JP3992699B2 - 時間分解分光装置 - Google Patents
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Description
この時間−2次元空間変換光学系を用いた光信号の観測は、以下のようにして行われる。
次に、この回折光を1次元フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対してフーリエ変換することにより、信号光のスペクトル分布を空間分布として得る。
このフィルタリングされた光波を1次元逆フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対して逆フーリエ変換することにより、水平方向には時間遅延の分布、垂直方向には切り出されたスペクトル成分の分布がそれぞれ対応する光波分布を得る。
このようにして得た干渉縞のパターンは、光波分布における時間的な強度分布に対応するものであるので、このパターンを解析することで、計測すべき信号光の振幅情報及び位相情報を得る。
このように回折格子が時間−2次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させられると、1次元フーリエ変換光学系及び1次元逆フーリエ変換光学系からなる光学系において回折格子と共役となる共役面も、時間−2次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜することとなる。このため、干渉縞を撮影する撮像装置の撮像面も、共役面と共役となるように、時間−2次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させる必要がある。
本発明は、プローブ光を発生する光源と、前記プローブ光をコリメートするビーム整形光学系と、前記ビーム整形光学系を挟んで前記光源とは反対側に配置され、前記プローブ光が斜めに入射するように配置された回折格子と、前記回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系と、撮像面が前記共役面と共役となるようにして配置された撮像装置とを備え、該撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、前記回折格子は、前記プローブ光を、該回折格子への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換し、前記二次元変換光学系は、これら各一次回折光を、該二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内で、それぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向に、スペクトル分布が生じるように変換し、前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、前記二次元変換光学系と前記撮像装置との間にリレー光学系が配置されており、該リレー光学系が、前記二次元変換光学系を通過した光線を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光された光線を平行光に戻して前記共役面上の前記擬似二次元スペクトログラムを前記撮像面に投影するコリメートレンズとを有する縮小光学系からなり、前記撮像面が前記リレー光学系の光軸に対して傾斜するように、前記撮像装置が配置されている時間分解分光装置を提供する。
ここで、共役面上の擬似二次元スペクトログラムを撮像面上に投影するために、リレー光学系及び撮像面は、以下のように配置される。
集光レンズは、前側焦点が共役面上に位置するように配置され、コリメートレンズは、前側焦点が集光レンズの後側焦点と一致し、後側焦点が撮像面上に位置するように配置される。
このことから、光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度は、回折格子の傾斜角度だけでなくコリメートレンズの後側焦点の位置によっても異なり、コリメートレンズの後側焦点が集光レンズの後側焦点に近くなるほど、光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度が小さくなる。
これは、コリメートレンズの焦点距離が短くなれば、光軸に対する撮像面における法線の傾斜角度が小さくなるということである。
これにより、この時間分解分光装置では、回折格子の傾斜角度を小さくすることなく、光軸に対して撮像面の法線のなす角度を小さくすることができ、回折格子の回折効率を低下させることなく、リレー光学系を通過した光束を、撮像面の法線に対してより小さい角度で、撮像面に入射させることができる。
そして、各一次回折光の各波長成分は、二次元変換光学系の第一回折格子アレイによって、それぞれその波長に応じて、二次元変換光学系の光軸と平行かつスペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散されるので、これによって擬似二次元スペクトログラムが形成される。
