JP3567234B2 - Spectrometry method and spectrometer - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分光測定法及び分光測定装置に関し、特に分光光源として波長可変レーザを用いる分光測定法及び分光測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
高感度な試料分析法として、試料に赤外領域、可視領域あるいは紫外領域の光を照射して試料による光吸収、あるいは試料からの反射光、レーリー散乱光、ラマン散乱光、蛍光等を測定する分光測定法が広く用いられている。この分光測定法によると、試料の同定、確認等の定性分析、試料中に含有されている特性成分の濃度や混合物の成分比測定等の定量分析、分子の電子状態や立体構造の解析を行うことができ、また試料による吸収スペクトル等を時間分解して測定することによって反応過程や反応中間体の分子構造解析等を行うことができる。
【0003】
分光測定では、試料に特定の選択された波長の単色光を照射すること、あるいは単色光の波長を連続的に掃引しながら光照射することが必要とされ、通常は白色光源とモノクロメータとを組み合わせて単色光を取り出す分光光度計が用いられる。モノクロメータの出口スリットから出射される単色光の波長掃引は、モノクロメータに組み込まれた波長分散素子、例えば回折格子を回動することで行われる。
【0004】
図14は、従来の分光測定装置の一例であるダブルビーム方式の分光光度計の略図である。この分光光度計は試料の吸収スペクトルを測定するものであり、光源部200内に配置されたタングステンランプや重水素ランプ等の光源からの光線はモノクロメータ210の入射スリットS1 を通り、ミラーM1 ,M2 を介して回折格子Gに入射する。回折格子Gで波長分散された光線はミラーM3 ,M4 を介して出射スリットS2 の位置にスペクトル像を形成し、スリットS2 から単色光211が取り出される。モノクロメータ210から取り出された単色光211は、回転している第1のセクターミラー221に入射する。第1のセクターミラー221は光透過部と光反射部を有し、光線を試料S側の光路と参照試料R側の光路に交互に振り分ける。第1のセクターミラー221を透過した単色光211は試料Sに入射し、試料透過光は反射ミラー223で反射された後、制御部220によってセクターミラー221と同期して回転している第2のセクターミラー224で反射されて検出器230に入射する。また、第1のセクターミラー221で反射された単色光211は反射ミラー222で反射されたのち参照試料Rを透過し、第2のセクターミラー224を透過して検出器230で検出される。
【0005】
また、一部の分光測定には光源として波長可変レーザが使用されている。波長可変レーザとしては、レーザ媒質としてTi:Al2O3(チタンサファイア)などの結晶を用いる固体レーザと、レーザ媒質として色素溶液などを用いる液体レーザが知られている。こうした波長可変レーザを所望の波長でレーザ発振させるための波長選択法としては、例えばレーザ媒質を収容したレーザ共振器内に回折格子や複屈折板などを配設し、それを機械的に回転することにより特定の波長のみがレーザ共振器内で共振できるようにして、所望の波長のレーザ光を取り出す波長選択法が採用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
分光光度計を用いる分光測定法はすでに確立された技術であり、高精度な測定を行うことができるが、単色光照射のためのモノクロメータが必要となり装置が大型化する。また、光源と検出器を分離することができず、分光光度計に装填可能な試料の大きさや試料の状態も限定されたものとなるため、種々の試料状態あるいは条件下において分光測定を柔軟に行うことができない。さらに、試料上の位置の関数として試料の吸収スペクトル、反射スペクトル等の分光スペクトルを2次元的に測定するのが容易ではないという問題がある。
【0007】
一方、光源としてレーザを用いて分光測定する場合、レーザからは単色光が得られるためモノクロメータを用いる必要がない。しかし、波長可変レーザとして現在最も広く使用されている色素レーザは、一種類の色素で得られる波長可変範囲が狭い、回折格子や複屈折板などを機械的に回転させることによって波長の選択を行っているため高速で波長可変することが困難である、波長再現精度を上げるには一方向にしか波長を掃引できない等の問題がある。このため、試料の吸収スペクトル測定のような一般的な分光測定には適さない。
【0008】
また、広範囲波長可変レーザとして、オプチカル・パラメトリック発振器(OPO:Optical Parametric Oscillator)を利用した場合には、波長可変範囲は広くとることができるが、波長掃引速度が遅い上、波長の再現性に欠け、また出射ビームの位置や方向が波長によりわずかに変わり、光軸が一定しない。
【0009】
赤外線半導体レーザを用いた分光器は、一個の半導体レーザの波長可変範囲が狭く、広い波長範囲で測定するためには次々と半導体レーザを交換しなければならない。
【0010】
パルス色素レーザに対しては、レーザ媒質である色素溶液中にCaMoO4 結晶を配置し、CaMoO4 結晶に音響波を入力し、音響波と相互作用する光線成分で共振器を構成してレーザの発振波長を可変制御する発振波長の電気的掃引方法が提案されている(Applied Physics Letters, vol.19, No.8, pp.269−271)。しかし、この掃引方法は、可変できる波長範囲が狭い、色素と結晶を一体化する複雑な構成が必要である、CaMoO4 結晶という特殊な結晶が必要である、相互作用した光線成分と相互作用しない光線成分との差が偏光面の回転であるため分離が容易ではない等の問題がある。
【0011】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、単色光源として新規な波長可変レーザを用いた簡易な分光測定法及び分光測定装置を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明では、回転機構などの機械的可動部分を設けることなしに電気的にレーザ発振波長を制御して高速な波長掃引を可能とした電子制御型波長可変レーザ〔以下、ETT(Electronically Tuned Tunable)レーザという〕を新たに開発し、このETTレーザを分光光源として利用することで前記目的を達成する。
【0013】
本発明に用いられるETTレーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により所定の角度に回折された光線成分に対してのみレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザであり、例えばチタンサファイアをレーザ媒質とした場合、680nm〜1100nmの波長範囲を1秒以内の時間で波長掃引可能である。また、複屈折性音響光学素子を用いて電気的に波長選択を行うため、波長切換を瞬時に行うことができ、例えば任意の2波長の切換えを1ms以下の時間で安定に行うことができる。
【0014】
このような広い波長範囲を瞬時に、しかもレーザの単色性を保ったまま波長掃引できるということは、図14の光源200と分光器210が一体化され、単色のスペクトル強度が強く、かつ指向性を持つ光ビームとして得られることを意味する。このETTレーザは、従来の吸収型分光器の光源として利用できるのはもちろんであり、またレーザビームであることから光ファイバーに導入しやすく、光ファイバーを利用した遠隔モニター型分光を容易に実現することができる。
