JPH03504765A

JPH03504765A - ピコ秒多重調波フーリエ蛍光計

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Publication number: JPH03504765A
Application number: JP2501904A
Authority: JP
Inventors: ミッチェル，ジョージ　ダブリュ．
Original assignee: スペクトロニク　インストルメンツ，インコーポレイティド
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1991-10-17
Also published as: CA2007849A1; EP0409934B1; AU613258B2; EP0409934A1; DE68927170T2; DE68927170D1; AU4829590A; ATE142782T1; US4937457A; WO1990009575A1

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】ピコ秒多重調波フーリエ蛍光計本発明は分光蛍光計に関し、特に多数の励起周波数において位相および変調蛍光発光寿命データを同時に得るように動作しうる周波数領域分光蛍光計の改良に関する。

正弦波振幅変調光で励起された発光体からの光も正弦波変調されている。しかしながら、発光周波数は励起光の位相と変調に対し発光体の励起状態の寿命に関係した量だけシフトされ変調される。位相および変調技術により発光寿命を測定するための測定器は位相または周波数領域蛍光計として知られている。

従来、周波数領域蛍光寿命分析は多数の単一周波励起でのテストサンプルの発光の高分解位相シフトおよび復調値により決まる。一般に実際にはサンプルのレスポンス曲線を適正に限定するためには異なった励起周波数で１ダ一ス以上の測定が必要である。その結果、すべての周知の位相／変調蛍光計は選ばれた１つの検出周波数で動作するから、サンプルのレスポンス曲線を得ることは単調であるばかりでなく時間がかかり、一般に３０分から１時間３０分の時間が必要である。

本発明は多周波における位相と変調データの同時取得により１回の測定で励起された発光体のレスポンス曲線をとらえることにより上記の問題を解決するものである。

この能力は時間単位ではなく秒単位でサンプルのレスポンス曲線を得ることを可能にする。

発明の詳細な説明要約すると、本発明は複数の励起周波数での蛍光サンプルの位相と変調レスポンスを同時に測定することの出来る相互相関周波数領域分光蛍光計を含む。振幅変調された光は外部的に変調された直流光源またはサンプルの励起のための多数の調波間係をもつ位相固定周波数を含む内部的に変調されたレーザパルス列により発生される。

光信号の位相および変調特性を有する検出信号を与えるためにテストサンプルの光信号と無線周波信号を多数の調波的に関係した周波数で同時に検出し、相互相関させるための手段が設けられる。付加的な手段が検出器信号の個々の周波の位相および変調データを抽出してテストサンプルの励起状態反応、ダイナミック回転速度またはエネルギー転移曲線の分析および周波数レスポンス曲線の形でその可視的表示を行う。

本発明の重要な目的は多数の周波数において励起された蛍光サンプルの位相と変調レスポンスを同時に測定することの出来る新しい等級の周波数領域蛍光計を提供することである。

本発明の他の重要な目的は相互相関検出およびフーリエ変換技術を用いる光の目的に示す等級の蛍光計を提供することである。

本発明の他の目的は寿命分析の要件を完全に満すと共に動的記録のためにミリ秒インターバルで得られる１回の測定により、蛍光サンプルの周波数レスポンス、励起状態反応、ダイナミック回転速度またはエネルギー転移曲線を得ることの出来る周波数領域蛍光計を提供することである。

本発明の他の目的はサンプル蛍光体で励起し、その発光レスポンスを同時に、かつ多数の励起周波数において検出しろる周波数領域蛍光計を提供することである。

本発明の他の目的はサンプル蛍光体を励起するために用いられる多数の調波に関連したそして位相の固定された周波数を含む直流光源からの振幅変調された光を用いる周波数領域蛍光計を提供することである。

本発明の他の目的はテストサンプルの励起のためにコリメートされた非コヒーレント光源、ＣＷレーザ、同期ポンプダイレーザまたは内部的に変調されたコヒーレントまたは非コヒーレント光源を用いる蛍光計を提供することである。

本発明の他の重要な目的は多数の励起周波数において位相／変調寿命データを同時に集めるための長調波フーリエ蛍光計を提供することである。

本発明の他の重要な目的は位相コヒーレント、調波発生器と、基本周波数およびその整数倍次調波において高周波位相と振幅情報を同時に相互相関させ、検出する光電子増倍装置を用いる二つ前の目的に示す性質をもつ蛍光計を提供することである。

この発明の上記および他の目的、特徴および利点は添附図面に示されそして本発明を当業者が実施しうるようにその概念と教示を実行するための、現在考えられる最良のモードを示す好適な、そして変更された実施例の以下の詳細な説明から明らかとなるものである。

図面において、１１図は本発明によるＣＷレーザ光源を用いる周波数領域蛍光計の概略ブロック図である。

第２図ないし第６図は既知の特性をもつサンプルについての位相シフトおよび復調レスポンス曲線である。

第７図（第７ｃｍ７ｅ図に分割される）は第１図の蛍光計を構成するために用いられる回路の概略図である。

第７Ａ図および第７Ｂ図は第７図の回路の副回路図である。

第８図はパルスダイレーザ光源を用いる本発明の周波数領域蛍光計の概略ブロック図である。

本発明の特徴と範囲の理解を容易にするために２つの蛍光計の構成、すなわち光源として安価なＣＷレーザを用いるものと同期ポンプダイレーザを用いるもの、を説明する。これら二つの構成は、ダイレーザ源は内部的に変調されるのに対し、ＣＷレーザは外部的変調を必要とするという点で原理的に異なる。

