明は、第１の発明においてプローブ光を時間遅延させることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１２】
第３には、この出願の発明は、第１または２の発明において、フォトダイオードがＳｉ−ＰＩＮダイオードであることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１３】
第４には、第１ないし３いずれかの発明において、時間遅延発生装置におけるスキャンの振幅が２０μｍ以上２００ｍｍ以下であって、スキャン周波数が０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下であることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１４】
さらに、第５には、第１ないし４いずれかの発明において、時間遅延発生装置におけるスキャンの振幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下であってスキャンの周波数が２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下であることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１５】
また第６には、第１ないし５のいずれかの発明において、反射率８０％以上の金属ミラーコーティングを施したレトロミラーが時間遅延回路に組み込まれ、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｐＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光を、このレトロミラーにより入射光と同方向に反射することを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１６】
第７には、第１ないし６いずれかの発明において、時間遅延発生装置の電圧値である位置信号をデジタルオシロスコープにより記録し、この電圧波形を、
（時間軸）＝（位置信号の電圧値）×（位置信号の感度）
の式を用いて実時間の値に変換し、これをプローブ光の反射率信号あるいは透過率信号の時間軸とすることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１７】
第８には、第１ないし７いずれかの発明において、フォトダイオードからの光電流出力の信号を電流増幅器に取り込んで１０^４〜１０^８倍に増幅し、その後その信号を高速デジタルオシロスコープにおいて時間遅延発生装置からの位置信号をトリガーとして１〜１００００回積算記録することを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１８】
第９には、第１ないし８いずれかの発明において、電流増幅器において増幅する信号にバンドパスフィルターをかけることを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００１９】
第１０には、第１ないし９いずれかの発明において、半金属、金属、半導体、誘電体、分子性結晶の固体試料ならびにそれらの混晶、超格子、微結晶、ナノ結晶の試料のコヒーレントな電子励起状態やフォノン励起状態による試料の反射率変化あるいは透過率変化を時間分解測定することを特徴とする物質の光応答を測定する方法を提供する。
【００２０】
第１１には、第１ないし１０いずれかの発明の物質の光応答を測定する方法に用いられる装置であって、少なくともフェムト秒レーザパルス光を発振するレーザ光源と、高速リニアスキャンを備えた時間遅延回路と、固体試料に照射された後のプローブ光を受光するフォトダイオードと、フォトダイオードで受光したプローブ光の光電流出力の信号を取り込んで増幅する電流増幅器と、その増幅された信号が高速リニアスキャンからの位置信号によりトリガーされかつ記録されるデジタルオシロスコープとを備えていることを特徴とする物質の光応答を測定する装置をも提供する。
【００２１】
第１２には、第１１の発明において、フォトダイオードがＳｉ−ＰＩＮダイオードであることを特徴とする物質の光応答を測定する装置を提供する。
【００２２】
第１３には、第１１または１２の発明において、反射率８０％以上の金属ミラーコーティングを施したレトロミラーが時間遅延回路に組み込まれていることを特徴とする物質の光応答を測定する装置を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００２４】
この出願の発明の物質の光応答を測定する方法は、フェムト秒レーザパルス光であって直線偏光しかつ変調された励起パルス光と、フェムト秒レーザパルス光であって励起パルス光の偏光方向と直交した方向もしくは４５°傾いた方向に直線偏光したプローブ光とを、いずれか一方の光を時間遅延回路により時間遅延させた状態で固体試料に照射し、励起パルス光により反射率あるいは透過率が変化した固体試料において反射あるいは透過されたプローブ光の強度を測定する、いわゆるポンプ＆プローブ分光法に関するものであって、とくに時間遅延回路上の時間遅延発生装置における励起パルス光とプローブ光のいずれか一方の光の時間遅延のための反復動作を、ドイツＡＰＥ社製のＭＩＮＩなどの高速リニアスキャンを用いて２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下の高速で行い、プローブ光を固体試料に照射した後にフォトダイオードで受光し、そのプローブ光の光電流出力の信号を、米国ＳｔａｎｆｏｒｄＲｅｓｅａｒｃｈＳｙｓｔｅｍｓ社製ＳＲ−５３０などの電流増幅器に取り込んで増幅し、その信号をデジタルオシロスコープにおいて時間遅延発生装置からの位置信号によりトリガーすることでデジタルオシロスコープ上に記録することを大きな特徴としている。
【００２５】
このとき、時間遅延回路においては励起パルス光とプローブ光の相対的な時間遅延が生じればよいことから、励起パルス光とプローブ光のどちらか一方の光を時間遅延させればよく、励起パルス光をプローブ光よりも時間遅延させることも可能であるが、通常はプローブ光を励起パルス光よりも時間遅延させる。
【００２６】