【0015】
以下に、複屈折性音響光学素子を用いたETTレーザのレーザ発振波長選択の原理について説明する。
複屈折性を示す音響光学結晶中に音響波を励起すると、その結晶に入射された光の中で音響波の周波数に応じた特定の波長の回折光は、音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。図1は、この回折の様子を示す概念図である。
【0016】
いま、TeO2 結晶などの複屈折性を示す音響光学結晶に圧電素子22を取り付けた複屈折性音響光学素子100中に、角周波数ωiの入射光102を入射するものとする。さらに、圧電素子22により複屈折性音響光学素子100中に角周波数ωaの音響波104を励起すると、入射光102と音響波104との相互作用により、次の〔数1〕で表される角周波数ωoに周波数シフトした回折光106が得られる。なお、入射光102は異常光線、回折光106は常光線であり、回折光106の偏光面は入射光102の偏光面と直交している。108は非回折光である。
【0017】
【数1】
ωo=ωi+ωa
【0018】
ただし、ωa≪ωi,ωoであり、ωi≒ωoとみなして差し支えない。
このとき入射光102の波数ベクトルをki、音響波104の波数ベクトルをka、回折光106の波数ベクトルをkoとするとき、位相整合条件より次の〔数2〕で表されるベクトル式が成立する。
【0019】
【数2】
ko=ki+ka
【0020】
図2は、複屈折性音響光学素子100中を伝播する常光線のkベクトルと、異常光線のkベクトルの関係を表示したものである。常光線に対するkベクトルの大きさは進行方向によらず一定であり、kベクトルの終点の軌跡は円になる。一方、異常光線に対するkベクトルの大きさは複屈折性音響光学素子100の結晶軸に対する伝播角度によって変化し、kベクトルの終点の軌跡は楕円形になる。このkベクトルの軌跡によって形成される円又は楕円は、波長を変えるとほぼ相似的に拡大又は縮小変化する。図2(a)は、波長λ1 において〔数2〕の位相整合条件が成立している状態を示している。図中、Vaは結晶中を伝わる音響波104の速度であり、音響波104の波数ベクトルka1 の大きさは|ωa/Va|である。
【0021】
ここで、複屈折性音響光学素子100中に励起する音響波104の周波数ωa、従って波数ベクトルkaの大きさを変えると、波長λ1 では〔数2〕の位相整合条件が成立しなくなる。このとき位相整合条件が成立するのは、図2(b)に示すように、波長λ2 になる。このように、位相整合条件を満たす光の波長λと音響波の角周波数ωaとは一対一で対応している。
【0022】
前述のように、kベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の大きさは波長によって変化するが、その形はほとんど変化しない。従って、波長がλ1 からλ2 に変化して、これにより入射光102と回折光106のベクトルki,koの大きさが変わっても相似形となるため、ベクトル(ko1−ki1)とベクトル(ko2−ki2)の向きは平行となる。この結果、ka1=ko1−ki1,ka2=ko2−ki2のベクトルをもつ音響波を音響周波数を変えるだけで入力できる。
【0023】
複屈折性音響光学素子100から出射した波数ベクトルkoの光を、反射ミラー110で反射させて、複屈折性音響光学素子100中に逆方向から入射させると、図2(c)に示すように、戻ってきた光はまた音響波により回折され、再び入射光kiと逆向きに進む−kiとなって入射光の光路を逆に辿る。
【0024】
従って、レーザ媒質14及び複屈折性音響光学素子100を挟んで、例えば図3に示すように、全反射ミラー110と所定の透過率を有する出射側ミラー112を配置すると、全反射ミラー110と出射側ミラー112により両者の間を特定の波長成分のみをもつ光のみが往復するレーザ共振器が構成される。回折光106の波長λoは、複屈折性音響光学素子100中に発生される音響波104の周波数ωaを変えるとkaが変わり、kiが選択される結果、波長λi=2π/|ki|が決まる。従って、複屈折性音響光学素子100に取り付けられた圧電素子22をRF電源20からの所定周波数のRF信号で駆動することにより、レーザ発振波長λiの制御が可能となる。
【0025】
また、回折光106の回折効率は複屈折性音響光学素子100中に励起された音響波の強度によって決定されるので、RF電源20から出力されるRF信号の振幅を制御することにより回折光106の強度、従ってレーザ出力を可変制御することができる。
【0026】
上では、kベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の形は波長によってほとんど変化しないと述べたが、実際には僅かに変化する。そのため、回折角も波長によって僅かに変化して、全反射ミラー110と部分透過ミラー112によって構成される共振器の条件が変化し、出射レーザ光の方向が僅かに変化する。この回折角の波長依存性は、複屈折性音響光学素子100と全反射ミラー110の間にプリズム等の波長分散補正素子を配置することで補償することができ、全ての波長で出射レーザ光の方向を一定にすることができる。
レーザ媒質としては、Ti:Al2O3、LiSAF、LiCAF等のレーザ結晶、色素溶液など既知のいずれの波長可変レーザ媒質も用いることができる。
【0027】
このETTレーザは、励起レーザ源として連続発振レーザ(CWレーザ)を用いることにより連続発振レーザとすることも、励起レーザ源としてパルスレーザを用いることによりパルス発振レーザとすることもできる。例えばレーザ媒質としてTi:Al2O3を用いた場合には、Nd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVO4レーザなどのNd固体レーザの第2高調波及びアルゴンイオンレーザを用いることができ、レーザ媒質としてLiSAFレーザ結晶、LiCAFレーザ結晶などを用いた場合には半導体レーザやクリプトンイオンレーザを用いることができる。
【0028】
レーザ媒質内の、励起レーザによる励起体積とレーザ共振器内の光モード体積とを整合させるようにして効率を高め、励起入力を低くすることにより、出力の高くとれない高繰り返しパルス励起レーザや連続発振レーザも励起レーザに利用できる。例えば、レーザ共振器をZホールド型のレーザ共振器やXホールド型のレーザ共振器とし、レーザ共振器内の光路に沿って励起レーザ光を導入することで、励起光を効率よく利用して低エネルギーの励起光でレーザ発振を生じさせることができる。
【0029】
このETTレーザを分光測定の光源として利用することにより、光源部、試料部、検出部を分離して配置することができ、離れた位置に配置された試料に対する遠隔測定が可能となる。また、レーザ光は指向性の良いビームとして出力されるため、効率よく光ファイバーに入射することができ、光ファイバーによって光源部と試料部の間、試料部と検出部の間を結ぶことにより、遠隔測定を容易に達成することができる。
【0030】
また、ETTレーザを波長掃引しながらレーザビームで試料を2次元走査することにより試料の2次元領域のスペクトル測定を容易に行うことができる。
また、レーザ光の集光性の良いことを利用すると、レンズ等で試料にレーザ光を絞り込み、空間的に限定された場所での分光測定を行うことができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
最初に、図3〜図9を用いて、本発明で使用するETTレーザについて説明する。なお、以下の各図において同一の構成部分あるいは相当する構成部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【0032】