好適な実施例の説明まず第１図において、本発明による蛍光計の好適な形態のブロック図が光源（Ｌ）として連続波（ＣＷ）レーザを用いる長調波フーリエ変換蛍光計の好ましい形態のブロック図を示す。コリメートされたコヒーレントまたは非コヒーレント直流光源をＣＷレーザと置き換えてもよい。

図示のように、周波数発生器（ＦＧ）は一対の位相固定正弦無線周波数Ｃｆ）と（ｆ＋Δｆ）を発生する。例示のためこの基本周波数（ｆ）は５ＭＨｚであり、第２の周波数（ｆ＋Δｆ）は５ＭＨｚ＋３Ｈｚとする。基本周波数５Ｍｚはバッファ増幅器（Ａ１）に加えられる調波コム（ｃｏｍｂ）発生器（ＨＣＧ−１）を駆動するものであり、この発生器の出力は５ＭＨｚ基本周波数のすべての整数倍次調波、すなわち、（５，１０，１５，２０゜２５・・・ＭＨｚ）を含む。この信号はポケットセル（Ｐ　Ｃ）とそれに関連するドライバ（Ｄ）を介してＣＷレーザ（Ｌ）の強度を変調するために用いられる。変調されたレーザ出力は５ＭＨｚ基本周波数（ｆ）とその調波を含み、モして０寿命の溶液（Ｓ　Ｃ）とテストサンプル蛍光体（ＳＡ）を支持する回転ターレット（Ｔ）に配置されたサンプルを励起するために利用される。このターレット（Ｔ）は手動的にインデックスしてもよいし、周知のように動力駆動してもよい。

周波数発生器（ＦＧ）の２次周波数出力信号（ｆ＋Δｆ）、すなわち５ＭＨｚ＋３Ｈｚ、は（Ａ２）により増幅されてパワースプリッタ（Ｐ　Ｓ）に加えられ、このスプリッタが一対の調波コム発生器（ＨＣＧ−２とＨＣＧ−３）を駆動するために用いられる一対の等しい強度の信号を発生する。これらコム発生器の出力は基本波周波数と調波周波数Ｎ（ｆ＋Δｆ）、すなわち、５ＭＨｚ＋３Ｈｚ、１０ＭＨｚ＋６Ｈｚ、１５ＭＨｚ＋９Ｈｚ・・・等を含む。これら発生器の出力信号は後述するように２個の光電子増倍検出器（ＰＭｒとＰＭｍ）の利得を変調するために用いられる。

基準光電子増倍装置（ＰＭｒ）はビームスプリッタ（Ｂ　Ｓ）を介してＣＷレーザから、強度変調された励起光信号Ｎ　（ｆ）の一部（約３％）を受ける。この信号はコム発生器（ＨＣＧ−２）からの入力信号Ｎ（ｆ＋Δｆ）とを、両者の調波をヘテロダイン処理または混合してその混合された信号間の差、この場合は３Ｈｚに等しいくり返し周波数を有する低周波ビートまたは基準信号Ｎ（Δｆ）を発生することにより相互相関される。

同様に測定光電子増倍装置（Ｐ　Ｍ　ｍ　）は散乱（０寿命）溶液（Ｓ　Ｃ）またはテストサンプル（ＳＡ）（交互に）からの信号Ｎ　（ｆ）ｍを検出し、そしてそのような検出された信号の調波をＨＣＧ−３からの利得変調信号Ｎ（ｆ＋Δ ｆ）の夫々の調波と混合する。これは発生器（ＦＧ）によりつくられる周波数対間の差、すなわち３倍、に等しいくり返し周波数を有する低周波ビートＮ（Δｆ）ｍを発生する。この信号は無線周波数調波のすべてについて相互相関された位相と変調の情報を含む。

かくして、光電子増倍管の出力信号の３Ｈｚ成分は５ＭＨｚについての情報を、６Ｈｚ成分が１０ＭＨｚの、９Ｈｚ成分が１５ＭＨｚの情報を夫々含み、以下同様である。

光電子増倍管（ＰＭｒ）と（ＰＭｍ）の出力信号はコンピュータ（Ｃ）に送られ、このコンピュータがこれら信号をディジタル化し、そして記憶し、これら信号は次にデータについての複雑な高速フーリエ変換を行うアレイプロセサ（ＡＰ）により周波数領域に変換される。この動作により、周波数領域に変換される時間領域波の振幅と位相を計算するために用いられる実数値および虚数値のアレイが得られる。

