JP2023128431A - Optical measurement device and optical measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学測定装置および光学測定方法に関する。 The present invention relates to an optical measurement device and an optical measurement method.
高速の現象を観察、測定するために種々の技術が開発されている。例えば、瞬間的な発光を繰り返して対象物を撮影する、ストロボ撮影が一般に用いられている。しかし、ストロボ撮影は、必ずしも大きな時間分解能を有せず、例えば、f(フェムト)秒(10-15秒)オーダの超高速現象を測定することは困難である。このような超高速現象の一例として、レーザーの照射によって発生するプラズマの挙動が挙げられる。非特許文献1は、マイケルソン干渉計によって生成された、時間的に分離された2つのプローブ光を用いて、プラズマの挙動を測定する技術を開示する。
Various techniques have been developed to observe and measure high-speed phenomena. For example, strobe photography is commonly used to photograph an object by repeatedly emitting instantaneous light. However, strobe photography does not necessarily have a high time resolution, and it is difficult to measure extremely high-speed phenomena on the order of f (femto) seconds (10 −15 seconds), for example. An example of such an ultrafast phenomenon is the behavior of plasma generated by laser irradiation. Non-Patent
しかしながら、非特許文献1の技術は、2つのプローブ光間の時間遅延の正確性、安定性に欠ける。また、時間的な再結合を省略させるために超狭帯域の干渉フィルターを使っているため、得られる像のコントラストも、良好とは言い難い。
However, the technique of
本発明の一態様は、対象物の高速変化の測定精度を向上させた光学測定装置および光学測定方法を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide an optical measurement device and an optical measurement method that improve the accuracy of measuring high-speed changes in a target object.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であって、偏光が入射される第1の位相板と、前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、を備え、前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する。 In order to solve the above problems, an optical measurement device according to one aspect of the present invention is an optical measurement device that optically measures temporal changes in an object, and includes a first phase plate into which polarized light is incident. a second phase plate that faces the first phase plate with the object in between, and into which the polarized light emitted from the first phase plate and that has passed through the object is incident; an analyzer into which the polarized light emitted from the second phase plate is incident; The second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized lights and outputs a composite polarized light that is a combination of the first and second polarized lights.
本発明の一態様によれば、対象物の高速変化の測定精度を向上させた光学測定装置および光学測定方法を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide an optical measuring device and an optical measuring method that improve the accuracy of measuring high-speed changes in a target object.
以下、本発明の実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態に係る光学測定装置10を表す。光学測定装置10は、対象物OBの時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であり、例えば、対象物OBを拡大して表す顕微鏡として、機能する。
Embodiments of the present invention will be described below. FIG. 1 depicts an
対象物OBは、超高速(例えば、f(フェムト)秒オーダ、10f秒オーダ以下)で変化が生じ得るものである。対象物OBの一例として、レーザーウェークを挙げることができる。レーザーウェークは、超強度レーザー光をガスに照射することで発生する、レーザー光の伝搬経路に沿う、電子プラズマの粗密波である。レーザーウェークの粗密状態は、極めて短い時間間隔で変化する。この時間間隔(変化時間Tc)は、一例として、15[f秒]である。 The object OB can change at extremely high speed (for example, on the order of f (femto) seconds, on the order of 10 f seconds or less). An example of the object OB is a laser wake. A laser wake is a compression wave of electron plasma that is generated by irradiating a gas with ultra-intense laser light and follows the propagation path of the laser light. The density state of the laser wake changes in extremely short time intervals. This time interval (change time Tc) is, for example, 15 [f seconds].