また、プローブ光を受光するフォトダイオードとしては、他のフォトダイオードに比べて高速の光応答性を有するＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードを用いるのが望ましいが、もちろんＳｉ−ＰＩＮフォトダイオード以外のフォトダイオードを用いても実施可能である。
【００２７】
このとき時間遅延発生装置におけるスキャンの振幅を２０μｍ以上２００ｍｍ以下とし、スキャン周波数を０．１Ｈｚ以上１ｋＨｚ以下として高速スキャンを行うことが望ましく、とくにスキャンの振幅を１ｍｍ以上５ｍｍ以下としスキャン周波数を２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下とすることによりさらに物質の光応答を測定するのに適した高速スキャンを行うことができる。
【００２８】
すなわち、時間遅延発生装置において上記のように高速リニアスキャンを用いることによって、これまでのスロースキャン法においては時間分解信号のＳ／Ｎ比の向上のため１００回の反復を行うのに１００分以上かかっていたものを、スキャン周波数２０Ｈｚの場合に５秒で終了することができ、従来のスロースキャンの積算速度に比べると約１２００倍にもなるのである。
【００２９】
また、この出願の発明の物質の光応答を測定する方法において、反射率８０％以上の金属ミラーコーティングを施したレトロミラーが、時間遅延回路、より具体的には時間遅延回路上の時間遅延発生装置に組み込まれ、パルス幅１フェムト秒以上２００フェムト秒以下、パルスエネルギー１ｐＪ以上１Ｊ以下、波長２００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下のフェムト秒レーザパルス光が、このレトロミラーにより入射光と同方向に反射される。
【００３０】
このレトロミラーはフェムト秒レーザパルス光である励起パルス光もしくはプローブ光の時間遅延を精度良く与えるためのものであって、もしフェムト秒レーザパルス光が入射方向と同じ方向に反射されなければ、時間遅延発生装置を動作させた際にレーザパルス光の位置にブレが生じ、これにより試料上でのレーザパルス光の光照射位置に狂いが生じてしまい、結果として信号取得の精度が大幅に減少してしまうのである。
【００３１】
そしてこのとき、時間遅延発生装置の電圧値である位置信号をデジタルオシロスコープにより記録し、この電圧波形を（時間軸）＝（位置信号の電圧値）×（位置信号の感度）の式を用いて実時間の値に変換し、これをプローブ光の反射率信号あるいは透過率信号の時間軸とすることができ、また、フォトダイオードからの光電流出力の信号を電流増幅器において１０^４〜１０^８倍に増幅し、その後、その信号を、高速デジタルオシロスコープによって時間遅延発生装置からの位置信号をトリガーとすることで１〜１００００回積算記録することにより、反復の時間を大幅に減らすことができる。さらに電流増幅器において増幅する信号にバンドパスフィルターをかけることでＳ／Ｎ比の向上を助け、たとえば、３Ｈｚから３００ｋＨｚのバンドパスフィルターを用いることにより、低周波のノイズと高周波ノイズを低減することができる。
【００３２】
また、この出願の発明においては、半金属、金属、半導体、誘電体、分子性結晶の固体試料ならびにそれらの混晶、超格子、微結晶、ナノ結晶の試料のコヒーレントな電子励起状態やフォノン励起状態による試料の反射率変化あるいは透過率変化を時間分解測定できる。
【００３３】
さらに、上記のようなこの出願の発明の光応答を測定する方法に用いられる装置として、少なくとも、フェムト秒レーザパルス光を発振するレーザ光源と、時間遅延発生装置として高速リニアスキャンを備えた時間遅延回路と、固体試料に照射された後のプローブ光を受光するフォトダイオードと、フォトダイオードで受光したプローブ光の光電流出力の信号を取り込んで増幅する電流増幅器と、その信号を高速リニアスキャンからの位置信号によりトリガーし記録するデジタルオシロスコープとを備えた物質の光応答を測定する装置を用いることができる。このとき、フォトダイオードとしては他のフォトダイオードに比べて高速の光応答性を有するＳｉ−ＰＩＮフォトダイオードを用いるのが望ましい。さらにその装置において、反射率８０％以上の金属ミラーコーティングを施したレトロミラーが時間遅延回路に組み込むことも可能である。
【００３４】
上記のようにこの出願の発明の物質の光応答を測定する方法および装置を用いることで、時間遅延発生装置における高速の反復動作、電流増幅器およびデジタルオシロスコープを組み合わせることによって、従来のスロースキャンの積算速度に比べて約１２００倍もの積算速度が得られるとともに、固体の反射率または透過率変化をΔＲ／Ｒ＝１０^−７（ΔＴ／Ｔ＝１０^−７）の大きさまで測定することが可能となる程度までＳ／Ｎ比を向上させることができるのである。このとき、信号のノイズレベルは１０^−８に相当する。
【００３５】
また、この出願の発明の方法および装置を用いることで、半金属、半導体、金属、誘電体などの光物性、とくに光応答特性を正確に決めることができるほか、いままで測定が困難であったＳｉの励起状態の緩和信号を測定することが可能となるため、実用材料であるＳｉ半導体デバイスなどの光応答特性を測定することなどにも応用することができる。
【００３６】
ここでこの出願の発明の物質の光応答測定方法の原理を図１および図２に示す。
【００３７】
図１はこの出願の発明の物質の光応答測定装置の全体図の一例であり、まずレーザ光源（１）から発振されたフェムト秒レーザパルス光（２）をミラー（３）で反射させた後ビームスプリッタ（４）により分割して一方を励起パルス光（５）とし他方をプローブ光（６）とする。
【００３８】
励起パルス光（５）は波長板（７）を通過し４５°ミラー（８）を含めた複数のミラー（３）によって反射されることで進行方向を変え、レンズ（９）で集光された後固体試料（１０）に照射される。
【００３９】
一方プローブ光（６）は偏光子（１１）を通ってレトロミラー（１２）を備えた時間遅延発生装置（１３）に到達し、そこで時間遅延が行われ、その後励起パルス光（５）と同様にミラー（３）で反射されレンズ（９）で集光された後、固体試料（１０）に照射される。
【００４０】