このアレイプロセサは光電子増倍管信号の平均直流値（ＤＣａｖ）を発生する算術形紙域フィルタを用いる。

調波についての位相と振幅は従来のようにこのフーリエ変換から得られる。

その結果はテストサンプル（ＳＡ）についてのレスポンス曲線（位相および振幅対周波数）の形でパーソナルコンピュータのスクリーンに可視表示される。

テストサンプルを測定するために次の処理が行われる。

（ＰＭｍ）が０寿命散乱溶液（Ｓ　Ｃ＞に対向するようにターレット（Ｔ）が位置決めされる。この条件下で共通（ＤＣａｖ）値で除算された（ＰＭｍ）の調波の振幅が一群の正規化変調値を発生し、これらの値が後の使用のために記憶される。

位相角が計算されて基準光電子増倍管（Ｐ　Ｍ　ｒ　）の信号の調波と散乱溶液（ＳＣ）に対向したときの測定光電子増倍管（ＰＭｍ）の信号の夫々の調波との間の位相差を用いて共通の基準にセットされる。例えば、この差が調波（ｎ）についての周波数において２０°であるとする。対応する差が調波周波数の夫々について測定され、その結果が基準すなわち正規化位相群に相似の正規化位相群をつくる。

このターレットは次に、（ＰＭｍ）がサンプル（ＳＡ）に対向するような位置とされる。（ＰＭ）ｍの調波の振幅が測定され、それらの変調がそれらの共通（ＤＣａｖ）値に対して比をとるように計算され、そしてそれらの値が前述の対応する正規化変調値に対する比をとることにより正規化される。これが測定されたサンプル（ＳＡ）の調波についての一群のサンプル復調を生じさせる。

測定光電子増倍管（ＰＭｍ）の調波についての一群のサンプル位相シフトは測定位相から正規化位相を減算することによって得られる。

位相シフトおよび復調対励起周波数のプロットおよびプリントアウトはこの計測器の基本出力を構成し、パーソナルコンピュータのスクリーンにサンプルレスポンス曲線とし′Ｃ可視表示される。このくり返し的な散乱およびサンプルの交互の観測と位相シフトと復調の平均化により雑音が発生しろる。

第２−６図のレスポンス曲線は本発明による蛍光計で発生されるデータの例であり、既知のサンプルについての単一および多成分寿命並びにダイナミック回転速度を正確に分析することについてのその比較的な能力を示すものである。

第２図は有機シンチレータ、ＰＯＰＯＰ、メチルアルコールに溶解されたｐ−ビス［２−（５−フエニロキサゾリル）ベンゼンコ、についての同時的な多周波位相シフトおよび復調測定を示す。ｐｏｐｏｐについての発光寿命の値は１．３２〜１．３６９ナノ秒である。測定データのシングル指数崩壊モデルへの非線形最小自乗法の適用はｐｏｐｏｐについて１．３４ナノ秒の寿命を回復した。

第３図はエチルアルコールに溶解したローズベンガル（ｒｏｓｅ　ｂｅｎｇａｌ　）である有機染料についての同時的な多周波位相シフトおよび復調測定を示すグラフである。ローズベンガルの蛍光寿命についての値は５００〜８３０ピコ秒である。測定データのシングル指数崩壊モデルへの非線形最小自乗法の適用はローズベンガルについて７５０ピコ秒の寿命を回復した。

蛍光サンプルにおける長寿命成分を分解するための本発明の蛍光計の能力を第４図に示す。分子ＴＮＳすなわち２−ｐ−トルビジニル−６−ナフタレンスルホン酸が溶媒緩和されたものの多数の崩壊速度を観察した。測定データの３崩壊モデルへの非線形最小自乗法適用は３６０ピコ秒で崩壊の２，３％、４，０１ナノ秒で５７％、６．５４ナノ秒で４０．７％を回復した。この結果は文献に報告された値と一致する。

第５図はプロピレングリコールに溶解されたフルオレセイン分子のダイナミック回転速度を回復するための異なった偏向位相と比の同時的な多周波測定を示す。

測定データのシングル回転速度（等方性）−シングル崩壊モデルへの非線形最小自乗法の適用は２．７ナノ秒の回転相関時間を回復し崩壊速度は４．４８ナノ秒で限界異方性は０．３６４であった。比較可能な値が文献に報告されている。

第６図は本発明の蛍光計の動的測定能力を示す。無機塩、沃化カリウム（ＫＩ）が発光のクエンチャであり、発光強度の低下と発光時間の短縮を生じさせる。この測定器は３３ミリ秒毎に多周波位相／変調測定を行い、攪拌キューペット内に含まれる０、ＩＮ水酸化ナトリウムにフルオレセインを溶解した溶液からの発光を観測するようにセットされた。Ｋｌの濃縮溶液２０μｇが図にｒＫ１添加」と示す点でキューペットに注入された。

この蛍光計はフルオレセイン／Ｋｌの混合を４．３ナノ秒から最終の１．８〜１．９ナノ秒までの蛍光寿命の減少として明らかに分析している。このグラフの夫々の点は蛍光計からの同時多周波データセットの分析を示す。

種々の時点における代表的なデータセットとモデルに対するそれらの残留「整合度」は同図に挿入図ＡとＢで夫々示されている。完全な周波数レスポンス曲線は３０ミリ秒毎に得られた。

