JP2008191041A - Spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力された光を分光する分光器に関する。特に、計測対象ないし試料のラマン散乱光を分光する分光器、及び該分光器を含み、計測対象ないし試料のラマン散乱光を利用してその分析を行う分光分析装置に関する。 The present invention relates to a spectroscope that separates input light. In particular, the present invention relates to a spectroscope that separates Raman scattered light of a measurement target or sample, and a spectroscopic analysis apparatus that includes the spectroscope and performs analysis using Raman scattered light of the measurement target or sample.
従来、ラマンスペクトルは、固体、液体、気体及びその混合物の分子振動スペクトル測定法において知られていて、物質の評価に用いられる。ラマン散乱光は微弱であるために、迷光の少ないスペクトルを得る分光器が必要である。特に、高性能マルチチャネル光検出器やレーザの発展とともに、励起光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去して微弱な信号光(ラマン散乱光)のみを検出する分光器の開発が求められている。 Traditionally, Raman spectra are known in molecular vibrational spectrum measurement methods for solids, liquids, gases and mixtures thereof and are used for the evaluation of materials. Since Raman scattered light is weak, a spectroscope that obtains a spectrum with little stray light is required. In particular, with the development of high-performance multi-channel photodetectors and lasers, it is necessary to develop spectrometers that detect only weak signal light (Raman scattered light) by separating and removing excitation light and Rayleigh scattered light with high efficiency. ing.
これまで、差分散型ダブル分光器或いはトリプル分光器を用いて、試料からの反射光やレイリー散乱光を信号光から分離、除去する試みが行われてきた。トリプル分光器を用いた分光分析装置の一例として、図9に示す様な装置が提案されている(特許文献1参照)。 Until now, attempts have been made to separate and remove reflected light and Rayleigh scattered light from a sample light using a differential dispersion type double spectrometer or triple spectrometer. As an example of a spectroscopic analyzer using a triple spectrometer, an apparatus as shown in FIG. 9 has been proposed (see Patent Document 1).
図9において、11は、例えば、アルゴンイオンレーザ等のレーザ発生装置であり、ハーフミラーHMを介して試料12に向け所定振動数を有したレーザ光を照射する。試料12は、レーザ光が照射されることによりラマン散乱を生じ、試料12の物質特性に対応した散乱光が放出される。放出された散乱光は、ハーフミラーHM、プリズムP1を介して集光光学系13に入射する。集光光学系13は、グラントムソンプリズム、偏光解消板、集光レンズ等より構成されている。集光光学系13は、後述する分光器14のF数と整合をとるために散乱光を集光するものであり、集光光学系13で集光された散乱光はプリズムP2を介して分光器14に入射される。分光器14としては、例えば、ポリクロメータ或いはモノクロメータが用いられ、入射光を分光する。本例では、トリプルポリクロメータを分光器14として用いている。ポリクロメータ14は、入射スリットS1、中間スリットS2、S3、回折格子G1〜G3-5、凹面鏡M1〜M7等により構成されている。入射した散乱光は、プリズムP3、凹面鏡M1を介して回折格子G1に入射し、回折格子G1で分散され、スリットS2上に結像される。このスリットの幅を適当に設定することにより、特定の周波数領域の光のみを通過させることができる。スリットS2を通過した光は、凹面鏡M3、M4を介して回折格子G2に入射する。回折格子G2は、前記回折格子G1に対して逆方向を向く様に配設された差分配置とされている。
In FIG. 9, 11 is a laser generator such as an argon ion laser, for example, which irradiates a sample 12 with laser light having a predetermined frequency via a half mirror HM. The sample 12 is subjected to Raman scattering when irradiated with laser light, and scattered light corresponding to the material characteristics of the sample 12 is emitted. The emitted scattered light is incident on the condensing
回折格子G2で回折された分散光は、凹面鏡M5を介してスリットS3に入射し、更に周波数特定がされた上で、凹面鏡M6、回折格子G3-5及び凹面鏡M7を介してCCD15の受光面に焦点を結ぶ。上記構成を有する分光器14は、計測する波長のみを取り出すバンドパスフィルタとしての機能を奏する。
分光器においては、上述した様に、試料からの反射光やレイリー散乱光を分離、除去し、微弱な信号光(ラマン散乱光)のみを高効率で得ることが望ましい。しかしながら、トリプル分光器を用いて、試料からの反射光やレイリー散乱光を信号光から分離、除去する場合、光学素子の数が多く、光学的透過率が相当に低くなる。従って、光の利用効率が低下するため、微弱な信号光(ラマン散乱光)のみを高効率で得ることは容易ではない。 In the spectroscope, as described above, it is desirable to separate and remove the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample, and to obtain only weak signal light (Raman scattered light) with high efficiency. However, when the triple spectroscope is used to separate and remove the reflected light and Rayleigh scattered light from the signal light, the number of optical elements is large and the optical transmittance is considerably reduced. Therefore, since the light use efficiency is lowered, it is not easy to obtain only weak signal light (Raman scattered light) with high efficiency.
上記課題に鑑み、励起光が照射される試料で散乱された散乱光を分光する本発明の分光器は、散乱光に含まれる励起光の波長成分を除去する波長カットフィルタと、波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有する。ここにおいて、前記波長カットフィルタは、リング状導波路を有するリング型光共振器、或いは少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器である。 In view of the above problems, the spectroscope of the present invention that separates scattered light scattered by a sample irradiated with excitation light includes a wavelength cut filter that removes a wavelength component of excitation light contained in the scattered light, and a wavelength cut filter. A spectroscopic element for obtaining a spectrum of the guided light. Here, the wavelength cut filter is a ring type optical resonator having a ring-shaped waveguide, or a stacked type optical resonator having a laminated structure of at least three layers and having at least one air layer.
