JPH10148573A - Method and device for spectral analysis - Google Patents

Method and device for spectral analysis

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JPH10148573A
JPH10148573A JP8308336A JP30833696A JPH10148573A JP H10148573 A JPH10148573 A JP H10148573A JP 8308336 A JP8308336 A JP 8308336A JP 30833696 A JP30833696 A JP 30833696A JP H10148573 A JPH10148573 A JP H10148573A
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英夫 田代
Tomoyuki Wada
智之 和田
Kazuyuki Akagawa
和幸 赤川
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily measure Raman scattering with no use of a spectroscope without affected by fluorescence. SOLUTION: By controlling a wavelength variable laser 40 with a control device 41, is the wavelength of monochrome light LB projected on a sample S is wavelength-swept, while alternately switching the wavelength between the first wavelength and the second wavelength which comprises a constant frequency difference Δνex to the first wavelength. The light emitted from the sample S is, through an interference filter 44 which allows an observation oscillation frequency νob to pass, detected with an optical detector 45. The output of the optical detector 45 is phase-synchronization-detected with a lock-in amplifier 46, and then processed with a signal processing device 47 to obtain Raman spectrum of the sample S.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、試料を分光分析す
る方法及び装置に関し、特に試料から発せられる発光を
測定するための分光分析法及び分光分析装置に関する。
なお、本明細書では、試料から発せられる蛍光とラマン
散乱光を総称して発光という。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method and an apparatus for spectroscopically analyzing a sample, and more particularly, to a spectroscopic analysis method and an apparatus for measuring luminescence emitted from a sample.
In the present specification, fluorescence and Raman scattered light emitted from a sample are collectively referred to as light emission.

【0002】[0002]

【従来の技術】試料に振動数ν0 (光速をc、波長をλ
とするとき、ν0 =c/λ)のレーザ光を照射すると、
±Δνだけ入射光の振動数ν0 よりシフトした振動数成
分を有するラマン散乱光が得られる。入射光の振動数ν
0 とラマン散乱光の振動数の差±Δνはラマンシフトと
呼ばれる。ラマン線のうち入射光の振動数ν0 より振動
数の低いラマン線(ν0 −Δν)はストークス線と呼ば
れ、入射光の振動数ν0より振動数の高いのラマン線
(ν0 +Δν)はアンチストークス線と呼ばれる。ラマ
ン散乱は赤外吸収と同様に試料の分子振動の状態を反映
するものであるが、赤外吸収で観測できるのは双極子モ
ーメントの変化を伴う分子振動であるのに対し、ラマン
散乱は分極率の変化を伴う分子振動によって発生し、両
者は異なる情報を与える。また、水溶液試料に対する赤
外吸収分析は非常に困難であるのに対し、水のラマンス
ペクトルは弱いため、ラマン散乱を用いると水に溶解し
た試料の分析が容易になる利点がある。
2. Description of the Related Art A sample has a frequency ν 0 (light speed c, wavelength λ).
When irradiating a laser beam of ν 0 = c / λ),
Raman scattered light having a frequency component shifted from the frequency ν 0 of the incident light by ± Δν is obtained. Frequency ν of incident light
The difference ± Δν between 0 and the frequency of the Raman scattered light is called Raman shift. Frequency low Raman line than vibration frequency [nu 0 of the incident light in the Raman line (ν 0 -Δν) is called the Stokes line, the frequency of high Raman lines from the vibration frequency [nu 0 of the incident light (ν 0 + Δν ) Is called the anti-Stokes line. Raman scattering reflects the state of molecular vibrations of the sample, similar to infrared absorption.However, infrared absorption can be observed for molecular vibrations with a change in dipole moment, whereas Raman scattering is polarized. Generated by molecular vibrations with changing rates, they give different information. In addition, while the infrared absorption analysis of an aqueous solution sample is very difficult, the Raman spectrum of water is weak. Therefore, the use of Raman scattering has an advantage that the analysis of a sample dissolved in water becomes easy.

【0003】ラマン散乱は微弱であるため、ラマン散乱
の測定には、光源として高強度の単色光が得られるレー
ザが用いられる。また、ラマンスペクトル測定用の分光
器としては、非常に強度の強いレイリー散乱光からラマ
ン散乱光を分離するために、十分な分解能を有し迷光の
少ないモノクロメータとして、2個の回折格子を使用す
るダブルモノクロメータあるいは3個の回折格子を使用
するトリプルモノクロメータが使用される。検出器とし
ては、光電子増倍管を用い、分光器の回折格子を回動す
ることにより波長(波数)走査を行うタイプのものと、
オプチカルマルチチャンネルアナライザーを用い一度に
スペクトルを測定するタイプのものとがある。また、分
光器として干渉型分光器を用いたフーリエラマン分光法
も知られている。
Since Raman scattering is weak, a laser capable of obtaining high-intensity monochromatic light is used as a light source for measuring Raman scattering. As a spectroscope for Raman spectrum measurement, two diffraction gratings are used as a monochromator with sufficient resolution and low stray light to separate Raman scattered light from very strong Rayleigh scattered light. A double monochromator that uses three diffraction gratings or a triple monochromator that uses three diffraction gratings is used. As a detector, a type that uses a photomultiplier tube and scans a wavelength (wave number) by rotating a diffraction grating of a spectroscope,
There is a type in which a spectrum is measured at once using an optical multi-channel analyzer. Further, Fourierman spectroscopy using an interference type spectroscope as a spectroscope is also known.

【0004】ところで、入射光の振動数よりシフトした
振動数位置で検出される光としてラマン散乱光以外に蛍
光がある。蛍光は試料に混入した不純物から発生する場
合もあるが、試料そのものから発生する場合もあり、試
料から発生している場合には不純物を除去しても蛍光を
ゼロにすることはできない。しかも、一般に蛍光はラマ
ン散乱光に比較して強度が著しく強く、ラマン散乱光検
出の障害となる。
[0004] By the way, as light detected at a frequency position shifted from the frequency of incident light, there is fluorescence other than Raman scattered light. Fluorescence may be generated from impurities mixed into the sample, but may also be generated from the sample itself. If the fluorescence is generated from the sample, the fluorescence cannot be reduced to zero even if the impurities are removed. In addition, the intensity of the fluorescent light is significantly higher than that of the Raman scattered light, which hinders the detection of the Raman scattered light.

【0005】蛍光の発生を抑制してラマン散乱光を測定
する方法として、励起光に蛍光のでない赤外領域の光、
例えばYAGレーザからの1.06μmの光を用いるこ
とが考えられるが、赤外励起ではラマン散乱光も弱くな
ってしまう。
As a method for measuring the Raman scattered light while suppressing the generation of fluorescence, there are two types of excitation light: infrared light having no fluorescence,
For example, it is conceivable to use 1.06 μm light from a YAG laser, but Raman scattered light is weakened by infrared excitation.

【0006】蛍光を分離したラマンスペクトルの測定法
の他の例として、特開昭49−59693号公報に、波
長が変調されたレーザ光を試料に照射し、レーザ光の照
射によって試料より発生した光を分光した後検出し、検
出された信号のうち交流成分のみを得る方法が記載され
ている。この方法は、入射レーザ光の波長をシフトさせ
たとき、ラマン散乱光の振動数は入射レーザ光の波長シ
フトに伴ってシフトするのに対し、蛍光の波長は入射レ
ーザ光の波長シフトによってはシフトしないことを利用
するものである。特開昭51−80282号公報、特開
昭53−39156号公報にも同様の技術が記載されて
いる。
[0006] As another example of a method for measuring the Raman spectrum separated from fluorescence, Japanese Patent Application Laid-Open No. 49-59693 discloses a method of irradiating a sample with a laser beam having a modulated wavelength and irradiating the sample with the laser beam. There is described a method of detecting light after dispersing the light and obtaining only an AC component of the detected signal. In this method, when the wavelength of the incident laser light is shifted, the frequency of the Raman scattered light shifts with the wavelength shift of the incident laser light, whereas the wavelength of the fluorescent light shifts depending on the wavelength shift of the incident laser light. This is to take advantage of what is not done. The same technology is also described in JP-A-51-80282 and JP-A-53-39156.

【0007】また、特開昭49−60582号公報、特
公昭55−31893号公報には、試料から発せられる
ラマン散乱光の偏光解消度と蛍光の偏光解消度の相違を
利用して、蛍光の影響のないラマンスペクトルを得る方
法が記載されており、特公昭51−11511号公報に
は、ラマン散乱光と蛍光の寿命の差を利用してラマン散
乱光と蛍光とを分離することが記載されている。
Further, JP-A-49-60582 and JP-B-55-31893 disclose the use of the difference between the degree of depolarization of the Raman scattered light emitted from the sample and the degree of depolarization of the fluorescent light to obtain the fluorescence. A method of obtaining a Raman spectrum having no influence is described. Japanese Patent Publication No. 51-11511 discloses that Raman scattered light and fluorescence are separated by utilizing the difference between the lifetimes of Raman scattered light and fluorescence. ing.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】ラマンスペクトルの測
定に当たっては、微弱なラマン散乱光をレイリー散乱か
ら分離して高分解能で測定するために、前述のようにダ
ブルモノクロメータやトリプルモノクロメータ等の分光
器が使用される。分光器の明るさは分解能と両立せず、
高分解能を要求すると明るさが犠牲となって測定に長時
間を要することになる。また、分光器は広いスペースを
占有し、使用にあたってはスリット幅、走査速度、時定
数の設定、波長較正など煩雑な作業が伴う。
In the measurement of the Raman spectrum, in order to separate the weak Raman scattered light from the Rayleigh scattered light and to measure it at high resolution, as described above, it is necessary to use a spectrometer such as a double monochromator or a triple monochromator. Vessel is used. The brightness of the spectrometer is incompatible with the resolution,
When a high resolution is required, the brightness is sacrificed and the measurement takes a long time. In addition, the spectroscope occupies a large space, and its use involves complicated operations such as setting the slit width, scanning speed, time constant, and wavelength calibration.

【0009】また、ラマン分光において蛍光の影響を排
除することは重要な問題であるが、前記した従来のラマ
ン散乱光と蛍光とを分離する方法はいずれも分光手段と
して分光器を使用しており、同様の問題がある。本発明
は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもの
で、分光器を使用せずに、しかも蛍光の影響を受けずに
ラマン散乱を簡便に測定できる方法及び装置を提供する
ことを目的とする。
In Raman spectroscopy, eliminating the influence of fluorescence is an important problem. However, any of the above-mentioned conventional methods for separating Raman scattered light from fluorescence uses a spectroscope as a spectral means. There is a similar problem. The present invention has been made in view of such problems of the related art, and provides a method and an apparatus that can easily measure Raman scattering without using a spectroscope and without being affected by fluorescence. With the goal.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明においては、従来
の方法と同様に、励起レーザ光の波長をわずかに変える
とラマン散乱光はそれに応じて波長が変わるが、蛍光は
波長変化しないことを利用してラマン散乱光と蛍光を分
離する。ただし、ラマン散乱光を分光する手段として
は、分光器を使用せず、干渉フィルター等の狭帯域透過
フィルターを1枚だけ用いる。
According to the present invention, as in the conventional method, if the wavelength of the excitation laser light is slightly changed, the wavelength of the Raman scattered light changes accordingly, but the fluorescence does not change. Utilize to separate Raman scattered light and fluorescence. However, as a means for dispersing the Raman scattered light, only one narrow band transmission filter such as an interference filter is used without using a spectroscope.