このように、本発明に係る時間分解分光装置によれば、全てのプローブ光を利用して擬似二次元スペクトログラムが形成されるので、プローブ光の利用効率が高く、プローブ光が弱い場合にも明瞭な干渉縞パターンを得ることができる。
本発明に係る時間分解分光装置によれば、共役面上に設けられた第二回折格子アレイによって、共役面に入射したプローブ光中の各波長成分が、それぞれ各波長成分間での撮像素子への入射角度の差が小さくなる向きに分散させられるので、得られる干渉縞パターンは、波長による周期の差が少ないパターンとなり、干渉縞パターンの分析が容易となる。
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態について、図1から図7を用いて説明する。
本実施形態に係る時間分解分光装置1は、試料によって変調された信号光(プローブ光)を分析することによって、フェムト秒〜ピコ秒のオーダーの極短時間内での試料の挙動を観察するものである。
第一ビーム整形光学系4の後段には、第一ビーム整形光学系4によってコリメートされたプローブ光を分散させる回折格子5と、回折格子5による一次回折光をスペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して回折格子5と共役となる共役面FC上にプローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系6と、撮像面7aが共役面FCと共役となるようにして配置された撮像装置7とが設けられている。
さらに、光源2と照射光学系3との間には、光源2が発した超短パルス光の一部を分岐させて参照光として取り出す第一ビームスプリッタ12が設けられている。
この第一ビームスプリッタ12の後段には、参照光を整形する第二ビーム整形光学系13が設けられており、第二ビーム整形光学系13の後段には、整形された参照光を二次元変換光学系6から出射したプローブ光と合波させる合波装置14が設けられている。
光源2としては、例えば超短パルス光レーザー発振器等が用いられる。本実施形態では、光源2の発する信号光は、中心波長800nm、波長幅±5nm、パルス幅100フェムト秒の超短パルス光である。
照射光学系3は、光源2から入射した超短パルス光をポンプ光とプローブ光とに分岐させる第二ビームスプリッタ21と、第二ビームスプリッタ21とステージStとの間でポンプ光に対して任意の時間遅延量をプローブ光に生じさせる時間遅延発生装置22とを有している。第二ビームスプリッタ21としては、例えばハーフミラーが用いられる。
本実施形態では、時間遅延発生装置22は、プローブ光を反射させるミラー23と、ミラー23を移動させるミラー駆動装置24とを有しており、ミラー駆動装置24によってミラー23を移動させることで、プローブ光の光路長を変化させて、ポンプ光に対するプローブ光の時間遅延量を調整することができるようになっている。
ここで、本実施の形態では、照射光学系3の光軸AX1と二次元変換光学系6の光軸AX2とが直交させられている。以下の説明では、光軸AX1と光軸AX2との交点を含みかつ光軸AX2に直交する面を仮想平面F1とし、仮想平面F1上で光軸AX1に平行となる方向をX軸とし、仮想平面F1上でX軸に直交する方向をY軸とし、光軸AX2と平行な方向をZ軸とする。また、光軸AX1と光軸AX2との交点を原点として、X軸及びZ軸においてそれぞれプローブ光の進行方向を正方向とする。
本実施形態では、第一、第二シリンドリカルレンズ36、38は、それぞれ焦点距離f=100mmとされている。
ここで、図2に示すように、共役面FCは、第二シリンドリカルレンズ38の後側焦平面F3を、仮想平面F1に対する仮想平面F1aの回転方向とは逆向きにしてY軸回りに角度θ回転させたものである。本実施形態では、共役面FCの回転角度θは、45°とされている。
本実施形態では、集光レンズ41は、焦点距離f41=100mmの球面レンズであり、コレクタレンズ42は焦点距離f42=40mmの球面レンズである。すなわち、リレー光学系11の倍率Mは、0.4とされている。
第二ビーム整形光学系13は、例えば、レンズ46とレンズ47とによって構成されるビームエキスパンダである。また、第一ビームスプリッタ12は、レンズ47から出射された参照光を合波装置14まで中継するミラー48を有している。
本実施形態では、レンズ46の焦点距離は10mm、レンズ47の焦点距離は100mmとされている。すなわち、第二ビーム整形光学系13は、第一ビーム整形光学系4と同じく、入射したプローブ光を約10倍に拡大しかつコリメートして出射するようになっている。
このハーフミラー51には、第二ビーム整形光学系13から、プローブ光の光路に対して傾斜する方向より参照光が入射されるようになっている。したがって、ハーフミラー51は、プローブ光を通過させつつ、参照光をプローブ光と平行になるようにZ軸の正方向に向けて反射して撮像装置7に入射させるようになっている。
図7に示すように、集光レンズ41は、前側焦点が共役面FC上に位置するように配置され、コリメートレンズ42は、前側焦点が集光レンズ41の後側焦点R1と一致し、後側焦点が撮像面7a上に位置するように配置される。
