JP3796585B2

JP3796585B2 - 遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置

Info

Publication number: JP3796585B2
Application number: JP2003547911A
Authority: JP
Inventors: 秀実重川; 修武内; 幹雄山下; 隆二森田
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-11-26
Filing date: 2002-11-25
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2022-11-25
Also published as: EP1460410A1; DK1460410T3; US7002149B2; JPWO2003046519A1; WO2003046519A1; EP1460410A4; EP1967839A1; US20050035288A1; EP1460410B1; DE60228125D1

Description

技術分野
本発明は、時間領域及び空間領域において極限の分解能を有する、光励起による物理現象の測定装置に関し、詳しくは、遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置に関する。
背景技術
ナノスケールで構造を制御して、新しい機能を有する次世代デバイスを開発する試みが近年とみに盛んになりつつあり、中でも光物性を利用した機能素子や超高速素子の創製は特に重要な課題の一つである。そのためには、ナノスケールの局所領域の光励起物理現象を過渡応答まで含めて解明することが必要不可欠となる。このため、究極の空間領域分解能を有する走査プローブ顕微鏡技術と究極の時間領域分解能を有するレーザーパルス技術を組み合わせた新しい測定技術の導入が提案され、既に単一分子や半導体超格子構造からの光励起発光やトンネル電流発光の解明、局所的バンド構造の解明、点欠陥の解析といった重要な成果を上げつつある（ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．８３，Ｎｏ．７，１ＡＰＲＩＬ１９９８，Ｐ３４５３〜。ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＰＰＬＩＥＤＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．８８，Ｎｏ．８，１５ＯＣＴＯＢＥＲ２０００，Ｐ４８５１〜。ＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｖｏｌ．１０７の６，Ｐ２８１〜，１９９８。重川秀美「光励起ＳＴＭ」表面科学２０，（１９９９）３３７頁参照）。
走査プローブ顕微鏡、例えば、走査トンネル顕微鏡は、オングストローム・オーダーの曲率半径を有する探針の先端を、オングストローム・オーダーの距離で試料表面に近づけ、探針の先端と試料表面との間にトンネル接合を形成し、トンネル接合に流れるトンネル電流の大きさから、原子レベルの表面モフォロジーを測定する装置である。走査トンネル顕微鏡はピエゾ・ステージを使用してオングストローム・オーダーの精度で走査できるので、究極の空間領域分解能を有した表面モフォロジー像を得ることができる。
また、超短光レーザーパルス装置は、フェムト秒オーダーの半値幅を有するレーザーパルスをフェムト秒という究極の時間分解能で発生する装置である。
走査トンネル顕微鏡の探針の先端の直下の試料表面に超短光レーザーパルスを照射し、超短光レーザーパルス照射に同期したトンネル電流を検出することによって、空間及び時間ともに極限の分解能で光励起物理現象を測定できる。これにより、ナノスケール・デバイスを創製する上で極めて重要な知見が得られる。
このような装置の一つに、遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置がある。この装置は、走査プローブ顕微鏡に試料を配置し、この試料を励起する２つの短光パルスを、これらの短光パルス間の遅延時間を連続的に変化させて照射し、試料の励起状態に起因するプローブ電流の変化に基づき、２つの短光パルスの遅延時間に依存するプローブ電流成分を測定するものである。この装置によれば、ナノスケールの局所領域の光励起物理現象の過渡応答が測定できるので、光物性を利用した機能素子や超高速素子の創製に必要な光励起物理現象の知見が得られる。例えば、試料のナノスケール微小領域のキャリアーを励起できる短光パルスを用いることにより、キャリアー寿命を遅延時間に依存するプローブ電流成分の遅延時間依存性から測定できる。
次に、従来の、遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成及び作用を説明する。図９は、従来の遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。ここでは走査プローブ顕微鏡として走査トンネル顕微鏡を用いた例について説明する。
図９において、短光レーザーパルス発生装置６０から一定の繰り返し周波数で出力される短光パルス６２を干渉計型遅延回路６１により１ｐｓ程度の遅延時間ｔ_dを有する２つのパルス６３，６４に分け、パルス６３，６４をチョッパ装置６５により周波数ωでチョップし、トンネル顕微鏡装置６６のプローブ直下の試料部分に入射する。ロックイン検出装置６９により、トンネル電流信号６７を周波数ω（６８）を参照信号としてロックイン検出を行い、短光パルス６３，６４照射時のトンネル電流Ｉ_irrと、短光パルス６３，６４非照射時のトンネル電流Ｉ_bakとの差信号Ｉ_diffを求める。短光パルス６３，６４間の遅延時間ｔ_dを連続的に変化させて同一の測定を繰り返し、遅延時間に依存するトンネル電流成分Ｉ_diffの遅延時間依存性を測定する。