光学測定装置10は、光源11、偏光子(偏光板)12a、検光子(偏光板)12b、位相板13a、13b、レンズ14a~14d、フィルター15、および撮像器16を有する。なお、レーザー光L0の光軸Aの方向をZ軸とするXYZ座標が設定される。
The
光源11は、レーザー光L0を出射する。光源11は、連続発振(CW)レーザーまたはパルスレーザーのレーザー光源を用いることができる。パルスレーザーとして、例えば、チタン(Ti)・サファイア(Sapphire)・レーザー(以下、「TiSレーザー」と称する)を用いることができる。TiSレーザーは、気体の非線形光学効果を利用して、広帯域化、かつ短パルス化された直線偏光を発生することができる。
The
レーザー光L0の光軸A上に、偏光子12a、位相板13a、対象物OB、レンズ14a、位相板13b、検光子12b、レンズ14b~14d、フィルター15、および撮像器16が順に配置される。
A
偏光子12aおよび検光子12bは、入射した光に含まれる、直線偏光成分を通過させる。偏光子12aおよび検光子12bはそれぞれ、偏光軸Da、Dbを有し、偏光軸Da、Dbに平行な偏光方向の直線偏光を通過させる。検光子12bは、位相板13b(第2の位相板)から出射される偏光L3が入射される検光子として機能する。
The
偏光子12aの偏光軸Daは、光源11から出射されるレーザー光L0の偏光方向に沿う。偏光子12aは、光源11の前に設置され、レーザー光L0に含まれる偏光軸Daに直交する偏光成分(偏光ノイズ)を除去する。
The polarization axis Da of the
検光子12bの偏光軸Dbは、偏光子12aの偏光軸Daと直交する。偏光軸Da、Dbのなす角度は、例えば、90°±12°の範囲である。ここでは、分かり易さのために、偏光子12aの偏光軸DaをY軸方向、検光子12bの偏光軸DbをX軸方向としている。
The polarization axis Db of the
偏光子12aおよび検光子12bは、例えば、薄膜、ダイクロイックガラスから構成できる。以下に説明するように、光源11にパルスレーザーを用いる場合、偏光子12a、検光子12bをそれぞれ、薄膜偏光板、ダイクロイックガラス偏光板とすることが好ましい。
The
偏光子12aを薄膜偏光板とするのは、偏光子12aを出射した後のレーザー光L1のパルス幅を維持するためである。すなわち、偏光子12aをダイクロイックガラスから構成すると、偏光子12a中でレーザー光のパルス波形が崩れ、偏光子12aから出射されるレーザー光L1のパルス幅は、レーザー光L0の本来のパルス幅から広がる傾向にある。このパルス幅の広がりは、超高速での対象物OBの観察を阻害する可能性がある。後述のように、レーザー光のパルス幅PWは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましいからである。すなわち、パルス幅が広がり、変化時間Tcより大きくなると、超高速での対象物OBの観察が阻害されることになる。
The reason why the
検光子12bをダイクロイックガラスとするのは、偏光抽出性が良好なダイクロイックガラスを用いて、像のコントラストを向上するためである。偏光子12aと異なり、検光子12bに起因するパルス幅の広がりは、超高速での対象物OBの観察を阻害することはない。レーザー光のパルス幅は、対象物OBを通過するときに問題となり、対象物OBを通過した後で、パルス幅が広がっても、対象物OBの観察に影響を及ぼさない。
The reason why the
なお、光源11からのレーザー光L0のパルス幅への影響が小さければ、偏光子12aに薄膜偏光板以外の部材を用いてもよい。
Note that, as long as the influence on the pulse width of the laser beam L0 from the
以上は、光源11に、パルス幅が極めて狭い(例えば、f秒オーダ)パルスレーザーを用いる場合における説明である。光源11に、パルス幅がある程度以上広い光源を用いる場合、またはCWレーザーを用いる場合、偏光子12aおよび検光子12bに適宜の材料を用いることができる。例えば、偏光子12a、検光子12bの双方をダイクロイックガラス偏光板としてもよい。
The above is a description of the case where a pulsed laser having an extremely narrow pulse width (for example, on the order of f seconds) is used as the
位相板13a、13bは、非等方性の複屈折材料(例えば、複屈折結晶)から構成され、入射光に位相差を付与する。位相板13aは、偏光L1が入射される第1の位相板として機能する。位相板13bは、対象物OBを挟んで、位相板13a(第1の位相板)と対向する。位相板13bは、位相板13a(第1の位相板)から出射され、かつ対象物OBを通過した偏光L2が入射される第2の位相板として機能する。
The
位相板13aは、入射光に位相差ΔF(時間差ΔT)を付与する。一方、位相板13bは、入射光に付与された位相差ΔF(時間差ΔT)を解消(低減)する。後述のように、位相板13aは、入射された偏光L1を偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光、後述の図2参照)へと分解して、時間差ΔT(所定の時間差)で、出射する。また、位相板13bは、偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光)間の時間差ΔT(所定の時間差)を解消して、第1、第2の偏光を合成した偏光L3(合成偏光)を出射する。
The
位相板13aが付与する位相差ΔF、時間差ΔTは、次の式(1)、(2)によって規定される。
ΔF=(2π・Δn・d)/λ …… 式(1)
ΔT=c/(Δn・d) …… 式(2)
λ: レーザー光L0の波長(中心波長)
Δn: 位相板13aの(異方性)屈折率差(=ne-no)
ne: 位相板13aの異方性軸Sa方向での屈折率
(後述の偏光W2a(第1の偏光)に対する屈折率)
no: 異方性軸Saに垂直な方向での屈折率
(後述の偏光W2b(第2の偏光)に対する屈折率)
d: 位相板13aの厚さ
c: 光の速度
The phase difference ΔF and time difference ΔT provided by the
ΔF=(2π・Δn・d)/λ... Formula (1)
ΔT=c/(Δn・d)... Formula (2)
λ: Wavelength of laser beam L0 (center wavelength)
Δn: (anisotropic) refractive index difference (=ne-no) of the
ne: refractive index in the anisotropic axis Sa direction of the
(Refractive index for polarized light W2a (first polarized light) described below)
no: refractive index in the direction perpendicular to the anisotropy axis Sa
(Refractive index for polarized light W2b (second polarized light) described below)
