JP5038562B2 - 回折光分離装置及びスペクトル時間分解測定方法 - Google Patents
回折光分離装置及びスペクトル時間分解測定方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、観察対象試料の情報を含む光のスペクトルを時間分解して観察するための、安定したスペクトル分析を行うための回折光分離装置、並びに、スペクトル分解測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光などのスペクトルを時間分解して測定するスペクトル時間分解測定器には、図７に示すものが知られている。
【０００３】
このスペクトル時間分解測定器は、受光素子であるＣＣＤ１の直前にイメージインテンシファイヤー２が配置されている。イメージインテンシファイヤー２の前には分光器３が配置されている。イメージインテンシファイヤー２には高電圧を印加して電子の移動を制御するための電圧パルス発生器４が接続されている。
【０００４】
イメージインテンシファイヤー２は、その受光面５（光電面）に光が当たると電子を放出し、この電子を電圧パルス発生器４からの電圧で加速して反対側の蛍光面６を光らせるようになっており、この蛍光面６の明るさを蛍光面６に密着させたＣＣＤ１で測定するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスペクトル時間分解測定器では、分光後に蛍光面６の明るさをＣＣＤ１により測定するので、イメージインテンシファイヤー２の歪みが波長の分解能に影響し、蛍光面６のムラが光強度の測定精度に影響を与えるために、精巧な製作技術が要求される。
【０００６】
また、このイメージインテンシファイヤー２付きのＣＣＤ１が高価であると共に、パルス光源の場合には初期に強力な発光があるため、時間分解して安定的にスペクトル光を測定するときは初期の強い光をＣＣＤ１に入れない工夫が必要である。
【０００７】
更に、時間分解能を良くするには高速で正確な開放時間を設定できる開閉機構が必要であり、汎用的に使用するには安価・長寿命で装置構成の自由度を要するという課題がある。
【０００８】
この発明は、このような問題に着目したものであり、イメージインテンシファイヤーの影響を受けずに測定精度を向上させると共に、時間分解して測定するときは初期の光をＣＣＤに入れず、時間分解能を良くし、汎用的に使用するには安価で長寿命な回折光分離装置、スペクトル時間分解測定器、スペクトル時間分解測定方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明は、超音波信号を入力すると入射光の一部が異なった方向に出射される音響光学素子の回折現象を利用することにより、上記課題を解決しようとするものであり、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を所望する時間帯だけ分光器に入射して分光観測するものである。
【００１０】
上記の課題を解決するために、本願の請求項１の回折光分離装置は、測定用のパルス光を観察対象試料に対して発光させる光源と、前記パルス光によって前記観察対象試料から生じる光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板と、この第１のスリット板を通過した光を集光する第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系にてビーム径が細くなるように集光された光を受光し、且つ超音波によるオン・オフ信号が入力されて超音波振動させられたときに、前記受光した光を回折させて回折光とし、且つ前記超音波振動が停止されているときに前記受光した光を透過光とする音響光学素子と、前記音響光学素子からの回折光及び透過光を集光する第２の集光光学系と、この第２の集光光学系からの前記回折光を透過させるスリットが設けられていると共に前記透過光を遮光する第２のスリット板と、前記第２のスリット板を前記回折光の回折方向に移動させて前記回折光を通す前記スリットの位置を調整するスリット位置調整機構と、前記第２のスリット板からの回折光を分光器に導く光ファイバーと、前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気的信号を印加して超音波を発生する制御装置と、を備え、この制御装置は、前記観察対象試料の観察対象波長に応じて前記超音波の周波数を変更する調節機能を有し、且つ前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記第２のスリット板で遮光されると共に前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過し且つ前記光ファイバーを介して前記分光器に導かれることを特徴とする。
【００１１】
また、本願の請求項２のスペクトル時間分解測定方法は、測定用の光源からパルス光を観察対象試料に対して発光させて、前記パルス光により前記観測対象試料に光学的性質を含んだ光を生じさせ、この観察対象試料からの光のビーム径が細くなるように集光して音響光学素子に入射させると共に、前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気信号を所定時間印加して、この正弦波電気信号が印加されている間だけ所定の周波数の超音波を発生させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記観察対象試料から入射させられる光のビームを前記音響光学素子から所定の偏向角の回折光として出射させ、前記回折光をスリット板のスリットにより分離して、分離した前記回折光だけを分光器に入射させることにより、前記正弦波電気信号が印加されている時間の間だけ前記観察対象試料の所望の波長毎の光強度を測定するスペクトル時間分解測定方法であって、前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記スリット板で遮光させられると共に、前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過して前記分光器に導かれることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るスペクトル時間分解測定器について図面を参照にしつつ説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態に係るスペクトル時間分解測定器の構成を示す。このスペクトル時間分解測定器１０は、分光器１１に入射部１２と受光器１３とが設けられている。スペクトル時間分解測定器１０は、回折光分離装置１４を備えている。
【００１４】
回折光分離装置１４は、パルス光を発光する光源１５からの光を試料（観察対象試料）１６を通して導入する図示しないケースを備えており、迷光が内部に入らないようになっている。光源１５の発光特性を測定する場合は、試料１６を取り外す。
【００１５】
回折光分離装置１４のケース内には、光源１５および試料１６からの光Ｌｍｆを通過させる第1のスリット１７Ａが設けられた第１のスリット板１７と、第１のスリット板１７の第1のスリット１７Ａを通過する試料１６の光学的性質を含んだ光Ｌｍｆを集光する第１の集光レンズ１８と、ガラスからなる媒質１９Ａを備えた音響光学素子１９と、第２の集光レンズ２１と、回折光を通す第２のスリット２２が設けられ且つ透過光を遮断する第２のスリット板２２と、光ファイバー２３と、制御装置２４とを備えている。
【００１６】
光源１５には、例えば、試験用光源としてＮａ・Ｋホローカソードランプが用いられる。
【００１７】
第１の集光レンズ１８及び第２の集光レンズ２１には焦点距離１００ｍｍの光学レンズが用いられる。第１のスリット板１７にはスリット幅１ｍｍの第1のスリット１７Ａが形成され、第２のスリット板２２にはスリット幅３ｍｍの第2のスリット２２Ａが形成されている。
【００１８】
光源１５が発射した光Ｌｍｆは、試料１６を通過した後、第１のスリット板１７の第1のスリット１７Ａを通って第１の集光レンズ１８に入射する。また、第１の集光レンズ１８は、光源１５および試料１６の光学的性質を含んだ光Ｌｍｆを集光する。集光レンズ１８により集光された光Ｌｍｆは、音響光学素子１９の媒質１９Ａ内にビームウェストが位置するように入射する。
【００１９】
