JPH055698A - Light measuring instrument and optically measuring method - Google Patents

Light measuring instrument and optically measuring method

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JPH055698A
JPH055698A JP20415391A JP20415391A JPH055698A JP H055698 A JPH055698 A JP H055698A JP 20415391 A JP20415391 A JP 20415391A JP 20415391 A JP20415391 A JP 20415391A JP H055698 A JPH055698 A JP H055698A
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JP
Japan
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optical
photon
sample
measured
optical path
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Application number
JP20415391A
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Japanese (ja)
Inventor
Toshihiko Sato
俊彦 佐藤
Seiichi Murayama
精一 村山
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
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Publication of JPH055698A publication Critical patent/JPH055698A/en
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Abstract

PURPOSE:To restrain a quantum noise of a light source, by providing a means to convert one photon into a pair of photons and a means to separate measured data in the middle of an optical path into the optical path, detect the intensity of light, and measure optical characteristic. CONSTITUTION:One photon within a photon beam 10 emitted from a laser 100 is converted by a wavelength converting element 200 into two photons of which at least wavelengths or polarizing directions differ each other. A photon beams 21 and 22 formed by these two photons are made as a reference beam and a probe beam respectively, and both the beams are separated into two different optical paths 31, 41 by an optical path separating means 300. Measured data 400 are inserted into the optical path 41, and the photon beam to transmit the data 400 makes incident into an optical path 42. The reference beam and the probe beam to transmit the data are detected by photo detectors 502 and 501 setup at ends of the optical paths 31 and 4,2, a difference signal 601 of photoelectric currents of the detectors 501, 502 is found and input into a data processing element 700, and the optical properties of the data 400 are measured. The quantum noise is restrained by taking the difference of the photoelectric currents.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、各種産業における品質
管理や材料検査、公害計測、生体試料、生物試料の計測
など、ほとんど総ての光計測装置に適用できる。例え
ば、半導体製造に用いる原料ガスの検査や、クリーンル
ーム内の空気中の塵の検出、光ファイバーの減衰率の測
定、極めて光吸収の少ない生物試料中の特定物質の検
出、ガラス等の光透過性物質中のマイクロクラックの検
出などに効果的に利用できる。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention can be applied to almost all optical measuring devices such as quality control, material inspection, pollution measurement, biological sample, and biological sample measurement in various industries. For example, inspection of raw material gas used in semiconductor manufacturing, detection of dust in the air in a clean room, measurement of optical fiber attenuation factor, detection of specific substances in biological samples with extremely low light absorption, light transmitting substances such as glass. It can be effectively used for detecting micro cracks inside.

【0002】[0002]

【従来の技術】図1は、本発明者らが用いていた光計測
装置の一例であって、吸収測定に用いる装置を示す。光
源100から放射された光ビームは、半透過鏡などの光路
分離手段310により二つの光ビーム45、46に分離され、
光ビーム46はプローブ光として被測定試料400に入射
し、光ビーム45は参照光の役目をする。参照光と被測定
試料400を透過したプローブ光とは、それぞれ光電子増
倍管のような高感度の光検出器521,522により検出され
る。光検出器521,522の出力信号I1,I2は、対数増幅
器、引き算回路などによるデータ処理部710で処理さ
れ、試料による光の吸収量に比例した信号を得る。
2. Description of the Related Art FIG. 1 shows an example of an optical measuring device used by the present inventors, which is used for absorption measurement. The light beam emitted from the light source 100 is separated into two light beams 45 and 46 by an optical path separating means 310 such as a semitransparent mirror.
The light beam 46 is incident on the sample 400 to be measured as probe light, and the light beam 45 serves as reference light. The reference light and the probe light transmitted through the sample 400 to be measured are respectively detected by high-sensitivity photodetectors 521 and 522 such as photomultiplier tubes. The output signals I 1 and I 2 of the photodetectors 521 and 522 are processed by the data processing unit 710 such as a logarithmic amplifier and a subtraction circuit, and a signal proportional to the amount of light absorbed by the sample is obtained.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】この装置構成による光
計測では、光源の持つ量子雑音(ショットノイズ)が、
それ以上雑音レベルを下げられない限界の雑音となって
いる。レーザーのようなコヒーレントな光源を用いたと
しても、光源の光強度は、光の発生機構に含まれる確率
過程(自然放出過程)のため、ある大きさのゆらぎを持
つ。この揺らぎの大きさは雑音の量子限界と呼ばれてい
る。この揺らぎが従来の光計測においては低雑音化の限
界を決めていた。例えば、図1において、光検出器521,
522の出力信号I1,I2の引き算を行うと、吸収量が求
まるが、I1とI2とに含まれる量子雑音の間には相関が
無いので、両者の引き算を行っても量子雑音は減らな
い。本発明の目的は、この光源の持つ量子雑音を抑圧す
ることのできる光計測装置を提供することである。
In the optical measurement by this device configuration, the quantum noise (shot noise) of the light source is
It is the limit noise that the noise level cannot be lowered any further. Even if a coherent light source such as a laser is used, the light intensity of the light source has a certain amount of fluctuation due to the stochastic process (spontaneous emission process) included in the light generation mechanism. The magnitude of this fluctuation is called the quantum limit of noise. This fluctuation has set the limit for noise reduction in conventional optical measurement. For example, in FIG. 1, the photodetector 521,
When the output signals I 1 and I 2 of 522 are subtracted, the amount of absorption is obtained. However, since there is no correlation between the quantum noises included in I 1 and I 2 , the quantum noises can be obtained even if they are subtracted. Does not decrease. An object of the present invention is to provide an optical measuring device capable of suppressing the quantum noise of this light source.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、光計測で用いるプローブ光と参照光と
を、同時に一対の2個の光子として発生させることによ
り、プローブ光と参照光との量子雑音に関する性質に相
関を持たせ、両者に対する光電子電流の差を取ることに
より、量子雑音を抑圧し、被測定試料との相互作用によ
る光子状態の変化のみを選択的に検出する。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a probe beam and a reference beam are generated by simultaneously generating a probe beam and a reference beam used in optical measurement as a pair of two photons. The quantum noise is suppressed by correlating the properties related to and the quantum noise with respect to each other, and the difference of the photoelectron currents between the two is taken, and only the change of the photon state due to the interaction with the measured sample is selectively detected.

【0005】具体的には、図3において、レーザー100
から放射される光子ビーム10の中の一個の光子を波長変
換素子200により、少なくとも波長または偏光方向が互
いに異なる2個の光子に変換し、この2個の光子によっ
て生成された光子ビーム21を参照光、光子ビーム22をプ
ローブ光とし、両ビームを光路分離手段300により、そ
れぞれ異なる二つの光路31および光路41に分割し、前記
プローブ光の光路41に被測定試料400を挿入し、さら
に、被測定試料400を透過した光ビームは光路42に入射
する。光路31と42の終端に設けられた2個の光電検出器
501および、502により参照光と試料を透過したプローブ
光とをそれぞれ検出し、前記2個の光電検出器501,502
の出力である光電子電流の差信号601を引き算回路600に
より求め、この差信号601をデータ処理部700に入力し前
記被測定試料400の光学的性質を測定する。
Specifically, referring to FIG.
A photon beam 10 emitted from the photon beam 10 is converted by a wavelength conversion element 200 into at least two photons having different wavelengths or polarization directions, and the photon beam 21 generated by the two photons is referred to. The light and the photon beam 22 are used as probe light, and both beams are divided into two different optical paths 31 and 41 by the optical path separating means 300, the sample 400 to be measured is inserted in the optical path 41 of the probe light, and The light beam transmitted through the measurement sample 400 enters the optical path 42. Two photoelectric detectors at the ends of optical paths 31 and 42
Reference light and probe light transmitted through the sample are detected by 501 and 502, respectively, and the two photoelectric detectors 501 and 502 are detected.
The subtraction circuit 600 obtains the difference signal 601 of the photoelectron current, which is the output of 1., and the difference signal 601 is input to the data processing unit 700 to measure the optical properties of the sample 400 to be measured.

【0006】[0006]

【作用】前記課題の解決手段の作用を説明するために、
図2及び図4を用いる。図2及び図4では、量子雑音の
発生メカニズムを示すために、各光路上の光ビームを、
光子列として描いた。
In order to explain the operation of the means for solving the above problems,
2 and 4 are used. 2 and 4, in order to show the mechanism of quantum noise generation, the light beam on each optical path is
Drawn as a photon train.