図3は、本発明で使用するETTレーザの一例の概略構成を示す図である。図3において、図1に示した構成部材と同一の構成部材には理解を容易にするため同一の符号を付して示した。
【0033】
このETTレーザは、所定の透過率(例えば反射率98%、透過率2%)を有する出射側ミラー112と全反射ミラー110によりレーザ共振器が構成されており、レーザ共振器内には波長可変レーザ媒質14と、波長選択用の複屈折性音響光学素子100とが出射側ミラー112と全反射ミラー110の間に、この順序で配設されている。複屈折性音響光学素子110には、音響波入力手段としてRF電源20により駆動される圧電素子22が取り付けられている。RF電源20により圧電素子22を駆動すると、音響波が複屈折性音響光学素子100中を伝播する。全反射ミラー110は、複屈折性音響光学素子100によって所定の方向に回折された回折光106のみを垂直反射するように構成されている。
【0034】
励起レーザ光24によってレーザ媒質14を励起する。また、上述した原理に基づいて、レーザ発振させたいレーザ光の周波数(波長)に応じてRF電源の周波数を制御する。このようにすると、レーザ媒質14から出射され複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲の波長帯域の出射光の中で、RF電源20の周波数ωaに応じた次の周波数ωoの光が回折光106として複屈折性音響光学素子100から全反射ミラー110の方向に回折される。
ωo=ωi+ωa
【0035】
こうして、周波数ωiの光のみがレーザ媒質14内を往復することができ、レーザ媒質で増幅されてレーザ発振を生じ、レーザ共振器からレーザ光として出射する。
【0036】
図4は、複屈折性音響光学素子の光損傷を回避するためのビーム径拡大手段を付設し、さらに回折角の周波数依存性を補償して広い波長範囲でレーザ発振を行わせるために、複屈折性音響光学素子と全反射ミラーの間に波長分散補正素子としてのプリズムを配置したレーザの例を示す。
【0037】
レーザ媒質14と複屈折性音響光学素子100の間にビーム径調節用のテレスコープ30が配置されており、複屈折性音響光学素子100にはテレスコープ30によって径を拡大された平行光が通過する。この配置によると、レーザ共振器を往復する光はレーザ媒質14中を収束した光強度の高い光線として通過するため、レーザ効率を低下させることがない。一方、複屈折性音響光学素子100の位置では単位面積当たりに照射される光強度が低下するため、複屈折性音響光学素子100の光損傷を抑止することができる。
【0038】
また、複屈折性音響光学素子100と全反射ミラー110の間には、回折角の波長分散補正素子としてプリズム28が配置されている。プリズム28は、複屈折性音響光学素子100から出射した回折光106を、回折光の波長に関わらず常に全反射ミラー110に垂直入射させるように設計されている。この場合、複屈折性音響光学素子100で回折されて回折光106となった光線は、いずれの波長においても全反射ミラー110で反射されて同一の光路を逆に辿ることができるようになり、レーザ媒質14で効率よく増幅されてレーザ発振することが可能となる。回折光の回折角度に波長分散があるとレーザ共振器内での光路が変わることになり、波長可変域に制限を受けることになるが、分散補正用プリズム28を設けることにより、こうした問題点を解消することができる。また、回折角の波長分散補正用プリズム28を用いることにより、出射レーザ光の方向を一定にすることができる。
【0039】
図4の例では、レーザ共振器内にビーム径調節用のテレスコープ30と回折角の波長分散補正素子28を共に配置したが、複屈折性音響光学素子100の光損傷を考慮する必要がない場合にはテレスコープ30を省略することができ、また、複屈折性光音響素子100による回折角の波長依存性を考慮する必要がない場合には波長分散補正素子28を省略することができる。
【0040】
図5は、図4に示すようにレーザ共振器に回折角の波長分散補正素子28を組み込んだETTレーザを用い、RF電源20の周波数を変化させたときに出射したレーザ光の波長と出力の関係を示すものである。レーザ発振条件は以下の通りである。レーザ媒質14にはTi:Al2O3を用い、励起レーザ光24にはNd:YAGレーザの第2高調波であるパルス幅8ns、波長532nmのパルスレーザ光を用いた。励起レーザ光の1パルス当たりのエネルギーは155mJであった。出射側ミラー112の反射率は60%、全反射ミラー110の反射率は波長800nmにおいて99.9%であった。RF電源は、周波数可変範囲が40MHz〜150MHzであり、出力2Wで用いた。複屈折性音響光学素子100の回折効率は98%である。図5から明らかなように、波長可変範囲約750〜850nmでレーザ発振が可能であった。
【0041】
図6は、RF電源の出力を変化させて音響波入力パワーを変化させたときに出射したレーザ光の出力変化を示すものである。図6から、複屈折性音響光学素子に入力される音響波のパワーが0.5W〜2Wと変化するとき出射するレーザ光の出力もそれに応じて変化しており、複屈折性音響光学素子に入力される音響波のパワーを変化させることにより出射レーザ光の出力を制御することができることが分かる。
【0042】
図7は、ETTレーザの他の例を示す概略図である。この例では、レーザ共振器内を往復する光の光路がアルファベットのZ字形状になる、いわゆるZホールド型のレーザ共振器を用いている。Zホールド型のレーザ共振器は所定の透過率を有する出射側ミラー112と全反射ミラー110を備える。さらに、励起レーザ光Aを入射させるとともに出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第1中間ミラー37と、出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第2中間ミラー38を備えており、レーザ共振器内を往復する光Bの光路はアルファベットのZ字形状とされる。
【0043】
レーザ共振器の光路上の第1中間ミラー37と第2中間ミラー38の間には、波長可変レーザ媒質として入射光の入射端面がブルースターカットされたレーザ媒質14が、その入射端面が入射光の反射がゼロとなるブルースター角となるようにして配置されており、励起レーザ光Aにより縦方向同軸励起によりレーザ発振が生じるように構成されている。レーザ共振器の光路上の第2中間ミラー38と全反射ミラー110の間には、波長選択手段として複屈折性音響光学素子100が配置されている。
【0044】
複屈折性音響光学素子100には、音響波入力手段として、パーソナル・コンピュータ26により周波数を制御されたRF電源20で駆動される圧電素子22が取り付けられている。従って、パーソナル・コンピュータ26の制御により任意の周波数に設定されたRF電源20により圧電素子22を駆動してその周波数に応じた音響波を複屈折性音響光学素子100に励起することにより、複屈折性音響光学素子100は前記〔数1〕で表される周波数ωoの光Dを回折する。圧電素子22は、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザ光Cの波長の光B(周波数ωi≒ωo)に対応する光のみを、複屈折性音響光学素子100が所定の方向に回折した回折光Dとして出射し、レーザ共振できるように、パーソナル・コンピュータ26により複屈折性音響光学素子100へ入力する音響波の周波数ωaを制御する。
【0045】
