JP4920373B2 - 屈折率変化の測定装置 - Google Patents

Description

本発明は屈折率変化の測定装置に関する。

従来、例えば屈折率を測定する方法として、表面が滑らかに研磨され、所定の切り出し角度を有する形状の光学プリズムを用いる方法が知られている。
しかしながら、例えば透過光の偏角を求める最小偏角型屈折計や、全反射を利用するアッベの屈折計や、液浸計や、プルフルリの屈折計等を用いる場合には、被測定物の試料をプリズム形状に形成する必要があるという問題が生じる。

また、従来、例えば薄膜あるいは液体である被測定物にプリズムを介して光を斜めから入射させ、この光の反射の角度が屈折率によって変化することを利用したプリズムカプラ法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
このプリズムカプラ法は、特に液体の屈折率を測定するのに適しており、例えば果汁などの糖濃度を高精度に測定することができる。しかしながら、例えばガラス基板上やシリコン基板上に形成された薄膜の屈折率を測定する場合には、被測定物にプリズムを密着させる必要があり、例えば薄膜の膜表面に凸凹が存在すると、被測定物にプリズムを密着させることが困難となって測定精度が低下してしまうという問題が生じる。また、プリズムカプラ法では、装置が大型となり、費用が嵩むという問題が生じる。

また、従来、例えば光導波路測定により、全反射光の透過光強度を測定して、屈折率を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この方法では、例えば２方向から被測定物の膜に光を入射させて、この光の反射率から屈折率を測定するようになっている。しかしながら、この方法は、光導波路に限定され、予め蓄積されたデータと、相対的に高い安定度を有する可視光源と、相対的に高精度の可視分光器と、専用のソフトウェアとを用いる必要があり、費用が嵩むという問題が生じる（例えば、非特許文献２参照）。

また、従来、例えば被測定物を薄い金属電極上に載置し、下方から光を当てるとエバネッセント波が被測定物に浸みだし、金属電極付近に励起された表面プラズモン共鳴により、光が反射する角度が大きく変化するという原理を用いて、屈折率変化を測定する表面プラズモン共鳴法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。
この表面プラズモン共鳴法では、例えば０．０１度の精度で励起角の角度変化を測定することにより、薄膜や溶疲の屈折率変化を高精度に測定することができる。
しかしながら、表面プラズモンを励起するには、光をエバネッセント場化する必要がある。例えば、Kretschmann配置の光学系では、被測定物の試料の屈折率が相対的に高くなることに伴い、あるいは、、被測定物の試料の膜厚が相対的に厚くなることに伴い、プリズムの屈折率を増大傾向に変化させる必要がある。また、入射した光は全反射条件を保つ必要があるため、測定可能な屈折率範囲が限定されてしまうという問題が生じる。しかも、汎用の装置では被測定物が水溶液に限定され、測定可能な屈折率範囲は、例えば１．３１〜１．３７程度の狭い範囲に限定されてしまうという問題が生じる。
特開２０００−１４６８３６号公報 ［平成１８年１０月２４日検索］、インターネット＜http://www.sekitech.co.jp/product/opto/metricon/index.html＞ ［平成１８年１０月２４日検索］、インターネット＜http://www.ya-man.com/03ec/02kogaku.html＞ ［平成１８年１０月２４日検索］、インターネット＜http://www.nbci.jp/file/051227-3.pdf＞

ところで、上記従来技術に係る屈折率の測定方法では、適宜の被測定物に対する所望の測定が不可能となる場合が生じる。
例えば大容量光メモリとしてのホログラムメモリ、３次元多層メモリでは、光書き込みによる屈折率変化を測定する必要がある。しかしながら、ホログラムメモリ用フォトポリマーなどの可視域に感度を有する被測定物では、光照射による屈折率変化を測定する際に、測定用の光源が可視光源であると、感光が生じてしまうという問題が生じる。
また、プリズムカブラ法において、測定用の光源を被測定物が感光しない長波長の光源としても、プリズムが被測定物の膜に密着しているため、測定位置を把握することができず、外部から屈折率変化を発生させる可視光を測定箇所に照射することが困難であるという問題が生じる。
また、汎用の表面プラズモン共鳴測定装置（例えば、水溶液測定用の装置）では、測定可能な屈折率が１．３程度であり、例えば屈折率が１．４５〜１．６０程度の範囲となるフォトポリマーに対しては測定が不可能であるという問題が生じる。

また、例えば超大容量の光メモリとして、３次元の光非線形効果を用いた多層光メモリのピットでは、ピット自体の大きさが数μｍ以下であり、例えばプリズムカブラ法および表面プラズモン共鳴法では、ピットの大きさに比べて入射光の直径が過剰に大きく、しかも、表面プラズモン共鳴法では、被測定物の表面から３００ｎｍ程度の過剰に薄い領域のみで測定可能となるだけであるから、このピットの屈折率を測定することが困難であるという問題が生じる。

また、例えば電気光学効果を有する被測定物の薄膜の電界印加による屈折率変化を測定する場合、上記従来技術に係る屈折率計では薄膜の表面上には電極を形成することが困難であって、薄膜をプリズムあるいは空気と接触させる必要があり、電圧印加あるいは電流注入による屈折率変化を測定することは困難である。
また、例えば５００μｍ以下の相対的に小さな領域での屈折率変化を測定する場合、上記従来技術に係る屈折率計では、入射光の直径が、例えば１ｍｍ以上となって過剰に大きいことから、測定が困難であるという問題が生じる。
また、例えば表面プラズモン共鳴法では、被測定物の膜の表面付近の３００ｎｍ程度の過剰に薄い領域のみで屈折率変化が可能となるだけであるから、膜厚全域での屈折率変化を高精度に測定することが困難であるという問題が生じる。

