JPH03289540A

JPH03289540A - 光サンプリング法

Info

Publication number: JPH03289540A
Application number: JP9031190A
Authority: JP
Inventors: Masafumi Kiguchi; 雅史木口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-06
Filing date: 1990-04-06
Publication date: 1991-12-19

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〕本発明は高速の時間分解測光方法、或は時間分解分光法
に係り、特にその光サンプリングの方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の超短時間光については、櫛田孝司著、「量子光学
」第１４６頁から第１５１頁において論じられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記技術のうち、ストリークカメラによる方法に関して
は、ピコ秒或はそれ以下の時間分解能を得ることも可能
であるが、被測定光の強度が弱く、信号積算が必要な場
合、トリガ信号のジッタ等により、時間分解能が１０ピ
コ秒程度にしかならないという問題があった。光力−効
果を用いる方法でも、時間分解能は数ピコ秒程度であり
、液体セルを用いるので取扱が不便で、かつ強力なレー
ザが必要であった。更に２光子けい先注では、時間波形
の直接観測ができない上、測定可能な波長に制限があっ
た。エシェロンを用いる方法では、吸収は測定できるが
発光は測定できない。

本発明の目的は、ピコ秒、或はフェムト秒の時間分解能
を有しつつ、高感度で簡便な光の時間サンプリングの方
法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため、本発明は１時間ゲートとして
電気光学効果を用いたものである。以下。

その詳細について説明する。

まず、ピコ秒レーザやフェムト秒レーザより発生した短
パルス光を２つに分岐し、一方で試料を励起し発光せし
める。この発光を電気光学結晶に導き、検光子を通過せ
しめた後、光電子増倍管やフォトダイオードで電気信号
に変換する。この時検光子の向きは、透過光が最小とな
るように合わせておく、この時、レンズ系や電気光学結
晶により位相が変化する分を、バビネ・ソレイユ板など
を用いて補償する事が望ましい。

前記短パルス光のもう一方を、高速光伝導体に照射し高
速の電気パルスを得る。高速光伝導体としては、Ｃｒ　
：　ＧａＡｓやイオン照射したＳｉやＧａＡｓなどが知
られており、ピコ秒、或は数百フェムト秒の幅を有する
電気パルスを得る事ができる。これについては、アプラ
イド・フィジックス・レター、４８　（１９８６）第７
５１頁から７５３頁（Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、
　４８　（１９８６）　　ｐ　ｐ７５１−７５３）或は
、応用物理学会１９８９年秋予稿集３０ｐ−ＺＨ−９な
どで論じられている。

〔作用〕

こうして得られた電気パルスを伝送路を伝播せしめ、当
該伝送路に電気光学結晶を近接させておく。前記電気パ
ルスが印加されている間、ポッケルス効果により電気光
学結晶の屈折率が変化し。

そこを通過している光、つまり試料からの発光の偏光面
が回転し、検光子を通過する。

つまり、高速光伝導体により発生せしめた電気パルスの
時間幅に相当する幅、つまりピコ秒或は数百フェムト秒
の幅の光ゲートを開くことができたわけである。このよ
うにしてゲートが開いている間だけ通過してきた光を検
出積算し、ゲートを掃引すれば、試料からの発光の時間
波形を得る事ができる。

ゲート掃引には、試料励起の短パルス光と、高速光伝導
体を照射する短パルス光に、相対的に遅延を与えれば良
い。遅延には、プリズムを可動ステージで動かす方法や
、気体圧力を変え、屈折率を変化させて光路長を変える
方法などがある。

上記方法は、固体試料など試料からの発光の偏光が時間
変化しない場合は有効である。しかし、液体試料など、
発光の偏光解消がある場合、上記方法は使えない。そこ
で、被測定対象たる光の偏光が時間変化する場合につい
て、上記方法を応用する方法を以下に示す。

被測定対象たる光、つまり今の場合試料からの発光をビ
ームスプリッタ等を用いて２分し、一方は上記電気光学
ゲートを通過せしめる。もう一方は、上記電気光学ゲー
トと同じものを用意し、これを通過せしめ、それぞれを
別の光検出器で受光する。サンプリング時には、一方に
電気パルスを印加し、ゲートを開き、もう一方には電気
パルスを印加せずゲートを閉じたままにしておく。偏光
解消などでゲートを漏洩してくる光強度は、両方で同じ
であるので、両者の差、或は比をとれば漏洩光の寄与は
相殺され、ゲートを開いた事により通過する光強度のみ
を検出できる。