【0011】図1及び図2を用いて本発明の原理を説明
する。図1は試料から蛍光が発生していない場合のラマ
ンスペクトルの模式図、図2はラマン線に蛍光が重なっ
たスペクトルの模式図である。
The principle of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram of a Raman spectrum when no fluorescence is generated from a sample, and FIG. 2 is a schematic diagram of a spectrum in which fluorescence is superimposed on a Raman line.

【0012】図1(a)において、νexは励起光の振動
数であり、R1,R2,R3,R4はラマン線である。励起
光の振動数より高い振動数側にはアンチストークス線が
現れているが、ここでは励起光の振動数より低い振動数
側に現れるストークス線を用いて説明する。ラマン線R
1 は励起振動数νexから振動数Δν1 だけ低い振動数に
振動数シフトした位置に現れている。同様に、他のラマ
ン線R2 ,R3 ,R4も、励起光の振動数νexから各々
振動数Δν2 ,Δν3 ,Δν4 だけ低い振動数だけ振動
数シフトした位置に現れる。これらのラマンシフトΔν
1 ,Δν2 ,Δν3 ,Δν4 は物質に固有の量である。
In FIG. 1A, ν ex is the frequency of the excitation light, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are Raman lines. Although the anti-Stokes line appears on the frequency side higher than the frequency of the excitation light, the description will be made using the Stokes line appearing on the frequency side lower than the frequency of the excitation light. Raman line R
1 appears at a frequency shifted from the excitation frequency ν ex to a frequency lower by the frequency Δν 1 . Similarly, the other Raman lines R 2 , R 3 , and R 4 also appear at positions shifted by frequencies lower than the frequency ν ex of the excitation light by frequencies Δν 2 , Δν 3 , and Δν 4 , respectively. These Raman shifts Δν
1 , Δν 2 , Δν 3 , and Δν 4 are quantities specific to the substance.

【0013】いま図1(b)に示すように、励起光の振
動数を例えばνexより高い振動数νex’に移動すると、
ラマン線R1 ,R2 ,R3 ,R4 は励起光の振動数
νex’に対する振動数シフト量Δν1 ,Δν2 ,Δ
ν3 ,Δν4 を一定に保ったまま同様に高い振動数側に
移動する。したがって、励起光の振動数を例えば高い振
動数側に掃引しながら、干渉フィルターなどの狭帯域透
過フィルターを用いて図1(a),(b)中に図示した
固定の観察振動数νobで試料からの散乱光を観察する
と、Δν=νex−νobがν1 ,ν2 ,ν3 ,ν4 となる
に従ってラマン線R1 ,R2 ,R3 ,R4 が順番に検出
されるため、図1(c)に示すようなラマンスペクトル
が得られる。
As shown in FIG. 1B, when the frequency of the excitation light is shifted to a frequency v ex ′ higher than v ex, for example,
Raman lines R 1 , R 2 , R 3 , R 4 are frequency shift amounts Δν 1 , Δν 2 , Δ with respect to the frequency ν ex ′ of the excitation light.
Similarly, it moves to the higher frequency side while keeping ν 3 and Δν 4 constant. Therefore, while sweeping the frequency of the excitation light to a higher frequency side, for example, by using a narrow band transmission filter such as an interference filter, the fixed observation frequency ν ob shown in FIGS. 1A and 1B is used. Observing the scattered light from the sample, Raman lines R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 are detected in order as Δν = ν ex −ν ob becomes ν 1 , ν 2 , ν 3 , ν 4. Therefore, a Raman spectrum as shown in FIG. 1C is obtained.

【0014】ところが、試料からラマン散乱光とともに
蛍光が発生している場合には、上記方法で励起光の振動
数を掃引し、固定の観察振動数νobで試料からの散乱光
を検出すると、図2(a)に実線で示すように、蛍光励
起スペクトルFLにラマン線R1 ,R2 ,R3 ,R4
乗ったスペクトルが得られる。
However, when fluorescence is generated together with the Raman scattered light from the sample, the frequency of the excitation light is swept by the above method, and the scattered light from the sample is detected at a fixed observation frequency ν ob . As shown by the solid line in FIG. 2A, a spectrum is obtained in which the Raman lines R 1 , R 2 , R 3 , and R 4 lie on the fluorescence excitation spectrum FL.

【0015】そこで、本発明では、励起レーザ光の振動
数を2つの振動数νex1 ,νex2 の間に高速でスイッチ
ングする。このときラマン線R1 ,R2 ,R3 ,R
4 は、励起振動数のスイッチングと同期して図2(a)
に示す実線位置と破線位置の間を移動する。一方、蛍光
は、励起振動数を高速スイッチングしてもほとんど変化
しない。したがって、励起レーザ光の振動数を2つの振
動数の間で高速スイッチングしながら例えば振動数の高
い側に掃引し、固定の観察振動数νobで検出される信号
を励起振動数のスイッチング信号で同期検波することに
より、図2(c)に示すようなラマンスペクトルを得る
ことができる。
Therefore, in the present invention, the frequency of the excitation laser light is switched at high speed between two frequencies ν ex1 and ν ex2 . At this time, the Raman lines R 1 , R 2 , R 3 , R
4, in synchronism with the switching of the excitation frequency FIGS. 2 (a)
Is moved between the solid line position and the broken line position shown in FIG. On the other hand, the fluorescence hardly changes even when the excitation frequency is rapidly switched. Therefore, the frequency of the excitation laser beam is swept to, for example, the higher frequency side while switching the frequency of the excitation laser light between the two frequencies at high speed, and the signal detected at the fixed observation frequency ν ob is determined by the switching signal of the excitation frequency. By performing synchronous detection, a Raman spectrum as shown in FIG. 2C can be obtained.

【0016】また、図2(a)のスペクトルから逆に図
2(b)に示したラマンスペクトルを除去すると、図2
(c)に示すような蛍光励起スペクトルFLが得られ
る。すなわち、本発明は、試料のラマンスペクトルを測
定するために利用することができるとともに、試料の精
密な蛍光励起スペクトルの測定のためにも利用すること
ができるものである。
On the contrary, when the Raman spectrum shown in FIG. 2B is removed from the spectrum shown in FIG.
A fluorescence excitation spectrum FL as shown in (c) is obtained. That is, the present invention can be used for measuring a Raman spectrum of a sample, and can also be used for measuring a precise fluorescence excitation spectrum of the sample.

【0017】ところで、このような方法でラマンスペク
トルを検出するためには、高速で振動(励起波長)をス
イッチングしながら広範囲にわたって振動数走査を行う
ことが可能な振動数可変レーザが不可欠である。このた
めには、本発明者が別途開発した、回転機構などの機械
的可動部分を設けることなしに電気的にレーザ発振波長
を制御して高速な波長掃引を可能とした電子制御型波長
可変レーザ〔以下、ETT(Electronically Tuned Tuna
ble)レーザという〕を用いることができる。
In order to detect a Raman spectrum by such a method, a frequency-variable laser capable of performing frequency scanning over a wide range while switching vibration (excitation wavelength) at high speed is indispensable. To achieve this, an electronically controlled wavelength tunable laser developed separately by the present inventor that enables high-speed wavelength sweeping by controlling the laser oscillation wavelength electrically without providing a mechanically movable part such as a rotating mechanism. [Hereafter, ETT (Electronically Tuned Tuna
ble) laser] can be used.

【0018】ETTレーザは、レーザ共振器内に所定の
波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響
光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により所定
の角度に回折された光線成分に対してのみレーザ共振器
を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の
周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レ
ーザであり、例えばチタンサファイアをレーザ媒質とし
た場合、680nm〜1100nmの波長範囲を1秒以
内の時間で波長掃引可能である。また、複屈折性音響光
学素子を用いて電気的に波長選択を行うため、波長切換
を瞬時に行うことができ、例えば任意の2波長の切換え
を1ms以下の時間で安定に行うことができる。本発明
は、この波長可変レーザの開発によって初めて実現可能
となったのである。
In the ETT laser, a laser medium capable of oscillating laser light in a predetermined wavelength region and a birefringent acousto-optical element are arranged in a laser resonator, and a light beam diffracted at a predetermined angle by the birefringent acousto-optical element. A wavelength tunable laser that constitutes a laser resonator only for the component and performs wavelength selection by selecting the frequency of the acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element.For example, when titanium sapphire is used as the laser medium , 680 nm to 1100 nm in a time within 1 second. In addition, since the wavelength is electrically selected using the birefringent acousto-optic element, the wavelength can be switched instantaneously, and, for example, switching between any two wavelengths can be performed stably in 1 ms or less. The present invention can be realized only for the first time by the development of the tunable laser.

【0019】すなわち、本発明は、波長可変レーザから
の単色光を試料に照射し、試料から発せられる発光を測
定する分光分析法において、波長可変レーザとして、レ
ーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレー
ザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音
響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上に
レーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起
する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行
う波長可変レーザ(ETTレーザ)を用い、試料から発
せられる一定波長の発光強度を測定することを特徴とす
る。
That is, according to the present invention, in a spectroscopic analysis method of irradiating a sample with monochromatic light from a wavelength tunable laser and measuring light emission emitted from the sample, the wavelength tunable laser is provided within a laser resonator in a predetermined wavelength region. A laser medium capable of laser oscillation and a birefringent acousto-optical element are arranged, and a laser resonator is formed on a predetermined optical axis of a light component diffracted by the birefringent acousto-optical element. A tunable laser (ETT laser), which performs wavelength selection by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited therein, is used to measure the emission intensity of a constant wavelength emitted from a sample.

【0020】また、本発明は、ETTレーザ等の波長可
変レーザからの単色光を試料に照射し、試料から発せら
れる発光を観測する分光分析法において、試料に照射さ
れる単色光の波長を高速掃引し、所定の波長において試
料から発せられる光を観測し、観測波長での発光励起ス
ペクトルを得ることを特徴とする。
The present invention also relates to a spectroscopic method for irradiating a sample with monochromatic light from a wavelength variable laser such as an ETT laser and observing the light emitted from the sample. Sweeping, observing light emitted from the sample at a predetermined wavelength, and obtaining an emission excitation spectrum at the observed wavelength.

【0021】また、本発明は、波長可変レーザからの単
色光を試料に照射し、試料から発せられる光を観測する
分光分析法において、試料に照射される単色光の波長
を、第1の波長と該第1の波長に対して一定の周波数差
を有する第2の波長との間で交互に波長を切換えながら
がら波長掃引し、第3の波長において試料から発せられ
る光を観測し、第3の波長における観測光のうち波長の
切り換えと同期して時間変化する成分をラマン散乱光と
して分離観察することを特徴とする。
Further, according to the present invention, in a spectroscopic analysis method of irradiating a sample with monochromatic light from a wavelength tunable laser and observing light emitted from the sample, the wavelength of the monochromatic light applied to the sample is changed to a first wavelength. And a second wavelength having a certain frequency difference with respect to the first wavelength, while alternately switching the wavelength, sweeping the wavelength, observing the light emitted from the sample at the third wavelength, and observing the third wavelength. Of the observation light at the wavelength of (i) is separated and observed as Raman scattered light.

【0022】このとき、第3の波長とともに該第3の波
長と異なる第4の波長において試料から発せられる光を
観測し、第3の波長及び第4の波長の周波数差に対する
相関性からラマン散乱光を精密に分離することもでき
る。波長切り換えによって時間的に変化しない成分は、
非ラマン成分として分離観察することができる。
At this time, the light emitted from the sample at the fourth wavelength different from the third wavelength is observed together with the third wavelength, and Raman scattering is determined from the correlation with the frequency difference between the third wavelength and the fourth wavelength. Light can also be separated precisely. The component that does not change over time due to wavelength switching is
It can be separately observed as a non-Raman component.