【0007】図4は、図3の装置構成の原理を説明する
ための図である。同様に、図2は、図1の装置構成の原
理を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the apparatus configuration of FIG. Similarly, FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the apparatus configuration of FIG.

【0008】図2において、光源100から発生した出力
を、光子列950のように表す。このような光子列950は、
ビームスプリッタ310によって、50%の確率で光路45及
び光路46へ振り分けられ、光子列960、及び光子列961が
発生する。このような振り分けは確率過程であるから、
光子列950上のある一個の光子が、光路45または光路46
のどちらに振り分けられるかは、予測できない。光子列
960及び961は、このような点を考慮して描かれている。
光路45上の光ビームは、試料400に入射する。もし、試
料による吸収が生じれば、試料を透過した後の光ビーム
を表す光子列970から、吸収発生事象に対応して、光子
が脱落してゆくことになる。このようにして脱落した光
子を光子977のように描いた。一方、光路46上の光ビー
ムには、損失が生じないものとすると、光子列971は、
光子列961と等しく描かれる。
In FIG. 2, the output generated from the light source 100 is represented as a photon train 950. Photon train 950 like this
The beam splitter 310 distributes the light to the optical paths 45 and 46 with a probability of 50% to generate a photon train 960 and a photon train 961. Since such distribution is a stochastic process,
One photon on the photon train 950 becomes either path 45 or path 46.
It is impossible to predict which one will be assigned. Photon train
The 960 and 961 are drawn in consideration of these points.
The light beam on the optical path 45 enters the sample 400. If absorption occurs by the sample, photons will drop out from the photon train 970 representing the light beam after passing through the sample, corresponding to the absorption occurrence event. The photon shed in this way was drawn like photon 977. On the other hand, if no loss occurs in the light beam on the optical path 46, the photon train 971 becomes
Equally depicted as Photon Sequence 961.

【0009】次に、光子列970及び971は、光電検出によ
って検出される。光電検出器521に入射する光子列は、
光子列971であり、光電検出器522に入射する光子列は、
光子列970である。光電検出器521及び光電検出器522
は、これらの光子列を電子流に変換する。これらの光電
子電流は、電子一個一個が導線中を通過する現象である
から、図のように、電流パルス列で表すことができる。
この様子を電子パルス列980及び、電子パルス列981で表
した。引き算回路711によって、これらの電子パルス列
の差をとると、出力パルス列990が得られる。出力パル
ス列990の電流を出力電流712とする。ところで、ビーム
スプリッタ310が、50%の確率で二つの光路に光子を振
り分けることから、試料400による吸収が無い場合は、
電子パルス980及び電子パルス列981が相殺し合あう。し
たがって、電子パルス列990の電流値は、十分長い時間
の平均値としてはゼロである。しかし、図に示したよう
に、十分短い時間でこの出力電流712を観測すれば、電
流パルス列が観測され、電流の瞬時値はゼロではない。
これが量子雑音(ショットノイズ)と呼ばれるものであ
る。試料による僅かな(例えば、光子列970から光子一個
が脱落する事象に対応するような)吸収が発生する場合
には、電子パルス列980から、電子一個分のパルス988が
消える。しかし、このような僅かな電流の減少は、上記
のようなショットノイズに埋もれてしまい、検出できな
い。
Next, the photon trains 970 and 971 are detected by photoelectric detection. The photon train incident on the photoelectric detector 521 is
The photon train 971 is a photon train incident on the photoelectric detector 522.
Photon train 970. Photoelectric detector 521 and photoelectric detector 522
Converts these photon trains into a stream of electrons. These photoelectron currents are phenomena in which each electron passes through the conducting wire, and can be represented by a current pulse train as shown in the figure.
This state is represented by an electron pulse train 980 and an electron pulse train 981. The subtraction circuit 711 obtains the difference between these electron pulse trains to obtain an output pulse train 990. The current of the output pulse train 990 is the output current 712. By the way, since the beam splitter 310 distributes photons to two optical paths with a probability of 50%, if there is no absorption by the sample 400,
The electronic pulse 980 and the electronic pulse train 981 cancel each other out. Therefore, the current value of the electronic pulse train 990 is zero as an average value for a sufficiently long time. However, as shown in the figure, if the output current 712 is observed in a sufficiently short time, a current pulse train is observed, and the instantaneous value of the current is not zero.
This is called quantum noise (shot noise). The electron pulse train 980 extinguishes a single electron pulse 988 when there is a small amount of absorption by the sample (eg, corresponding to the event of a photon loss from the photon train 970). However, such a slight decrease in current is buried in the shot noise as described above and cannot be detected.

【0010】一方、本発明に係る図4における参照光ビ
ーム21およびプローブ光ビーム22は、レーザー光源100
から放出される光子ビーム10の中の高いエネルギーの光
子1個が、エネルギー保存則に従って、エネルギーの小
さい二つの光子対に変換される過程によって生成され
る。従って、参照光ビーム21に光子が存在するときは、
必ずプローブ光ビーム22にも光子が存在する結果とな
る。このような状況を、前述のように、光子列を用いて
表現すると図のようになる。すなわち、レーザ光100の
出力を表す光子列901の各々の光子に対応して、光子が2
個づつ発生し、光子列910のように、同時刻に光子が2個
存在している描像が得られる。波長変換素子200を適当
に選択すれば、これらの光子対の偏光方向を直交した2
方向にすることができる。これらの各々の偏光モードに
対応して、参照光ビーム21及びプローブ光ビーム22が定
義されている。例えば、参照光ビーム21に対してP偏光
モード、プローブ光ビーム22に対して、S偏光モードを
対応させることができる。
On the other hand, the reference light beam 21 and the probe light beam 22 in FIG.
One high-energy photon in the photon beam 10 emitted from is generated by the process of being converted into two photon pairs of low energy according to the law of conservation of energy. Therefore, when photons are present in the reference light beam 21,
There will always be photons present in the probe light beam 22 as well. As described above, such a situation is expressed by using a photon train as shown in the figure. That is, there are two photons corresponding to each photon in the photon train 901 representing the output of the laser light 100.
An image in which two photons exist at the same time is obtained like the photon train 910. If the wavelength conversion element 200 is properly selected, the polarization directions of these photon pairs will be orthogonal to each other.
Can be direction. A reference light beam 21 and a probe light beam 22 are defined corresponding to each of these polarization modes. For example, the reference light beam 21 can be made to correspond to the P polarization mode, and the probe light beam 22 can be made to correspond to the S polarization mode.

【0011】参照光ビーム21及びプローブ光ビーム22
は、偏光方向の異なるビームであるから、光路分離手段
300として偏光ビームスプリッタを用いれば、二つの異
なる光路に分けることができる。これらの光路を各々光
路31及び光路41としている。例えば、参照光ビーム21が
P偏光である場合には、参照光ビーム21中の光子は必ず
透過し光路31上に向い、一方、プローブ光ビーム22はS
偏光であるから、プローブ光ビーム22中の光子は必ず反
射されて光路41上向う。その結果生成される光子列が、
光子列920及び光子列921によって表されている。図に示
したように、これらの光子列920及び921は、レーザ光源
100の一個の光子から同時に生成したものと考えられる
から、光子列910上の光子対と同様な、相関を持ってい
る。すなわち、光源の量子雑音に関して、両ビームは共
通の特性を持つことになる。
Reference light beam 21 and probe light beam 22
Is a beam with different polarization direction, the optical path separation means
If a polarization beam splitter is used as 300, it can be divided into two different optical paths. These optical paths are referred to as an optical path 31 and an optical path 41, respectively. For example, the reference light beam 21
When P-polarized, the photons in the reference light beam 21 are always transmitted and directed on the optical path 31, while the probe light beam 22 is S
Since it is polarized light, the photons in the probe light beam 22 are always reflected and travel up the optical path 41. The resulting photon train is
It is represented by photon array 920 and photon array 921. As shown in the figure, these photon trains 920 and 921 are laser light sources.
Since it is considered that they are generated simultaneously from one photon of 100, they have the same correlation as the photon pair on the photon train 910. That is, both beams have common characteristics with respect to the quantum noise of the light source.