音響光学素子１９は、図２に示すように、超音波振動子２０に媒質１９Ａを固着したものであり、超音波振動子２０に所定周波数の正弦波電気信号を入力すると、超音波振動子２０の振動により媒質１９Ａに超音波が発生し、媒質１９Ａに入射した光が回折する。回折光は透過光であるＯ次光から偏向角θの方向に進行する。
【００２０】
図２（Ａ）は音響光学素子１９の概略構成を示す。音響光学素子１９は、本来入射光をビーム状にして使用するために、レーザー光の偏向や変調に利用されるものであり、正弦波電気信号を超音波振動子２０にパルス状に印加して、超音波振動子２０を振動させる。この振動によって媒質１９Ａに超音波が発生するので、印加する正弦波電気信号のオン・オフ制御により、媒質１９Ａに入射した入射光の回折現象がオン・オフされることとなる。
【００２１】
図２（Ｂ）は超音波振動子２０へのオン・オフ信号と、超音波振動子２０に印加する正弦波電気信号とを示す。すなわち、バイポーラ論理回路ユニット２６は、制御装置２４のマイクロコンピュータ２５のインターフェースから、超音波振動子２０を駆動する正弦波電気信号の周波数と、超音波振動子２０の駆動開始時刻と停止時刻とを受けて、正弦波電気信号の電圧を超音波振動子２０に印加し、音響光学素子１９に回折現象を生じさせる。この回折光ＤＦＬだけを取り出すと、光をスイッチングできることとなる。
【００２２】
超音波振動により発生する回折光ＤＦＬと、超音波振動を発生させないときに透過する透過光ＴＬとの偏向角θは、回折光ＤＦＬの波長λと電気信号の周波数Ｆ（超音波周波数と同じ）で決まり、θ＝λ・Ｆ／Ｖ（Ｖは媒質中の音速）と表される。偏向角θは波長λによって異なる。従って、この実施の形態に示すように、第２の集光レンズ２１で回折光ＤＦＬを集光して光ファイバー２３に入力し、光ファイバー内での多重反射によって指向性を無くしてから分光器１１に入射することで、回折光ＤＦＬの偏向角の波長依存性を無くして広い波長範囲のスペクトル測定が可能となる。
【００２３】
また、音響光学素子１９において回折光ＤＦＬの強度がほぼ半分になる立ち上がり時間Ｔは、Ｔ＝０．６５Ｄ／Ｖ（Ｄはビームの径）で表される。従って、この実施の形態に示すように、第１の集光レンズ１８によりビームの径Ｄを細くすると、回折光ＤＦＬの立ち上がりが早くなり、より精密な時間分解計測ができる。
【００２４】
この実施の形態では、音響光学素子１９は、超音波中心周波数８０ＭＨｚの音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用い、第１の集光レンズ１８によって集光された光が最も細くなる位置に配置する。音響光学素子１９（ＡＯＭ）のドライブ装置としては、一例として、超音波振動のオン・オフ制御を矩形波信号入力で制御するバイポーラ型論理回路（ＴＴＬ）ユニット２６を用いている。
【００２５】
バイポーラ型論理回路ユニット２６は、音響光学素子１９の超音波振動子２０を振動させるための所望する正弦波電気信号発生部を備え、マイクロコンピュータ２５からのＴＴＬ信号で前記正弦波電気信号の発生と停止を行い、超音波振動子２０の振動制御を行う。
【００２６】
制御装置２４は、マイクロコンピュータ２５のインターフェース出力に、バイポーラ論理回路ユニット２６と、モーター２８の駆動回路２７と、バイポーラ論理回路ユニット２６の駆動パルスを設定する設定ボタン３０と、モーター２８を回転させて第２スリット板２２の位置を変えるための設定ボタン３１とが接続されている。
【００２７】
モーター２８の出力軸にはスクリュー２８ａが取り付けられており、第２のスリット板２２のナット部２９がスクリュー２８ａに螺合している。このモーター２８の回転によりスクリュー２８ａを回転させると、スクリュー２８ａとナット部２９の作用により第２のスリット板２２がスクリュー２８ａの延びる方向（図１では上下方向）に移動するようになっている。
【００２８】
マイクロコンピュータ２５はＲＯＭとＲＡＭ及びインターフェース入出力端子を備えており、ＲＯＭに、バイポーラ論理回路ユニット２６と設定ボタン３０の制御用入出力プログラムと、設定ボタン３１とモーター２８の制御用入出力プログラムとが記録されている。
【００２９】
バイポーラ論理回路ユニット２６の制御用入出力プログラムは、設定ボタン３０にて所望の周波数の超音波が所望の時間だけ生じるように、正弦波電気信号の周波数と電気信号の印加開始時間と停止時間を設定し、バイポーラ論理回路ユニット２６から設定ボタン３０で設定した周波数の正弦波電気信号を設定した印加開始時間から停止時間の間だけ超音波振動子２０に出力する。勿論、設定ボタン３０によって入力事項に超音波の振幅を設定し、媒質１９Ａに発生する超音波の周波数と振幅とを設定できるようにしても良い。
【００３０】
バイポーラ論理回路ユニット２６を制御するために設定ボタン３０で設定する正弦波電気信号の印加開始時間と停止時間は、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始からの所定の遅延時間（測定開始時間）を印加開始時間とし、さらに測定持続時間を加えた時間を停止時間とし、マイクロコンピュータ２５から、印加開始パルス信号と停止パルス信号をバイポーラ論理回路ユニット２６に送信する。また、前記遅延時間を制御パルスの立ち上がりに、測定持続時間を制御パルス幅に設定して、バイポーラ論理回路ユニット２６に入力しても良い。
【００３１】
この、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始からの所定の遅延時間は、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始信号を制御装置２４に入力して時間の基準信号とする。あるいは、制御装置２４内のマイクロコンピュータ２５で時間基準信号を発生し、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始の制御と、バイポーラ論理回路ユニット２６の制御との、両方の制御を行うことも可能である。
【００３２】
モーター２８の制御用入出力プログラムは、超音波の周波数Ｆにより変わる回折光ＤＦＬの偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置を変えることができるように、演算処理を行いモーター２８を回転させる。即ち、偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置をスクリュー２８ａの延びる方向（図１では上下方向すなわち回折光の偏光方向）に変えることができるように、モーター２８によりスクリュー２８ａを回転させて、この回転するスクリュー２８ａとナット部２９の作用により、第２のスリット板２２を図１ではスクリュー２８ａの延びる方向（図１の上下方向すなわち回折光ＤＦＬの回折方向）に移動させる。
換言すれば、このスリット板２２の移動方向は、後述するように超音波の周波数を変えて回折光ＤＦＬの偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを分光器１１に導くように取り出すことができるようにする方向である。即ち、スリット板２２の移動方向は、偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを第2のスリット２２ａ及び光ファイバ２３を介して分光器１１に導くように取り出すことができるようにする方向である。従って、スクリュー２８ａとナット部２９による第２のスリット板２２の移動方向は、図１ではスクリュー２８ａの延びる方向（図１の上下方向）に移動させる方向であるが、回折光ＤＦＬとの関係で明確にすると、実際には透過光の光軸に直交し且つ偏向角θの変化に応じて回折光ＤＦＬの第２のスリット板２２への到達位置が変化する方向であることは明白である。
ところで、超音波の周波数Ｆにより変わる回折光ＤＦＬの偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置を変えるための演算処理は、例えば次のようにできる。即ち、例えば、超音波光学素子１９からの透過光ＴＬが第２のスリット板２２に直角に当たる場合には、超音波光学素子１９から第２のスリット板２２までの距離をＬ、透過光ＴＬの到達点から第2のスリット２２Ａまでの距離をｄとし、第２の集光レンズ２１の回折光ＤＦＬが屈折する角を無視できるものとすると、ｄ／Ｌ＝ｔａｎθからスリット２２Ａの位置ｄを算出できる。