また、上記課題に鑑み、本発明の分光分析装置は、励起光源と、集光光学系と、上記の分光器と、検出処理系とを有することを特徴とする。前記励起光源は、試料に向け光を照射する。前記集光光学系は、試料で散乱された散乱光を集光する。前記分光器は、集光光学系より散乱光を受ける。前記検出処理系は、分光器より出射されたスペクトルパターンを検出、処理する。 Moreover, in view of the said subject, the spectroscopic analyzer of this invention has an excitation light source, a condensing optical system, said spectroscope, and a detection processing system, It is characterized by the above-mentioned. The excitation light source irradiates the sample with light. The condensing optical system condenses the scattered light scattered by the sample. The spectroscope receives scattered light from a condensing optical system. The detection processing system detects and processes the spectral pattern emitted from the spectroscope.
本発明によれは、上記の如き波長カットフィルタを用いるので、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、微弱な信号光(ラマン散乱光)のみを高効率で得ることができる。 According to the present invention, since the wavelength cut filter as described above is used, the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample are separated and removed with high efficiency, and only weak signal light (Raman scattered light) is obtained with high efficiency. Can do.
以下に、本発明による分光器の一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態の分光器の上面図である。 An embodiment of a spectrometer according to the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1 is a top view of the spectrometer of the present embodiment.
本実施形態の分光器は、試料ないし計測対象からの散乱光の励起光成分をカットする波長カットフィルタ130と、このフィルタ130からの光を、コリメータ104を介して受けて該光のスペクトルを得る分光素子140を有する。本実施形態では、波長カットフィルタとして、リング状導波路102を含むリング型光共振器130を用いている。リング型光共振器130では、導波路101への入射光120からカットした光121が導波路121に導かれ、不要光がカットされた光122が導波路101の出射端から放出される。波長カットフィルタとしては、後述する様に、少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器を用いることもできる。
The spectroscope of this embodiment obtains a spectrum of the light by receiving the wavelength cut filter 130 for cutting the excitation light component of the scattered light from the sample or measurement object and the light from the filter 130 via the
また、本実施形態では、分光素子140は、フーリエ変換を利用するマイケルソン干渉計である。この構成により、光を波長ごとに分解せず、一括で検出することができるため、光の利用効率を向上することができる(後述する実施例1参照)。分光素子は、後述する様に、分散型の分光素子であっても構わない。分散型の分光素子としては、例えば、回折格子がある。この構成によって、フーリエ変換せずに、直接、スペクトルの波長を検出することができる(後述する実施例4参照)。
In the present embodiment, the
本実施形態の作用を、図2(a)乃至(c)を用いて説明する。図2(a)は、本実施形態の特徴である波長カットフィルタ130の透過特性を示し、図2(b)は、分光器に入射する光の波長の光強度分布を示し、図2(c)は、波長カットフィルタ130を透過した後の光の波長の光強度分布を示す。 The operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 (a) shows the transmission characteristics of the wavelength cut filter 130, which is a feature of the present embodiment, and FIG. 2 (b) shows the light intensity distribution of the wavelength of light incident on the spectrometer, and FIG. ) Shows the light intensity distribution of the wavelength of the light after passing through the wavelength cut filter 130.
図示しない試料に、所定の波長λ0のレーザ光が照射されることにより、試料から、波長λ0の反射光やレイリー散乱光が放出される。更に、試料の物質特性に対応して、波長λ0±Δλを有するラマン散乱光が放出される(Δλはラマンシフトである)。すなわち、図2(b)に示す様に、本実施形態の分光器に入射する試料からの散乱光には、試料からの反射光、レイリー散乱光、ラマン散乱光が含まれている。ラマン散乱光は、試料からの反射光やレイリー散乱光と比較して、非常に微弱である。そのため、ラマン散乱光を効果的に検出するためには、試料からの反射光やレイリー散乱光を分離、除去する必要がある。 By irradiating a sample (not shown) with laser light having a predetermined wavelength λ0, reflected light or Rayleigh scattered light having a wavelength λ0 is emitted from the sample. Further, Raman scattered light having a wavelength λ0 ± Δλ is emitted corresponding to the material property of the sample (Δλ is a Raman shift). That is, as shown in FIG. 2B, the scattered light from the sample incident on the spectroscope of this embodiment includes reflected light, Rayleigh scattered light, and Raman scattered light from the sample. Raman scattered light is very weak compared to reflected light from a sample or Rayleigh scattered light. Therefore, in order to effectively detect Raman scattered light, it is necessary to separate and remove reflected light and Rayleigh scattered light from the sample.
