JPS62142234A - 高速繰り返しパルス光計測装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、被計測光が実質的に同一の波形および周期で
繰り返される高速繰り返しパルス光である場合の計測に
適した高速繰り返しパルス光計測装置に関する。

（従来の技術） 高速繰り返しパルス光を計測するために、種々の提案が
なされている。

高速繰り返しパルス光計測用電子管装置（特開昭５９−
１３４５３８号）は、前記計測に通した２種類の電子管
が示されている。

いずれもストリーク管の原理を利用したものであり、ス
トリーク管の時間軸方向の短時間を掃引ごとに少しずつ
ずらして切り出して高速繰り返しパルス光の波形を再現
しようとするものである。

（発明が解決しようとする問題点） 本件発明者は、前記高速繰り返しパルス光計測用電子管
装置を用いて、微弱な発光の測定をｊテったが、発光が
微弱になるにつれて、暗電流と信号電流の分離が困ズ「
となり微弱光に対する検出限界があった。

本発明の目的は、微弱な発光の測定の限界をさらに向上
することができる高速繰り返しパルス光計測装置を提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による高速繰り返しパ
ルス光計測装置は、光電陰極から放出された電子を偏向
する偏向電極、前記偏向電極の掃引方向に直角方向のス
リットをもつ高速繰り返しパルス光計測用の電子管と、
前記電子管に動作電力を供給する電源部と、被測定試料
を励起するパルス列を発生する励起用光源装置と、被測
定試料の発光を前記高速繰り返しパルス光計測用の電子
管の前記光電陰極に前記試料からの光を接続する光学手
段と、前記励起用光源装置と前記光電陰極の間に配ヱさ
れ、前記パルス列の繰り返し周期よりも充分に長い周期
で開閉されるチョッパと、前記電子管の偏向電極に被測
定光に同期しかつ前記チョッパの周期を基礎単位として
順次位相が変化する偏向電圧を供給する偏向電圧発生部
と、前記電子管の出力を前記光チョッパに同期して増幅
する同期増幅器と、前記同期増幅器の出力を前記偏向電
極に印加された偏向電圧の位相の変化に対応して集積す
るデータ再構成手段から構成されている。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は本発明による高速繰り返しパルス光計測装置の
実施例を示すブロンク図である。

被測定試料を励起するパルス列を発生する励起用光源装
置１２は一定間隔のレーザパルス列を発生している。

このパルス列は光学手段９を介してチョッパ１０に入射
させられる。

チョッパ１０としてＩ　Ｉｔ　ｚ〜１０　Ｋ　Ｈｚの動
作ができる機械式のチョッパ１０を使用している。

チョッパ１０はチョッパ駆動装置１３からの駆動信号で
動作させられる。

光学手段９のハーフミラ−９１により、クロック形成用
の光が一部分離される。

全反射ミラー９２，９３．９４．９５は光路ｎ整用の全
反射ミラーであって、全反射ミラー９４゜９５を対とし
て図中上下方向に移動させることにより光路を調整する
ことができる。

チョッパ１０は前記励起用光源装置１２からの一定間隔
のレーザパルスの周期よりは、充分に長い周期で動作さ
せられる。

チョッパ１０の一回の開放期間に多数個のレーザパルス
が試料１に入射させられて、そのパルスごとにそのパル
ス幅よりは長く、かつパルス周期よりは短い持続時間の
螢光を発生させる。

この螢光発光はレンズ系２を介して電子管３の光電面上
に投射される。

第２図に、高速繰り返しパルス光計測用の電子管３の実
施例を示す。

高速繰り返しパルス光計測用の電子管３の真空容器の入
射面の内側には光電陰極３１が形成されている。

そして容器３０内に光電陰極３１に近接してメ・ノシュ
電極３２．続いでホーカス電極３３、偏向電極３４．ス
リット電極３５．スリ・ノｌ−電極３５のスリットを透
過した電子を増倍するダイノード３６、増倍された電子
を取り出すアノード３７が設けられている。

スリット電極３５のスリットは前記偏向電極３４の偏向
方向に直角方向に設けられている。

前記高速縁り返しパルス光計測用の電子管３の偏向電極
３４には掃引電圧発生部５から掃引電圧が、他の電極に
は電源部１１から動作電圧が供給されている。

電源部１１は電池Ｅ、、Ｅ２および分圧抵抗Ｒ１〜Ｒ８
から構成されている。

メツシュ電極３２には光電陰極３１よりも高い電圧が印
加され光電陰極３１の放出した光電子を加速する。

そして、さらに高い電圧が印加されているホーカス電極
３３により集束され、偏向電極３４に入射させられる。

後述する偏向電極３４で偏向された電子流のうち前記ス
リンＩ・電極３５のスリットを通過した電子がダイノー
ド３６で増倍され、最も高い電圧が与えられているアノ
ード３７を介して取り出される。

