JPS59214737A - 分子レベルに於ける物質構造の均一性を評価する計測装置 - Google Patents

分子レベルに於ける物質構造の均一性を評価する計測装置

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JPS59214737A
JPS59214737A JP8889983A JP8889983A JPS59214737A JP S59214737 A JPS59214737 A JP S59214737A JP 8889983 A JP8889983 A JP 8889983A JP 8889983 A JP8889983 A JP 8889983A JP S59214737 A JPS59214737 A JP S59214737A
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JP
Japan
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laser light
spectrum
light source
laser beam
sample
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JP8889983A
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English (en)
Inventor
Hirotoshi Soma
相馬 弘年
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Analytical Chemistry (AREA)
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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

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】 本発明は物質構造の均−性特に分子レベルに於ける物質
構造の均一性を評価する装置に関する。
最近の材料技術の進展には目を見張るものがあり、レー
ザ用固体材料、固体光センサ、半導体素子材料等各種結
晶素材、セラミックス高分子材料等に於ける分子構造の
良し悪しはこれら材料を用いた機器の性能を大きく左右
する。ヌ、化学合成物質の劣化、医用薬品の効能、血液
−ホルモン等生命現象に関連した液体等の現出する諸現
象はその分子構造と深い関係がある。従って、物質の分
子レベルに於ける構造の均一、不均一を計測し得る技術
の確立が待たれるところである。
従来物質の欠陥の有無等を81測する手段としては、物
質の空間的な構造を調べる電子顕微鏡、結晶構造の決定
に用いられるX線回折法等があるが、これはいずれも分
子レベルでの構造の均一、不均一を露1測することは不
可能である。
又、最近太陽電池の材料どして注目を浴びているアモル
ファスの様な多結晶物質或はその他罪晶質については、
前記X線回折法では結晶構造をもn1測することはでき
ない。然し、アモルファス等の物質に於いて結晶状態、
分子構造の均一、不均一を安定させることは、その材質
の性能、信頼性を向上させる上で重要であり、その為に
は分子レベルでの構造をn1測覆る為の技術は不可欠で
ある。
本発明は斯かる時代の要請に答え、物質の分子レベルに
於ける均−性特に不均一状態をも計測し得る技術を確立
することを目的とする。
普通光学では物質の電気分極は光の電場に比例するが、
これは物質に投射する光の電場が十分小さい軛囲であっ
て、レーザ光の様に光の電場が十分弱くない場合では入
射した光の高調波が発生りる等して前記比例関係が成立
しなくなる。この様に、光の電場に比例しない分極によ
って生ずるさまざまな現象を非線形光学効果と呼IS”
%。
又、物質構造の光学的測定法として吸収・発光分光、C
AR8(ユヒーレント・アンチストークス・ラマン分光
)、ランン分光等分光法が知られており、該分光法では
一般に物質に光を投射した場合物質の遷移エネルギの中
心周波数に相当する部分が吸収若しくは強調されること
を利用し、物質の成分等を測定づるものである。
本発明は前記した非線形光学効果と分光法とを積極的に
利用結合し、物質の微Itlllllj造及びその不均