ここで、光Ｌｍｆの光軸をＯとし、透過光ＴＬの光軸をＯｔとし、回折光ＤＦＬの光軸をＯｄとし、透過光ＴＬの第2のスリット板２２への到達点をＰａとすると、上述した式のｄ／Ｌ＝ｔａｎθから明らかなように、偏向角θは透過光ＴＬの光軸Ｏｔと回折光ＤＦＬの光軸Ｏｄとの為す角度である。尚、スリット板２２の移動方向は、図１においては透過光ＴＬの光軸をＯｔと直交し且つ透過光ＴＬの第2のスリット板２２への到達点Ｐａから第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａに向かう方向、即ち透過光の光軸Ｏｔに直交し且つ偏向角θの変化に応じて回折光ＤＦＬの第２のスリット板２２への到達位置が変化する方向である。
【００３３】
勿論、第２の集光レンズ２１にて回折光ＤＦＬが屈折する角度を考慮するならば、音響光学素子１９から第２の集光レンズ２１の距離Ｌ１と回折光ＤＦＬの偏向角θから第２の集光レンズ２１における回折光ＤＦＬの通過位置ｄ１を計算し、第２の集光レンズ２１から第２のスリット板２１の距離Ｌ２と第２の集光レンズ２１における回折光ＤＦＬの屈折する角度及び偏向角θから第２のスリット板２２のスリット２２Ａの位置（ｄｘ＋ｄ１）を求めることもできる。
【００３４】
図１のスペクトル時間分解測定器１は、回折光分離装置１４の第２スリット板２２のスリット２２Ａからの回折光ＤＦＬを光ファイバー２３により受光部１２に導き、分光器１１で分光した後に、受光器１３で受光する。実施例では、分光器１１の焦点距離は１００ｍｍであり、受光器１３にはＣＣＤアレイが用いられている。
【００３５】
上述のように、本発明の実施の形態に係る回折光分離装置１４では、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板１７と、この第１のスリット板１７を通過した光を集光する第１の集光レンズ１８（第１の集光光学系）と、第１の集光レンズ１８にて集光された光を受光し、超音波を発生させたときに受光した光を回折させる音響光学素子１９とを備えたこと特徴とする。
【００３６】
これによって、回折光分離装置１４を分光器１１の入射部１２に接続された光ファイバー２３の前に配置し、分光器１１によって光のスペクトル時間分解測定する場合に、第１の集光レンズ１８により観察対象となる光を細く絞って音響光学素子１９に入射するので、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離できると共に、回折光ＤＦＬの立ち上がり時間（時間応答性）を短くできるので、音響光学素子１９による時間制御性が良好となり、時間分解能が良くなって精度が向上する。
【００３７】
また、音響光学素子１９から出力される回折光ＤＦＬは、音響光学素子１９への入射光と異なった方向に射出されるため、必要時間以外の光が物理的に受光器に入らない。即ち、回折光ＤＦＬのオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。このため、迷光の無いより精度の高い安定したスペクトルの観察を行うことができる。
【００３８】
更に、分光器１１に入射する前の回折光ＤＦＬをオン・オフするので、波長分解能と強度測定精度の低下を回避できる。従って、イメージインテンシファイヤーといった真空管を用いず全固体素子で構成されるため、長寿命であり、構造が簡単であるために、容易に製作できる。
【００３９】
また、音響光学素子１９からの回折光ＤＦＬ及び透過光ＴＬを集光する第２の集光レンズ２１（第２の集光光学系）と、この第２の集光レンズ２１からの回折光ＤＦＬを透過させ、透過光ＴＬを遮光する第２のスリット板２２とを備えたことにより、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離すると共に迷光を遮断でき、回折光ＤＦＬを第２の集光レンズで集光して取り出すことができる。
【００４０】
更に、第２のスリット板２２からの回折光ＤＦＬを分光器１１の受光部１２に導く光ファイバー２３を備えたことにより、分光器１１若しくは回折光分離装置１４との位置移動が自由になり、計測がし易くなる。
【００４１】
また、音響光学素子１９に正弦波電気信号をパルス的に印加する制御装置２４を備え、この制御装置２４は、試料１６の観察対象波長に応じて超音波振動子２０の駆動用正弦波電気信号の周波数を変更する調節機能を有し、第２のスリット板２２が、回折光ＤＦＬを通すスリットの位置を調整するスリット位置調整機構としてモーター２８及びスクリュー２８ａ並びにナット部２９を有する。
【００４２】
これにより、超音波の周波数を変えて回折光ＤＦＬの偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを分光器１１に導くように取り出すことができる。
【００４３】
また、スペクトル時間分解測定器１０が、回折光分離装置１４と、回折光ＤＦＬが入射される分光器１１とを備えたことによって、上述の効果を得ることができるのみならず、第２のスリット板２２に複数個のスリットを設け、各スリットに光ファイバー２３を設けて分光器１１を１以上設置し、異なる波長の光を同時に計測することも可能となると共に、分光器１１に出射する回折光ＤＦＬをオン・オフすることから、波長分解能と強度測定精度の低下を回避でき、回折光ＤＦＬのオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。
【００４４】
また、光ファイバー２３で回折光ＤＦＬを分光器１１に導くことによって、分光器１１或いは回折光分離装置を移動させることができ、自由度・汎用性が高まる。これにより、従来のＩＣＣＤに比べて大幅にコストダウンできると共に、従来のＩＣＣＤに比べて全固体素子で構成できまた小型化できる。
【００４５】
更に、このスペクトル時間分解測定方法では、観測対象である光源１５あるいは試料１６の光学的性質を含んだ光をビーム径が細くなるように第１の集光レンズ１８で集光して媒質１９Ａに入射させ、超音波振動子２０に目的とする駆動周波数の正弦波電気信号を所定時間断続的に加えることにより、媒質１９Ａに所定の周波数の超音波を発生させて、媒質１９Ａ内に進入した観察対象光を所定の偏向角で回折させることによって、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離し、回折光ＤＦＬを第２の集光レンズ２１にて集光した後に、分光器１１の入射部１２に入射させて、観察対象試料（試料１６）の所望の波長毎の光強度を測定するので、安定した精度の高い分光計測を行うことができる。
【００４６】
ここで、条件式 Ｖ・θ＝λ・Ｆ （ここで、Ｖは媒質中の音速、θは偏向角（ラジアン）、λは回折光ＤＦＬの波長、Ｆは超音波周波数）に基づいて、媒質１９Ａに超音波を発生させる超音波振動子に印加する正弦波電気信号の発振周波数、観察対象となる回折光ＤＦＬの波長、偏向角の少なくともいずれかを選択的に設定すれば、分光計測の自由度が顕著に増大する。
（実施例）
図３には、音響光学素子１９をドライブするバイポーラ論理回路ユニット２６への電気入力波形（矩形波）と第２のスリット２２を通過する回折光ＤＦＬの信号波形による光のスイッチング特性が示される。光源１５には連続発光のＮａ・Ｋホローカソードランプを使用し、（試料１６を外し）、回折光ＤＦＬの測定には光電子増倍管を使用している。変調信号と回折光信号の時間ズレは測定器の回路特性によるものであり、また、図中の回折光ＤＦＬの信号は、回折光強度が強いほど下に振る。
【００４７】
図３に示すように、回折光ＤＦＬは電気信号と同期してスイッチングされる。観測した回折光ＤＦＬの立ち上がり時間は、１０％〜９０％の領域で１１ｎｓである。
【００４８】
図４は、この回折光ＤＦＬを光ファイバー２３を介して分光器１１に入射し、受光器１３のＣＣＤアレイで分光測定した結果を示す。分光波長範囲は、Ｎａスペクトル線（５８９ｎｍ）とＫスペクトル線（７６６ｎｍ）を同時に含む５５０ｎｍから８００ｎｍである。
【００４９】
音響光学素子１９をバイポーラ論理回路ユニット２６の入力電気信号でオン・オフすることにより、対象となる波長範囲の光を通過（オン）遮断（オフ）してスペクトル強度を測定することが可能である。図５に示すように、オフの場合には迷光（透過光）の進入を完全に防止できている。
【００５０】
