JPH0315744A - 光波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、試料にレーザ光を照射して、試料から出る被
測定光の光波形を測定する光波形測定装置に関するもの
である。

〔従来の技術３ 試料にレーザ光を照射して、試料から出る被測定光の光
波形を測定する光波形測定装置の一例として、例えば、
時間相関単一光子計数法を用いて螢光寿命を測定するこ
との出来る装置が知られている。

この時間相関単一光子計数法を簡単に説明する。

試料に持続時間の十分に短い光パルスを照射し、この照
射によって試料から放出される螢光の光子を検出し、光
パルスを照射してから螢光の光子を検出するまでの時間
を計測する。なお、１回の光パルス照射に対して高々１
個の光子が検出される程度に調整されている。そして、
この時間計測を多数回繰り返し（精度の高い結果を得る
には百万回程度繰り返し）、得られた多数のデータをヒ
ストグラムに表すことにより試料の螢光寿命特性（光波
形）を得る。

このように時間相関単一光子計数法を行なうためには、
光パルスを試料に照射してから螢光の光子を検出するま
での時間を正確に検出する必要があり、そのために時間
計測の開始の基準となる計測開始信号を光パルス照射毎
に得る必要がある。

このことは、時間相関単一光子計数法を用いる場合に限
らず、一般に、試料にレーザ光を照射し、試料から出て
来る光の光波形を測定する場合に共通して言えることで
ある。

この計測開始信号を得るために、従来は、次のような方
法を用いていた。すなわち、光パルスを半透明鏡などで
分岐し、一方の光を試料の励起光として用いると共に、
他方の光を光検出器などで検出し、この検出出力を計測
開始信号としていた。

また、他の方法として、光パルス光源を駆動する電気パ
ルスを計測開始信号として直接用いていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、半透明鏡を用いる前者の方法によれば、半透明
鏡で分岐された光を光検出器の光軸にあわせて集光する
という光学的セットアップを必要とするためその構成が
繁雑となり、大型化すると共に高価なものとなってしま
う。さらに、この方法では、試料と光源との間に半透明
鏡を介在させるので試料に照射する光パルスの強度が低
下してしまう。

一方、光パルス光源を駆動する電気パルスを計測開始信
号として直接用いる後者の方法によれば、駆動回路やパ
ルス光源部の温度変化などによるドリフトがあるために
、光パルスの実際の照射時刻と計測開始信号との間の時
間が一定に保つことができない。そのために、高い時間
分解能での測定には対応できなかった。

本発明の課題は、このような問題点を解決することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明の光波形測定装置は
、光パルス光源として半導体レーザを用い、その半導体
レーザから試料に照射される主レーザ光と反対の方向に
放射されるモニタ用レーザ光を検出する光検出器と、こ
の光検出器出力に基づいて試料から出る被測定光の光波
形を測定する測定手段とを備えたものである。

〔作用〕

このような構成とすることによって、半導体レーザから
主レーザ光と同一タイミングで出力されるモニタ用レー
ザ光を検出し、この検出出力に基づいて光波形の測定が
行なわれる。

〔実施例〕 第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図である。

半導体レーザ（レーザダイオード）１は、パルス電源２
から立ち上がりの早い電流パルスによって励起され、ｉ
ｎｓ以下の十分に短い光パルスを出力する。そして、こ
の半導体レーザ１の主ビーム方向には試料３が置かれて
おり、半導体レーザ１で励起された光バルス９が試料３
に照射される。一方、半導体レーザ１の主ビーム方向と
反対の方向にはモニタ用の光バルス１０を検出するため
の第１の光検出器４が設けられている。この光検出器４
は例えばホトダイオードなどで構成されており、半導体
レーザ１のパッケージ内に内蔵されている。

