JP2012078200A - 分光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右それぞれの円偏光の分光データを一括取得する。
【解決手段】分光計測装置は、測定対象の光を左円偏光と右円偏光の２つに分離する円偏光スプリッター（３，４）と、スリットに入射した光を分光する分散素子及び分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器（１１）と、左円偏光、右円偏光を導く光ファイバー（６，９）と、光ファイバー（６，９）の出射側の端面から出射する２つの円偏光を分光器（１１）のスリットに集光するファイバー集光光学系（１０）とを備える。ファイバー集光光学系（１０）は、光ファイバー（６，９）の出射側の端面を、２つの円偏光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ２つの円偏光を２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、左右両方の円偏光を含む測定対象光を、左右それぞれの円偏光に分離した上でそれぞれの分光データを一括取得することを可能にする分光計測装置に関するものである。

従来から、非特許文献１や非特許文献２などに開示されているように、直線偏光子と、λ／４波長板で構成される偏光フィルターとを用いた分光測定が行われてきた。左右両方の円偏光の分光計測を行うためには、左右それぞれの偏光を通す２種類の偏光フィルターを準備して測定を行うか、もしくは１つの偏光フィルターしか用いない場合は磁場を反転させることによって測定を行う必要があるが、いずれの場合も２回の測定が必要であった。

I.V.Kukushkin，K.v.Klitzing and K.Eberl，"Enhancement of the skyrmionic excitations due to the suppression of Zeeman energy by optical orientation of nuclear spins"，Physical Review B，Volume 60，No. 4，pp.2554-2560，1999 G.Yusa，H.Shtrikman and I.Bar-Joseph，"Charged Excitons in the Fractional Quantum Hall Regime"，Physical Review Letters，Volume 87，No. 21，pp.216402-1-216402-4，2001

従来の手法では、１回の測定で左右どちらかの円偏光の分光データ、つまり部分情報しか得られないため、時間的に変動する測定対象に対しては左右両方の円偏光の分光データ、つまり完全情報を得られないという欠点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、左右それぞれの円偏光の分光データを一括取得することを目的とする。

本発明の分光計測装置は、測定対象となる光を左円偏光と右円偏光の２つに分離する円偏光スプリッターと、スリットに入射した光を分光する分散素子及びこの分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器と、前記円偏光スプリッターによって分離された左円偏光を導く第１の光ファイバーと、前記円偏光スプリッターによって分離された右円偏光を導く第２の光ファイバーと、前記第１、第２の光ファイバーの出射側の端面から出射する２つの円偏光を前記分光器のスリットに集光するファイバー集光光学系とを備え、前記ファイバー集光光学系は、前記第１の光ファイバーの出射側の端面と前記第２の光ファイバーの出射側の端面とを、前記２つの円偏光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ前記２つの円偏光を前記２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することを特徴とするものである。
また、本発明の分光計測装置の１構成例において、前記円偏光スプリッターは、測定対象となる光が入射するλ／４波長板と、このλ／４波長板を通過した光が入射する偏光ビームスプリッターとから構成され、前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッターとは、前記λ／４波長板の偏光方向の高速軸または低速軸が前記偏光ビームスプリッターの辺に対して４５°の角度を成すように配置されることを特徴とするものである。
また、本発明の分光計測装置の１構成例において、前記分光器は、前記スリットの開閉が可能なスリット開閉機構を備え、前記ファイバー集光光学系は、前記分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向が前記スリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、分離した２つの円偏光を同時に分光器内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に結像させることができるので、分離した２つの円偏光の分光データの取得を１回の測定で完了させることができ、光学特性が時間的に変動する測定対象について左右両方の円偏光の情報を得ることが可能となる。その結果、本発明では、現象の解明を進めることができる。また、本発明では、時間的変動のない測定対象についても測定時間を従来の１／２に短縮することができる。

また、本発明では、分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を設けることにより、スリットの幅を光スポットのサイズよりも狭めるようにすれば、２次元ＣＣＤアレイ上の横軸方向への光の広がりを狭めることができるので、測定の高分解能化を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る分光計測装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態における円偏光スプリッターの構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるファイバー集光光学系の構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるＦＣコネクターの正面図である。 本発明の実施の形態における分光器の構成を示す図である。 本発明の実施の形態において光ファイバーから分光器の２次元ＣＣＤアレイに至る光学系の模式図である。 本発明の実施の形態において光ファイバーの回動調整を説明する図である。 本発明の実施の形態において２次元ＣＣＤアレイによって撮影した像の例を示す図である。

