JP7209182B2 - 励起光照射装置および励起光照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、励起光照射装置および励起光照射方法に関するものである。

近年、カラーセンタを利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）に基づく磁場計測方法が開発されている。

ＯＤＭＲでは、サブレベルの準位と光学遷移準位とをもつ媒質に高周波磁場（マイクロ波）と光をそれぞれサブレベル間の励起と光遷移間の励起のために照射することで、サブレベル間の磁気共鳴による占有数の変化などが光信号により高感度で検出される。通常、基底状態の電子が緑光で励起された後、基底状態に戻る際に赤光を発する。一方、例えば、ダイヤモンド構造中の窒素と格子欠陥（ＮＶＣ：Nitrogen Vacancy Center）中の電子は、２．８７ＧＨｚ程度の高周波磁場の照射により、光励起により初期化された後では、基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍｓ＝０）から、基底状態中のそれより高いエネルギー軌道のレベル（ｍｓ＝±１）に遷移する。その状態の電子が緑光で励起されると、無輻射で基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍｓ＝０）に戻るため発光量が減少し、この光検出より、高周波磁場により磁気共鳴が起こったかどうかを知ることができる。ＯＤＭＲでは、このような、ＮＶＣといった光検出磁気共鳴材料が使用される。

ＮＶＣを利用したある磁場計測方法は、ＮＶＣを有するダイヤモンド基板に、レーザ光を入射させ、レーザ光が照射されたＮＶＣの発する蛍光をダイヤモンド基板から出射させ、ダイヤモンド基板から出射してきた蛍光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）で検出している（例えば特許文献１参照）。

「High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond」，S. Steinert, F. Dolde, P. Neumann, A. Aird, B. Naydenov, G. Balasubramanian, F. Jelezko, and J. Wrachtrup著，Review of Scientific Instrument 81, 043705，２０１０年

しかしながら、上述の磁場計測方法の場合、ダイヤモンド基板の表面において、全反射条件（臨界角度（ここでは２５度）未満の入射角）が成立する場合、外部からダイヤモンド基板の表面に入射するレーザ光が、ダイヤモンド基板の表面で全反射し、ダイヤモンド基板内へ進行させることが困難であり、また、ダイヤモンド基板内部からダイヤモンド基板の表面に入射するレーザ光が、ダイヤモンド基板の表面で全反射し、ダイヤモンド基板外へ進行させることが困難である。

さらに、外部からダイヤモンド基板の表面を介してダイヤモンド基板内部に進行したレーザ光は、ダイヤモンド基板の内部において、全反射条件が成立せずにダイヤモンド基板の表面に入射するまで、ダイヤモンド基板の表面で反射を繰り返していく。そのため、ダイヤモンド基板内部への入射角や入射位置の誤差に起因して、ダイヤモンド基板内を進行するレーザ光の光路（ひいては光路長）が不規則になりやすい。

他方、ダイヤモンド基板の内部におけるレーザ光の光路が長くなるほど、レーザ光に照射されるＮＶＣが増えるため、上述の蛍光の強度が高くなる。しかしながら、上述のように、ダイヤモンド基板内を進行するレーザ光の光路が不規則である場合、ダイヤモンド基板へのレーザ光の入射角度の誤差に起因する上述の蛍光の強度変動が予測しにくくなり、磁場計測の測定精度（測定誤差）が均一にならず、正確な測定が困難になる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、基材内のカラーセンタの発する光に基づく測定を正確に行えるようにする励起光照射装置および励起光照射方法を得ることを目的とする。

本発明に係る励起光照射装置は、励起光で励起されるカラーセンタを含む基材を備える。その基材は、（ａ）互いに対向する２つの反射面と、互いに対抗する２つの端面とを備え、（ｂ）その２つの反射面で交互に反射させつつその２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、基材に入射した励起光を進行させる。そして、他方の端面は、励起光を反射させ、その２つの反射面のいずれか一方の反射面において全反射条件が成立しないようにして当該一方の反射面から出射させるように、当該一方の反射面の垂直方向に対して傾斜している。