より具体的には、図２の要部拡大図に示すように、レトロミラー（１２）を備えたフェムト秒レーザパルス光の時間分解反射率（透過率）測定の時間遅延発生装置（１３）においてプローブ光（探査光）（６）の時間遅延を高速リニアスキャンにより与える。そのときのスキャン周波数は２０Ｈｚ以上１００Ｈｚ以下とする。このとき時間遅延発生装置（１３）からの位置信号（１４）はトリガー信号として高速デジタルオシロスコープ（１５）に送られる。
【００４１】
図３にこの位置信号（１４）の波形の一例を実線の正弦波で示す。時間遅延発生装置（１３）の位置信号（１４）の感度が１．５ｐｓ／Ｖであったので、位置信号波形（電圧値）にこの感度を掛け合わせることにより実際の遅延時間に変換することができ、その実時間への変換結果を点線で示している。
【００４２】
高速スキャンにより励起パルス光（５）に対してある遅延時間を与えられたプローブ光（６）は、固体試料（１０）によって反射あるいは透過した後、図１に示すように、レンズ（１６）を通ってＳｉ−ＰＩＮフォトダイオード（１７）に取り込まれる。このＳｉ−ＰＩＮフォトダイオード（１７）からの光電流出力の信号を電流増幅器（１８）に入力しここで信号を１０^４〜１０^８倍程度増幅する。
【００４３】
このとき増幅する信号に３Ｈｚ〜３００ｋＨｚのバンドパスフィルターを用いることにより、低周波ノイズと高周波ノイズを低減することができる。
【００４４】
電流増幅器（１８）から出力された信号は高速デジタルオシロスコープ（１５）に入力され、ここでこの信号は予め入力されている時間遅延発生装置（１３）からのトリガー信号により時間軸がトリガーされる。この状態で高速デジタルオシロスコープ（１５）内の積算機能を用いて信号を１００回以上積算する。
【００４５】
以上のような物質の光応答を測定する方法および装置を用いることにより、レーザパルス励起により生じた固体の非平衡キャリアおよび非平衡格子振動による固体の反射率または透過率変化を高速且つＳ／Ｎ比良く測定することが可能となるのである。
【００４６】
以下、添付した図面に沿って実施例を示し、この出願の発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。もちろん、この発明は以下の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００４７】
【実施例】
＜実施例１＞
図４に半導体Ｓｉにおいて実際に得られた時間分解反射率信号を示す。励起光強度は５２ｍＷ（０．６５ｎＪ／ｐｕｌｓｅ）、レーザ波長は４００ｎｍ、レーザパルスの幅は約１０ｆｓであり、積算回数は１５００回である。また信号の時間微分を取ることによって光励起キャリアによる遅い信号成分を消去している。振動成分は位相の揃った格子振動（コヒーレントフォノン）に対応する。このコヒーレントフォノンによる反射率変化の値は２×１０^−６と非常に小さい。この振動モードは光学フォノンに対応し、この周波数は図４の右上挿入図のグラフのフーリエ変換スペクトルから明らかなように、約１５．２ＴＨｚである。これは時間周期に変換すると約６６ｆｓになる。
【００４８】
したがってこの出願の発明によってこれまで困難であった反射率（ΔＲ／Ｒ）にして１０^−７程度の半導体シリコンのフォノン励起状態の時間分解測定が高速且つＳ／Ｎ比良く（信号のノイズレベル：１０^−８）測定されることが可能となったのである。
【００４９】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、レーザパルス励起により生じた固体の非平衡キャリアおよび非平衡格子振動による固体の反射率または透過率変化を高速且つＳ／Ｎ比良く測定することのできる、物質の光応答を測定する方法および装置が提供される。
【００５０】
そしてこの出願の発明を用いることにより、実用材料であるＳｉ半導体デバイスなどの光応答特性を測定することや、テラヘルツ帯域（１０^１２Ｈｚ）の電磁波発生デバイスに用いられる低温成長ＧａＡｓのキャリア寿命を感度良く測定することにも応用することができるようになる。
【００５１】
またこの出願の発明の物質の光応答を測定する装置はシステム構成が分かりやすく汎用性のある電流増幅器、デジタルオシロスコープ、高速リニアスキャンを組み合わせるため、システムの立ち上げに複雑な準備を必要とせず、また測定時間が短縮化されているため、効率の良い物性評価装置としての実用も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の物質の光応答を測定する装置の全体を例示した概念図である。
【図２】この発明の物質の光応答を測定する装置の要部を例示した概念図である。
【図３】この発明における時間遅延を校正する方法を示したグラフである。
【図４】この発明の手法を用いて得られた半導体Ｓｉのコヒーレントフォノンによる時間分解反射率変化およびフォノン信号のフーリエ変換スペクトルを示した図である。
【符号の説明】
１レーザ光源
２フェムト秒レーザパルス光
３ミラー
４ビームスプリッタ
５励起パルス光
６プローブ光
７波長板
８４５°ミラー
９レンズ
１０固体試料
１１偏光子
１２レトロミラー
１３時間遅延発生装置
１４位置信号
１５（高速）デジタルオシロスコープ
１６レンズ
１７Ｓｉ−ＰＩＮフォトダイオード
１８電流増幅器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a method and an apparatus for measuring the light response of a substance. More specifically, the invention of this application relates to a material capable of measuring a change in reflectance or transmittance of a solid caused by non-equilibrium carriers and a non-equilibrium lattice vibration caused by laser pulse excitation at a high speed and with a high S / N ratio. The present invention relates to a method and an apparatus for measuring the optical response of an object.