［発明の原理］
本発明の光学系は、偏光ビームスプリッタと、λ／４波長板で構成される円偏光スプリッターとを使用して左右の円偏光を２方向に分離し、この分離した２つの光をそれぞれ独立に２本のファイバ端面に結像させて入射させ、この２本のファイバの他端を、２つの光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつＣＣＤアレイ受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することで、分離した２つの光を同時に分光器内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイ上の縦軸方向に独立して再結像させることを特徴とする。この光学系により、左右それぞれの円偏光に分離した上で、それぞれの分光データを一括して取得することができる。さらに、時間的変動のない測定対象に対しても、１回の測定でデータ取得が完了するため、測定時間の短縮が見込める。

［実施の形態］
図１は本発明の実施の形態に係る分光計測装置の構成を示すブロック図である。分光計測装置は、対物レンズ２と、λ／４波長板３と、偏光ビームスプリッター４と、レンズ５と、光ファイバー６と、ミラー７と、レンズ８と、光ファイバー９と、ファイバー集光光学系１０と、分光器１１とから構成される。

対物レンズ２は、試料１に焦点を結ぶ無限遠補正レンズであり、試料１からの測定対象となる光を平行光に変換する。
λ／４波長板３と偏光ビームスプリッター４とは、円偏光スプリッターとして機能し、対物レンズ２から入射した光を左円偏光と右円偏光の２つに分離する。図２は円偏光スプリッターの構成を示す図であり、対物レンズ２側から円偏光スプリッターを見た図である。図２において、１３はλ／４波長板３の高速軸、１４はλ／４波長板３の低速軸を示し、１５は円偏光スプリッターに入射する光の伝播方向を示している。図２に示すように、λ／４波長板３と偏光ビームスプリッター４とは、λ／４波長板３の偏光方向の高速軸（または低速軸）が偏光ビームスプリッター４の辺に対して４５°の角度を成すように配置される。

レンズ５は、円偏光スプリッターによって分離された左円偏光を光ファイバー６の入射側の端面に集光する。ミラー７は、円偏光スプリッターによって分離された右円偏光を反射し、レンズ８は、ミラー７によって反射された右円偏光を光ファイバー９の入射側の端面に集光する。こうして、左円偏光、右円偏光は、それぞれ光ファイバー６，９内を伝搬することになる。ここで、光ファイバー６，９の種類は問わず使用できる。特に、光ファイバー６，９として、コア径が数ミクロンメートルのシングルモードファイバーを使用した場合には、光ファイバー６，９のコアがピンホールとして働き、試料１の一部分の光を切り出すことが可能となり、ミクロの領域で左右円偏光を分離した上で、分光データを同時に取得できる光学系となる。

光ファイバー６の出射側の端面と光ファイバー９の出射側の端面とは、左円偏光と右円偏光の２つの円偏光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ２つの円偏光を分光器１１の２次元ＣＣＤアレイ受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置される。これにより、分離した２つの円偏光を同時に分光器１１内へ導入し、分光した後に２次元ＣＣＤアレイ上に独立して再結像させることができる。

図３はファイバー集光光学系１０の構成を示す図である。ファイバー集光光学系１０は、光ファイバー６，９に取り付けられるＦＣコネクター１００と、ＦＣコネクター１００を固定するファイバー固定具１０１と、光ファイバー６，９の端面から出射した２つの円偏光を反射するミラー１０２と、ミラー１０２によって反射された２つの円偏光をそれぞれ分光器１１のスリットに集光するミラー１０３とから構成される。図３における１０４は、分光器１１のスリットの位置を表している。

図４はＦＣコネクター１００の正面図であり、ミラー１０２側からＦＣコネクター１００の端面を見た図である。図４において、１０５はＦＣコネクター１００の本体であるフェルール、１０６は位置合わせ用のＦＣコネクターキー、１０７はダミーファイバー、１０８は接着剤である。２本の光ファイバー６，９は、複数本のダミーファイバー１０７と共にＦＣコネクター１００のフェルール１０５内に挿入され、接着剤１０８によって固定される。フェルール１０５の内径Ｄは例えば１．３〜１．４ｍｍ、光ファイバー６と９の間隔Ｉは例えば０．８〜０．９ｍｍである。以下、２本の光ファイバー６，９が並ぶ方向（図４の左右方向）をファイバー列方向と呼ぶ。光ファイバー６，９は、ファイバー列方向とＦＣコネクターキー１０６とが平行になるように配置される。