電気光学ゲートは独立に同じものを２つ用意しても良い
し、１つを共用しても良い、２つ独立に用意する場合は
、電気光学結晶として同じ材質で同じ厚みのものを同じ
方位で配置しておくと、同じだけの位相変化を与える事
ができる。この場合、２つの検光子の方位も揃えておく
必要がある。また、電気光学結晶の中で、電気パルスの
電界がかからないが、十分弱い場所を選んで、もう一方
の光を通過せしめれば、１つを共用する事が可能である
。この場合検光子を共用しても良い、このように、電気
光学結晶や検光子、或はその両方を共用すれば、方位の
調整等が簡単になるので望ましい。

上記２つの方法において、短パルス光強度のふらつきは
忠実な波形観測に不都合である。このため、レーザには
、なるべく安定したものを用いる事が必要であるし、更
にレーザスタビライザなど外部変調器を用いて出力を安
定化する事が望ましい。更には、得られた信号の積算時
間を長くしたり、遅延を繰返し掃引する事が必要になる
。しかし、これは測定時間が長くかかつてしまうという
問題を伴なう。そこで、前記短パルス光の一部をビーム
スプリッタ等で分岐し、その強度をフォトダイオードな
どの光検出器で測定する。この時、その積算時間は、上
記方法によりサンプリングされた光の検出積算時間と同
じ程度にしておく。

前記短パルス光の強度をＩＰｙ試料の発光検出をＩｚ、
高速光伝導体の光電変換効率をη、負荷インピーダンス
を２．電気光学結晶のポッケルス定数をγとおくと、サ
ンプリングされた光の強度工、は、ｌ５ＣＣγηＺＩｐＩｚとなる。但しＩｚはＩＰの関数である１通常、励起光強
度が弱い場合には、Ｉｚ”Ｉｐであるから、工５　（Ｘ
：　工ｐ”　となる、よって、Ｉｓ／（ＩＦ）”　をと
ることにより、短パルス光強度のふらつきは補正できる
。励起光強度が強くなりＩｚ”Ｉｐ　　、（ｎ＝２゜３
、・・・）となる場合も、それぞれに応じて演算してや
ればよい。これらの演算は、回路的に行なっても良いし
、計算機を用いて行なっても良い。

試料の発光が弱い場合、或は強励起に伴なう非線形効果
を排除するため、励起光強度を小さくしたい場合には、
測定感度を上げるため、前記サンプリング光の検出に、
フォトン・カウンティング法を用いればよい。

更に、測定感度を上げ、背景光等の影響を排除するため
に同期検波の方法を用いた。高速光伝導体を照射する短
パルス光、或は試料を励起する短パルス光或は、その両
方に、チョッパやＥＯモジュレータなどを用いて強度変
調をかける。変調周波数は短パルス光の繰返し周波数よ
り十分低くしておけばよく、具体的には１／１０以下が
望ましい。又、前記両方の短パルス光を変調する場合は
、分岐前のビームを変調してもよいし、分岐後、異なる
周波数で変調し、その和周波、戒は差周波を参照信号と
してもよい。

又、光を変調するかわりに、光伝導体に印加するバイア
ス電圧を振幅変調してもよい、更には。

上記光変調とバイアス電気変調を異なる周波数で行ない
、その和周波、或は差周波を参照信号としてもよい。

更に、これら同期検波とフォトン・カウンティングを組
合わせて用いれば、より高感度な測定が可能となる。

以上、上記方法は、光励起により発光する試料について
適用できる。しかし、半導体レーザなど電流により発光
する試料についても上記方法が、拡張できる。つまり、
試料を光励起するかわりに別に用意した高速光伝導体に
光を照射し、高速電気パルスを発生させ、これを試料に
入力することにより発光せしめる。後は、上記方法と全
く同じでよい。

〔実施例〕

以下、本発明の主要部をなす光サンプリングセルについ
て、第１図から３図を用いて説明する。

第１図は、光サンプリングセルの一実施例である。電気
光学結晶たるＬｉＴａ○、の結晶１と５Ｏ８（シリコン
・オン・サファイア）基板１００を接着し、研磨して上
面を平滑にしたものに、アルミニウムを蒸着し、コプレ
ナライン３，４を形成した。上記ライン３，４の各線幅
は５０μｍ。

線間隔を５０μｍとした。一方のライン３はアースし、
他方のライン４は、ＳＯ８基板上に５０μｍのギャップ
８を設け２片方はバイアス電圧を印加し、もう片方は抵
抗で終端している。ＳＯ８基板１０上のギャップ８には
酸素イオンを照射した。加速電圧４００　ｋ　ｅ　Ｖ　
、ドーズ量Ｉ　Ｘ　１０”／ｄである。