しかしながら、上記の従来装置では、以下に説明する課題がある。
第１に、遅延時間ｔ_dに依存するプローブ電流成分、すなわち、トンネル電流成分Ｉ_diffは、遅延時間ｔ_dに依存しない成分Ｉ_bakに比べて極めて小さく、ロックイン検出装置のダイナミックレンジを限界まで大きくしても、十分な精度で測定できない。
第２に、短光パルス発生装置の光出力強度は環境の微小な変化（温度等）により長周期の揺らぎを持つが、従来方法ではこの揺らぎを除去することができず、プローブ信号の遅延時間依存性を高精度に測定することが難しい。
従って、上記の従来法のように光照射時と非照射時のプローブ信号を差し引く方法では、プローブ電流成分Ｉ_diff の遅延時間依存性を高感度に高精度に測定することが困難である。
第３に、走査プローブ顕微鏡のプローブ先端が短光パルスにさらされるため、プローブ先端が、短光パルスの照射時に熱膨張し、超短光パルスの非照射時に熱収縮し、プローブ先端と試料表面との距離が変動し、トンネル確率が変動してしまう。このため、プローブ信号の遅延時間依存性を高感度に高精度に測定することが難しい。
また、従来装置では、図９に示したように、遅延時間ｔ_dを有する短光パルス６３，６４の波長は同一である。従って、この装置では、２つのエネルギー準位が関与する現象は測定できるが、３つ以上のエネルギー準位が関与する光励起現象は測定することができない。
例えば、図１０に示すように、エネルギー準位７１，７２，７３を介する励起状態があった場合、準位７１と準位７３のエネルギー差に相当する光エネルギーを吸収して準位７１から準位７３に励起されたキャリアーが、準位７３から準位７２に緩和する緩和時間を知りたい場合がある。この場合、準位７１と準位７３のエネルギー差に相当する光パルス７４と、準位７２と準位７３のエネルギー差に相当する光パルス７５を、これらの光パルス間の遅延時間ｔ_dを連続的に変えて試料に照射し、遅延時間ｔ_dに依存するプローブ電流成分Ｉ_diffの遅延時間ｔ_d依存性を測定すれば、緩和時間を求めることができる。しかしながら、従来装置では、遅延時間ｔ_dを有する２つの短光パルスの各々の波長を任意に変化させることができなかった。
本発明は上記課題に鑑み、ロックイン検出装置の大きなダイナミックレンジを必要とせずに、また、超短光パルス非照射時のプローブ電流値を必要とせずに、超短光レーザーパルス発生装置の光出力強度の長周期の揺らぎに影響されずに、走査プローブ顕微鏡のプローブ先端の位置の変動が無く、かつ、フェムト秒の分解能で遅延時間に依存するプローブ電流成分を高感度に高精度に直接測定できる遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置を提供することを第１の目的とするものである。
また、本発明は上記課題に鑑み、遅延時間が制御された複数の超短光パルスの各々の波長を任意に変化させることができる遅延時間変調型時間分解走査プローブ顕微鏡装置を提供することを第２の目的とするものである。
発明の開示
上記第１の目的を解決するために、本発明の請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置は、超短光レーザーパルス装置と、この超短光レーザーパルス装置の発生する超短光パルスを二つに分割してポンプ光とプローブ光を形成すると共に、このポンプ光とプローブ光間の中心遅延時間を設定し、かつ、この設定した中心遅延時間を中心としてポンプ光とプローブ光間の遅延時間を一定の光路長振幅及び周波数で変調する遅延変調回路と、上記遅延時間が変調された上記ポンプ光とプローブ光が照射される試料の直上に、プローブ先端と上記試料の表面との間にトンネル接合を形成するようにプローブを配置し、かつ、このプローブを上記試料の面上で走査する走査プローブ顕微鏡と、上記ポンプ光とプローブ光が照射されて生ずる上記トンネル接合に流れる上記変調周波数で変調されたトンネル電流であるプローブ信号を、上記変調周波数を参照信号としてロックイン検出するロックイン検出装置と、を有し、上記遅延変調回路により、上記一定の光路長振幅及び周波数で遅延時間が変調された上記ポンプ光とプローブ光を上記中心遅延時間を連続的に各々変えて複数形成し、この複数のポンプ光とプローブ光の各々が照射されることによって生ずる上記プローブ信号の各々を、上記ロックイン検出装置で上記変調周波数を参照信号としてロックイン検出し、このロックイン検出したプローブ信号の各々から、各々の中心遅延時間におけるプローブ信号の遅延時間に対する変化率を求め、この変化率を遅延時間で積分してプローブ信号の遅延時間依存性を求めることを特徴とする。
上記構成において、超短光レーザーパルス装置は、フェムト秒オーダーのパルス幅を有する超短光パルスを一定周期で発生する。また、遅延変調回路は、好ましくは、ハーフミラーと、ピエゾ・ステージに固定されたミラーから成る二組の可動ミラーとを有し、二組の可動ミラーの一方又は両方を駆動して、遅延時間の中心値を設定すると共に、遅延時間を中心として一定の周波数で変調する。ロックイン検出装置は、遅延時間の変調周波数を参照周波数としてロックイン検出する。
上記構成によれば、超短光レーザーパルス装置からフェムト秒オーダーのパルス幅を有する超短光パルスが一定周期で発生し、各々の超短光パルスが遅延変調回路で、ハーフミラーによって二つの超短光パルスに分けられて、ピエゾ・ステージに固定されたミラーから成る二組の可動ミラーで別々に反射され、ハーフミラーで再び合波される。その際、二組の可動ミラーの往復行路長の差を制御して二つの超短光パルスの間の遅延時間を設定し、かつ、一方の可動ミラーの行路長を所定の振幅及び周波数で変調する。設定された遅延時間を中心として所定の振幅及び周波数で変調された遅延時間を有する二つの超短光パルスは、走査プローブ顕微鏡のプローブ直下の試料に入射して、試料のエネルギー状態を変化させてプローブ信号を変化させる。