本発明に係る励起光照射方法は、基材に含まれるカラーセンタに励起光を照射する励起光照射方法であって、基材における互いに対向する２つの反射面で交互に反射させつつ基材における互いに対向する２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、基材に入射した前記励起光を進行させる。その他方の端面で励起光を反射させ、上述の２つの反射面のいずれか一方の反射面の垂直方向に対する当該他方の端面の傾斜によって励起光を当該一方の反射面において全反射条件が成立しないようにして当該一方の反射面から出射させる。

本発明によれば、基材内のカラーセンタの発する光に基づく測定を正確に行えるようにする励起光照射装置および励起光照射方法が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係る励起光照射装置を示す側面図である。 図２は、図１における基材１の端面１４の傾斜角を説明する側面図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る励起光照射装置を示す側面図である。

図１に示す励起光照射装置は、１または複数のカラーセンタ１ａを含む基材１を備える。カラーセンタ１ａは、基材１の特定の位置または不定の位置に存在する。また、カラーセンタ１ａに所定波長の励起光が照射されると、カラーセンタ１ａが励起される（つまり、カラーセンタ１ａにおける電子のエネルギー準位が励起状態となる）。この実施の形態では、基材１は、ダイヤモンド基板であり、カラーセンタ１ａは、ＮＶＣである。なお、基材１の種類およびカラーセンタ１ａの種類は、これに限定されるものではない。

基材１は、少なくとも６面を有する結晶構造の物体であり、その結晶構造のいずれかの位置にカラーセンタ１ａを含む。具体的には、基材１は、（ａ）互いに対向する２つの反射面１１，１２と、互いに対抗する２つの端面１３，１４とを備え、（ｂ）２つの反射面１１，１２で反射させつつ２つの端面１３，１４のうちの一方の端面１３側から他方の端面１４側へ、基材１に入射した励起光を進行させる。そして、他方の端面１４は、励起光を反射させ、２つの反射面１１，１２のいずれか（図１では、反射面１２）から出射させるように傾斜している。

この実施の形態では、反射面１１，１２は、平面であり、互いに略平行であり、端面１３，１４は、平面であり、端面１３は、反射面１１，１２に対して略垂直である。また、例えば、端面１３，１４間の距離は、１０００～２０００マイクロメートル程度とされ、反射面１１，１２間の距離は、５００マイクロメートル程度とされる。

具体的には、基材１は、全反射条件が成立するように２つの反射面１１，１２で反射させつつ一方の端面１３側から他方の端面１４側へ、基材１に入射した励起光を進行させ、他方の端面１４は、励起光を反射させ、２つの反射面１１，１２のいずれかにおいて全反射条件が成立しないようにして２つの反射面１１，１２のいずれかから出射させるように傾斜している。

つまり、図１において、基材１内部における基材１の反射面１１，１２への励起光の入射角ａ１が臨界角度未満となるように、基材１外部から基材１内部へ励起光が入射される。なお、基材１がダイヤモンド基板であり、基材１の周囲（入射補助部２に接している箇所以外）が空気である場合、スネルの法則で求まる臨界角度は、約２５度となる。

図２は、図１における基材１の端面１４の傾斜角を説明する側面図である。

図２に示すように、端面１４が、反射面１１，１２の垂直方向に対して傾斜角ａ３で傾斜している場合、端面１４で全反射した励起光の反射面１２への入射角ａ２は、角度（ａ１－２×ａ３）となる。したがって、入射角ａ１が臨界角度ｍを超えるように設定され、かつ、角度（ａ１－２×ａ３）が臨界角度ｍ未満になるように、入射角ａ１および傾斜角ａ３が設定される。また、その際、端面１４への入射角（９０度－ａ１＋ａ３）が臨界角度ｍを超えるように、入射角ａ１および傾斜角ａ３が設定される。

つまり、傾斜角ａ３（ただし、ａ３＞０）は、次式を満たすように設定される。

ａ３＞（ａ１－ｍ）／２

このようにすることで、端面１４で全反射した励起光が、端面１３や入射補助部２に到達することなく、反射面１２から外部へ出射する。したがって、基材１内での励起光の反射回数が所定の回数に固定されるため、入射角ｂ１や入射位置の誤差に起因して、基材１内の励起光の光路（ひいては光路長）が不規則にならずに済む。