【0023】波長可変レーザからの単色光を光ファイバ
ーを通して試料に照射し、試料から発せられる光を光フ
ァイバーを通して観測することで、試料の遠隔測定を行
うことが可能である。また、波長可変レーザからの単色
光を試料に対して相対的に走査することで、試料の2次
元領域における発光の分布を測定することができる。
By irradiating the sample with monochromatic light from the wavelength tunable laser through an optical fiber and observing the light emitted from the sample through the optical fiber, it is possible to perform remote measurement of the sample. In addition, by scanning monochromatic light from the wavelength tunable laser relative to the sample, the distribution of light emission in a two-dimensional area of the sample can be measured.

【0024】本発明による分光分析装置は、試料に単色
光を照射するための波長可変レーザと、波長可変レーザ
の発振波長を第1の波長と該第1の波長に対して一定の
振動数差を有する第2の波長との間で波長を切り換えな
がら波長掃引するための波長制御手段と、第3の波長を
透過する狭帯域透過フィルターと、単色光の照射によっ
て試料から発せられ狭帯域透過フィルターを透過した第
3の波長の光を検出する光検出器と、光検出器の検出信
号を第1の波長と第2の波長の切り換え信号に位相同期
して検波するための位相同期検波手段とを備え、試料の
ラマンスペクトルを測定する機能を有することを特徴と
する。
A spectroscopic analyzer according to the present invention includes a wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, and an oscillation wavelength of the wavelength tunable laser, which is a first wavelength and a constant frequency difference with respect to the first wavelength. Wavelength control means for sweeping the wavelength while switching the wavelength between the second wavelength, a narrow band transmission filter transmitting the third wavelength, and a narrow band transmission filter emitted from the sample by irradiation of monochromatic light A photodetector for detecting light of a third wavelength transmitted through the light detector; and a phase-locked detection means for detecting a detection signal of the photodetector in phase with a switching signal of the first wavelength and the second wavelength. And a function of measuring a Raman spectrum of the sample.

【0025】また、本発明による分光分析装置は、試料
に単色光を照射するための波長可変レーザと、波長可変
レーザの発振波長を第1の波長と該第1の波長に対して
一定の振動数差を有する第2の波長との間で波長を切り
換えながら波長掃引するための波長制御手段と、第3の
波長を透過する第1の狭帯域透過フィルターと、第3の
波長と異なる第4の波長を透過する第2の狭帯域透過フ
ィルターと、単色光の照射によって試料から発せられ第
1の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出する第1
の光検出器と、第2の狭帯域透過フィルターを透過した
光を検出する第2の光検出器と、第1及び第2の光検出
器の検出信号を第1の波長と第2の波長の切り換え信号
に位相同期して検波するための位相同期検波手段と、位
相同期検波手段の2つの位相同期検波信号を比較する比
較手段とを、試料のラマンスペクトルを測定する機能を
有することを特徴とする。
Further, the spectroscopic analyzer according to the present invention provides a wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, an oscillation wavelength of the wavelength tunable laser at a first wavelength and a constant oscillation with respect to the first wavelength. Wavelength control means for performing wavelength sweeping while switching the wavelength between the second wavelength having a number difference, a first narrow-band transmission filter transmitting a third wavelength, and a fourth narrow-band transmission filter different from the third wavelength. A second narrow-band transmission filter that transmits light of a wavelength of, and a first that detects light emitted from the sample by irradiation of monochromatic light and transmitted through the first narrow-band transmission filter.
, A second photodetector for detecting light transmitted through the second narrow-band transmission filter, and a detection signal of the first and second photodetectors at a first wavelength and a second wavelength. A phase-locking detection means for detecting a phase-locked signal in synchronization with the switching signal, and a comparison means for comparing the two phase-locked detection signals of the phase-locking detection means with a function of measuring a Raman spectrum of the sample. And

【0026】また、本発明による分光分析装置は、試料
に単色光を照射するための波長可変レーザと、波長可変
レーザの発振波長を第1の波長と該第1の波長に対して
一定の振動数差を有する第2の波長との間で波長を切り
換えながら波長掃引するための波長制御手段と、単色光
の照射によって試料から発せられた光を干渉分光する干
渉計と、干渉計の出力信号を波長制御手段の波長切り換
え信号に位相同期して検波するための位相同期検波手段
と、位相同期検波手段の出力をフーリエ変換する手段と
を備え、試料のラマンスペクトルを測定する機能を有す
ることを特徴とする。
Further, the spectroscopic analyzer according to the present invention provides a wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, an oscillation wavelength of the wavelength tunable laser at a first wavelength and a constant oscillation with respect to the first wavelength. Wavelength control means for sweeping the wavelength while switching the wavelength to a second wavelength having a number difference, an interferometer for performing interference spectroscopy on light emitted from the sample by irradiation of monochromatic light, and an output signal of the interferometer And a means for performing a Fourier transform on the output of the phase-locked detection means for detecting the phase-locked signal in phase synchronization with the wavelength switching signal of the wavelength control means, and having a function of measuring the Raman spectrum of the sample. Features.

【0027】本発明の分光分析装置に用いる波長可変レ
ーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振
可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、
複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定
の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素
子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波
長選択を行うレーザ、すなわちETTレーザとすると好
適である。
The wavelength tunable laser used in the spectrometer according to the present invention comprises a laser medium having a laser medium capable of oscillating laser light in a predetermined wavelength region and a birefringent acousto-optic element in a laser resonator.
A laser that forms a laser resonator on a predetermined optical axis of a light component diffracted by a birefringent acousto-optic element and performs wavelength selection by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element That is, it is preferable to use an ETT laser.

【0028】波長可変レーザと試料の間及び/又は試料
と光検出器の間を結ぶ光ファイバーを備えることで試料
の遠隔測定を行うことができる。また、波長可変レーザ
からの単色光を試料に対して相対的に走査する手段を備
えることにより、試料からの発光を2次元的に測定する
ことができる。
By providing an optical fiber connecting between the tunable laser and the sample and / or between the sample and the photodetector, remote measurement of the sample can be performed. In addition, by providing a means for scanning monochromatic light from the wavelength tunable laser relative to the sample, light emission from the sample can be measured two-dimensionally.

【0029】本発明によると、分光器を用いることな
く、干渉フィルターのように取り扱いの極めて簡易な狭
帯域透過フィルターを用いて、蛍光の影響を受けずにラ
マン散乱光を検出することができる。
According to the present invention, it is possible to detect Raman scattered light without being affected by fluorescence by using a narrow band transmission filter that is extremely easy to handle, such as an interference filter, without using a spectroscope.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ところで、本発明について説明す
る前に、まず本発明で用いられ高速波長スイッチング可
能な波長可変レーザ(ETTレーザ)について説明す
る。複屈折性を示す音響光学結晶中に音響波を励起する
と、その結晶に入射された光の中で音響波の周波数に応
じた特定の波長の回折光は、音響波、入射光、回折光の
間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。図3
は、この回折の様子を示す概念図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Before describing the present invention, a wavelength tunable laser (ETT laser) capable of high-speed wavelength switching and used in the present invention will be described first. When an acoustic wave is excited in an acousto-optic crystal exhibiting birefringence, diffracted light of a specific wavelength according to the frequency of the acoustic wave in the light incident on the crystal becomes the acoustic wave, the incident light, and the diffracted light. Strongly diffracted in a direction that satisfies the phase matching condition between them. FIG.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the state of this diffraction.

【0031】いま、TeO2 結晶などの複屈折性を示す
音響光学結晶に圧電素子22を取り付けた複屈折性音響
光学素子100中に、角周波数ωiの入射光102を入
射するものとする。さらに、圧電素子22により複屈折
性音響光学素子100中に角周波数ωaの音響波104
を励起すると、入射光102と音響波104との相互作
用により、次の〔数1〕で表される角周波数ωoに周波
数シフトした回折光106が得られる。なお、入射光1
02は異常光線、回折光106は常光線であり、回折光
106の偏光面は入射光102の偏光面と直交してい
る。108は非回折光である。
Now, it is assumed that incident light 102 having an angular frequency ωi is incident on a birefringent acousto-optic element 100 in which a piezoelectric element 22 is attached to an acousto-optic crystal exhibiting birefringence such as a TeO 2 crystal. Further, the piezoelectric element 22 causes the acoustic wave 104 having the angular frequency ωa into the birefringent acousto-optic element 100.
Is excited, the diffracted light 106 whose frequency is shifted to the following angular frequency ωo is obtained by the interaction between the incident light 102 and the acoustic wave 104. The incident light 1
02 is an extraordinary ray and diffracted light 106 is an ordinary ray. The plane of polarization of the diffracted light 106 is orthogonal to the plane of polarization of the incident light 102. Reference numeral 108 denotes undiffracted light.

【0032】[0032]

【数1】ωo=ωi+ωa[Equation 1] ωo = ωi + ωa

【0033】ただし、ωa≪ωi,ωoであり、ωi≒
ωoとみなして差し支えない。このとき入射光102の
波数ベクトルをki、音響波104の波数ベクトルをk
a、回折光106の波数ベクトルをkoとするとき、位
相整合条件より次の〔数2〕で表されるベクトル式が成
立する。
Where ωa≪ωi, ωo, and ωi ≒
It can be considered as ωo. At this time, the wave number vector of the incident light 102 is ki, and the wave number vector of the acoustic wave 104 is k.
a, when the wave vector of the diffracted light 106 is ko, the vector equation represented by the following [Equation 2] is established from the phase matching condition.

【0034】[0034]

【数2】ko=ki+ka## EQU2 ## ko = ki + ka

【0035】図4は、複屈折性音響光学素子100中を
伝播する常光線のkベクトルと、異常光線のkベクトル
の関係を表示したものである。常光線に対するkベクト
ルの大きさは進行方向によらず一定であり、kベクトル
の終点の軌跡は円になる。一方、異常光線に対するkベ
クトルの大きさは複屈折性音響光学素子100の結晶軸
に対する伝播角度によって変化し、kベクトルの終点の
軌跡は楕円形になる。このkベクトルの軌跡によって形
成される円又は楕円は、波長を変えるとほぼ相似的に拡
大又は縮小変化する。図4(a)は、波長λ1 において
〔数2〕の位相整合条件が成立している状態を示してい
る。図中、Vaは結晶中を伝わる音響波104の速度で
あり、音響波104の波数ベクトルkaの大きさは|ω
a/Va|である。
FIG. 4 shows the relationship between the k-vector of an ordinary ray and the k-vector of an extraordinary ray propagating through the birefringent acousto-optic element 100. The magnitude of the k vector with respect to the ordinary ray is constant regardless of the traveling direction, and the trajectory of the end point of the k vector is a circle. On the other hand, the magnitude of the k vector for the extraordinary ray changes depending on the propagation angle of the birefringent acousto-optic element 100 with respect to the crystal axis, and the trajectory of the end point of the k vector becomes elliptical. The circle or ellipse formed by the trajectory of the k vector expands or contracts almost similarly when the wavelength is changed. FIGS. 4 (a) shows a state where the phase matching condition of expression (2) at the wavelength lambda 1 is satisfied. In the figure, Va is the velocity of the acoustic wave 104 propagating through the crystal, and the magnitude of the wave number vector ka of the acoustic wave 104 is | ω
a / Va |.

【0036】ここで、複屈折性音響光学素子100中に
励起する音響波104の周波数ωa、従って波数ベクト
ルkaの大きさを変えると、波長λ1 では〔数2〕の位
相整合条件が成立しなくなる。このとき位相整合条件が
成立するのは、図4(b)に示すように、波長λ2 にな
る。このように、位相整合条件を満たす光の波長λと音
響波の角周波数ωaとは一対一で対応している。
[0036] Here, the frequency of the acoustic wave 104 is excited in the birefringent acousto 100 .omega.a, thus changing the magnitude of the wave vector ka, the phase matching condition of the wavelength lambda 1 expression (2) is satisfied Disappears. At this time, the condition that the phase matching condition is satisfied is the wavelength λ 2 as shown in FIG. Thus, the wavelength λ of light that satisfies the phase matching condition and the angular frequency ωa of the acoustic wave have a one-to-one correspondence.