本実施形態の波長カットフィルタであるリング型光共振器130では、リング状導波路102が導波路101、103と隣接して形成されている。このリング状導波路102では、共振現象によって一定の波長間隔で光を導波路103に取り出すことができる。従って、導波路101に入射された光120は、その波長が共振波長に近い場合には、リング状導波路102と結合し、導波路103から出力される。一方、波長が共振波長から離れている場合には、導波路102との結合は弱く、導波路101の出射端から出力される。よって、波長カットフィルタ130の共振波長を、試料からの反射光やレイリー散乱光の波長λ0に設定することによって、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを導波路103から選択的に取り出すことができる。従って、ラマン散乱光を効率的に分光素子140に導入することができる。
In the ring-type optical resonator 130 that is a wavelength cut filter of this embodiment, a ring-
この様なリング状導波路102は、1000〜10000程度のQ値を実現できるため、共振波長の1/Q程度、つまり0.1〜1nm程度の狭い共振ピークを得ることができる。従って、導波路101への入射光から、非常に狭い帯域を持ったスペクトル(波長)の成分を除去することができる。よって、効果的に試料からの反射光やレイリー散乱光のみを分離、除去できる。
Since such a ring-shaped
前述した様に、図2(a)は、本実施形態の波長カットフィルタ130の特性を示している。この波長カットフィルタ130の光学特性では、2nm程度の半値幅で特定の波長成分をカットすることができる。減衰率は40db程度であり、特定の波長成分を10-3程度まで減少させることができる。波長カットフィルタ130がカットする波長を、試料からの反射光やレイリー散乱光の波長λ0に合わせておくことにより、図2(c)に示す様に、試料からの反射光及びレイリー散乱光の強度のみを低減することができる。そして、ラマン散乱光λ0±Δλを高効率で分光素子140に導入することができる。分光素子140からの光は、フォーカシング光学系109を経て検出器110に導かれて、そこで検出される。
As described above, FIG. 2A shows the characteristics of the wavelength cut filter 130 of the present embodiment. With the optical characteristics of the wavelength cut filter 130, a specific wavelength component can be cut with a half width of about 2 nm. The attenuation factor is about 40 db, and a specific wavelength component can be reduced to about 10 −3 . By adjusting the wavelength cut by the wavelength cut filter 130 to the wavelength λ0 of the reflected light or Rayleigh scattered light from the sample, the intensity of the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample as shown in FIG. Only can be reduced. Then, the Raman scattered light λ0 ± Δλ can be introduced into the
前述した如く、分光器の波長カットフィルタは、少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器にすることもできる。この場合の作用を説明する。この積層型光共振器は、膜を交互に積層した構造を有し、各膜の境界面で生じる多重反射光の干渉を利用して、特定の波長域の光のみを透過或いは反射するものである。この様に、積層型光共振器は、高屈折率材料膜と低屈折率材料膜を交互に繰り返した構造を有する。これらの膜の厚さdと屈折率nの積である光学的膜厚ndが、カットしたい波長λの1/2であれば、波長λの光の透過率は増加する。一方、光学的膜厚がカットしたい波長λの1/4であれば、波長λの光の反射率は増加する。 As described above, the wavelength cut filter of the spectrometer can be a laminated optical resonator having a laminated structure of at least three layers and having at least one air layer. The operation in this case will be described. This laminated optical resonator has a structure in which films are alternately stacked, and transmits or reflects only light in a specific wavelength region by using interference of multiple reflected light generated at the boundary surface of each film. is there. As described above, the laminated optical resonator has a structure in which a high refractive index material film and a low refractive index material film are alternately repeated. If the optical film thickness nd, which is the product of the thickness d and the refractive index n of these films, is ½ of the wavelength λ to be cut, the light transmittance at the wavelength λ increases. On the other hand, if the optical film thickness is ¼ of the wavelength λ to be cut, the reflectance of light having the wavelength λ increases.
この積層構造は、2枚の高反射層(M)を平行に配置し、その間にD(誘電体)層を配置したファブリ‐ペロー構造(M−D−M)としてもよい。D層の厚さdと屈折率nの積である光学的膜厚ndが、カットしたい波長λの1/2であれば、共振現象により波長λの光の透過率が増加する。一方、光学的膜厚ndがカットしたい波長λの1/4であれば、共振現象により波長λの光の反射率が増加する。高反射層Mは、金、銀、アルミニウム等の金属、或いは高屈折率材料と低屈折材料の繰り返し構造でもよい。D層は、非吸収材料である空気でよい。 This laminated structure may be a Fabry-Perot structure (M-D-M) in which two highly reflective layers (M) are arranged in parallel and a D (dielectric) layer is arranged therebetween. If the optical film thickness nd, which is the product of the thickness d of the D layer and the refractive index n, is ½ of the wavelength λ to be cut, the transmittance of light having the wavelength λ increases due to the resonance phenomenon. On the other hand, if the optical film thickness nd is 1/4 of the wavelength λ to be cut, the reflectance of light having the wavelength λ increases due to the resonance phenomenon. The high reflection layer M may be a metal such as gold, silver, or aluminum, or a repeating structure of a high refractive index material and a low refractive material. The D layer may be air, which is a non-absorbing material.
従って、積層型光共振器を波長カットフィルタとして用いることによって、非常に狭い帯域を持ったスペクトル(波長)の光を除去することができる。よって、入射光より、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを効果的に分離、除去できる。 Therefore, by using the laminated optical resonator as a wavelength cut filter, light having a spectrum (wavelength) having a very narrow band can be removed. Therefore, only the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample can be effectively separated and removed from the incident light.
上記積層型光共振器では、積層構造のうち、少なくとも一層が空気層であり、低屈折率材料膜として空気を使用することによって、様々な材料を高屈折率材料として使用できる。また、複数の材料を用いる必要がないため、作製が容易となる。更に、空気層は、光の吸収がないため、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを効果的に分離、除去できる。 In the laminated optical resonator, at least one layer of the laminated structure is an air layer, and various materials can be used as the high refractive index material by using air as the low refractive index material film. In addition, since it is not necessary to use a plurality of materials, manufacturing is facilitated. Furthermore, since the air layer does not absorb light, only the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample can be effectively separated and removed.