d: Thickness of
位相差ΔF(時間差ΔT)を解消(低減)するために、位相板13bは、位相差ΔF、時間差ΔTに対して、絶対値が略同一で、符号が逆の位相差ΔF2、時間差ΔT2を付与する(ΔF+ΔF2≒0、ΔT+ΔT2≒0)。すなわち、位相板13a、13bの異方性屈折率差Δn、厚さdの積「Δn・d」は、略等しく、かつ位相板13bの異方性軸Sbは、位相板13aの異方性軸Saと略直交するように設定される。
In order to eliminate (reduce) the phase difference ΔF (time difference ΔT), the
なお、位相板13aの異方性軸Saは、偏光子12aの偏光軸Da(ここでは、Y軸)に対して、略45°の角度θaをなし、位相板13bの異方性軸Sbは、偏光子12aの偏光軸Da(ここでは、Y軸)に対して、角度-θbをなす(θa+θb≒90°)。
Note that the anisotropic axis Sa of the
位相板13a、13bは、同一の厚さの同一の材料から構成されることが好ましい。波長依存性も含めて特性が同一の材料を用いて、位相差の付与、解消を確実に行うためである。この材料として、例えば、水晶(Quartz)を用いることができる。例えば、レーザー光L0の波長λが、800[nm]の場合、位相板13a、13bとして、厚み180μmの水晶(Quartz)を用い、位相差ΔFを約4π(2λに相当)とすることができる。
Preferably, the
レンズ14aは、対象物0Bと位相板13b(第2の位相板)との間に配置され、対象物0Bを拡大して表すための対物レンズとして機能する。レンズ14aとして、例えば、数倍から数百倍の倍率(一例として、無限遠での補正倍率10倍)のレンズを用いることができる。
The
レンズ14bは、例えば、チューブレンズであり、レンズ14a(対物レンズ)と組み合わされて、対象物OBの像を形成する。
The
レンズ14c、14dは、レンズ14a、14bによって形成された像を転送するためのレンズであり、レンズ14bと撮像器16との間の距離が離れている場合に用いられる。
フィルター15は、光源11からのレーザー光L0以外の外光を除去するための狭帯域フィルターであり、レーザー光L0の波長λの光を通過し、波長λ以外の波長の光を通過しない波長特性を有する。フィルター15の帯域幅を、例えば、10ナノメートル(半値全幅)と狭くすることで、測定のS/N比を向上することができる。
The
撮像器16は、対象物OBの時間的変化を撮像するイメージセンサである。撮像器16は、時間差ΔTを有する偏光を用いて形成された、対象物OBの時間的変化を表す像を記録する。
The
(光学測定装置10の動作)
以下、光学測定装置10の動作を説明する。図2は、位相板13a、13bの付近を拡大して表す図である。特に、位相板13a、13bの付近が拡大して表される。図2の(a)は、図1に対応する斜視図であり、(b)は(a)を横から見た状態を表す模式図である。以下、図2に基づき、光学測定装置10の動作を説明する。なお、レンズ14aは、以下に説明するレーザー光L1~L4の推移に実質的な影響を与えないため、図2上から省略されている。
(Operation of optical measurement device 10)
The operation of the
既述のように、光源11から出射され、偏光子12aを通過したレーザー光L1が偏光子12aに入射される。詳細には、レーザー光L1は、偏光子12aの偏光軸Daの方向(ここでは、Y軸の方向)に振動する電場を有する偏光(電磁波)W1である。
As described above, the laser beam L1 that is emitted from the
位相板13aに入射された偏光W1は、2つの異なる振動方向をそれぞれ有する2つの偏光W2a、W2bに分離して、出射される。偏光W2aは、位相板13aの異方性軸Saの方向に振動し、偏光W2bは、異方性軸Saに垂直な方向(ここでは、位相板13bの異方性軸Sbの方向)に振動する。偏光W2a、W2bは、位相板13aによって規定される時間差ΔTを有する。すなわち、偏光W2bが先に位相板13aから出射され、その後、時間差ΔTの経過後、偏光W2aが位相板13aから出射される。
The polarized light W1 incident on the
位相板13aから出射された偏光W2a、W2bは、順次、対象物OB内を通過して、位相板13bに到達する。ここで、時間差ΔTの間に、(1)対象物OBの状態が変化しない場合、(2)対象物OBの状態が変化する場合の双方を考える。
The polarized lights W2a and W2b emitted from the
対象物OBの状態が時間差ΔTの間に変化しない場合、位相板13bに入射した偏光W2a、W2bは、時間差ΔTが解消されて、合成される。その結果、位相板13bから偏光W3(合成された偏光)が出射される。この偏光W3は、位相板13aによって位相差が付与される前の偏光W1と同一の偏光状態である。この偏光W3は、検光子12bに入射し、検光子12bの偏光軸Db方向に振動する偏光W4が出射される。ここでは、偏光W3は、偏光軸Daの方向に振動する直線偏光であり、偏光軸Db方向の振動成分を有しないため、偏光W4の強度は実質的にゼロとなる。
When the state of the object OB does not change during the time difference ΔT, the polarized lights W2a and W2b incident on the
一方、対象物OBの状態(例えば、屈折率、透過率)が時間差ΔTの間に変化する場合、この変化は偏光W2a、W2bに位相差、強度差を付与する。このため、位相板13bに入射した偏光W2a、W2bは、時間差ΔTが解消されて、合成されても、偏光W3とは異なった偏光W3aとなる。この偏光W3aは、直線偏光であるW3と異なり、一般に、楕円偏光となる。すなわち、偏光W3aは、偏光軸Db方向の振動成分、すなわち、偏光軸Db方向の振幅ΔIxを有する。この結果、検光子12bに入射した偏光W3aは、振幅ΔIxを有する偏光W4aとして、出射される。
On the other hand, when the state (for example, refractive index, transmittance) of the object OB changes during the time difference ΔT, this change imparts a phase difference and an intensity difference to the polarized lights W2a and W2b. Therefore, even if the time difference ΔT is canceled and the polarized lights W2a and W2b incident on the
以上のように、時間差ΔTでの対象物OBの状態変化に応じて、偏光W4(W4a)の強度が変化する。これにより、時間差ΔTでの対象物OBの状態変化が測定される。すなわち、偏光W3(合成偏光)は、偏光L1に対して、時間差ΔT(所定の時間差)での対象物OBの変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。この結果、光学測定装置10は、時間差ΔT(所定の時間差)のオーダ以下での対象物OBの時間的変化を測定する。