構成本発明による多重調波フーリエ蛍光計の構成を第７図の回路図で示す。

図示のように、直接周波数合成器２０が周波数源または周波数発生器（第１図のＦＧ）として用いられる。このための合成器はマサチューセッツ州リトルタウンのプログラムドテストソーシズ社（Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ　Ｔｅ５ｔＳｏｕｒｃｅｓ、　Ｉｎｃ、）からモデルＰＴＳ−２５０として市販されている。ＰＴＳ− ２５０の１０ＭＨｚ基準発振器出力はトランジスタトランジスタロジック（ＴＴＬ）、Ｊ−にフリップフロップ２１．のクロック入力端に適正なレベルシフトを行って容量的に結合され、あるいはこのフリップフロップをトリガし、１０ＭＨｚ入力周波数を半分、すなわち５ＭＨｚにするのに必要なそのクロック入カ端に接続された抵抗回路に接続されている。テキサス州ダラスのテキサスインストルーメンツ社（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、　Ｉｎｃ、）のモデル７４Ｓ１１２ＴＴＬシヨツトキフリツプフロツプをそれに用いることが出来る。フリップフロップ２１の出力（Ｑ）は方形波であるから、低域フィルタ２２にューヨーク州プルツクリン、ミニサーキッツラボラトリ社（Ｍｉｎｉ−Ｃ１ｒｃｕ１ｔｓ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）のＰＬＰ−１０，７）を通されて５ＭＨｚ基本周波数の調波を除去する。

フィルタ２２の５ＭＨ２出力はハイブリッド増幅器２３（アリシナ州フェニックスのモトローラ社（Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｉｎｃ、　）セミコンダクタプロダクツのモデルＭＨＷ−５９２）に送られ、約１ワツトにブーストされ、その後に、可変コンデンサ２４（カリホルニア州シャツワースのアルコエレクトロニクス社（Ａｒｃｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）のモデル４２１５）、５６０ｐｆのシルバマイ力コンデンサ２５．７巻回、０．５インチ１．　Ｄ、インダクタンス２６および５０００ｐ　ｆのセラミックコンデンサ２７からなる第１インパルス回路に対しインピーダンス整合をとられる。このインピーダンス整合回路は５巻回、０．５インチＩＤコイル２８とステップ回復ダイオード（ＳＲＤ）２９　（マサチューセッツ州ワボーン、のアルファインダストリーズ社（Ａｌｐｈａ　Ｉｎｄｕｓｔｏｒｉｅｓ　）のモデルＲＡ６１８０−１）からなるインパルス発生器に接続する。コイル２８と５ＲＤ２９を含むこのインパルス発生器は、ビノキニラ形コア３０を有する単巻口のへアーピンと、可変コンデンサ３１と４巻回０．５インチＩＤコイルとして形成されるインピーダンス３２からなる出力回路による高域フィルタにより５０オームに再び整合される。このインピーダンス整合、インパルス回路および要素２４〜３２を含む出力回路は第１図のコム発生器ＨＣＧ− １を構成する。

本発明の多調波蛍光計の成功は１つの入力周波数の多くの整数倍調波を含む出力を発生する回路に主としてよるものであるから、この調波コム発生器の動作は本発明の理解に重要である。

第７図の実施例によれば、重要なコム発生器の機能は特殊な半導体ステップ回復ダイオード５ＲＤ２９の適正な動作により行われる。第７図の回路定数を用いる場合、５ＲＤ２９はインパルス発生器を形成するためにインダクタンス／ＳＲＤの組合せにインピーダンス整合した増幅器２３によって発生されるバイポーラ正弦波周波数により供給される低入力周波数、すなわちこの場合５ＭＨｚ、で動作することが出来なければならない。詳細には増幅器２３は１〜１．５ワツトの正弦波入力電力を供給し、その５０オーム出力は上述の回路の要素２４〜２７からなる可調整２１回路によりインパルス回路のインピーダンス（２８）に整合される。出力回路（３０〜３２）は高域フィルタによりインピーダンス整合を５０オームにもどして増幅器２３に基本正弦波が通るのを防止する。入力サイクルの正の部分において、５ＲＤ２９は電流を流し、少数キャリアをつくり、そしてコイル２８に電荷を蓄積する。ダイオードはこの少数キャリアにより入力が負になった後の短い期間（遅延時間）導通しつづける。これらキャリアがなくなると、ダイオードは導通を急激に停止してコイル２８内のエネルギーがインパルスとして負荷に移される。このインパルスはダイオードの遷移時間で決まる限界まで入力周波数の整数次調波を含む。出力のスペクトル分析は均等な間隔をもった周波数のエンベロープとして生じ、それ故「コム」または「ピケットフェンス」発生器である。

第７図の回路において、調波コム発生器ＨＣＧ−１の出力はポケットセルドライバ（第１図のＤ）のプリドライブ増幅器３５に与えられ、そこで約＋８０ボルトピークへと予め増幅される。図示の回路の増幅器３５は超直線形１−５１−５Ｏ０広帯域増幅器にューヨーク州、ロチェスタのＥＮＩバワーシステムズ社（Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　）からのモデル５２５ＬＡブロードバンド２５ワツトＡ級増幅器として市販されている）を構成する。増幅器３５からの前置増幅されたインパルスは５ＭＨｚ基本周波数と、約３５０ＭＨｚまでのその整数次調波のすべてを含む。