ところで、従来、ファブリーペロー型の干渉系の透過ピーク波長の変化を測定する方法は知られていたが、この方法による屈折率変化の測定精度は１０^−３程度であって、測定精度が相対的に低いという問題が生じる。この原因は、キャビティ内で被測定物を挟持しつつスペクトル幅を相対的に狭い値とするファブリーペロー型の干渉系を容易に作製することが困難であったこと、および、リップルの発生が相対的に抑制された安定な光源が存在しなかったこと、および、光スペクトラムアナライザの波長分解能が相対的に低かったこと等である。

しかしながら、近年、波長多重光通信技術の進展に伴い、この技術で用いられる可変波長フィルタが作製されることで、ファブリーペロー型の干渉系の平行度が向上し、ビーム径が５００μｍ以下に設定されることで、スペクトル幅が相対的に細い透過スペクトルが得られるようになった（例えば、特開平４−２４８５１５号公報等）。
しかも、波長多重光通信技術の進展に伴い、通信波長帯での光スペクトラムアナライザの分解能が向上し、汎用の光スペクトラムアナライザや波長計であっても、例えば０．００１〜０．０１ｍｍ程度の相対的に高精度のピーク波長分解能が得られるようになった。
さらに、長距離大容量通信の進展に伴い、光ファイバアンプおよびこの光ファイバアンプを用いたＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源の構成に要する費用が低下し、相対的に安定かつリップルの発生が抑制された光源が適切に得られるようになった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、例えば電気光学効果または熱光学効果を有する材料、あるいは、感光性材料等の屈折率が変化する材料の屈折率変化を、所望の屈折率範囲において、費用の増大を抑制しつつ容易かつ高精度に測定することが可能な屈折率変化の測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、請求項１に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、可視光で感光するフォトポリマーの屈折率変化の測定装置であって、１対の誘電体ミラーによって両側から挟み込まれた被測定物を具備するファブリーペロー型の干渉系と、前記被測定物に屈折率変化を与えない測定波長λ_０の光を発する第１光源と、前記第１光源からの光を平行ビームとして前記干渉系に入射するコリメータと、前記干渉系を通過した前記測定波長λ_０の前記平行ビームのピーク波長を検出する検出器として、分光器および光スペクトラムアナライザおよび波長計のうちの少なくとも何れか１つと、前記被測定物に前記第１光源からの光とは異なり、前記被測定物に屈折率変化を与える所望の波長λの光を照射する第２光源とを備え、前記第１光源は、光ファイバアンプのファイバ出力型光源またはファイバ出力型スーパールミネッセントダイオードであり、少なくとも波長に８００〜９００ｎｍあるいは１２５０〜１３５０ｎｍあるいは１５００〜１６００ｎｍの波長を含む光を出力し、前記検出器は、波長測定の再現性分解能が±０．０１ｎｍ以下であって、下記数式（ａ）に基づき、前記第１光源の前記測定波長λ_０で測定した屈折率ｎ_０から可視光域の前記所望の波長λでの屈折率ｎ _λ を算出することを、前記第２光源が前記被測定物に所望の波長λの光を照射する前後で行うことにより、所望の波長λの光を照射する前後での前記被測定物の屈折率ｎ _λ の変化を、屈折率変化として求める手段を有することを特徴とする屈折率変化の測定装置。
ｎ_λ＝ｎ_０＋ａ（１／λ^２−１／λ_０ ^２）…（ａ）
ここで
ｎ_λ：所望の波長（可視光）λでの屈折率
ｎ_０：測定波長（近赤外）λ_０での屈折率
ａ：予め求めてある係数
λ：所望の波長（可視光）
λ_０：測定波長（近赤外）
としている。

さらに、請求項２に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、前記誘電体ミラーに設けられた電極および該電極に電圧を印加あるいは電流を通電する手段と、前記１対の誘電体ミラー間に液状の被測定物を注入すると共に、前記１対の誘電体ミラー間から前記液状の被測定物を吸引する手段とのうち、少なくとも何れか１つを備えることを特徴としている。

さらに、請求項３に記載の発明の屈折率変化の測定装置では、前記被測定物は固体であって、前記被測定物と、前記誘電体ミラーとは、互いに屈折率が略同等のマッチングオイルまたは光学接着剤を介して接合されていることを特徴としている。

さらに、請求項４に記載の発明の屈折率変化の測定装置では、前記被測定物は液状あるいはゲル状であって、前記１対の誘電体ミラー間に前記被測定物を貯留する貯留部を形成するスペーサを備え、前記貯留部に前記被測定物を注入すると共に、前記貯留部から前記被測定物を吸引する手段を備えることを特徴としている。

さらに、請求項５に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、前記誘電体ミラーを具備するオプティカルフラットなガラス基板を備え、前記スペーサは、オプティカルフラットなガラスからなり、１対の前記ガラス基板によって厚さ方向の両側から挟み込まれ、前記ガラス基板と前記スペーサとは光学接合されていることを特徴としている。

さらに、請求項６に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、前記干渉系を内部に備え、該内部を流通する前記被測定物を、前記干渉系の前記貯留部に流通させる伸縮性のチューブを備え、前記チューブは、前記干渉系の表面を覆うようにして該表面に当接する内面と、前記干渉系に前記光源からの光を入射させる入射窓および前記干渉系を通過した前記光源からの光を外部に出射させる出射窓とを備えることを特徴としている。