さらに、図１に示す励起光照射装置は、入射補助部２をさらに備える。入射補助部２は、基材１の２つの反射面１１，１２のいずれかから励起光を、基材１内部へ進行させるために設けられている。

具体的には、入射補助部２は、基材１の２つの反射面１１，１２の一方の反射面１１上に設けられ、一方の反射面１１から基材１内に励起光を入射させる。つまり、入射補助部２は、励起光が入射する入射面２１と、基材１の反射面１１に接合し励起光を出射させる出射面２２とを備える。入射面２１および出射面２２は平面である。

つまり、入射補助部２は、基材１の屈折率とは異なる屈折率を有する透明な材料（アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、四フッ化エチレン、エチレン酸ビコポリマー、フィノール樹脂、メラミン、不飽和ポリエステル、エポキシなどといった樹脂材料、ガラス、水晶など）で形成されており、図示せぬ光源で生成された励起光が入射角ｂ１で入射補助部２の入射面２１に入射して屈折することで、入射補助部２と基材１との界面についての全反射条件（つまり、入射補助部２と基材１との界面についての臨界角度を超える入射角ｂ２）が成立しないように、その界面に励起光を入射させて屈折させ、反射面１１の垂直方向に対して角度ａ１で傾斜させて基材１内部へ進行させる。

この実施の形態では、入射補助部２の入射面２１は、基材１の一方の端面１３に平行でかつ連続している。

なお、この実施の形態では、入射補助部２は、略６面体であるが、上述の入射面２１および出射面２２以外の面は、励起光が入射せず励起光の光路に影響しないため、特に平面でなくてもよい。

また、この実施の形態では、入射面２１の高さと出射面２２の幅（基材１の長手方向の幅）とが互いに同一であるが、互いに異なるようにしてもよい。

また、図１に示す励起光照射装置は、図示せぬ光源を含む光学系を備える。その光学系では、光源が、励起光を発し、その励起光が、上述の入射補助部２へ所定の入射角で入射する。なお、必要に応じて、光源から入射補助部２までの間に、光学素子（ミラー、レンズなど）が設けられる。光源としては、半導体レーザなどが使用される。その場合、励起光はレーザ光である。なお、レーザ光の代わりに、比較的ブロードな波長分布の光を励起光として使用してもよい。その場合、光源として、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）が使用される。なお、カラーセンタがＮＶＣである場合、光源から発せられる励起光の波長は５００～６３７ナノメートル程度とされる。また、この実施の形態では、光源の開口部の径（つまり、励起光の径）は、約１００マイクロメートルとされ、所定の入射範囲外に励起光が照射されないように設定されている。

さらに、図１に示す励起光照射装置が、ＯＤＭＲに基づく磁場測定装置に使用される場合、その磁場測定装置は、図１に示す励起光照射装置とともに、基材１内のカラーセンタにマイクロ波の磁場を印加するコイル、そのマイクロ波の電流をコイルに導通する高周波電源、およびカラーセンタにより生じ基材１から出射する光（蛍光）を受光しその光の強度に対応する電気信号を磁場測定結果として出力する受光装置を備える。

次に、上記励起光照射装置の動作について説明する。

図示せぬ制御装置が、図示せぬ光源に励起光を発生させ、励起光を、上述のように、入射補助部２の入射面２１に入射させる。

励起光は、入射補助部２の入射面２１で屈折し、入射補助部２と基材１との界面（つまり、出射面２２および反射面１１）を介して、基材１内部へ入射角ａ１で入射する。

基材１に入射した後、励起光は、基材１における互いに対向する２つの反射面１１，１２に臨界角度未満の入射角ａ１で入射することで反射面１１，１２で交互に反射しつつ、基材１における互いに対向する２つの端面１３，１４のうちの一方の端面１３側から他方の端面１４側へ進行していく。

そして、励起光は、基材１の端面１４に入射する。基材１の端面１４は、傾斜角ａ３で傾斜しており、端面１４で反射し、臨界角度未満の入射角ａ２で反射面１２に入射し、反射面１２から出射する。したがって、図１に示す場合では、励起光は、基材１内で反射面１１，１２で６回反射し、端面１４で反射した後、反射面１１，１２で反射せず透過して基材１外へ出射する。