上述した様に、積層型光共振器は、除去波長を有する光を透過させる構成とすることができる。この構成により、光強度の強い、試料からの反射光やレイリー散乱光を除去した後の漏れ光が分光素子140に入射することを防止することができる(後述する実施例2参照)。 As described above, the laminated optical resonator can be configured to transmit light having a removal wavelength. With this configuration, it is possible to prevent leakage light having a high light intensity after removing reflected light or Rayleigh scattered light from the sample from entering the spectroscopic element 140 (see Example 2 described later).
他方、積層型光共振器は、除去波長を有する光を反射させる構成とすることもできる。この構成は、光共振器への入射光の偏光特性の違いを考慮せずに使用できる(後述する実施例3参照)。 On the other hand, the laminated optical resonator may be configured to reflect light having a removal wavelength. This configuration can be used without considering the difference in the polarization characteristics of the light incident on the optical resonator (see Example 3 described later).
複数の波長カットフィルタを有する構成とすることもできる。この構成により、試料からの反射光やレイリー散乱光を、より一層低減することができるため、より効率良く微弱な信号光を検出することができる(後述する実施例5参照)。 It can also be set as the structure which has a some wavelength cut filter. With this configuration, reflected light and Rayleigh scattered light from the sample can be further reduced, so that weak signal light can be detected more efficiently (see Example 5 described later).
波長カットフィルタの除去波長を連続的に変化させる波長走査部を有する構成とすることもできる。この構成により、試料に照射される励起光の波長が変化した場合でも、同じ分光器で微弱な信号光を検出することができる(後述する実施例4、実施例6参照)。 It can also be set as the structure which has the wavelength scanning part which changes the removal wavelength of a wavelength cut filter continuously. With this configuration, even when the wavelength of the excitation light applied to the sample changes, weak signal light can be detected by the same spectrometer (see Examples 4 and 6 described later).
また、波長カットフィルタ130と分光素子140が同一基板上に形成される構成とすることもできる。この構成により、分光器の小型化を可能にするとともに、光学素子間の光軸調整が不要ないし軽減されることとなる(後述する実施例1参照)。
Further, the wavelength cut filter 130 and the
前記分光器を、例えば図1の紙面に垂直な方向に積み重ねて、アレイ状に配列することもできる。この構成により、より多くの微弱な信号光を複数の検出器110に集めることができる。複数の検出器110で検出された信号は加算されて、目的に応じて処理系で適切に処理される。例えば、検出信号は、処理系において、データベースとして保存された種々の物質の分子振動スペクトルと比較されて、計測対象物の同定を行うことができる。また、励起光で計測対象物を走査し、処理系において、各走査点とそこからのラマン散乱光の検出信号を対応させてマッピング処理して、計測対象物に生じている応力分布をイメージ化することなどもできる。
For example, the spectrometers may be stacked in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1 and arranged in an array. With this configuration, more weak signal light can be collected in the plurality of
前記分光器は、試料に向け励起光を照射するレーザ光源と、該試料で散乱された散乱光を集光する集光光学系と、該分光器より出射されるスペクトルパターンを検出、処理する上記検出器110を含む検出処理系と共に、分光分析装置を構成できる。この構成により、高効率に試料からの反射光やレイリー散乱光を除去できる小型な分光分析装置を実現することができる(後述する実施例7参照)。
The spectroscope detects and processes a laser light source that irradiates a sample with excitation light, a condensing optical system that collects scattered light scattered by the sample, and a spectral pattern emitted from the spectroscope. A spectroscopic analyzer can be configured with a detection processing system including the
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
(実施例1)
実施例1の分光器について図1を用いて説明する。実施例1は、上記実施形態に対応する分光器に係る。本実施例の分光器は、入射光120から励起光(近赤外光)成分をカットする波長カットフィルタ130と、分光素子140を有する。本実施例では、波長カットフィルタとして、リング状導波路102を含むQ値の高いリング型光共振器130を用いている。分光素子140は、フーリエ変換を利用するマイケルソン干渉計である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to more specific examples.
(Example 1)
The spectroscope of Example 1 will be described with reference to FIG. Example 1 relates to a spectrometer corresponding to the above embodiment. The spectroscope of this embodiment includes a wavelength cut filter 130 that cuts an excitation light (near infrared light) component from
リング型光共振器130は、導波路101、導波路103、及び両導波路101、103に隣接して夫々所定の結合長でカップリングしたリング状導波路102で構成される。導波路101、102、103は、クラッド部で取り囲まれたコア部で形成されている。後述する様に、例えば、コア部はシリコンであり、下部クラッド部は酸化シリコンであり、上部クラッド部は空気である。コア部は、クラッド部より屈折率の高い材料であればよい。
The ring-type optical resonator 130 includes a
本実施例のリング型光共振器130では、共振現象によって一定の波長間隔で光を導波路103から取り出すことができる。リング型光共振器130の共振波長は、図示しない試料からの反射光とレイリー散乱光の波長に合わせてある。従って、導波路101から入射された光120の中で、波長が共振波長に近い試料からの反射光とレイリー散乱光は、リング型光共振器130と結合し、その波長成分は導波路103から出力される。一方、波長が共振波長から離れているラマン散乱光の場合には、リング型共振器130との結合は弱く、導波路101の出射端から出力される。こうして、共振波長である反射光とレイリー散乱光のみを導波路101から効果的に分離、除去することができる。
In the ring type optical resonator 130 of this embodiment, light can be extracted from the waveguide 103 at a constant wavelength interval due to a resonance phenomenon. The resonance wavelength of the ring type optical resonator 130 is adjusted to the wavelengths of reflected light and Rayleigh scattered light from a sample (not shown). Therefore, in the light 120 incident from the
前記実施形態の所でも述べた様に、本実施例のリング型光共振器130は、1000程度のQ値を有する。よって、共振波長の1/Q程度、つまり1nm程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例のリング型光共振器130の透過減衰率は40db程度であり、試料からの反射光やレイリー光の波長成分を10-3程度に低減させることができる。 As described in the above embodiment, the ring-type optical resonator 130 of this example has a Q value of about 1000. Therefore, it is possible to remove light having a spectrum having a narrow band of about 1 / Q of the resonance wavelength, that is, about 1 nm. Further, the transmission attenuation factor of the ring type optical resonator 130 of this embodiment is about 40 db, and the wavelength component of the reflected light or Rayleigh light from the sample can be reduced to about 10 −3 .