[0002]
[Prior art and its problems]
In recent years, as a technique for accurately measuring the optical response time of a solid sample, femtosecond (1 fs = 10 ⁻¹⁵ s) pulse laser light is used as excitation light (pump light) and probe light, and the solid sample is irradiated with the excitation light. Pump and probe spectroscopy, which measures the resulting change in reflectance or transmittance using probe light, has attracted attention. The events that can be measured by this pump-and-probe spectroscopy are photoexcitation states of solids, electron-electron scattering, recombination relaxation time of electron-hole pairs (photoexcited carriers or excitons), lifetime of lattice vibration, electron-lattice scattering. It is applied to the evaluation of the optical response characteristics of an optical switch and the shortening of carrier life due to lattice defects. A typical technique is a so-called "slow scan" time-resolved pump-and-probe method combining an optical delay circuit and an optical modulator (JP-A-2002-214137).
[0003]
Specifically, in this type of measurement method, a solid sample is irradiated with excitation pulse light that is linearly polarized and modulated at about 2 kHz by an optical modulator, and then irradiated in a direction orthogonal to the polarization direction of the excitation pulse light. The probe (exploration) light that is linearly polarized is irradiated to the excitation pulse light irradiation position of the solid sample in a state of being delayed in time, and the light detector measures the probe light intensity reflected by the solid sample. Then, of the signal components of the probe light, only those signal components that are optically modulated at the same frequency as the excitation light are extracted using a lock-in amplifier, and are repeatedly recorded while gradually changing the delay time of the probe light. The reflectance or transmittance of the sample is measured in a time-resolved manner.
[0004]
At this time, the change in the delay time of the probe light is made by an optical delay circuit driven by a stepping motor (or DC motor). In the slow-scan time-resolved pump-and-probe method, the scan by the above-described optical delay circuit driven by the stepping motor is repeatedly performed in the measurement time range in order to improve the S / N ratio. It is possible to improve the S / N ratio by N ^1/2 (に対して N) times the number of repetitions N.
[0005]
Note that this method is called “slow scan type”. In order to perform the number of repetitions N, the stepping motor (or DC motor) of the optical delay circuit is required to be about 1 μm / s (a typical case where the time resolution is about 6.7 fs). This is because scanning must be performed at a slow speed.
[0006]
In other words, when the measurement time required to improve the S / N ratio by 10 times by repeating the time-resolved signal in the time range of 10 picoseconds (1 ps = 10 ⁻¹² s) 100 times by this method is calculated,
Measurement time = 2 × (10 × 10 ⁻¹² (s)) × (light speed c (3 × 10 ⁸ (m / s)) ÷ (speed of stepping motor (1.0 × 10 ⁻⁶ (m / s)) × (number of repetitions (100 (times)))
And the measurement time = 6000 s, which takes 100 minutes. Further, as an unsolved problem of this measurement method, the measurable reflectance (transmittance) change ΔR / R (ΔT / T) is limited to a minimum value of about ΔR / R (ΔT / T) = 10 ^−4. It is mentioned. At this time, the noise level of the signal corresponds to 10 ⁻⁵ .
[0007]
Heretofore, in this method, the carrier dynamics of a direct transition semiconductor such as GaAs and the coherent phonon signal of a semimetal such as Bi and Sb (a signal of a lattice vibration having the same phase) have been measured, and the signal intensity is approximately ΔT / T. = 10 ⁻⁴ to 10 ⁻³ (GaAs carrier) and ΔR / R = 10 ⁻⁴ to 10 ⁻³ (Bi, Sb coherent phonon). However, in other indirect transition type semiconductors (Si, Ge, etc.), the signal intensity of photoexcited carriers and coherent phonons is considered to be smaller, so that the measurement sensitivity of the change in reflectance (transmittance) is set to ΔR / R = 10 ^It was necessary to lower it to ^-5 or less.
[0008]
In the above situation, a research group in Germany scans a GaAs coherent phonon signal with a reflectivity ΔR / R = 10 ⁻⁵ and a Ge coherent phonon signal with a ΔR / R = 10 ⁻⁶ at high speed scanning and data. The measurement was performed using an integrator and an AD converter board (Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2), but in that study, coherent phonons and photo-excited carrier dynamics of the semiconductor Si were not observed due to insufficient S / N ratio. . The noise level of the German system was about ^10-7 .