複屈折性音響光学素子100と全反射ミラー110の間には、回折光Dの分散を補正するための波長分散補正素子としてのプリズム28が配設されている。この回折角の波長分散補正用プリズム28を用いることにより、出射レーザ光Cの方向を一定にすることができる。レーザ共振器内へ励起レーザ光Aを入射するための励起レーザ32としては、パルスレーザ又は連続発振レーザ(CWレーザ)を用いることができる。
【0046】
励起レーザ32によって発生された励起レーザ光Aは、全反射ミラー34により全反射集光ミラー36に反射され、全反射集光ミラー36により集光されて第1中間ミラー37を介してレーザ媒質14を縦方向同軸励起するように入射される。
【0047】
以上の構成において、出射レーザ光Cを得るには、励起レーザ32により入射された励起レーザ光Aを用いてレーザ媒質14を励起する。また、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザ光Cの波長(周波数ωi)に応じて、RF電源20の周波数ωaをパーソナル・コンピュータ26により制御し、圧電素子22を駆動する。このようにすると、レーザ媒質14から出射して複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲の波長帯域の光の中で、RF電源20の周波数に応じた波長の光は、複屈折性音響光学素子100で回折光D(周波数ωo)として回折される。この回折光Dは、回折角の波長分散補正用プリズム28を介して全反射ミラー110に垂直入射し、全反射ミラー110で反射されてZ字形状の光路を辿ってレーザ共振器内を往復する(レーザ媒質14の位置では角周波数ωi)。従って、RF電源20の周波数に応じた波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、レーザ共振器から当該波長の出射レーザ光C(周波数ωi)を出射させる。
【0048】
このように、出射レーザ光Cの波長選択は、パーソナル・コンピュータ26の制御によりRF電源20の周波数ωaを選択することで実現できるので、出射レーザ光C(周波数ωi)の高速かつランダムな波長選択が可能であり、結果として出射レーザ光の波長可変速度を高速化することができる。
【0049】
図7に示したETTレーザは、レーザ共振器の構造をZホールド型にして励起レーザ光Aを全反射集光ミラー36により集光してレーザ媒質14へ入射するようにしたので、励起入力強度が低いパルス励起レーザあるいはパワーの低いCWレーザによる励起レーザ光Aによっても十分にレーザ発振を生じさせることができる。
【0050】
図8は、図7に示したETTレーザの入出力特性についての実験結果を示すものである。ここでは、レーザ媒質14としてTi:Al2O3結晶を用い、励起レーザ32としてCW−QスイッチパルスNd:YLFレーザを用い、その第2高調波を励起レーザ光Aとして用いた。励起レーザ光Aの波長は523nmであり、パルスの繰り返し周波数は1kHz、1パルス当たりの最大出力は200μJである。また、全反射集光ミラー36の直径は200mmとし、第1中間ミラー37及び第2中間ミラー38の半径は100mmとし、出射側ミラー112を反射率97%(透過率3%)とした。レーザ媒質14で励起領域と共振器モード径は数十μmまで絞られ、全反射集光ミラー36によりこの領域に励起レーザ光Aを集光することによって、励起効率の向上が図られる。図8は、出力レーザ光Cの波長を800nmに固定した際における、励起レーザ光A(入力)のエネルギーと出力レーザ光C(出力)のエネルギーとの入出力特性を示したものである。図8から明らかなように、励起レーザ光Aのエネルギーが1パルス当たり約40mJになったときにレーザ発振の閾値に達した。
【0051】
図9は、励起レーザ光Aのエネルギーが100μJのときの波長可変特性を示すものである。図9から明らかなように、波長可変域は約740nm〜約870nmである。回折角の波長分散補正用プリズム28を設けたことにより、レーザの波長同調時に観測されるビームの振れは、観測限界以下であった。
【0052】
次に、前記したETTレーザを用いた本発明の分光測定方法について説明する。
図10は、本発明による分光測定の一例を説明する概略図である。分光光源としては前記したETTレーザ40を用いる。ETTレーザ40は、前述のように、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折された光線成分に対してのみレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザであり、例えばレーザ媒質としてチタンサファイアを選択することにより約680nm〜約1100nmの波長範囲で単色光を取り出すことができる。ETTレーザ40は、パルスレーザ光を発生するものとすることもできるし、連続レーザ光を発生するものとすることもできる。
【0053】
ETTレーザ40から取り出された波長λの単色レーザ光41は、ハーフミラー42により2分され、一方は試料Sに入射し、他方は参照試料Rに入射する。試料Sを透過した光線は光電子増倍管等の光検出器43で検出され、参照試料Rを透過した光線は同様に光検出器44で検出される。演算部45で2つの光検出器43,44の出力の比をとり、対数演算することで波長λにおける試料Sの吸光度が求められ、その結果はCRT等の表示装置46に表示される。いま、ETTレーザ40の発振波長をλ1〜λ2まで掃引すれば、波長λ1〜λ2の範囲における試料Sの吸収スペクトルを得ることができる。ここでは試料Sの吸収スペクトル測定について説明したが、光検出器43,44を試料S及び参照試料Rからの反射光を測定する位置に配置すると、試料Sの反射スペクトルを測定することができる。
【0054】
このように分光光源としてETTレーザ40を用い、試料入射光としてレーザ光を使用すると、試料入射光の径を細く、かつ光強度を強くすることができるので試料の局所計測及び微量計測を容易に行うことができる。
【0055】
図11は、分光光源としてのETTレーザ50と試料S、及び試料Sと光検出器54,58の間を光ファイバー52a,52b,52cで結ぶことにより遠隔測定を可能にした分光測定例の説明図である。
【0056】
ETTレーザ50からの出射光は光結合器51aから送光用の光ファイバー52aに入射し、送光用光ファイバー52a中を通って他端の照射用光結合器51bから出射し、試料Sを照射する。試料Sを透過した光は受光用光結合器51cから受光用の光ファイバー52bに入射し、受光用光ファイバー52bの他端に設けられた光結合器51dから出射して光電子増倍管等の光検出器54で検出される。光検出器54の検出出力は信号処理装置55に入力される。
【0057】
制御部57は、ETTレーザ50及び信号処理装置55に制御信号を送り、ETTレーザ50の複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を制御することによってETTレーザ50を所望の波長で発振させる。信号処理装置55は、制御部57から送られる制御信号によって試料照射波長を知り、その波長における試料Sの吸光度を演算する。ここで、ETTレーザ50の波長を掃引すると、試料Sの透過吸収スペクトルを測定することができる。
【0058】
受光用光ファイバー52cの受光用光結合器51eを照射用光結合器51bの光軸に対して角度を持たせて配置すると、試料Sからの散乱光又は発光を測定することができる。受光用光結合器51eに入射した光は受光用光ファイバー52cを通ってフィルター59を備えた光検出器58で受光され、光検出器58の検出出力は信号処理装置55に供給される。信号処理装置55の出力はCRT等の表示装置56に出力される。このときETTレーザ50の発振波長を掃引すると、発光励起スペクトルを測定することができる。
【0059】