一状態を分子レベルで定量的に計測し得る様にしたもの
である。
以下図面を参照しつつ本発明の詳細な説明する。
第1図は本発明を実施するに好ましい装置の概略図であ
り、図中1は波長ω1のレーザ光aを発するレーザ光源
、2は波長ω2 (ω2は可変)のレーーf光すを発す
る可変周波数レーザ光源、3は診断用試料、4は分光器
を示す。
レーザ光源1からのレーザ光aを50%反射ハーフミラ
ー5によって分光a+、a2に分割し、分光a、は全反
射ミラー6により屈曲させ、分光a1及びa2を集光レ
ンズ1に導き、該集光レンズ7により分光a1.82を
前記診断用試料3に於いて集光する様にする。又分光a
1゜a2の一部は集光レンズ7に到る前にハーフミラ−
8,9で反射されレーザ光強度センサ10,11へ入光
する。
前記可変周波数レーザ光8!2がら発したレーザ光り@
集光レンズ12により、前記分光a2の光路とレーザ光
すの光路とが合致する用分光a1の反対方向より診断用
試料3に投射する。
又、レーザ光すの一部は集光レンズ12に到る前にハー
フミラ−13で反射されレーザ光強度センサ14へ入光
づる。
試料3を透過したレーリ゛光すは集光レンズ7、ハーフ
ミラ−15、集光レンズ“1Gににり分光器4に導びく
。ここぐ、分光al、a2及びレーザ光すを試料の同一
点に投射することにより、診断用試料3中に非線形分極
が誘起され、周波数ω2の光(ここでは非線形光と称J
゛る)Cが発せられる。この非線形光Cの現出は本発明
者が発見した新規な現象であり、該非線形光Cは分光a
+、a2及びレーザ光すどの運動m稼存則により、その
進行方向は分光atの光路と合致し且反対であり、集光
レンズ7、ハーフミラ−17、集光レンズ16により分
光器4に導びく。
前記診断用試料3は試料走査装置18に把持されており
、該試料走査装置18により診断用試料3を図中矢印X
方向に走査させ111、任意の点に分光al +  a
2 、レーザ光すを投射さ1!1りる様になっていると
共に診断用試料3の光軸方向の位置調整が可能となって
いる。19は診断用試料3の光軸方向の位置を確認覆る
為の顕微鏡ひある。
次に、上記装置による計測作動について説明する。
先ず分光a1.a2の一部及び1ノーザ光すの一部はそ
れぞれレーザ光強度センサ10,11.14に感受され
、該ヒン゛す10,11.14の検出結果にJ:すff
t ff +幾(図示けず)に於いて両レーザ光a、b
の強度が一定になる用シー11光源1、可変周波数レー
ザ光源2が制御される、 レーザ光源1からのレーザ光aの周波数を診断用試料3
の遷移1ネルギの中心周波数ω1に固定する。次に、可
変周波数レーザ光源2からのシー1f光1)の周波数ω
2を所要の遷移エネルギバンド近傍で掃引する。
上記操作を行うと診断用試料3を透過したレーデ光すは
、通常の分光法で見られる様に前記所要の遷移1ネルギ
バンドの中心周波数近傍で吸収され、分光器4で得られ
る光強度は第2図(イ)で示す通りとなる。この検出結
果を計算機で処理して、第2図(ロ)の如く反転させる
ここで(qられるスペクトルαは分子の配列の規則性の
良し、悪しく結晶性の良し、悪し)ど相関関係があり、
規則性が悪いと吸収される周波数にバラツキが生じて幅
の広い鈍な山形状どなる。即ち、レーザ光すで得られた
スベク1ヘルαの幅は診断用試料3の構造の不均一性を
反映した不均一幅を示す。
この診断用試n3が単結晶であった場合、非線形光Cは
レーザ光すの周波数ω2が前記所要の遷移エネルギバン
ドの中心周波数ど一致するところで第3図で示す様な極
めて鋭利なスペクトルβとして検出される。このスペク
1〜ルβは中心周波数と合致したところで1りられるこ
とから、このスペク!〜ルβの幅は診断用試113の分
子が理想的配列となった場合、即ち診断用試F3+3の
エネルギ遷移の均一幅を示ず。
而して、スベク1ヘルαのピーク値とスペク1〜ルβの
ピーク値とが同一になる謀計算機C処理し、第4図(イ
) (ロ)(ハ)(ニ)で示ず様にスペクl〜ルαとβ
とを比較Jれば分子の構造の均一性を定量的に計測する
ことができる。
第4図(イ)で示されるスペクトルαとβではその幅に
大きな差異があり、診断用試料3の結晶性は悪いと判断
′Cきる。又、同図(ロ)ではその幅が少なくなってい
るところから、同図(イ)の場合J、り結晶性が改善さ
れたことを示している。同様に第4図(ハ)で示される
スペクトルαどβCは形状が相当近似しており、完全結