第２図は、ホトダイオード４が半導体レーザ１のパッケ
ージ内に設けられている構或例を示す断面図である。ス
テム２０の中央部の突出部２１の先端に半導体レーザ１
が配置され、その基部に第１の光検出器４であるホトダ
イオードが配置されている。ステム２０には半導体レー
ザ１および光検出器４を覆うようにキャップ２２が被せ
られており、半導体レーザ４の主ビーム９はキャップ２
２の中央に設けられたガラス窓２３を介して放出される
。そして、主ビームと反対方向に放出されるモニタ用の
光パルス１０は、光検出器４に入射するようにたってい
る。なお、半導体レーザ１はプラスのリード線２４およ
びマイナスのリード線２５を介して電流パルスが与えら
れ、光検出器４の検出出力はプラスのリード線２４およ
びマイナスのリード線２６を介して得られる。

このように設置された第１の光検出器４の検出出力は、
第１図に示したように、計測開始信号として、時間電圧
変換器（　ｔｉｍｅ−ｔｏ−ａｍｐｌｉｔｕｄｅｃｏｎ
ｖｅｒｔｅｒ　；　Ｔ　Ａ　Ｃ　）　５のスタート端子
に入力される。

一方、半導体レーザ１から放射された主ビーム方向の光
バルス９が試料３に照射されると、この試料３から螢光
の光子１１が出力される。第２の光検出器６はこの螢光
の光子１１を検出する手段であり、例えば光電子増倍管
などからなる。この光検出器６の検出出力はＴＡＣ５の
ストップ端子に入力される。なお、ここでは、試料３が
数十回の光パルスの照射を受けて初めて光子１１が１個
検出されるような条件に設定されている。

ＴＡＣ５は、スタート端子に入力された信号とストップ
端子に入力された信号との間の時間差に比例する高さを
持つ電圧パルスを出力する装置である。したがって、そ
の出力は、実際には、レーザ光及び検出出力の伝播時間
分の遅れがあるものの、半導体レーザ１の光パルス照射
から試料３の螢光光子放出までの時間に対応する高さを
持つ電圧パルスとなる。なお、前述したように、数十回
の照射に対して光子１１が１個検出されるような条件に
なっているので、ＴＡＣ５から電圧パルスが出力される
のは、数十回の計測開始信号を入力した中の１回だけで
ある。

ＴＡＣ５の出力端子は波高分析器（Ｉｌｕｌｓｅｈｅｉ
ｇｈｔ　ａｎａｌｌｚｅｒ；　Ｐ　Ｈ　Ａ　）　７の入
力端子に接続されている。このＰＨＡ７は、入力される
電圧パルスの高さをデジタル化して記憶し、パルスの高
さ別にその個数を計数する装置であり、ＴＡＣ５と共に
螢光寿命特性算出手段８を構成している。第３図は、Ｔ
ＡＣ５から多数の電圧パルスをＰＨＡ７に与えたときの
ＰＨＡ７での計数結果の一例を図示したものであり、横
軸を電圧パルスの高さに対応した時間、縦軸をその電圧
パルスの個数としている。この図において、縦軸はその
時刻に光子１１が検出される確率を示しており、その値
はその時刻の螢光強度に比例することとなる。したがっ
て、この図は、そのまま螢光強度の時間変化すなわち螢
光寿命特性を表すことになる。実際には、百万から数千
万回の光パルス照射を行い、１００万個程度の光子を検
出し終えるまで測定を続ける。

本実施例では、半導体レーザ１と第１の先検出器４とを
同一パッケージ内に収納しているが、第４図に示すよう
に、ステム２０側にもガラス窓４０を設け、光ファイバ
の一端をこのガラス窓４０に当接し、他端を外部に設け
た光検出器４に接続して、モニタ用の光パルス１０を光
ファイバで導いても良い。この場合も、主レーザ光９は
試料３を照射するためだけに用いられることになる。

また、光ファイバを用いずに、ガラス窓４０からのモニ
タ用の光パルス１０を単に空間的に伝搬して光検出器４
まで導いてもよいし、ガラス窓４０に光検出器４を直接
取り付けてもよい。

