JP4485571B2

JP4485571B2 - ヘテロダインレーザドップラープローブ及びそれを用いた測定システム

Info

Publication number: JP4485571B2
Application number: JP2007505994A
Authority: JP
Inventors: 英樹川勝
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: 2005-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2026-03-02
Also published as: WO2006093209A1; EP1879015A4; EP1879015B1; US20090219506A1; EP1879015A1; US7719663B2; JPWO2006093209A1

Description

本発明は、高効率光励振レーザドップラープローブに係り、特に、ヘテロダインレーザドップラープローブ及びそれを用いた測定システムに関するものである。

従来の光励振機能を有する光プローブで、プローブまで光ファイバーを用いて光を導いているものは、励振光と計測光を一本の光ファイバーで伝送していた（特許文献１参照）。
特開２００３−１１４１８２号公報

しかしながら、励振光と計測光の波長が大きく異なる場合、特定の波長に特化して設計された光ファイバーでは、一方の光の伝送効率が悪くなる。また、同一のレンズを用いて光ファイバーへの光入射、並びに測定対象物への光照射を行っている場合、色収差にそって一方の光は十分に絞れず、結果として測定信号強度の低下、もしくは光励振効率の低下を招いていた。

また、計測用の光ビームの照射位置と励振用の光ビームの照射位置とをずらすことができれば、励振を大きくするとともに、計測の感度を上げることができるが、従来の光励振レーザドップラープローブでは実現されていない。
本発明は、上記状況に鑑みて、光励振効率と、速度計測効率の両立を実現することができるヘテロダインレーザドップラープローブ及びそれを用いた測定システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕ヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、励振光を導く第１の光路（２）と、計測光を導く第２の光路（４）と、前記第１の光路（２）と前記第２の光路（４）とが並設され、前記第１の光路（２）と前記第２の光路（４）とが光学的に結合されるとともに、構造的に一体化されるプローブ本体（１）と、このプローブ本体（１）内に配置される反射ミラー（３）と、前記プローブ本体（１）内に配置されるビームスプリッタ（６）と、前記プローブ本体（１）内に配置される焦点レンズ（７）と、前記プローブ本体（１）内に配置される１／４波長板（５）とを備え、前記第１の光路（２）から出射された励振光は前記プローブ本体（１）内の前記反射ミラー（３）と前記ビームスプリッタ（６）とを経て、前記焦点レンズ（７）から測定対象物（８）へ導かれ、一方、前記第２の光路（４）から出射された計測光は前記プローブ本体（１）内の前記１／４波長板（５）を通過した後、前記ビームスプリッタ（６）と前記焦点レンズ（７）を経て前記測定対象物（８）へ導かれ、この測定対象物（８）で反射した計測光は、前記焦点レンズ（７）、前記ビームスプリッタ（６）を経て、前記１／４波長板（５）を通過した後、前記第２の光路（４）を経てヘテロダインレーザドップラー計測装置へと戻るようにしたことを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記第１の光路は第１の光ファイバーであり、前記第２の光路は第２の光ファイバーであり、前記第１の光ファイバーからの励振光は前記第１の光ファイバーから出射後、第１のコリメートレンズを経て、前記反射ミラーに導かれ、前記第２の光ファイバーからの計測光は前記第２の光ファイバーから出射後、第２のコリメートレンズを経て、前記１／４波長板に導かれるようにしたことを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕または〔２〕記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記測定対象物がカンチレバーであり、このカンチレバーの速度を計測することを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕、〔２〕または〔３〕の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記ビームスプリッタを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕、〔２〕または〔３〕の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記反射ミラーを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とする。
〔６〕上記〔１〕、〔２〕または〔３〕の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記ビームスプリッタ及び前記反射ミラーを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とする。