さらに、請求項７に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、前記干渉系の温度状態を制御する手段と、前記干渉系を内部に収容する筐体および該筐体内の雰囲気温度を制御する手段とのうち、少なくとも何れか一方を備えることを特徴としている。

さらに、請求項８に記載の発明の屈折率変化の測定装置では、前記干渉系は、厚さ方向に直交する平面上での少なくとも４点以上の位置において前記厚さ方向に前記干渉系に作用する圧力を変更可能な機構を備えることを特徴としている。

さらに、請求項９に記載の発明の屈折率変化の測定装置は、前記被測定物に対して、前記第１光源からの光とは異なる波長の光を所定周期で断続的に光照射あるいは、所定周期で断続的に電圧印加あるいは電流通電する手段を備え、前記光照射、前記電圧印加、前記電流通電に起因する屈折率変化と、温度変化に伴う屈折率変化と、３次の非線形効果による屈折率変化とを区別して検出することを特徴としている。

請求項１に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、液体または固定の被測定物の光照射効果や電気光学効果や熱光学効果等による屈折率変化を、例えば１０^−５〜１０^−６以下等の高精度で容易かつ安価に測定することができる。また、被測定物に対する測定領域が、例えば５００μｍ以下等の微小領域であっても、屈折率を適切に測定することができる。
さらに、通信波長帯（例えば、波長８００〜１６００ｎｍ）における被測定物の屈折率変化を測定することができ、この測定結果から、所望の波長における被測定物の屈折率変化を検知することができ、例えば被測定物が可視光で感光してしまう材料（例えば、大容量光メモリ用の感光性フォトポリマー等）であっても、屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。

さらに、請求項２に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、電圧印加、電流通電、光照射によって屈折率が変化する被測定物であっても、屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、請求項３に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、ファブリーペロー型の干渉系の光学特性を容易に向上させることができる。

さらに、請求項４に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、流動性の被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、請求項５に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、流動性の被測定物に対するファブリーペロー型の干渉系の光学特性を容易に向上させることができる。
さらに、請求項６に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、伸縮性のチューブによってファブリーペロー型の干渉系の表面が覆われることによって、この干渉系の光学接合状態を判定に保持することができると共に、流動性の被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。

さらに、請求項７に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、被測定物の温度変化、さらには、この温度変化に伴う体積変化に起因して屈折率が変化する場合であっても、被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、請求項８に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、少なくとも４点以上の位置において干渉系の厚さ方向に作用する圧力を変更することによって、ファブリーペロー型の干渉系を構成する各要素、つまり被測定物および誘電体ミラーおよびガラス基板等の平行状態を容易に調整することができ、例えば干渉縞が最も少なくなるようにして圧力を調整することにより、ファブリーペロー型の干渉系の光学特性を容易に向上させることができる。

さらに、請求項９に記載の発明の屈折率変化の測定装置によれば、ファブリーペロー型の干渉系に光を照射、あるいは、電圧を印加、あるいは、電流を注入した場合等において、被測定物の屈折率変化の要因には、光および電圧および電流に応答する３次の非線形の効果や、電気光学効果や、光重反応効果等の種々の要因が含まれることになるが、これらの屈折率変化の各要因毎によって屈折率変化の時定数が異なることから、外部からの電界印加、電流通電、光照射等を周期的に断続させて行うことにより、屈折率変化の各要因を分離することができる。

以下、本発明の屈折率変化の測定方法および屈折率変化の測定装置の一実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
本実施の形態による屈折率変化の測定装置は、例えば、被測定物をキャビティに含むファブリーペロー型の干渉系を備え、光源を通信波長帯のファイバ出力光源とし、光源の出力に対し、光通信用測定器であるファイバ入力型光スペクトラムアナライザあるいは波長計あるいは分光器によってスペクトルのピークを±０．０１ｎｍあるいは±０．００１ｎｍ以下の精度で測定し、このスペクトルの中心波長の変化を、所望の波長での屈折率変化に変換して、屈折率の変化を測定するようになっている。
この屈折率変化の測定装置は、例えば図１に示すように、光源１と、光ファイバ２と、コリメートレンズ３と、ファブリーペローエタロンを温度一定に保つためのホルダ４と、ホルダ４に設けられた窓５と、被測定物であるフォトポリマ６と、所定の面精度を有するガラス基板７と、誘電体ミラー８と、ペルチェ素子１０ａと、ヒートシンク１０ｂｂと、ファブリーペロー型の干渉系を通過した光ビーム１１と、光ビーム１１を集光して光ファイバ１３に入力するコリメータ１２と、光ファイバ１３と、光スペクトラムアナライザ１４と、青色ＬＤ（Laser Diode）１５と、青色ＬＤ１５から出射された光ビーム１６とを備えて構成されている。

光源１は、例えば１０ｎｍ以上の半値幅を有するファイバアンプのＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission；つまり増幅された自然放出光）光源であって、例えば１．５μｍ帯のＡＳＥ光源とされ、リップルの発生が所定程度未満となるように設定されている。
光源１から出力された光は光ファイバ２によって取り出され、この光ファイバ２の先端のコリメータによって、所定幅（例えば、ビーム直径１００μｍ程度）の平行ビームとされている。
なお、ビーム直径は、少なくとも５００μｍ以下、より好ましくは、１００μｍ以下とされており、このビーム直径が小さくなることに伴い、ファブリーペロー型の干渉系の分解能が向上することになる。
なお、光源１は、光ファイバアンプのファイバ出力型光源に限定されず、例えばスーパールミネッセントダイオード等であってもよい。
また、光源１は、例えば波長が８００ｎｍ以上の近赤外域の波長であればよく、例えば８００〜９００ｎｍ帯、あるいは、１２５０ｎｍ〜１３５０ｎｍ帯、あるいは、１５００ｎｍ〜１６００ｎｍ帯等であってもよい。