プリドライブ増幅器３５で発生された出力は、３個の１００Ｃ）ｐｆシルバーマイカコンデンサからなるコンデンサ回路３８を介して一対のブレーナ３極管３６．　３７（ユタ州ツルトレークシティのバリアンエイマック社（Ｖａｒｉａｎ　ＥｉＩＩａｃ）の３ＣＸ１００ＡＳ）のグリッドに容量結合される。これら３極管は抵抗−インダクタンス回路３９．４０．４１により、直流６〜８ボルトの小さい負のバイアス電圧（−Ｖバイアス）により通常は導通しない。３５からのドライブパルスの印加によりこれら３極管３６，３７は深く導通する。プレート電流は、この例では高周波フェライトトロイド（イリノイ州マレンゴ、アーノルドエンジニアリング社（Ａｒｎｏｌｄ　ＥｎｇｉｎｅｅｒｌｎｇＣｏ、）　）を有する長さ１０インチの同軸ケーブル（１０Ｔ、ＲＧ５８，５０Ω）からなる反転変圧器４２を通る。

変圧器４２からの増幅されたインパルスは最終段の３極管４３（バリアンエイマック社の３ＣＸ４００Ａ７）のグリッドにブリッジＴ回路を介して容量結合される。このブリッジ−１回路は可変コンデンサ４４と３極管４３のグリッド容量を打消すように調整された長さ０．　６インチの中心タップ付き、４巻回０．５インチＩＤコイル４５を有する。

３極管４３は０バイアス３極管であって、そのグリッドにインパルスが入るまで通常非導通であり、このインパルスにより急激に導通してインダクタ４６のエネルギ−をコンデンサ４７を介して、超低インダクタンスの抵抗負荷４８に移し、その間、反射ミラー５１（レーザメトリクス社（Ｌａｓａｒｍｅｔｒｌｅｓ）の１０４２）を一体的に有する二重結晶ボッケル効果電気−光学的光変調器５ｏの中心端子での電圧遷移を与える。この作用は後述するように調波的に変調された光パルスを通すようにボッケルセルを条件づける。

インダクタ４６が放電した後に、これは３極管４３を電源（＋Ｖ１−１．５ＫＶ）から切離し、次のパルスで再充電する。ボッケルセルパルスドライバ回路または増幅器（要素３５〜４８とそれらに関連した回路要素）は高いくり返し速度で、そして調波位相コヒーレンスをもって少くとも３０００ワツトのピーク電力レベルを出すことが出来る。この回路構成は比較的安価であり、小型且つ非常に簡単であり、しかも動作が確実である。

ボッケルセル５０は減価光水晶ウェッジ５２と、この場合市販のヘリウムカドミウムレーザ（カリホルニア州すニイビルのりコニクス社（Ｌｉｃｏｎｉｘ、　Ｉｎｃ、）のモデル４２４ＯＮＢ）でよりＣＷ光源５５（第１図のし）の動作に応じてボッケルセルに偏光を送るように配置された側面出口偏光器５３を含む光学系に結合される。レーザ５５はホッケセルの光変調器への入力として３２５または４４２ナノメータのＣＷ光を与えるように動作する。

第７図に示すように、光源５５は垂直方向の偏光出力（Φ印）を発生し、これが減価光水晶ウェッジ５２を通って方解石偏光器５３に入る。この偏光器は垂直の両矢印で示すように垂直偏向光を排除し水平偏向光を光変調ボッケルセル５０に通す。セル５０は水平偏向光の電気ベクトルを垂直に回転させ、すなわち、それをドライバ回路（第１図のＤ）からの初期インパルスにより発生される電界に比例するように回転させる。

ボッケルセル変調器のミラー５１はレーザビームをボッケルセルのＲＤＰ結晶を通じて反射し、そこでその偏向が更に回転して偏光器５３に再び入り、この偏光器５３がその垂直成分を横方向に反射してそれを、イリノイ州つルバナのＳＬＭインストルーメンツ社（Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　）のモデル０Ｐ−４５０のような光学モジュール６０に向ける。

モジュール６０に入るとこの偏光はビームスプリッタ６２　（ＢＳ）を通った後にターレット６１（Ｔ）内の適正なサンプル（ＳＣまたはＳＡ）を励起させ、このビームスブリフタはこの光信号の一部（約３％）を基準光電子増幅管（ＰＭｒ）６３に反射させる。ターレット６１のサンプルを通った残りの光はフィルタ６５を介して測定光電子増倍管６４（ＰＭｍ）に入る。

以上の動作を要約すると、ボッケルセル５０の中央端子に電気インパルスが入るまでターレット６１のサンプルには光が入らない。そのようなインパルスはボッケルセルの一対の電気−光学結晶にまたがり電界を発生し、それが入力光の電気的ベクトルを、方解石偏光器５３の側部から光をターレット６１（Ｔ）のサンプル（ＳＡ）または（Ｓ　Ｃ）に反射させる方向に回転させる。サンプルに入る光はそれ放電気的インパルスの強度変調されたものであり、そのために基本周波数５ＭＨｚと、主として特定のボッケルセルの周波数レスポンスで決まる実用上の限界（この回路例では２５０ＭＨｚ）までのその整数次調波を含む。