本実施例の分光素子であるマイケルソン干渉計140の主な構成を示す。マイケルソン干渉計140は、ビームスプリッタ106と2枚の平面鏡(固定鏡105、移動鏡107)で構成されている。平面鏡107は、ばね108に連結されており、光軸と平行に移動することができる。
The main structure of the
本実施例では、ばね108を駆動するアクチュエータの駆動力は、静電力である。図1において、ばね108の黒丸は、基板150への固定点を表し、その他の部位は可動である。ばね108は、固定くし歯108a、108b、108c、108d、及び可動くし歯108e、108f、108g、108hを有する。固定くし歯108a、108bと可動くし歯108e、108f間に静電力が働き、引き付け合うと、ばね108は、図1中の左方に移動する。また、固定くし歯108c、108dと可動くし歯108g、108h間に静電力が働き、引き付け合うと、ばね108は、図1中の右方に移動することができる。静電力は、制御回路により固定くし歯と可動くし歯間の電位差を制御することで生じさせられる。こうして、移動鏡107は、光軸に平行に移動することができる。アクチュエータとしては、電磁力、圧電エネルギー、熱膨張・収縮等の駆動力を利用したものでもよい。電磁力の場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、例えば、平面コイルと磁石(コイルの面に垂直な方向に着磁されている)を配置し、コイルへの電流を制御回路で制御することで駆動力が生じる。圧電エネルギーの場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、圧電素子を配置し、圧電素子への印加電圧を制御回路で制御することで駆動力が生じる。熱膨張・収縮の場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、ヒータと熱膨張・収縮材料を配置し、ヒータへの注入電流を制御回路で制御することで駆動力が生じる。
In this embodiment, the driving force of the actuator that drives the
ここでは、マイケルソン干渉計140は、例えば、後述のSOI(Silicon on Insulator)基板から一体形成することができる。平面鏡105、107には、金属膜等が成膜されている。リング型光共振器130を透過してビームスプリッタ106に入射した光122は、これにより、一部が透過光として移動鏡107の方向に透過し、残りが反射光として固定鏡105の方向に反射する。こうして、光122は2つに分割される。
Here, the
例えば、ビームスプリッタ106から移動鏡107までの距離をL1、同じく固定鏡105までの距離をL2としたとき、L1=L2の状態では、分割された 2光束は同じ位相で合成される。従って、強め合って、フォーカシング光学系109を経て検出器110(フォトダイオード)に出力される。また、移動鏡107が移動して(L1−L2)=λ/2の状態になると、逆位相で合成される。よって、打ち消し合って出力され、強度が0になる。更に移動鏡107が動いていったとき、L1とL2の差が波長λの倍数になったところで強め合い、λ/2の倍数になったところで弱め合うことになる。従って、移動鏡107を連続的に移動させて干渉計140からの出力光を観測すると、明暗の周期的な繰り返しとなる。
For example, when the distance from the
干渉計140に多くの波長の光を導入しても、夫々の波長成分ごとに変調された合成波(インターフェログラム)が出力される。そして、インターフェログラムに含まれている各周波数の信号強度を分析すれば、各波長の光の強度が分かる。
Even if light of many wavelengths is introduced into the
以上の構成の本実施例では、高いQ値を有し、狭い共振ピークを有するリング型光共振器130を波長カットフィルタとして用いることで、著しく微弱なラマン散乱光より、試料からの反射光とレイリー散乱光を高効率で分離、除去できる。これにより、信号光(ラマン散乱光)のみを検出することができる。また、本実施例では、分光素子をマイケルソン干渉計140としている。従って、光を波長ごとに分解せず、一括で検出できるため、光の利用効率を向上することができる。
In the present embodiment having the above-described configuration, the ring-type optical resonator 130 having a high Q value and a narrow resonance peak is used as a wavelength cut filter. Rayleigh scattered light can be separated and removed with high efficiency. Thereby, only signal light (Raman scattered light) can be detected. In this embodiment, the spectroscopic element is a
更に、本実施例の分光器は、例えば、同一基板150上に一体で形成することができる。この場合の分光器は、SOI基板を用いて作製することができる。SOI基板とは、シリコン基板と表面シリコン層の間に、SiO2(酸化シリコン)層を挿入した基板である。SiO2層は、リング型光共振器130の導波路の下部クラッド層として作用させることができる。表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、エッチングすることにより、コア部を作製する。このとき、上部クラッド層は、空気を用いる。分光素子140の各要素も、表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、エッチングすることにより作製することができる。各要素の反射面には、金属等の反射膜が成膜される。この作製法により、分光器の小型化を可能にするとともに、光軸調整の作業を軽減することができる。尚、可動な移動鏡107とばね108の可動部の部分は、SiO2層もエッチングして、シリコン基板から浮かせることとなる。
Furthermore, the spectroscope of the present embodiment can be integrally formed on the same substrate 150, for example. The spectroscope in this case can be manufactured using an SOI substrate. The SOI substrate is a substrate in which a SiO 2 (silicon oxide) layer is inserted between a silicon substrate and a surface silicon layer. The SiO 2 layer can act as a lower cladding layer of the waveguide of the ring optical resonator 130. A core part is produced by patterning and etching the surface silicon layer by photolithography. At this time, air is used for the upper cladding layer. Each element of the
本実施例によれは、上記の如き波長カットフィルタを用いるので、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、著しく微弱な信号光(ラマン散乱光)のみを高効率で分離、検出することができる。また、上記の如く同一基板上に一体で形成することで分光器の小型化も可能となる。 According to this embodiment, since the wavelength cut filter as described above is used, the reflected light and the Rayleigh scattered light from the sample are separated and removed with high efficiency, and only extremely weak signal light (Raman scattered light) is efficiently obtained with high efficiency. It can be separated and detected. Further, as described above, the spectroscope can be reduced in size by being integrally formed on the same substrate.