第５図は、上述した実施例と異なる本発明の一実施例の
ブロック図である。なお、上述した実施例と同一の部分
には、同一の符号を付してその説明を省略する。

この実施例においては、ＴＡＣ５、ＰＨＡ７及び光検出
器６の代わりにストリークカメラ５０を用いている。こ
のストリークカメラの構造及び動作について、第６図を
参照して簡単に説明しておく。第６図に示したように、
ストリークカメラ５０は、ストリーク管５２とストリー
ク管によって得られるストリーク像を撮像するカメラ５
３とから構成されている。試料３から放射され、ストリ
ークカメラによって測定される被測定光５１は、スリッ
ト（図示せず）、レンズ（図示せず）等の入力光学系を
通って、ストリーク管５２の光電面５５に達する。光は
光電面５５で電子に変換され、変換された電子は、加速
電極５６によって加速され、偏向板５７の間を通過して
マイクロチャネルプレート（ＩＩｉｃｒｏ　ｃｈａｎｎ
ｅｌ　ｐｌａｔｅ　；　Ｍ　Ｃ　Ｐ　）　５　８に導か
れる。電子は、偏向板５７の間を通過するときに、偏向
板５７相互間に印加される掃引電圧によって掃引され、
ＭＣＰ５８に到達する。ＭＣＰ５８に達した電子は、こ
こで増倍され螢光面６０を発光させ、ストリーク像を形
成する。このストリーク像を螢光面６０の後方に配置し
たカメラ５３によって撮像できるようになっている。と
ころで、掃引電圧を偏向板５７に印加するタイミングは
、電子が偏向板５７の間を通過するのに合わせる必要が
ある。この為、ストリークカメラ５０には、第１の光検
出器４の検出出力が掃引動作開始のためのトリガ信号と
して入力されており、この入力に対応して掃引電圧発生
器６２が掃引電圧を発生し、これを偏向板５７に印加す
るようになっている。

そして、半導体レーザ１から放射された主ビーム方向の
光バルス９が試料３に照射されると、試料３から被測定
光５１が放射される。この被測定光５１はストリークカ
メラ５０に入射し、ストリークカメラ５０によって、試
料３から放射される被測定光５１の光強度の時間的変化
（光波形）がストリーク像として測定されるようになっ
ている。

この測定を繰り返して行ない、得られたストリーク像を
画像処理装置（図示せず）などにより積算して、信号対
雑音比（Ｓ／Ｎ比）の良いストリーク像すなわち被測定
光の光波形を得ることができるようになっている。

なお、第５図及び第６図に示したストリークヵメラ５０
の代わりに、サンプリング型光波形観測手段を用いるこ
ともできる。

このサンプリング型光波形観測手段の構造例及びその動
作について、第７図を参照して簡単に説明する。第７図
に示したサンプリング型光波形観測手段は、主としてサ
ンプリング型ストリーク管６５と、これによって被測定
光５１の一部を抽出して得られる被測定光の光波形に関
する情報を処理する情報処理部６６とから構成されてい
る。試料から放射され、サンプリング型光波形観測手段
によって観測される被ｙＩＦｌ定光５１は、レンズ６７
によってサンプリング型ストリーク管６５の光電面６８
に集光される。この入射光は光電面６８でその光強度に
応じた電子に変換され、変換された電子は、加速電極７
０によって加速され、偏向板７１の間を通過してスリッ
ト板７２に導かれる。

電子は、偏向板７１の間を通過するときに、偏向板７１
相互間に印加される掃引電圧によって掃引され、スリッ
ト板７２に到達する。スリット板７２には、掃引方向に
直角な微小スリットが形威されているため、スリット板
７２に達した電子の一部のみがこのスリットを通過し、
その後方の螢光面７３に達する。螢光面７３は、電子の
衝突によって発光する。この発光強度は光電子増倍管７
５によって捕えられ、アンプ７６によって増幅され、電
気信号として出力される。このようにして、被測定光５
１の光強度をサンプリングして得られた信号は、情報処
理部６６に記憶されるようになっている。

このようなサンプリング操作を、被測定先の入射タイミ
ングに対して、掃引のタイミングを僅かずつ順次ずらし
て繰り返し行ない、得られた情報から第８図に示した如
くに光波形を得ることが出来るようになっている。

なお、第１の光検出器４の検出出力がサンプリング型ス
トリーク管６５に入力されるようになっており、偏向板
７１への掃引電圧の印加は第１の光検出器４の検出出力
がサンプリング型ストリーク管６５に入力された時点か
ら順次タイミングをずらして行なわれるようになってい
る。