パルス幅Ｑ、８ｐｓ　　のレーザビームをトリガビーム
７としてギャップ８に照射すると、コプレナライン４に
沿って約１ｐｓの電気パルスが伝播する。ライン３とラ
イン４の間には電界がかかるので、ポッケルス効果によ
り屈折率が変化する。試料発光６の偏光をＬ　ｉ　Ｔ　
ａ　Ｏ３結晶１の光学軸と４５度にしておくと、最も効
率良く偏光が回転する。

第２図を用いて、光サンプリングセルの別の実施例につ
いて説明する。

半絶縁性のＧ　ａ　Ａ　ｓ基板２に、第１図と同様にコ
プレナライン３，４を形成し、ギャップ９は５μｍとし
、Ｃｒをドープしている。０．２ｍ＋厚のＬ　ｉ　Ｔ　
ａ○、結晶１０の裏面に誘電体蒸着にて全反射膜を形成
し、基板２に圧着している。試料発光６は、結晶１０の
反射膜で反射されるが、ポッケルス効果により、偏光面
が回転する。以下この形式を反射モードと呼び、前述の
第１図の形式を透過モードと呼ぶ。

第３図は、また別の光サンプリングセルの実施例である
。Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板２と石英基板３１を接着し、上面
を研磨し、第１図と同様にコプレナラインを形成し、ギ
ャップ９にはＣｒをドープしである。石英基板上に試料
３ｏを形成している。試料は、ここでは、ピレン誘導体
を蒸着したものを用いたが、蒸着膜、溶液のキャスト膜
など種々の場合に適用できる。これに、裏面から励起光
３３を照射し、発光３２を得ている。発光３２は、０．
２■厚のＬ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ，結晶１１を透過する際、
偏光が回転する。ここでは、基板３１の表面に試料３ｏ
を付け、裏面から励起光３３を照射したが、表面から照
射してもよく、試料３ｏを裏面に付け、励起光３３を表
面から、又は裏面から照射してもよい。試料３０を裏面
に付けた方が、セルの再利用の際、コプレナラインの損
傷が少なくできるという効果がある。

以下測定系について説明する。以下のすべての実施例で
は、光サンプリングセルとして、主に実施例１のものを
用いて説明するが、ギャップ部をＣｒ　：　ＧａＡｓに
したものを用いてもよいし、実施例２や実施例３のもの
、或はこれらの要素を組合せたものを用いても良い。又
、説明が容易であるので、すべて透過モードで行なって
いるが、反射モードを用いても良い。

測定系の一実施例を第４図を用いて説明する。

モード同期ＹＡＧレーザ励起色素レーザに、ファイバー
コンプレッサを付けたフェムト秒レーザ４１より波長５
９０ｎｍ、パルス幅０．５ｐｓｅｃ。

繰返し８２ＭＨｚの短パルス光を得、ビームスプリッタ
５７で２つに分岐する。

一方のビーム７は、コーナキューブプリズムとパルスス
テージより成る光遅延器５１を経て、しンズ４５により
光サンプリングセル４６の高速光伝導体たるギャップ部
に集光する。

もう一方のビームは、ＫＤＰ結晶７９で第２高調波を発
生せしめ、レンズ４３で試料４２に集光する。ここで試
料４２には、ｐｙ誘導体の蒸着膜を用いた。ｐｙは紫外
に吸収を持つため第２高調波を用いたが、試料に合わせ
、ミキシングすればよい。試料の蛍光６をレンズ４４で
コリメートし、ミラー５５で光路調整し、偏光子５８と
バビネ・ソレイユ板５９を通し、レンズ４５で光サンプ
リングセル４６に集光し、コプレナライン３と４の間を
通する。

コプレナラインは、第１図のごとく同軸抵抗５で終端さ
れている。

光サンプリングセル４６を通過した試料蛍光６は、レン
ズ５６にてコリメートされ、検光子４８を通過後、分光
器４９に集光され、分光された後、光電子増倍管５０で
光電変換され、ロック・イン・アンプ５３に入力される
。ビーム７には、３ＫＨｚでチョッパ５２をかけ、これ
を参照信号としてロック・イン・アンプ５３に入力する
。ロック・イン・アンプ５３の出力は、パーソナル・コ
ンピュータ５４に取込む、光遅延器５１は、パーソナル
コンピュータ５４にて制御されている。遅延時間を掃引
し、各遅延時間毎にロック・イン・アンプ５３の出力値
をプロットすると、試料蛍光６の時間波形が得られる。