ロックイン検出装置は、遅延時間の変調周波数を参照周波数としてロックイン検出し、プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に対する変化率に比例した変化量を検出する。遅延時間を連続的に変化させて、同様の測定をくり返す。
プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に対する変化率に比例した変化量から、プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に対する変化率を計算によって求めることができ、この変化率を遅延時間で積分すれば、プローブ信号の遅延時間依存性がわかる。
超短光パルス装置がフェムト秒の時間分解能を有し、また、遅延変調回路にピエゾ・ステージを使用するので、フェムト秒の時間分解能で遅延時間を設定することができ、ロックイン検出装置は、遅延時間の変調周波数を参照周波数としてロックイン検出することで、プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に対する変化率に比例した変化量を検出する、すなわち、プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に対する変化率を直接検出しているので、大きなバックグラウンド成分がある場合にも、遅延時間に依存する微小な成分を、高感度に高精度に測定することができる。
また、超短光パルス強度の揺らぎの周波数よりも遅延時間の変調周波数を十分大きくすれば、プローブ信号の遅延時間に依存する微小な成分を、超短光パルス強度の揺らぎに影響されずに検出できる。
また、超短光レーザーパルス装置から一定周期で発生する超短光パルス列の全てをプローブ直下の試料に照射し、チョッパ等で超短光パルス列を遮断することがないので、超短光パルスの発生周波数がプローブ先端の熱応答速度に比べて十分大きければ、プローブ先端が冷える間もなく次の超短光パルスが供給されるので、プローブ先端の温度は一定になり、プローブ先端の熱膨張・収縮が無くなり、プローブ先端と試料表面との間の距離が変動しなくなりトンネル確率が変動しない。従って、プローブ信号の遅延時間に依存する微小な成分を、高感度かつ高精度に測定することができる。また、オングストローム・オーダーの空間分解能を有する走査プローブを使用するので、オングストローム・オーダーの空間分解能で、プローブ信号の遅延時間に依存する微小な成分を、高感度かつ高精度に測定できる。
このように、本発明によれば、オングストロームオーダーの空間分解能で、フェムト秒の分解能で励起光パルス間の遅延時間に依存するプローブ電流成分を高感度に高精度に直接測定できるので、空間及び時間ともに極限の分解能で光励起物理現象を測定することが可能になる。
また、上記第２の目的を解決するために、本発明の請求項６に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置は、複数の波長の異なる超短光パルスを発生し、かつ、これらの波長の異なる複数の超短光パルスの間の遅延時間を設定できる超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置（ＰＣＴ−国際公開番号ＷＯ０１／４４８６３Ａ１号公報参照）と、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置の二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器の変調を制御して、複数の波長から所望の複数の波長の超短光パルスを選択し、複数の超短光パルス間の遅延時間を設定し、且つ設定した遅延時間を中心として一定周波数の変調タイミングで遅延時間を変調する波長・遅延時間・変調タイミング制御装置と、波長・遅延時間・変調タイミング制御装置で制御され、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置から出力する、波長、遅延時間、及び変調タイミングが制御された複数の超短光パルスが照射される試料の直上に、プローブをプローブ先端と試料表面との間にトンネル接合が形成されるように配置し、かつ試料の面上でプローブを走査する走査プローブ顕微鏡と、超短光パルスが照射される走査プローブ顕微鏡のプローブ信号を変調タイミングを参照信号としてロックイン検出するロックイン検出装置と、を有することを特徴とする。
前記波長・遅延時間・変調タイミング制御装置は、所望の複数の超短光パルスの波長、遅延時間及び変調タイミング周波数の入力値に基づいて、二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器の制御信号を計算し、二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器に出力し、かつ、変調タイミング信号をロックイン検出装置に出力するコンピュータからなることを特徴とする。
前記ロックイン検出装置は、変調タイミングを参照周波数としてロックイン検出し、プローブ信号の、設定した遅延時間における、遅延時間に対する変化率に比例した量を検出することを特徴とする。また、走査プローブ顕微鏡は、走査型トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡であることを特徴とする。
この構成によれば、本発明の請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置と同様に、オングストロームオーダーの空間分解能で、フェムト秒の分解能で励起光パルス間の遅延時間に依存するプローブ電流成分を高感度に高精度に直接測定できることに加え、任意の波長による、かつ複数の波長による励起光パルス間の遅延時間に依存するプローブ電流成分を高感度に高精度に直接測定することができる。従って、空間及び時間ともに極限の分解能で３つ以上のエネルギー準位が関与する光励起物理現象を測定することが可能になる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