As described above, the intensity of the polarized light W4 (W4a) changes according to the change in the state of the object OB with the time difference ΔT. Thereby, the state change of the object OB with the time difference ΔT is measured. That is, the polarized light W3 (combined polarized light) has at least one of a phase difference or an intensity difference, which corresponds to a change in the object OB with a time difference ΔT (predetermined time difference), with respect to the polarized light L1. As a result, the
なお、この位相差は、時間差ΔT(所定の時間差)での対象物OBの屈折率または密度の変化に対応する。対象物OBの密度の変化は、例えば、気体や遮断周波数より遙かに低い密度のプラズマのような物質では、屈折率が密度の関数であるため、実質的に対象物OBの屈折率の変化として機能し、位相差をもたらす。 Note that this phase difference corresponds to a change in the refractive index or density of the object OB with a time difference ΔT (predetermined time difference). For example, in a substance such as a gas or a plasma whose density is far lower than the cutoff frequency, the change in the density of the object OB is essentially a change in the refractive index of the object OB , since the refractive index is a function of density. It acts as a change and brings about a phase difference.
上記の説明は、レーザー光L0がパルス光であることを前提としていない。レーザー光L0がパルス光である場合は、次のように、光学測定装置10の動作を説明できる。すなわち、位相板13a(第1の位相板)は、レーザー光L0(パルス光)を、偏光W2a、W2b(第1、第2の偏光)にそれぞれ対応する、第1、第2のパルス光に、分割して、出射する。第1、第2のパルス光は、対象物OB内を時間差ΔT(所定の時間差)で、通過する。位相板13b(第2の位相板)は、時間差ΔTを解消して、第1、第2のパルス光を再結合して、偏光W3(再結合パルス光)として、出射する。偏光W3(再結合パルス光)は、偏光W1(パルス光)に対して、時間差ΔTでの対象物OBの変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。
The above description does not assume that the laser light L0 is pulsed light. When the laser light L0 is pulsed light, the operation of the
以上のように、本実施形態では、位相板13a、13bを用いて時間差ΔTを発生することで、時間差ΔTのオーダ以下の超高速現象を測定することができる。例えば、時間差ΔTをf(フェムト)秒オーダ以下として、対象物OBの10f秒オーダ以下での時間的変化を測定することができる。また、時間差ΔTを0.1p(ピコ)秒オーダ以下として、対象物OBのp秒オーダ以下での時間的変化を測定してもよい。
As described above, in this embodiment, by generating the time difference ΔT using the
すなわち、偏光W1を時間差ΔTを有する偏光W2a、W2bに分離して、対象物OB内を追加させた後に、時間差ΔTを解消して合成することにより、対象物OBの時間的変化に対応する強度を有する偏光W4を差分信号として得ることができる。この結果、f(フェムト)秒スケールの超高速現象における、鮮明な時間差分像を取得できる。強度が高く、S/N比の高い信号による高精度での測定が可能となる。 That is, by separating the polarized light W1 into polarized light W2a and W2b having a time difference ΔT, adding the inside of the object OB, and then combining them after eliminating the time difference ΔT, the intensity corresponding to the temporal change of the object OB can be obtained. It is possible to obtain polarized light W4 as a differential signal. As a result, a clear time difference image can be obtained in ultra-high-speed phenomena on the f (femto) second scale. Highly accurate measurement is possible using signals with high intensity and high S/N ratio.
本実施形態では、位相板13a、13bを複屈折性材料から構成することで、複屈折性材料の屈折率差(Δn=ne-no)を用いて、時間差ΔTを高精度、例えば、アト秒オーダとすることができる。
In this embodiment, by configuring the
時間差ΔTは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましい。時間差ΔTが対象物OBの変化時間Tcより大きいと、対象物OBの時間的変化を測定する精度が大きく低下する。なお、時間差ΔTは、変化時間Tcに対して、あまりにも小さすぎると、S/N比が小さくなるので、一定のS/N比を確保できる程度までの、大きさとすることが好ましい。 It is preferable that the time difference ΔT is less than or equal to the change time Tc of the object OB. If the time difference ΔT is larger than the change time Tc of the object OB, the accuracy of measuring the temporal change of the object OB will be greatly reduced. Note that if the time difference ΔT is too small with respect to the change time Tc, the S/N ratio will become small, so it is preferable to set the time difference ΔT to a size that can ensure a constant S/N ratio.