図６は、パルス幅１０ｎｓｅｃのＹＡＧレーザー光を水に集光照射してプラズマを発生させ、そのプラズマからの発光スペクトルを図１に示すスペクトル時間分解測定器１で測定した事例を示す。
【００５１】
図６において、ＤＴはレーザー照射からの遅延時間である。ＤＴ＝０．０μｓｅｃはパルス光源の発光に対して遅延のないときのスペクトル、ＤＴ＝０．１μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．１μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．２μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．２μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．２μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．２μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．４μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．４μｓｅｃの遅延したときのスペクトルである。
【００５２】
スペクトル測定の開放時間であるゲート幅（パルス幅）は３０μｓｅｃである。遅延時間を長くすると、スペクトル強度は弱くなり、時間の経過と共に発光が減衰すると共にスペクトル分布が変化してゆく様子が明瞭に観測できる。
【００５３】
なお、図１の光ファイバー２３を取り除き、音響光学素子１９の周波数により回折光ＤＦＬが偏向する機能を用いて音響光学素子１９を分光器として用い、音響光学素子１９に加える正弦波電気信号の周波数の制御により、所定位置に所定波長の回折光ＤＦＬを導き、第２のスリット板２２の位置移動すること、若しくは、第２のスリット板２２に複数個のスリットを開口することによって、所定の波長の回折光ＤＦＬを分光器１１の入射部１２に直接導くようにすると、高分解能の分光器を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本願の請求項１の回折光分離装置によれば、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板と、この第１のスリット板を通過した光を集光する第１の集光光学系と、第１の集光光学系にて集光された光を受光し、超音波を発生させたときに受光した光を回折させる音響光学素子とを備えるので、分光器によって光のスペクトル時間分解測定する場合に、第１の集光光学系により観察対象となる光を細く絞って音響光学素子に入射すると、回折光と透過光とを分離できると共に、回折光の立ち上がり時間（時間応答性）を短くできる。このため、音響光学素子の時間制御性が良好となり、時間分解能が良くなって精度が向上する。
【００５５】
しかも、超音波を発生させるパルス信号を印可する時間幅を調整すれば、観察対象となる光の回折光の観測時間を調整でき、より精度の高い安定したスペクトルの観察を行うことができる。
【００５６】
更に、音響光学素子から出力される回折光は、音響光学素子への入射光と異なった方向に射出されるため、必要時間以外の光が物理的に受光器に入らない。即ち、回折光のオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。このため、音響光学素子を開閉機構として利用できる。
【００５７】
また、分光器に入射する前の回折光をオン・オフするので、波長分解能と強度測定精度の低下を回避できる。従って、イメージインテンシファイヤーといった真空管を用いず全固体素子で構成されるため、長寿命であり、構造が簡単であるために、容易に製作できる。
【００５８】
また、音響光学素子からの回折光及び透過光を集光する第２の集光光学系と、この第２の集光光学系からの回折光を透過させ、透過光を遮光する第２のスリット板とを備えたことにより、回折光と透過光とを分離すると共に迷光を遮断でき、回折光を第２の集光レンズで集光して取り出すことができる。
【００５９】
しかも、第２のスリット板からの回折光を分光器の受光部に導く光ファイバーを備えたことにより、分光器若しくは回折光分離装置との位置移動が自由になり、計測がし易くなる。
【００６０】
また、音響光学素子に正弦波電気信号を所定時間断続的に印加する制御装置を備え、この制御装置は、観察対象試料の観察対象波長に応じて正弦波信号の周波数の変更調節機能を有し、第２のスリット板が、回折光を通すスリットの位置を調整するスリット位置調整機構を有することにより、超音波の周波数を変えて回折光の偏向角が変わっても当該回折光を分光器に導くように取り出すことができる。
【００６１】
ここで、第２のスリット板に複数個のスリット穴を設け、各スリット穴に光ファイバーを設けて分光器を１以上設置し、異なる波長の光を同時に計測することも可能となると共に、分光器に出射する回折光をオン・オフすることから、波長分解能と強度測定精度の低下を回避でき、回折光のオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。また、光ファイバーで回折光を分光器に導くことによって、分光器或いは回折光分離装置を移動させることができ、自由度・汎用性が高まる。これにより、従来のＩＣＣＤに比べて１０分の１以下にコストダウンできると共に、従来のＩＣＣＤに比べて３分の１以下に小型化できる。
【００６２】
本願の請求項２のスペクトル時間分解測定方法によれば、観測対象試料の光学的性質を含んだ光をビーム径が細くなるようにで集光して媒質に入射させ、超音波振動子に所定周波数の正弦波電気信号を所定時間加え、媒質に所定の周波数の超音波を発生させて、媒質内に進入した観察対象光を所定の偏向角で回折させることによって、回折光と透過光とを分離し、回折光を集光した後に、分光器に所定時間だけ入射させて、正弦波電気信号が印加されている時間だけの観察対象試料の所望の波長毎の光強度を測定するので、安定した精度の高い分光計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の実施の形態に係る回折光分離装置及びスペクトル時間分解測定器の構成を示す模式図。
【図２】（Ａ）は本願の回折光分離装置に用いる音響光学素子の模式図、（Ｂ）は超音波振動子のオン・オフ信号と印加する正弦波信号とを示す波形図。
【図３】音響光学素子の変調信号の透過光強度と回折光波形の変調信号電圧が時間の経過と共に変化する状態を示すグラフ。
【図４】音響光学素子の超音波振動子にパルス信号を印加したときの回折光のスペクトル強度を示すグラフ。
【図５】音響光学素子の超音波振動子にパルス信号を印加しないときの回折光のスペクトル強度を示すグラフ。
【図６】パルス光源のスペクトルの時間分解測定例を示すグラフであり、ＤＴは遅延時間を示す。
【図７】従来のインテンシファイヤー付きのＣＣＤを備えた分光器の模式図。
【符号の説明】
１０ スペクトル時間分解測定器
１１ 分光器
１２ 分光器の受光部
１３ 分光器の受光器
１４ 回折光分離装置
１５ 光源
１６ 試料
１７ 第１のスリット板
１８ 第１の集光レンズ
１９ 音響光学素子
２１ 第２の集光レンズ
２２ 第２のスリット板
２３ 光ファイバ
２４ 制御装置
【発明の属する技術分野】
この発明は、観察対象試料の情報を含む光のスペクトルを時間分解して観察するための、安定したスペクトル分析を行うための回折光分離装置、並びに、スペクトル分解測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光などのスペクトルを時間分解して測定するスペクトル時間分解測定器には、図７に示すものが知られている。
【０００３】
このスペクトル時間分解測定器は、受光素子であるＣＣＤ１の直前にイメージインテンシファイヤー２が配置されている。イメージインテンシファイヤー２の前には分光器３が配置されている。イメージインテンシファイヤー２には高電圧を印加して電子の移動を制御するための電圧パルス発生器４が接続されている。
【０００４】
イメージインテンシファイヤー２は、その受光面５（光電面）に光が当たると電子を放出し、この電子を電圧パルス発生器４からの電圧で加速して反対側の蛍光面６を光らせるようになっており、この蛍光面６の明るさを蛍光面６に密着させたＣＣＤ１で測定するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のスペクトル時間分解測定器では、分光後に蛍光面６の明るさをＣＣＤ１により測定するので、イメージインテンシファイヤー２の歪みが波長の分解能に影響し、蛍光面６のムラが光強度の測定精度に影響を与えるために、精巧な製作技術が要求される。