そして、この平行ビームが被測定物であるフォトポリマ６の配置位置に照射されるように設定されている。
被測定物であるフォトポリマ６は、例えば所定のシクロオレフィンポリマーに所定のアジド化合物が所定量添加されたものであって、所定の誘電体ミラー８（例えば、１５５０ｎｍにおいて反射率９９％かつ可視光を透過可能な誘電体ミラー）を有するガラス基板７上に塗布されている。
なお、このカラス基板７の面精度が増大することに伴い、ファブリーペロー干渉系の分解能が向上することになることから、このカラス基板７の面精度は、例えば波長λにより、（λ／１０）程度とされている。
また、誘電体ミラー８の反射率は、少なくとも９０％以上、より好ましくは９９％以上とされている。
そして、この誘電体ミラー８には、例えば電圧を印加、電流を通電するための透明あるいは不透明の電極が形成されている。

被測定物であるフォトポリマ６は、例えば２５μｍの膜厚を有し、誘電体ミラー８を具備するガラス基板７によって厚さ方向の両側から挟み込まれている。被測定物であるフォトポリマ６と、誘電体ミラー８を具備するガラス基板７とは、例えば屈折率の一致した光学用接着剤によって空隙が取り除かれるようにして接着され、ファブリーペロー型の干渉系を形成するようにして、干渉縞の数が所定数未満となるようにして、平行状態に設定されて接着固定されている。
また、このファブリーペロー型の干渉系にホルダ４から圧力が作用することを抑制するために、この干渉系とホルダ４との間には所望の熱伝導性を有する潤滑剤が塗布されている。

なお、被測定物であるフォトポリマ６と、誘電体ミラー８を具備するガラス基板７との平行状態は適宜に調整可能とされてもよく、この平行状態を調整可能なファブリーペロー型の干渉系は、例えば図２に示すように、略正方形板状のジグ３０と、ねじ３１と、ばね３２と、ナット３３とを備え、少なくとも４点以上の点で圧力を作用させて平行状態を設定することが可能であって、例えば略正方形板状のジグ３０は、央部において厚さ方向に貫通する貫通窓３０ａと、４つの隅部において厚さ方向に貫通するねじ装着孔３０ｂとを備えている。
例えば、マッチングオイルが塗布された被測定物であるフォトポリマ６は、厚さ方向の両側から、各誘電体ミラー８を具備する１対のガラス基板７によって挟み込まれ、さらに、この状態で１対のガラス基板７を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対のジグ３０が配置され、各ジグ３０のねじ装着孔３０ｂに装着されたねじ３１の先端部には、ばね３２を介してナット３３が螺着されている。また、１対のガラス基板７，７間にはスペーサ９が設けられている。なお、スペーサ９は省略可能である。

この干渉系では、各ねじ３１によって、フォトポリマ６と、誘電体ミラー８を具備するガラス基板７との間に作用する圧力が変更され、フォトポリマ６と、誘電体ミラー８を具備するガラス基板７との平行状態が調整されるようになっている。なお、これらのねじ３１の数は４個に限定されず、より好ましくは、８個以上とされる。
そして、この干渉系は、例えば図３に示すように、内部が所定精度（例えば、±０．１℃以下等）の所定温度（例えば、３０℃等）に保持されると共に、光ビームが通過可能な窓４０ａを有する恒温漕４０の内部に収容される。

ファブリーペロー型の干渉系を通過した光ビーム１１は、コリメータ１２によって集光され、光ファイバ１３に入力されている。そして、この光ファイバ１３からの出力は光スペクトラムアナライザ１４に入力されている。
光スペクトラムアナライザ１４は、例えば、入射した光をグレーティング回折格子で分光し、グレーティング回折格子を回転させて、波長を操引するようになっている。波長の分解能および再現性は、入射した光に対するスリットの幅と、グレーティングを回転させる機構の角度精度とに応じて変化する。例えばグレーティング回折格子を回転させる機構の角度精度が０．０１°であれば、光スペクトラムアナライザ１４の波長の読み取り再現性は０．００５ｎｍであり、１５００ｎｍの光源１に対して波長測定精度が０．００５ｎｍであれば、屈折率に対して５×１０^−６の測定精度となる。

例えば、干渉系を静止させた状態で、所定時間（例えば、５時間等）に亘って所定温度（例えば、３０℃等）に保持させた場合には、光スペクトラムアナライザ１４によるピーク波長の測定の再現性は、±０．０１ｎｍ程度となり、屈折率の揺らぎは、±１０^−５程度となる。

なお、この屈折率変化の測定装置では、光スペクトラムアナライザ１４の代わりに波長計（例えば、波長分解能０．０１ｎｍ以下等の波長計）を備えてもよく、例えば測定光と平行に入射されるＨｅ−Ｎｅレーザと、可動式のマイケルソン干渉系とを備える波長計では、干渉縞の本数の測定結果に応じて、光スペクトラムアナライザ１４よりも、１桁程度高い波長測定精度を得ることが可能である。