【0012】光路41上に入射したプローブ光ビーム22
は、被測定試料400に入射し、さらに、光路42へ入射
し、光電検出器501によって電子パルス列940に変換され
る。試料による吸収がある場合には、光路42上のプロー
ブ光ビームから光子が脱落する。この様子を光子列930
のように表した。ここでは、脱落する光子を933として
いる。一方、光路31に入射した参照光ビーム21は、損失
無く光電検出器502に入射し、電子パルス列941に変換さ
れる。これらの電子パルス列は、引き算回路600に入力
され、出力パルス列950及び出力電流601が出力される。
The probe light beam 22 incident on the optical path 41
Enters the measured sample 400 and further enters the optical path 42, and is converted into an electronic pulse train 940 by the photoelectric detector 501. If there is absorption by the sample, photons will drop out of the probe light beam on path 42. This state is photon train 930
It expressed like. Here, the number of photons lost is 933. On the other hand, the reference light beam 21 that has entered the optical path 31 enters the photoelectric detector 502 without loss and is converted into an electron pulse train 941. These electron pulse trains are input to the subtraction circuit 600, and the output pulse train 950 and the output current 601 are output.

【0013】もし、試料400による吸収が無い場合に
は、電子パルス列940及び941が、1パルスごとに相殺
し、出力には電子パルスが生じない。1パルスごとに相
殺する理由は、これらの電子パルス列を生じる光子が、
同時に2個づつ生成されていたからである。この点が、
本発明が従来技術とは異なる点であり、引き算回路600
の出力の光子に由来するショットノイズは、光子一個ず
つのレベルで完全に相殺されているのである。このよう
なノイズの抑圧効果は、例えば、公知例1、ハイトマン
他著、フジィカル レビュー レターズ、第59巻、22
号、2555ページ、1987年 〔Heidmann et al.,
Phys. Rev. Lett., Vol. 59 No.22, p.2555,(198
7).〕、及び公知例2、ウゥーカー及び、セワルド著、
カンタムオプティクス、第1巻、75ページ、1987
年〔J.G.Walker and S.F.Seward, Quantum Opt., Vol.1
p.75,(1989).〕、に述べられている。
If there is no absorption by the sample 400, the electron pulse trains 940 and 941 cancel each other and no electron pulse is generated in the output. The reason for canceling each pulse is that the photons that generate these electron pulse trains are
This is because two of them were generated at the same time. This point
The present invention is different from the prior art in that the subtraction circuit 600
The shot noise derived from the photons at the output of is completely canceled at the level of each photon. Such noise suppression effect is described, for example, in Publicly Known Example 1, Hightman et al., Fujiaru Review Letters, Vol. 59, 22.
Issue, page 2555, 1987 [Heidmann et al.,
Phys. Rev. Lett., Vol. 59 No. 22, p. 2555, (198
7).], And known example 2, Wooker and Sewald,
Quantum Optics, Volume 1, p. 75, 1987
Year (JG Walker and SF Seward, Quantum Opt., Vol.1
p.75, (1989).].

【0014】したがって、図4に示したように、もし、
試料によるわずかな(光子1個のレベルの)吸収や散乱が
存在すると、これらの吸収、散乱に対応して、電子パル
ス列940から電子パルスが消える。脱落した光子933に対
応した消えた電子パルスを電子パルス944とする。その
結果、光電子列940及び941のバランスが崩れ、高感度に
検出される。
Therefore, as shown in FIG.
When slight absorption (at the level of one photon) or scattering by the sample exists, the electron pulse disappears from the electron pulse train 940 in response to these absorption and scattering. The disappeared electron pulse corresponding to the lost photon 933 is referred to as an electron pulse 944. As a result, the photoelectron trains 940 and 941 are out of balance and are detected with high sensitivity.

【0015】ここで、光電検出器501 および光電検出器
502の量子効率が十分1に近くなければ、光子列に損失
を与えるため、上述の効果が得られない点に注意する必
要がある。したがって、これらの検出器には、例えば、
PINダイオードのような、高い量子効率を有する光電検
出器を選択しなければならない。
Here, the photoelectric detector 501 and the photoelectric detector
It should be noted that unless the quantum efficiency of 502 is close enough to 1, the above effect cannot be obtained because the photon train is lost. Therefore, these detectors include, for example,
Photoelectric detectors with high quantum efficiency, such as PIN diodes, must be selected.

【0016】なお、上記公知例1及び上記公知例2で
は、雑音抑圧効果が検証されてはいるが、プローブ光の
光路上のみに試料を挿入するという構成は述べられてい
ない。また、公知例3、デブイシャート 他著、カンタ
ムオプティクス、第1巻、ページ3、1989年 〔T.D
ebuisschert et al., Quantum Opt., Vol. 1 p.3,(198
9).〕、においても、量子相関を有する光を用いた物体
の広がりの測定法の原理が述べられているが、この例で
は、プローブ光の減衰の測定とその雑音の抑圧効果につ
いては何も述べられていない。
It should be noted that, in the above-mentioned known examples 1 and 2, although the noise suppression effect has been verified, there is no description of the configuration in which the sample is inserted only on the optical path of the probe light. Also, known example 3, Debuischert et al., Quantum Optics, Volume 1, page 3, 1989 [TD
ebuisschert et al., Quantum Opt., Vol. 1 p.3, (198
9).] Also describes the principle of the method of measuring the spread of an object using light having quantum correlation, but in this example, the measurement of the probe light attenuation and its noise suppression effect are described. Is also not mentioned.

【0017】[0017]

【実施例】図5は本発明の一実施例として、半導体の製
造に用いられる材料ガス中の微量の不純物の定量、光フ
ァイバー中を伝播する光の減衰特性の測定、クリーンル
ーム内の空気中の微量塵埃の密度測定など、各種吸収測
定に本発明を適用した例を示す。光源として連続発振レ
ーザー110を用いる。連続発振レーザー110としては、例
えば、アルゴンイオンレーザー、連続発振Nd:YAG
レーザーの第二高調波などを用いることができる。波長
変換素子として、光パラメトリック発振器201を用い
る。光パラメトリック発振器201は、高反射率ミラー210
および211から成る十分高いフィネスを持った光共振器
と、その光共振器内で位相整合条件を満たすように配置
した、非線形光学素子250から構成される。上記非線形
光学素子は、例えば、各種無機非線形結晶(KTP,K
NbO3、Ba2NaNb515、LiNbO3など)、各
種有機非線形光学材料(低分子性結晶、低分子ドープポ
リマー)、あるいは、これらの材料によってドメイン反
転構造を形成した擬似位相整合素子など、を用いること
が出来る。また、これらの結晶の入射および出射端面
は、反射防止膜によってコートされている。このとき、
光パラメトリック発振器201に入射するポンプ光12のミ
ラー210での反射光によって、レーザー光の安定性が乱
されないように、光アイソレータ11を介してレーザー光
10と光パラメトリック発振器201が結合される。なお、1
3は、ミラーである。
EXAMPLE FIG. 5 shows, as an example of the present invention, quantification of a trace amount of impurities in a material gas used for manufacturing a semiconductor, measurement of attenuation characteristics of light propagating in an optical fiber, trace amount in air in a clean room. An example in which the present invention is applied to various absorption measurements such as dust density measurement will be described. A continuous wave laser 110 is used as a light source. Examples of the continuous wave laser 110 include an argon ion laser and a continuous wave Nd: YAG.
The second harmonic of the laser or the like can be used. An optical parametric oscillator 201 is used as the wavelength conversion element. The optical parametric oscillator 201 includes a high reflectance mirror 210.
And 211 and a nonlinear optical element 250 arranged so as to satisfy the phase matching condition in the optical resonator. The non-linear optical element is, for example, various inorganic non-linear crystals (KTP, K
NbO 3 , Ba 2 NaNb 5 O 15 , LiNbO 3, etc.), various organic nonlinear optical materials (low-molecular-weight crystals, low-molecular-weight doped polymers), or quasi-phase matching elements in which a domain inversion structure is formed by these materials, etc. Can be used. The entrance and exit end faces of these crystals are coated with an antireflection film. At this time,
The laser light is passed through the optical isolator 11 so that the stability of the laser light is not disturbed by the reflected light of the pump light 12 incident on the optical parametric oscillator 201 on the mirror 210.
10 and the optical parametric oscillator 201 are coupled. Note that 1
3 is a mirror.