【０００６】
また、このイメージインテンシファイヤー２付きのＣＣＤ１が高価であると共に、パルス光源の場合には初期に強力な発光があるため、時間分解して安定的にスペクトル光を測定するときは初期の強い光をＣＣＤ１に入れない工夫が必要である。
【０００７】
更に、時間分解能を良くするには高速で正確な開放時間を設定できる開閉機構が必要であり、汎用的に使用するには安価・長寿命で装置構成の自由度を要するという課題がある。
【０００８】
この発明は、このような問題に着目したものであり、イメージインテンシファイヤーの影響を受けずに測定精度を向上させると共に、時間分解して測定するときは初期の光をＣＣＤに入れず、時間分解能を良くし、汎用的に使用するには安価で長寿命な回折光分離装置、スペクトル時間分解測定器、スペクトル時間分解測定方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の発明は、超音波信号を入力すると入射光の一部が異なった方向に出射される音響光学素子の回折現象を利用することにより、上記課題を解決しようとするものであり、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を所望する時間帯だけ分光器に入射して分光観測するものである。
【００１０】
上記の課題を解決するために、本願の請求項１の回折光分離装置は、測定用のパルス光を観察対象試料に対して発光させる光源と、前記パルス光によって前記観察対象試料から生じる光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板と、この第１のスリット板を通過した光を集光する第１の集光光学系と、前記第１の集光光学系にてビーム径が細くなるように集光された光を受光し、且つ超音波によるオン・オフ信号が入力されて超音波振動させられたときに、前記受光した光を回折させて回折光とし、且つ前記超音波振動が停止されているときに前記受光した光を透過光とする音響光学素子と、前記音響光学素子からの回折光及び透過光を集光する第２の集光光学系と、この第２の集光光学系からの前記回折光を透過させるスリットが設けられていると共に前記透過光を遮光する第２のスリット板と、前記第２のスリット板を前記回折光の回折方向に移動させて前記回折光を通す前記スリットの位置を調整するスリット位置調整機構と、前記第２のスリット板からの回折光を分光器に導く光ファイバーと、前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気的信号を印加して超音波を発生する制御装置と、を備え、この制御装置は、前記観察対象試料の観察対象波長に応じて前記超音波の周波数を変更する調節機能を有し、且つ前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記第２のスリット板で遮光されると共に前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過し且つ前記光ファイバーを介して前記分光器に導かれることを特徴とする。
【００１１】
また、本願の請求項２のスペクトル時間分解測定方法は、測定用の光源からパルス光を観察対象試料に対して発光させて、前記パルス光により前記観測対象試料に光学的性質を含んだ光を生じさせ、この観察対象試料からの光のビーム径が細くなるように集光して音響光学素子に入射させると共に、前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気信号を所定時間印加して、この正弦波電気信号が印加されている間だけ所定の周波数の超音波を発生させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記観察対象試料から入射させられる光のビームを前記音響光学素子から所定の偏向角の回折光として出射させ、前記回折光をスリット板のスリットにより分離して、分離した前記回折光だけを分光器に入射させることにより、前記正弦波電気信号が印加されている時間の間だけ前記観察対象試料の所望の波長毎の光強度を測定するスペクトル時間分解測定方法であって、前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記スリット板で遮光させられると共に、前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過して前記分光器に導かれることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るスペクトル時間分解測定器について図面を参照にしつつ説明する。
【００１３】
図１は本発明の実施の形態に係るスペクトル時間分解測定器の構成を示す。このスペクトル時間分解測定器１０は、分光器１１に入射部１２と受光器１３とが設けられている。スペクトル時間分解測定器１０は、回折光分離装置１４を備えている。
【００１４】
回折光分離装置１４は、パルス光を発光する光源１５からの光を試料（観察対象試料）１６を通して導入する図示しないケースを備えており、迷光が内部に入らないようになっている。光源１５の発光特性を測定する場合は、試料１６を取り外す。
【００１５】
回折光分離装置１４のケース内には、光源１５および試料１６からの光Ｌｍｆを通過させる第1のスリット１７Ａが設けられた第１のスリット板１７と、第１のスリット板１７の第1のスリット１７Ａを通過する試料１６の光学的性質を含んだ光Ｌｍｆを集光する第１の集光レンズ１８と、ガラスからなる媒質１９Ａを備えた音響光学素子１９と、第２の集光レンズ２１と、回折光を通す第２のスリット２２が設けられ且つ透過光を遮断する第２のスリット板２２と、光ファイバー２３と、制御装置２４とを備えている。
【００１６】
光源１５には、例えば、試験用光源としてＮａ・Ｋホローカソードランプが用いられる。
【００１７】
第１の集光レンズ１８及び第２の集光レンズ２１には焦点距離１００ｍｍの光学レンズが用いられる。第１のスリット板１７にはスリット幅１ｍｍの第1のスリット１７Ａが形成され、第２のスリット板２２にはスリット幅３ｍｍの第2のスリット２２Ａが形成されている。
【００１８】
光源１５が発射した光Ｌｍｆは、試料１６を通過した後、第１のスリット板１７の第1のスリット１７Ａを通って第１の集光レンズ１８に入射する。また、第１の集光レンズ１８は、光源１５および試料１６の光学的性質を含んだ光Ｌｍｆを集光する。集光レンズ１８により集光された光Ｌｍｆは、音響光学素子１９の媒質１９Ａ内にビームウェストが位置するように入射する。
【００１９】
音響光学素子１９は、図２に示すように、超音波振動子２０に媒質１９Ａを固着したものであり、超音波振動子２０に所定周波数の正弦波電気信号を入力すると、超音波振動子２０の振動により媒質１９Ａに超音波が発生し、媒質１９Ａに入射した光が回折する。回折光は透過光であるＯ次光から偏向角θの方向に進行する。
【００２０】
図２（Ａ）は音響光学素子１９の概略構成を示す。音響光学素子１９は、本来入射光をビーム状にして使用するために、レーザー光の偏向や変調に利用されるものであり、正弦波電気信号を超音波振動子２０にパルス状に印加して、超音波振動子２０を振動させる。この振動によって媒質１９Ａに超音波が発生するので、印加する正弦波電気信号のオン・オフ制御により、媒質１９Ａに入射した入射光の回折現象がオン・オフされることとなる。
【００２１】
図２（Ｂ）は超音波振動子２０へのオン・オフ信号と、超音波振動子２０に印加する正弦波電気信号とを示す。すなわち、バイポーラ論理回路ユニット２６は、制御装置２４のマイクロコンピュータ２５のインターフェースから、超音波振動子２０を駆動する正弦波電気信号の周波数と、超音波振動子２０の駆動開始時刻と停止時刻とを受けて、正弦波電気信号の電圧を超音波振動子２０に印加し、音響光学素子１９に回折現象を生じさせる。この回折光ＤＦＬだけを取り出すと、光をスイッチングできることとなる。
【００２２】