ファブリーペロー型の干渉系のスペクトルの中心波長は、例えば下記数式（１）に示すように、任意の自然数ｍと、キャビティギャップＬと、屈折率ｎとによって、
λ_ｍ＝２ｎＬ／ｍ…（１）
であり、光スペクトラムアナライザ１４は、測定される複数の透過ピークのうち何れか１つの中心波長を抽出する。ここで、キャビティギャップＬが熱膨張や歪み等によって変化しない場合には、中心波長λ_ｍと屈折率ｎとは比例することから、中心波長λ_ｍの変化から屈折率変化が測定されるようになっている

なお、光源１は、被測定物であるフォトポリマ６が感光されてしまうことを防止するようにして、長波長の光を出力することから、例えば下記数式（２）に示すように、測定波長（近赤外）λ _０ での屈折率ｎ_０と所定係数ａとによる所望の波長（可視光）λでの屈折率ｎ_λ に基づき、屈折率変化が算出されるようになっている。
ｎ_λ＝ｎ_０＋ａ（１／λ ^２ −１／λ _０ ^２ ）…（２）

また、この屈折率変化の測定装置では、外部からの電界印加、電流通電、光照射等を周期的に断続させて行うことにより、屈折率変化の各要因を分離することができる。
すなわち、屈折率変化が相対的に速く、光や電気に応答する３次の非線形や電気光学効果による屈折率変化と、屈折率変化が相対的に緩やかな光反応型および電界・電流反応型の屈折率変化とを分離することができる。
また、ファブリーペロー型の干渉系内の膜厚が、温度変化等に応じて変化する場合であっても、外部からの電界印加、電流通電、光照射等を周期的に断続させて行うことにより、この膜厚の変動に起因する屈折率変化を抽出することができる。

例えば光照射では、ファブリーペロー型の干渉系のフォトポリマ６において光源１からの光ビーム１１が通過する位置に、青色ＬＤ１５から出射された所定（例えば、０．５Ｗ／ｃｍ^２）の光ビーム１６を照射する。この照射時における屈折率変化Δｎの時間変化では、例えば図４に示すように、所定の照射期間（例えば、３０分）において、屈折率が緩やかに変化し、最大で１０^−３程度となる。そして、この光照射を停止すると、３次の非線形の効果で大きくなっていた屈折率が１０^−５程度減少する。

また、例えば電界印加および電流通電では、例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、ファブリーペロー型の干渉系に電極を設け、電源（図示略）から被測定物であるフォトポリマ６の膜面に垂直な方向や水平な方向に電界を印加あるいは電流を注入した状態で、屈折率変化を測定することになる。

例えば図５（ａ）に示すファブリーペロー型の干渉系では、被測定物であるフォトポリマ６は、厚さ方向の両側から１対の誘電体ミラー８，８により挟み込まれ、さらに、この状態で１対の誘電体ミラー８，８を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対の板状のＩＴＯ透明電極５０，５０が配置され、さらに、この状態で１対のＩＴＯ透明電極５０，５０を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対のガラス基板７，７が配置され、各ＩＴＯ透明電極５０には取り出し電極５１が接続されている。これにより、１対のＩＴＯ透明電極５０，５０間において、被測定物であるフォトポリマ６の厚さ方向に電界が印加される。

また、例えば図５（ｂ）に示すファブリーペロー型の干渉系では、被測定物であるフォトポリマ６は、厚さ方向の両側から１対の板状のＩＴＯ透明電極５２，５２により挟み込まれ、さらに、この状態で１対のＩＴＯ透明電極５２，５２を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対の誘電体ミラー８，８が配置され、さらに、この状態で１対の誘電体ミラー８，８を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対のガラス基板７，７が配置され、各ＩＴＯ透明電極５２には取り出し電極５１が接続されている。これにより、１対のＩＴＯ透明電極５２，５２間において、被測定物であるフォトポリマ６の厚さ方向に電流が通電される。

また、例えば図５（ｃ）に示すファブリーペロー型の干渉系では、被測定物であるフォトポリマ６の厚さ方向の一方の表面上に離間配置された１対の板状のＩＴＯ透明電極５３，５３を備え、この状態でフォトポリマ６およびＩＴＯ透明電極５３，５３を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対の誘電体ミラー８，８が配置され、さらに、この状態で１対の誘電体ミラー８，８を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対のガラス基板７，７が配置され、各ＩＴＯ透明電極５３には取り出し電極５１が接続されている。これにより、１対のＩＴＯ透明電極５３，５３間において、被測定物であるフォトポリマ６の厚さ方向に垂直な方向に電界が印加あるいは電流が通電される。

また、例えば被測定物であるフォトポリマ６の温度変化に応じた屈折率変化の測定では、例えば図５（ｄ）に示すように、ファブリーペロー型の干渉系にヒータを設け、このヒータに対する通電を制御した状態で、屈折率変化を測定することになる。
例えば図５（ｄ）に示すファブリーペロー型の干渉系では、被測定物であるフォトポリマ６の厚さ方向の一方の表面上に相対的に電気抵抗値が大きい板状のＩＴＯ透明電極５３を備え、この状態でフォトポリマ６およびＩＴＯ透明電極５３を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対の誘電体ミラー８，８が配置され、さらに、この状態で１対の誘電体ミラー８，８を厚さ方向の両側から挟み込むようにして１対のガラス基板７，７が配置され、ＩＴＯ透明電極５３の両端部には１対の取り出し電極５１，５１が接続されている。これにより、ＩＴＯ透明電極５３において、通電に伴う発熱が生じ、被測定物であるフォトポリマ６の温度が変更される。

