JPS59104520A - 結晶体の赤外特性測定用光学系装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は平行型光学系を用いたフーリエ変換型赤外分
光装置に関する。

げ）従来の分光器 物質の光学的特性−たさえは、党の透Ｃ率−吸収率は一
従来、回折格子、プリズムを用いた分光器を用いて測定
される。

プリズムは一屈析率分散を利用して一異なる波長の光を
、異なる角度へ屈折させ、それぞれの波長の光を得る。

回折格子は、反射回折格子、透過回折格子があるが−い
ずれも、等間隔−平行に多数の線を引いて格子を作製し
ている。格子間隔ｄと、光の波長フ、が一定の条件をπ
４１す回折角Ｏの方向へ、波長λの光が回折される。

回折格子は、大きな分散能と分解能を得ることができる
。遠紫外部や赤外部のスペクトルを観測するのにも用い
る事ができる。

従来の分光器は、白色光源と、この光を分散さぜる回折
格子、プリズムと、分けられた光を試料に当て、透過光
を１則定する検出器とよりなる。

これらは、白色光源に含まれる光をある狭い波長範囲に
分けて取出し、試料に当て一波長ごとの透過−；汲収を
直接測定する。

実隙には一光束を２木に分け、一方の光路にはサンプル
を入れ、他方はサンプルを入れないようにし−それぞれ
の光の強度を７Ｅ’Ｊ定し、サンプルを通過した光（サ
ンプル光）と、空気中を通過した光（リファレンス光）
の比をとる。すると、直接、透過、１汲収の測定値を得
ることができる。

このような分光測定方法は、光源の光をスリットを通し
てから回折格子に肖て一各波長ごとの光に分けてから試
料へ照射する。狭いスリットを通った光であるから、弱
い光である。試料に十分強い光を当てることができず一
当然感度が悪い。

特に、透過率の小さい試料に列しては−あまり良い結果
を与えない。

しかし、従来は、赤外光学材料の光学特性は、このよう
な回折格子を用いた分光学的測定によって測定された。

（イ）　フーリエ変換型分光器 フーリエ変換型分光型が着想されたのは数十年前である
。しかし−実際に装置が作られて使用されてから、未だ
５年足らずである。

フーリエ変換型分光器は回折格子やプリズムによシ、空
間的に光を分解するのではない。

干渉計を使用し一干渉光を試料に当て、試料を透過した
光を検出する。干渉計は光をビームスプリンターで２木
の光束に分け、そ、ｈぞれをミラーで反射させた後、再
び１木の光束とする。

一方のミラー（ｄ固定されておシー他方のミラーは可動
ミラーである。可動ミラーは光軸と平背な方向に往復運
動している。

可動ミラーの往便運動の中心からの変位をＸとすると、
波数νの光に対し、可動ミラーで反射された光の位相は
４πνＸ　だけずれる。

波数νの光の振１ｍをＢ（ν）とする。

固定ミラーで反射された光の全波数についての全振幅は であられされる。

可動ミラーで反射された光は 一 となる。これらの光が合陣して、試料に入射する。

波数νの光吠分について、吸収があって、振幅がＣ（ν
）になったとすると−（ＬＬ　（２）式でＢ（ν）をＣ
（ν）に置換した波動が得られる。検出器では、両方の
波動の和の二乗を検出するから一出力Ｉ　ｓ　（ｘ）は
となる。

（３）式の内の第１項は定数であるが、第２項は、Ｘの
関数である。これは透過光の各波数νについての強度Ｉ
Ｃ（ν）１２のフーリエ変換になっている。

可動ミラーを動かして、ある一定変域での全てのＸの値
についてＩ　ｓ　（ｘ）を得る事ができれば、ｌ５（Ｘ
）をフーリエ逆変換して光強度ｌＣ（νＮ２　を求める
事ができる。