上記の間隔で光ファイバー６，９を配置し、光ファイバー６，９の端面から出射する２つの円偏光をそれぞれファイバー集光光学系１０によって集光することで、光ファイバー６，９によって伝播される像を分光器１１のスリットに等倍で結像することができる。

図５は分光器１１の構成を示す図である。分光器１１は、標準的なツェルニー・ターナー型の構成であり、幅の調節が可能なスリットを備えたスリット開閉機構１１０と、ファイバー集光光学系１０からスリットに入射した２つの円偏光を反射するミラー１１１と、ミラー１１１によって反射された２つの円偏光をそれぞれ波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子である回折格子１１２と、回折格子１１２によって分光された光を反射するミラー１１３と、ミラー１１３によって反射された光を受光する２次元ＣＣＤアレイ１１４とから構成される。スリット開閉機構１１０は、スリットを開閉する手段を有している。

ファイバー集光光学系１０から分光器１１のスリットに入射した２つの円偏光は、それぞれミラー１１１を経由して回折格子１１２に入射し、回折格子１１２によって分光された後に、ミラー１１３を経由して２次元ＣＣＤアレイ１１４の受光面上の別々の位置に入射する。回折格子１１２は、入射した円偏光をその波長に応じて２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向に分散させる。

ここで、ファイバー集光光学系１０によって分光器１１のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直であれば、スリット幅をスリット上の光のサイズよりも狭め、２次元ＣＣＤアレイ上の横軸方向への光の広がりを狭めることが可能となるので、測定の高分解能化につながり有利である。そこで、本実施の形態では、分光器１１のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向がスリットの開閉方向に対して垂直になるように、ＦＣコネクター１００を回動調整できる機構をファイバー固定具１０１に設けている。

図６は光ファイバー６，９から分光器１１の２次元ＣＣＤアレイ１１４に至る光学系の模式図である。実際のファイバー集光光学系１０は反射光学系であるが、図６では記載を容易にするためにファイバー集光光学系１０をレンズ１０９で表している。また、分光器内部の光路の記載を省略すると共に、２次元ＣＣＤアレイ１１４に入射する光をＣＣＤアレイの背面側から透視している。

図６において、１１５は分光器１１のスリット、１１６，１１７はそれぞれ光ファイバー６，９の端面から出射した光がファイバー集光光学系１０で集光されることによってスリット１１５の位置に形成された光スポットである。１１８，１１９はそれぞれ光ファイバー６，９の端面から出射した光が分光器１１に入射することによって２次元ＣＣＤアレイ１１４の受光面上に形成された光の像である。また、Ｌはファイバー列方向、ＳＸはスリット１１５の開閉方向、ＳＹはスリット１１５の開閉方向に垂直な方向、ＡＸは２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向、ＡＹは２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向である。２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向ＡＸは、スリット１１５の開閉方向ＳＸと平行であり、２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向ＡＹは、スリット１１５の開閉方向に垂直な方向ＳＹと平行である。

図７（Ａ）〜図７（Ｄ）は光ファイバー６，９（ＦＣコネクター１００）の回動調整を説明する図であり、スリット１１５上の光スポット１１６，１１７を示す図である。図７（Ａ）〜図７（Ｄ）において、Ｐはスリット１１５に集光される２つの光スポット１１６，１１７が並ぶ方向である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）は光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに垂直な方向からずれている場合を示している。スリット開閉機構１１０によってスリット１１５の幅を狭めようとすると、図７（Ｂ）に示すように光スポット１１６，１１７がスリット１１５から外れてしまうので、スリット１１５の幅を狭めることはできない。

そこで、前述のとおり、光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに対して垂直になるように、光ファイバー６，９（ＦＣコネクター１００）を回動させる。この回動は、ＦＣコネクター１００のフェルール１０５の中心軸（すなわち、図６の中心軸Ｃ、図４においては光ファイバー６と９の間に位置する軸であって図４の紙面に対して垂直な軸）を回動軸として実施すればよい。