超音波振動により発生する回折光ＤＦＬと、超音波振動を発生させないときに透過する透過光ＴＬとの偏向角θは、回折光ＤＦＬの波長λと電気信号の周波数Ｆ（超音波周波数と同じ）で決まり、θ＝λ・Ｆ／Ｖ（Ｖは媒質中の音速）と表される。偏向角θは波長λによって異なる。従って、この実施の形態に示すように、第２の集光レンズ２１で回折光ＤＦＬを集光して光ファイバー２３に入力し、光ファイバー内での多重反射によって指向性を無くしてから分光器１１に入射することで、回折光ＤＦＬの偏向角の波長依存性を無くして広い波長範囲のスペクトル測定が可能となる。
【００２３】
また、音響光学素子１９において回折光ＤＦＬの強度がほぼ半分になる立ち上がり時間Ｔは、Ｔ＝０．６５Ｄ／Ｖ（Ｄはビームの径）で表される。従って、この実施の形態に示すように、第１の集光レンズ１８によりビームの径Ｄを細くすると、回折光ＤＦＬの立ち上がりが早くなり、より精密な時間分解計測ができる。
【００２４】
この実施の形態では、音響光学素子１９は、超音波中心周波数８０ＭＨｚの音響光学変調素子（ＡＯＭ）を用い、第１の集光レンズ１８によって集光された光が最も細くなる位置に配置する。音響光学素子１９（ＡＯＭ）のドライブ装置としては、一例として、超音波振動のオン・オフ制御を矩形波信号入力で制御するバイポーラ型論理回路（ＴＴＬ）ユニット２６を用いている。
【００２５】
バイポーラ型論理回路ユニット２６は、音響光学素子１９の超音波振動子２０を振動させるための所望する正弦波電気信号発生部を備え、マイクロコンピュータ２５からのＴＴＬ信号で前記正弦波電気信号の発生と停止を行い、超音波振動子２０の振動制御を行う。
【００２６】
制御装置２４は、マイクロコンピュータ２５のインターフェース出力に、バイポーラ論理回路ユニット２６と、モーター２８の駆動回路２７と、バイポーラ論理回路ユニット２６の駆動パルスを設定する設定ボタン３０と、モーター２８を回転させて第２スリット板２２の位置を変えるための設定ボタン３１とが接続されている。
【００２７】
モーター２８の出力軸にはスクリュー２８ａが取り付けられており、第２のスリット板２２のナット部２９がスクリュー２８ａに螺合している。このモーター２８の回転によりスクリュー２８ａを回転させると、スクリュー２８ａとナット部２９の作用により第２のスリット板２２がスクリュー２８ａの延びる方向（図１では上下方向）に移動するようになっている。
【００２８】
マイクロコンピュータ２５はＲＯＭとＲＡＭ及びインターフェース入出力端子を備えており、ＲＯＭに、バイポーラ論理回路ユニット２６と設定ボタン３０の制御用入出力プログラムと、設定ボタン３１とモーター２８の制御用入出力プログラムとが記録されている。
【００２９】
バイポーラ論理回路ユニット２６の制御用入出力プログラムは、設定ボタン３０にて所望の周波数の超音波が所望の時間だけ生じるように、正弦波電気信号の周波数と電気信号の印加開始時間と停止時間を設定し、バイポーラ論理回路ユニット２６から設定ボタン３０で設定した周波数の正弦波電気信号を設定した印加開始時間から停止時間の間だけ超音波振動子２０に出力する。勿論、設定ボタン３０によって入力事項に超音波の振幅を設定し、媒質１９Ａに発生する超音波の周波数と振幅とを設定できるようにしても良い。
【００３０】
バイポーラ論理回路ユニット２６を制御するために設定ボタン３０で設定する正弦波電気信号の印加開始時間と停止時間は、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始からの所定の遅延時間（測定開始時間）を印加開始時間とし、さらに測定持続時間を加えた時間を停止時間とし、マイクロコンピュータ２５から、印加開始パルス信号と停止パルス信号をバイポーラ論理回路ユニット２６に送信する。また、前記遅延時間を制御パルスの立ち上がりに、測定持続時間を制御パルス幅に設定して、バイポーラ論理回路ユニット２６に入力しても良い。
【００３１】
この、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始からの所定の遅延時間は、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始信号を制御装置２４に入力して時間の基準信号とする。あるいは、制御装置２４内のマイクロコンピュータ２５で時間基準信号を発生し、光源１５の点灯開始あるいは試料１６へのアクション開始の制御と、バイポーラ論理回路ユニット２６の制御との、両方の制御を行うことも可能である。
【００３２】
モーター２８の制御用入出力プログラムは、超音波の周波数Ｆにより変わる回折光ＤＦＬの偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置を変えることができるように、演算処理を行いモーター２８を回転させる。即ち、偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置をスクリュー２８ａの延びる方向（図１では上下方向すなわち回折光の偏光方向）に変えることができるように、モーター２８によりスクリュー２８ａを回転させて、この回転するスクリュー２８ａとナット部２９の作用により、第２のスリット板２２を図１ではスクリュー２８ａの延びる方向（図１の上下方向すなわち回折光ＤＦＬの回折方向）に移動させる。
換言すれば、このスリット板２２の移動方向は、後述するように超音波の周波数を変えて回折光ＤＦＬの偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを分光器１１に導くように取り出すことができるようにする方向である。即ち、スリット板２２の移動方向は、偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを第2のスリット２２ａ及び光ファイバ２３を介して分光器１１に導くように取り出すことができるようにする方向である。従って、スクリュー２８ａとナット部２９による第２のスリット板２２の移動方向は、図１ではスクリュー２８ａの延びる方向（図１の上下方向）に移動させる方向であるが、回折光ＤＦＬとの関係で明確にすると、実際には透過光の光軸に直交し且つ偏向角θの変化に応じて回折光ＤＦＬの第２のスリット板２２への到達位置が変化する方向であることは明白である。
ところで、超音波の周波数Ｆにより変わる回折光ＤＦＬの偏向角θに応じて第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａの位置を変えるための演算処理は、例えば次のようにできる。即ち、例えば、超音波光学素子１９からの透過光ＴＬが第２のスリット板２２に直角に当たる場合には、超音波光学素子１９から第２のスリット板２２までの距離をＬ、透過光ＴＬの到達点から第2のスリット２２Ａまでの距離をｄとし、第２の集光レンズ２１の回折光ＤＦＬが屈折する角を無視できるものとすると、ｄ／Ｌ＝ｔａｎθからスリット２２Ａの位置ｄを算出できる。
ここで、光Ｌｍｆの光軸をＯとし、透過光ＴＬの光軸をＯｔとし、回折光ＤＦＬの光軸をＯｄとし、透過光ＴＬの第2のスリット板２２への到達点をＰａとすると、上述した式のｄ／Ｌ＝ｔａｎθから明らかなように、偏向角θは透過光ＴＬの光軸Ｏｔと回折光ＤＦＬの光軸Ｏｄとの為す角度である。尚、スリット板２２の移動方向は、図１においては透過光ＴＬの光軸をＯｔと直交し且つ透過光ＴＬの第2のスリット板２２への到達点Ｐａから第２スリット板２２の第2のスリット２２Ａに向かう方向、即ち透過光の光軸Ｏｔに直交し且つ偏向角θの変化に応じて回折光ＤＦＬの第２のスリット板２２への到達位置が変化する方向である。
【００３３】
勿論、第２の集光レンズ２１にて回折光ＤＦＬが屈折する角度を考慮するならば、音響光学素子１９から第２の集光レンズ２１の距離Ｌ１と回折光ＤＦＬの偏向角θから第２の集光レンズ２１における回折光ＤＦＬの通過位置ｄ１を計算し、第２の集光レンズ２１から第２のスリット板２１の距離Ｌ２と第２の集光レンズ２１における回折光ＤＦＬの屈折する角度及び偏向角θから第２のスリット板２２のスリット２２Ａの位置（ｄｘ＋ｄ１）を求めることもできる。
【００３４】
図１のスペクトル時間分解測定器１は、回折光分離装置１４の第２スリット板２２のスリット２２Ａからの回折光ＤＦＬを光ファイバー２３により受光部１２に導き、分光器１１で分光した後に、受光器１３で受光する。実施例では、分光器１１の焦点距離は１００ｍｍであり、受光器１３にはＣＣＤアレイが用いられている。
【００３５】