【0018】上記非線形光学素子250の位相整合条件を
適当に選択すれば、光パラメトリック発振器201から出
力される参照光ビーム21およびプローブ光ビーム22は、
互いの偏光方向を直交させることができる。したがっ
て、偏光ビームスプリッタ301に上記2つの光ビームを
入射させると、参照光ビーム21は透過して光路31に入射
し、プローブ光ビーム22は反射されて光路41に入射する
ような配置が可能である。すなわち、偏光ビームスプリ
ッタ301は、図3の光路分離手段300の役割を果たしてい
る。なお、光パラメトリック発振器201の出力の二つの
光子ビームが互いに異なる波長を有する場合には、前記
光路分離手段として、プリズム等の波長選択素子を用い
ることができ、波長選択素子を用いると、波長変換素子
から発生する波長の異なる無相関光を除去できるため、
S/N比が改善される。
If the phase matching condition of the nonlinear optical element 250 is appropriately selected, the reference light beam 21 and the probe light beam 22 output from the optical parametric oscillator 201 are
The polarization directions of the two can be made orthogonal to each other. Therefore, when the two light beams are incident on the polarization beam splitter 301, the reference light beam 21 is transmitted and is incident on the optical path 31, and the probe light beam 22 is reflected and incident on the optical path 41. is there. That is, the polarization beam splitter 301 plays the role of the optical path separating means 300 of FIG. When the two photon beams output from the optical parametric oscillator 201 have different wavelengths, a wavelength selecting element such as a prism can be used as the optical path separating means. Since it is possible to remove uncorrelated light with different wavelengths generated from the element,
The S / N ratio is improved.

【0019】被測定試料400は、光路41上に挿入され
る。光路42に入射したプローブ光は光検出器511で、光
路31に入射した参照光は光電検出器512で各々光電子電
流信号に変換される。また、量子雑音の抑圧を可能にす
るためには、これらの光検出器511,512が十分大きい量
子効率を持つ必要があるため、上記参照光21およびプロ
ーブ光22の波長は光検出器511,512の量子効率の高い範
囲に設定される。例えば、アルゴンイオンレーザー、連
続発振Nd:YAGレーザーの第二高調波を用い、前記
非線形光学結晶を用いる場合には、InGaAs−PI
N,Si−PINホトダイオードなどを用いることがで
きる。データ処理部700では、例えば、被測定試料400の
濃度測定においては、既知の濃度の標準試料に対する測
定データを予めメモリーに蓄えておき、それと被測定試
料400に対する測定データを比較することにより、試料
の濃度が得られるような演算処理が行われる。
The sample 400 to be measured is inserted on the optical path 41. The probe light incident on the optical path 42 is converted to a photoelectron current signal by the photodetector 511, and the reference light incident on the optical path 31 is converted to a photoelectron current signal. Further, in order to enable suppression of quantum noise, these photodetectors 511 and 512 need to have sufficiently large quantum efficiency, so that the wavelengths of the reference light 21 and the probe light 22 are the quantum efficiency of the photodetectors 511 and 512. Is set to a high range. For example, when the second harmonic of an argon ion laser or a continuous wave Nd: YAG laser is used and the nonlinear optical crystal is used, InGaAs-PI is used.
An N, Si-PIN photodiode or the like can be used. In the data processing unit 700, for example, in the concentration measurement of the measured sample 400, the measurement data for the standard sample having a known concentration is stored in the memory in advance, and the measured data for the measured sample 400 is compared with the sample, The arithmetic processing is performed so that the density of is obtained.

【0020】この光計測装置の雑音源の主要なものは、
波長変換手段から発生する無相関光である。前記非線形
光学素子として各種無機非線形光学結晶を用いる場合に
は、Type-IIと呼ばれる位相整合条件を用いる方が、上
記無相関光を減らすことができ、有利である。前記非線
形光学結晶の代わりに、原子蒸気の非線形性を利用する
手段も有効である。
The main noise sources of this optical measuring device are
It is uncorrelated light generated from the wavelength conversion means. When various inorganic nonlinear optical crystals are used as the nonlinear optical element, it is advantageous to use a phase matching condition called Type-II because the above-mentioned non-correlated light can be reduced. It is also effective to use the nonlinearity of atomic vapor instead of the nonlinear optical crystal.

【0021】信号処理の仕方は、プローブ光に対する光
検出器の出力をIP、参照光に対する光検出器の出力を
Rとすると、(IR−IP)/IR、(IR−IP)/(IR+IP)
など、いろいろの信号処理が可能なことは言うまでもな
い。
The manner of signal processing, outputs the I P of the photodetector for the probe light, and the output of the photodetector and I R for the reference beam, (I R -I P) / I R, (I R - I P ) / (I R + I P )
Needless to say, various signal processing is possible.

【0022】また、本実施例は試料の吸収量の測定に本
発明を応用したものであるが、本発明の測定対象はこれ
に限らず、干渉光学系など相互作用により光子数に変化
をもたらすものには適用可能である。
Further, although the present invention is applied to the measurement of the absorption amount of the sample in the present embodiment, the object of measurement of the present invention is not limited to this, and the number of photons is changed by the interaction such as the interference optical system. It can be applied to anything.

【0023】また、波長変換素子として、カスケード遷
移過程の生じる物質を用いることもでき、この場合、カ
スケード遷移過程によって生じる2個の光子の一方をプ
ローブ光、他方を参照光として用いればよい。
As the wavelength conversion element, a substance that undergoes a cascade transition process may be used. In this case, one of the two photons produced by the cascade transition process may be used as probe light and the other may be used as reference light.

【0024】図6は、本発明を試料濃度測定装置に適用
した第2の実施例を示す。本実施例では、レーザーとし
て、パルス発振レーザー120を用いている。上記パルス
発振レーザとして、モードロックQスイッチNd:YA
Gレーザーの第二高調波などを用いることが出来る。こ
の実施例では、図3における波長変換素子200とし
て、光パラメトリック増幅器202を用いている。上記光
パラメトリック増幅器202は位相整合条件を満たすよう
に配置した、非線形光学結晶で構成される。上記非線形
光学結晶は、例えば、KTP,KNbO3、Ba2NaN
515、LiNbO3などを選ぶことが出来る。これら
の結晶の入射および出射端面は、反射防止膜によってコ
ートされている。パルス光を励起光源に用いることで、
ピークパワーを十分大きくとることができるので、前記
波長変換素子の変換効率が十分高くなる。このため、前
記パルス発振レーザーが結晶中を1回通過することで、
十分な強度の参照光21およびプローブ光22が得られる。
また、発生した光子ビームが多数回結晶中を通過しない
ことから、共振器中の結晶に要求されるような反射防止
コートへの要求が軽減される点で有利である。
FIG. 6 shows a second embodiment in which the present invention is applied to a sample concentration measuring device. In this embodiment, a pulsed laser 120 is used as the laser. As the pulsed laser, a mode-locked Q switch Nd: YA
The second harmonic of G laser can be used. In this embodiment, an optical parametric amplifier 202 is used as the wavelength conversion element 200 in FIG. The optical parametric amplifier 202 is composed of a nonlinear optical crystal arranged so as to satisfy the phase matching condition. The above-mentioned nonlinear optical crystal is, for example, KTP, KNbO 3 , Ba 2 NaN.
b 5 O 15 or LiNbO 3 can be selected. The entrance and exit end faces of these crystals are coated with an antireflection film. By using pulsed light as the excitation light source,
Since the peak power can be made sufficiently large, the conversion efficiency of the wavelength conversion element becomes sufficiently high. Therefore, when the pulsed laser passes through the crystal once,
The reference light 21 and the probe light 22 having a sufficient intensity can be obtained.
Further, since the generated photon beam does not pass through the crystal a large number of times, it is advantageous in that the requirement for the antireflection coat required for the crystal in the resonator is reduced.

【0025】前述のように、上記非線形光学結晶の位相
整合条件を適当に選択することにより、光パラメトリッ
ク増幅器202から出力される二つの参照光21およびプロ
ーブ光22は、互いの偏光方向を直交させることができ、
偏光ビームスプリッタ301によって上記2つの光子ビー
ムを分離するこができる。光パラメトリック増幅器202
の出力の二つの光子ビームが、互いに異なる波長を有す
る場合には、前記光路分離手段として、プリズム等の波
長選択素子を用いることが出来ることは、前述の実施例
と同じである。
As described above, by appropriately selecting the phase matching condition of the nonlinear optical crystal, the two reference light 21 and the probe light 22 output from the optical parametric amplifier 202 have their polarization directions orthogonal to each other. It is possible,
The polarization beam splitter 301 can separate the two photon beams. Optical parametric amplifier 202
When the two photon beams of the outputs have different wavelengths from each other, a wavelength selecting element such as a prism can be used as the optical path separating means, as in the above-described embodiment.