晶に近いことが示され、第4図(ニ)の状態になると略
完全結晶であると判断できる。
」1記した計測方法は単結晶材料の分子配列等の構造目
測に極めて有用であり、レーザ用固体材料、半導体材料
等単結晶材料の品質を計測することが可能どなる。従っ
て、レーザ関係の諸装置、半導体素子等の性能、信頼性
に大きく寄与できる。
次に、診断用試料3が多結晶であった場合、第5図(イ
)に示す様にスペクトルαは、各結晶群に対応する不均
一性を承りスペクトルα1゜α2・・・α を包括する
ものとなる。
更に、この多結晶の診断用試料3で得られる非線形光C
はレーザ光すの周波数ω2がスペクトルα1.α2・・
・αnの各中心周波数となったところで第5図(ロ)に
示す様な極めて鋭利なスペクトルβ1.β2.・・・β
□として検出される。このスペクトルβ1.β2.・・
・βn・・・βnは前記スペクトルβと同様な意味を有
し、診断用試料中の各結晶群を代表覆るものである。従
って、スペクトルβ1.β2.・・・βnの状態を観察
″りれは多結晶物質の不均一状態を知ることができる。
第6図(イ)(ロ)(ハ)(ニ)は不均一状態の判断の
一例を示すものであり、同図(イ)は多種多結晶の等分
布を示し、同図(ロ)は多種多結晶の不均一分布、同図
(ハ)は4fi結晶構造を持つ多結晶、同図(ニ)は完
全非晶質をそれぞれ示している。
第7図は本発明の他の実施例を示すものであり、レーザ
光源1とハーフミラ−5との間にハーフミラ−20、シ
ャッタ21を設け、該ハーフミラ−20で反射されたレ
ーザ光a′を全反射ミラー22及び23で集光レンズ1
2へ導びく様にしたものであり、ハーフミラ−20と全
反射ミラー22との間にシャッタ24を設【ノている。
シャッタ24を閉じ、シャッタ21を開いた状態につい
ては前述した通りeあり、シャッタ24を間き、シャッ
タ21を閉じると前記した非線形光Cとは異なる第2の
非線形光c′が得られる。
該第2の非線形光C′を用いれば単結晶材料の均一性、
流体、粉末の分子状態の変化を計測することができる。
レーザ光すとa′を同一方向より診断用試料3に投射す
ると周波数2ω1−ω2の第2の非線形光C′が図示の
方向に発せられる。該第2の非線形光C′の進行方向は
レーザ光す、a’との運動m保存則により決定される。
該第2の非線形光C′は、集光レンズ1、全反射ミラー
25、集光レンズ16を介して前記分光器4に集光せし
める。
前記実施例同様レーザ光源1からのレーザ光a′の周波
数を診断用試料3の遷移エネルギの中心周波数ωlに固
定する。次に、可変周波数レーザ光源2からのレーザ光
すの周波数ω2をω1近傍で掃引づる。
診断用試料3を透過したレーザ光すのスペクトルは第8
図(イ)の如くなり、反転さt!【第2図(ロ)のスペ
ク1−ルα′を得る。該スペクトルα′は第2図(ロ)
のスペクトルαと同様診断用試料3の構造を反映した不
均一幅を示す。
又、診断用試料が単結晶の場合、第2の非線形光C′は
レーザ光すの周波数がω2=ω1となったところで第9
図で示す極めて鋭利なスペクトルβ′となる。このスペ
クトルβ′は前記第3図のスペクトルβと同様診断用試
n3のエネルギ遷移の均一幅を示す。
而して、第4図(イ”) (Ll) (ハ)(ニ)で示
す様にスペクトルα′、β′とを比較すれば分子のIs
造の均一性を定m的に計測することができ、均一性の計
測については前記実施例によるか他の実施例によるかは
物質に応じ適宜選択すればよい。
又、第10図は診断用試料が液体又は粉末等の場合を示
すものであり、第5図(イ) (ロ)(ハ)(ニ)で示
されるスペクトルα′では、それらの幅に大きな差異は
みとめられないが、スペクトルβ′では(イ)から(ニ
)の順で幅が増加している。このような作動例は液体特
有のものであり、液体を構成J“る分子の不均一性の程
度は分子の状態が変化しても液体という特殊性からそれ
程の変化をもたらさないがむしろ均一幅が液体を構成す
る分子状態の変化を敏感に反映する。第10図(ニ)の
状態になると第10図(イ)の状態と比較して分子状態
がかなりの変化或は変成を受けたと判断出来る。
上記した計測例は、化学合成物質の劣化、医用薬品の効
能、血液、ホルモン等生命現象に関連した液体の分子レ
ベルでの状態診断等にとって有力な手段となる。
以上述べた如く本発明によれば従来確立されていなかっ
た物質の分子レベルでの構造の均一、不均一の状態の計
測技術を確立し得、様々な分野での新材料の研究、開発
