JPS61178657A - スペクトル特性検出方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は、歪みに感応するスペクトル特性の検出方法に
係り、更に具体的に云えば、それらのスペクトル特性を
検出するための超音波変調方法に係る。

Ｂ、従来技術 歪みに感応するスペクトル特性とは、加えられた超音波
の場の影響を受けてシフトし、分裂し、又は拡大する光
学的吸収線の部分である。歪みに感応するスペクトル特
性の１つの類は、低温の固体に於ける中心の不均質に拡
大した吸収線に於ける幅の狭い凹所又は窪みより成る、
スペクトル・ホール（ｓｐｅｃｔｒａｌ　ｈｏｌｇ）で
ある、持続的なスペクトル・ホールの形成、即ちホール
・バーニングは、従来、有機及び無機の系に於ける光学
的プロセスにより、そして又ガラス及び結晶に於ける非
光化学的即ち光物理的メカニズムにより行われている。

持続的なスペクトル・ホールは、ゲスト−光及びゲスト
−ホストの相互作用に関する重要な基本的情報を与える
と共に、米国特許第４１０１９７６号明細書に記載され
ている周波数ドメイン光学的記憶装置に於てディジタル
・データを記憶するために用いることができる。ナノ秒
程度の時間でバーニングしたホールは通常浅いので（例
えば、ジャーナル・オブ・ジ・オプティカル・ソサエテ
ィ・オブ・アメリカＢニオブティカル・フィジックス、
第１巻、第３４１頁（１９８４年）を参照）、スペクト
ル・ホールを高速度で検出又は観察するための高感度の
方法が不可欠である。

スペクトル・ホールを含む特定のスペクトル特性を検出
するために、種々の光学的技術が用いられる。最も基本
的な方法には、狭い帯域の同調可能なレーザを用いた、
透過分光法及び蛍光励起等がある。それらの技術は、バ
ックグラウンドが零でないという制約を有し、従って浅
いホールの検出は、大きなベースラインを正確に除く能
力によって制限される。高感度及び零バックグラウンド
を得るために間接的な外部的変調を用いる１弱いスペク
トル特性を検出するための他の検出技術も提案されてい
る０例えば、周波数変調（ＦＭ）分光法（米国特許第４
２９７０３５号明細書に記載されている。）は、プロー
ブ用レーザ・ビームを、吸収する試料を経て通過させる
前に、位相変調させる。実際、ＦＭ分光法は、零のバッ
クグラウンドで、スペクトル・ホールを検出するために
適用されている。上記方法では、信号がＭ　Ｈｚ周波数
に於けるレーザ・ビームの振幅変調として生じ、その周
波数ではレーザのノイズのゆらぎがショット・ノイズの
みによるので、上記方法は量子的に限界付けられた感度
を示すことができる。しかしながら、ＦＭ分光法は、試
料の透過をプローブするために周波数変調された光を生
ゼしめるための電気−光学変調器を必要とする。更に、
残留振幅の変調は、幾つかの場合に於て、ＦＭ分光法の
適用を妨げる。

振幅変調、波長変調、周波数変調偏光分光法。

及び偏光分光法を含む、ＦＭ分光法の如き外部的変調方
法も１次に示す欠点を有する。試料以外の装置に於ける
何らかの光学素子によるプローブ用ビームの乱れは、ス
プリアスのバックグラウンド信号を生ぜしぬる６周波数
変調偏光分光法の技術は、上記問題を成る程度まで克服
するが、その方法は複雑であり、異方性のホールを必要
とする。

例えば、ＦＭ分光法は、窓、レンズのコーティング等に
於けるファプリーペロ共振の如き、変調器と検出器との
間に於ける試料以外の全ての光学素子に存在する、周波
数依存性の透過によるスプリアス信号の問題を有する。

偏光分光法は、低周波レーザ・パワーのゆらぎ及びバッ
クグラウンドの複屈折に敏感である。基本的に云えるこ
とは、上記の外部的変調による検出方法を用いた場合、
被検査試料の特性以外の理由から生じる効果を含む、周
波数に依在する全ての吸収及び分散が検出されることで
ある。