【0026】偏光ビームスプリッタで分けられた光子ビ
ームは、光路31および光路41上に入射する。被測定試料
400は、光路41上に挿入される。光路42に入射したプロ
ーブ光は光検出器511で光電子電流信号に変換される。
一方、光路31に入射した光は遅延素子800を通過した
後、参照光として光検出器512に入射し光電子電流信号
に変換される。ショットノイズの抑圧のために、上記二
つの光路31および41上を通過するパルス光の波束が、同
時刻に光検出器511および512に入射するように、遅延素
子800が与える遅延時間を決める。また、ショットノイ
ズの抑圧を可能にするために、これらの光検出器511,51
2は十分量子効率の高いものが必要であることは、前述
の実施例と同じである。例えば、モードロックQスイッ
チNd:YAGレーザーの第二高調波を用い、前記非線
形光学結晶を用いる場合には、InGaAs−PIN,
Si−PINホトダイオードなどを用いることができ
る。データ処理部700の動作は、図5に示した実施例と
同じである。ただし、高速光パルスに対する十分な応答
性が得られるように、電子回路系は、十分応答性の高い
ものを選択する必要がある。
The photon beams split by the polarization beam splitter are incident on the optical path 31 and the optical path 41. Sample to be measured
400 is inserted on the optical path 41. The probe light incident on the optical path 42 is converted into a photoelectron current signal by the photodetector 511.
On the other hand, the light that has entered the optical path 31 passes through the delay element 800 and then enters the photodetector 512 as reference light and is converted into a photoelectron current signal. In order to suppress shot noise, the delay time provided by the delay element 800 is determined so that the wave packet of the pulsed light passing through the two optical paths 31 and 41 enters the photodetectors 511 and 512 at the same time. In addition, in order to suppress shot noise, these photodetectors 511, 51
It is the same as the above-mentioned embodiment that 2 needs to have sufficiently high quantum efficiency. For example, when the second harmonic of a mode-locked Q-switched Nd: YAG laser is used and the nonlinear optical crystal is used, InGaAs-PIN,
A Si-PIN photodiode or the like can be used. The operation of the data processing unit 700 is the same as that of the embodiment shown in FIG. However, it is necessary to select an electronic circuit system having sufficiently high response so that sufficient response to a high-speed optical pulse can be obtained.

【0027】図7は、本発明を試料の光学活性を測定す
る装置に適用した実施例である。図7において、レーザ
ー100、波長変換素子200、光路分離手段300は、引き算
回路600、データ処理部700は、図3、図5または図6に
示したものと同様である。すなわち、レーザ100とし
て、連続またはパルス発振レーザーを用い、波長変換素
子200として、光パラメトリック発振器、または、光パ
ラメトリック増幅器を用い、また、光路分離手段として
プリズム、または偏光ビームスプリッタを用いることが
できる。
FIG. 7 shows an embodiment in which the present invention is applied to an apparatus for measuring the optical activity of a sample. In FIG. 7, the laser 100, the wavelength conversion element 200, the optical path separating means 300, the subtraction circuit 600, and the data processing unit 700 are the same as those shown in FIG. 3, FIG. 5, or FIG. That is, a continuous or pulsed laser can be used as the laser 100, an optical parametric oscillator or an optical parametric amplifier can be used as the wavelength conversion element 200, and a prism or a polarization beam splitter can be used as the optical path separating means.

【0028】本実施例では、光学活性のうち、磁気光学
効果を検出することにより試料濃度測定装置を構成する
例を示しているが、一般に、光学活性を有する試料の測
定においては、図7の実施例中で磁場印加手段1000は必
要無い。被測定試料410は、光路41上に挿入される。磁
場印加手段1000により、光路と垂直で、かつ、その光路
の光の偏光方向と45°の角度を持つ方向を持った磁場を
被測定試料410に印加する。被測定試料410を透過した光
は、試料と相互作用する結果、楕円偏光に変換される。
このような磁気光学効果をフォークト効果と呼び、この
ような磁場の配置をフォークト配置と呼ぶ。光路42に入
射したプローブ光のうち、光路41上のプローブ光の偏光
方向の成分と等しい偏光方向を持った光子のみを検光子
900により選択し、光検出器511で光電子電流信号IS
変換する。すなわち、検光子900は、被測定試料410との
相互作用による偏光状態の変化が生じなかった光子のみ
を検出する役目をする。
This embodiment shows an example in which the sample concentration measuring device is constructed by detecting the magneto-optical effect among the optical activities. Generally, in the measurement of a sample having an optical activity, the sample concentration measuring device shown in FIG. The magnetic field applying means 1000 is not necessary in the embodiment. The sample 410 to be measured is inserted on the optical path 41. The magnetic field applying means 1000 applies a magnetic field perpendicular to the optical path and having a direction having an angle of 45 ° to the polarization direction of the light in the optical path to the sample to be measured 410. The light transmitted through the measured sample 410 is converted into elliptically polarized light as a result of interacting with the sample.
Such a magneto-optical effect is called Voigt effect, and an arrangement of such a magnetic field is called Voigt arrangement. Of the probe light incident on the optical path 42, only the photon having the polarization direction equal to the component of the polarization direction of the probe light on the optical path 41 is analyzed.
It is selected by 900 and converted into a photoelectron current signal I S by the photodetector 511. That is, the analyzer 900 serves to detect only the photons whose polarization state has not changed due to the interaction with the measured sample 410.

【0029】光路31に入射した光は参照光として光検出
器512で光電子電流信号IRに変換される。これらの光検
出器511,512は十分大きい量子効率を持つ。引き算回路6
00により、二つの光検出器511,512の出力の差信号(IR
−IS)を取ると、フォークト効果による入射光の変化量
に比例した信号が得られる。なお、この方法では、試料
による入射光の偏光の変化と試料による入射光の減衰の
和信号が検出されることになる。データ処理部700の動
作は、図5に示した実施例と同じである。
The light incident on the optical path 31 is converted into a photoelectron current signal I R by the photodetector 512 as reference light. These photodetectors 511 and 512 have sufficiently large quantum efficiency. Subtraction circuit 6
00, the difference signal (I R
By taking -I S ), a signal proportional to the amount of change in incident light due to the Voigt effect can be obtained. In this method, the sum signal of the change in the polarization of the incident light by the sample and the attenuation of the incident light by the sample is detected. The operation of the data processing unit 700 is the same as that of the embodiment shown in FIG.

【0030】以上はフォークト配置の場合であるが、磁
場の印加方向を光路に平行にすることもできる。この場
合、試料に入射した光は、試料と相互作用する結果、そ
の偏光方向が回転する。このような磁気光学効果をファ
ラデー効果と呼び、このような磁場の配置をファラデー
配置と呼ぶ。この場合も、ファラデー効果による入射光
の変化量に比例した信号が、引き算回路600の出力とし
て得られる。
The above is the case of Voigt arrangement, but it is also possible to make the magnetic field application direction parallel to the optical path. In this case, the light incident on the sample interacts with the sample, and as a result, the polarization direction of the light rotates. Such a magneto-optical effect is called a Faraday effect, and such a magnetic field arrangement is called a Faraday arrangement. Also in this case, a signal proportional to the amount of change in the incident light due to the Faraday effect is obtained as the output of the subtraction circuit 600.

【0031】図8は、本発明を試料の光学活性を測定す
る装置に適用した実施例である。図8において、レーザ
ー100、波長変換素子200、光路分離手段301、引き算回
路600、データ処理部700は、図3、図5または図6に示
したものと同様である。すなわち、レーザ100として、
連続またはパルス発振レーザーを用い、波長変換素子20
0として、光パラメトリック発振器、または、光パラメ
トリック増幅器を用いる、また、光路分離手段301とし
てプリズム、または偏光ビームスプリッタを用いること
ができる。
FIG. 8 shows an embodiment in which the present invention is applied to an apparatus for measuring the optical activity of a sample. In FIG. 8, the laser 100, the wavelength conversion element 200, the optical path separating means 301, the subtraction circuit 600, and the data processing unit 700 are the same as those shown in FIG. 3, FIG. 5, or FIG. That is, as the laser 100,
Wavelength conversion element 20 using continuous or pulsed laser
An optical parametric oscillator or an optical parametric amplifier can be used as 0, and a prism or a polarization beam splitter can be used as the optical path separating means 301.