フーリエ変換型分光器は、このように、スリットや回折
格子を用いない。全ての波数成分を含む白色光を試料に
当て、透過光ｌ５（ｘ）を求めミラーリエ変換して、１
ｃ（ν）１　を求める。

スリットを通さなりから１強い光源の光をそのま＼試料
に照射する事ができ、暗い試料、つまυ透過率の低い試
料であっても、精度良く光特性の１１（１定を行うこと
ができる。

しかし、実際にはＩ　ｓ　（ｘ）を記憶させて、とのデ
一りからフーリエ逆変換するので、コンピュータを用い
なければ実行不可能であった。

可動ミラーは、１回変域内を動くと−Ｉｓ（ｘ）を得る
が、これでは　／Ｎ　比が低いので、何十回、何百回と
可動ミラーを往復運動させる。１回動くごとに、ｌ５（
ｘ）の全データを得るから、Ｎ回動く表、　：／Ｎ比が
丁倍に向上する。

各Ｘについての透過光強度ｌ５（ｘ）のデータを全て記
憶させるが、このデータは厖大である。Ｎ回動かすと−
さらにＮ倍になる。

性能のよいコンピュータが利用できるようになって、フ
ーリエ変換型分光器がはじめて実現可能なものシてなっ
てきた。

これが−未だ５年を経ていない。現在のところ、未だ広
く普及していない事もあって−もっばら有］人化合物の
赤外特性測定に用いられている程度である。

たとえばポリエチレン薄膜のように一有機化合物は、薄
膜にして測定する。

これまで、フーリエ変換型分光器は、第３図に示すよう
な、フォーカス型の光学系が使用されてきた。フォーカ
ス型というのは、測定試料の内部の一点に光束を集束さ
せる光学系のことを言う。

試料の中へ光を集めるので、強い光強度を得ることがで
きる、という長所がある。

試料が薄膜であればフォーカス型の光学系で良い。しか
し−厚膜、又は結晶で厚みのあるものが試料の場合、フ
ォーカス型にＩｄ、躍しい欠点が現われる。

光源２１は白色光源で赤外光を出す。

光源２１から出射された光束２２は一光源部ミラー光学
系２３で二元にのべた干渉波となυ、絞られて、試料２
４に入射する。

光源部ミラー光学系２３は、ビームヌプリソタ、ミラー
（固定、可動）などの干渉計と、光を導り：ためのミラ
ーを含むが一最後には光を絞って試料２４に入射するよ
うにしている。

試料２４を出たサンプル光２５は検出部ミラー光学系２
６を経て一検出器２７に入る。

集光点は一試料２４の中央又は前方にある。

赤外特性を測定したい試料として− （ａ）　　半導体拐料 Ｇｅ　　−Ｓｉ　　−Ｚｎ５ｅ−ＣｄＴｅ−ＧａＡｓな
ど （ｂ）　　イオン結晶材料 Ｋ　ＣＩ２、ＫＢｒ−ＮｈＣｌ−ＡｇＢｒ−ＡｇＣ１な
ど などがある。これらの材料は、従来の回折格子を用いた
分光器で光特性が測定されているが、フーリエ変換型分
光器によって測定されたごとはないように思う。

これらのイオ料（伏−必ずしも薄膜とは限らない。

厚膜である場合もあり、直方オ状である場合もある。

試料の厚み、材料そのものの屈折率等によシー従来のフ
ォーカス型光学型を用いたフーリエ変換型分光器では、
これら赤外光学材料の特性評価を正確に行うのは難しい
。

１ 第２図はＺｎ５ｅ結晶の４００〜４００　（Ｊｃｒｎに
於ける透過率の測定結果を表すスペクトル図である。

横軸は波数ν（ｃｍ’）−縦軸は透過率Ｃ％）を示す。

Ｚｎ５ｅは１０ｒｎｍＸ１０朋の断面で、長さが２０ｍ
ｍの直方体の試料であった。長手方向を光軸方向に平行
に置いた。

２木のスペクトル曲線の内、Ａがフォーカス型光学系に
よる測定結果を示す。

フォーカス型光学系によるスペクトル曲ｉＡは、波数が
４０００ｃｙ’から８００ｃｍ−１に至るまで透過率が
増大してゆくようになっている。つまり、光の波長が短
くなるに従って、途過率が減小してゆく。