始めに、本発明の第１の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置を説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。図において、本発明のフェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置１は、超短光レーザーパルス発生装置２と、超短光レーザーパルス発生装置２の発生する超短光レーザーパルス３を二つの超短光レーザーパルス４，５に分けると共に二つの超短光レーザーパルス４，５間の遅延時間ｔ_dを周波数ωで変調する遅延変調回路６と、遅延時間ｔ_dが周波数ωで変調された超短光レーザーパルス４，５が照射される試料１８の直上に、プローブ１９の先端と試料１８との間にトンネル接合が形成されるように、プローブ１９を配置し、かつ試料１８の面上でプローブ１９を走査する走査プローブ顕微鏡７と、プローブ１９の先端と試料１８間の超短光レーザーパルス４，５の照射によって変調されたトンネル電流であるプローブ信号１１を変調周波数ωでロックイン検出するロックイン検出装置８とを有している。
なお、図において、９は走査プローブの設定を補助するためのＣＣＤカメラであり、１０は遅延変調回路６からロックイン検出装置８へ送出する参照周波数（ω）信号を示し、１１は走査プローブ顕微鏡７からロックイン検出装置８へ送出するプローブ信号であり、１２はロックイン検出装置８から画像表示装置（図示せず）へ送出する測定データを示し、１３は画像表示装置に表示する測定データの一例である。
超短光レーザーパルス発生装置２は、フェムト秒オーダーのパルス幅を有する超短光パルス３を一定周期で発生する。例えば、波長８００ｎｍ、パルス半値幅２５ｆｓの超短光パルスをくり返し周波数８０ＭＨｚで発生する、Ｔｉ：サファイアレーザーを用いることができる。
遅延変調回路６は、超短光パルス３を互いに直交した方向に進行する二つの超短光パルス４，５に分けるハーフミラー１４と、超短光パルス４，５の進行方向に設けた二組の可動ミラー１５，１６とを有している。可動ミラー１５，１６は、ピエゾ・ステージを駆動してハーフミラー１４との距離を任意に調節できると共に、任意の振幅及び任意の周波数（ω）で振動させることができる。図の例では、可動ミラー１５で中心遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾を調節し、可動ミラー１６で周波数変調（振幅Δｔ_d、周波数ω）を加えている。
走査プローブ顕微鏡７は、オングストローム・オーダーの曲率半径を有するプローブ１９の先端を、オングストローム・オーダーの距離で試料表面に近づけることができ、また、オングストローム・オーダーの精度で試料面を走査できるものであれば良く、例えば、ピエゾ・ステージを用いた、極低温、超高真空用の走査型トンネル顕微鏡または原子間力顕微鏡が好ましい。ロックイン検出装置は、通常用いられるものでよいがダイナミックレンジが大きいものほど好ましい。
上記構成の本装置は以下のように動作する。
超短光レーザーパルス発生装置２からフェムト秒オーダーのパルス幅を有する超短光パルス３が一定周期で発生し、各々の超短光パルス３が遅延変調回路６で、ハーフミラー１４によって二つの超短光パルス４，５に分けられて、二組の可動ミラー１５，１６で別々に反射され、ハーフミラー１４で再び合波される。その際、二組の可動ミラー１５，１６の往復行路長の差を制御して二つの超短光パルス４，５の間の遅延時間の中心遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾を設定し、かつ、一方の可動ミラー１６の行路長を所定の振幅Δｔ_d及び周波数ωで変調する。所定の中心遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾を中心として所定の振幅Δｔ_d及び周波数ωで変調された遅延時間を有する二つの超短光パルス４，５は、走査プローブ顕微鏡７のプローブ直下の試料１７に入射して、試料１８のエネルギー状態を変化させてプローブ信号１１を変化させる。
ロックイン検出装置８は、遅延時間の変調周波数ωを参照周波数としてロックイン検出し、プローブ信号１１の遅延時間変化率（ｄＩ_t／ｄｔ_d）に比例する量を検出する。すなわち、超短光パルス４，５間の遅延時間が中心遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾を中心として、振幅Δｔ_d及び周波数ωで遅延時間変調されているときの、時刻ｔにおけるプローブ信号Ｉ_tは次の（１）式となり、
【数１】

参照周波数ωでロックイン検出すると（１）式の右辺第２項のｓｉｎωｔの係数、
【数２】

が検出される。振幅Δｔ_dは既知であるから、この係数からプローブ信号の遅延時間に対する変化率（ｄＩ_t／ｄｔ_d）が求まる。中心遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾を連続的に変化させて変化率（ｄＩ_t／ｄｔ_d）を測定し積分することによってプローブ信号Ｉ_tの超短光パルス４，５間の遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾依存性を求めることができる。この方法は、変動するバックグラウンド成分が除去されているので、高感度に高精度にプローブ信号の遅延時間依存性が求められる。
上記のように、超短光パルスレーザー発生装置２がフェムト秒の時間分解能を有し、また、遅延変調回路６がピエゾ・ステージを使用するので、フェムト秒の時間分解能で遅延時間を設定でき、また、ロックイン検出装置８は、遅延時間の変調周波数ωを参照周波数としてロックイン検出し、プローブ信号の遅延時間変化率に比例した量を直接検出するので、変動するバックグラウンド成分が除去されており、遅延時間に依存するプローブ信号の遅延時間依存性をフェムト秒の時間分解能で高感度に高精度に測定できる。