【0032】この実施例において、波長変換素子200に
よって作られる一対の光子は、同一光路上にはあるが、
波長が異なっており、さらに互いの偏光方向が直交した
偏光モードを有する光子対である。そして、波長λ1
参照光21と波長λ2のプローブ光22の両光子ビームを、
光学活性を有する被測定試料410に透過させ、透過光を
偏光ビームスプリッタ301により、光子対の偏光モード
の違いに対応した二つの光路に分け、それぞれを光検出
器511,512で検出する。この方法は、被測定試料410が、
波長λ2のプローブ光22に対して光学活性を持ち、波長
λ1の参照光21に対しては光学活性を持たない場合に有
効である。
In this embodiment, the pair of photons produced by the wavelength conversion element 200 are on the same optical path,
A pair of photons having different wavelengths and having polarization modes whose polarization directions are orthogonal to each other. Then, both the photon beam of wavelength lambda 1 of the reference beam 21 and the wavelength lambda 2 of the probe light 22,
The light is transmitted through the sample 410 to be measured having an optical activity, and the transmitted light is divided into two optical paths corresponding to the difference in polarization mode of the photon pair by the polarization beam splitter 301, and detected by photodetectors 511 and 512, respectively. In this method, the measured sample 410 is
Have optically active with respect to the probe light 22 of the wavelength lambda 2, is effective when no optical activity with respect to the wavelength lambda 1 of the reference light 21.

【0033】図8において、波長λ1の参照光21に対し
ては、被測定試料410は光学異方性を示さないので、被
測定試料410を透過した光ビーム25の中の光子に偏光
状態の変化は無い。光ビーム25となった波長λ1の光子
を透過するように偏光ビームスプリッタ301を配置する
と、波長λ1の光子は光路32に入射し、光検出器512で検
出される。
In FIG. 8, since the sample 410 to be measured does not exhibit optical anisotropy with respect to the reference light 21 having the wavelength λ 1 , the photons in the light beam 25 transmitted through the sample 410 to be measured are polarized. There is no change. When the polarization beam splitter 301 is arranged so as to transmit the photons of the wavelength λ 1 that have become the light beam 25, the photons of the wavelength λ 1 enter the optical path 32 and are detected by the photodetector 512.

【0034】一方、波長λ2のプローブ光22が被測定試
料410を透過し光ビーム26に入射したとすると、被測定
試料410の有する旋光性により、入射したプローブ光22
の偏光方向と直交した偏光方向を有する波長λ2の成分
が発生する。この成分の偏光方向は、波長λ1の参照光2
1の偏光方向に平行であるから、偏光ビームスプリッタ3
01を透過して光路33に入射し、光検出器512で検出され
る。被測定試料410で偏光状態が変化しなかった波長λ2
の成分は、偏光ビームスプリッタ301によって反射さ
れ、光路43に入射し、光検出器511で検出される。
On the other hand, if the probe light 22 having the wavelength λ 2 is transmitted through the sample 410 to be measured and is incident on the light beam 26, the incident probe light 22 due to the optical rotatory power of the sample 410 to be measured.
A component of wavelength λ 2 having a polarization direction orthogonal to the polarization direction of is generated. The polarization direction of this component, the wavelength lambda 1 of the reference beam 2
Since it is parallel to the polarization direction of 1, the polarization beam splitter 3
The light passes through 01, enters the optical path 33, and is detected by the photodetector 512. Wavelength λ 2 where the polarization state did not change in measured sample 410
The component of is reflected by the polarization beam splitter 301, enters the optical path 43, and is detected by the photodetector 511.

【0035】この方法によれば、光電子電流の引き算の
出力には、プローブ光の1光子の偏光状態の変化が、光
電子2個分の電荷量になって現れる。したがって、本実
施例で得られる、偏光状態の変化に対応する信号強度の
変化は、図7に示した実施例で得られる信号強度の変化
の2倍になるという特徴を持っている。
According to this method, in the output of subtraction of the photoelectron current, a change in the polarization state of one photon of the probe light appears as a charge amount of two photoelectrons. Therefore, the change of the signal intensity corresponding to the change of the polarization state obtained in the present embodiment is characterized by being twice as large as the change of the signal intensity obtained in the embodiment shown in FIG.

【0036】図9(a)は、本発明を、ラマン活性を有す
る物質の検出装置に応用した実施例を示す。図9(a)に
おいて、レーザー100、波長変換素子200、光路分離手段
300、引き算回路600、データ処理部700は、図3、図5
または図6に示したものと同様である。すなわち、レー
ザ100として、連続またはパルス発振レーザーを用い、
波長変換素子200として、光パラメトリック発振器、ま
たは、光パラメトリック増幅器を用い、また、光路分離
手段としてプリズム、または偏光ビームスプリッタを用
いることができる。
FIG. 9 (a) shows an embodiment in which the present invention is applied to an apparatus for detecting a substance having Raman activity. In FIG. 9 (a), a laser 100, a wavelength conversion element 200, an optical path separation means
300, the subtraction circuit 600, and the data processing unit 700 are shown in FIGS.
Alternatively, it is similar to that shown in FIG. That is, a continuous or pulsed laser is used as the laser 100,
An optical parametric oscillator or an optical parametric amplifier can be used as the wavelength conversion element 200, and a prism or a polarization beam splitter can be used as the optical path separating means.

【0037】上記波長変換素子200から得られる光子対
ビームのうち、一方をプローブ光22とし、他方を参照光
21とする。光路分離手段300によって、参照光21は光路3
1に入射し、プローブ光22はプローブ光50に変換され、
ラマンセル420に入射し、透過プローブ光51およびラマ
ン散乱光60を発生する。信号選択手段430は、これらの
信号のうち、入射光50と波長および偏光方向が等しい
光、すなわち、透過プローブ光51のみを選択的に透過
し、光検出器511に入射する。引き算回路600およびデー
タ処理部700の動作も、図3、図5または図6に示した
ものと同様であり、これらの方法によって、プローブ光
50のラマンセル透過による減衰を測定する。プローブ光
周波数ω1と、ラマン散乱信号周波数ω2との関係を図9
(b)に示した。図9(b)において、|e>および|g>は、各
々被検出物質の励起状態、基底状態を表し、これらの状
態間のエネルギー差が、hΩである。なお、hはプランク
定数である。図に示したように、プローブ光の周波数
は、被検出物質の共鳴吸収が生じるようなエネルギー領
域からは十分離れている。一般に、ラマン散乱断面積
は、共鳴吸収の断面積に比べ非常に小さく、このため、
ラマンセルを透過するプローブ光の減衰は十分小さい。
したがって、プローブ光50と参照光31の量子相関を崩す
ことなく、ラマンセル透過光を検出できる。
Of the photon pair beams obtained from the wavelength conversion element 200, one is the probe light 22 and the other is the reference light.
21. The reference light 21 is converted into the optical path 3 by the optical path separating means 300.
Incident on 1, the probe light 22 is converted into probe light 50,
It is incident on the Raman cell 420 and generates transmitted probe light 51 and Raman scattered light 60. Of these signals, the signal selection means 430 selectively transmits only the light having the same wavelength and polarization direction as the incident light 50, that is, the transmitted probe light 51, and makes it incident on the photodetector 511. The operations of the subtraction circuit 600 and the data processing unit 700 are also the same as those shown in FIG. 3, FIG. 5, or FIG.
The attenuation due to Raman cell transmission of 50 is measured. FIG. 9 shows the relationship between the probe light frequency ω 1 and the Raman scattered signal frequency ω 2 .
It is shown in (b). In FIG. 9B, | e> and | g> respectively represent the excited state and the ground state of the substance to be detected, and the energy difference between these states is hΩ. Note that h is Planck's constant. As shown in the figure, the frequency of the probe light is sufficiently far from the energy region where resonance absorption of the substance to be detected occurs. In general, the Raman scattering cross section is much smaller than the resonance absorption cross section, so
The attenuation of the probe light transmitted through the Raman cell is sufficiently small.
Therefore, the Raman cell transmitted light can be detected without breaking the quantum correlation between the probe light 50 and the reference light 31.

【0038】図10は、本発明を、ラマン活性を有する
物質の検出装置に応用した他の実施例を示す。本実施例
は、図9(a)の実施例に、ポンプ光15を発生するレーザ1
50、ポンプ光15とプローブ光50の交差角を調整するため
のレンズ16、および、プローブ光選択手段430を新たに
導入した以外は、図9(a)に示した実施例と同様の構成
要素を持ち、また、これらの動作も同様である。
FIG. 10 shows another embodiment in which the present invention is applied to a device for detecting a substance having Raman activity. This embodiment is different from the embodiment shown in FIG. 9A in that the laser 1 for generating the pump light 15 is used.
50, the lens 16 for adjusting the crossing angle of the pump light 15 and the probe light 50, and the probe light selecting means 430 are newly introduced, and the same components as those of the embodiment shown in FIG. 9A. , And these operations are similar.