上述のように、本発明の実施の形態に係る回折光分離装置１４では、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板１７と、この第１のスリット板１７を通過した光を集光する第１の集光レンズ１８（第１の集光光学系）と、第１の集光レンズ１８にて集光された光を受光し、超音波を発生させたときに受光した光を回折させる音響光学素子１９とを備えたこと特徴とする。
【００３６】
これによって、回折光分離装置１４を分光器１１の入射部１２に接続された光ファイバー２３の前に配置し、分光器１１によって光のスペクトル時間分解測定する場合に、第１の集光レンズ１８により観察対象となる光を細く絞って音響光学素子１９に入射するので、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離できると共に、回折光ＤＦＬの立ち上がり時間（時間応答性）を短くできるので、音響光学素子１９による時間制御性が良好となり、時間分解能が良くなって精度が向上する。
【００３７】
また、音響光学素子１９から出力される回折光ＤＦＬは、音響光学素子１９への入射光と異なった方向に射出されるため、必要時間以外の光が物理的に受光器に入らない。即ち、回折光ＤＦＬのオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。このため、迷光の無いより精度の高い安定したスペクトルの観察を行うことができる。
【００３８】
更に、分光器１１に入射する前の回折光ＤＦＬをオン・オフするので、波長分解能と強度測定精度の低下を回避できる。従って、イメージインテンシファイヤーといった真空管を用いず全固体素子で構成されるため、長寿命であり、構造が簡単であるために、容易に製作できる。
【００３９】
また、音響光学素子１９からの回折光ＤＦＬ及び透過光ＴＬを集光する第２の集光レンズ２１（第２の集光光学系）と、この第２の集光レンズ２１からの回折光ＤＦＬを透過させ、透過光ＴＬを遮光する第２のスリット板２２とを備えたことにより、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離すると共に迷光を遮断でき、回折光ＤＦＬを第２の集光レンズで集光して取り出すことができる。
【００４０】
更に、第２のスリット板２２からの回折光ＤＦＬを分光器１１の受光部１２に導く光ファイバー２３を備えたことにより、分光器１１若しくは回折光分離装置１４との位置移動が自由になり、計測がし易くなる。
【００４１】
また、音響光学素子１９に正弦波電気信号をパルス的に印加する制御装置２４を備え、この制御装置２４は、試料１６の観察対象波長に応じて超音波振動子２０の駆動用正弦波電気信号の周波数を変更する調節機能を有し、第２のスリット板２２が、回折光ＤＦＬを通すスリットの位置を調整するスリット位置調整機構としてモーター２８及びスクリュー２８ａ並びにナット部２９を有する。
【００４２】
これにより、超音波の周波数を変えて回折光ＤＦＬの偏向角θが変わっても当該回折光ＤＦＬを分光器１１に導くように取り出すことができる。
【００４３】
また、スペクトル時間分解測定器１０が、回折光分離装置１４と、回折光ＤＦＬが入射される分光器１１とを備えたことによって、上述の効果を得ることができるのみならず、第２のスリット板２２に複数個のスリットを設け、各スリットに光ファイバー２３を設けて分光器１１を１以上設置し、異なる波長の光を同時に計測することも可能となると共に、分光器１１に出射する回折光ＤＦＬをオン・オフすることから、波長分解能と強度測定精度の低下を回避でき、回折光ＤＦＬのオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。
【００４４】
また、光ファイバー２３で回折光ＤＦＬを分光器１１に導くことによって、分光器１１或いは回折光分離装置を移動させることができ、自由度・汎用性が高まる。これにより、従来のＩＣＣＤに比べて大幅にコストダウンできると共に、従来のＩＣＣＤに比べて全固体素子で構成できまた小型化できる。
【００４５】
更に、このスペクトル時間分解測定方法では、観測対象である光源１５あるいは試料１６の光学的性質を含んだ光をビーム径が細くなるように第１の集光レンズ１８で集光して媒質１９Ａに入射させ、超音波振動子２０に目的とする駆動周波数の正弦波電気信号を所定時間断続的に加えることにより、媒質１９Ａに所定の周波数の超音波を発生させて、媒質１９Ａ内に進入した観察対象光を所定の偏向角で回折させることによって、回折光ＤＦＬと透過光ＴＬとを分離し、回折光ＤＦＬを第２の集光レンズ２１にて集光した後に、分光器１１の入射部１２に入射させて、観察対象試料（試料１６）の所望の波長毎の光強度を測定するので、安定した精度の高い分光計測を行うことができる。
【００４６】
ここで、条件式 Ｖ・θ＝λ・Ｆ （ここで、Ｖは媒質中の音速、θは偏向角（ラジアン）、λは回折光ＤＦＬの波長、Ｆは超音波周波数）に基づいて、媒質１９Ａに超音波を発生させる超音波振動子に印加する正弦波電気信号の発振周波数、観察対象となる回折光ＤＦＬの波長、偏向角の少なくともいずれかを選択的に設定すれば、分光計測の自由度が顕著に増大する。
（実施例）
図３には、音響光学素子１９をドライブするバイポーラ論理回路ユニット２６への電気入力波形（矩形波）と第２のスリット２２を通過する回折光ＤＦＬの信号波形による光のスイッチング特性が示される。光源１５には連続発光のＮａ・Ｋホローカソードランプを使用し、（試料１６を外し）、回折光ＤＦＬの測定には光電子増倍管を使用している。変調信号と回折光信号の時間ズレは測定器の回路特性によるものであり、また、図中の回折光ＤＦＬの信号は、回折光強度が強いほど下に振る。
【００４７】
図３に示すように、回折光ＤＦＬは電気信号と同期してスイッチングされる。観測した回折光ＤＦＬの立ち上がり時間は、１０％〜９０％の領域で１１ｎｓである。
【００４８】
図４は、この回折光ＤＦＬを光ファイバー２３を介して分光器１１に入射し、受光器１３のＣＣＤアレイで分光測定した結果を示す。分光波長範囲は、Ｎａスペクトル線（５８９ｎｍ）とＫスペクトル線（７６６ｎｍ）を同時に含む５５０ｎｍから８００ｎｍである。
【００４９】
音響光学素子１９をバイポーラ論理回路ユニット２６の入力電気信号でオン・オフすることにより、対象となる波長範囲の光を通過（オン）遮断（オフ）してスペクトル強度を測定することが可能である。図５に示すように、オフの場合には迷光（透過光）の進入を完全に防止できている。
【００５０】
図６は、パルス幅１０ｎｓｅｃのＹＡＧレーザー光を水に集光照射してプラズマを発生させ、そのプラズマからの発光スペクトルを図１に示すスペクトル時間分解測定器１で測定した事例を示す。
【００５１】
図６において、ＤＴはレーザー照射からの遅延時間である。ＤＴ＝０．０μｓｅｃはパルス光源の発光に対して遅延のないときのスペクトル、ＤＴ＝０．１μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．１μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．２μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．２μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．２μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．２μｓｅｃの遅延したときのスペクトル、ＤＴ＝０．４μｓｅｃはパルス光源の発光に対して０．４μｓｅｃの遅延したときのスペクトルである。
【００５２】
スペクトル測定の開放時間であるゲート幅（パルス幅）は３０μｓｅｃである。遅延時間を長くすると、スペクトル強度は弱くなり、時間の経過と共に発光が減衰すると共にスペクトル分布が変化してゆく様子が明瞭に観測できる。
【００５３】