このように、基材１内で励起光が進行することで、基材１内の励起光の光路上に存在するカラーセンタ１ａが励起光で励起され、カラーセンタ１ａは所定波長の蛍光を発する。

例えば、ＯＤＭＲに基づく磁場測定に当該励起光照射装置が使用される場合、カラーセンタ１ａが励起されることで、測定すべき磁場の強度に応じた蛍光が、カラーセンタ１ａで発生し、その蛍光のうち、基材１から出射した成分が、図示せぬ受光装置などで検出される。

以上のように、上記実施の形態に係る励起光照射装置は、励起光で励起されるカラーセンタ１ａを含む基材１を備える。その基材１は、（ａ）互いに対向する２つの反射面１１，１２と、互いに対抗する２つの端面１３，１４とを備え、（ｂ）その２つの反射面１１，１２で反射させつつその２つの端面１３，１４のうちの一方の端面側１３から他方の端面側１４へ、基材１に入射した励起光を進行させる。そして、他方の端面１４は、励起光を反射させ、その２つの反射面１１，１２のいずれかから出射させるように傾斜している。

これにより、基材１内の励起光の反射回数が特定の回数に固定され光路長が変動しにくいため、基材１内のカラーセンタ１ａの発する光に基づく測定が正確に行える。

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

例えば、上記実施の形態において、入射補助部２の設置箇所を除く反射面１１，１２および端面１３を、反射性を高める材料（つまり、空気に比べ全反射条件の臨界角度を小さくする材料）でコーティングするようにしてもよい。

本発明は、例えば、ＯＤＭＲに基づく磁場測定に使用する励起光照射装置または励起光照射方法に適用可能である。

１ 基材
１ａ カラーセンタ
２ 入射補助部
１１，１２ 反射面
１３，１４ 端面
２１ 入射面
２２ 出射面

Claims (6)

1. 励起光で励起されるカラーセンタを含む基材を備え、
   前記基材は、（ａ）互いに対向する２つの反射面と、互いに対抗する２つの端面とを備え、（ｂ）前記２つの反射面で交互に反射させつつ前記２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、前記基材に入射した前記励起光を進行させ、
   前記他方の端面は、前記励起光を反射させ、前記２つの反射面のいずれか一方の反射面において全反射条件が成立しないようにして当該一方の反射面から出射させるように、当該一方の反射面の垂直方向に対して傾斜していること、
   を特徴とする励起光照射装置。
2. 励起光で励起されるカラーセンタを含む基材と、
   入射補助部とを備え、
   前記基材は、（ａ）互いに対向する２つの反射面と、互いに対抗する２つの端面とを備え、（ｂ）前記２つの反射面で反射させつつ前記２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、前記基材に入射した前記励起光を進行させ、
   前記他方の端面は、前記励起光を反射させ、前記２つの反射面のいずれかから出射させるように、前記２つの反射面のうちの前記励起光の出射する反射面の垂直方向に対して傾斜しており、
   前記入射補助部は、前記２つの反射面の一方の反射面上に設けられ、前記一方の反射面から前記基材内に前記励起光を入射させること、
   を特徴とする励起光照射装置。
3. 前記入射補助部は、前記励起光が入射する入射面と、前記一方の反射面に接合し前記励起光を出射させる出射面とを備え、
   前記入射面は、前記基材の前記一方の端面に平行でかつ連続していること、
   を特徴とする請求項２記載の励起光照射装置。
4. 前記基材は、全反射条件が成立するように前記２つの反射面で反射させつつ前記２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、前記基材に入射した前記励起光を進行させることを特徴とする請求項１記載の励起光照射装置。
5. 前記基材は、ダイヤモンド基板であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の励起光照射装置。
6. 基材に含まれるカラーセンタに励起光を照射する励起光照射方法において、
   前記基材における互いに対向する２つの反射面で交互に反射させつつ前記基材における互いに対向する２つの端面のうちの一方の端面側から他方の端面側へ、前記基材に入射した前記励起光を進行させ、
   前記他方の端面で前記励起光を反射させ、前記２つの反射面のいずれか一方の反射面の垂直方向に対する前記他方の端面の傾斜によって前記励起光を当該一方の反射面において全反射条件が成立しないようにして当該一方の反射面から出射させること、
   を特徴とする励起光照射方法。

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