なお、被測定物は、液体であってもよいし、誘電体ミラー８等に塗布された膜であってもよいし、所定の厚さを有する固体の板等であってもよい。
例えば被測定物が液状あるいはゲル状である場合には、例えば図６（ａ）に示すファブリーペロー型の干渉系のように、各誘電体ミラー８を具備する１対のガラス基板７，７間には、スペーサ６０によって液状の被測定物６ａの流通路が形成されている。

また、被測定物が、誘電体ミラー８等に対する液状材料の塗布により形成された膜である場合には、例えば図６（ｂ）に示すファブリーペロー型の干渉系のように、１対のガラス基板７，７のうち、一方のガラス基板７に具備される誘電体ミラー８の表面上に液状材料の塗布により被測定物の膜６ｂが形成され、他方のガラス基板７に具備される誘電体ミラー８の表面上にはマッチングオイルまたは屈折率の一致した光学用接着剤６１が塗布され、一方の誘電体ミラー８の被測定物の膜６ｂと、他方の誘電体ミラー８のマッチングオイルまたは光学用接着剤６１とが接着固定された状態で、１対のガラス基板７，７によって厚さ方向の両側から挟み込まれている。

また、被測定物が、所定の厚さを有する固体の板である場合には、例えば図６（ｃ）に示すファブリーペロー型の干渉系のように、各誘電体ミラー８を具備する１対のガラス基板７，７間に、屈折率の一致した光学用接着剤６２を介して被測定物である固体の板６ｃが接着固定されている。

また、例えば被測定物が液状である場合には、例えば図６（ｄ）に示すファブリーペロー型の干渉系のように、離間配置された１対のガラススペーサ６３，６３が、各誘電体ミラー８を具備する１対のガラス基板７，７によって両側から挟み込まれることによって、各誘電体ミラー８に光学接合されると共に、被測定物の流通路６３ａが形成され、この流通路６３ａに連通するチューブ６４と、このチューブ６４内において被測定物を流通させるポンプ（図示略）等によって液状の被測定物が流通路６３ａ内に導入されるようになっている。
この干渉系では、被測定物である液体を流通させた状態で屈折率変化を測定することができ、例えば予め絶対屈折率が既知の流体を流通させることによって、被測定物の屈折率の絶対値を検出可能である。

この液体の注入および吸引が可能な干渉系を作製する場合には、先ず、例えば図７（ａ）に示すように、離間配置された１対のガラススペーサ６３，６３を、各誘電体ミラー８を具備する１対のガラス基板７，７によって両側から挟み込み、各誘電体ミラー８に光学接合させてエアギャップファブリーペローエタロンを形成する。ここで、誘電体ミラー８およびガラススペーサ６３の各表面をオプティカルフラットの状態に設定しておくことで、１対の誘電体ミラー８，８はガラススペーサ６３，６３に光学接合した時点で平行状態となる。
次に、被測定物の流通路６３ａが形成されたエアギャップファブリーペローエタロンを、例えば図７（ｂ）に示すように、熱伸縮性のチューブ６４内に挿入する。

そして、チューブ６４を加熱し、例えば図７（ｃ）に示すように、流通路６３ａの開口部を除くエアギャップファブリーペローエタロンの表面を覆うようにしてチューブ６４を収縮させる。これにより、誘電体ミラー８とガラススペーサ６３との光学接合状態が安定に保持される。
そして、例えば図７（ｄ）に示すように、エアギャップファブリーペローエタロンに光源１からの光ビーム１１を導入するための貫通窓６４ａをチューブ６４に設ける。
これにより、チューブ６４内を流通する液状の被測定物は、エアギャップファブリーペローエタロンの流通路６３ａ内を流通するようになる。
なお、チューブ６４は、熱伸縮性を有するチューブに限らず、例えばゴム等からなる伸縮性を有するチューブであってもよい。

この干渉系において、例えば予め絶対屈折率が既知の流体を流通させることによって、被測定物の屈折率の絶対値を検出する場合として、例えば絶対屈折率が既知の流体を純水とし、例えば被測定物を果汁や血液とした場合には、果汁や血液の糖度は屈折率に比例することから、屈折率変化の測定により、果汁の糖度に加えて、糖尿病等の血管病の検出が可能となる。

なお、この干渉系において、エアギャップファブリーペローエタロンのエアギャップは、好ましくは１００μｍ以上とされている。また、ガラス基板７は、好ましくは５ｍｍ以上とされている。

なお、ファブリーペロー型の干渉系に光を照射、あるいは、電圧を印加、あるいは、電流を注入すると、被測定物の屈折率が変化することになるが、この屈折率変化の要因には、光および電圧および電流に応答する３次の非線形の効果や、電気光学効果や、光重反応効果等の種々の要因が含まれる場合がある。
また、これらの各種要因に伴う温度変化によって、被測定物が膨張し、見かけ上、屈折率が変化しているように観測される場合がある。すなわち、上記数式（１）において、キャビティギャップＬの増大は、屈折率ｎの増大と同様に、中心波長λ_ｍを増大させることになる。このため、単被測定物の膨張が屈折率ｎの増大として誤検知される虞がある。
これらの場合、屈折率変化の各要因毎によって屈折率変化の時定数が異なることから、外部からの電界印加、電流通電、光照射等を周期的に断続させて行うことにより、屈折率変化の各要因を分離することができる。