に於しノる右ツノなへ1測手段となり(りる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を実/II′?Iるに好ましい装置19
Iの概略図、第2図(イ)(+−1)は不均一性を示づ
スペクトルの図、第3図は均一性を示リスベクトルの図
、第4図(イ)(ロ)(ハ)(ニ)は診断用試料が単結
晶である場合のスペクトル比較図、第5図(イ)(ロ)
は診断用試料が多結晶である場合のスペクトル図、第6
図(イ)(ロ)(ハ) (ニ)は同場合のスペクトル比
較図、第7図は本発明を実1m するに好ましい他の装
置の概略図、第8図(イ)(ロ)は該装置で得られる不
均一性を示すスペクトル図、第9図は同前均一性を示す
スペクトル図、第10図(イ) (ロ)(ハ)(ニ)は
診断用試オ′31が液体、粉末等の場合のスペクトル図
である。 1はレーデ光源、2は可変周波数レーザ光源、3は診断
用試料、4は分光器、7,12.16は集光レンズ、a
、bはし・−ザ光、a、 、a2は分光、C2特  許
  出  願  人 石川島播@重工業株式会社 第3図 第4図 β (ハ @5@ 棺6図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1) 診断用試料の)■移エネルギの中心周波数に一致
    した周波数のレーザ光を発するレーザ光源と、前記診断
    用試料の所要の遷移エネルギバンドの中心周波数を中心
    に周波数を変えてレーザ光を発し得る可変周波数レーザ
    光源ど、分光器と、前記レーザ光源からのレーザ光を2
    分割して得た等強度のレーザ光光路 診断用試料に集光させ又可変周波数レーザ光源からのレ
    ーザ光を前記分光の反対側から且前記分光のいずれか一
    方の光路と合致させて投射させ更に診断用試料を透過し
    たレーザ光及び試料より発した非線形光を前記分光器に
    導く光学系とを備え、該分光器で得られた透過レーザ光
    のスペクトルと非線形光のスペクトルとを比較する様に
    したことを特徴とする分子レベルに於1ノる物質構造の
    均一性を評価する計測装置。 2) 診断用試料の遷移エネルギの中心周波数に一致し
    た周波数のレーザ光を発するレーザ光源ど、前記診断用
    の試料の所要の遷移エネルギバンドの中心周波数を中心
    に周波数を変えてレーザ光を発し得る可変周波数レーザ
    光源と、分光器と、前記レーザ光源からのレーザ光の一
    部を分岐シー11光として分割し分岐レーザ光と前記可
    変周波数レーザ光源からのレーザ光を診断用試料に集光
    させ、又レーIア光源からの分割した後のレーザ光を更
    に等強度に2分割して分光とし、該分光を診断用試料に
    集光させると共にいずれか一方の分光の光路と可変周波
    数レーザ光源からのレーザ光の光路とを合致させる様に
    し、診断用試料を透過した可変周波数レーザ光源からの
    レーザ光と診断用試料より発した非線形光とを前記分光
    器に導く光学系と、レーザ光源からのレーザ光を一部分
    割した後のレーザ光光路及び分岐レーザ光光路にそれぞ
    れ択一的に開閉せしめる様配したシャッタとを備え、前
    記分光器で得られた透過レーザ光のスペクトルと非線形
    光のスペクトルとを比較する様にしたことを特徴とり−
    る分子レベルに於ける物質構造の均一性を評価する計測
    装置。
JP8889983A 1983-05-20 1983-05-20 分子レベルに於ける物質構造の均一性を評価する計測装置 Pending JPS59214737A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107764780A (zh) * 2017-09-30 2018-03-06 山西大学 一种测量分子转动能级结构的方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107764780A (zh) * 2017-09-30 2018-03-06 山西大学 一种测量分子转动能级结构的方法
CN107764780B (zh) * 2017-09-30 2020-04-17 山西大学 一种测量分子转动能级结构的方法

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