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-214137
[Non-patent document 1]
G. FIG. C. Cho, W.C. Kutt and H.S. Kurz, "Subpicosecond time-resolved coherent-phonon oscillations in GaAs", Physical Review Letters, vol. 65, p. 754-766 1990 [Non-Patent Document 2]
T. Pfeifer, W.M. Kutt, H .; Kurz and R.A. Schollz, "Generation and detection of coherent optical phonons in germanium", Physical Review Letters, vol. 69, p. 3248-3251 The invention of this application in 1992 has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the prior art. In pump and probe spectroscopy, the solid-state non-uniformity generated by laser pulse excitation is solved. Method and apparatus for measuring the optical response of a substance capable of measuring the reflectance or transmittance change of a solid due to balanced carrier and non-equilibrium lattice vibration at high speed and with good S / N ratio (with a noise level of 10 ⁻⁸ or less) The challenge is to provide
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application solves the above-mentioned problems. First, it is a femtosecond laser pulse light which is linearly polarized and modulated, and a pump pulse light which is a femtosecond laser pulse light. The solid sample is irradiated with the probe light linearly polarized in a direction orthogonal to the polarization direction of the pulsed light or in a direction inclined at 45 ° to the solid sample in a state where one of the lights is time-delayed by the time delay circuit, and the excitation pulsed light is used. In a method for measuring the intensity of probe light reflected or transmitted on a solid sample having changed reflectance or transmittance, a repetitive operation of a time delay generator on a time delay circuit is performed using a high-speed linear scan in a range of 20 Hz to 100 Hz. High-speed, and irradiates the solid sample and irradiates the photocurrent output signal of the probe light received by the photodiode with a current amplifier. Capturing and amplifying the signal, and recording the amplified signal on the digital oscilloscope by triggering the amplified signal with a position signal from a time delay generator in a digital oscilloscope. provide.
[0011]
Secondly, the invention of this application provides a method for measuring the optical response of a substance, characterized in that the probe light is delayed in the first invention.
[0012]
Third, the invention of this application provides a method for measuring the optical response of a substance according to the first or second invention, wherein the photodiode is a Si-PIN diode.
[0013]
Fourthly, in any one of the first to third inventions, the amplitude of the scan in the time delay generator is 20 μm or more and 200 mm or less, and the scan frequency is 0.1 Hz or more and 1 kHz or less. A method for measuring a light response is provided.
[0014]
Fifth, in any one of the first to fourth inventions, the scan delay in the time delay generator is 1 mm or more and 5 mm or less, and the scan frequency is 20 Hz or more and 100 Hz or less. A method for measuring a light response is provided.
[0015]
Sixth, in any one of the first to fifth inventions, a retromirror coated with a metal mirror having a reflectance of 80% or more is incorporated in the time delay circuit, and has a pulse width of 1 to 200 femtoseconds. A method for measuring the optical response of a substance characterized in that femtosecond laser pulse light having a pulse energy of 1 pJ or more and 1 J or less and a wavelength of 200 nm or more and 2000 nm or less is reflected by the retromirror in the same direction as incident light.
[0016]
Seventh, in any one of the first to sixth inventions, a position signal which is a voltage value of the time delay generating device is recorded by a digital oscilloscope, and this voltage waveform is
(Time axis) = (Position signal voltage value) x (Position signal sensitivity)
A method of measuring the optical response of a substance, characterized in that the value is converted into a real-time value using the following equation, and this value is used as the time axis of the reflectance signal or the transmittance signal of the probe light.
[0017]
Eighth, in any one of the first to seventh inventions, a signal of a photocurrent output from the photodiode is taken into a current amplifier and amplified by a factor of 10 ⁴ to 10 ⁸ , and then the signal is time-delayed by a high-speed digital oscilloscope. The present invention provides a method for measuring the optical response of a substance, which is characterized in that a position signal from a generator is used as a trigger to accumulate and record 1 to 10,000 times.
[0018]
Ninthly, in any one of the first to eighth inventions, there is provided a method for measuring an optical response of a substance, characterized by applying a band-pass filter to a signal to be amplified in a current amplifier.
[0019]
Tenth, in any one of the first to ninth inventions, a coherent sample of a solid sample of a semimetal, a metal, a semiconductor, a dielectric, a molecular crystal and a mixed crystal, a superlattice, a microcrystal, and a nanocrystal thereof. Provided is a method for measuring an optical response of a substance, characterized in that a change in reflectance or a change in transmittance of a sample due to an electronically excited state or a phonon excited state is time-resolved.
[0020]
Eleventh, an apparatus used in the method for measuring the optical response of the substance according to any one of the first to tenth aspects, comprising: a laser light source that oscillates at least a femtosecond laser pulse light; A delay circuit, a photodiode that receives the probe light after irradiating the solid sample, a current amplifier that captures and amplifies the photocurrent output signal of the probe light received by the photodiode, and a high-speed amplified signal. A digital oscilloscope that is triggered and recorded by a position signal from a linear scan.
[0021]
In a twelfth aspect, in the eleventh aspect, there is provided an apparatus for measuring an optical response of a substance, wherein the photodiode is a Si-PIN diode.
[0022]
A thirteenth aspect is an apparatus for measuring the optical response of a substance according to the eleventh or twelfth aspect, wherein a retromirror coated with a metal mirror having a reflectance of 80% or more is incorporated in a time delay circuit. provide.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above, and embodiments thereof will be described below.