光電子増倍管形相互相関発生器の動作については第７図の合成器または周波数発生器２０　（ＦＧ）を参照する。

この発生器はこの場合には５．０００００３ＭＨｚの主周波数出力を発生するようにセットされる。この周波数は第１図の（ｆ＋Δｆ）に対応し、無線周波増幅器７０（Ａ２）により２ワツトまで増幅される。この増幅器はワシントン州ボセルのＲＦパワーラブズ社（Ｐｏｗｅｒ　Ｌａｂｓ。

Ｉｎｃ、）から市販の広帯域ＲＦ増幅器モデル１０２Ｌでよい。増幅器７０の２ワツト出力はマサチューセッツ州バーリントンのアダムスラッセルーアンザックディビジョン社（Ａｄａｓｓ　Ｒｕ５ｓｅｔ−＾ｎｚａｃ　ｆＨｖｌｓｌｏｎ　）から市販されているモデルＨＨ−１０８ハイブリッド出カスプリッタである出カスプリプタ７１（ＰＳ）に加えられる。このスブリップ７１は第１図の発生器（ＨＣＧ　−２）と（ＨＣＧ−３＞に対応する一対のインパルス発生器７２と７３を駆動するようにこの２ワット信号を等分する。

これら発生器は光変調器に用いた上記の（ＨＣＧ−１）と同じであるからその説明は不要である。

２個の発生器７２と７３の出力は５．０００００３ＭＨｚであり、その整数次調波は約３５０ＭＨｚまでである。発生器ＨＣＧ　−２，とＨＣＧ−３の出力は光電子増倍管６３（ＰＭｒ）と６４（ＰＭｍ）に夫々加えられて第２ダイノードＤ２　（第７Ａ図のＰＭＴ回路を参照）の電圧バイアスを変えることによりそのような管の利得を変調するように作用する。これに関し、光電子増倍管６３と６４の夫々は第７Ａ図の回路を有することは明らかである。夫々の光電子増倍管の第２ダイノードＤ２は、その管の利得が発生器からのインパルスがないときに低くなるようにポテンショメータ（Ｐ）によりバイアスされる。発生器（ＨＣＧ−２）または（ＨＣＧ　−３）からのインパルスが光電子増倍管６３または６４に入ると、それはその管の利得を約１０倍にするように作用する。

これら光電子増倍管は調波的に変調される光を観測しそして同時に、この例では３Ｈｚである（Δｆ）だけこの変調された光からオフセットしたコム状の位相固定調波により利得変調させる。この点に関し、３Ｈｚの値は任意であり、動的動作では（Δｆ）は本発明の蛍光計のその動作モードについては時間分解能を上げるために１００〜３００Ｈｚに選ばれる。

光インパルスと利得インパルスは光電子増倍管のダイノードＤ２で混合されて３Ｈｚのくり返し周波数をもつビートを発生し、これにはすべての検出された無線周波の調波すなわち、５ＭＨｚについて３Ｈｚ、１０ＭＨｚについて６Ｈｚ、１５ＭＨｚについて９Ｈｚ等の、この例では約２５０ＭＨｚまでの調波についての位相と振幅の情報を同時に含む。ダイノードＤ２からのこのビートはＤ３および以降のダイノードＤ４〜Ｄ９で増幅されて光電流を発生し、この光電流がコマンドモジュール７５（第７Ｂ図参照）に送られる。この例では図示のコマンドモジニールはイリノイ州つルバナのＳＬＭインストルーメンツ社から市販のＳＬＭ４８００００）ランスレータコマンドモジュール形である。

このコマンドモジュールは光電子増倍管６３と６４について高い電圧バイアスを与えそしてそれらがらの光電流を比例する電圧出力に変換し、これら出力が、（ＰＣＯＭ）で示すパーソナルコンピュータ７７の回路板を含む高速高精度ディジタイザ７６（マサチューセッツ州マールボロ、データトランスレーション社（Ｄａｔａ　Ｔｒａｎｓｌａｔｌｏｎ、Ｉｎｃ、　）のモデルＤ７２８４７）の入力として用いられる。実際にはテキサス州オースティンのデルコンピュータカンパニ（Ｄｅｌｌ　Ｃｏ５ｐｕｔｅｒＣｏｌＩｐａｎｙ　）の市販のモデルＰＣ−２８６がコンピュータ７７として用いられた。

光電子増倍管の波形はディジタル化されそして無線周波の調波の位相と振幅情報を含む。この情報はアレイプロセサ７８　（ＡＰ）によるフーリエ変換によってこれら波形からとり出される。このプロセサはマサチューセッツ州マールボロのデータトランスレーション社から市販されるモデルＤＴ７０２０アレイプロセサ回路板でよい。

フーリエ変換された波形はパーソナルコンピュータ７７のスクリーンに位相および振幅対周波数曲線と１．て表示され、そして本発明の蛍光計の最終製品となる。アレイプロセサにおけるフーリエ変換はコンビエータ７７における市販のサブルーチンライブラリおよび他の適正なソフトウェアを用いて達成出来る。