ｐｙ誘導体蒸着膜を試料とした場合の結果の一例を第８
図に示す。

次に、第５図、第６図を用いて別の実施例について説明
する。試料の蛍光６を２分し、一方はコプレナライン３
，４の間を通し、もう一方は参照光６０として、コプレ
ナラインの外側の電界がかかつていない場所を通す、測
定系は第６図のとおりであるが、第４図と概要は同じで
ある。

試料蛍光６をビームスプリッタ６４で２分し、第５図の
ように光サンプリングセル４６に入射した後、それぞれ
を光電子増幅管５ｏで受け、差動増幅器６３で差を取り
、これをロック・イン・アンプ５３に入力している。更
に光サンプリングセル４６には、２．４　ＫＨｚ　　の
交流を印加し、試料の励起光に３ＫＨｚでチョッパ５２
をかけ、それぞれの同期信号を乗算器６２でミキシング
し、その差周波０．６ＫＨｚ　　を、ロック・イン・ア
ンプ５３の参照光として用いた。ここで、ビームスプリ
ッタ６４は、偏光により分岐比が異なるものは都合が悪
い、ここでは、全誘電体無偏光コーティングをほどこし
たキューブビームスプリッタ−を用いたが、これは波長
に制限があるので、金属コーティング、或は、金属−誘
電体コーティングのものを用いてもよいし、空間的に分
離する方法をとってもよい。

これにより、レーザ４１の出力不安定性が改善されると
いう効果もある。更に、前記のごとく偏光解消のある試
料についても適用できるようになった。試料としては、
前記試料の溶液を石英セルに入れて用いた。ここでは、
偏光子５８．検光子４８、光サンプリングセル４６は共
用したが、別別にもう一つ用意してもよい。

以下、第７図を用いて、本発明の別の実施例について説
明する。やはり概要は第４図と同じである。本実施例の
特徴は、フェムト秒レーザ４１の出力を、ビームスプリ
ッタ７０で一部分岐し、フォトダイオード７２で強度を
モニターし、パーソナルコンピュータ５４で演算処理し
ている点にある。更にロック・イン・アンプのかわりに
、光子計数器７３を用いている。試料蛍光をアパーチャ
ア４で空間制限しているのは、発光点が大きい事による
時間分解能の低下を防ぐためである。上記演算は、前述
のごとく、信号強度をレーザ強度の２乗で割るという操
作を行なっている。これにより、レーザの不安定性を補
償することができた。

本発明の更に別の実施例について第９図を用いて説明す
る。第４図の検光子４８として、グラントムソンプリズ
ムの代わりに、ウオラストン・プリズム８１を用い、Ｓ
偏光とＰ偏光の両方をレンズ５６を用いて、分光器４９
のスリットの縦方向に分離して集光する。分光器４９の
出射スリットには２次元光検出器８２を用意した。２次
元光検出器８２の入射面上には、横長のラインが上下に
２本結像する。横方向は波長情報が含まれ、縦の２本は
それぞれｐ波とＳ波であるから、これを引算することで
、偏光の回転成分を得ている。この方法を用いるとより
高感度化できる。

本実施例では、一つの分光器を用いたが、２つの分光器
を用いてもよく、光検出器を２つ別々に用意してもよい
。また特に同時多波長測光を行なう必要が無い場合は、
−次元光検出器を用いたり、２つのフォトダイオードを
用いてもよい。

次に、光励起ではなく電気的刺激により発光する試料に
ついての実施例を第１０図により説明する。

アースライン９２を共通としたコプレナライン９１．９
２．９３を第１図や第３図と同様にして設けた。Ｃｒを
ドープしたＧａＡｓ基板２側に、ギャップ９５．９６を
設け、ライン９１には、半導体レーザ９４をダイボンド
し、Ａｕ線をボンディングしている。　Ｌ　ｉＴ　ａ　
Ｏａ基板１側に、直角プリズム９７を置き、半導体レー
ザ９４の出力光を下向きに折曲げライン９２と９３の間
を通るようにした。半導体レーザ９４を駆動するのに、
バイアス電流を流すため、大きなインダクタンスを介し
て外部バイアス回路と接続している。ギャップ９５に短
パルス光を照射すると、短パルス電流が半導体レーザに
供給され、パルス光が出力される。これを、ギャップ９
６に短パルス光を照射して既述のごとくサンプリングす
ることができる。

その他の構成は、第４図と同様にした。

本実施例では、一つの基板上に２つのギャップを設けた
が別々に作って、半導体レーザの出力光をレンズ系やフ
ァイバを用いて導いてもよい。

以上、各実施例で用いた要素技術、例えば、同期検波の
方法や、フォトンカウンティング、更には種々の光サン
プリングセル構造などは、それぞれ組合わせて用いるこ
とで、種々の場合に対応できる。また、本発明では、電
気光学結晶として、ＬｉＴａＯ３を用いたが、ＬｉＮｂ
０．やＫＤＰなど電気光学効果の大きなものであればよ
い。尚、被測定対象光に対し透明である方が望ましい。