例えば図８に示すように、所定のシクロオレフィンポリマーの単体膜に、青色ＬＤ１５から出射された所定（例えば、４０８ｎｍ、１Ｗ／ｃｍ^２）の青色の光ビーム１６を断続的に照射した場合の屈折率変化Δｎの時間変化において、先ず、光ビーム１６の照射開始毎に３次の非線形効果によって屈折率は増大する。また、光照射によるシクロオレフィンポリマーの分解反応に起因して、光ビーム１６の照射前後において、照射停止時には照射開始時よりも屈折率が低下する。

また、例えば図９に示すように、所定のアジド化合物が所定量添加された所定のシクロオレフィンポリマーに所定（例えば、６５５ｎｍ、１０Ｗ／ｃｍ^２）の赤色の光ビームを照射した場合の屈折率変化Δｎの時間変化において、照射開始から５分程度の期間においては、光照射に起因する被測定物の温度上昇および熱膨張によって、屈折率は、見かけ上、増大傾向に変化する。この温度上昇の時定数は５分程度であり、熱膨張の温度時定数とほぼ一致している。
そして、照射停止から５分程度の期間においては、屈折率は照射開始時と同程度の値に戻り、この光照射ではシクロオレフィンポリマーの分解反応が発生しないことがわかる。

なお、本発明では、光源１から出力される光ビーム１１の波長は、例えば１５５０ｎｍの長波長とされ、予め可視光での屈折率と、この波長１５５０ｎｍでの屈折率の絶対値とを求めておき、上記数式（２）に基づき、この波長１５５０ｎｍでの屈折率変化を、可視光における屈折率変化に変換するようになっている。

上述したように、本実施の形態による屈折率変化の測定装置によれば、液体または固定の被測定物の屈折率および電気光学効果や熱光学効果等による屈折率変化を、例えば１０^−５〜１０^−６以下等の高精度で容易かつ安価に測定することができる。また、被測定物に対する測定領域が、例えば５００μｍ以下等の微小領域であっても、屈折率を適切に測定することができる。
さらに、通信波長帯（例えば、波長８００〜１６００ｎｍ）における被測定物の屈折率変化を測定することができ、この測定結果から、所望の波長における被測定物の屈折率変化を検知することができ、例えば被測定物が可視光で感光してしまう材料（例えば、大容量光メモリ用の感光性フォトポリマー等）であっても、屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。

さらに、電圧印加、電流通電、光照射によって屈折率が変化する被測定物であっても、屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、流動性の被測定物に対するファブリーペロー型の干渉系の光学特性を容易に向上させることができ、流動性の被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、伸縮性のチューブによってファブリーペロー型の干渉系の表面が覆われることによって、この干渉系の光学接合状態を判定に保持することができると共に、流動性の被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。

さらに、被測定物の温度変化、さらには、この温度変化に伴う体積変化に起因して屈折率が変化する場合であっても、被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、少なくとも４点以上の位置において干渉系の厚さ方向に作用する圧力を変更することによって、ファブリーペロー型の干渉系を構成する各要素、つまり被測定物および誘電体ミラーおよびガラス基板等の平行状態を容易に調整することができ、例えば干渉縞が最も少なくなるようにして圧力を調整することにより、ファブリーペロー型の干渉系の光学特性を容易に向上させることができる。

また、本実施の形態による屈折率変化の測定方法によれば、例えば外部からの電圧印加、電流通電、光照射等に起因する被測定物の屈折率変化を適切かつ高精度に測定することができる。また、予め絶対屈折率が既知の所定の被測定物に対する測定結果に基づき、所望の被測定物の屈折率を適切かつ高精度に測定することができる。
さらに、所定波長帯での測定結果に基づき、所望波長帯での被測定物の屈折率を適切かつ高精度に測定することができ、例えば被測定物が可視光で感光してしまう材料（例えば、大容量光メモリ用の感光性フォトポリマー等）であっても、赤外線領域での測定結果から所望の可視光領域での屈折率を適切に測定することができる。

さらに、ファブリーペロー型の干渉系に光を照射、あるいは、電圧を印加、あるいは、電流を注入した場合等において、被測定物の屈折率変化の要因には、光および電圧および電流に応答する３次の非線形の効果や、電気光学効果や、光重反応効果等の種々の要因が含まれることになるが、これらの屈折率変化の各要因毎によって屈折率変化の時定数が異なることから、外部からの電界印加、電流通電、光照射等を周期的に断続させて行うことにより、屈折率変化の各要因を分離することができる。

本発明の一実施形態に係る屈折率変化の測定装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係るファブリーペロー型の干渉系の一例を示す構成図である。 図２に示すファブリーペロー型の干渉系を備える屈折率変化の測定装置の構成図である。 本発明の一実施形態に係る屈折率変化の測定装置において、光源からの光ビームが通過するファブリーペロー型の干渉系の位置に青色の光ビームを照射した際の屈折率変化の時間変化の一例を示すグラフ図である。 図５（ａ）は被測定物であるフォトポリマの厚さ方向に電界が印加されるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図５（ｂ）は被測定物であるフォトポリマの厚さ方向に電流が通電されるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図５（ｃ）は被測定物であるフォトポリマの厚さ方向に直交する方向に電界が印加または電流が通電されるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図５（ｄ）は被測定物であるフォトポリマの温度を変更可能なファブリーペロー型の干渉系の構成図である。 図６（ａ）は被測定物が液状あるいはゲル状であるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図６（ｂ）は被測定物が誘電体ミラー等に対する液状材料の塗布により形成された膜であるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図６（ｃ）は被測定物が所定の厚さを有する固体の板であるファブリーペロー型の干渉系の構成図であり、図６（ｄ）は被測定物が液状であるファブリーペロー型の干渉系の構成図である。 図６（ｄ）に示すファブリーペロー型の干渉系の製作工程の一例を示す図である。 シクロオレフィンポリマーに所定の青色の光ビームを照射した場合の屈折率変化Δｎの時間変化の一例を示すグラフ図である。本発明の一実施形態に係る屈折率変化の測定装置の構成図である。 アジド化合物が所定量添加されたシクロオレフィンポリマーに所定の赤色の光ビームを照射した場合の屈折率変化Δｎの時間変化の一例を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 光源、６ フォトポリマ、７ カラス基板、８ 誘電体ミラー、１０ａ ペルチェ素子、１０ｂ ヒートシンク、１２ コリメータ、１４ 光スペクトラムアナライザ、１５ 青色ＬＤ、３０ ジグ、３１ ねじ、３２ ばね、３３ ナット