(実施例2)
実施例2の分光器について図3を用いて説明する。図3は、本実施例の分光器の上面図である。実施例2の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、波長カットフィルタとして、少なくとも一層の空気層を有する積層型光共振器330を用いている点が異なる。本実施例の光共振器330は、低屈折率材料膜として空気層301を用いている。また、高屈折率材料膜として、シリコン302を用いている。
(Example 2)
The spectroscope of Example 2 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a top view of the spectrometer of the present embodiment. The configuration and operational effects of the spectrometer of the second embodiment are substantially the same as those of the spectrometer of the first embodiment. The present embodiment is different in that a laminated
本実施例の分光器の作製方法は、実施例1の分光器と略同様である。SOI基板の表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、ドライエッチングすることにより、積層型光共振器330、分光素子340等を作製する。
The method of manufacturing the spectroscope of this example is substantially the same as the spectroscope of Example 1. The surface silicon layer of the SOI substrate is patterned by photolithography and dry-etched to produce a stacked
本実施例の光共振器330は、カットしたい波長λの1/2に光学的膜厚を設定している。従って、入射光320に含まれる、波長λを有する試料からの反射光やレイリー散乱光は、光共振器330を透過して、透過光321となり、ラマン散乱光を含む光は反射されて、不要光のカットされた反射光322となる。よって、試料からの反射光やレイリー散乱光を効果的に分離、除去することができる。
In the
本実施例の固定鏡305、ビームスプリッタ306、移動鏡307、ばね308、フォーカシング光学系309、検出器310は、実施例1のものと同様なものである。
The fixed
本実施例では、空気層を有する積層型光共振器330を波長カットフィルタとして用い、光共振器330からの反射光322を分光素子340に導入する。このことにより、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。本実施例では、光強度の強い、試料からの反射光やレイリー散乱光を除去した後の漏れ光は、透過光321に含まれるので、漏れ光が分光素子340に導入することを防止できる。
In this embodiment, the laminated
(実施例3)
実施例3の分光器について図4を用いて説明する。図4は、本実施例の分光器の上面図である。実施例3の分光器の構成、作用効果は、実施例2の分光器と略同様である。本実施例でも、波長カットフィルタとして、少なくとも一層の空気層を有する積層型光共振器430を用いている。本実施例の光共振器430の特徴は、低屈折率材料膜として空気層401を用い、高屈折率材料膜として酸化膜402を用いている点である。
(Example 3)
The spectroscope of Example 3 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a top view of the spectrometer of the present embodiment. The configuration and operational effects of the spectrometer of the third embodiment are substantially the same as those of the spectrometer of the second embodiment. Also in this embodiment, the laminated
本実施例の分光器の作製方法も、実施例1の分光器と略同様である。SOI基板の表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、ドライエッチングすることにより、積層型光共振器430、分光素子440等を作製する。
The method for manufacturing the spectrometer of the present embodiment is also substantially the same as that of the spectrometer of the first embodiment. The surface silicon layer of the SOI substrate is patterned by photolithography and dry-etched to manufacture the stacked
本実施例の積層型光共振器430は、光学的膜厚を、カットしたい波長λの1/4に設定している。従って、入射光420に含まれる、波長λを有する試料からの反射光やレイリー散乱光は、光共振器430により反射され、ラマン散乱光を含む光422は透過する。よって、試料からの反射光やレイリー散乱光を反射光421として分離、除去することができる。
In the laminated
本実施例の固定鏡405、ビームスプリッタ406、移動鏡407、ばね408、フォーカシング光学系409、検出器410も、実施例1のものと同様なものである。
The fixed
本実施例では、空気層を有する積層型光共振器430を波長カットフィルタとして用い、光共振器430からの透過光422を分光素子440に導入する。このことで、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。また、本実施例では、光共振器430に光420を垂直に入射させることができる。従って、この構成は、光共振器430への入射光420の偏光特性の違いを考慮せずに使用できる。
In this embodiment, a laminated
(実施例4)
実施例4の分光器について図5を用いて説明する。図5は、本実施例の分光器の上面図である。実施例5の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、分光素子として、回転可能な回折格子540を用いており、これはアルミ膜を表面に有する。また、波長カットフィルタとして、リング型光共振器530を用いている。
(Example 4)
The spectroscope of Example 4 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a top view of the spectrometer of the present embodiment. The configuration and operational effects of the spectrometer of the fifth embodiment are substantially the same as those of the spectrometer of the first embodiment. In this embodiment, a