また、超短光パルス強度の揺らぎの周波数よりも、遅延時間の変調周波数ωを十分大きくすれば、プローブ信号の遅延時間依存性を、超短光パルス強度の揺らぎの影響を受けずに測定することができる。
さらに、超短光レーザーパルス発生装置２から一定周期で発生する超短光パルス３の列の全てをプローブ直下の試料に照射し、チョッパ等で超短光パルス３の列の一部を遮断することがないので、超短光パルス３の発生周波数がプローブ１９の先端の熱応答周波数に比べて十分大きければ、走査プローブ顕微鏡７のプローブ１９の先端が冷える間もなく次の超短光パルス４，５が供給されるので、プローブ１９の先端の温度は一定になり、プローブ１９の先端の熱膨張・収縮が無くなり、プローブ１９の先端と試料１８の表面との距離が変動しなくなってトンネル確率が変動しなくなり、プローブ信号１１の遅延時間依存性を高感度かつ高精度に測定できる。
また、オングストローム・オーダーの空間分解能を有する走査プローブ顕微鏡７を使用するので、オングストローム・オーダーの空間分解能で測定できる。
次に、実施例１を示す。
本実施例は、本装置によれば走査プローブのプローブ先端が熱膨張や熱収縮を生じないことを示すものである。
図２は、本装置により、マイカ上に堆積したＡｕ（１１１）薄膜のプローブ電流を測定した結果を示す図である。超短光レーザーパルス発生装置は、波長８００ｎｍ、パルス半値幅２５ｆｓの超短光パルスをくり返し周波数８０ＭＨｚで発生する、Ｔｉ：サファイアレーザーを用いている。Ａｕは８００ｎｍの光波長では吸収を示さない物質であり、プローブ電流は、測定中に変動しないことが予測される。
図２（ａ）は、光照射をしない場合のプローブ電流の経時変化を示す図であり、時間の経過に対しプローブ電流が変化しないことがわかる。図２（ｂ）は、従来の装置と同様に、レーザー光を周波数２００Ｈｚでチョップして照射し、プローブ電流を測定したものである。図から明らかなように、５ｍｓｅｃの周期でプローブ電流が変動しており、走査プローブのプローブ先端が、レーザーパルス光照射によって熱膨張や熱収縮してプローブ電流が変動してしまうことがわかる。図２（ｃ）は、遅延時間変調の振幅Δｔ_dが４００ｆｓ、変調周波数ωが１００Ｈｚで遅延時間変調を行い、プローブ電流を測定したものである。図から明らかなように、時間の経過に対しプローブ信号が変化しないことがわかる。すなわち、本装置によれば、レーザーパルス光照射によって走査プローブのプローブ先端が熱膨張や熱収縮をしないことがわかる。
次に、実施例２を示す。
本実施例は本装置の時間分解能を示すものである。図３は、本装置の時間分解能評価に使用した測定系を示す図である。ｎ型ＧａＡｓ（１００）基板を試料に用いた。なお、ｎ型ＧａＡｓのキャリアー寿命は十分長く、本実施例の遅延時間範囲ではほとんど緩和しない。図３（ａ）は、ｎ型ＧａＡｓである試料１８と、プローブ１９の先端と、試料１８とプローブ１９の先端の間のギャップ１７とで構成されるエネルギーバンド構造を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の構成において、プローブ１９の先端を基準としてｎ型ＧａＡｓ１８間に印加したバイアス電圧（横軸）に対するプローブ電流（縦軸）の変化を示す図であり、点線は、光照射無しの場合、実線は光照射がある場合を示す。電圧が負の場合はトンネルギャップに形成されるショットキーバリアの逆方向にバイアスがかかるため、ｎ型ＧａＡｓ１８表面近傍のエネルギー障壁が薄くなり、それに伴いトンネル確率が大きくなり、プローブ１９の先端へｎ型ＧａＡｓ１８から電子がトンネルしてプローブ電流が流れる。この状態は、図３（ｂ）の負電圧領域の点線に対応する。電圧が正の場合には、図３（ａ）の点線で示すように、ｎ型ＧａＡｓ１８表面近傍にエネルギー障壁が存在するためトンネル確率が小さいままで、プローブ１９の先端からｎ型ＧａＡｓ１８へのプローブ電流が流れない。この状態は図３（ｂ）の正電圧領域の点線に対応する。電圧が正の場合に光照射すると、図３（ａ）の黒い太矢印で示したように、キャリヤーが励起されｎ型ＧａＡｓ１８表面近傍のエネルギー障壁が薄くなり、それに伴いトンネル確率が大きくなりｎ型ＧａＡｓ１８からプローブ１９に電子がトンネルしてプローブ電流が流れる。この状態は、図３（ｂ）の正電圧領域の実線に対応する（黒い太矢印で示す）。本実施例では、上記の電圧が正の場合の系を用いて本装置の時間分解能評価を行った。図４は、本装置の時間分解能を示す図である。図４（ａ）は、２つに分割した超短光パルス間の遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾（横軸）に対するプローブ電流（縦軸）を示す。遅延時間ｔ_d ⁽⁰⁾が０、すなわち、二つの超短光パルスが重なった状態から約１ｆｓづつ遅延時間を増大（及び減少）させて測定した。図から明らかなように、プローブ電流が超短光パルスの波長８００ｎｍに対応する周期２．６８ｆｓで振動していることから、プローブ電流の振動は二つの超短光パルスの干渉強度に基づくものであることがわかる。また、全体の包絡線は超短光パルスのパルス幅に対応する約３０ｆｓの半値幅を有していることがわかる。これらの結果から、本装置は、遅延時間を１ｆｓの精度で制御できていることがわかる。
図４（ｂ）は、図４（ａ）と同一の条件で、振幅Δｔ_dが０．５ｆｓ、変調周波数ωが４００Ｈｚで遅延時間変調してプローブ電流の、プローブ電流変化率にを比例する変化量（式２で表される量）を測定した図である。図４（ｂ）の波形は図４（ａ）の波形の微分波形になっていることがわかる。すなわち、本装置は、１ｆｓの精度で、遅延時間に依存するプローブ電流、すなわち遅延時間に依存するプローブ信号を測定できることがわかる。
このように、本装置は、遅延時間を１ｆｓの精度で制御でき、かつ１ｆｓの精度で遅延時間に依存するプローブ信号を測定できるので、超短光パルス幅と同程度の精度で、プローブ信号の遅延時間依存性を測定できることがわかる。