パルスダイレーザ蛍光計上記ＣＷ蛍光計は本発明の一実施例であるが、第８図に光源としてパルスダイレーザを用いる蛍光計を第１図のＣＷレーザ蛍光計に対応して示す。第８図の蛍光計はＣＷレーザのものと機能的には等価であるが、レーザパルスの調波がスペクトルにおいてギガヘルツの領域まで伸びるからより高い周波数での動作が可能である。

第８図のレーザＬ′は一般に同期的にポンプされた空胴ダンプ形ダイレーザであり、これはモード固定アルゴンイオンまたはネオジウムＹＡＧポンプレーザにより駆動される。Ｌ′としては任意の内部的に変調されるコヒーレントまたは非コヒーレント光源を用いることが出来る。周波数発生器（ＦＧ）はレーザに基準周波数（ｆ　ｒｅｆ　）を加えるかあるいはレーザ制御電子回路（Ｌ　Ｃ）内のモード固定周波数発生器からそのような基準周波数を受けるかすることによりレーザのパルスくり返し周波数に位相固定される。この周波数発生器（ＦＧ）は（ｆ　ｃｄ＋Δｆ）を発生し、これはレーザ空胴ダンプくり返し周波数（ｆ　ｃｄ）と小さいオフセット（Δｆ）、ここでも３Ｈｚ、の和である。この周波数は（Ａ２）で増幅され、そして電カスブリッタ（ＰＳ）で分割されて、第１図のＣＷを用いる例のごとくにコム発生器（ＨＣＧ−２）と（ＨＣＧ−３）により発生した相互相関コムを発生し２個の光電子増倍管（Ｐ　Ｍ　ｒ　）と（ＰＭｍ）にｎ（ｆ　ｃｄ＋Δｆ）を与える。

ターレット（Ｔ）上のサンプル（ＳＡ）の測定並びに分析および表示は第１図のＣＷレーザ測定器と同じように行われる。

本発明のパルスダイレーザ蛍光計の主たる欠点は、第１の例のＣＷレーザと比較してレーザ光源のコストが比較的高いことである。また、動作周波数の限界は現在使用可能な光電子増倍管検出器の周波数レスポンス能力による。

以上述べたように、図面に示し、説明した好適なそして変更された実施例は以下の請求の範囲に示すようなものを除き、上記により制限されるものではない本発明の精神と範囲から離れることなく変更および等価物の交換が可能であることは当業者には明らかである。

手　続　補　正　書　（方式）平成　３年　７月杼日Ａ特許庁長官　　深　沢　　　亘　　殿１　事件の表示２　発明の名称ピコ秒多重調波フーリエ蛍光計３　補正をする者事件との関係　　　　特許出願人発送日　　平成　３年　７月　９日６　補正の対象図面翻訳文７　補正の内容国際調査報告＋−＋−−ｍａ−ａム峠ｍ＋１１１＋１’−ＰＣＴ／ＵＳ８９１０５７６４国際調査報告ｕｓ　８９０５７６４ＳＡ　　　　３３６０９