このようにETTレーザ50と試料S、及び試料Sと光検出器54,58の間を光ファイバー52a,52b,52cで結ぶ方法は、試料Sと計測機器50,54,58,55,56を分離して設置しなければならない場合に有効である。そのような測定が必要とされる場合の例として、パイプライン中を流れる液体の濃度や、ベルトコンベアで輸送される果物の糖度等を測定室から集中管理する場合が挙げられる。この方法によると、複数箇所に設定された測定位置での試料測定を測定位置から数十メートルあるいは数百メートル離れた測定室において集中的に行うことができる。また、病院等において手術室や病室にいる患者の血液分析等を、同様に離れたモニター室で集中的に行うことができる。
【0060】
図12は、本発明による試料中の特定成分の2次元分布測定を説明する図である。
試料Sは試料台61に保持され、試料台61に組み込まれたモータ等の駆動手段によってXY方向に移動可能になっている。ETTレーザ60から出射された単色レーザ光68は、集束レンズ62によって細く絞られて試料S上の微小領域にスポット照射される。試料の微小領域を透過したレーザ光は集光レンズ63によって集光され、光検出器64に入射して検出される。光検出器64の出力信号は信号処理装置65で処理されたのち、CRT等のモニター67に供給される。試料S上での単色レーザ光68の照射位置は制御部66により試料台61をXY方向に移動することによって制御され、試料台61の制御情報は制御部66から信号処理装置65にも供給される。
【0061】
例えば、制御部66によって試料台61をステップ的あるいは連続的に移動させる。このとき、試料S上の各位置でETTレーザ60から出射される単色レーザ光68を測定波長λsと参照波長λrの2波長に高速で切り替え、各波長λs,λrにおける試料透過光強度を測定する。測定波長λsは試料中の目的成分によって強く吸収される波長であり、参照波長λrは目的成分によって吸収を受けない波長である。2波長での試料透過光強度を演算することで、試料Sの微小領域に含有されている目的成分濃度を求めることができる。このように、試料S上でのレーザ光照射位置を2次元走査することで、試料S上での目的成分の2次元分布をモニター67上に表示することができる。
【0062】
図13は、本発明による試料の2次元計測の他の例を説明する図である。この例は、ETTレーザからの単色光を顕微鏡に導入し、細胞標本等の透過光あるいは発光の2次元分布を2次元検出器を用いて計測するものである。
【0063】
ETTレーザ70からの単色レーザ光71は、レンズ系72a,72bによってビーム径を拡大され、反射ミラー73で反射された後、ビームをX軸方向に振るガルバノミラー74X、Y軸方向に振るガルバノミラー74Yによってビーム軸を調整された後、反射ミラー75で反射されて顕微鏡80に導入される。
【0064】
顕微鏡80に導入された単色レーザ光はダイクロイックミラー81によって反射され、対物レンズ82を通して試料Sに照射される。試料Sを透過したレーザ光はコンデンサレンズ83によって収束され、反射ミラー84で反射された後、結像レンズ85によって光電子増倍管等の検出器86に導かれる。また、試料Sから発生された発光、例えば蛍光は、ダイクロイックミラー81及び励起光カットフィルター87を透過した後、結像レンズ88によって光電子増倍管等の検出器89に入射される。
【0065】
検出器86又は89の出力信号は画像処理装置91に入力され、ガルバノミラー74X,74Yの走査による位置情報と検出器86又は89の出力情報とあわせて2次元画像化される。画像処理装置91からの画像信号は、VTR92に記憶され、また、モニター93に表示される。モニター93に表示された試料画像は、プリンター94に出力することもできる。また、光電子増倍管の代わりにレーザビームを高速に掃引してCCDカメラのような2次元検出器を使用すると、直接2次元画像として取り込むこともできる。
【0066】
ETTレーザ70は所望の波長の単色レーザ光を得ることができ、波長の切替も高速で行うことができるので、微小な吸収、発光量の変化を測定する差分や微分スペクトルの検出に効力を発揮する。
【0067】
本発明のレーザ測定は、測定対象が限定されることのない一般的な吸収、発光測定法である。本レーザの発振波長に特有な測定対象の例としては血液中のヘモグロビンやシリコン等がある。前者では740nm付近のスペクトル分析から酸素の結合量の解析が可能である。後者では、700〜1100nmの吸収が大きく変わることを利用して、シリコンウエハ中の欠陥の位置と深さを測定することができる。
【0068】
【発明の効果】
本発明によると、新たに開発されたETTレーザを用いることによって、分光光度計を用いることなく試料の分光測定を行うことが可能となった。そのため、試料の形状や試料の状態に制限されることなく分光測定を行うことができ、分光測定の適用範囲を大幅に拡充することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】複屈折性音響光学素子による波長選択作用を説明する概念図。
【図2】複屈折性音響光学素子中を伝播する常光線のkベクトルと、異常光線のkベクトルを表示した図。
【図3】ETTレーザの一例の説明図。
【図4】ETTレーザの他の例の説明図。
【図5】ETTレーザの波長と出力の関係を示す図。
【図6】複屈折性音響光学素子に入力される音響波入力パワーと出射レーザ光の出力の関係を示す図。
【図7】ETTレーザの他の例の説明図。
【図8】ETTレーザをパルスレーザで励起したときの、励起レーザ光のエネルギーと出射レーザ光のエネルギーの入出力特性を示す図。
【図9】図7に示したETTレーザの波長可変特性を示す図。
【図10】本発明による分光測定の一例を説明する概略図。
【図11】ETTレーザ、試料、光検出器間を光ファイバーで結ぶことにより遠隔測定を可能にした分光測定例の説明図。
【図12】試料中の特定成分の2次元分布測定を説明する図。
【図13】試料の2次元計測の他の例を説明する図。
【図14】従来の分光光度計の略図。
【符号の説明】
14…レーザ媒質、20…RF電源、22…圧電素子、24…励起レーザ光、26…パーソナル・コンピュータ、28…プリズム、30…テレスコープ、32…励起レーザ、40…ETTレーザ、41…単色レーザ光、42…ハーフミラー、43,44…光検出器、45…演算部、46…表示装置、50…ETTレーザ、51a〜51d…光結合器、52a〜52c…光ファイバー、54…光検出器、55…信号処理装置、56…表示装置、57…制御部、58…光検出器、59…フィルター、60…ETTレーザ、61…試料台、64…光検出器、65…信号処理装置、66…制御部、67…モニター、68…単色レーザ光、70…ETTレーザ、74X,74Y…ガルバノミラー、80…顕微鏡、81…ダイクロイックミラー、82…対物レンズ、83…コンデンサレンズ、86,89…2次元検出器、91…画像処理装置、92…VTR、93…モニター、94…プリンター、100…複屈折性音響光学素子、102…入射光、104…音響波、106…回折光、110…全反射ミラー、112…出射側ミラー、200…光源部、210…モノクロメータ、211…単色光、221,224…セクターミラー、222,223…反射ミラー、230…検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a spectrometry and a spectrometer, and more particularly to a spectrometry and a spectrometer using a tunable laser as a spectral light source.