超音波変調された電子常磁性共鳴が、ジャーナル・オブ
・フィジックスＣ，ソリッド・ステート、第１３巻、第
８６５頁（１９８０年）に報告されている。その非光学
的技術に於ては、４０ＫＨｚの歪みの場の効果が４０Ｋ
Ｈｚの磁界と比較された。持続的なスペクトル・ホール
のコヒーレントでない１位相非敏感性の超音波変調も、
アプライド・フィジックス・レターズ、第４３巻、第４
３７頁（１９８３年）に報告されている。その方法は、
持続的なホールを変調させるために、コヒーレントでな
い超音波のパルスを用いている。その文献は、その技術
が固体に於ける超音波のための位相を感知しない光学的
検出器として用いることができることを強調している。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、零のバックグラウンドを有し、レーザ
・ノイズが量子の統計的なゆらぎのみによる周波数領域
、即ちＭＨｚ程度の速さで動作する。

歪みに感応するスペクトル特性を検出する方法を提供す
ることである。

Ｄ０問題点を解決するための手段 本発明の上記及び他の目的は、超音波の歪みの場と同期
してスペクトル特性を直接的に変調させることを用いて
、歪みに感応するスペクトル特性を検出する方法によっ
て達成される。

本発明は、歪みに感応するスペクトル特性を含む試料に
Ｉ　Ｍ　Ｈｚよりも大きい周波数の超音波の場を印加し
、上記超音波の波長よりも小さいスポット寸法及び上記
スペクトル特性の線幅よりも狭いスペクトル線幅を有す
る光ビームを、上記スぺクトル特性及び上記超音波の場
を含む上記試料の領域を経て伝播させることにより該光
ビームの振幅又は位相を変調し、上記試料から放出され
た、変調された光ビームを検出することを含む、スペク
トル特性検出方法を提供する。

この位相を感知する超音波変調方法では、歪みに感応す
るスペクトル特性を含む試料に、明確な波面を有する超
音波の場を発生させる。それらのスペクトル特性は、例
えば、光化学的ホール・バーニング又は非光化学的ホー
ル・バーニングにより形成されたスペクトル・ホールで
ある。超音波の場は、超音波の波面が光ビームの方向に
平行になるように試料の側面に結合された変換器により
゛発生させることができる。光ビームのスポット寸法は
、位相を感知できるように、超音波の波長よりも小さく
なければならず、光ビームの線幅は。

スペクトル特性の線幅よりも狭くなければなならない、
プローブ用光ビームの変調は、スペクトル特性に寄与す
る種々の中心の吸収線の形状を超音波がシフトさせ又は
分割させることによりスペクトル特性の形状又は波長が
超音波の場と同期して変化するときに発生する。その結
果生じた、光ビームの周波数又は位相の変調又は蛍光の
変調が検出され、スペクトル特性の存在が示される。

Ｅ、実施例 本発明の方法を実施するために用いられる重要な素子が
第１図に示されている。同調可能な光源１１の出力ビー
ム１０は、歪みに感応するスペクトル特性を含む試料１
２上に入射する。歪みに感応するスペクトル特性は、例
えば超音波の場に於てシフトし、分裂し、又は拡大する
、スペクトル・ホール即ち不純物の幅の狭い吸収線であ
り、より具体的には、例えば低温に於ける結晶、ガラス
。

又は重合体の着色中心、イオン、又は分子の吸収に於け
るスペクトル・ホールである。光源は、レーザでも、又
他の光源でもよく、唯一の必要条件は、光源の線幅が問
題のスペクトル特性の線幅よりも小さいことである。

光ビームによりプローブされるべき試料の領域に明確な
超音波の場が１発生されねばならなし℃。

その超音波の場は、当技術分野に於て知られている方法
により試料に結合された圧電変換器の如き超音波変換器
１４によって、又は光音響的発生の如き、超音波を発生
させる他の装置或は方法によって生ゼしぬることができ
る。実際、超音波は、試料が例えばポリ（弗化ビニリデ
ン）の如き圧電材料より成る場合には、試料自体に直接
発生させることができる。厳密に必要な条件は、超音波
の期間の任意の時点に於て、光ビームによりプローブさ
れる試料の領域に、１つの位相の超音波だけが存在する
ことである０例えば、超音波が縦波である場合には、光
ビームは、超音波の各サイクルの間、交互に圧縮部及び
圧力最小部分と重複しなければならない、同時に、超音
波が剪断波である場合には、光ビームは、超音波の各サ
イクルの間、交互に正及び負の剪断歪みと重複しなけれ
ばならない、そのために、ビーム１０は、超音波の波長
よりも小さいスポットの直径で試料に入射する。