なお、図１の光ファイバー２３を取り除き、音響光学素子１９の周波数により回折光ＤＦＬが偏向する機能を用いて音響光学素子１９を分光器として用い、音響光学素子１９に加える正弦波電気信号の周波数の制御により、所定位置に所定波長の回折光ＤＦＬを導き、第２のスリット板２２の位置移動すること、若しくは、第２のスリット板２２に複数個のスリットを開口することによって、所定の波長の回折光ＤＦＬを分光器１１の入射部１２に直接導くようにすると、高分解能の分光器を得ることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本願の請求項１の回折光分離装置によれば、観察対象試料の光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板と、この第１のスリット板を通過した光を集光する第１の集光光学系と、第１の集光光学系にて集光された光を受光し、超音波を発生させたときに受光した光を回折させる音響光学素子とを備えるので、分光器によって光のスペクトル時間分解測定する場合に、第１の集光光学系により観察対象となる光を細く絞って音響光学素子に入射すると、回折光と透過光とを分離できると共に、回折光の立ち上がり時間（時間応答性）を短くできる。このため、音響光学素子の時間制御性が良好となり、時間分解能が良くなって精度が向上する。
【００５５】
しかも、超音波を発生させるパルス信号を印可する時間幅を調整すれば、観察対象となる光の回折光の観測時間を調整でき、より精度の高い安定したスペクトルの観察を行うことができる。
【００５６】
更に、音響光学素子から出力される回折光は、音響光学素子への入射光と異なった方向に射出されるため、必要時間以外の光が物理的に受光器に入らない。即ち、回折光のオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。このため、音響光学素子を開閉機構として利用できる。
【００５７】
また、分光器に入射する前の回折光をオン・オフするので、波長分解能と強度測定精度の低下を回避できる。従って、イメージインテンシファイヤーといった真空管を用いず全固体素子で構成されるため、長寿命であり、構造が簡単であるために、容易に製作できる。
【００５８】
また、音響光学素子からの回折光及び透過光を集光する第２の集光光学系と、この第２の集光光学系からの回折光を透過させ、透過光を遮光する第２のスリット板とを備えたことにより、回折光と透過光とを分離すると共に迷光を遮断でき、回折光を第２の集光レンズで集光して取り出すことができる。
【００５９】
しかも、第２のスリット板からの回折光を分光器の受光部に導く光ファイバーを備えたことにより、分光器若しくは回折光分離装置との位置移動が自由になり、計測がし易くなる。
【００６０】
また、音響光学素子に正弦波電気信号を所定時間断続的に印加する制御装置を備え、この制御装置は、観察対象試料の観察対象波長に応じて正弦波信号の周波数の変更調節機能を有し、第２のスリット板が、回折光を通すスリットの位置を調整するスリット位置調整機構を有することにより、超音波の周波数を変えて回折光の偏向角が変わっても当該回折光を分光器に導くように取り出すことができる。
【００６１】
ここで、第２のスリット板に複数個のスリット穴を設け、各スリット穴に光ファイバーを設けて分光器を１以上設置し、異なる波長の光を同時に計測することも可能となると共に、分光器に出射する回折光をオン・オフすることから、波長分解能と強度測定精度の低下を回避でき、回折光のオン・オフは光の遮断ではなく光の光軸方向を変更することから、不要な光が分光器に入射されない。また、光ファイバーで回折光を分光器に導くことによって、分光器或いは回折光分離装置を移動させることができ、自由度・汎用性が高まる。これにより、従来のＩＣＣＤに比べて１０分の１以下にコストダウンできると共に、従来のＩＣＣＤに比べて３分の１以下に小型化できる。
【００６２】
本願の請求項２のスペクトル時間分解測定方法によれば、観測対象試料の光学的性質を含んだ光をビーム径が細くなるようにで集光して媒質に入射させ、超音波振動子に所定周波数の正弦波電気信号を所定時間加え、媒質に所定の周波数の超音波を発生させて、媒質内に進入した観察対象光を所定の偏向角で回折させることによって、回折光と透過光とを分離し、回折光を集光した後に、分光器に所定時間だけ入射させて、正弦波電気信号が印加されている時間だけの観察対象試料の所望の波長毎の光強度を測定するので、安定した精度の高い分光計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の実施の形態に係る回折光分離装置及びスペクトル時間分解測定器の構成を示す模式図。
【図２】（Ａ）は本願の回折光分離装置に用いる音響光学素子の模式図、（Ｂ）は超音波振動子のオン・オフ信号と印加する正弦波信号とを示す波形図。
【図３】音響光学素子の変調信号の透過光強度と回折光波形の変調信号電圧が時間の経過と共に変化する状態を示すグラフ。
【図４】音響光学素子の超音波振動子にパルス信号を印加したときの回折光のスペクトル強度を示すグラフ。
【図５】音響光学素子の超音波振動子にパルス信号を印加しないときの回折光のスペクトル強度を示すグラフ。
【図６】パルス光源のスペクトルの時間分解測定例を示すグラフであり、ＤＴは遅延時間を示す。
【図７】従来のインテンシファイヤー付きのＣＣＤを備えた分光器の模式図。
【符号の説明】
１０ スペクトル時間分解測定器
１１ 分光器
１２ 分光器の受光部
１３ 分光器の受光器
１４ 回折光分離装置
１５ 光源
１６ 試料
１７ 第１のスリット板
１８ 第１の集光レンズ
１９ 音響光学素子
２１ 第２の集光レンズ
２２ 第２のスリット板
２３ 光ファイバ
２４ 制御装置
Claims (2)
- 測定用のパルス光を観察対象試料に対して発光させる光源と、
前記パルス光によって前記観察対象試料から生じる光学的性質を含んだ光を通過する第１のスリット板と、
この第１のスリット板を通過した光を集光する第１の集光光学系と、
前記第１の集光光学系にてビーム径が細くなるように集光された光を受光し、且つ超音波によるオン・オフ信号が入力されて超音波振動させられたときに、前記受光した光を回折させて回折光とし、且つ前記超音波振動が停止されているときに前記受光した光を透過光とする音響光学素子と、
前記音響光学素子からの回折光及び透過光を集光する第２の集光光学系と、
この第２の集光光学系からの前記回折光を透過させるスリットが設けられていると共に前記透過光を遮光する第２のスリット板と、
前記第２のスリット板を前記回折光の回折方向に移動させて前記回折光を通す前記スリットの位置を調整するスリット位置調整機構と、
前記第２のスリット板からの回折光を分光器に導く光ファイバーと、
前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気的信号を印加して超音波を発生する制御装置と、を備え、
この制御装置は、前記観察対象試料の観察対象波長に応じて前記超音波の周波数を変更する調節機能を有し、且つ前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記第２のスリット板で遮光されると共に前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過し且つ前記光ファイバーを介して前記分光器に導かれることを特徴とする回折光分離装置。 - 測定用の光源からパルス光を観察対象試料に対して発光させて、
前記パルス光により前記観測対象試料に光学的性質を含んだ光を生じさせ、
この観察対象試料からの光のビーム径が細くなるように集光して音響光学素子に入射させると共に、
前記音響光学素子に所定周波数の正弦波電気信号を所定時間印加して、
この正弦波電気信号が印加されている間だけ所定の周波数の超音波を発生させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記観察対象試料から入射させられる光のビームを前記音響光学素子から所定の偏向角の回折光として出射させ、
前記回折光をスリット板のスリットにより分離して、分離した前記回折光だけを分光器に入射させることにより、前記正弦波電気信号が印加されている時間の間だけ前記観察対象試料の所望の波長毎の光強度を測定するスペクトル時間分解測定方法であって、
前記パルス光の個々の点灯開始から遅延させて前記音響光学素子を超音波振動させることにより、前記音響光学素子が超音波振動を開始するまで前記音響光学素子に受光された光が前記透過光として前記音響光学素子から出射されて前記スリット板で遮光させられると共に、前記音響光学素子が超音波振動を開始したとき前記受光した光が前記音響光学素子により前記回折光にされて前記音響光学素子から出射された後に前記スリットを透過して前記分光器に導かれることを特徴とするスペクトル時間分解測定方法。
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