しかしながら、これは材料の本質的特性ではない。実際
に、４０００ｃｍ　〜８００　ｃｙｎ−１で透過率１ がほぼ一定である事が知られている。これは−従来の回
折格子を用いる分光器による測定によって知られている
わけである。

フォーカス型光学系の欠点は、このスペクトル図によっ
て如実に示される。

原因を考案した。

（１）試料の長手方向の厚みｄが大きいと、試料内で光
束が著しく散乱される。ということがある。

試料内を通る光路が長く、かつ光線は試料の端面と必ず
しも直角ではないからである。

試料内で、光線が試料側面に轟ると反射することが多く
一シばしば全反射も起シうる。内部で反射を繰返した光
は散乱光となって、検出器に到達しない。

（２）一般に、赤外桐料は、赤外光に対し屈折率の大き
いものが多い。屈折率ｎは２以上である事が多い。光線
が材料に入射する除、光線と面とが直角でない場合、大
きく屈折する。

フーリエ変換型分光器の場合、試料を光路上に置いた状
態Ｃサンプル状！裏）で−可動ミラーを何回も往復運動
させてデータを収集する。試料が光ｉ路上にない状態（
ブランク状態）で同じ操作をしてデータを収集する。そ
れぞれをフーリエ変換して、平均し、比をとるわけであ
る。

同時Ｉｌこ、２つの光束を（サンプル光、リファレンス
光）を検出して比をとる、従来の回折格子による分光器
と異なる。

屈折率が大きいと、試料がある場合上ない場合とで、光
束の経路が異なる。経路が異なれば一同一位置にある検
出器に到達する光量が異なる。

一方の光束が検出器上でアウトオブフォーカスとなって
しまうからである。

屈折率は一定ではなく、波長による。従って波数νによ
り屈折率が異なり、波数が異なると経路が異なシ、この
ため４０００ｃｍ’〜８００（Ｘｎ−１でのみかけの透
過率変化があらゎ瓦るのである。

（つ）本発明の光学系 本発明は−このようなフーリエ変換型分光１ｆｊｕ定に
於て、フォーカス型光学系のもつ難点を解、失する事を
目的とする。

本発明は一平行光を試料に当てることとし一平行型光学
系を用いる。

第１図は本発明の光学系を示す略図である。

光源側光束１は干渉計を経由した干渉波であり、たとえ
ば０点に集光するような光束であるとする。

フォーカス型光学系の場合０点に試料を置くが、本発明
では、平面ミラー２を用いて、元の光軸から光線をそら
せ一凹面ミラー３に入射させる。平面ミラー２の前方の
６点にいったん集光されるが、これを凹面ミラー３の焦
点に合わせておけば一凹面ミラー３で反射さり、た光は
平行元々なる。

試料４は平行光５に平行になるように光路上に置く。端
面ば平行光５に直角である。

平行光５は試料４内を置部する、端面で、平行光５は垂
直に入射するから、屈折しない。そのまま直進するから
、側面に当って多重反射することもない。散乱も起らな
い。

その１寸試料を抜けた平行光は、凹面ミラー６によって
再び反射され一焦点ｑに結像した後一平面ミラー７で反
射されて、検出器８へと進んでゆく。

この例で凹面ミラー３．６の焦点距Ｐｉ　ｆは５４ｍｍ
であ１つだ。

本発明は、平行光を試料に当てる平行型光学系を用いて
フーリエ変換型分光測定をするところに特徴がある。そ
して、平行光を作るために凹面ミラーを用いている。

に）本発明の効果 試料に平行光を当てるから、 （１）屈折率の赤いによる影響を完全に除去することが
できる。材料による屈折率の違い、波長による屈折率の
違いなどの影響がない。