アノード３７から取り出された電流は前記チョッパ１０
と連動して動作させられる同期増幅部４で増幅される。

第１図に示されている光学手段９のハーフミラ−９１に
より分離されたレーザパルス列はｐｉｎホトダイオード
８により検出され、レーザパルス列に相当する電流パル
スが形成される。

この電流パルスは遅延掃引部７に接続される。

遅延掃引部７の詳細な構成は第２図に示されている。

遅延掃引部７はこのパルスを基準にして掃引電圧の発生
時点を決定する遅延パルス、および後述するＸ−Ｙレコ
ーダ６の時間軸に相当する信号を発生する。遅延掃引部
７のインダクタンスＬ、可変容量ダイオードＤ１〜Ｄ４
．抵抗器Ｒ７１、Ｒ７□により、前記遅延パルスが形成
される。

Ｘ−Ｙレコーダ６の時間軸に相当する信号はＸ−Ｙレコ
ーダ掃引電圧発生部７１で発生させられ、Ｘ−Ｙレコー
ダ６のＸ軸に入力される。

Ｘ−Ｙレコーダ６のＹ軸には、同期増幅部４の出力が接
続される。

遅延パルスは第３図に示すように、ｐｔｎホトダイオー
ド８により検出されたパルス列〔同図（Ａ）参照〕をΔ
Ｔ秒だけ遅延させたもの〔同図（Ｂ）参照〕である。

このΔＴ秒は可変であり、この実施例ではｐｉｎホトダ
イオード８により検出されたパルス列（１０ｎｓ）を連
続的にＱ、Ｉ　ｎ、　ｓ　／　ｓｅｃのレートで遅延掃
引させるようにしである。可変容量ダイオードに印加す
る電圧■を変化させることにより、その静電容量を変化
させ、Ｌ、、Ｄ、〜Ｄ４により構成されるフィルタの位
相特性を変えて、遅延９ΔＴを変化させる。

ただし、パルスごとに遅延時間を変えるのではなく、チ
ョッパ１０の周波数をＩＫＨｚとすると、こ場合０．１
　ｎ　ｓ　／ｓｅｃのレートだから１０００周期ごとに
０．１　ｎ　ｓ刻みで遅延口を増加させることになる。

第４図は主として電子管における入射光と掃引のタイミ
ングを説明するための波形図である。

レーザパルス（Ａ）により試料１が励起されると螢光を
発光し、電子管３の光電陰極３１で光電変換され、同図
（Ｂ）に示す電子流が発生させられる。

一方、遅延掃引部７は入力（Ｃ）をΔＴだけ遅らせたパ
ルス（Ｄ）を発生する。

この電圧により、掃引電圧発生部５は、同図（Ｅ）に示
す掃引電圧を電子管偏向電極３４に印加する。

この電圧により偏向された電子流はスリット電（兎３５
のスリットを透過したものだけがサンプリングされ、ダ
イノード３６により増倍され出力される〔第３図（Ｆ）
〕。

掃引電圧の発生時点は遅延ｔＷ引部７での遅延足ΔＴに
より決まるから、ΔＴを順次変えていけば、螢光発光の
サンプリング部分を順次変えていくことができる。

次に、電子管３の出力をチョッパ１０の動作に同期して
増幅する同期増幅部の構成を第５図を参照して説明する
。

電子管３のアノード３７の出力は同期増幅部４の交流増
幅器４１によって増幅される。

したがって、雑音成分である直流分は増幅されない。チ
ョッパ１０の開き動作期間に対応する信号は参照信号発
生器４２により成形されて、掛算回路４３に印加され、
前記交流増幅器４１の出力から信号に相当する部分が［
友き出される。