本実施例のリング型光共振器530も、1000程度のQ値を有し、共振波長の1/Q程度、つまり1nm程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例のリング型光共振器530の透過減衰率も40db程度である。従って、試料からの反射光及びレイリー光の波長成分を10-3程度に低減させることができる。
The ring type
本実施例のリング型光共振器530も、導波路501、導波路503、及び両導波路501、503に隣接して夫々所定の結合長でカップリングしたリング状導波路502で構成されている。導波路501、502、503は、クラッド部で取り囲まれたコア部で形成されている。例えば、コア部はシリコンであり、下部クラッド部は酸化シリコンであり、上部クラッド部は空気である。本実施例のリング型光共振器530は、例えば、分光器の基板の裏面に設けられたヒータを含む波長走査部550を備える。これにより、リング状導波路502の温度を制御して、波長カットフィルタの除去波長を連続的に変化させることができる。よって、計測対象に照射される励起光の波長が変化した場合でも、同じ分光器で微弱な信号光を検出することができる。
The ring-type
回折格子による分光の原理を説明する。回折格子は、種々の波長が混ざった光を波長ごとに分けることができる。本実施例の回折格子540としては、通常の回折格子を用いることができて、例えば、多数の溝やスリットが配列された構造をしている(ここでは、多数の溝が形成されて、表面にアルミ膜が施されている)。種々の波長が混ざった光522が回折格子540に入射すると、波長ごとに決まった或る角度で光が強め合い、この強め合った光を取り出すことで波長選択ができる。回折格子540は回転可能であるので、検出部510に、様々な波長の光を導入することができる。検出部を多数配列することによって、回折格子540を固定して使うこともできる。
The principle of spectroscopy using a diffraction grating will be described. The diffraction grating can divide light mixed with various wavelengths for each wavelength. As the
本実施例でも、高いQ値を有するリング型光共振器530を波長カットフィルタとして用いる。このことで、微弱なラマン散乱光を含む入射光520から、試料からの反射光やレイリー散乱光を含む光521を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。また、分光素子を回折格子540としているので、フーリエ変換せずに、直接、スペクトルの波長を検出することができる。
Also in this embodiment, the ring type
(実施例5)
実施例5の分光器の構成について図6を用いて説明する。図6は、本実施例の分光器の上面図である。実施例5の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、二つのリング型光共振器630、631を光軸に沿って直列に並べた構成である点が異なる。
(Example 5)
The configuration of the spectrometer of the fifth embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a top view of the spectrometer of the present embodiment. The configuration and operational effects of the spectrometer of the fifth embodiment are substantially the same as those of the spectrometer of the first embodiment. This embodiment is different in that the two ring-type
本実施例の二つのリング型光共振器630、631は、夫々1000程度のQ値を有し、共振波長の1/Q程度、つまり1nm程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例の二つのリング型光共振器630、631の透過減衰率は40db程度である。従って、本実施例の様に二つのリング型光共振器630、631を直列に並べることによって、試料からの反射光やレイリー光の波長成分を10-6程度に低減させることができる。
The two ring type
本実施例の導波路601a,b、導波路603a,b、リング状導波路602a,b、コリメータ604、固定鏡605、ビームスプリッタ606、移動鏡607、ばね608、フォーカシング光学系609、検出器610は、実施例1と同様なものである。また、入射光620、カットした光621a,b、カットされた光622も、実施例1のものと同様なものである。
本実施例では、高いQ値を有し、狭い共振ピークを有するリング型光共振器を直列に並べて、波長カットフィルタとして用いる。このことで、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を更に高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。その他の点は、実施例1と同じである。尚、実施例2や実施例3においても、分光素子に導かれる光の光軸に沿って直列的に複数の積層型光共振器を配列して、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を更に高効率で分離、除去する構成としてもよい。 In this embodiment, ring type optical resonators having a high Q value and a narrow resonance peak are arranged in series and used as a wavelength cut filter. Thus, it is possible to separate and remove the reflected light and Rayleigh scattered light from the sample from the weak Raman scattered light, and detect only the signal light. The other points are the same as in the first embodiment. In Example 2 and Example 3 as well, a plurality of stacked optical resonators are arranged in series along the optical axis of the light guided to the spectroscopic element, and reflection from the sample from weak Raman scattered light. It may be configured to separate and remove light and Rayleigh scattered light with higher efficiency.