（２）サンプル状態でも一ブランク状態でも平行光テア
って、光路が変わらない。アウトオブフォーカスとなる
ことなく、いずれの場合も、同一検出器に、正確に集光
される。

（３）吸光度、透過率を定量的ｉ／ｃ、正確に行うこと
ができる。

（４）有効数字が３桁までの一再現性を得ることができ
、結果は信頼できる。

（５）長さが４ｅ闘以上の試料であっても、定偕性−正
確性において十分満足できる＋１１４定結果を得ること
ができる。

（メ）測定結果 第２図に本発明の測定によるスペクトル曲線Ｂを示す。

試料は１０ｍｍ×１０ｍｍ×２０ｍｖｒのＺｎ５ｅで一
既に述べたものとほぼ同じ灸件で、フォーカス型のかわ
りに平行型光学系を用いた点だけ異なる。

光源はグローバー光源である。

検出器ばＭ　ＣＴ　（水銀カドミウムチルライド）を用
いた。

ヌベクトル凹線Ｂば、４０００硼−１から８００ｃｍ”
までの領域に於て、透過率がほぼ一定で、７０％程度で
ある事を示す。これは、従来がらの回折格子を用いた分
光器の測定結果と合致する。

シ、ベクトル曲線Ｂに於て、８００ｃｍ’以下の低波ｋ
　＜１ｌｌＩに現われるＺｎ５ｅ　　多音子吸収帯（５
７゜”’　　−、６２０ｃｔｎ　　）のピークも正確に
検出されてい・るこ七がわかる。

この多音子′吸収帯は、音子が５〜６個いちどに励起さ
れる吸収帯で一非常に微弱なものであるが一本発明の平
行型光学系により検出できる。

（至））用途 本発明の分光測定装置は、赤外光学月料の吸光度、透過
率の測定に広く用いることができる。たとえば− （１）半Ｓ体材料 Ｓｉ−Ｇｅ−Ｚｎ５ｅ−ＧａＡｓ−ＣａＴｅ−（２）　
　イオン結晶拐料 ＫＣｌ−Ｎ、ａＣ７−ＫＢｒ−ＫＣｌ−Ｃ５Ｉ−ＧｓＢ
ｒ−ＬｉＦ−ＡｇＣ１−ＡｇＢｒ、ｋｇ、Ｃ１ｘＢｒ１
　ｚ−にＲＳ　　５（ＴｌＢｒｘＩ　　Ｘ）ＫＲＳ−５
（ＴｌＣ：ｇｘＢｒｌ　　）ｊ、Ｔ７Ｂｒ−ＴｌＣ１ （３）アルカリ土類金属 ＭｇＦ２−　　ＢａＦ　　　−ＣａＦ２などの測定に用
いうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例にかかる平行型光学系の構成図
。 第２図は　Ｚｎ５ｅを試料とし一４０００６Ｉｎ−１〜
４００　ｃ＊＝１の波数域での透過率を測定した結果を
示すクラ７゜スペクトル曲線Ａは従来のフォーカヌ型光
学系を用いたもの、スペクトル曲線Ｂは平行型光学系を
用いたものである。 ＠６図は従来例にがかるフォーカス型光学系構成図。 １・・・　光源側光束 ２・・・　平面ミラー ３・・・　凹面ミラー ４・・・　試料 ５・・・　平行光 ６・・・　凹面ミラー ７・・　平面ミラー ２１・・・　光源 ２２・・　光束 ２３・−・　光源部ミラー光学系 ２４・・・　試料 ２５°°゛　サンプル光 ２６・・・　検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. フーリエ変換型分光器において、光源からの光束を凹面
   ミラーによって平行光として試料に照射することを特徴
   とする結晶体の赤外特性用１１定用光学系装置。