掛算回路４３の出力は低域ろ波器４４を介して直流増幅
器４５に印加され直流増幅される。

この直流増幅器４５の出力は、螢光のサンプリングされ
た部分の強度に対応するものである。

次に、前記実施例装置の全体の動作を数値例を示し第６
図を参照して説明する。

光源１２のパルス列の周期は１０ｎｓとする。

第６図（Ａ）に示すようにチョッパ１０は、開き時間５
００μｓ、周期１　ｍ　ｓで動作させる。

同図（Ｂ）は、被測定試料の螢光発光に対応する電流波
形である。

螢光発光の繰り返し周期は、光源１２のパルス列の周期
１０ｎｓと同じである。

同図（Ｃ）は、電子管３の出力を示す。

チョッパ１０の１周期ごとに ５００ｕ、ｓ／　ｌ　Ｏｎ　ｓ　＝５ｘ　ｌ　Ｑ’　咽
のサンプリング出力が得られる。

第６図（Ｄ）（Ｅ）は同図（Ｂ）（Ｃ）の時間軸と、振
幅を拡大して示した図である。

第６図（Ｅ）に示されているように直流成分１ｄの上に
信号成分ｉ、、ｒ２等がｍ畳された状態で出力される。

第６図（Ｆ）は第６図（Ｃ）の時間軸を極端に圧縮して
示した図である。

なお理解を容易にするために、サンプリング出力の数を
実際よりも少なくして表現しである。

第６図（Ｆ）に示す出力は同期増幅部４の交流増幅器４
１により増幅されると、同図（Ｇ）に示す波形となる。

同期増幅部４の出力は第６図（Ｈ）のようになる。

第６図（Ｉ（）に示すパルスの１辰幅はそのチヨ・７パ
周期でサンプリングされた部分の振幅に対応するもので
ある。

この同期増幅部４の出力を第１図に示すＸ−Ｙレコーダ
６のＹ入力端子に接続すると、Ｘ−Ｙレコーダ６のＸ入
力端子には、遅延掃引部７のＸ−Ｙレコーダ掃引電圧発
生部７１の出力電圧が印加されているので、第６図（Ｉ
）に示すような再現波形が得られ乙。

第６図（Ｉ）は同図（Ｈ）よりはさらに時間軸を圧１′
宿して示しである。

（変形例） 以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で
種々の変形を施すことができる。

チョッパの実施例として機ｔＩ！式の千ヨソパの例を示
したが、このチョッパの代わりに合口先学変調器Ａ　Ｏ
Ｍ　（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｍｏｄｕｌ
ａｔｏｒ）を使用することができる。

音響光学変調器ＡＯＭは前記機械式のチョッパよりも速
くかつ広い周期（直流からＩ　Ｍ　Ｈｚ　）でチョッピ
ングが可能であり、より迅速にデータを収集することが
できる。

また、電子管としてダイノードが一体に組み込まれた装
置の実施例を示したが、前記と同様にスリットが組み込
まれているストリーク管と光電子増倍管を組み合わせた
ものを使用することも可能である。

また、データ再構成手段としてパーソナルコンピュータ
を使用することもできる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように本発明による高速繰り返しパ
ルス光計測装置は、高速繰り返しパルス光計測用の電子
管を用い、被測定試料を励起するパルス列を発生する励
起用光源装置により、試料を励起し、光学手段により、
被測定試料の発光を前記高速繰り返しパルス光計測用の
電子管の前記光電陰極に前記試料からの光を接続するよ
うに構成されている。

そして、前記パルス列の繰り返し周期よりも充分に長い
周期で開閉されるチョッパを用い、前記電子管の偏向電
極に被測定光に同期しかつ前記チョッパの周期を基礎単
位として順次位相が変化する偏向電圧を偏向電圧発生部
から供給する。

前記電子管の出力は同期増幅器により、前記光チョッパ
に同期して増幅される。

したがって、電子管装置からの入射光の０Ｎ１０ＦＦ変
調に同期した信号成分（Ｉ）とダーク電流成分から成り
立っている出力は、同期増幅部により変調を受けていな
い電子管装置からの定常的なダーク信号成分は増幅され
ずに信号成分（被測定光）のみが増幅される。

そして、増幅された信号は検波され直流電圧に変換され
て出力される。

そのため、被測定光が微弱な領域でＳ／Ｎを良く測定を
行うことができ、螢光寿命測定等でのグイナミノクレン
ジの拡大は得られる光量を同じとすれば、検出限界光量
を下げることで達成される。

測定の検出限界はダーク電流を分離したことによる改善
の効果で２０倍、同期増幅器の狭帯域増幅特性による改
善効果を５倍としても、（−一タルで１００倍の改善が
なされる。