例えば、弗化ナトリウム結晶及び８　Ｍ　Ｈｚの超音波
の場合には、レーザ・スポットの直径は、７，６０ミク
ロンよりも小さくあるべきである。最適な信号を得るた
めには、レーザ・スポットは、実際に於て、超音波の波
長の半分よりも小さくあるべきである。しかしながら１
位相を感知する信号は、超音波の波長よりも小さい如何
なる寸法のスポットからも生じる。

成る特定の例として、超音波変換器１４は、該変換器１
４に発生された超音波の波面がレーザ・ビームの方向に
平行になるように、試料１２の側面に結合させることが
できる。上記構成に於て最大の信号を得るためには、試
料の反対側の側面からの超音波の反射が、光ビームによ
りプローブされている試料の領域に於ける明確な位相を
変化させないようにしなければならない、これは、幾つ
かの方法で達成することができる０例えば、実験全体を
、試料に於ける超音波の往復時間よりも短い時間で行う
ことができる。もう１つの可能な方法は、試料の反対側
の側面からの超音波の反射を防ぐために、超音波にマツ
チングする材料を有する試料を形成することである。第
３の可能な方法は、試料に超音波の定常波共振を生ぜし
ぬることである。更にもう１つの可能な方法は、光ビー
ムによりプローブされている試料の領域に反射が達する
前に、超音波の場が減衰するように、減衰を生じる材料
を試料に用いることである。

第１図に示された構成以外の構成を用いることもできる
。例えば、試料が重合体の如き超音波の減衰を生じる薄
い被膜より成る場合には、光ビームは、試料がプリズム
の斜辺に結合されている、透明な非吸収プリズムのより
小さい面の一方を経て伝播することができる。その場合
、超音波の場は、上記プリズムの他方の小さい面に結合
された変換器により発生させることができる。もう１つ
の可能な構成は、変換器の研摩された反射面に試料を直
接結合させることを含む。その場合、光ビームは、試料
を経て伝播され、変換器の面から反射され、そして最終
的に検出器に達する前に上記試料を経て伝播される。

変換器又は他の超音波の源を付勢させて、位相基準を与
えるために、ＲＦ発振器１６は例えば８Ｍ　ＨｚのＲＦ
倍信号発生させ、その信号は変換器１４に伝送される。

変換器１４の１例は、８ＭＨｚのＸカット水晶の変換器
である。

スペクトル・ホール又は他の歪みに感応するスペクトル
特性が光ビームの波長に於て試料１２に存在するとき、
変換器１４を通過した超音波１８は、スペクトル特性に
寄与し、従ってスペクトル特性の形状又は波長を変化さ
せる。試料１２に於ける種々の中心の吸収線の形状をシ
フトさせ、分裂させ、又は拡大させる。これは、例えば
８　Ｍ　Ｈｚの超音波周波数に於ける光ビームの変調を
生ゼしめる。振幅変調は、当技術分野に於て知られてい
る、第１図に示されている如き、ダブル・バランス・ミ
キサ２０及び位相シフタ２２を用いて１位相感知可能に
検出することができる。試料から放出される変調された
光ビーム又は蛍光ビームは。

例えばフォトダイオード又は光電子増倍管である、高速
度検出器２４により検出される。検出器２４の電流出力
は、ミキサ２０に於ける位相シフトされた局部発振器の
信号と組合わされて、位相感知信号２６を生せしめる。

本発明の方法の重要な特徴は、検出がＲＦ周波数で行わ
れるので、極めて迅速であり、光ビームのスポットを音
波が通過する時間及び超音波の場の周期だけで限定され
ることである６例えば、０゜５　Ｘ　１０’口／Ｓで伝
播する８　Ｍ　Ｈｚの超音波、及び直径５００ミクロン
の光ビーム・スポットを用いた場合、超音波はレーザ・
ビームを１００ｎＳで完全に横断する。その場合、超音
波は、８ＭＨｚの超音波の周期１２５ｎｓに匹敵する時
間で。