上述した実施例においては、半導体レーザ１から放射さ
れる主レーザ光９をそのまま試料３に照射することとし
ているが、半導体レーザｌと試料３との間に光波長変換
手段（図示せず）を配し、これによって半導体レーザ１
が放射するレーザ光と異なる波長（例えば、半導体レー
ザ１が放射するレーザ光の２分の１の波長）のレーザ光
を試料３に照射することとしても良い。かかる光波長変
換手段は、非線形光学効果現象を呈するニオブ酸リチウ
ムＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ　ａ等の光学結晶材料から得られ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光波形測定装置によれば
、半導体レーザのモニタ用光ビームを検出し、この検出
出力に基づいて光波形の測定をすることとしているので
、正確に光パルスの照射時刻を取り出すことができ、し
かも、半導体レーザと試料との間に光分岐手段などセッ
トアップの繁雑な光学系を何等介在させる必要がないの
で、光波形の測定精度が良く、小型でしかも安価な装置
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
半導体レーザと第１の光検出器の取り付け関係を示す断
面図、第３図はＰＨＡの演算結果を示すグラフ、第４図
は半導体レーザと第１の光検出器の取り付け関係の他の
実施例を示す断面図、第５図は本発明の一実施例であっ
て、第１図に示した実施例と異なる実施例のブロック図
、第６図はストリークカメラの構造図、第７図はサンプ
リング型光波形観測手段の構造図、第８図はサンプリン
グ型光波形観測手段を用いて得られた光波形を示したグ
ラフである。 １・・・半導体レーザ、２・・・パルス電源、３・・・
試料、４・・・第１の光検出器、５・・・時間電圧変換
器（・ＴＡＣ）、６・・・第２の光検出器、７・・・波
高分析器（ＰＨＡ）　、８・・・螢光寿命特性算出手段
、１０・・・波長変換手段、５０・・・ストリークカメ
ラ、６５・・・サンプリング型ストリーク管。 ＃−’４イ本しーダ′ヒ六一召動ｈぞ１の釣乙３【Ｎ　
２　肥

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光を試料に照射して、試料から出る被測定光
   を測定する光波形測定装置であって、前記試料に照射さ
   れるレーザ光を主レーザ光として放射する半導体レーザ
   と、前記半導体レーザから前記主レーザ光と反対の方向
   に放射されるモニタ用レーザ光を検出する第１の光検出
   器と、前記第１の光検出器の出力が入力され、この出力
   に基づいて前記被測定光の光波形を測定する測定手段と
   を備えたことを特徴とする光波形測定装置。 ２、前記半導体レーザのパッケージ内に前記第１の光検
   出器が収納されていることを特徴とする請求項１記載の
   光波形測定装置。 ３、前記半導体レーザがモニタ用レーザ光透過用の窓を
   有するパッケージ内に収納されており、前記窓を透過し
   てくるモニタ用レーザ光を第１の光検出器まで導くこと
   を特徴とする請求項１記載の光波形測定装置。 ４、前記窓と前記第１の光検出器との間を光ファイバで
   接続したことを特徴とする請求項３記載の光波形測定装
   置。 ５、前記窓に前記第１の光検出器を直接取り付けたこと
   を特徴とする請求項３記載の光波形測定装置。 ６、前記測定手段は、前記第１の光検出器の出力に基づ
   き掃引動作をするストリークカメラであることを特徴と
   する請求項１、２、３、４又は５記載の光波形測定装置
   。 ７、前記測定装置は、前記第１の光検出器の出力に基づ
   き動作するサンプリング型光波形観測手段であることを
   特徴とする請求項１、２、３、４又は５記載の光波形測
   定装置。 ８、前記測定手段は、前記試料からの被測定光の光子を
   検出する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力
   から前記第２の光検出器の出力までの時間を複数回計測
   し、時間相関単一光子計数法により試料からの光波形を
   算出する手段とを備えていることを特徴とする請求項１
   、２、３、４又は５記載の光波形測定装置。