【0037】前述のように、kベクトルの軌跡の終点を
結んだ円又は楕円の大きさは波長によって変化するが、
その形はほとんど変化しない。したがって、波長がλ1
からλ2 に変化して、これにより入射光102と回折光
106のベクトルki,koの大きさが変わっても相似
形となるため、ベクトル(ko1−ki1)とベクトル
(ko2−ki2)の向きは平行となる。この結果、ka
1=ko1−ki1,ka2=ko2−ki2のベクトルをも
つ音響波を音響周波数を変えるだけで入力できる。
As described above, the size of the circle or ellipse connecting the end points of the locus of the k vector changes depending on the wavelength.
Its shape changes little. Therefore, if the wavelength is λ 1
To λ 2 , and thus, even if the magnitudes of the vectors ki and ko of the incident light 102 and the diffracted light 106 change, the shapes become similar. Therefore, the vector (ko 1 −ki 1 ) and the vector (ko 2 −ki 2 ) The directions are parallel. As a result, ka
An acoustic wave having a vector of 1 = ko 1 -ki 1 and ka 2 = ko 2 -ki 2 can be input simply by changing the acoustic frequency.

【0038】複屈折性音響光学素子100から出射した
波数ベクトルkoの光を、反射ミラー110で反射させ
て、複屈折性音響光学素子100中に逆方向から入射さ
せると、図2(c)に示すように、戻ってきた光はまた
音響波により回折され、再び入射光kiと逆向きに進む
−kiとなって入射光の光路を逆に辿る。
When the light of the wave vector ko emitted from the birefringent acousto-optical element 100 is reflected by the reflecting mirror 110 and is incident on the birefringent acousto-optical element 100 from the opposite direction, FIG. As shown, the returned light is also diffracted by the acoustic wave, and becomes -ki, which travels again in the opposite direction to the incident light ki, and traces the optical path of the incident light in reverse.

【0039】したがって、レーザ媒質14及び複屈折性
音響光学素子100を挟んで、例えば図5に示すよう
に、全反射ミラー110と所定の透過率を有する出射側
ミラー112を配置すると、全反射ミラー110と出射
側ミラー112により両者の間を特定の波長成分のみを
もつ光のみが往復するレーザ共振器が構成される。回折
光106の波長λoは、複屈折性音響光学素子100中
に発生される音響波104の周波数ωaを変えるとka
が変わり、kiが選択される結果、波長λi=2π/|
ki|が決まる。したがって、複屈折性音響光学素子1
00に取り付けられた圧電素子22をRF電源20から
の所定周波数のRF信号で駆動することにより、レーザ
発振波長λiの制御が可能となる。
Therefore, when the total reflection mirror 110 and the exit side mirror 112 having a predetermined transmittance are arranged with the laser medium 14 and the birefringent acousto-optic element 100 interposed therebetween, for example, as shown in FIG. A laser resonator in which only light having a specific wavelength component only reciprocates between the two is constituted by 110 and the output side mirror 112. The wavelength λo of the diffracted light 106 becomes ka when the frequency ωa of the acoustic wave 104 generated in the birefringent acousto-optic element 100 is changed.
Is changed and ki is selected. As a result, the wavelength λi = 2π / |
ki | is determined. Therefore, the birefringent acousto-optic element 1
The laser oscillation wavelength λi can be controlled by driving the piezoelectric element 22 mounted at 00 with an RF signal of a predetermined frequency from the RF power supply 20.

【0040】また、回折光106の回折効率は複屈折性
音響光学素子100中に励起された音響波の強度によっ
て決定されるので、RF電源20から出力されるRF信
号の振幅を制御することにより回折光106の強度、し
たがってレーザ出力を可変制御することができる。
Since the diffraction efficiency of the diffracted light 106 is determined by the intensity of the acoustic wave excited in the birefringent acousto-optic device 100, the amplitude of the RF signal output from the RF power source 20 is controlled. The intensity of the diffracted light 106, and thus the laser output, can be variably controlled.

【0041】上では、kベクトルの軌跡の終点を結んだ
円又は楕円の形は波長によってほとんど変化しないと述
べたが、実際には僅かに変化する。そのため、回折角も
波長によって僅かに変化して、全反射ミラー110と部
分透過ミラー112によって構成される共振器の条件が
変化し、出射レーザ光の方向が僅かに変化する。この回
折角の波長依存性は、複屈折性音響光学素子100と全
反射ミラー110の間にプリズム等の波長分散補正素子
28を配置することで補償することができ、全ての波長
で出射レーザ光の方向を一定にすることができる。
Although it has been described above that the shape of the circle or ellipse connecting the end points of the locus of the k vector hardly changes depending on the wavelength, it actually changes slightly. Therefore, the diffraction angle also slightly changes depending on the wavelength, the condition of the resonator constituted by the total reflection mirror 110 and the partial transmission mirror 112 changes, and the direction of the emitted laser light changes slightly. This wavelength dependence of the diffraction angle can be compensated for by disposing a chromatic dispersion compensating element 28 such as a prism between the birefringent acousto-optic element 100 and the total reflection mirror 110. Direction can be made constant.

【0042】レーザ媒質14と複屈折性音響光学素子1
00の間に配置されたテレスコープ30は、ビーム径調
節用のものであり、複屈折性音響光学素子100にはテ
レスコープ30によって径を拡大された平行光が通過す
る。この配置によると、レーザ共振器を往復する光はレ
ーザ媒質14中を収束した光強度の高い光線として通過
するため、レーザ効率を低下させることがない。一方、
複屈折性音響光学素子100の位置では単位面積当たり
に照射される光強度が低下するため、複屈折性音響光学
素子100の光損傷を抑止することができる。
Laser medium 14 and birefringent acousto-optic device 1
The telescope 30 arranged between 00 is for adjusting the beam diameter, and the parallel light whose diameter has been enlarged by the telescope 30 passes through the birefringent acousto-optic device 100. According to this arrangement, the light reciprocating in the laser resonator passes through the laser medium 14 as a light beam having a high light intensity, so that the laser efficiency does not decrease. on the other hand,
At the position of the birefringent acousto-optical element 100, the light intensity irradiated per unit area decreases, so that optical damage to the birefringent acousto-optical element 100 can be suppressed.

【0043】レーザ媒質としては、Ti:Al23、L
iSAF、LiCAF等のレーザ結晶、色素溶液など既
知のいずれの波長可変レーザ媒質も用いることができ
る。このETTレーザは、励起レーザ源として連続発振
レーザ(CWレーザ)を用いることにより連続発振レー
ザとすることも、励起レーザ源としてパルスレーザを用
いることによりパルス発振レーザとすることもできる。
例えばレーザ媒質としてTi:Al23を用いた場合に
は、Nd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:
YVO4 レーザなどのNd固体レーザの第2高調波及び
アルゴンイオンレーザを用いることができ、レーザ媒質
としてLiSAFレーザ結晶、LiCAFレーザ結晶な
どを用いた場合には半導体レーザやクリプトンイオンレ
ーザを用いることができる。
As the laser medium, Ti: Al 2 O 3 , L
Any known tunable laser medium such as a laser crystal such as iSAF or LiCAF, or a dye solution can be used. The ETT laser can be a continuous wave laser by using a continuous wave laser (CW laser) as a pump laser source, or a pulsed laser by using a pulse laser as a pump laser source.
For example, when Ti: Al 2 O 3 is used as the laser medium, Nd: YAG laser, Nd: YLF laser, Nd:
YVO 4 can be used a second harmonic and an argon ion laser of Nd solid state laser such as a laser, LiSAF laser crystal as the laser medium, in the case of using a LiCAF laser crystal be a semiconductor laser or a krypton ion laser it can.

【0044】レーザ媒質内の、励起レーザによる励起体
積とレーザ共振器内の光モード体積とを整合させるよう
にして効率を高め、励起入力を低くすることにより、出
力の高くとれない高繰り返しパルス励起レーザや連続発
振レーザも励起レーザに利用できる。例えば、レーザ共
振器をZホールド型のレーザ共振器やXホールド型のレ
ーザ共振器とし、レーザ共振器内の光路に沿って励起レ
ーザ光を導入することで、励起光を効率よく利用して低
エネルギーの励起光でレーザ発振を生じさせることがで
きる。
The efficiency is increased by matching the pumping volume of the pumping laser in the laser medium with the optical mode volume in the laser resonator. Lasers and continuous wave lasers can also be used as pump lasers. For example, the laser resonator may be a Z-hold type laser resonator or an X-hold type laser resonator, and the pump laser light may be introduced along the optical path in the laser resonator, so that the pump light is efficiently used and the laser light is reduced. Laser oscillation can be caused by excitation light of energy.

【0045】図6は、Zホールド型のレーザ共振器を用
いたETTレーザの例を示す概略図である。Zホールド
型のレーザ共振器は所定の透過率を有する出射側ミラー
112と全反射ミラー110を備える。さらに、励起レ
ーザ光Aを入射させるとともに出射側ミラー112と全
反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第1
中間ミラー37と、出射側ミラー112と全反射ミラー
110との間を往復する光Bを反射する第2中間ミラー
38を備えており、レーザ共振器内を往復する光Bの光
路はアルファベットのZ字形状とされる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of an ETT laser using a Z-hold type laser resonator. The Z-hold type laser resonator includes an emission side mirror 112 having a predetermined transmittance and a total reflection mirror 110. Further, a first laser beam which enters the excitation laser beam A and reflects the light beam B which reciprocates between the exit side mirror 112 and the total reflection mirror 110.
An intermediate mirror 37 and a second intermediate mirror 38 for reflecting light B reciprocating between the emission side mirror 112 and the total reflection mirror 110 are provided. The optical path of the light B reciprocating in the laser resonator is represented by the alphabet Z. It is shaped like a letter.

【0046】励起レーザ32によって発生された励起レ
ーザ光Aは、全反射ミラー34により全反射集光ミラー
36に反射され、全反射集光ミラー36により集光され
て第1中間ミラー37を介してレーザ媒質14を縦方向
同軸励起するように入射される。出射側ミラー112か
ら出射させたい出射レーザ光Cの波長(周波数ωi)に
応じて、RF電源20の周波数ωaをパーソナル・コン
ピュータ26により制御し、圧電素子22を駆動する。
The excitation laser light A generated by the excitation laser 32 is reflected by the total reflection mirror 34 on the total reflection mirror 36, collected by the total reflection mirror 36, and passed through the first intermediate mirror 37. The laser beam is incident so as to excite the laser medium 14 in the longitudinal direction. The frequency ωa of the RF power supply 20 is controlled by the personal computer 26 according to the wavelength (frequency ωi) of the emission laser light C to be emitted from the emission side mirror 112, and the piezoelectric element 22 is driven.