〔７〕ヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにおいて、上記〔１〕から〔６〕の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いて、前記第２の光路から出射し前記測定対象物から反射した計測光をビームスプリッタで反射させて計測部に導くことを特徴とする。
〔８〕上記〔７〕記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにおいて、前記第１の光路および前記第２の光路に配置される光路調整用ミラーにおいて、前記励振光と前記計測光を重畳して前記プローブ本体に導くことを特徴とする。

〔９〕上記〔７〕または〔８〕記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにおいて、前記第１の光路および前記第２の光路中に、ガラス隔壁を配置し、前記プローブ本体を真空、ガス、液中に配置可能にし、光源や光路調整機構を大気中に配置可能にすることを特徴とする。

本発明によれば、光励振用第１の光路又は光ファイバー、計測用第２の光路又は光ファイバーをそれぞれ設けることにより、測定対象物の効率の良い光励振と速度計測が可能となる。

本発明のヘテロダインレーザドップラープローブは、励振光を導く第１の光路と、計測光を導く第２の光路と、前記第１の光路と前記第２の光路とが並設され、前記第１の光路と前記第２の光路とが光学的に結合されるとともに、構造的に一体化されるプローブ本体と、このプローブ本体内に配置される反射ミラーと、前記プローブ本体内に配置されるビームスプリッタと、前記プローブ本体内に配置される焦点レンズと、前記プローブ本体内に配置される１／４波長板とを備え、前記第１の光路から出射された励起光は前記プローブ本体内の前記反射ミラーと前記ビームスプリッタとを経て、前記焦点レンズから測定対象物へ導かれ、一方、前記第２の光路から出射された計測光は前記プローブ本体内の前記１／４波長板を通過した後、前記ビームスプリッタと前記焦点レンズを経て前記測定対象物へ導かれ、この測定対象物で反射した計測光は、前記焦点レンズ、前記ビームスプリッタを経て、前記１／４波長板を通過した後、前記第２の光路を経てヘテロダインレーザドップラー計測装置へと戻るようにした。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の実施例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブ（基本形）の模式図である。
この図に示すように、１は光プローブ（ヘテロダインレーザドップラープローブ本体）、２は光プローブ１に導入される光励振のための第１の光路、３は第１の光路２から導入される光励振のための光（励振光）を受ける反射ミラー、４は光プローブ１に導入されるヘテロダインレーザドップラー計測（速度計測）のための第２の光路、５は第２の光路に配置される１／４波長板、６はビームスプリッタ、７は焦点レンズ、８は測定対象物（ここでは、カンチレバー）であり、第２の光路４から導入される計測光を１／４波長板５で受け、ビームスプリッタ６は反射ミラー３からの励振光を反射し、かつ１／４波長板５からの計測光を透過するとともに、測定対象物８で反射され、焦点レンズ７を経た計測光（信号光）を透過して、１／４波長板５へ導く。

このように、第１の光路２から光励振のための励振光を、第２の光路４からヘテロダインレーザドップラー計測のための計測光をそれぞれ光プローブ１に導く。励振光は第１の光路２を出射後、反射ミラー３、ビームスプリッタ６を経て、焦点レンズ７に導かれ、測定対象物（励振対象物）８へと導かれる。一方、ヘテロダインレーザドップラー計測のための計測光は第２の光路４を出射後、１／４波長板５を通過し、直線偏光は円偏光に変換された後、ビームスプリッタ６、焦点レンズ７を経て測定対象物（励振対象物）８へと導かれる。測定対象物（励振対象物）８で反射した計測光は、同一の経路を経て、１／４波長板５に到達し、１／４波長板５において円偏光から直線偏光に変換された後、その直線偏光の計測光は第２の光路４を経てヘテロダインレーザドップラー計測装置（図示なし）へと戻る。