[0002]
[Prior art]
As a highly sensitive sample analysis method, the sample is irradiated with light in the infrared, visible, or ultraviolet region to measure light absorption by the sample, or reflected light from the sample, Rayleigh scattered light, Raman scattered light, fluorescence, etc. Spectrometry is widely used. According to this spectroscopic measurement method, qualitative analysis such as sample identification and confirmation, quantitative analysis such as measurement of the concentration of characteristic components contained in the sample and component ratio of the mixture, and analysis of the electronic state and three-dimensional structure of molecules are performed. The reaction process, the molecular structure analysis of the reaction intermediate, and the like can be performed by time-resolved measurement of the absorption spectrum and the like of the sample.
[0003]
In spectrometry, it is necessary to irradiate a sample with monochromatic light of a specific selected wavelength, or to irradiate light while continuously sweeping the wavelength of monochromatic light. Usually, a white light source and a monochromator are used. A spectrophotometer that extracts monochromatic light in combination is used. The wavelength sweep of the monochromatic light emitted from the exit slit of the monochromator is performed by rotating a wavelength dispersion element, for example, a diffraction grating incorporated in the monochromator.
[0004]
FIG. 14 is a schematic diagram of a double beam type spectrophotometer which is an example of a conventional spectrometer. This spectrophotometer measures the absorption spectrum of the sample, and a light beam from a light source such as a tungsten lamp or a deuterium lamp disposed in the
[0005]
A wavelength tunable laser is used as a light source for some spectroscopic measurements. As a wavelength tunable laser, Ti: Al is used as a laser medium. 2 O 3 A solid laser using a crystal such as (titanium sapphire) and a liquid laser using a dye solution or the like as a laser medium are known. As a wavelength selection method for causing such a wavelength tunable laser to oscillate at a desired wavelength, for example, a diffraction grating or a birefringent plate is disposed in a laser resonator containing a laser medium, and it is mechanically rotated. As a result, a wavelength selection method is employed in which only a specific wavelength can resonate in the laser resonator and a laser beam of a desired wavelength is extracted.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Spectrophotometry using a spectrophotometer is a technique that has already been established and can perform high-precision measurement. However, a monochromator for irradiating monochromatic light is required, and the apparatus becomes large. In addition, since the light source and detector cannot be separated, the size of the sample that can be loaded into the spectrophotometer and the state of the sample are limited, so that spectrometry can be flexibly performed under various sample conditions or conditions. Can't do it. Further, there is a problem that it is not easy to two-dimensionally measure a spectrum such as an absorption spectrum and a reflection spectrum of the sample as a function of a position on the sample.
[0007]
On the other hand, when performing spectral measurement using a laser as a light source, it is not necessary to use a monochromator because monochromatic light is obtained from the laser. However, dye lasers, which are currently most widely used as wavelength tunable lasers, have a narrow wavelength tunable range that can be obtained with one type of dye.The wavelength is selected by mechanically rotating a diffraction grating or birefringent plate. Therefore, it is difficult to change the wavelength at a high speed, and there is a problem that the wavelength can be swept only in one direction in order to improve the wavelength reproduction accuracy. Therefore, it is not suitable for general spectroscopic measurement such as absorption spectrum measurement of a sample.
[0008]
When an optical parametric oscillator (OPO: Optical Parametric Oscillator) is used as the wide-range wavelength tunable laser, the wavelength tunable range can be widened, but the wavelength sweep speed is low and the wavelength reproducibility is poor. Also, the position and direction of the output beam slightly change depending on the wavelength, and the optical axis is not constant.
[0009]
In a spectroscope using an infrared semiconductor laser, the wavelength variable range of one semiconductor laser is narrow, and semiconductor lasers must be replaced one after another in order to perform measurement in a wide wavelength range.
[0010]
For a pulsed dye laser, CaMoO is contained in a dye solution as a laser medium. 4 Arrange the crystals and use CaMoO 4 There has been proposed an electrical oscillation wavelength sweeping method in which an acoustic wave is input to a crystal and a resonator is constituted by light components interacting with the acoustic wave to variably control the oscillation wavelength of the laser (Applied Physics Letters, vol. 19, No. 8, pp. 269-271). However, this sweeping method requires a narrow range of tunable wavelengths and a complicated structure for integrating the dye and the crystal. 4 There are problems such as the necessity of a special crystal called a crystal, and difficulty in separation because the difference between the interacting light component and the non-interacting light component is the rotation of the polarization plane.
[0011]
The present invention has been made in view of such problems of the related art, and has as its object to provide a simple spectroscopic measurement method and a spectroscopic measurement device using a novel wavelength tunable laser as a monochromatic light source.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, an electronically controlled tunable laser (hereinafter, referred to as an ETT (Electronically Tunable Tunable)) capable of electrically controlling a laser oscillation wavelength without providing a mechanically movable portion such as a rotating mechanism to enable high-speed wavelength sweeping. The above object is achieved by newly developing a "laser" and using this ETT laser as a spectral light source.