[0024]
The method of measuring the optical response of the substance of the invention of this application is a femtosecond laser pulse light that is linearly polarized and modulated excitation pulse light, and a femtosecond laser pulse light that is a polarization direction of the excitation pulse light. The solid sample is irradiated with the probe light linearly polarized in the orthogonal direction or the direction inclined at 45 °, with either light being delayed by a time delay circuit, and the reflectance or transmittance is changed by the excitation pulse light. The present invention relates to so-called pump-and-probe spectroscopy, which measures the intensity of probe light reflected or transmitted by a changed solid sample, and particularly relates to either the excitation pulse light or the probe light in a time delay generator on a time delay circuit. The repetitive operation for the time delay of one light is performed at a frequency of 20 Hz or less using a high-speed linear scan such as MINI manufactured by APE, Germany. The irradiation is performed at a high speed of 100 Hz or less. The solid-state sample is irradiated with the probe light, and then received by a photodiode. The signal of the photocurrent output of the probe light is taken into a current amplifier such as SR-530 manufactured by Stanford Research Systems of the United States and amplified. A major feature of the digital oscilloscope is that the signal is triggered by a position signal from a time delay generator in a digital oscilloscope and recorded on the digital oscilloscope.
[0025]
At this time, in the time delay circuit, it is only necessary to cause a relative time delay between the excitation pulse light and the probe light. Although it is possible to delay the light more than the probe light, the probe light is usually delayed more than the excitation pulse light.
[0026]
As the photodiode for receiving the probe light, it is desirable to use a Si-PIN photodiode having a higher optical response than other photodiodes. Of course, a photodiode other than the Si-PIN photodiode is used. It can also be implemented.
[0027]
At this time, it is desirable to perform high-speed scanning by setting the scan amplitude in the time delay generating device to 20 μm or more and 200 mm or less, and setting the scan frequency to 0.1 Hz or more and 1 kHz or less. Particularly, the scan amplitude is set to 1 mm or more and 5 mm or less and the scan frequency is set to 20 Hz or more. By setting the frequency to 100 Hz or less, a high-speed scan suitable for measuring the optical response of a substance can be further performed.
[0028]
That is, by using the high-speed linear scan in the time delay generator as described above, it is necessary to perform 100 times or more to perform 100 repetitions for improving the S / N ratio of the time-resolved signal in the conventional slow scan method. What has been done can be completed in 5 seconds at a scan frequency of 20 Hz, which is about 1200 times faster than the conventional slow scan integration speed.
[0029]
In the method for measuring the optical response of a substance according to the invention of the present application, a retromirror coated with a metal mirror having a reflectance of 80% or more is provided with a time delay circuit, more specifically, a time delay circuit on a time delay circuit. Femtosecond laser pulse light having a pulse width of 1 femtosecond or more and 200 femtoseconds or less, a pulse energy of 1 pJ or more and 1 J or less, and a wavelength of 200 nm or more and 2000 nm or less is reflected by the retromirror in the same direction as the incident light.
[0030]
This retro-mirror is used to accurately give a time delay of the excitation pulse light or the probe light, which is a femtosecond laser pulse light, and if the femtosecond laser pulse light is not reflected in the same direction as the incident direction, the time can be reduced. When the delay generator is operated, the position of the laser pulse light is blurred, which causes the irradiation position of the laser pulse light on the sample to be misaligned, and as a result, the accuracy of signal acquisition is greatly reduced. It will be.
[0031]
At this time, the position signal, which is the voltage value of the time delay generating device, is recorded by a digital oscilloscope, and this voltage waveform is expressed by using the equation (time axis) = (voltage value of position signal) × (sensitivity of position signal). converting the value of real-time, which can be a time-axis of the reflectivity signal or transmission signal of the probe light and, 10 ⁴ to 10 ⁸ times in the current amplifier the signal of the photocurrent output from the photodiode After that, the signal is accumulated and recorded 1 to 10000 times by a high-speed digital oscilloscope using a position signal from a time delay generator as a trigger, so that the repetition time can be greatly reduced. Further, applying a band-pass filter to the signal to be amplified in the current amplifier helps to improve the S / N ratio. For example, by using a band-pass filter of 3 Hz to 300 kHz, it is possible to reduce low-frequency noise and high-frequency noise. it can.
[0032]
In addition, in the invention of this application, solid-state samples of metalloids, metals, semiconductors, dielectrics, and molecular crystals, and mixed-crystal, superlattice, micro-, and nano-crystal samples thereof, have coherent electronic excited states and phonon excited states. The change in reflectance or transmittance of the sample depending on the state can be measured in a time-resolved manner.
[0033]
Further, as an apparatus used in the method for measuring an optical response according to the invention of the present application as described above, at least a laser light source that oscillates a femtosecond laser pulse light, and a time delay including a high-speed linear scan as a time delay generator. Circuit, a photodiode that receives the probe light after irradiating the solid sample, a current amplifier that captures and amplifies the signal of the photocurrent output of the probe light received by the photodiode, and converts the signal from a high-speed linear scan. A device for measuring the optical response of a substance with a digital oscilloscope triggered and recorded by a position signal can be used. At this time, it is desirable to use a Si-PIN photodiode having a higher optical response than other photodiodes as the photodiode. Further, in the device, a retromirror coated with a metal mirror having a reflectance of 80% or more can be incorporated in the time delay circuit.