【0047】このようにすると、レーザ媒質14から出
射して複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲
の波長帯域の光の中で、RF電源20の周波数に応じた
波長の光は、複屈折性音響光学素子100で回折光D
(周波数ωo)として回折される。この回折光Dは、回
折角の波長分散補正用プリズム28を介して全反射ミラ
ー110に垂直入射し、全反射ミラー110で反射され
てZ字形状の光路を辿ってレーザ共振器内を往復する
(レーザ媒質14の位置では角周波数ωi)。したがっ
て、RF電源20の周波数に応じた波長の光のみが増幅
されてレーザ発振し、レーザ共振器から当該波長の出射
レーザ光C(周波数ωi)を出射させる。
With this configuration, of the light in a wide wavelength range emitted from the laser medium 14 and incident on the birefringent acousto-optic device 100, light having a wavelength corresponding to the frequency of the RF power source 20 is Diffracted light D by the refracting acousto-optic element 100
(Frequency ωo). The diffracted light D is perpendicularly incident on the total reflection mirror 110 via the wavelength dispersion correction prism 28 of the diffraction angle, is reflected by the total reflection mirror 110, and reciprocates in the laser resonator along a Z-shaped optical path. (Angle frequency ωi at the position of the laser medium 14). Therefore, only the light having the wavelength corresponding to the frequency of the RF power supply 20 is amplified and laser oscillates, and the emitted laser light C (frequency ωi) having the wavelength is emitted from the laser resonator.

【0048】図7は、図6に示したETTレーザの波長
可変特性を示すものである。レーザ媒質14としてT
i:Al23結晶を用い、励起レーザ32としてCW−
QスイッチパルスNd:YLFレーザを用い、その第2
高調波を励起レーザ光Aとして用いた。励起レーザ光A
の波長は523nm、パルスの繰り返し周波数は1kH
z、1パルス当たりの出力は100μJとした。また、
全反射集光ミラー36の直径は200mmとし、第1中
間ミラー37及び第2中間ミラー38の半径は100m
mとし、出射側ミラー112を反射率97%(透過率3
%)とした。レーザ媒質14で励起領域と共振器モード
径は数十μmまで絞られ、全反射集光ミラー36により
この領域に励起レーザ光Aを集光することによって、励
起効率の向上が図られる。図7から明らかなように、波
長可変域は約740nm〜約870nmである。回折角
の波長分散補正用プリズム28を設けたことにより、レ
ーザの波長同調時に観測されるビームの振れは、観測限
界以下であった。
FIG. 7 shows a wavelength tunable characteristic of the ETT laser shown in FIG. T as the laser medium 14
i: An Al 2 O 3 crystal was used, and CW-
Using a Q switch pulse Nd: YLF laser, the second
The harmonic was used as the excitation laser light A. Excitation laser light A
Has a wavelength of 523 nm and a pulse repetition frequency of 1 kHz.
z, the output per pulse was 100 μJ. Also,
The diameter of the total reflection focusing mirror 36 is 200 mm, and the radius of the first intermediate mirror 37 and the second intermediate mirror 38 is 100 m.
m, and the output side mirror 112 has a reflectance of 97% (transmittance 3
%). The excitation area and the cavity mode diameter of the laser medium 14 are reduced to several tens of μm, and the excitation laser light A is condensed in this area by the total reflection condensing mirror 36, thereby improving the excitation efficiency. As is clear from FIG. 7, the wavelength variable range is from about 740 nm to about 870 nm. With the provision of the prism 28 for correcting the wavelength dispersion of the diffraction angle, the beam deflection observed at the time of tuning the wavelength of the laser was below the observation limit.

【0049】図8は、本発明による分光分析装置の一例
の概略構成図である。波長可変レーザ40から発生され
た単色レーザビームLBは、試料Sに入射される。試料
Sから発生された散乱光は、コリメータレンズ43で平
行光とされたのち、振動数νobを中心とする狭帯域の振
動数のみを透過させる干渉フィルター等の狭帯域透過フ
ィルター44に入射する。狭帯域透過フィルター44を
透過した光線は、光電子増倍管等の光検出器45で検出
される。光検出器45の出力は、ロックイン増幅器46
に供給される。ロックイン増幅器46の出力は信号処理
装置47に供給され、信号処理された結果はCRT等の
表示装置48に表示される。
FIG. 8 is a schematic structural view of an example of the spectroscopic analyzer according to the present invention. The monochromatic laser beam LB generated from the tunable laser 40 is incident on the sample S. The scattered light generated from the sample S is collimated by the collimator lens 43, and then enters a narrow-band transmission filter 44 such as an interference filter that transmits only a narrow-band frequency centered on the frequency ν ob. . The light beam transmitted through the narrow band transmission filter 44 is detected by a photodetector 45 such as a photomultiplier tube. The output of the photodetector 45 is a lock-in amplifier 46.
Supplied to The output of the lock-in amplifier 46 is supplied to a signal processing device 47, and the result of the signal processing is displayed on a display device 48 such as a CRT.

【0050】一方、波長可変レーザ40は、制御装置4
1の制御を受けて第1の振動数νex1 と、第1の振動数
νex1 に対して一定の振動数差Δνexを有する第2の振
動数νex2 の2つの振動数で交互に発振するように波長
スイッチングされる。この第1の振動数νex1 及び第2
の振動数νex2 は、一定の振動数差Δνexを保ったまま
高振動数側あるいは低振動数側に掃引される。第1の振
動数νex1 と第2の振動数νex2 の振動数差Δνexは任
意の値でよいが、通常はラマンスペクトル幅よりわずか
に広くなるように選定されている。制御装置41からの
制御信号は、またロックイン増幅器46に同期信号とし
て入力される。
On the other hand, the tunable laser 40 is
Under the control of 1, the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2 having a constant frequency difference Δν ex with respect to the first frequency ν ex1 alternately oscillate at two frequencies. Wavelength switching. The first frequency ν ex1 and the second
Is swept toward the high frequency side or the low frequency side while maintaining a constant frequency difference Δν ex . The frequency difference Δν ex between the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2 may be any value, but is usually selected to be slightly wider than the Raman spectrum width. The control signal from the control device 41 is also input to the lock-in amplifier 46 as a synchronization signal.

【0051】図9(a)は、波長可変レーザ40の出力
を模式的に示した図である。横軸は時間軸である。図示
するように、波長可変レーザ40は制御装置41による
制御を受けて第1の振動数νex1 と第2の振動数νex2
(=νex1+Δνex)で交互にレーザ発振する。本発明
で用いる波長可変レーザ40は、1ms程度の波長スイ
ッチング周波数f(=1/t)で2波長を切り換えるこ
とが可能である。
FIG. 9A is a diagram schematically showing the output of the wavelength tunable laser 40. The horizontal axis is the time axis. As shown in the figure, the tunable laser 40 is controlled by the control device 41 to control the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2.
(= Ν ex1 + Δν ex ). The tunable laser 40 used in the present invention can switch between two wavelengths at a wavelength switching frequency f (= 1 / t) of about 1 ms.

【0052】図9(b)は、検出器45の出力信号を模
式的に示した図である。検出器45によって測定される
光は、狭帯域透過フィルター44を透過した第3の振動
数νob(固定振動数)を中心とする狭帯域の散乱光成分
である。検出器45の検出出力I1 は、第1の振動数ν
ex1 のレーザ光LBで照射されたとき試料Sから発生さ
れた散乱光検出信号に対応し、検出信号I2 は第2の振
動数νex2 のレーザ光LBで照射されたとき試料Sから
発生された散乱光検出信号に対応する。
FIG. 9B is a diagram schematically showing the output signal of the detector 45. The light measured by the detector 45 is a scattered light component having a narrow band centered on the third frequency ν ob (fixed frequency) transmitted through the narrow band transmission filter 44. The detection output I 1 of the detector 45 is the first frequency ν
Corresponding to the scattered light detection signal generated from the sample S when irradiated with the laser light LB of ex1 , the detection signal I 2 is generated from the sample S when irradiated with the laser light LB of the second frequency ν ex2 Corresponding to the detected scattered light signal.

【0053】励起光の振動数が第1の振動数νex1 と第
2の振動数νex2 の間で変化するとき、狭帯域透過フィ
ルター44を透過して光検出器45で受光される蛍光強
度はほとんど変化しないため、検出出力I1 に対する蛍
光の寄与分と検出出力I2 に対する蛍光の寄与分は等し
い。一方、ラマン散乱光の振動数は、図2(a)に示し
たように励起光の振動数変化に応じて変化し、例えば第
1の振動数νex1 のレーザ光LBで励起したときラマン
線の振動数がちょうど観察振動数νobに合致していて検
出器55で検出されたとしても、第2の振動数νex2
レーザ光LBで励起した際には、Δνexがラマンスペク
トル幅より大きく、ラマン線の振動数は観察振動数νob
から外れるため検出器45で検出されなくなる。すなわ
ち、ラマン散乱光は検出出力I1 には寄与しているが、
検出出力I2 には寄与していない。したがって、図9
(b)に略示するように、周波数f/2の信号成分をロ
ックイン増幅器46で位相同期検波することにより、検
出器45の検出信号からラマン成分を分離して計測する
ことができる。
When the frequency of the excitation light changes between the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2 , the fluorescence intensity transmitted through the narrow band transmission filter 44 and received by the photodetector 45 since almost no change, the contribution of the fluorescence to the detection output I 2 and the contribution of the fluorescence to the detection output I 1 is equal. On the other hand, the frequency of the Raman scattered light changes according to the change in the frequency of the excitation light as shown in FIG. 2A. For example, when the laser beam LB having the first frequency ν ex1 is excited, the Raman line Even if the frequency of the laser beam just coincides with the observation frequency ν ob and is detected by the detector 55, when excited by the laser beam LB having the second frequency ν ex2 , Δν ex is larger than the Raman spectrum width. Large, Raman line frequency is observed frequency ν ob
And is no longer detected by the detector 45. That is, although the Raman scattered light contributes to the detection output I 1 ,
It does not contribute to the detection output I 2. Therefore, FIG.
As schematically shown in (b), the signal component of the frequency f / 2 is phase-locked detected by the lock-in amplifier 46, whereby the Raman component can be separated from the detection signal of the detector 45 and measured.

【0054】ラマンスペクトルを測定するには、周波数
可変レーザ40から発生される単色レーザビームLBの
振動数を、第1の振動数νex1 と第2の振動数νex2
振動数差Δνex(=νex1−νex2)を一定に保って2つ
の振動数で交互にスイッチングしながら振動数の高い方
向又は振動数の低い方向に連続して掃引する。
In order to measure the Raman spectrum, the frequency of the monochromatic laser beam LB generated from the frequency tunable laser 40 is calculated by calculating the frequency difference Δν ex between the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2 ( = Ν ex1 −ν ex2 ) while keeping the frequency constant and alternately switching at two frequencies while continuously sweeping in the direction of higher frequency or in the direction of lower frequency.

【0055】図10は、このような振動数掃引を行った
ときロックイン増幅器46から得られた出力を模式的に
示した図である。あるストークス線のラマンシフトをΔ
νRとすると、νex1 又はνex2 の励起でνobのラマン
線が観測されるとき、次の〔数3〕の関係を満たす。
FIG. 10 is a diagram schematically showing an output obtained from the lock-in amplifier 46 when such a frequency sweep is performed. Raman shift of a Stokes line is Δ
Assuming that ν R , when the Raman line of ν ob is observed by the excitation of ν ex1 or ν ex2 , the following relationship is satisfied.