光源11にパルスレーザーを用いる場合、レーザーのパルス幅PWは、対象物OBの変化時間Tc以下であることが好ましい。パルス幅PWが対象物OBの変化時間Tcより大きいと、対象物OBの時間的変化を測定する精度が低下する。すなわち、パルス幅PWの上限を適宜に設定することで、対象物OBの時間的変化の測定精度を確保できる。なお、パルス幅PWは、変化時間Tcに対して、あまりにも小さすぎると、S/N比が小さくなるので、一定のS/N比を確保できる程度までの、大きさとすることが好ましい。
When a pulsed laser is used as the
レーザーのパルス幅PWと時間差ΔTとを同一オーダ程度とすることが好ましい。時間差ΔTとパルス幅PWの双方を有効に利用して、測定の精度を向上することができる。後述の実施例に示すように、例えば、パルス幅:8[f秒]のレーザーパルスを5[f秒]の時間差ΔTを有する2つのパルスに分割することで、対象物OBの時間間隔15[f秒]の変化を測定できる。 It is preferable that the laser pulse width PW and the time difference ΔT are on the same order of magnitude. By effectively utilizing both the time difference ΔT and the pulse width PW, measurement accuracy can be improved. As shown in the examples below, for example, by dividing a laser pulse with a pulse width of 8 [f seconds] into two pulses having a time difference ΔT of 5 [f seconds], the time interval of the object OB is 15 [f seconds]. f seconds] can be measured.
位相板13a、13bを同一の材料から構成することで、位相板13a、13bの波長依存性の相違を実質的に解消することができる。特に、レーザー光L0にパルス幅の狭いパルス光を用いると、レーザー光L0の波長λの幅が大きくなり、位相板13a、13bの波長依存性が問題となる可能性がある。位相板13a、13bを同一の材料から構成することで、この問題に対処できる。
By constructing the
(変形例)
本発明の変形例を説明する。変形例では、対象物OBの像を拡大するためのレンズ14a等を用いず、対象物OBの時間的変化を測定する時間微分干渉計を構成する。
(Modified example)
A modification of the present invention will be explained. In a modified example, a time differential interferometer that measures temporal changes in the object OB is configured without using the
(実施例)
以下、実施例を説明する。図3は、レーザーの照射によって発生するレーザーウェークを観察するための光学測定装置10を表す。実施例に係る光学測定装置10は、実施形態に係る光学測定装置10に光源11aを追加して構成される。なお、図1と同様の要素は同一の番号を付し、説明を省略する。
(Example)
Examples will be described below. FIG. 3 shows an
ここでは、測定する対象物OBをレーザーウェークとした。すなわち、光源11aからの超高強度レーザー光Laを気体に照射することで、レーザーウェークを発生させた。ここで、副次的に、電子ビームEも発生する。既述のように、レーザーウェークは、レーザー光Laの伝搬経路に沿って(ここでは、X軸に沿って)形成される電子プラズマの粗密波である。粗密波の電場勾配によって、電子が加速され、電子ビームEとして出射される。ここでは、時間スケール(周期)が約15[f秒]のレーザーウェークを用いた。
Here, the object OB to be measured is a laser wake. That is, a laser wake was generated by irradiating the gas with ultra-high intensity laser light La from the
光源11として、次の仕様のTiSレーザーを用いた。すなわち、光源11から出射されるレーザー光L0を「中心波長λ:800[nm]、パルス幅PW:8[f秒]、最大エネルギー:100[μJ]」とした。
As the
位相板13a、13bは、厚み180μmの水晶(Quartz)を用い、位相差ΔFを約4π(2λ相当)とした。この結果、時間差ΔTは、5[f秒]となる。
The
レンズ14aは、無限遠での補正倍率10倍の対物レンズとし、レンズ14bは、f(焦点距離)=200mmの非球面レンズのチューブレンズ、レンズ14c、14dは、それぞれ、f=100、150mmのレンズを用いた。フィルター15は、10ナノメートル(半値全幅)の狭帯域フィルターとした。
The
図4は、レーザーウェークを撮影した結果を示す図である。図5は、レーザーウェークの強度分布を示す図である。図4、図5の(a)は比較例、(b)は実施例のレーザーウェークの像および強度分布を表す。図5のグラフは、図4の像の明暗をΔYの範囲で積分した、X軸方向でのレーザーウェークの強度分布を表す。 FIG. 4 is a diagram showing the results of photographing a laser wake. FIG. 5 is a diagram showing the intensity distribution of laser wake. 4 and 5, (a) shows the laser wake image and intensity distribution of the comparative example, and (b) shows the laser wake image and intensity distribution of the example. The graph in FIG. 5 represents the intensity distribution of the laser wake in the X-axis direction, which is obtained by integrating the brightness and darkness of the image in FIG. 4 over the range of ΔY.