[0013]
The ETT laser used in the present invention has a laser medium capable of oscillating laser in a predetermined wavelength region and a birefringent acousto-optical element arranged in a laser resonator, and is diffracted at a predetermined angle by the birefringent acousto-optical element. Is a wavelength tunable laser that configures a laser resonator only for the reflected light component and performs wavelength selection by selecting the frequency of the acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element.For example, titanium sapphire is used as a laser medium. In this case, the wavelength can be swept over the wavelength range of 680 nm to 1100 nm in a time within 1 second. Further, since the wavelength is electrically selected using the birefringent acousto-optical element, the wavelength can be switched instantaneously, and, for example, switching between any two wavelengths can be stably performed within 1 ms or less.
[0014]
The fact that the wavelength can be swept in such a wide wavelength range instantaneously and while maintaining the monochromaticity of the laser means that the
[0015]
Hereinafter, the principle of selecting the laser oscillation wavelength of the ETT laser using the birefringent acousto-optic device will be described.
When an acoustic wave is excited in an acousto-optic crystal exhibiting birefringence, diffracted light of a specific wavelength corresponding to the frequency of the acoustic wave in the light incident on the crystal becomes the acoustic wave, the incident light, and the diffracted light. Strongly diffracted in a direction that satisfies the phase matching condition between the two. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the state of this diffraction.
[0016]
Now, TeO 2 It is assumed that incident light 102 having an angular frequency ωi is incident on a birefringent acousto-
[0017]
(Equation 1)
ωo = ωi + ωa
[0018]
However, ωa≪ωi, ωo, and ωi ≒ ωo may be considered.
At this time, when the wave vector of the incident light 102 is ki, the wave vector of the
[0019]
(Equation 2)
ko = ki + ka
[0020]
FIG. 2 shows the relationship between the k-vector of an ordinary ray and the k-vector of an extraordinary ray propagating in the birefringent acousto-
[0021]
Here, when the frequency ωa of the
[0022]
As described above, the size of the circle or ellipse connecting the end points of the locus of the k vector changes depending on the wavelength, but its shape hardly changes. Therefore, if the wavelength is λ 1 To λ 2 , So that even if the magnitudes of the vectors ki and ko of the incident light 102 and the diffracted
[0023]
When the light of the wave vector ko emitted from the birefringent acousto-
[0024]
Therefore, when the
[0025]
Further, since the diffraction efficiency of the diffracted
[0026]
In the above description, the shape of the circle or ellipse connecting the end points of the locus of the k vector hardly changes depending on the wavelength. However, the shape actually changes slightly. Therefore, the diffraction angle also slightly changes depending on the wavelength, the condition of the resonator constituted by the
Ti: Al as the laser medium 2 O 3 Any known tunable laser medium such as a laser crystal such as LiSAF, LiCAF, or a dye solution can be used.
[0027]
The ETT laser can be a continuous wave laser by using a continuous wave laser (CW laser) as a pump laser source, or a pulsed laser by using a pulse laser as a pump laser source. For example, Ti: Al as a laser medium 2 O 3 When Nd is used, Nd: YAG laser, Nd: YLF laser, Nd: YVO 4 A second harmonic of an Nd solid-state laser such as a laser and an argon ion laser can be used. When a LiSAF laser crystal, a LiCAF laser crystal, or the like is used as a laser medium, a semiconductor laser or a krypton ion laser can be used.
[0028]
By matching the pumping volume of the pumping laser in the laser medium with the optical mode volume in the laser resonator to increase efficiency and lowering the pumping input, a high repetition pulsed pump laser or continuous Oscillation lasers can also be used as excitation lasers. For example, the laser resonator may be a Z-hold type laser resonator or an X-hold type laser resonator, and the pump laser light may be introduced along the optical path in the laser resonator, so that the pump light is efficiently used and the laser light is reduced. Laser oscillation can be caused by the excitation light of energy.
[0029]
By using this ETT laser as a light source for spectrometry, the light source unit, the sample unit, and the detection unit can be arranged separately, and remote measurement of a sample arranged at a distant position becomes possible. In addition, since the laser light is output as a beam with good directivity, it can be efficiently incident on the optical fiber, and the optical fiber connects between the light source section and the sample section and between the sample section and the detection section, so that remote measurement can be performed. Can be easily achieved.
[0030]
Further, by two-dimensionally scanning the sample with a laser beam while sweeping the wavelength of the ETT laser, spectrum measurement in a two-dimensional region of the sample can be easily performed.
In addition, by utilizing the good condensing property of the laser light, the laser light can be narrowed down to the sample with a lens or the like, and spectroscopic measurement can be performed in a spatially limited place.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an ETT laser used in the present invention will be described with reference to FIGS. In the following drawings, the same components or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
[0032]
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of an example of the ETT laser used in the present invention. 3, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals for easy understanding.
[0033]
In this ETT laser, a laser resonator is configured by an emission-
[0034]
The
ωo = ωi + ωa
[0035]
Thus, only the light having the frequency ωi can reciprocate in the
[0036]
FIG. 4 shows an arrangement in which a beam diameter expanding means for avoiding optical damage to the birefringent acousto-optic element is provided, and laser oscillation is performed in a wide wavelength range by compensating for the frequency dependence of the diffraction angle. An example of a laser in which a prism as a wavelength dispersion correction element is arranged between a refractive acousto-optic element and a total reflection mirror will be described.
[0037]
A
[0038]
Further, a
[0039]
In the example of FIG. 4, the
[0040]
FIG. 5 shows the wavelength and output power of the laser light emitted when the frequency of the
[0041]
FIG. 6 shows a change in the output of the laser light emitted when the output of the RF power source is changed to change the input power of the acoustic wave. From FIG. 6, when the power of the acoustic wave input to the birefringent acousto-optic element changes from 0.5 W to 2 W, the output of the emitted laser light also changes accordingly, It can be seen that the output of the emitted laser light can be controlled by changing the power of the input acoustic wave.
[0042]
FIG. 7 is a schematic view showing another example of the ETT laser. In this example, a so-called Z-hold type laser resonator is used in which an optical path of light reciprocating in the laser resonator has a Z-shape of an alphabet. The Z-hold type laser resonator includes an
[0043]
Between the first
[0044]
A
[0045]
Between the birefringent acousto-
[0046]
The excitation laser light A generated by the
[0047]
In the above configuration, to obtain the emission laser light C, the
[0048]
As described above, the wavelength selection of the output laser light C can be realized by selecting the frequency ωa of the
[0049]
In the ETT laser shown in FIG. 7, since the structure of the laser resonator is a Z-hold type, the excitation laser beam A is focused by the total
[0050]
FIG. 8 shows an experimental result on the input / output characteristics of the ETT laser shown in FIG. Here, Ti: Al is used as the
[0051]
FIG. 9 shows a wavelength tunable characteristic when the energy of the excitation laser beam A is 100 μJ. As is clear from FIG. 9, the wavelength variable range is from about 740 nm to about 870 nm. With the provision of the
[0052]
Next, the spectroscopic measurement method of the present invention using the ETT laser will be described.