【0056】[0056]

【数3】ΔνR=νex1−νob, ΔνR=νex2−νob Δν R = ν ex1 −ν ob , Δν R = ν ex2 −ν ob

【0057】したがって、波長可変レーザ40の振動数
を掃引し、振動数νex1 又はνex2が上記〔数3〕の共
鳴関係を満たすとき、大きなラマン信号ΔIが得られ
る。位相同期検波するロックイン増幅器46の設定によ
り、振動数νex1 が共鳴しているときにはΔI>0、振
動数νex2 が共鳴しているときにはΔI<0となるもの
とすると、図10中の正のピークP2 ,P4 ,P6 ,P
8 は、νex1 の共鳴に基づくピークであり、負のピーク
1 ,P3 ,P5 ,P7 はνex2 の共鳴に基づくピーク
である。1つのラマン線に対してロックイン増幅器46
からは一定の振動数差Δνex(=νex1−νex2)をもっ
て出現する正と負の一対のピークが得られ、異なるラマ
ン線に対して同様のピーク対(P1,P2),(P3
4),(P5,P6),(P7,P8)が得られる。
Therefore, when the frequency of the wavelength tunable laser 40 is swept and the frequency ν ex1 or ν ex2 satisfies the above-described resonance relationship of Equation 3, a large Raman signal ΔI is obtained. By setting the lock-in amplifier 46 for phase-locked detection, ΔI> 0 when the frequency ν ex1 resonates, and ΔI <0 when the frequency ν ex2 resonates, as shown in FIG. Peaks P 2 , P 4 , P 6 , P
8 is a peak based on the resonance of v ex1 , and negative peaks P 1 , P 3 , P 5 , and P 7 are peaks based on the resonance of v ex2 . Lock-in amplifier 46 for one Raman line
Gives a pair of positive and negative peaks appearing with a constant frequency difference Δν ex (= ν ex1 −ν ex2 ), and similar peak pairs (P 1 , P 2 ), (P P 3 ,
P 4), (P 5, P 6), is obtained (P 7, P 8).

【0058】信号処理装置47は、ロックイン増幅器4
6から出力された正の信号ピーク列P2 ,P4 ,P6
8 を、観察振動数νobと各ピークが出現したときの励
起振動数νex1 との差Δν(=νob−νex1 )を横軸に
とって配列し直したものを試料Sのラマンスペクトルと
して表示装置48に表示する。正の信号ピーク列の代わ
りに負の信号ピーク列P1 ,P3 ,P5 ,P7 に対して
同様の処理を施しても同じラマンスペクトルを得ること
ができる。さらに、信号処理装置47において、正の信
号ピーク列P2 ,P4 ,P6 ,P8 から得られたラマン
スペクトルの波形と信号ピーク列P1 ,P3 ,P5 ,P
7 から得られたラマンスペクトルの波形とを比較し、両
方の波形が重なり合う部分のみをラマンスペクトルとし
て表示装置48に出力することもできる。この場合、2
つのスペクトル波形が重ならない部分はノイズとみなす
ことができる。
The signal processing device 47 includes the lock-in amplifier 4
6, the positive signal peak trains P 2 , P 4 , P 6 ,
The Raman spectrum of the sample S is obtained by rearranging P 8 with the difference Δν (= ν ob −ν ex1 ) between the observed frequency ν ob and the excitation frequency ν ex1 when each peak appears on the horizontal axis. The information is displayed on the display device 48. The same Raman spectrum can be obtained by performing the same processing on the negative signal peak strings P 1 , P 3 , P 5 , and P 7 instead of the positive signal peak strings. Further, in the signal processing unit 47, the positive signal peak train P 2, P 4, P 6 , waveform and signal peaks of the Raman spectrum obtained from P 8 column P 1, P 3, P 5 , P
It is also possible to compare the waveform of the Raman spectrum obtained from 7 and output only a portion where both waveforms overlap with each other to the display device 48 as a Raman spectrum. In this case, 2
A portion where two spectral waveforms do not overlap can be regarded as noise.

【0059】図11は、散乱光を2種類の振動数で観察
することにより、ラマンスペクトルの測定精度を更に上
げた分光分析装置の例を示す概略構成図である。ETT
レーザ等の波長可変レーザ40は、制御装置41の制御
を受けて第1の振動数νex1 と、第2の振動数νex2
交互に発振する。第2の振動数νex2 は、第1の振動数
νex1 に対して一定の振動数差Δνexを有し、第1の振
動数νex1 及び第2の振動数νex2 は、一定の振動数差
Δνexを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃
引される。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a spectroscopic analyzer in which the accuracy of Raman spectrum measurement is further improved by observing scattered light at two different frequencies. ETT
The wavelength variable laser 40 such as a laser oscillates alternately at a first frequency ν ex1 and a second frequency ν ex2 under the control of the control device 41. Second vibration frequency [nu ex2 has a constant frequency difference .DELTA..nu ex to the first vibration frequency [nu ex1, first vibration frequency [nu ex1 and second vibration frequency [nu ex2 is constant vibration The frequency is swept toward the high frequency side or the low frequency side while maintaining the number difference Δν ex .

【0060】波長可変レーザ40から発生された単色レ
ーザビームLBは、試料Sに入射される。試料Sから発
生された散乱光は、コリメータレンズ43aで平行光と
されたのち、振動数νob1 を中心とする狭帯域の振動数
の光のみを透過させる干渉フィルター等の狭帯域透過フ
ィルター44aに入射する。狭帯域透過フィルター44
aを透過した光線は、光電子増倍管等の光検出器45a
で検出される。試料Sから発生された散乱光は、同時
に、コリメータレンズ43bで平行光とされたのち、振
動数νob1 と異なる第2の振動数νob2 を中心とする狭
帯域の振動数の光のみを透過させる狭帯域透過フィルタ
ー44bを透過して光検出器45bで検出される。光検
出器45a,45bの出力はロックイン増幅器46に供
給される。
The monochromatic laser beam LB generated from the wavelength tunable laser 40 is incident on the sample S. The scattered light generated from the sample S is converted into parallel light by the collimator lens 43a, and then transmitted to a narrow band transmission filter 44a such as an interference filter that transmits only light having a narrow band frequency centered on the frequency ν ob1. Incident. Narrow band transmission filter 44
The light transmitted through a is a photodetector 45a such as a photomultiplier tube.
Is detected by Scattered light generated from the sample S at the same time, after being collimated by the collimator lens 43 b, transmits only light of the frequency of the narrow band around the second vibration frequency [nu ob2 different from the vibration frequency [nu ob1 The light passes through the narrow band transmission filter 44b and is detected by the photodetector 45b. Outputs of the photodetectors 45a and 45b are supplied to a lock-in amplifier 46.

【0061】ロックイン増幅器46は、制御装置41か
らの制御信号を同期信号として、光検出器45a,45
bの出力信号を位相同期検波する。信号処理装置47
は、光検出器45aの出力信号を位相同期検波したロッ
クイン増幅器46の出力信号から前述のようにして試料
Sのラマンスペクトルを求め、また、同様に光検出器4
5bの出力信号を位相同期検波したロックイン増幅器4
6の出力信号から試料Sのラマンスペクトルを求める。
そして、これら2つのラマンスペクトルを比較し、周波
数の差に対して相関の強いものを真のラマンスペクトル
とし、相関の弱いものをノイズとして、ノイズを除去し
たスペクトルをCRT等の表示装置48に表示する。こ
の分光分析装置によると、ラマン観測精度を上げて試料
Sの精密なラマンスペクトルを求めることができ、観測
時間も短縮することができる。
The lock-in amplifier 46 uses the control signal from the control device 41 as a synchronization signal, and
The output signal b is subjected to phase-locked detection. Signal processing device 47
Calculates the Raman spectrum of the sample S from the output signal of the lock-in amplifier 46 obtained by phase-locking the output signal of the photodetector 45a as described above.
Lock-in amplifier 4 that performs phase-locked detection on the output signal of 5b
The Raman spectrum of the sample S is obtained from the output signal of No. 6.
Then, these two Raman spectra are compared, and the one having a strong correlation with the frequency difference is regarded as a true Raman spectrum, the one having a weak correlation is regarded as a noise, and the spectrum from which the noise has been removed is displayed on a display device 48 such as a CRT. I do. According to this spectroscopic analyzer, the Raman observation accuracy can be increased to obtain a precise Raman spectrum of the sample S, and the observation time can be shortened.

【0062】図12は、干渉型分光器を用いた本発明の
分光分析装置の例を示す概略構成図である。ETTレー
ザ等の波長可変レーザ40は、制御装置41の制御を受
けて第1の振動数νex1 と、第2の振動数νex2 で交互
に発振する。第2の振動数νex2 は、第1の振動数ν
ex1 に対して一定の振動数差Δνexを有し、第1の振動
数νex1 及び第2の振動数νex2 は、一定の振動数差Δ
νexを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引
される。
FIG. 12 is a schematic diagram showing an example of a spectroscopic analyzer of the present invention using an interference type spectroscope. The wavelength variable laser 40 such as an ETT laser oscillates alternately at a first frequency ν ex1 and a second frequency ν ex2 under the control of the control device 41. The second frequency ν ex2 is equal to the first frequency ν
ex1 has a constant frequency difference Δν ex , and the first frequency ν ex1 and the second frequency ν ex2 have a constant frequency difference Δex.
high frequency side or keeping the [nu ex is swept in a low frequency side.

【0063】可変レーザ40から発生された波長λ1
λ2 の2波長交互発振レーザビームLBは試料Sに入射
され、試料Sから発生された散乱光は、コリメータレン
ズLで平行光とされたのち、固定ミラーM1 、移動ミラ
ーM2 及びハーフミラーHMを備える干渉型分光器に入
射する。試料Sからの散乱光は、ハーフミラーHMで固
定ミラーM1 に入射する成分と移動ミラーM2 に入射す
る成分とに分割され、固定ミラーM1 で反射された成分
と移動ミラーM2 で反射された成分は再びハーフミラー
HMで結合され、光検出器D上で干渉する。
The two-wavelength alternately oscillated laser beam LB of wavelengths λ 1 and λ 2 generated from the tunable laser 40 is incident on the sample S, and the scattered light generated from the sample S is collimated by the collimator lens L. Thereafter, the light enters the interference spectroscope including the fixed mirror M 1 , the moving mirror M 2, and the half mirror HM. Scattered light from the sample S is divided into a component incident with component incident on the fixed mirror M 1 by the half mirror HM to move the mirror M 2, reflected by the movable mirror M 2 and the reflected components by the fixed mirror M 1 The components thus combined are again combined by the half mirror HM and interfere on the photodetector D.

【0064】制御装置41からの制御信号は、ロックイ
ン増幅器46にも入力され、ロックイン増幅器46は光
検出器Dの出力信号を波長交互発振の切り替え周波数f
で位相同期検波する。Δλ(=λ1−λ2)は小さく、ラ
マン散乱光は波長切り換えにより波長シフトするが蛍光
は波長シフトしないため、同期検波された成分はラマン
散乱出力成分となる。ロックイン増幅器46の出力は信
号処理装置47に供給され、移動ミラーM2 を掃引しな
がら検出した出力をフーリエ変換することによって得ら
れたスペクトルはCRT等の表示装置48に表示され
る。こうして、試料Sのラマンスペクトルが得られる。
The control signal from the control device 41 is also input to the lock-in amplifier 46, which converts the output signal of the photodetector D into the switching frequency f of the wavelength alternate oscillation.
Is used for phase-locked detection. Δλ (= λ 1 −λ 2 ) is small, and the wavelength of the Raman scattered light shifts due to the wavelength switching, but the fluorescence does not shift. Therefore, the synchronously detected component becomes the Raman scattering output component. The output of the lock-in amplifier 46 is supplied to the signal processor 47, the spectrum obtained by Fourier transforming the detected while sweeping the movable mirror M 2 output is displayed on a display device 48 such as a CRT. Thus, a Raman spectrum of the sample S is obtained.

【0065】図13は、ETTレーザ等の波長可変レー
ザ40と試料S、及び試料Sと光検出器55の間を光フ
ァイバー52a,52bで結ぶことにより遠隔測定を可
能にした分光分析装置の一例を示す説明図である。
FIG. 13 shows an example of a spectroscopic analyzer which enables remote measurement by connecting the wavelength tunable laser 40 such as an ETT laser and the sample S, and the sample S and the photodetector 55 by optical fibers 52a and 52b. FIG.