【0039】本実施例においては、ポンプ光15の存在に
よって、ラマンセル420からの信号には、透過プローブ
光52に加えて、逆ラマン信号61、コーヒーレント反スト
ークスラマン信号62、誘導ラマン信号63、などが発生す
る。これらの過程が発生することによりプローブ光の光
子数に変化が生じ、ラマン活性物質の検出が行える。
In the present embodiment, due to the presence of the pump light 15, in addition to the transmitted probe light 52, the signal from the Raman cell 420 includes the inverse Raman signal 61, the coherent anti-Stokes Raman signal 62, the stimulated Raman signal 63, And so on. When these processes occur, the number of photons in the probe light changes, and the Raman active substance can be detected.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明により、極めて低雑音の光計測装
置が可能になり、極めて微量の物質の同程や、微弱な光
学的性質の変化の測定が可能になる。
Industrial Applicability According to the present invention, an extremely low noise optical measuring device can be realized, and it becomes possible to measure an extremely small amount of a substance and a weak change in optical properties.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明者等が従来用いていた光計測装置の構成
を示す図
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical measuring device that has been conventionally used by the present inventors.

【図2】図1に示す装置の原理を説明するための図FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the device shown in FIG.

【図3】本発明に係る光計測装置の構成を示す図FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical measuring device according to the present invention.

【図4】図3に示す装置の原理を説明するための図FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the device shown in FIG.

【図5】本発明の第1の実施例の構成を示す図FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a first exemplary embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例の構成を示す図FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a second exemplary embodiment of the present invention.

【図7】本発明を試料の光学活性を測定する装置に適用
した例を示す図
FIG. 7 is a diagram showing an example in which the present invention is applied to an apparatus for measuring the optical activity of a sample.

【図8】本発明を試料の光学活性を測定する装置に適用
した実施例を示す図
FIG. 8 is a diagram showing an example in which the present invention is applied to an apparatus for measuring the optical activity of a sample.

【図9】本発明をラマン活性を有する物質の検出装置に
応用した実施例を示す図
FIG. 9 is a diagram showing an example in which the present invention is applied to a detection device for a substance having Raman activity.