図２は本発明の実施例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブ（変形形）の模式図である。図１と同じ部分については、同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
この実施例では、図１における第１の光路２、第２の光路４による伝搬に代えて、個々の波長に適する第１の光ファイバー１１と第２の光ファイバー１３を用いるようにしている。また、光プローブ（ヘテロダインレーザドップラープローブ本体）１０内では、第１の光ファイバー１１から導入される励振光を受ける第１のコリメートレンズ１２を配置し、第２の光ファイバー１３から導入される計測光を受け、かつ、測定対象物８で反射した計測光（信号光）を導出する第２のコリメートレンズ１４を配置するようにしている。

このように、第１の光ファイバー１１から導入される励振光は第１のコリメートレンズ１２を経て反射ミラー３に導かれる。一方、第２の光ファイバー１３から導入される計測光は第２のコリメートレンズ１４を経て１／４波長板５を通過し、直線偏光は円偏光に変換された後、ビームスプリッタ６−焦点レンズ７を経て測定対象物（カンチレバー）８へと導かれる。測定対象物（カンチレバー）８で反射した計測光（信号光）は、同一の経路を経て１／４波長板５に到達し、１／４波長板５において円偏光から直線偏光に変換された後、第２のコリメートレンズ１４を経て第２の光ファイバー１３に入射し、第２の光ファイバー１３を経由してヘテロダインレーザドップラー計測装置（図示なし）へと戻る。

図３は本発明の第１参考例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブの模式図である。
この図において、２０は光プローブ（ヘテロダインレーザドップラープローブ本体）、２１は励振光を導く第１の光路、２２は計測光を導く第２の光路、２３は１／４波長板、２４は焦点レンズ、２５は測定対象物（カンチレバー）である。

この第１参考例では、第１の光路２１と第２の光路２２をほぼ同一の箇所と方向から１／４波長板２３に導き、かつ、この光プローブ２０を真空中や、液中に配置可能にしたものである。
図４は本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブの模式（その１）図、図５はそのビームスプリッタの調整態様を示す図である。

この実施例においては、上記実施例（図２）に示したビームスプリッタ６を変位させる調整機構３１を設けるようにしている。
図５（ａ）に示すように、調整機構３１によって、ビームスプリッタ６の角度をθだけ移動させた場合、１／４波長板５からビームスプリッタ６を通過する計測光は影響されないためカンチレバー８に照射される計測光の照射位置８Ａは変わらないが、反射ミラー３で反射され、さらにビームスプリッタ６で反射される励振光は、ビームスプリッタ６の変位（角度）によってカンチレバー８への照射位置が８Ａから８Ｂへと移行する。

また、図５（ｂ）に示すように、調整機構３１によって、ビームスプリッタ６の位置をスライドさせた場合も、１／４波長板５からビームスプリッタ６を通過する計測光は影響されないためカンチレバー８に照射される計測光の照射位置８Ａは変わらないが、反射ミラー３で反射され、さらにビームスプリッタ６で反射される励振光は、ビームスプリッタ６の変位（位置）によってカンチレバー８への照射位置が８Ａから８Ｃへと移行する。

このように、励振光のみの照射位置を調整することができる。特に、励振光はその照射位置がカンチレバー８の根元に近くなるにしたがって、カンチレバー８の反り（振れ）を大きくすることができる。それに対して、計測光はよりカンチレバー８の先端側に照射した方が精密な計測を行うことができる。
このように、計測光とは相対的に励振光の試料に対する照射位置をそれぞれ調整することができる。

図６は本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブの模式（その２）図、図７はその反射ミラーの調整態様を示す図である。
この実施例においては、上記実施例（図２）に示した反射ミラー３を変位させる調整機構４１を設けるようにしている。
図７（ａ）に示すように、調整機構４１によって、反射ミラー３の角度をαだけ移動させた場合、１／４波長板５からビームスプリッタ６を通過する計測光は影響されないためカンチレバー８に照射される計測光の照射位置８Ａは変わらないが、励振光はその反射ミラー３の変位（角度）によってカンチレバー８への照射位置が８Ａから８Ｄへと移行する。