【0066】ETT等の波長可変レーザ40からの出射
光は、光結合器51aから送光用の光ファイバー52a
に入射し、送光用光ファイバー52a中を通って他端の
照射用光結合器51bから出射し、試料Sを照射する。
試料Sで散乱された光は受光用光結合器51cから受光
用の光ファイバー52bに入射し、受光用光ファイバー
52bの他端に設けられた光結合器51d中に狭帯域透
過フィルター54を透過したのち光電子増倍管等の光検
出器55で検出される。光検出器55の出力信号はロッ
クイン増幅器46に入力される。
The light emitted from the wavelength tunable laser 40 such as ETT is transmitted from the optical coupler 51a to the optical fiber 52a for transmitting light.
To the sample S through the light transmitting optical fiber 52a and out of the irradiation optical coupler 51b at the other end.
The light scattered by the sample S enters the light-receiving optical fiber 52b from the light-receiving optical coupler 51c, and passes through the narrow-band transmission filter 54 into the optical coupler 51d provided at the other end of the light-receiving optical fiber 52b. It is detected by a photodetector 55 such as a photomultiplier tube. The output signal of the photodetector 55 is input to the lock-in amplifier 46.

【0067】前述のように、制御装置41によって波長
可変レーザ40の発振波長を第1の振動数νex1 と、第
1の振動数νex1 に対して一定の振動数差Δνexを有す
る第2の振動数νex2 の2つの振動数で交互に発振する
ように波長スイッチングし、同時に第1の振動数νex1
及び第2の振動数νex2 を、一定の振動数差Δνexを保
ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃引する。こ
のとき、制御装置41の制御信号をロックイン増幅器4
6に入力して、光検出器55の出力信号を位相同期検波
することにより、信号処理手段47で試料Sのラマンス
ペクトルを求め、表示装置48に表示することができ
る。
As described above, the oscillation wavelength of the tunable laser 40 is controlled by the control device 41 to the first frequency ν ex1 and the second frequency having a constant frequency difference Δν ex with respect to the first frequency ν ex1 . Wavelength switching so as to oscillate alternately at two frequencies of ν ex2 , and at the same time, the first frequency ν ex1
And the second frequency ν ex2 is swept toward the high frequency side or the low frequency side while maintaining a constant frequency difference Δν ex . At this time, the control signal of the control device 41 is transmitted to the lock-in amplifier 4.
The Raman spectrum of the sample S is obtained by the signal processing means 47 by performing phase-locked detection on the output signal of the photodetector 55 by inputting the signal to the signal detector 6 and displaying it on the display device 48.

【0068】このように波長可変レーザ40と試料S、
及び試料Sと光検出器55の間を光ファイバー52a,
52bで結ぶ方法は、試料Sに対して波長可変レーザ4
0及び他の計測機器55,46,47,48を分離して
設置しなければならない場合に有効である。そのような
測定が必要とされる場合の例として、隔離された病室、
高温又は低温エリア、電磁ノイズ等の大きなエリアでの
測定が挙げられる。この方法によると、複数箇所に設定
された測定位置での試料測定を測定位置から数十メート
ルあるいは数百メートル離れた測定室において集中的に
行うことができる。
As described above, the wavelength tunable laser 40 and the sample S,
And an optical fiber 52a between the sample S and the photodetector 55.
The method of tying the sample 52 with the wavelength tunable laser 4
This is effective when it is necessary to separately install the zero and other measuring devices 55, 46, 47, 48. Examples where such measurements are needed include isolated hospital rooms,
Measurement in a large area such as a high or low temperature area or an electromagnetic noise is included. According to this method, sample measurement at measurement positions set at a plurality of locations can be performed intensively in a measurement room several tens meters or several hundred meters away from the measurement positions.

【0069】図14は、試料からのラマン散乱光の2次
元分布を測定する分光測定装置の概略説明図である。試
料Sは試料台61に保持され、試料台61に組み込まれ
たモータ等の駆動手段によってXY方向に移動可能にな
っている。ETTレーザ等の波長可変レーザ40は、制
御装置41によって制御され、第1の振動数νex1 と、
第1の振動数νex1 に対して一定の振動数差Δνexを有
する第2の振動数νex2 の2つの振動数で交互に発振す
るように波長スイッチングされ、同時に一定の振動数差
Δνexを保ったまま高振動数側あるいは低振動数側に掃
引される。
FIG. 14 is a schematic explanatory view of a spectrometer for measuring the two-dimensional distribution of Raman scattered light from a sample. The sample S is held by the sample table 61 and can be moved in the X and Y directions by driving means such as a motor incorporated in the sample table 61. A tunable laser 40 such as an ETT laser is controlled by a control device 41 and has a first frequency ν ex1 ,
Wavelength switching is performed so as to alternately oscillate at two frequencies of a second frequency ν ex2 having a constant frequency difference Δν ex with respect to the first frequency ν ex1 , and at the same time, a constant frequency difference Δν ex Is swept to the high frequency side or the low frequency side while maintaining

【0070】波長可変レーザ40から出射された単色レ
ーザ光LBは、反射ミラー62aによって反射され、集
束レンズ63aによって細く絞られて試料S上の微小領
域に斜め方向からスポット照射される。試料Sの微小領
域で散乱されたレーザ光は集光レンズ63bによって集
光され、反射ミラー62bで反射されて光検出器65に
入射する。光検出器65の出力信号はロックイン増幅器
46に入力され、制御装置41の制御信号に位相同期し
て検波され、その出力信号は信号処理手段47に入力さ
れ、信号処理によってラマンスペクトルが求められる。
The monochromatic laser beam LB emitted from the wavelength tunable laser 40 is reflected by the reflecting mirror 62a, narrowed down by the focusing lens 63a, and irradiates a small area on the sample S with a spot from an oblique direction. The laser light scattered in the minute area of the sample S is condensed by the condenser lens 63b, reflected by the reflection mirror 62b, and enters the photodetector 65. The output signal of the photodetector 65 is input to the lock-in amplifier 46, detected in phase synchronization with the control signal of the control device 41, and the output signal is input to the signal processing means 47, and a Raman spectrum is obtained by signal processing. .

【0071】試料台制御装置69は試料台61をXY方
向に駆動することによって試料S上でのレーザビームL
Bの照射位置を変更し、試料Sの各位置でのラマンスペ
クトルを求める。信号処理手段47は、試料台制御装置
69から試料S上でのレーザビーム照射位置情報を供給
され、CRT等のモニター48に特定のラマン線強度の
2次元分布を表示する。このように、試料S上でのレー
ザ光照射位置を2次元走査することで、試料表面のラマ
ン画像を求めることができる。
The sample stage controller 69 drives the sample stage 61 in the X and Y directions to thereby control the laser beam L on the sample S.
The irradiation position of B is changed, and the Raman spectrum at each position of the sample S is obtained. The signal processing means 47 is supplied with information on the laser beam irradiation position on the sample S from the sample stage controller 69, and displays a two-dimensional distribution of a specific Raman line intensity on a monitor 48 such as a CRT. As described above, by two-dimensionally scanning the laser beam irradiation position on the sample S, a Raman image of the sample surface can be obtained.

【0072】なお、ここでは励起波長をわずかに変えて
ラマン光と蛍光とを分離する方法として、周波数スイッ
チングの効果を使ってロックインアンプ方式により検出
する方法について主に説明した。しかし、この方法は、
オプチカルマルチチャンネルアナライザーを用いて一度
にスペクトルを測定するタイプの通常のラマン分光法
に、λex1,λex2励起光に対するスペクトルの差分分析
を使うことにより同様に適用できるのは明らかである。
Here, as a method of separating the Raman light and the fluorescence by slightly changing the excitation wavelength, a method of detecting the Raman light and the fluorescence by the lock-in amplifier method using the effect of the frequency switching has been mainly described. However, this method
It is apparent that the present invention can be similarly applied to ordinary Raman spectroscopy of a type in which a spectrum is measured at a time by using an optical multi-channel analyzer by using spectrum difference analysis for λ ex1 and λ ex2 excitation light.

【0073】[0073]

【発明の効果】本発明によると、分光器を用いることな
く、干渉フィルターのような取り扱いの極めて簡易な狭
帯域透過フィルターを用いて、蛍光の影響を受けずにラ
マン散乱光を検出することができる。
According to the present invention, it is possible to detect Raman scattered light without being affected by fluorescence using a narrow band transmission filter such as an interference filter, which is extremely easy to handle, without using a spectroscope. it can.

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

【図1】試料から蛍光が発生していない場合のラマンス
ペクトルの模式図。
FIG. 1 is a schematic diagram of a Raman spectrum when no fluorescence is generated from a sample.

【図2】ラマン線に蛍光が重なったスペクトルの模式
図。
FIG. 2 is a schematic diagram of a spectrum in which fluorescence overlaps a Raman line.

【図3】複屈折性音響光学素子による波長選択作用を説
明する概念図。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a wavelength selection action by a birefringent acousto-optic element.

【図4】複屈折性音響光学素子中を伝播する常光線のk
ベクトルと、異常光線のkベクトルを表示した図。
FIG. 4 shows k of an ordinary ray propagating in a birefringent acousto-optic element.
The figure which displayed the vector and the k vector of the extraordinary ray.

【図5】ETTレーザの他の例の説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram of another example of the ETT laser.

【図6】Zホールド型共振器を用いたETTレーザの説
明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram of an ETT laser using a Z-hold type resonator.

【図7】図6に示したETTレーザの波長可変特性を示
す図。
FIG. 7 is a view showing a wavelength tunable characteristic of the ETT laser shown in FIG. 6;

【図8】本発明による分光分析装置の一例の概略構成
図。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an example of a spectroscopic analyzer according to the present invention.

【図9】(a)は振動数可変レーザの出力を模式的に示
した図、(b)は検出器の出力信号を模式的に示した
図。
9A is a diagram schematically illustrating an output of a variable frequency laser, and FIG. 9B is a diagram schematically illustrating an output signal of a detector.

【図10】ロックイン増幅器の出力を模式的に示した
図。
FIG. 10 is a diagram schematically showing an output of a lock-in amplifier.

【図11】観察振動数を2種類とした分光分析装置の例
を示す概略構成図。
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing an example of a spectroscopic analyzer with two types of observation frequencies.

【図12】干渉型分光器を用いた分光分析装置の例を示
す概略構成図。
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing an example of a spectroscopic analyzer using an interference spectroscope.

【図13】波長可変レーザと試料、及び試料と光検出器
の間を光ファイバーで結んだ分光分析装置の一例を示す
説明図。
FIG. 13 is an explanatory view showing an example of a spectroscopic analyzer in which a wavelength tunable laser and a sample, and a sample and a photodetector are connected by an optical fiber.