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of spectrometry according to the present invention. The above-mentioned
[0053]
The
[0054]
When the
[0055]
FIG. 11 is an explanatory diagram of an example of spectrometry in which remote measurement is enabled by connecting the
[0056]
The light emitted from the
[0057]
The
[0058]
When the light receiving
[0059]
As described above, the method of connecting the
[0060]
FIG. 12 is a diagram illustrating measurement of a two-dimensional distribution of a specific component in a sample according to the present invention.
The sample S is held by the sample table 61 and can be moved in the X and Y directions by driving means such as a motor incorporated in the sample table 61. The
[0061]
For example, the
[0062]
FIG. 13 is a diagram illustrating another example of two-dimensional measurement of a sample according to the present invention. In this example, monochromatic light from an ETT laser is introduced into a microscope, and the two-dimensional distribution of transmitted light or emission of a cell specimen or the like is measured using a two-dimensional detector.
[0063]
The monochromatic laser light 71 from the
[0064]
The monochromatic laser light introduced into the
[0065]
The output signal of the
[0066]
Since the
[0067]
The laser measurement of the present invention is a general absorption / emission measurement method in which the measurement target is not limited. Examples of the measurement target specific to the oscillation wavelength of the present laser include hemoglobin and silicon in blood. In the former, it is possible to analyze the amount of oxygen binding from the spectrum analysis around 740 nm. In the latter, the position and depth of a defect in a silicon wafer can be measured by utilizing the fact that the absorption at 700 to 1100 nm changes significantly.
[0068]
【The invention's effect】
According to the present invention, the use of a newly developed ETT laser makes it possible to perform spectroscopic measurement of a sample without using a spectrophotometer. Therefore, spectrometry can be performed without being limited by the shape of the sample or the state of the sample, and the applicable range of the spectrometry can be greatly expanded.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a wavelength selection action by a birefringent acousto-optic element.
FIG. 2 is a diagram showing a k-vector of an ordinary ray and a k-vector of an extraordinary ray that propagate in a birefringent acousto-optic element.
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an ETT laser.
FIG. 4 is an explanatory diagram of another example of the ETT laser.
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between a wavelength and an output of an ETT laser.
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the acoustic wave input power input to the birefringent acousto-optic element and the output of the emitted laser light.
FIG. 7 is an explanatory diagram of another example of the ETT laser.
FIG. 8 is a diagram showing input / output characteristics of the energy of the excitation laser light and the energy of the emission laser light when the ETT laser is excited by the pulse laser.
FIG. 9 is a view showing a wavelength tunable characteristic of the ETT laser shown in FIG. 7;
FIG. 10 is a schematic diagram illustrating an example of spectrometry according to the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram of an example of spectrometry in which remote measurement is enabled by connecting an ETT laser, a sample, and a photodetector with an optical fiber.
FIG. 12 is a diagram illustrating measurement of a two-dimensional distribution of a specific component in a sample.
FIG. 13 is a view for explaining another example of two-dimensional measurement of a sample.
FIG. 14 is a schematic diagram of a conventional spectrophotometer.
[Explanation of symbols]
14 laser medium, 20 RF power supply, 22 piezoelectric element, 24 excitation laser light, 26 personal computer, 28 prism, 30 telescope, 32 excitation laser, 40 ETT laser, 41 monochromatic laser Light, 42 half mirror, 43, 44 photodetector, 45 arithmetic unit, 46 display device, 50 ETT laser, 51a-51d optical coupler, 52a-52c optical fiber, 54 optical detector, 55 ... signal processing device, 56 ... display device, 57 ... control unit, 58 ... photodetector, 59 ... filter, 60 ... ETT laser, 61 ... sample stand, 64 ... photodetector, 65 ... signal processing device, 66 ... Control unit, 67 monitor, 68 monochromatic laser beam, 70 ETT laser, 74X, 74Y galvanometer mirror, 80 microscope, 81 dichroic mirror, 82 pair Lens 83:
Claims (4)
前記波長可変レーザとして、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子と前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザを用いることを特徴とする分光測定方法であって、
前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子として、音響周波数の選択により音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす回折光が、所定の光軸から偏向するという回折角の波長分散を補正するように設計されたプリズムを用いることを特徴とする分光測定方法。In a spectroscopic measurement method for performing spectroscopic measurement of a sample by irradiating the sample with monochromatic laser light from a tunable laser,
As the tunable laser, a laser medium capable of oscillating laser in a predetermined wavelength region, a birefringent acousto-optic element, and an element for correcting wavelength dispersion of a diffraction angle by the birefringent acousto-optic element are arranged in a laser resonator. A laser resonator is formed on a predetermined optical axis of a light component diffracted by the birefringent acousto-optic element, and a wavelength of the acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element is selected. A spectrometry method characterized by using a wavelength tunable laser for selection,
As an element for correcting the wavelength dispersion of the diffraction angle due to the birefringent acousto-optic element, a diffracted light satisfying a phase matching condition between an acoustic wave, incident light, and diffracted light by selecting an acoustic frequency is deflected from a predetermined optical axis. Using a prism designed to correct the wavelength dispersion of the diffraction angle.
前記複屈折性音響光学素子による回折角の波長分散を補正する素子が、音響周波数の選択により音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす回折光が、所定の光軸から偏向するという回折角の波長分散を補正するように設計されたプリズムであることを特徴とする分光測定装置。A laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region, a birefringent acousto-optic element, and an element for correcting wavelength dispersion of a diffraction angle by the birefringent acousto-optic element are arranged in the laser resonator, A wavelength tunable laser that forms a laser resonator on a predetermined optical axis of a light component diffracted by an acousto-optic element and controls a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element to perform wavelength selection. And a irradiating means for irradiating the sample with monochromatic laser light emitted from the wavelength tunable laser, and a photodetector for detecting the monochromatic laser light after interacting with the sample. And
The element that corrects the wavelength dispersion of the diffraction angle due to the birefringent acousto-optic element, the diffraction light that satisfies the phase matching condition between the acoustic wave, the incident light, and the diffracted light by selecting the acoustic frequency is deflected from a predetermined optical axis. spectrometer, characterized in that the prisms designed to correct the chromatic dispersion of the diffraction angle that.
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