また、図７（ｂ）に示すように、調整機構４１によって、反射ミラー３の位置をスライドさせた場合も、１／４波長板５からビームスプリッタ６を通過する計測光は影響されないためカンチレバー８に照射される計測光の照射位置８Ａは変わらないが、反射ミラー３で反射され、さらにビームスプリッタ６で反射される励振光は、反射ミラー３の変位（位置）によってカンチレバー８への照射位置が８Ａから８Ｅへと移行する。

このように、計測光とは相対的に励振光の試料に対する照射位置をそれぞれ調整することができる。
なお、図５のようなビームスプリッタ６の変位による調整と、図７に示すような反射ミラー３の変位による調整との両方を組み合わせて、計測光とは相対的に励振光の試料に対する照射位置を精密に調整するようにしてもよい。

図８は本発明の図２に示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。
ここで、ヘテロダインレーザドップラープローブは、上記した図２に示したものを用いる。この図において、５０は励起レーザ光源（ＬＤ）、５１は計測装置、５２は計測光の光源、５３はビームスプリッタ、５４は計測部（レーザドップラー干渉計）である。

そこで、ヘテロダインレーザドップラープローブ１０から出力される計測光（信号光）は計測装置５１に取り込まれる。そして、その計測光は、ビームスプリッタ５３で反射されて、計測部（レーザドップラー干渉計）５４で、例えば、測定対象物（励振対象物）８の速度の計測を行うことができる。
なお、このヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにも上記した調整機構を付加することができる。

図９は本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。
この図において、光プローブは上記した実施例（図１）と同じものを用いるようにしている。
そこで、この実施例では、計測光の光源７１と、ビームスプリッタ７２と、計測部（レーザドップラー計）７３を有する計測装置７０、光励振用光源６１のそれぞれの光源から、測定対象物（励振対象物）８までの光路調整の方法を示している。これにより、測定対象物（励振対象物）８と光プローブ１のｘ，ｙ，ｚ方向への変位に対して励振光と計測光を意図した場所に位置決めすることが可能となる。

計測装置７０の第２の光路４は、計測光の光源７１を出射した後、第２の光路調整用ガラス板７４の回転（傾き２自由度）を用いて並進変位し、あおり２角を調整可能な第２の光路調整用ミラー７５において、光路を調整され、次に第４の光路調整用ミラー７６において光路調整上、第３の光路調整用ガラス板６５によって光路の平行変位を調整され、ガラス隔壁（光プローブが真空等の環境にある場合）６６を経て光プローブ１へ導かれる。光励振用の第１の光路２においては、光励振用光源６１を出射した後、第１の光路調整用ガラス板６２、第１の光路調整用ミラー６３、第３の光路調整用ミラー６４、第３の光路調整用ガラス板６５を経た後、光プローブ１が真空等の環境にある場合にはガラス隔壁６６を経て光プローブ１へ導かれる。なお、各光路調整用ミラーは、並進ｘ，ｙ，ｚ、あおり２角の調整自由度があり、光路の並進変位と、あおり２自由度の調整が可能である。第１の光路２と第２の光路４は、光プローブ１への入射直前において若干平行からずれることにより、測定対象物（励振対象物）８の異なる位置にその焦点を結ぶことが可能である。

図１０は本発明の第２参考例を示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。
この図において、光プローブは上記した第１参考例（図３）と同じものを用いるようにしている。また、８１は光励振用光源、８２は第１の光路調整用ガラス板、８３は第１の光路調整用ミラー、８４は第３の光路調整用ミラー（ダイクロイックミラー）、８５は第３の光路調整用ガラス板、８６はガラス隔壁、９０は計測装置、９１は計測光の光源、９２はビームスプリッタ、９３は計測部（レーザドップラー計）、９４は第２の光路調整用ガラス板、９５は第２の光路調整用ミラー、９６は第４の光路調整用ミラーである。