[0034]
By using the method and apparatus for measuring the optical response of the substance of the invention of the present application as described above, by combining the fast repetitive operation in the time delay generator, the current amplifier and the digital oscilloscope, the conventional slow scan integration is performed. It is possible to obtain an integrated speed that is about 1200 times faster than the speed and to measure the change in reflectance or transmittance of a solid up to the magnitude of ΔR / R = 10 ⁻⁷ (ΔT / T = 10 ⁻⁷ ). The S / N ratio can be improved to the extent. At this time, the noise level of the signal corresponds to 10 ⁻⁸ .
[0035]
In addition, by using the method and apparatus of the invention of this application, it is possible to accurately determine the optical properties of semimetals, semiconductors, metals, dielectrics, and the like, particularly the optical response characteristics, and it has been difficult to measure until now. Since the relaxation signal of the excited state of Si can be measured, it can be applied to measurement of optical response characteristics of a practical semiconductor material such as a Si semiconductor device.
[0036]
FIGS. 1 and 2 show the principle of the method for measuring the optical response of a substance according to the invention of this application.
[0037]
FIG. 1 is an example of an overall view of a light response measuring device for a substance of the invention of the present application. First, a femtosecond laser pulse light (2) oscillated from a laser light source (1) is reflected by a mirror (3). The beam is split by the beam splitter (4), and one of them is set as the excitation pulse light (5) and the other is set as the probe light (6).
[0038]
The excitation pulse light (5) passes through the wave plate (7), is reflected by a plurality of mirrors (3) including a 45 ° mirror (8), changes its traveling direction, and is collected by a lens (9). After that the solid sample (10) is irradiated.
[0039]
On the other hand, the probe light (6) passes through the polarizer (11) and reaches the time delay generator (13) having the retromirror (12), where the time delay is performed, and then the same as the excitation pulse light (5). After being reflected by the mirror (3) and condensed by the lens (9), it is irradiated on the solid sample (10).
[0040]
More specifically, as shown in a main part enlarged view of FIG. 2, in a time delay generator (13) for measuring a time-resolved reflectance (transmittance) of a femtosecond laser pulse light provided with a retro-mirror (12). The time delay of the probe light (exploration light) (6) is given by high-speed linear scan. The scan frequency at that time is set to 20 Hz or more and 100 Hz or less. At this time, the position signal (14) from the time delay generator (13) is sent to the high-speed digital oscilloscope (15) as a trigger signal.
[0041]
FIG. 3 shows an example of the waveform of the position signal (14) by a solid sine wave. Since the sensitivity of the position signal (14) of the time delay generating device (13) was 1.5 ps / V, it can be converted to an actual delay time by multiplying the position signal waveform (voltage value) by this sensitivity. The result of the conversion to real time is indicated by a dotted line.
[0042]
The probe light (6) given a certain delay time with respect to the excitation pulse light (5) by the high-speed scan is reflected or transmitted by the solid sample (10) and then passes through the lens (16) as shown in FIG. Then, it is taken into the Si-PIN photodiode (17). The photocurrent output signal from the Si-PIN photodiode (17) is input to a current amplifier (18), where the signal is amplified by a factor of 10 ⁴ to 10 ⁸ .
[0043]
By using a band-pass filter of 3 Hz to 300 kHz for the signal to be amplified at this time, low-frequency noise and high-frequency noise can be reduced.
[0044]
The signal output from the current amplifier (18) is input to a high-speed digital oscilloscope (15), where the time axis is triggered by a trigger signal from a previously input time delay generator (13). In this state, the signal is integrated 100 times or more using the integration function in the high-speed digital oscilloscope (15).
[0045]
By using the method and apparatus for measuring the optical response of a substance as described above, the change in reflectance or transmittance of a solid caused by non-equilibrium carriers and non-equilibrium lattice vibrations caused by laser pulse excitation can be performed at high speed and S / N. It is possible to measure with good ratio.
[0046]
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and embodiments of the present invention will be described in more detail. Of course, the present invention is not limited to the following examples, and it goes without saying that various aspects are possible in detail.
[0047]
【Example】
<Example 1>
FIG. 4 shows a time-resolved reflectance signal actually obtained in the semiconductor Si. The excitation light intensity is 52 mW (0.65 nJ / pulse), the laser wavelength is 400 nm, the width of the laser pulse is about 10 fs, and the number of integration is 1500 times. Also, by taking the time derivative of the signal, the slow signal component due to the photoexcited carrier is eliminated. The vibration component corresponds to lattice vibration (coherent phonon) having a uniform phase. The value of the change in reflectivity due to this coherent phonon is as small as 2 × 10 ⁻⁶ . This vibration mode corresponds to the optical phonon, and this frequency is about 15.2 THz as is apparent from the Fourier transform spectrum of the graph in the upper right inset of FIG. This is about 66 fs when converted to a time period.
[0048]
Therefore, the time-resolved measurement of the phonon excited state of semiconductor silicon having a reflectance (ΔR / R) of about 10 ⁻⁷ , which has been difficult until now by the invention of this application, is performed at high speed and with a good S / N ratio (signal noise level: ^10-8 ) It became possible to measure.