比較例は、シャドーグラフ法とした。すなわち、位相板13a、13bおよび検光子12bを取り除いた状態で、撮像器16によってレーザーウェークの像を取得した。すなわち、比較例では、単一パルスの偏光L1が対象物OBを通過して、撮像器16に入射する。一方、実施例では、単一パルスの偏光L1が2つのパルス光(偏光W2a、W2b)に分割され、時間差ΔTをもって対象物OBを通過した後、再結合されて、撮像器16に入射する。
The comparative example used the shadow graph method. That is, an image of the laser wake was acquired by the
比較例(図4の(a))は、レーザーウェークの像に雑音が多く含まれており、不鮮明である。一方、実施例(図4の(b))では、レーザーウェークの像が鮮明である。この点は、図5からより明瞭に示される。比較例(図5の(a))のグラフでは、レーザーウェークの周期が不明確であるのに対して、実施例(図5の(b))のグラフでは、レーザーウェークの周期が明確である。 In the comparative example ((a) of FIG. 4), the laser wake image contains a lot of noise and is unclear. On the other hand, in the example (FIG. 4(b)), the laser wake image is clear. This point is shown more clearly from FIG. In the graph of the comparative example ((a) of FIG. 5), the period of laser wake is unclear, whereas in the graph of the example ((b) of FIG. 5), the period of laser wake is clear. .
レーザーウェークは電子プラズマの粗密波であるため、この粗密の変化に応じて屈折率が変化する。この結果、本実施例では、時間差ΔTでの屈折率の相違に応じて、偏光W2a、W2b間に過渡的で且つ局所的な位相変化が生じ、偏光L4の強度が変化したと考えられる。一方、比較例では、このような時間差ΔTに起因する位相差を検知することはできない。比較例は、屈折率の差自体に起因する光の透過量の変化を検出していると考えられる。しかし、透過量の変化は非常に小さいため、信号強度、ひいては、S/N比は非常に小さい。 Since the laser wake is a compressional wave of electron plasma, the refractive index changes according to the change in density. As a result, in this example, it is considered that a transient and local phase change occurs between the polarized lights W2a and W2b in accordance with the difference in refractive index at the time difference ΔT, and the intensity of the polarized light L4 changes. On the other hand, in the comparative example, it is not possible to detect a phase difference caused by such a time difference ΔT. It is thought that the comparative example detects a change in the amount of light transmitted due to the difference in refractive index itself. However, since the change in the amount of transmission is very small, the signal strength and, by extension, the S/N ratio are very small.
このように、本実施例では、15[f秒]の超高速現象を、比較例に対して、高い信号強度、かつ、高いS/N比で測定できた。すなわち、一対の位相板13a、13bを用いて、1の偏光を、時間差ΔTを有する2つの偏光に分離して、対象物OBを通過させた後に、合成する手法が有効であることが示された。
As described above, in this example, an ultra-high speed phenomenon of 15 [f seconds] could be measured with higher signal strength and higher S/N ratio than in the comparative example. That is, it has been shown that it is effective to use a pair of
(上記実施形態および変形例から把握される発明)
以下、上記実施形態および変形例から把握される発明を示す。
(Inventions understood from the above embodiments and modifications)
Inventions understood from the above embodiments and modifications will be described below.
(1)本発明の第1の態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定装置であって、偏光が入射される第1の位相板と、前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、前記第2の位相板から出射される偏光が入射される偏光子と、を備え、前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する。これにより、所定の時間差で対象物を通過する第1、第2の偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (1) An optical measurement device according to a first aspect of the present invention is an optical measurement device that optically measures temporal changes in a target object, and includes a first phase plate into which polarized light is incident, and a first phase plate into which polarized light is incident; a second phase plate that faces the first phase plate with an object in between, and into which the polarized light emitted from the first phase plate and that has passed through the object is incident; and the second phase plate. a polarizer into which the polarized light emitted from the first phase plate is incident, and the first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized light and emit the polarized light with a predetermined time difference. , the second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized lights and emits a composite polarized light that is a combination of the first and second polarized lights. Thereby, temporal changes in the object can be optically measured using the first and second polarized lights that pass through the object with a predetermined time difference.
(2)本発明の第2の態様に係る光学測定装置において、前記合成偏光は、前記偏光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有し、前記光学測定装置は、前記所定の時間差のオーダ以下での前記対象物の時間的変化を測定する。これにより、所定の時間差での対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する合成偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (2) In the optical measuring device according to the second aspect of the present invention, the synthesized polarized light has at least a phase difference or an intensity difference with respect to the polarized light, which corresponds to a change in the object at the predetermined time difference. the optical measuring device measures temporal changes of the object on the order of the predetermined time difference or less; Thereby, temporal changes in the object can be optically measured using synthetic polarized light having at least one of a phase difference and an intensity difference that corresponds to changes in the object at a predetermined time difference.
(3)本発明の第3の態様に係る光学測定装置において、前記位相差は、前記所定の時間差での前記対象物の屈折率または密度の変化に対応する。これにより、対象物の屈折率または密度の時間的変化を光学的に測定できる。 (3) In the optical measuring device according to the third aspect of the present invention, the phase difference corresponds to a change in the refractive index or density of the object at the predetermined time difference. Thereby, temporal changes in the refractive index or density of the object can be optically measured.
(4)本発明の第4の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差は0.1p(ピコ)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物のp秒オーダ以下での変化を測定する。これにより、対象物のp秒オーダ以下での変化を測定できる。また、前記所定の時間差はf(フェムト)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定してもよい。これにより、対象物のp秒オーダ以下での変化を測定できる。 (4) In the optical measurement device according to the fourth aspect of the present invention, the predetermined time difference is on the order of 0.1 p (pico) seconds or less, and the optical measurement device detects a change in the object on the order of p seconds or less. Measure. This makes it possible to measure changes in the object on the order of p seconds or less. Further, the predetermined time difference may be on the order of f (femto) seconds or less, and the optical measuring device may measure a change in the object on the order of 10 f seconds or less. This makes it possible to measure changes in the object on the order of p seconds or less.