すなわち、リレー光学系11の倍率が小さくなるほど、光軸AX2に対する撮像面7aの法線L2の傾斜角度φが小さくなる。
共役面FCと撮像面7aとはリレー光学系11によって結像関係にあるので、共役面FCを含む仮想平面F3aと撮像面7aを含む仮想平面F4aとの交線Uは、ZX平面上で基準平面FSと集光レンズ41の後側焦点R1とを結ぶ半直線UR1上に位置している。
このことから、次式(1)の関係が得られる。
そして、式(1)から次式(2)が得られる。
以上のことから、リレー光学系11が縮小倍率を有する場合には、撮像面7aの傾斜角度φが、共役面FCの傾斜角度θに比べて小さくなる。
ここで、リレー光学系11の共役面FCと撮像面7a間の倍率について説明する。図7に示すように共役面FC内でZX平面と平行となる座標軸XFCを定義する。また、撮像面7a上でZX平面と平行となる座標軸Xiを定義する。
リレー光学系11において、Y軸方向の倍率はリレー光学系11の倍率Mと等しいが、XFC軸とXi軸との間での倍率はMcosθ/cosφで与えられる。従って、共役面FC上に形成される擬似二次元スペクトログラムSのXFC軸方向の寸法αとY軸方向の寸法(図示せず)はそれぞれ14.14mm、10mmであり、撮像装置7の撮像面7a上に投影される擬似二次元スペクトログラムSのXi軸方向の寸法βとY軸方向の寸法(図示せず)はそれぞれ4.31mm、4.0mmとなる。
このように、この時間分解分光装置1では、撮像装置7による干渉縞パターンの撮影を良好に行うことができ、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。
以下、本発明の第二実施形態について、図8及び図9を用いて説明する。
図8に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置61は、第一実施形態に示した時間分解分光装置1において、第一ビーム整形光学系4及び二次変換光学系6の代わりに、第一ビーム整形光学系64及び二次変換光学系66を設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第一実施形態の時間分解分光装置1と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
本実施形態では、第一ビーム整形光学系64は、焦点距離100mmの球面レンズ71と焦点距離50mmの球面レンズ72とからなる、倍率0.5の縮小光学系を有している。そして、この縮小光学系と回折格子5との間には、Z軸方向に正のパワーを有する第三シリンドリカルレンズ73と、前側焦平面が第三シリンドリカルレンズ73の後側焦平面上に位置する第四シリンドリカルレンズ74とが設けられている。これら第三、第四シリンドリカルレンズ73,74は、倍率10の拡大光学系を構成しており、プローブ光の幅(Z軸方向の寸法)をY軸方向の寸法の10倍に拡大している。
そして、このようにして回折格子5の傾斜方向に延びる線状の断面の光束に整形されたプローブ光は、回折格子5によって分散されて、各一次回折光の集合が、スペクトル分布の生じる方向(X軸方向)に延びる線状の断面の光束となる。
具体的には、第一回折格子アレイ77は、図9に示すように、格子溝がY軸方向に複数設けられかつそれぞれ格子定数が異なる複数の回折格子77a,77b,77c,…を、X軸方向に沿って格子定数の大きさの順番に配列したものである。これにより、回折格子5によってX軸に沿ったスペクトル分布を有する各一次回折光は、それぞれ波長に応じて異なる格子定数の回折格子に入射して、それぞれYZ平面上の異なる方向に分散される。
本実施形態では、球面レンズ76,78は、それぞれ焦点距離f=40mmとされている。また、共役面FC上に形成される擬似二次元スペクトログラムSのY軸方向の寸法は14.14mm、ZX平面に平行な方向の寸法は10mmである。
なお、本実施形態では、撮像装置7の撮像面7a上に投影される擬似二次元スペクトログラムSのXFC方向の寸法とY軸方向の寸法はそれぞれ2.58mm、2.5mmとなる。
以下、本発明の第三実施形態について、図10から図13を用いて説明する。
図10に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置81は、第一実施形態に示した時間分解分光装置1において、共役面FC上に、第二回折格子アレイ82を設置したことを主たる特徴とするものである。以下、第一実施形態の時間分解分光装置1と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。
具体的には、第二回折格子アレイ82は、図11に示すように、格子溝がX軸方向に複数設けられかつそれぞれ格子定数が異なる複数の回折格子82a,82b,82c,…を、Y軸方向に沿って格子定数の大きさの順番に配列した構成とされている。これにより、二次元変換光学系6から共役面FC上の第二回折格子アレイ82に入射した各一次回折光は、各波長成分がそれぞれZ軸にほぼ平行な光線に変換され、撮像面7aに対してほぼ同じ入射角度で入射する。