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
上記説明では、波長が同一な超短光パルス間の遅延時間を変化させ、かつ、遅延時間を変調して、プローブ信号の変化量を直接測定する装置について説明したが、次に、波長の異なる複数の超短光パルス間の遅延時間を変化させ、かつ、遅延時間を変調して、プローブ信号の変化量を直接測定する装置を説明する。
図５は、本発明の第２の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。図において、第２の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置２０は、超短光レーザーパルス装置２１と、超短光レーザーパルス装置２１の発生する超短光パルス２２から複数の波長の異なる超短光パルス２３，２４を発生し、かつ、波長の異なる複数の超短光パルス２３，２４間の遅延時間を所望の値に設定できる超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置２５と、複数の超短光パルス２３，２４の波長を設定し、複数の超短光パルス間の遅延時間を設定し、かつ、遅延時間を一定タイミングで変調する変調制御信号２７を、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置２５の二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器に送出し、かつ、遅延時間変調タイミングをロックイン検出の参照信号２８としてロックイン検出器８に送出する、波長・遅延時間・変調タイミング制御装置２６と、波長・遅延時間・変調タイミング制御装置２６で制御されて超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置２５から出力する複数の超短光パルス２３，２４が照射される試料１８の直上に、プローブ１９の先端と試料１８との間にトンネル接合が形成されるようにプローブ１９を配置し、かつ試料１８の面上でプローブ１９を走査する走査プローブ顕微鏡７と、超短光パルス２３，２４が照射される走査プローブ顕微鏡７のプローブ信号１１を変調タイミングを参照信号２８としてロックイン検出するロックイン検出装置８とを有することを特徴としている。
なお、図５において、波長、遅延時間が選択された超短光パルスは、２３，２４の２つの場合を示しているが、２つに限らず、さらに多くの複数であっても良い。また、１２はロックイン検出装置８から画像表示装置１３へ送出する測定データを示す。
図６は、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置の構成を示す図である。なお、この図６はＰＣＴ−国際公開番号ＷＯ０１／４４８６３Ａ１号公報に記載の図１に基づいた図である。
超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置は、上記特許文献に詳細に記載されているので、ここではこの装置の概略を説明するに止める。なお、説明を簡潔にするため、図の紙面に垂直な方向をｙ軸とし、紙面平行方向をｘ軸として説明する。図において、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置２５は、超短光レーザーパルス発生装置２１の発生する超短光パルス２２を超広帯域光パルスに変換する超広帯域光パルス発生装置３１と、複数の円柱面レンズ３２，３３及び平面ミラー３４からなり、超広帯域化された超短光パルスをｙ軸方向に広げるビーム拡張装置３５と、グレーティング３６とｘ方向に曲率を持つ円柱面レンズ３７とからなり、ｙ軸方向に広げられた超短光パルスをｘ軸方向に波長分散させ且つコリメートする波長分散装置３８と、コリメートされた超短光パルスのｘ−ｙ面上の各点の透過率を所望の値に設定する二次元空間振幅変調器３９と、二次元空間振幅変調器３９を透過した超短光パルスのｘ−ｙ面上の各点の位相を所望の値に設定する二次元空間位相変調器４０と、ｘ方向に曲率を持つ円柱面レンズ４１とグレーティング４２とからなり、二次元空間位相変調器４０を透過した超短光パルスをｘ軸方向に縮めた後、任意のパルス波形に整形するビーム縮小波形整形装置４３とから成っている。
超広帯域光パルス発生装置３１は、非線形光学媒質の高次の非線形効果を利用するものであり、中央部分を非常に細くしたテーパ状の石英ファイバを用いた場合には、チタン・サファイア・レーザの高繰り返し超短光パルス（中心波長７９０ｎｍ）を５００ｎｍから１０００ｎｍの波長帯域に広げることができる。
二次元空間振幅変調器３９は、液晶からなるピクセルをｘ−ｙ平面上に配列したものであり、個々の液晶ピクセルを個々の電圧で制御して、個々の液晶ピクセルの透過率を独立に制御する。
二次元空間位相変調器４０は、二次元空間振幅変調器３９と同様に、液晶からなるピクセルをｘ−ｙ平面上に配列したものであり、個々の液晶ピクセルを個々の電圧で制御して、個々の液晶ピクセルを透過することによって付加される位相を独立に制御する。
図７は、二次元空間振幅変調器３９の透過率の設定例を示す図である。図７（ａ）は、ピクセルがｘ方向に２０個配列した行が、ｙ方向に４列（ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４）配列した例を示している。黒く塗りつぶしたピクセル５１は、透過率を０に設定したピクセルであり、白いピクセル５２は透過率が０ではない所望の値に設定したピクセルである。
図７（ｂ）は、図７（ａ）に示すようにピクセルの透過率を設定した場合に、二次元空間振幅変調器３９を透過した超短光パルスの波長及び強度の空間分布を示す図である。次に、この装置の作用の概略を例を用いて説明する。