(5)本発明の第5の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差はf(フェムト)秒オーダ以下であり、前記光学測定装置は前記対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定する。これにより、対象物の10f秒オーダ以下での変化を測定できる。 (5) In the optical measurement device according to the fifth aspect of the present invention, the predetermined time difference is on the order of f (femto) seconds or less, and the optical measurement device measures changes in the object on the order of 10 f seconds or less. do. This makes it possible to measure changes in the object on the order of 10 f seconds or less.
(6)本発明の第6の態様に係る光学測定装置において、前記所定の時間差ΔTは、次の式によって規定される。ΔT=c/(Δn・d)、Δn:前記第1、第2の偏光に対する前記第1の位相板の屈折率差、d: 前記第1の位相板の厚さ、c: 光の速度。これにより、第1の位相板の屈折率差および厚さによって、所定の時間差ΔTを適宜に設定できる。 (6) In the optical measuring device according to the sixth aspect of the present invention, the predetermined time difference ΔT is defined by the following equation. ΔT=c/(Δn·d), Δn: refractive index difference of the first phase plate with respect to the first and second polarized light, d: thickness of the first phase plate, c: speed of light. Thereby, the predetermined time difference ΔT can be appropriately set depending on the refractive index difference and thickness of the first phase plate.
(7)本発明の第7の態様に係る光学測定装置において、前記第1の位相板に入射される偏光は、パルス光であり、前記第1の位相板は、前記パルス光を、前記第1、第2の偏光にそれぞれ対応する、第1、第2のパルス光に、分割して、出射し、前記第1、第2のパルス光は、前記対象物内を前記所定の時間差で、通過し、前記第2の位相板は、前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2のパルス光を再結合して、再結合パルス光として、出射し、前記再結合パルス光は、前記パルス光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する。これにより、パルス光を用いて、対象物の時間的変化をより正確に測定できる。 (7) In the optical measuring device according to the seventh aspect of the present invention, the polarized light incident on the first phase plate is pulsed light, and the first phase plate converts the pulsed light into the first phase plate. 1, split into first and second pulsed lights corresponding to the second polarized light, and emit them, and the first and second pulsed lights move within the object with the predetermined time difference, The second phase plate eliminates the predetermined time difference, recombines the first and second pulsed lights, and emits the recombined pulsed light, and the recombined pulsed light , has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the pulsed light, which corresponds to a change in the object at the predetermined time difference. Thereby, using pulsed light, temporal changes in the object can be measured more accurately.
(8)本発明の第8の態様に係る光学測定装置は、前記対象物と前記第2の位相板との間に配置され、前記対象物を拡大して表すための対物レンズを備える。これにより、対象物を拡大して、その時間的変化を観察するための顕微鏡を構成できる。 (8) The optical measuring device according to the eighth aspect of the present invention includes an objective lens disposed between the object and the second phase plate to magnify and represent the object. This makes it possible to configure a microscope for enlarging an object and observing its temporal changes.
(9)本発明の第9の態様に係る光学測定装置において、前記第1、第2の位相板は、同一の材料から構成される。これにより、第1の位相板に入射される偏光が波長の不均一性を有する場合であっても、第1の位相板での所定の時間差を第2の位相板によって解消することが容易となる。すなわち、第1、第2の位相板の波長依存性が異なると、第1、第2の位相板の厚さを調節しても、第2の位相板によって所定の時間差を解消することはできない。例えば、偏光が、時間幅の狭いパルス光である場合、波長の不均一性が大きくなり易い。 (9) In the optical measuring device according to the ninth aspect of the present invention, the first and second phase plates are made of the same material. As a result, even if the polarized light incident on the first phase plate has wavelength non-uniformity, it is easy to eliminate a predetermined time difference in the first phase plate by the second phase plate. Become. That is, if the wavelength dependencies of the first and second phase plates are different, even if the thicknesses of the first and second phase plates are adjusted, the predetermined time difference cannot be eliminated by the second phase plate. . For example, when the polarized light is pulsed light with a narrow time width, wavelength non-uniformity tends to become large.
(10)本発明の第10の態様に係る光学測定装置は、対象物の時間的変化を光学的に測定する光学測定方法であって、偏光が第1の位相板に入射する工程と、前記第1の位相板に入射された偏光が、所定の時間差を有する第1、第2の偏光に分解されて出射する工程と、前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差で対象物内を通過する工程と、前記対象物内を通過した前記第1、第2の偏光が、第2の位相板に入射する工程と、前記第2の位相板に入射された前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差を解消されて、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光として出射する工程と、を有する。これにより、所定の時間差で対象物を通過する第1、第2の偏光を用いて、対象物の時間的変化を光学的に測定できる。 (10) An optical measurement device according to a tenth aspect of the present invention is an optical measurement method for optically measuring temporal changes in an object, which comprises a step of causing polarized light to enter a first phase plate; A step in which the polarized light incident on the first phase plate is decomposed into first and second polarized light having a predetermined time difference and emitted; a step in which the first and second polarized lights that have passed through the object are incident on a second phase plate; and a step in which the first and second polarized lights that have passed through the object are incident on a second phase plate and a step of emitting the second polarized light as a composite polarized light obtained by combining the first and second polarized light by eliminating the predetermined time difference. Thereby, temporal changes in the object can be optically measured using the first and second polarized lights that pass through the object with a predetermined time difference.