また、本発明では、高速光伝導体に短パルス光を照射し
、被測定対象光をサンプリングしたが、逆に。

被測定対象光で高速光伝導体を照射し、短パルス光をサ
ンプリングしても同様の結果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ピコ秒、或はフェムト秒の時間分解能
で高感度な時間分光を行なうことができる。また、被測
定光を２つに分岐し、片方を参照光として用いることで
、偏光解消のある試料についても測定が可能である。更
に、前述した種々の同期検波やフォトンカウンティング
法を単独で、或は組合わせて用いることで、より高感度
な測定が可能になる。また、短パルス光の強度をモニタ
ーし、演算にて補償することで、測定゛時間を短縮でき
る。更に、電気的刺激により発光するような試料につい
ても適用可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図から第３図、第５図は本発明の実施例の光サンプ
リングセルの斜視図、第４図、第６図。第７図、第９図は本発明の実施例の測定系の概念図、第
８図は本発明の実施例において得られた測定結果の一例
を示す蛍光強度特性図、第１０図は電気刺激により発光
する試料の測定系の要部平面図である。１＋　１ｌ−ＬｉＴａＯ，結晶、８．９−・・高速光伝
導体、４１・・・フェムト秒レーザ、４８・・・検光子
、４９・・・分光器、５０・・・光電子増倍管、５１・
・・光遅延器、５２・・・光チョッパ、５３・・・ロッ
ク・イン・アンプ、５８・・・偏光子、５９・・・バビ
ネ・ネレイユ第１図冨図６光ブシブリン７゛セル ′Ｊイ八こ７ソしイユ扱舅図図 ■ 図３差ＩＪＪ増幅港巣７図あ１試料４アバ４ｐ ■ 図Ｊ延時間￥図２２次り光種ｔ」【

Claims

【特許請求の範囲】１、短パルス光を少なくとも２つに分岐し、一方を高速
応答する光伝導体に照射し、発生する電気パルスを電気
光学結晶に導き、もう一方の短パルス光を試料に励起し
、試料からの発光を当該電気光学結晶に導き、電気光学
効果により変化した偏光成分を、検光子と光検出器を用
いて、検出し、前記２つの短パルス光の少なくとも一方
に遅延をかけ、遅延時間毎に前記検出を行なうことによ
り、試料からの発光の時間波形を再現することを特徴と
する光サンプリング法。２、請求項１記載の光サンプリング法において、特に、
試料からの発光を２つに分岐し、一方を前記電気光学結
晶に導き、もう一方を前記電気光学結晶と同じ材質、同
じ厚みを有する結晶で前記電気パルスを印加せしめない
結晶に導き、両方を、１つの検光子を透過せしめるが、
或は、それぞれを同じ方向の偏光成分を通過する２つの
検光子にそれぞれ透過せしめた後、それぞれの光を検出
し、その信号の差、或は比をとることを特徴とする光サ
ンプリング法。３、請求項１から２に記載の光サンプリング法において
、特に、短パルス光の一部を別に用意した光検出器によ
り検出し、その信号強度の２乗と、請求項１から２の方
法で得た信号との比をとる事を特徴とする光サンプリン
グ法。４、請求項１から３に記載の光サンプリング法において
、特に、光検出としてフオトンカウンテイング法を用い
た事を特徴とする光サンプリング法。５、請求項１から４に記載の光サンプリング法において
、特に、２つに分岐した短パルス光のうち少なくとも一
方に強度変調をかけ、前記検出の際、当該強度変調に同
期して、同期検波を行なう事を特徴とする光サンプリン
グ法。６、請求項１から４に記載の光サンプリング法において
、特に、光伝導体のバイアス電圧を振幅変調し、前記検
出の際、当該振幅変調に同期して、同期検波する事を特
徴とする光サンプリング法。７、請求項１から４に記載の光サンプリング法において
、特に、前記分岐前の短パルス光を強度変調し、光伝導
体のバイアス電圧を異なる周波数で振幅変調し、前記検
出の際これらの変調信号の和、或は差周波に同期して、
同期検波する事を特徴とする光サンプリング法。８、請求項１から７に記載の光サンプリング法において
、特に、光伝導体を別に用意し、前記短パルス光の分岐
した一方を、試料に照射するかわりに当該光伝導体を照
射し、電気パルスを発生せしめ、これを試料に導き、試
料を発光せしめる事を特徴とする光サンプリング法。