【図14】試料からのラマン散乱光の2次元分布を測定
する分光測定装置の概略説明図。
FIG. 14 is a schematic explanatory view of a spectrometer for measuring a two-dimensional distribution of Raman scattered light from a sample.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

14…レーザ媒質、20…RF電源、22…圧電素子、
24…励起レーザ光、26…パーソナル・コンピュー
タ、28…プリズム、30…テレスコープ、32…励起
レーザ、40…波長可変レーザ、41…制御装置、43
…コリメータレンズ、44,44a,44b…狭帯域透
過フィルター、45,45a,45b…光検出器、46
…ロックイン増幅器、47…信号処理装置、48…表示
装置、51a,51b,51c,51d…光結合器、5
4…狭帯域透過フィルター、55…光検出器、52a,
52b…光ファイバー、61…試料台、62a,62b
…反射ミラー、65…光検出器、69…試料台制御装
置、100…複屈折性音響光学素子、104…音響波、
106…回折光、110…全反射ミラー、112…出射
側ミラー
14 laser medium, 20 RF power supply, 22 piezoelectric element,
Reference numeral 24: Excitation laser beam, 26: Personal computer, 28: Prism, 30: Telescope, 32: Excitation laser, 40: Tunable laser, 41: Control device, 43
... Collimator lenses, 44, 44a, 44b ... Narrow band transmission filters, 45, 45a, 45b ... Photodetectors, 46
... lock-in amplifier, 47 ... signal processing device, 48 ... display device, 51a, 51b, 51c, 51d ... optical coupler, 5
4: narrow band transmission filter, 55: photodetector, 52a,
52b: optical fiber, 61: sample stage, 62a, 62b
... reflection mirror, 65 ... photodetector, 69 ... sample stage controller, 100 ... birefringent acousto-optic element, 104 ... acoustic wave,
106: diffracted light, 110: total reflection mirror, 112: output side mirror

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤川 和幸 宮城県仙台市青葉区長町字越路19−1399 理化学研究所 フォトダイナミクス研究セ ンター内 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing on the front page (72) Inventor Kazuyuki Akakawa 19-1399, Koshiji, Nagamachi, Aoba-ku, Sendai, Miyagi Prefecture Photodynamics Research Center, RIKEN

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 波長可変レーザからの単色光を試料に照
射し、前記試料から発せられる発光を測定する分光分析
法において、 前記波長可変レーザとして、レーザ共振器内に所定の波
長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光
学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回
折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成
し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周
波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レー
ザを用い、 前記試料から発せられる一定波長の発光強度を測定する
ことを特徴とする分光分析法。
In a spectroscopic analysis method of irradiating a sample with monochromatic light from a wavelength tunable laser and measuring light emission emitted from the sample, a laser oscillating in a predetermined wavelength region in a laser resonator as the wavelength tunable laser. Disposing a possible laser medium and a birefringent acousto-optical element, forming a laser resonator on a predetermined optical axis of a light component diffracted by the birefringent acousto-optical element, A spectroscopic analysis method comprising: measuring a light emission intensity of a constant wavelength emitted from the sample by using a tunable laser for selecting a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited therein.
【請求項2】 波長可変レーザからの単色光を試料に照
射し、試料から発せられる発光を観測する分光分析法に
おいて、 前記試料に照射される単色光の波長を高速掃引し、所定
の波長において前記試料から発せられる光を観測し、観
測波長での発光励起スペクトルを得ることを特徴とする
分光分析法。
2. A spectroscopic analysis method for irradiating a sample with monochromatic light from a tunable laser and observing light emission emitted from the sample, wherein the wavelength of the monochromatic light applied to the sample is swept at a high speed, and A spectroscopic analysis method comprising observing light emitted from the sample and obtaining an emission excitation spectrum at an observation wavelength.
【請求項3】 波長可変レーザからの単色光を試料に照
射し、試料から発せられる光を観測する分光分析法にお
いて、 前記試料に照射される単色光の波長を、第1の波長と該
第1の波長に対して一定の周波数差を有する第2の波長
との間で交互に波長を切換えながらがら波長掃引し、第
3の波長において前記試料から発せられる光を観測し、
前記第3の波長における観測光のうち前記波長の切り換
えと同期して時間変化する成分をラマン散乱光として分
離観察することを特徴とする分光分析法。
3. A spectroscopic analysis method of irradiating a sample with monochromatic light from a wavelength tunable laser and observing light emitted from the sample, wherein the wavelength of the monochromatic light irradiated on the sample is a first wavelength and the second wavelength. Wavelength sweeping while alternately switching the wavelength between a second wavelength having a certain frequency difference with respect to one wavelength, observing light emitted from the sample at a third wavelength,
A spectroscopic analysis method characterized by separating and observing, as Raman scattered light, a component that changes in time in synchronization with the switching of the wavelength among the observation light at the third wavelength.
【請求項4】 前記第3の波長とともに該第3の波長と
異なる第4の波長において前記試料から発せられる光を
観測し、前記第3の波長及び第4の波長の周波数差に対
する相関性からラマン散乱光を精密に分離することを特
徴とする請求項3記載の分光分析法。
4. Observing light emitted from the sample at a fourth wavelength different from the third wavelength together with the third wavelength, and observing a correlation with a frequency difference between the third wavelength and the fourth wavelength. 4. The method according to claim 3, wherein the Raman scattered light is precisely separated.
【請求項5】 前記波長切り換えによって時間的に変化
しない成分を非ラマン成分として分離観察することを特
徴とする請求項3記載の分光分析法。
5. The spectroscopic method according to claim 3, wherein a component that does not change with time due to the wavelength switching is separately observed as a non-Raman component.
【請求項6】 前記波長可変レーザとして、レーザ共振
器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と
複屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光
学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレー
ザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起
する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行
う波長可変レーザを用いることを特徴とする請求項2〜
5のいずれか1項記載の分光分析法。
6. A laser medium capable of oscillating laser light in a predetermined wavelength region and a birefringent acousto-optical element are arranged in a laser resonator as the wavelength-variable laser, and are diffracted by the birefringent acousto-optical element. A laser resonator is formed on a predetermined optical axis of a light beam component, and a wavelength tunable laser that performs wavelength selection by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element is used. Claim 2
6. The spectroscopic analysis method according to any one of 5.
【請求項7】 前記波長可変レーザからの単色光を光フ
ァイバーを通して試料に照射し、試料から発せられる光
を光ファイバーを通して観測することを特徴とする請求
項1〜6のいずれか1項記載の分光分析法。
7. The spectroscopic analysis according to claim 1, wherein the sample is irradiated with monochromatic light from the wavelength tunable laser through an optical fiber, and light emitted from the sample is observed through the optical fiber. Law.
【請求項8】 前記波長可変レーザからの単色光を前記
試料に対して相対的に走査し、試料の2次元領域におけ
る発光の分布を測定することを特徴とする請求項1〜7
のいずれか1項記載の分光分析法。
8. The apparatus according to claim 1, wherein monochromatic light from said tunable laser is scanned relative to said sample, and a distribution of light emission in a two-dimensional area of said sample is measured.
The spectroscopic analysis method according to any one of claims 1 to 4.
【請求項9】 試料に単色光を照射するための波長可変
レーザと、前記波長可変レーザの発振波長を第1の波長
と該第1の波長に対して一定の振動数差を有する第2の
波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するための
波長制御手段と、第3の波長を透過する狭帯域透過フィ
ルターと、前記単色光の照射によって試料から発せられ
前記狭帯域透過フィルターを透過した前記第3の波長の
光を検出する光検出器と、前記光検出器の検出信号を前
記第1の波長と第2の波長の切り換え信号に位相同期し
て検波するための位相同期検波手段とを備え、試料のラ
マンスペクトルを測定する機能を有することを特徴とす
る分光分析装置。
9. A wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, and a second wavelength having an oscillation wavelength of the first wavelength and a constant frequency difference with respect to the first wavelength. Wavelength control means for sweeping the wavelength while switching the wavelength between the wavelengths, a narrow-band transmission filter transmitting the third wavelength, and the monochromatic light emitted from the sample and transmitted through the narrow-band transmission filter. A photodetector for detecting the light of the third wavelength, and a phase-locked detection means for detecting a detection signal of the photodetector in phase with a switching signal of the first wavelength and the second wavelength. And a function of measuring a Raman spectrum of the sample.
【請求項10】 試料に単色光を照射するための波長可
変レーザと、前記波長可変レーザの発振波長を第1の波
長と該第1の波長に対して一定の振動数差を有する第2
の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するため
の波長制御手段と、第3の波長を透過する第1の狭帯域
透過フィルターと、前記第3の波長と異なる第4の波長
を透過する第2の狭帯域透過フィルターと、前記単色光
の照射によって試料から発せられ前記第1の狭帯域透過
フィルターを透過した光を検出する第1の光検出器と、
前記第2の狭帯域透過フィルターを透過した光を検出す
る第2の光検出器と、前記第1及び第2の光検出器の検
出信号を前記第1の波長と第2の波長の切り換え信号に
位相同期して検波するための位相同期検波手段と、前記
位相同期検波手段の2つの位相同期検波信号を比較する
比較手段とを、試料のラマンスペクトルを測定する機能
を有することを特徴とする分光分析装置。
10. A wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, and a second wavelength having an oscillation wavelength of the first wavelength and a constant frequency difference with respect to the first wavelength.
Wavelength control means for sweeping the wavelength while switching the wavelength between the first and second wavelengths, a first narrow-band transmission filter transmitting the third wavelength, and transmitting a fourth wavelength different from the third wavelength. A second narrow-band transmission filter, a first photodetector that detects light emitted from the sample by the irradiation of the monochromatic light and transmitted through the first narrow-band transmission filter,
A second photodetector for detecting light transmitted through the second narrow-band transmission filter, and a detection signal of the first and second photodetectors for switching between the first wavelength and the second wavelength. A phase-locked detection means for detecting the phase-locked phase and a comparison means for comparing the two phase-locked detection signals of the phase-locked detection means with a function of measuring the Raman spectrum of the sample. Spectroscopic analyzer.
【請求項11】 試料に単色光を照射するための波長可
変レーザと、前記波長可変レーザの発振波長を第1の波
長と該第1の波長に対して一定の振動数差を有する第2
の波長との間で波長を切り換えながら波長掃引するため
の波長制御手段と、前記単色光の照射によって試料から
発せられた光を干渉分光する干渉計と、前記干渉計の出
力信号を前記波長制御手段の波長切り換え信号に位相同
期して検波するための位相同期検波手段と、前記位相同
期検波手段の出力をフーリエ変換する手段とを備え、試
料のラマンスペクトルを測定する機能を有することを特
徴とする分光分析装置。
11. A wavelength tunable laser for irradiating a sample with monochromatic light, and a second wavelength having a constant frequency difference between the first wavelength and the first wavelength.
Wavelength control means for sweeping the wavelength while switching between the wavelengths, an interferometer for performing interference spectroscopy of light emitted from the sample by the irradiation of the monochromatic light, and controlling the output signal of the interferometer to the wavelength. A phase-locked detection means for detecting the phase-locked signal in phase synchronization with the wavelength switching signal, and a means for performing a Fourier transform on the output of the phase-locked detection means, and having a function of measuring the Raman spectrum of the sample. Spectroscopic analyzer.
【請求項12】 前記波長可変レーザは、レーザ共振器
内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複
屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学
素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ
共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起す
る音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う
ものであることを特徴とする請求項9〜11のいずれか
1項記載の分光分析装置。
12. The wavelength tunable laser includes a laser medium having a laser medium capable of oscillating laser in a predetermined wavelength region and a birefringent acousto-optic element, and is diffracted by the birefringent acousto-optic element. A laser resonator is formed on a predetermined optical axis of a light beam component, and wavelength selection is performed by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acousto-optic element. 12. The spectroscopic analyzer according to any one of 9 to 11.
【請求項13】 前記波長可変レーザと前記試料の間及
び/又は前記試料と前記光検出器の間を結ぶ光ファイバ
ーを備えることを特徴とする請求項9〜12のいずれか
1項記載の分光分析装置。
13. The spectroscopic analysis according to claim 9, further comprising an optical fiber connecting between the tunable laser and the sample and / or between the sample and the photodetector. apparatus.
【請求項14】 前記波長可変レーザからの単色光を前
記試料に対して相対的に走査する手段を備えることを特
徴とする請求項8〜13のいずれか1項記載の分光分析
装置。
14. The spectroscopic analyzer according to claim 8, further comprising: means for scanning monochromatic light from the tunable laser relative to the sample.
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