図７（Ｃ）、図７（Ｄ）は、ファイバー固定具１０１による回動調整後の状態を示している。光スポット１１６，１１７が並ぶ方向Ｐがスリット１１５の開閉方向ＳＸに対して垂直になっているので、スリット１１５の幅を狭めたとしても、図７（Ｄ）に示すように光スポット１１６，１１７がスリット１１５から外れることがない。したがって、スリット１１５の幅を光スポット１１６，１１７のサイズよりも狭めることができる。スリット１１５の幅を光スポット１１６，１１７のサイズよりも狭めると、２次元ＣＣＤアレイ１１４上の横軸方向への光の広がりを狭めることができるので、測定の高分解能化を実現することができる。

図８は２次元ＣＣＤアレイ１１４によって撮影した像の例を示す図である。図８のＹ方向は２次元ＣＣＤアレイ１１４の縦軸方向ＡＹに対応し、図８のＸ方向は２次元ＣＣＤアレイ１１４の横軸方向ＡＸに対応している。そして、図８のＸ方向は波長を表している。図８における１６は右円偏光スペクトル、１７は左円偏光スペクトルである。このように、分光器１１内に導入された２つの円偏光は、分光された後に２次元ＣＣＤアレイ１１４上に独立に集光され、図８に示すように２次元ＣＣＤアレイ１１４上に分離した２つのスペクトルの帯として測定される。

したがって、２次元ＣＣＤアレイ１１４の出力信号のうち、左円偏光スペクトル１７と、右円偏光スペクトル１６を独立に読取装置に取り込み積算することで、左円偏光と右円偏光の２つの円偏光の分光データの同時取得が可能となる。
こうして、本実施の形態では、分離した２つの円偏光の分光データの取得が１回の測定で完了するので、光学特性が時間的に変動する測定対象について左右両方の円偏光の情報を得ることが可能となる。また、本実施の形態では、時間的変動のない測定対象についても測定時間を従来の１／２に短縮することができる。

本発明は、左右それぞれの円偏光の分光データを一括取得する技術に適用することができる。

１…試料、２…対物レンズ、３…λ／４波長板、４…偏光ビームスプリッター、５，８…レンズ、６，９…光ファイバー、７，１０２，１０３，１１１，１１３…ミラー、１０…ファイバー集光光学系、１１…分光器、１００…ＦＣコネクター、１０１…ファイバー固定具、１０５…フェルール、１０６…ＦＣコネクターキー、１０７…ダミーファイバー、１０８…接着剤、１１０…スリット開閉機構、１１２…回折格子、１１４…２次元ＣＣＤアレイ、１１５…スリット。

Claims (3)

1. 測定対象となる光を左円偏光と右円偏光の２つに分離する円偏光スプリッターと、
   スリットに入射した光を分光する分散素子及びこの分散素子によって分光された光を受光する２次元ＣＣＤアレイからなる分光器と、
   前記円偏光スプリッターによって分離された左円偏光を導く第１の光ファイバーと、
   前記円偏光スプリッターによって分離された右円偏光を導く第２の光ファイバーと、
   前記第１、第２の光ファイバーの出射側の端面から出射する２つの円偏光を前記分光器のスリットに集光するファイバー集光光学系とを備え、
   前記ファイバー集光光学系は、前記第１の光ファイバーの出射側の端面と前記第２の光ファイバーの出射側の端面とを、前記２つの円偏光による干渉の影響を受けない間隔であって、かつ前記２つの円偏光を前記２次元ＣＣＤアレイの受光面上の別々の位置に独立に集光可能な間隔で並べて配置することを特徴とする分光計測装置。
2. 請求項１記載の分光計測装置において、
   前記円偏光スプリッターは、測定対象となる光が入射するλ／４波長板と、このλ／４波長板を通過した光が入射する偏光ビームスプリッターとから構成され、
   前記λ／４波長板と前記偏光ビームスプリッターとは、前記λ／４波長板の偏光方向の高速軸または低速軸が前記偏光ビームスプリッターの辺に対して４５°の角度を成すように配置されることを特徴とする分光計測装置。
3. 請求項１または２記載の分光計測装置において、
   前記分光器は、前記スリットの開閉が可能なスリット開閉機構を備え、
   前記ファイバー集光光学系は、前記分光器のスリットに集光される２つの光スポットが並ぶ方向が前記スリットの開閉方向に対して垂直になるように、ファイバー列の方向を回動調整可能なファイバー固定具を備えることを特徴とする分光計測装置。