Claims

【特許請求の範囲】

１．下記要件を含む、蛍光サンプルの位相と振幅レスポンスを測定するように動作可能な相互相関、周波数領域分光蛍光計：多数の、調波に関係した位相固定周波数を含む振幅変調された光を発生する手段；上記光で蛍光サンプルを励起し、調波的に関係し、位相固定した多数の周波数の光信号を発生する手段；上記光信号をその変調および位相特性を含む電気的検出信号に変換する手段；および上記検出信号の夫々の周波数の位相および変調データをとり出す手段。
２．前記光はコリメートされたコヒーレントまたは非コヒーレント直流光源から発生される請求項１記載の蛍光計。
３．前記光は内部的に変調されたレーザパルス列から発生される請求項１記載の蛍光計。
４．前記光信号を検出する手段を更に含んでいる請求項１記載の蛍光計。
５．前記検出器信号の位相および変調データを同時に可視表示する手段を更に含んでいる請求項１記載の蛍光計。
６．前記光信号は高周波光であり、前記検出信号は比較的低周波の電気信号である請求項１記載の蛍光計。
７．前記変換手段は光電子増倍管を含んでいる請求項１記載の蛍光計。
８．基本周波数およびその整数次調波を含む位相固定無線周波信号を発生する手段と、上記基本周波数と調波を含む周波数変調光でテストサンプルを励起して調波的に関係した多周波の位相固定光信号を発生する手段と、これら光信号を上記多数の調波的に関係した位相固定周波数において上記無線周波信号と同時に相互相関させて上記光信号と同じ位相および変調特性を有する相互相関信号を発生する手段と、これら相互相関された信号の夫々の周波数の位相および変調レスポンスを同時にとり出して測定する手段と、を備えている周波数領域蛍光計。
９．前記位相および変調レスポンスを同時に可視表示する手段を更に含んでいる請求項８記載の蛍光計。
１０．前記最後の手段は前記相互相関信号をディジタル化する手段と、このディジタル化されたデータを周波数領域に変換する手段と、を含んでいる、請求項８記載の蛍光計。
１１．前記変換手段は前記データについてフーリエ変換を行なうように動作しうるアレイプロセサを含んでいる請求項１０記載の蛍光計。
１２．前記振幅変調された光を発生する手段を更に含んでいる請求項８記載の蛍光計。
１３．多数の調波的に関係した位相固定周波数を含む振幅変調光を与える手段と、この光でテストサンプルを励起して調波的に関係した多数の周波数の位相固定発光信号を発生させる手段と、この信号を検出する手段と、基本周波数およびその整数次調波を含む位相固定無線周波信号を発生する手段と、上記光信号を多数の調波的に関係した位相固定周波数において上記無線周波信号と相互相関させて上記光信号と同様の特性を有する相互相関信号を発生する手段と、サンプルの周波数レスポンスの分析と可視表示のために上記相互相関信号の夫々の周波数の位相および変調データをとり出す手段と、を含んでいる、周波数領域蛍光計。
１４．前記無線周波信号および整数次調波の発生手段はコム発生器を含んでいる、請求項１３記載の蛍光計。
１５．異なる基本周波数の第１および第２正弦波Ｒ−Ｆ信号を発生する手段と、上記調波的に関係した位相固定周波数を発生するための上記第１Ｒ−Ｆ信号を受けるコム発生器と、直流光源を上記周波数で外部的に変調して上記振幅変調光を得る手段と、を更に含んでいる請求項１３記載の蛍光計。
１６．前記第２基本周波数の整数次調波を発生するための前記第２Ｒ−Ｆ信号を受けるコム発生器を更に含み、前記信号の検出手段は上記付加的コム発生器の信号出力を受ける光電子増倍管を含んでいる、請求項１５記載の蛍光計。
１７．下記要件からなる周波数領域分光蛍光計。異なる基本周波数の一対の位相がコヒーレントな正弦波信号を発生する手段；上記基本周波数信号の夫々の位相がコヒーレントな多周波の整数次調波信号を発生する手段；コリメートされたコヒーレントまたは非コヒーレント直流光源；上記光を上記多周波調波信号の一つで変調して多周波位相コヒーレント光信号を発生する手段；蛍光体を上記光信号で励起して上記光信号と位相がコヒーレントである多周波発光信号をつくる手段；上記発光信号の調波と上記他の基本周波数信号の調波を同時に相互相関させてこれら相互相関信号間の差に等しいくり返し周波数をもつ多周波信号を結果として発生する手段；および上記結果の信号の夫々の周波数について位相および変調データをとり出す手段。
１８．下記要件からなる相互相関周波数領域分光蛍光計。異なる基本周波数の一対の位相固定正弦波無線周波信号を発生する手段；上記基本周波信号の夫々の整数次調波を発生する手段；コリメートされたコヒーレントまたは非コヒーレント直流光源；上記光を上記基本周波数信号の一方の調波で変調して対応する位相コヒーレント、多周波、振幅変調光信号を発生する手段；０寿命および蛍光サンプルを上記光信号で選択的に励起してそれから位相コヒーレント、多周波発光信号をとり出す手段；上記発光信号と光信号を受ける光電子増倍管検出手段；上記光および発光信号を上記基本周波信号の他方の調波で相互相関させて、相互相関信号周波数の差に等しいくり返し周波数を有し、上記他方の基本調波周波数についての位相と変調データを含むビート検出器信号を発生する手段；上記検出器信号の夫々の周波数の位相および変調データを同時にとり出す手段；および選ばれた形で上記位相と変調のデータを同時に可視表示する手段。
１９．前記光源はＣＷレーザを含んでいる請求項１８記載の蛍光計。
２０．前記光源は内部的に変調されたコヒーレントまたは非コヒーレント光源を含んでいる請求項１８記載の蛍光計。
２１．下記要件からなる相互相関、周波数領域分光蛍光計。異なる基本周波数の一対の位相固定正弦波無線周波信号を発生する手段；上記基本周波信号の夫々の整数次調波を発生する手段；コリメートされたコヒーレントまたは非コヒーレント直流光源；上記光を上記基本周波数信号の一方の調波で変調して対応する位相コヒーレント、多周波振幅変調光信号を発生する手段；０寿命および蛍光サンプルを上記光信号で選択的に励起してそれから位相コヒーレント、多周波発光信号をとり出す手段；上記高周波発光信号を低レベル周波数検出器信号に変換し、その間その位相および変調特性を維持する手段；上記検出器信号の夫々の周波数の位相および変調データを同時にとり出す手段；および選ばれた形で上記位相と変調のデータを同時に可視表示する手段。
２２．下記要件を含む、システムの周波数レスポンスを測定する装置。２つの調波的に位相コヒーレントで振幅変調された周波数コム、ｎｆとｎ（ｆ＋ Δ）を夫々発生する手段；上記２つの周波数コムｎｆとｎ（ｆ＋Δ）を混合して同期化相互相関基準周波数Ｎ（Δ）を与える第１ミキサ手段；周波数コムｎｆでエネルギーを上記システムに供給する手段；上記システムの入力および出力周波数を選択的に検出する検出手段；上記出力周波数と上記周波数コムｎ（ｆ＋Δ）を混合して相互相関した測定周波数Ｎ（Δ）を与える第２ミキサ手段；および上記基準周波数と上記測定周波数を得て変換し分析してシステムの周波数レスポンスを決定する手段。