図６で説明したように、二次元空間振幅変調器３９に入射する超短光パルスは、ｙ方向に広げられ、かつｘ方向に波長分散しているから、図７（ａ）に示すような、すなわち、行ｙ１は左側の複数のピクセルが透過するように、行ｙ２はやや中心付近の複数のピクセルが透過するように、行ｙ３は中心付近の複数のピクセルが透過するように、また、行ｙ４は右側の複数のピクセルが透過するように設定し、また、透過する各行の複数のピクセルの内、中心付近のピクセルの透過率をもっとも高くして、左右のピクセルの透過率を徐々に小さく設定した場合には、超短光パルスを二次元空間振幅変調器３９を透過させることによって、図７（ｂ）に示すような、空間的に分離され且つ波長の異なる複数の超短光パルスに変換できる。
図８は二次元空間位相変調器４０の位相の設定例を示す図である。図８（ａ）は、ピクセルがｘ方向に２０個配列した行が、ｙ方向に４列（ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４）配列した例を示している。白いピクセル６１は二次元空間振幅変調器３９から透過してくる波長の異なる複数の超短光パルスの位置に対応しており、所望の位相が設定されている。図８（ｂ）は、ピクセル６１毎に異なった位相を付加されたピクセル毎の部分波をｘ軸方向に合成した場合に得られる時間軸（ｔ）上の超短光パルス波形を示している。
二次元空間振幅変調器３９を出力した超短光パルスは、二次元空間位相変調器４０の各ピクセル６１によって部分波に分解され、各々の部分波に所望の位相を付加することによって時間軸上で部分波を所望の順序で並べることができるから、時間軸上で所望の形状を有する超短光パルスを出力できる。例えば、図７（ｂ）のｙ１行に示した超短光パルスは、図８（ａ）のｙ１行の左側の白い複数のピクセルに所望の位相を設定し、図６の円柱面レンズ４１とグレーティング４２でｘ方向に合成することにより、図８（ｂ）のｙ１行に示した時間軸上で所望の遅延時間ｔ_dを有する２つの超短光パルスを形成できる。
また、同様に、図７（ｂ）のｙ２行、ｙ３行の超短光パルスを、図８（ａ）のｙ２行、ｙ３行の白い複数のピクセル６１で部分波に分解し、各々の部分波に所望の位相を付加して時間軸上で部分波を所望の順序で並べるこことによって、図８（ｂ）のｙ２行に示した波長λ₂の超短光パルスとｙ３行に示した波長λ₃の超短光パルスとが任意の遅延時間ｔ_dを有するようにすることができる。
このように、超短光パルスをｙ方向に広げ、かつｘ方向に波長分散し、二次元空間振幅変調器３９で波長毎に分解し、二次元空間位相変調器４０で部分波毎に所望の位相を付加し、円柱面ミラー４１とグレーティング４２でｘ方向に合成するので、所望の波長、所望の遅延時間を有する超短光パルス列が得られる。
図５に示した波長・遅延時間・変調タイミング制御装置２６は、上記の空間振幅変調器３９、及び、二次元空間位相変調器４０に所望の波長及び所望の遅延時間を有する超短光パルス列を実現するための変調制御信号２７を送出する。さらに、遅延時間のみが（１）式で示したΔｔ_dだけ異なる変調制御信号２７も一定周期で上記変調制御信号と交互に送出して遅延時間ｔ_dを一定周期で変調する。また、Δｔ_dだけ異なる変調制御信号を送出するタイミング（周波数をω_Mとする）を参照信号２８としてロックイン検出器８に送出する。
このようにして、本発明の第２の実施形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置によれば、複数の超短光パルスの波長を選択し、複数の超短光パルス間の遅延時間を変化させ、遅延時間を一定周期で変調し、遅延時間変調周波数でロックイン検出するので、複数の波長の異なる超短光パルス照射による遅延時間に依存したプローブ電流の変化量を直接測定することができる。この装置によれば、例えば図１０に示したような、３つ以上のエネルギー準位が関与する光励起物理現象の知見を得ることができる。なお、本発明は例示的な実施例について説明したものであり、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、実施例での種々の変更、省略、追加が可能である。従って本発明は上記した幾つかの実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要素によって規定される範囲及びその均等範囲を包含するものとして理解されなければならない。
産業上の利用可能性
上記説明から理解されるように本発明によれば、プローブ信号の超短光パルス間の遅延時間に依存する成分を直接検出することができ、超短光パルス強度の揺らぎによる影響を受けずに検出することができ、かつ、超短光パルスの照射によってプローブの先端が熱膨張、熱収縮することがない。従って、フェムト秒オーダーの時間分解能及びオングストロームオーダーの空間分解能で光励起物理現象を測定することができる。また、プローブ信号の、波長の異なる超短光パルス間の遅延時間に依存する成分を直接検出することができる。従って、さらに高度な光励起物理現象の知見を得ることができる。
本発明は、ナノスケールの局所領域のフェムト秒オーダーの光励起物理現象を解明するために用いれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
本発明は以下の詳細な説明及び本発明の実施例を示す添付図面によって、よりよく理解されるものとなろう。なお添付図面に示す実施例は本発明を特定するものではなく、説明及び理解を容易とするものである。
第１の目的に対応して、図中、
図１は、本発明の第１の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。
図２は、本発明の装置により、マイカ上に堆積したＡｕ（１１１）薄膜のプローブ電流を測定した結果を示す図である。
図３は、本発明の装置の時間分解能評価に使用した測定系を示す図である。
図４は、本発明の装置の時間分解能を示すグラフである。
第２の目的に対応して、図中、
図５は、本発明の第２の実施の形態の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置の構成を示す図である。