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. are also included within the technical scope of the present invention.
10 光学測定装置
11 光源
12a 偏光子
12b 検光子
13a、13b 位相板
14a~14d レンズ
15 フィルター
16 撮像器
10
Claims (10)
偏光が入射される第1の位相板と、
前記対象物を挟んで、前記第1の位相板と対向し、前記第1の位相板から出射され、かつ前記対象物を通過した偏光が入射される第2の位相板と、
前記第2の位相板から出射される偏光が入射される検光子と、
を備え、
前記第1の位相板は、前記入射された偏光を第1、第2の偏光へと分解して、所定の時間差で、出射し、
前記第2の位相板は、前記第1、第2の偏光間の前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光を出射する、光学測定装置。 An optical measurement device that optically measures temporal changes in an object,
a first phase plate into which polarized light is incident;
a second phase plate that faces the first phase plate with the object in between, and receives the polarized light that has been emitted from the first phase plate and has passed through the object;
an analyzer into which the polarized light emitted from the second phase plate is incident;
Equipped with
The first phase plate decomposes the incident polarized light into first and second polarized light, and outputs the polarized light with a predetermined time difference,
The second phase plate is an optical measuring device, wherein the second phase plate eliminates the predetermined time difference between the first and second polarized lights and emits a composite polarized light that is a combination of the first and second polarized lights.
前記所定の時間差のオーダ以下での前記対象物の時間的変化を測定する、請求項1に記載の光学測定装置。 The synthetic polarized light has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the polarized light, which corresponds to a change in the object at the predetermined time difference,
The optical measuring device according to claim 1, which measures a temporal change in the object on the order of the predetermined time difference or less.
前記対象物のp秒オーダ以下での時間的変化を測定する、請求項1から3のいずれか1項に記載の光学測定装置。 The predetermined time difference is on the order of 0.1 p (pico) seconds or less,
The optical measuring device according to any one of claims 1 to 3, which measures temporal changes in the object on the order of p seconds or less.
前記対象物の10f秒オーダ以下での時間的変化を測定する、請求項1から4のいずれか1項に記載の光学測定装置。 The predetermined time difference is on the order of f (femto) seconds or less,
The optical measuring device according to any one of claims 1 to 4, which measures temporal changes in the object on the order of 10 f seconds or less.
ΔT=c/(Δn・d)
Δn:前記第1、第2の偏光に対する前記第1の位相板の屈折率差
d: 前記第1の位相板の厚さ
c: 光の速度 The optical measuring device according to any one of claims 1 to 5, wherein the predetermined time difference (ΔT) is defined by the following equation.
ΔT=c/(Δn・d)
Δn: refractive index difference of the first phase plate with respect to the first and second polarized light d: thickness of the first phase plate c: speed of light
前記第1の位相板は、前記パルス光を、前記第1、第2の偏光にそれぞれ対応する、第1、第2のパルス光に、分割して、出射し、
前記第1、第2のパルス光は、前記対象物内を前記所定の時間差で、通過し、
前記第2の位相板は、前記所定の時間差を解消して、前記第1、第2のパルス光を再結合して、再結合パルス光として、出射し、
前記再結合パルス光は、前記パルス光に対して、前記所定の時間差での前記対象物の変化に対応する、位相差または強度差の少なくとも一方を有する、
請求項1から6のいずれか1項に記載の光学測定装置。 The polarized light incident on the first phase plate is pulsed light,
The first phase plate divides the pulsed light into first and second pulsed lights corresponding to the first and second polarized lights, and emits the split light,
The first and second pulsed lights pass through the object with the predetermined time difference,
The second phase plate eliminates the predetermined time difference, recombines the first and second pulsed lights, and emits the recombined pulsed lights,
The recombined pulsed light has at least one of a phase difference or an intensity difference with respect to the pulsed light, which corresponds to a change in the object at the predetermined time difference.
The optical measuring device according to any one of claims 1 to 6.
偏光が第1の位相板に入射する工程と、
前記第1の位相板に入射された偏光が、所定の時間差を有する第1、第2の偏光に分解されて出射する工程と、
前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差で対象物内を通過する工程と、
前記対象物内を通過した前記第1、第2の偏光が、第2の位相板に入射する工程と、
前記第2の位相板に入射された前記第1、第2の偏光が、前記所定の時間差を解消されて、前記第1、第2の偏光を合成した合成偏光として出射する工程と、
を有する、光学測定方法。 An optical measurement method for optically measuring temporal changes in an object, the method comprising:
the polarized light is incident on the first phase plate;
a step in which the polarized light incident on the first phase plate is decomposed into first and second polarized light having a predetermined time difference and emitted;
the first and second polarized lights passing through the object with the predetermined time difference;
a step in which the first and second polarized light that has passed through the object enters a second phase plate;
a step in which the first and second polarized lights incident on the second phase plate have the predetermined time difference removed and output as composite polarized light that is a combination of the first and second polarized lights;
An optical measurement method comprising:
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