Claims (9)

1. 可視光で感光するフォトポリマーの屈折率変化の測定装置であって、
   １対の誘電体ミラーによって両側から挟み込まれた被測定物を具備するファブリーペロー型の干渉系と、
   前記被測定物に屈折率変化を与えない測定波長λ_０の光を発する第１光源と、
   前記第１光源からの光を平行ビームとして前記干渉系に入射するコリメータと、
   前記干渉系を通過した前記測定波長λ_０の前記平行ビームのピーク波長を検出する検出器として、分光器および光スペクトラムアナライザおよび波長計のうちの少なくとも何れか１つと、
   前記被測定物に前記第１光源からの光とは異なり、前記被測定物に屈折率変化を与える所望の波長λの光を照射する第２光源と
   を備え、
   前記第１光源は、光ファイバアンプのファイバ出力型光源またはファイバ出力型スーパールミネッセントダイオードであり、少なくとも波長に８００〜９００ｎｍあるいは１２５０〜１３５０ｎｍあるいは１５００〜１６００ｎｍの波長を含む光を出力し、
   前記検出器は、波長測定の再現性分解能が±０．０１ｎｍ以下であって、
   下記数式（ａ）に基づき、前記第１光源の前記測定波長λ_０で測定した屈折率ｎ_０から可視光域の前記所望の波長λでの屈折率ｎ _λ を算出することを、前記第２光源が前記被測定物に所望の波長λの光を照射する前後で行うことにより、所望の波長λの光を照射する前後での前記被測定物の屈折率ｎ _λ の変化を、屈折率変化として求める手段を有することを特徴とする屈折率変化の測定装置。
   ｎ_λ＝ｎ_０＋ａ（１／λ^２−１／λ_０ ^２）…（ａ）
   ここで
   ｎ_λ：所望の波長（可視光）λでの屈折率
   ｎ_０：測定波長（近赤外）λ_０での屈折率
   ａ：予め求めてある係数
   λ：所望の波長（可視光）
   λ_０：測定波長（近赤外）
   としている。
2. 前記誘電体ミラーに設けられた電極および該電極に電圧を印加あるいは電流を通電する手段と、
   前記１対の誘電体ミラー間に液状の被測定物を注入すると共に、前記１対の誘電体ミラー間から前記液状の被測定物を吸引する手段とのうち、少なくとも何れか１つを備えることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。
3. 前記被測定物は固体であって、
   前記被測定物と、前記誘電体ミラーとは、互いに屈折率が略同等のマッチングオイルまたは光学接着剤を介して接合されていることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。
4. 前記被測定物は液状あるいはゲル状であって、
   前記１対の誘電体ミラー間に前記被測定物を貯留する貯留部を形成するスペーサを備え、
   前記貯留部に前記被測定物を注入すると共に、前記貯留部から前記被測定物を吸引する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。
5. 前記誘電体ミラーを具備するオプティカルフラットなガラス基板を備え、
   前記スペーサは、オプティカルフラットなガラスからなり、１対の前記ガラス基板によって厚さ方向の両側から挟み込まれ、
   前記ガラス基板と前記スペーサとは光学接合されていることを特徴とする請求項４に記載の屈折率変化の測定装置。
6. 前記干渉系を内部に備え、該内部を流通する前記被測定物を、前記干渉系の前記貯留部に流通させる伸縮性のチューブを備え、
   前記チューブは、
   前記干渉系の表面を覆うようにして該表面に当接する内面と、前記干渉系に前記光源からの光を入射させる入射窓および前記干渉系を通過した前記光源からの光を外部に出射させる出射窓とを備えることを特徴とする請求項４に記載の屈折率変化の測定装置。
7. 前記干渉系の温度状態を制御する手段と、前記干渉系を内部に収容する筐体および該筐体内の雰囲気温度を制御する手段とのうち、少なくとも何れか一方を備えることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。
8. 前記干渉系は、厚さ方向に直交する平面上での少なくとも４点以上の位置において前記厚さ方向に前記干渉系に作用する圧力を変更可能な機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。
9. 前記被測定物に対して、前記第１光源からの光とは異なる波長の光を所定周期で断続的に光照射あるいは、所定周期で断続的に電圧印加あるいは電流通電する手段を備え、
   前記光照射、前記電圧印加、前記電流通電に起因する屈折率変化と、温度変化に伴う屈折率変化と、３次の非線形効果による屈折率変化とを区別して検出することを特徴とする請求項１に記載の屈折率変化の測定装置。

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