(実施例6)
実施例6の分光器について図7を用いて説明する。図7は、本実施例の分光器の上面図である。実施例6の分光器の構成、作用効果は、実施例2の分光器と略同様である。本実施例では、少なくとも一層の空気層701を有する積層型光共振器730が可動な構造を有している点で異なる。高反射層702、703は、金属膜(アルミ)である。波長走査部750の少なくとも一方の高反射層を平行移動させるアクチュエータとしては、前述した様な静電力、電磁力、圧電エネルギー、熱膨張・収縮等を利用したものが使用できる。その設け方についても、実施例1で説明した移動鏡107(これを上記高反射層に置き換えて考えればよい)のアクチュエータに準じて設ければよい。
(Example 6)
A spectroscope according to Example 6 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a top view of the spectrometer of the present embodiment. The configuration and operational effects of the spectrometer of the sixth embodiment are substantially the same as those of the spectrometer of the second embodiment. The present embodiment is different in that the laminated
本実施例の固定鏡705、ビームスプリッタ706、移動鏡707、ばね708、フォーカシング光学系709、検出器710、分光素子740も、実施例1と同様なものである。また、入射光720、カットした光721、カットされた光722も、実施例1のものと同様なものである。
The fixed
本実施例の光共振器730は、金属膜702と金属膜703のギャップが可変であるため、分離、除去する波長を変化させることができる。従って、図示しない試料へのレーザ励起光の波長が変化しても、試料からの反射光やレイリー散乱光を効果的に分離、除去することができる。その他の点は、実施例2と同じである。
In the
(実施例7)
図8は、上記分光器を用いた分光分析装置の実施例を示す図である。図8において、803はビームスプリッタであり、805は本発明の分光器である。本実施例の分光分析装置は、試料802に光810を照射する励起光源801、試料802からの散乱光を集光する集光光学系804、分光器805、分光器805からのスペクトルパターンを検出、処理する検出処理系806で構成される。励起光源801は、半導体レーザ、アルゴンイオンレーザなどのレーザ発生装置である。
(Example 7)
FIG. 8 is a diagram showing an embodiment of a spectroscopic analysis apparatus using the spectroscope. In FIG. 8, 803 is a beam splitter, and 805 is a spectrometer of the present invention. The spectroscopic analyzer of this embodiment detects the spectral pattern from the
上記構成において、励起光源801から出射された光は、ビームスプリッタ706を介して、試料802に入射する。試料802から発生した光には、反射光、レイリー散乱光、ラマン散乱光などが含まれる。この試料802から発生した光は、集光光学系804により集光され、本発明の分光器805に入射する。分光器805により分光された結果は、検出処理系806により分析することによって、ラマンシフトを検出することができる。本発明の分光器を用いることによって、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率に除去できる小型な分光分析装置を実現することができる。
In the above configuration, the light emitted from the
101、103、501、503、601a、601b、603a、603b 導波路
102、502、602a、602b リング状導波路
105、305、405、605、705 固定鏡
107、307、407、607、707 移動鏡
110、310、410、510、610、710 検出処理系(検出器)
130、530、630、631 波長カットフィルタ(リング型光共振器)
140、340、440、640、740 分光素子(マイケルソン干渉計)
301、401、701 空気層
330、430、730 波長カットフィルタ(積層型光共振器)
540 分光素子(回折格子)
550、750 波長走査部
801 励起光源(レーザ発生装置)
802 試料
804 集光光学系
805 分光器
806 検出処理系
101, 103, 501, 503, 601a, 601b, 603a, 603b waveguide
102, 502, 602a, 602b Ring-shaped waveguide
105, 305, 405, 605, 705 fixed mirror
107, 307, 407, 607, 707 Moving mirror
110, 310, 410, 510, 610, 710 Detection processing system (detector)
130, 530, 630, 631 Wavelength cut filter (ring type optical resonator)
140, 340, 440, 640, 740 Spectroscopic element (Michelson interferometer)
301, 401, 701 Air layer
330, 430, 730 wavelength cut filter (laminated optical resonator)
540 Spectroscopic element (diffraction grating)
550, 750 wavelength scanning section
801 Excitation light source (laser generator)
802 samples
804 Condensing optical system
805 Spectrometer
806 Detection processing system
Claims (9)
前記散乱光に含まれる前記励起光の波長成分を除去する波長カットフィルタと、前記波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有し、
前記波長カットフィルタは、リング状導波路を有するリング型光共振器であることを特徴とする分光器。 A spectroscope that scatters scattered light scattered by a sample irradiated with excitation light,
A wavelength cut filter for removing a wavelength component of the excitation light contained in the scattered light, and a spectroscopic element for obtaining a spectrum of light guided from the wavelength cut filter,
The wavelength cut filter is a ring type optical resonator having a ring-shaped waveguide.
前記散乱光に含まれる前記励起光成分を除去する波長カットフィルタと、前記波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有し、
前記波長カットフィルタは、少なくとも3層の積層構造を有し、且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器であることを特徴とする分光器。 A spectroscope that scatters scattered light scattered by a sample irradiated with excitation light,
A wavelength cut filter that removes the excitation light component contained in the scattered light, and a spectroscopic element that obtains a spectrum of light guided from the wavelength cut filter,
The wavelength cut filter is a multilayer optical resonator having a laminated structure of at least three layers and having at least one air layer.
且つ、前記積層型光共振器の反射光は、前記分光素子に導入されることを特徴とする請求項2に記載の分光器。 The transmitted light of the stacked optical resonator has a wavelength component of the excitation light to be removed,
3. The spectroscope according to claim 2, wherein the reflected light of the laminated optical resonator is introduced into the spectroscopic element.
且つ、前記積層型光共振器の透過光は、前記分光素子に導入されることを特徴とする請求項2に記載の分光器。 The reflected light of the laminated optical resonator has a wavelength component of the excitation light to be removed,
3. The spectroscope according to claim 2, wherein the transmitted light of the laminated optical resonator is introduced into the spectroscopic element.
前記試料で散乱された散乱光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系より前記散乱光を受ける請求項1乃至8のいずれか1項に記載の分光器と、
前記分光器より出射されたスペクトルパターンを検出、処理する検出処理系と、
を有することを特徴とする分光分析装置。 An excitation light source that emits light toward the sample;
A condensing optical system for condensing the scattered light scattered by the sample;
The spectroscope according to any one of claims 1 to 8, which receives the scattered light from the condensing optical system,
A detection processing system for detecting and processing a spectral pattern emitted from the spectroscope;
A spectroscopic analyzer characterized by comprising:
Priority Applications (1)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180019988A (en) * | 2016-08-17 | 2018-02-27 | 서강대학교산학협력단 | Simultaneous measurement method and system for raman signal and phase change |
-
2007
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