JPH0670615B2 - 光波形測定装置 - Google Patents

光波形測定装置

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JPH0670615B2
JPH0670615B2 JP24284989A JP24284989A JPH0670615B2 JP H0670615 B2 JPH0670615 B2 JP H0670615B2 JP 24284989 A JP24284989 A JP 24284989A JP 24284989 A JP24284989 A JP 24284989A JP H0670615 B2 JPH0670615 B2 JP H0670615B2
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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〕
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
万回程度の繰り返しを行い)、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。
このような螢光寿命特性を得るための螢光寿命測定装置
を含め、光波形測定装置は、螢光寿命特性等の光波形を
測定するために必要な光源や光検出器を備えている。
ところで、これら光波形測定装置の光源として、従来か
らフラッシュランプや気体レーザなどが用いられていた
が、最近では小型で使い勝手のよい半導体レーザが徐々
に用いられるようになってきた。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、現在のところ実用化されている半導体レーザの
波長は、600nm以上であり、これ以下の波長を持つ光パ
ルスを試料に照射したい場合には、やはり大掛かりな装
置を必要とする気体レーザ等を用いていた。この為、短
波長の光パルスを試料に照射しようとする場合には、装
置が大型化するという課題を有していた。
〔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
体レーザから出力されたレーザ光を短波長化して試料に
照射する波長変換手段を備えている。更に、本発明の光
波形測定装置においては、試料への照射光強度が微弱と
なり過ぎることを防止することを目的として、波長変換
手段を波長変換されることなく透過する基本波レーザ光
を検出する第1の光検出器と、この第1の光検出器の出
力に基づき試料から出る被測定光の光波形を測定する測
定手段とを備えている。
〔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
放射され、波長変換手段によって短波長化された光が試
料に照射されるようになる。この短波長化された光の照
射によって試料から被測定光が放射され、その光波形
は、測定手段によって測定される。一方、波長変換手段
を透過した基本波レーザ光は、短波長化された光と同一
タイミングで出力され、第1の光検出器によって検出さ
れる。したがって、この第1の光検出器の検出出力に基
づいて光波形の測定をすることによって、正確な光波形
の測定が可能となる。
〔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、持
続時間が1ns以下の十分に短い光パルス(パルス状のレ
ーザ光)9を出力する。この半導体レーザ1から出力さ
れる光パルス9は、本実施例では波長が820nmの赤色の
レーザ光であり、波長変換手段10に入射される。波長変
換手段10は、非線形光学効果を持つ光学結晶材料(例え
ばニオブ酸リチウム[LiNbO3])からなり、入射される
レーザ光9の2分の1の波長を持つレーザ光すなわち波
長410nmの青色の第2高周波12を出力する。そして、こ
の第2高調波12の出力方向には試料3が置かれており、
試料3は波長変換手段10からの第2高調波12を受けて螢
光を発する。
このように、波長変換手段10で短波長化されたレーザ光
を試料3に照射して試料励起用の光として使用すること
により、小型で使い勝手のよい半導体レーザ1を光源と
したままで、それまで半導体レーザでは得られなかった
短い波長のレーザ光を試料3に照射することができるよ
うになっている。
ところで、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。この計測開始信号を得るために、従来
は試料3に対して照射する光パルスを半透明鏡などで分
岐し、この分岐した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。このように光学的セ
ットアップの必要な半透明鏡などを敢えて用いるのは、
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
て直接用いると、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を一定に保つことができないため
である。
ところが、波長変換手段10から出力される第2高周波12
の光強度は、波長変換手段10に入射するレーザ光9の光
強度の1〜2%であり、かなり微弱である。そのため、
上述のように、試料3に照射する光パルスである第2高
調波12を半透明鏡などで分岐して計測開始信号を得よう
とすると、試料3への照射光強度及び計測開始信号用に
分岐された光の強度は極めて弱いものとなってしまう。
そこで、本発明では波長変換手段10を透過して出力され
る基本波11が、第2高調波12と同一のタイミングである
こと及びその光強度が強いことに着目し、この基本波11
を利用して計測開始信号を得ている。すなわち、波長変
換手段10の基本波11が出力される方向には、例えばホト
ダイオードなどで構成された第1の光検出器4が設けら
れており、その検出出力は、計測開始信号として、時間
電圧変換器(time-to-amplitudeconverter;TAC)5のス
タート端子に入力される。
一方、波長変換手段10から放射された第2高調波12が試
料3に照射されると、この試料3から螢光の光子13が出
力される。第2の光検出器6はこの螢光の光子13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13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13が1個検出されるような条件になって
いるので、TAC5から電圧パルスが検出されるのは、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(pulse height analizer;
PHA)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2図は、TAC5から多数回の電圧パルスを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応じた時間、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13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、その測定結果に基づいて螢光
寿命特性を算出する。
第3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4図を参照して簡
単に説明しておく。第4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53とから構成され
ている。試料から放射され、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(mi
cro channel plate;MCP)58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、波長変換手段10から第2高調波12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3図及び第4図に示したストリークカメラ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5図を参照して簡単に説明する。第5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
て観測される被測定光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70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
トが形成されているため、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75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51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、被測定光の入射タイミ
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6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。
〔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、波長変換手段で短波長化されたレーザ光を試料に照
射して試料励起用の光として使用すると共に、波長変換
手段を透過する基本波レーザ光を検出し、この検出出力
に基づいて光波形の測定をすることとしているので、波
長変換手段から試料に照射されるレーザ光の強度を低下
させることなく正確に光パルスの照射時刻を取り出すこ
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
PHA7の演算結果を示すグラフ、第3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4図はストリークカメラの構造図、第5図
はサンプリング型光波形観測手段の構造図、第6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(TA
C)、6……第2の光検出器、7……波高分析器(PH
A)、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。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、半導体レ
    ーザと、この半導体レーザからのレーザ光を短波長化し
    て試料に照射する波長変換手段と、前記波長変換手段を
    透過する前記半導体レーザの基本波長のレーザ光を検出
    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. 【請求項2】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記載の光波形測定装置。
  3. 【請求項3】前記測定手段は、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記載の光波形測定装置。
  4. 【請求項4】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記載の光波形測定装置。
JP24284989A 1988-10-05 1989-09-19 光波形測定装置 Expired - Fee Related JPH0670615B2 (ja)

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