図６は、超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置の構成を示す図である。
図７は、二次元空間振幅変調器の透過率の設定例を示す図である。
図８は、二次元空間位相変調器の位相の設定例を示す図である。
図９は、従来装置の構成を示す図である。
図１０は、３準位系の励起を示す図である。

Claims

超短光レーザーパルス装置と、
この超短光レーザーパルス装置の発生する超短光パルスを二つに分割してポンプ光とプローブ光を形成すると共に、このポンプ光とプローブ光間の中心遅延時間を設定し、かつ、この設定した中心遅延時間を中心としてポンプ光とプローブ光間の遅延時間を一定の光路長振幅及び周波数で変調する遅延変調回路と、
上記遅延時間が変調された上記ポンプ光とプローブ光が照射される試料の直上に、プローブ先端と上記試料の表面との間にトンネル接合を形成するようにプローブを配置し、かつ、このプローブを上記試料の面上で走査する走査プローブ顕微鏡と、
上記ポンプ光とプローブ光が照射されて生ずる上記トンネル接合に流れる上記変調周波数で変調されたトンネル電流であるプローブ信号を、上記変調周波数を参照信号としてロックイン検出するロックイン検出装置と、を有し、
上記遅延変調回路により、上記一定の光路長振幅及び周波数で遅延時間が変調された上記ポンプ光とプローブ光を上記中心遅延時間を連続的に各々変えて複数形成し、この複数のポンプ光とプローブ光の各々が照射されることによって生ずる上記プローブ信号の各々を、上記ロックイン検出装置で上記変調周波数を参照信号としてロックイン検出し、このロックイン検出したプローブ信号の各々から、各々の中心遅延時間におけるプローブ信号の遅延時間に対する変化率を求め、この変化率を遅延時間で積分してプローブ信号の遅延時間依存性を求めることを特徴とする、遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記超短光レーザーパルス装置は、フェムト秒オーダーのパルス幅を有する超短光パルスを一定周期で発生することを特徴とする、請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記遅延変調回路は、ハーフミラーと、ピエゾ・ステージに固定されたミラーから成る二組の可動ミラーとを有し、この二組の可動ミラーの一方又は両方を駆動して、遅延時間の中心値を変化させると共にこの遅延時間を中心遅延時間として一定周波数で変調することを特徴とする、請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記ロックイン検出装置は、前記遅延時間の変調周波数を参照周波数としてロックイン検出し、前記プローブ信号の前記遅延時間の中心値における、遅延時間に対する変化率に比例した量を検出することを特徴とする、請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記走査プローブ顕微鏡は、走査トンネル顕微鏡又は原子間力顕微鏡であることを特徴とする、請求項１に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
超短光レーザーパルス装置と、
この超短光レーザーパルス装置の発生する超短光パルスから複数の波長の異なる超短光パルスを発生し、かつ、これらの波長の異なる複数の超短光パルス間の遅延時間を設定できる超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置と、
上記複数の超短光パルスの波長を設定し、これらの複数の超短光パルス間の遅延時間を設定し、かつ、これらの遅延時間を一定タイミングで変調する制御信号を上記超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置の二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器に送出し、かつ、上記遅延時間の変調タイミングをロックイン検出の参照信号としてロックイン検出器に送出する、波長・遅延時間・変調タイミング制御装置と、
この波長・遅延時間・変調タイミング制御装置で制御され、上記超広帯域可変波長多重パルス波形整形装置から出力する複数の超短光パルスが照射される試料の直上に、プローブをこのプローブ先端と上記試料表面との間にトンネル接合が形成されるように配置し、かつ上記試料の面上で上記プローブを走査する走査プローブ顕微鏡と、
この超短光パルスが照射される走査プローブ顕微鏡のプローブ信号を上記変調タイミングを参照信号としてロックイン検出するロックイン検出装置と、を有することを特徴とする、遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記波長・遅延時間・変調タイミング制御装置は、所望の前記複数の超短光パルスの波長、遅延時間及び変調タイミング周波数の入力値に基づいて、前記二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器の制御信号を計算し、この制御信号を上記二次元空間振幅変調器と二次元空間位相変調器に出力し、かつ、上記変調タイミング信号を前記ロックイン検出装置に出力するコンピュータからなることを特徴とする、請求項６に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記ロックイン検出装置は、前記変調タイミングを参照周波数としてロックイン検出し、前記プローブ信号の前記遅延時間における、遅延時間に対する変化率に比例した量を検出することを特徴とする、請求項６に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。
前記走査プローブ顕微鏡は、又は原子間力顕微鏡であることを特徴とする、請求項６に記載の遅延時間変調型フェムト秒時間分解走査プローブ顕微鏡装置。