【図10】本発明をラマン活性を有する物質の検出装置
に応用した他の実施例を示す図
FIG. 10 is a diagram showing another embodiment in which the present invention is applied to a detection device for a substance having Raman activity.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…レーザ光、12…ポンプ光、13…ミラー、15
…第2のポンプ光、16…交差角調整用レンズ、21…
参照光、22…プローブ光、25…被測定試料を透過し
た波長λ1の光子の光路、26…被測定試料を透過した
波長λ2の光子の光路、31…光路、32…偏光ビーム
スプリッタを透過した波長λ1の光子、33…偏光ビー
ムスプリッタを透過した波長λ2の光子、41…光路、
43…偏光ビームスプリッタで反射された波長λ2の光
子、45…光ビーム、46…光ビーム、50…プローブ
光、51…透過プローブ光、52…透過プローブ光、6
1…逆ラマン信号、62…コヒーレント反ストークスラ
マン信号、63…誘導ラマン信号。
10 ... Laser light, 12 ... Pump light, 13 ... Mirror, 15
... second pump light, 16 ... intersection angle adjusting lens, 21 ...
Reference light, 22 ... probe light, 25 ... photon optical path of the wavelength lambda 1 that has passed through the sample to be measured, 26 ... photon optical path of the wavelength lambda 2 that has passed through the sample to be measured, 31 ... optical path, 32 ... polarizing beam splitter Photon of wavelength λ 1 transmitted, 33 ... Photon of wavelength λ 2 transmitted through polarization beam splitter, 41 ... Optical path,
43 ... Photon of wavelength λ 2 reflected by the polarization beam splitter, 45 ... Light beam, 46 ... Light beam, 50 ... Probe light, 51 ... Transmission probe light, 52 ... Transmission probe light, 6
1 ... Inverse Raman signal, 62 ... Coherent anti-Stokes Raman signal, 63 ... Guided Raman signal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】光源と、前記光源から放射される一つの光
子を第一の光子と第二の光子よりなる光子対に変換する
ための第一の手段と、前記光子対の光路を前記第一の光
子が通過し、かつ、その光路中に被測定試料を挿入する
ための第一の光路と前記第二の光子が通過する第二の光
路とに分離するための第二の手段と、前記第一の光路上
に設けられ、その光の強度を検出するための第三の手段
と、前記第二の光路上に設けられ、その光の強度を検出
するための第四の手段と、前記第三の手段および第四の
手段の各々の出力値に基づいて前記光源の持つ量子雑音
を相殺するための第五の手段と、前記第五の手段の出力
値に基づいて前記被測定試料の光学的特性を測定するた
めの第六の手段とを有することを特徴とする光計測装
置。 【請求項2】前記光源はレーザ光源であることを特徴と
する請求項1記載の光計測装置。 【請求項3】前記第一の手段は波長変換素子であること
を特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項4】前記第二の手段は偏光ビームスプリッタで
あることを特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項5】前記第二の手段はプリズムであることを特
徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項6】前記第三の手段および第四の手段は光電変
換素子であることを特徴とする請求項1記載の光計測装
置。 【請求項7】前記第五の手段は引き算機能を有すること
を特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項8】前記第五の手段は、IRを前記第三の手段
の出力値、IPを前記第四の手段の出力値とするとき、
少なくとも(IR−IP)/IRまたは(IR−IP)/
(IR+IP)のいずれか一方の演算機能を有することを
特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項9】前記光学的特性の測定は少なくとも次のい
ずれか一つであることを特徴とする請求項1記載の光計
測装置; (a)前記被測定試料はガスであり、前記ガス中の特定の
物質の濃度の光学的測定、 (b)前記被測定試料は光ファイバであり、前記光ファイ
バ中を伝播する光の減衰特性の測定、 (c)前記被測定試料の光学活性の測定、 (d)前記被測定試料の光学活性のうち磁気光学効果を検
出することにより前記被測定試料中の特定物質の濃度測
定、 (e)前記被測定試料中のラマン活性を有する物質の光学
的検出のための測定、 (f)前記被測定試料はラマンセルであり、前記ラマンセ
ルの透過光を検出するための測定。 【請求項10】前記第六の手段はデータ処理部であるこ
とを特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項11】前記被測定試料は、半導体製造に用いら
れる材料ガス、光ファイバ中を伝播する光、塵埃を含有
するガスまたはラマン活性を有する物質のいずれかであ
ることを特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項12】前記第二の光路中には遅延回路が挿入さ
れていることを特徴とする請求項1記載の光計測装置。 【請求項13】前記被測定試料に磁場を印加するための
第七の手段を有することを特徴とする請求項1記載の光
計測装置。 【請求項14】前記被測定試料はラマンセルであり、前
記ラマンセルと前記第三の手段との間の前記第一の光路
中には信号選択手段が挿入されていることを特徴とする
請求項1記載の光計測装置。 【請求項15】光源と、前記光源から放射される一つの
光子を第一のモードの光子と第二のモードの光子よりな
る光子対に変換するための第一の手段と、前記光子対の
光路を前記第一のモードに対応した第一の光路と前記第
二の光子が通過する第二の光路とに分離するための第二
の手段と、前記第一の光路上に設けられ、その光の強度
を検出するための第三の手段と、前記第二の光路上に設
けられ、その光の強度を検出するための第四の手段と、
前記光子対の光路上に挿入された被測定試料と、前記第
三の手段および第四の手段の各々の出力値に基づいて前
記光源の持つ量子雑音を相殺するための第五の手段と、
前記第五の手段の出力値に基づいて前記被測定試料の光
学的特性を測定するための第六の手段とを有することを
特徴とする光計測装置。 【請求項16】前記光源は、レーザ光源であることを特
徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項17】前記第一の手段は波長変換素子であるこ
とを特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項18】前記第二の手段は偏光ビームスプリッタ
であることを特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項19】前記第二の手段はプリズムであることを
特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項20】前記第三の手段および第四の手段は光電
変換素子であることを特徴とする請求項15記載の光計
測装置。 【請求項21】前記第五の手段は引き算機能を有するこ
とを特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項22】前記第五の手段は、IRを前記第三の手
段の出力値、IPを前記第四の手段の出力値とすると
き、少なくとも(IR−IP)/IRまたは(IR−IP
/(IR+IP)のいずれか一方の演算機能を有すること
を特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項23】前記光学的特性の測定は少なくとも次の
いずれか一つであることを特徴とする請求項15記載の
光計測装置; (a)前記被測定試料の光学活性の測定、 (b)前記被測定試料の光学活性のうち磁気光学効果を検
出することにより前記被測定試料中の特定物質の濃度測
定、 【請求項24】前記第六の手段はデータ処理部であるこ
とを特徴とする請求項15記載の光計測装置。 【請求項25】前記被測定試料は、ラマン活性を有する
物質であることを特徴とする請求項15記載の光計測装
置。 【請求項26】前記第二の光路中には遅延回路が挿入さ
れていることを特徴とする請求項15記載の光計測装
置。 【請求項27】前記被測定試料に磁場を印加するための
第七の手段を有することを特徴とする請求項15記載の
光計測装置。 【請求項28】光源から放射される一つの光子を第一の
光子と第二の光子よりなる光子対に変換し、前記光子対
の光路を前記第一の光子が通過し、かつ、その光路中に
被測定試料を挿入するための第一の光路と前記第二の光
子が通過する第二の光路とに分離し、前記第一の光路上
に設けられた第一の手段によってその光の強度を検出
し、前記第二の光路上に設けられた第二の手段によって
その光の強度を検出し、前記第一の手段および第二の手
段によって検出された各々の光の強度の出力値に基づい
て前記光源の持つ量子雑音を相殺する処理を行い、その
処理に基づく出力値に基づいて前記被測定試料の光学的
特性を測定することを特徴とする光学的計測方法。 【請求項29】光源から放射される一つの光子を第一の
モードの光子と第二のモードの光子よりなる光子対に変
換し、前記光子対を被測定試料中へ入射させ、前記被測
定試料中から出射した前記光子対の光路を前記第一のモ
ードに対応した第一の光路と前記第二のモードに対応し
た第二の光路とに分離し、前記第一の光路上に設けられ
た第一の手段によってその光の強度を検出し、前記第二
の光路上に設けられた第二の手段によってその光の強度
を検出し、前記第一の手段および第二の手段の各々の出
力値に基づいて前記光源の持つ量子雑音を相殺する処理
を行い、その処理に基づく出力値に基づいて前記被測定
試料の光学的特性を測定することを特徴とする光学的計
測方法。
Claim: What is claimed is: 1. A light source, a first means for converting one photon emitted from the light source into a photon pair consisting of a first photon and a second photon, and the photon. The first photon passes through a pair of optical paths, and, for separating into a second optical path through which the first optical path for inserting a sample to be measured into the optical path and the second photon passes through. Second means, provided on the first optical path, third means for detecting the intensity of the light, and provided on the second optical path, for detecting the intensity of the light Fourth means, fifth means for canceling the quantum noise of the light source based on the output values of the third means and the fourth means, and the output value of the fifth means And an optical measuring device for measuring the optical characteristics of the sample to be measured based on the sixth means. Place 2. The optical measuring device according to claim 1, wherein the light source is a laser light source. 3. The optical measuring device according to claim 1, wherein the first means is a wavelength conversion element. 4. The optical measuring device according to claim 1, wherein the second means is a polarization beam splitter. 5. The optical measuring device according to claim 1, wherein the second means is a prism. 6. The optical measuring device according to claim 1, wherein the third means and the fourth means are photoelectric conversion elements. 7. The optical measuring device according to claim 1, wherein the fifth means has a subtraction function. 8. The fifth means, when I R is an output value of the third means and I P is an output value of the fourth means,
At least (I R -I P) / I R or (I R -I P) /
The optical measurement device according to claim 1, wherein the optical measurement device has a calculation function of any one of (I R + I P ). 9. The optical measuring device according to claim 1, wherein the optical characteristic is measured by at least one of the following: (a) the sample to be measured is a gas, and Optical measurement of the concentration of a specific substance, (b) the measurement sample is an optical fiber, the measurement of the attenuation characteristics of light propagating in the optical fiber, (c) the measurement of the optical activity of the measurement sample , (D) measuring the concentration of a specific substance in the sample to be measured by detecting a magneto-optical effect among the optical activities of the sample to be measured, (e) optical measurement of a substance having Raman activity in the sample to be measured, Measurement for detection, (f) Measurement for detecting transmitted light of the Raman cell, wherein the sample to be measured is Raman cell. 10. The optical measuring device according to claim 1, wherein the sixth means is a data processing unit. 11. The sample to be measured is any one of a material gas used for semiconductor manufacturing, light propagating in an optical fiber, a gas containing dust and a substance having Raman activity. 1. The optical measuring device according to 1. 12. The optical measuring device according to claim 1, wherein a delay circuit is inserted in the second optical path. 13. The optical measuring device according to claim 1, further comprising a seventh means for applying a magnetic field to the sample to be measured. 14. The sample to be measured is a Raman cell, and signal selecting means is inserted in the first optical path between the Raman cell and the third means. The optical measurement device described. 15. A light source, a first means for converting one photon emitted from the light source into a photon pair consisting of a first mode photon and a second mode photon, and a photon pair of the photon pair. Second means for separating an optical path into a first optical path corresponding to the first mode and a second optical path through which the second photon passes, and provided on the first optical path, Third means for detecting the intensity of light, and a fourth means provided on the second optical path for detecting the intensity of the light,
A sample to be measured inserted on the optical path of the photon pair, and a fifth means for canceling the quantum noise of the light source based on the output value of each of the third means and the fourth means,
And a sixth means for measuring the optical characteristics of the sample to be measured based on the output value of the fifth means. 16. The optical measuring device according to claim 15, wherein the light source is a laser light source. 17. The optical measuring device according to claim 15, wherein the first means is a wavelength conversion element. 18. The optical measuring device according to claim 15, wherein the second means is a polarization beam splitter. 19. The optical measuring device according to claim 15, wherein the second means is a prism. 20. The optical measuring device according to claim 15, wherein the third means and the fourth means are photoelectric conversion elements. 21. The optical measuring device according to claim 15, wherein the fifth means has a subtraction function. 22. The fifth means, when I R is an output value of the third means and I P is an output value of the fourth means, at least (I R −I P ) / I R or (I R -I P)
The optical measurement device according to claim 15, wherein the optical measurement device has a calculation function of either one of / (I R + I P ). 23. The optical measurement device according to claim 15, wherein the optical characteristic is measured by at least one of the following: (a) measurement of optical activity of the sample to be measured, (b) ) Measuring the concentration of a specific substance in the sample to be measured by detecting the magneto-optical effect of the optical activity of the sample to be measured, 24. The sixth means is a data processor. The optical measuring device according to claim 15. 25. The optical measuring device according to claim 15, wherein the sample to be measured is a substance having Raman activity. 26. The optical measuring device according to claim 15, wherein a delay circuit is inserted in the second optical path. 27. The optical measuring device according to claim 15, further comprising a seventh means for applying a magnetic field to the sample to be measured. 28. A single photon emitted from a light source is converted into a photon pair consisting of a first photon and a second photon, the first photon passing through the optical path of the photon pair, and the optical path thereof. Separated into a first optical path for inserting the sample to be measured and a second optical path through which the second photon passes, of the light by the first means provided on the first optical path. Detecting the intensity, detecting the intensity of the light by the second means provided on the second optical path, the output value of the intensity of each light detected by the first means and the second means A method of canceling the quantum noise of the light source based on the above, and the optical characteristic of the sample to be measured is measured based on the output value based on the processing. 29. A photon emitted from a light source is converted into a photon pair consisting of a photon of a first mode and a photon of a second mode, and the photon pair is made incident on a sample to be measured, and the photon is measured. The optical path of the photon pair emitted from the sample is separated into a first optical path corresponding to the first mode and a second optical path corresponding to the second mode, and is provided on the first optical path. By detecting the intensity of the light by the first means, by detecting the intensity of the light by the second means provided on the second optical path, each of the first means and the second means. An optical measuring method comprising: performing a process of canceling the quantum noise of the light source based on an output value, and measuring an optical characteristic of the sample to be measured based on the output value based on the process.
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