したがって、従来装置では、ダーク電流に埋もれてしま
って測定することが困難だった微弱光を精度良く測定す
ることが可能となる。

同じような効果をもたらす方法として、装置の光電陰掘
を冷却するか、あるいは装置全体を冷却する方法が考え
られる。

従来の装置で、装置の光電陰極を冷却することは、ダー
ク電流を減らすことに効果がある。０°Ｃ程度に冷却す
ると雑音を室温２５℃での１／１０にすることができる
。

本発明によれば、安価で簡単な構成でそれ以上の効果を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高速繰り返しパルス光計測装置の
実施例を示すブロック図である。 第２図は主として、前記実施例の電子管と電源部、遅延
掃引部を示す回路図である。 第３図は遅延掃引部の動作を説明するための波形図であ
る。 第４図は主として電子管における入射光と掃引のタイミ
ングを説明するための波形図である。 第５図は同期増幅部の実施例を示す回路図である。 第６図は前記実施例装置の全体の動作を示す波形図であ
る。 １・・・試料 ２・・・レンズ ３・・・高速操り返しパルス光計測用電子管３０・・・
直空容器 ３１・・・光電陰極 ３２・・・メツシュ電極 ３３・・・ホーカス電極 ３４・・・偏向電極 ３５・・・スリント電極 ３６・・・ダ・イオード ３７・・・アノード ４・・・同期増＠部 ４１・・・交流増幅器 ４２・・・参照信号発生器 ４３・・・掛算回路 ４４・・・低域ろ波器 ４５・・・直流増幅器 ５・・・掃引電圧発生部 ６・・・Ｘ−Ｙレコーダ ７・・・遅延掃引部 Ｌｌ・・・インダクタンス Ｄ１〜Ｄ４・・・可変容量ダイ；イ゛−ドＲ７１，Ｒ７
２・・・抵抗器 ７１・・・Ｘ−Ｙレコーダ掃引電圧発生部８・・・ｐｉ
ｎホトダイオード ９・・・光学手段　　　、） ９１・・・ハーフミラ− ９２，９３，９４，９５・・・全反射ミラー１０・・・
チョッパ １１・・・電子管電源部 Ｅｌ、Ｅ２・・・電池 Ｒ，、Ｒ２−Ｒ８・・・分圧抵抗器 １２・・・光源 １３・・・チョッパ駆動部 特許出願人　浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽 に、’　ｆ＋１ＬＴｌｔｋ、（（１／ｑｔｙｉｔｅ）す
〉７°ノ、’７＃ べ　　べ　　へ ＬＬ　　　　Ｑｙ　　　　ｃ　　　　　　　　　５（リ
　　ゅ　　　　　　　； 手続補正書 １、！Ｔ￥件の表示 昭和６０年特　許　願第２８２６８９号２、発明の名称 高速繰り返しパルスＵｌ′ｉｌｌ装万 ３、補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 ４、代理人

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光電陰極から放出された電子を偏向する偏向電極
   、前記偏向電極の掃引方向に直角方向のスリットをもつ
   高速繰り返しパルス光計測用の電子管と、前記電子管に
   動作電力を供給する電源部と、被測定試料を励起するパ
   ルス列を発生する励起用光源装置と、被測定試料の発光
   を前記高速繰り返しパルス光計測用の電子管の前記光電
   陰極に前記試料からの光を接続する光学手段と、前記励
   起用光源装置と前記光電陰極の間に配置され、前記パル
   ス列の繰り返し周期よりも充分に長い周期で開閉される
   チョッパと、前記電子管の偏向電極に被測定光に同期し
   かつ前記チョッパの周期を基礎単位として順次位相が変
   化する偏向電圧を供給する偏向電圧発生部と、前記電子
   管の出力を前記光チョッパに同期して増幅する同期増幅
   器と、前記同期増幅器の出力を前記偏向電極に印加され
   た偏向電圧の位相の変化に対応して集積するデータ再構
   成手段から構成した高速繰り返しパルス光計測装置。
2. （２）前記電子管は光電陰極、集束電極、偏向電極前記
   偏向電極の偏向電界の方向と垂直方向にスリットを持つ
   スリット電極、前記スリットを通過した電子を増倍する
   ダイノード群、前記ダイノード群で増倍された電子を捕
   集するアノード電極がこの順で真空容器内に収容されて
   いる電子管である特許請求の範囲第１項記載の高速繰り
   返しパルス光計測装置。
3. （３）前記電源装置は、前記光電陰極に対して集束電極
   、スリット電極の順に高い電圧を供給するとともに前記
   ダイノード群に増倍用の電圧を供給する電源装置である
   特許請求の範囲第１項記載の高速繰り返しパルス光計測
   装置。
4. （４）前記チョッパは機械式のチョッパまたは音響光学
   変調器である特許請求の範囲第１項記載の高速繰り返し
   パルス光計測装置。
5. （５）前記データ再構成手段はＸ−Ｙレコーダまたはパ
   ーソナルコンピュータである特許請求の範囲第１項記載
   の高速繰り返しパルス光計測装置。