光ビームを横断する０通常、変調を、超音波の周期より
も短い時間で検出することはできない、この例に於ては
、スペクトル特性を、１２５ｎＳ程度の時間で検出する
ことができる。

不均質に拡大された線に於けるスペクトル・ホールは、
それら自体の性質により、歪みに感応するので、そのよ
うなスペクトル・ホールは、本発明による超音波変調方
法を用いることにより、容易に検出することができる。

試料は、Ｆ３＋の着色中心を含む、Ｘ線で照射されたＮ
ａＦより成り。

スペクトル・ホールは、単一周波数のレーザを用いて形
成された。第１図に示さ尻ている配置が、１つの小さな
修正を加えて用いられた。変換器を駆動させる８　Ｍ　
ＨｚのＲＦ倍信号、１０ＫＨｚに於て、５乃至５０％の
デユーティ・サイクルで供給され、ミキサの出力が、１
００μ秒の時定数を有するボックスカー・アベレッジャ
（ｂｏｘｃａｒａｖｅｒａｇｅｒ）を用いて検出された
。試料の反対側の側面からの反射を減少させる努力を行
わなかったので、超音波はパルス的に加えた。超音波の
反射は、超音波の開始後、２０乃至５０μ秒よりも長い
時間に亘って、信号の大きさを減少させた。しかしなが
ら、この超音波のパルス的供給は不可欠なものではなく
、変換器の連続波の付勢も、ミキサの出力に於て位相を
感知するスペクトル・ホール信号を生じた。その結果得
られた。光化学的ホールからの信号が第２図に示されて
いる。横軸は、２　Ｇ　Ｈｚの周波数に亘る、１つのレ
ーザ走査に対応する。縦軸は、例えばボックスカー・ア
ベレツジャの出力に於ける電圧信号を示している０曲線
４０は、位相シフタ２２により選択された、０″の位相
シフトを有する、検出されたホール信号である。曲線４
２は、１８０”の位相シフトを有する、検出されたホー
ル信号であり、信号の符号の反転は、その信号が超音波
の位相を感知することを証明している０曲線４ｏ及び４
２は、解り易くするために、ずらされており、両者は零
の直流電流値を有している。

レーザ・ビームを試料に於て超音波伝播ベクトルに平行
な方向に平行移動させて、実験を反復すると、同様な符
号の反転を観察することができる。

超音波によるホールの照射は、その照射時間が１０乃至
２０分又はそれ以上の閲読いても、それらのホールを消
去しない、ホスト結晶に於ける音響−光学的相互作用に
よるバックグラウンドは、それらのテストに極めて低い
超音波のパワーしか必要とされないので、問題にならな
い。

Ｆ６発明の効果 この検出方法は、多くの利点を有している。この方法は
、検査される効果だけを直接内部的に変調させ、零のバ
ックグラウンドを有し、高感度を有し、簡単であり、ス
ペクトル・ホールは本質的に歪みに感応するので、全て
の型のスペクトル・ホールに適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施するために用いられる重要
な素子を示す図、第２図は光化学的ホールの存在により
発生された信号を示し、それらの信号が超音波の場の位
相を感知することを示している図である。 １０・・・・出力ビーム、１１・・・・光源、１２・・
・・試料、１４・・・・超音波変換器（圧電変換器）、
１６・・・・ＲＦ発振器、１８・・・・超音波、２０・
・・・ダブル・バランス・ミキサ、２２・・・・位相シ
フタ。 ２４・・・・高速度検出器（光電子増倍管）、２６・・
・・位相感知信号。 本Ｊ！用方沫の史施にｐＡｔ−らルろ 秦＋＜承−を図 第１図 ：ｌ＠示−を図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 歪みに感応するスペクトル特性を含む試料に１ＭＨｚよ
   りも大きい周波数の超音波の場を印加し、上記超音波の
   波長よりも小さいスポット寸法及び上記スペクトル特性
   の線幅よりも狭いスペクトル線幅を有する光ビームを、
   上記スペクトル特性及び上記超音波の場を含む上記試料
   の領域を経て伝播させることにより該光ビームの振幅又
   は位相を変調し、 上記試料から放出された、変調された光ビームを検出す
   ることを含む、 スペクトル特性検出方法。