[0049]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the invention of this application, it is possible to measure the change in the reflectance or transmittance of a solid caused by non-equilibrium carriers and non-equilibrium lattice vibration generated by laser pulse excitation at high speed and with a good S / N ratio. Methods and apparatus for measuring the light response of a substance are provided.
[0050]
By using the invention of this application, it is possible to measure the optical response characteristics of a practical semiconductor material such as a Si semiconductor device, and to measure the carrier life of low-temperature-grown GaAs used in a terahertz band (10 ¹² Hz) electromagnetic wave generating device. It can be applied to good measurement.
[0051]
In addition, since the device for measuring the optical response of the substance of the invention of this application combines a versatile current amplifier, digital oscilloscope, and high-speed linear scan with an easy-to-understand system configuration, no complicated preparation is required to start up the system. Further, since the measurement time is shortened, practical use as an efficient physical property evaluation device is also possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram exemplifying an entire apparatus for measuring a light response of a substance according to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a main part of an apparatus for measuring a light response of a substance according to the present invention.
FIG. 3 is a graph showing a method of calibrating a time delay according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a time-resolved reflectance change due to coherent phonons of semiconductor Si and a Fourier transform spectrum of a phonon signal obtained by using the method of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 laser light source 2 femtosecond laser pulse light 3 mirror 4 beam splitter 5 excitation pulse light 6 probe light 7 wave plate 8 45 ° mirror 9 lens 10 solid sample 11 polarizer 12 retro mirror 13 time delay generator 14 position signal 15 (high speed ) Digital oscilloscope 16 Lens 17 Si-PIN photodiode 18 Current amplifier

Claims

Excitation pulse light that is femtosecond laser pulse light that is linearly polarized and modulated, and probe light that is femtosecond laser pulse light that is linearly polarized in a direction orthogonal to the polarization direction of the excitation pulse light or in a direction inclined by 45 °. Is irradiated to the solid sample in a state where one of the lights is time-delayed by the time delay circuit, and the intensity of the probe light reflected or transmitted in the solid sample whose reflectance or transmittance is changed by the excitation pulse light is reduced. In the measuring method, the repetitive operation of the time delay generator on the time delay circuit is performed at a high speed of 20 Hz or more and 100 Hz or less using high-speed linear scan, and the light of the probe light received by the photodiode after irradiating the solid sample is irradiated. The current output signal is taken into the current amplifier, amplified, and the amplified signal Method of measuring the optical response of the material, characterized in that the recording on the digital oscilloscope by triggering the position signal from the time delay generator in-loop.

2. The method according to claim 1, wherein the probe light is time-delayed.

3. The method according to claim 1, wherein the photodiode is a Si-PIN diode.

The optical response of the substance according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplitude of the scan in the time delay generator is 20 µm or more and 200 mm or less, and the scan frequency is 0.1 Hz or more and 1 kHz or less. Method.

5. The method according to claim 1, wherein the amplitude of the scan in the time delay generator is 1 mm to 5 mm and the scan frequency is 20 Hz to 100 Hz.

A retromirror coated with a metal mirror with a reflectivity of 80% or more is incorporated in the time delay circuit, and a femtosecond laser pulse having a pulse width of 1 to 200 femtoseconds, a pulse energy of 1 pJ to 1 J and a wavelength of 200 to 2000 nm. 5. The method according to claim 1, wherein the light is reflected by the retromirror in the same direction as the incident light.

The position signal, which is the voltage value of the time delay generator, is recorded by a digital oscilloscope, and this voltage waveform is
(Time axis) = (Position signal voltage value) x (Position signal sensitivity)
The optical response of the substance according to any one of claims 1 to 6, wherein the value is converted into a real-time value by using the following equation, and this is used as a time axis of a reflectance signal or a transmittance signal of the probe light. How to measure.

The signal of the photocurrent output from the photodiode is taken into the current amplifier and amplified by a factor of 10 ⁴ to 10 ^8. Then, the signal is integrated and recorded 1 to 10,000 times by a high-speed digital oscilloscope using the position signal from the time delay generator as a trigger. A method for measuring the optical response of a substance according to claim 1.

9. The method according to claim 1, wherein a signal to be amplified in the current amplifier is subjected to a band pass filter.

Change in reflectance or transmission of solid samples of semimetals, metals, semiconductors, dielectrics, molecular crystals, and their mixed crystals, superlattices, microcrystals, and nanocrystals due to coherent electronic and phonon excited states 10. The method for measuring the optical response of a substance according to claim 1, wherein the rate change is measured in a time-resolved manner.

An apparatus used in the method for measuring the optical response of a substance according to any one of claims 1 to 10, wherein the laser light source oscillates at least a femtosecond laser pulse light, a time delay circuit including a high-speed linear scan, A photodiode that receives the probe light after irradiating the solid sample, a current amplifier that captures and amplifies the photocurrent output signal of the probe light received by the photodiode, and an amplified signal that is output from the high-speed linear scan. A digital oscilloscope triggered and recorded by a position signal.

The apparatus for measuring the optical response of a substance according to claim 11, wherein the photodiode is a Si-PIN diode.

13. The apparatus for measuring the optical response of a substance according to claim 11, wherein a retromirror coated with a metal mirror having a reflectance of 80% or more is incorporated in the time delay circuit.