図10に示すように、回折格子5に入射したプローブ光は、回折格子5によって分散されることにより、その中心波長の光線の回折方向を中心として、ZX平面上でZ軸に対して所定の角度範囲で分散する。ここで、図10では、プローブ光のうち最も波長の短い光線λ1を破線で示し、中心波長の光線λ2を実線で示し、最も波長の長い光線λ3を一点鎖線で示す。
本実施形態では、光線λ1の波長は795nm、光線λ2の波長は800nm、光線λ3の波長は805nmとされており、光線λ1及び光線λ3は、光線λ2に対して0.7°傾斜する方向に出射される。
ここで、前記の第一実施形態に係る時間分解分光装置1では、図12に示すように、プローブ光が回折格子5によって分散されることによって得られた光線λ1〜λ3は、共役面FCに入射した後は、そのままリレー光学系11によって撮像装置7の撮像面7a上に送られる。
リレー光学系11は横倍率が0.4倍であるので、共役面FCと撮像面7a間の角倍率は2.5倍となり、撮像面7aにおいてプローブ光の波長による角度分布は約±2°と、回折格子5による回折時や共役面FCへの入射時における角度分布よりも広がる。この角度分布の増加は、リレー光学系11の倍率が小さくなるにつれてさらに大きくなる。
このように、時間分解分光装置1では、プローブ光の各波長成分がそれぞれ異なる角度で撮像面7aに入射するので、このプローブ光と参照光との干渉縞パターンP1は、図6に示すように、波長ごとに周期が異なるパターンとなる。
これにより、時間分解分光装置81では、二次元変換光学系6から共役面FCに入射した各一次回折光は、各波長成分がそれぞれZ軸にほぼ平行な光線に変換され、撮像面7aに対してほぼ同じ入射角度で入射するので、図13に示すように、プローブ光と参照光との干渉縞パターンP2は、波長による干渉縞の周期の差が少ないパターンとなる。
このため、本実施形態に係る時間分解分光装置81では、干渉縞パターンの分析が容易となり、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。
4,64 第一ビーム整形光学系
5 回折格子
6,66 二次元変換光学系
7 撮像装置
11 リレー光学系
41 集光レンズ
42 コリメートレンズ
77 第一回折格子アレイ(第一分散素子)
82 第二回折格子アレイ(第二分散素子)
FC 共役面
P1,P2 干渉縞パターン
S 擬似二次元スペクトログラム
Claims (3)
- プローブ光を発生する光源と、
前記プローブ光をコリメートするビーム整形光学系と、
前記ビーム整形光学系を挟んで前記光源とは反対側に配置され、前記プローブ光が斜めに入射するように配置された回折格子と、
前記回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系と、
撮像面が前記共役面と共役となるようにして配置された撮像装置とを備え、
該撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、
前記回折格子は、前記プローブ光を、該回折格子への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換し、
前記二次元変換光学系は、これら各一次回折光を、該二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内で、それぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向に、スペクトル分布が生じるように変換し、
前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、
前記二次元変換光学系と前記撮像装置との間にリレー光学系が配置されており、
該リレー光学系が、前記二次元変換光学系を通過した光線を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光された光線を平行光に戻して前記共役面上の前記擬似二次元スペクトログラムを前記撮像面に投影するコリメートレンズとを有する縮小光学系からなり、
前記撮像面が前記リレー光学系の光軸に対して傾斜するように、前記撮像装置が配置されている時間分解分光装置。 - 前記ビーム整形光学系が、前記プローブ光を、前記回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形し、
前記二次元変換光学系が、前記各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、前記二次元変換光学系の光軸と平行かつ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散させる第一回折格子アレイを有する請求項1記載の時間分解分光装置。 - 前記共役面上に、前記プローブ光中の各波長成分をそれぞれ該各波長成分間での前記撮像面への入射角度の差を小さくする向きに分散させる第二回折格子アレイが設けられている請求項1または請求項2に記載の時間分解分光装置。
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