この第２参考例では、第３の光路調整用ミラー８４が、第１の光路２１を反射し、第２の光路２２の光を透過する、ダイクロイックミラーなどの波長選択性のあるミラーであり、光プローブ２０の第１の光路２１、第２の光路２２の入射位置は、ほぼ同一の箇所となるように構成されている。
また、上記したように、第１および第２の光路２１，２２中に、ガラス隔壁６６，８６を配置するようにしたので、光プローブ１，２０を真空、ガス、液中に配置可能にし、光源や光路調整機構は大気中に配置することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のヘテロダインレーザドップラープローブは、計測一般、速度計測、顕微鏡、物質同定、ナノバイオメカニクスの分野に利用可能である。

本発明の実施例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブ（基本形）の模式図である。本発明の実施例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブ（変形形）の模式図である。本発明の第１参考例を示す、ヘテロダインレーザドップラープローブの模式図である。本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブの模式（その１）図である。図４に示すヘテロダインレーザドップラープローブのビームスプリッタの調整態様を示す図である。本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブの模式（その２）図である。図６に示すヘテロダインレーザドップラープローブの反射ミラーの調整態様を示す図である。本発明の図２に示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。本発明の第２実施例を示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。本発明の第２参考例を示すヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムの模式図である。

Claims

（ａ）励振光を導く第１の光路と、
（ｂ）計測光を導く第２の光路と、
（ｃ）前記第１の光路と前記第２の光路とが並設され、前記第１の光路と前記第２の光路とが光学的に結合されるとともに、構造的に一体化されるプローブ本体と、
（ｄ）該プローブ本体内に配置される反射ミラーと、
（ｅ）前記プローブ本体内に配置されるビームスプリッタと、
（ｆ）前記プローブ本体内に配置される焦点レンズと、
（ｇ）前記プローブ本体内に配置される１／４波長板とを備え、
（ｈ）前記第１の光路から出射された励振光は前記プローブ本体内の前記反射ミラーと前記ビームスプリッタとを経て、前記焦点レンズから測定対象物へ導かれ、一方、前記第２の光路から出射された計測光は前記プローブ本体内の前記１／４波長板を通過した後、前記ビームスプリッタと前記焦点レンズを経て前記測定対象物へ導かれ、該測定対象物で反射した計測光は、前記焦点レンズ、前記ビームスプリッタを経て、前記１／４波長板を通過した後、前記第２の光路を経てヘテロダインレーザドップラー計測装置へと戻るようにしたことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記第１の光路は第１の光ファイバーであり、前記第２の光路は第２の光ファイバーであり、前記第１の光ファイバーからの励振光は前記第１の光ファイバーから出射後、第１のコリメートレンズを経て、前記反射ミラーに導かれ、前記第２の光ファイバーからの計測光は前記第２の光ファイバーから出射後、第２のコリメートレンズを経て、前記１／４波長板に導かれるようにしたことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１または２に記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記測定対象物がカンチレバーであり、該カンチレバーの速度を計測することを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１、２または３の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記ビームスプリッタを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１、２または３の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記反射ミラーを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１、２または３の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブにおいて、前記ビームスプリッタ及び前記反射ミラーを変位可能な調整機構を備え、前記励振光の前記測定対象物上での焦点位置を前記計測光の前記測定対象物上での焦点位置に対して調整するようにしたことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブ。
請求項１から６の何れか一項記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いて、前記第２の光路から出射し前記測定対象物から反射した計測光をビームスプリッタで反射させて計測部に導くことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システム。
請求項７記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにおいて、前記第１の光路および前記第２の光路に配置される光路調整用ミラーにおいて、前記励振光と前記計測光を重畳して前記プローブ本体に導くことを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システム。
請求項７または８記載のヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システムにおいて、前記第１の光路および前記第２の光路中に、ガラス隔壁を配置し、前記プローブ本体を真空、ガス、液中に配置可能にし、光源や光路調整機構を大気中に配置可能にすることを特徴とするヘテロダインレーザドップラープローブを用いた測定システム。