JPS6342211B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は分光技術に関し、特に10^-14〜10^-2秒
の時間スケールの発光光源の超音速パルスの高分
解能スペクトルと同時に時間情報を得るための装
置に関する。

ピコ秒の発光現象の研究には、時間情報と同様
にスペクトル情報を同時に測定する装置が必要で
ある。分光写真器を用いれば、光の波長対強度情
報が得られることはよく知られている。ストリー
クカメラを用いれば、光パルスの時間対強度情報
が得られることも知られている。

分光計は、技術としては古く、50年以上の間使
用されてきた。ストリークカメラは、技術として
約10年たつており、主として、発光現象の時間的
変動を直接測定するために使用されている。代表
的なストリークカメラでは、通常矩形である入口
スリツトと、中継光学系と、ストリーク管および
適当な掃引電子工学系から成る。ストリーク管
は、前面に光電陰極と、加速電極および掃引電
極、そして、背面に出力用螢光スクリーンを含
む。中継光学系は、光電陰極上に入口スリツトの
像を作る役目をする。出力ストリーク像は、写真
フイルムあるいは、ビデオの読出し系を用いて記
録される。1980年６月、「光学スペクトル」部門
のN.H.Schiller、Y.Tsuchiya、E.Inuzuka、Y.
Suzuki、K.Kinoshita、K.Kamiya、H.Iida、R.
R.Alfanoによる「超音速ストリークカメラシス
テム」と表題された論文では、種々の既知のスト
リークカメラシステムが検討されている。

過去において、特に発光事象の異なる放射成分
の変動を分解するために、フイルタあるいは分光
計が、ストリークカメラの入口スリツトの前面に
配置されていた。この時間情報と同様、スペクト
ル情報を同時に得るための配置は多くの制約を有
している。これらの制約のいくつかは、次の様で
ある。

１ カバーされるスペクトル範囲が制限される； ２ 不連続な波長表示； ３ 中継レンズによる色消収差； ４ 中継光学系の交換が必要な制限されたスペク
トル適用範囲； ５ 中継レンズによる色消収差に起因する限定さ
れたスペクトル領域にわたる入力光学系の焦点
の再調整；そして ６ 中継光学系の制限されたスペクトル透過率。

G.W.Robinson、T.A.Caughey、R.A.
Auerback、P.J.Harmanによる、アメリカ化学
会、AGSシンポジウムシリーズ102、P.199〜213
「多重チヤンネルイメージ検出器」に載つた“三
次元（ｎ、Ｉ、ｔ）ピコ秒けい光測定のための紫
外線分光計とSC／OMAの結合”と題された論文
において、上記課題のいくつかを除くために分光
計がストリークカメラに結合された装置が記載さ
れている。このシステムは高さ1000ミクロン、幅
50ミクロンの入口スリツトを採用している。この
論文に記載されている装置の欠陥のいくつかは： １ 寸法が小形ではない。

２ ストリークカメラに関して分光計における正
規の方向から90゜までの格子の回転を含んでい
る。

３ ストリークカメラ管に関して分光計を23゜傾
斜させることを含んでいる。

４ 約200Åのスペクトル分解能に制限される。

５ 試験される波長領域が変わるたびに装置の分
光計部分の再配置と心合せらに集光光学系の再
心合せ行うことを含んでいる。

６ 分光計とストリークカメラとの間で柔軟で非
剛性の光の洩れないシユラウドを必要とする。

「光通信」35巻第３号（1980年）P.451〜454に
載つたN.H.Shiller、R.R.Alfanoによる“ストリ
ークカメラ／ビデオ読出しシステムによつて測定
された分光計のピコ秒特性”と題された論文にお
いて、ピコ秒の発光現象を測定するために分光学
的装置を使用することにより起こるであろう時間
拡大の問題が論ぜられている。

米国特許第4162851号において、選択された波
長の光が一周期の時間を通じてスペクトルの三次
元プロツトが得られるように試料に投射される多
次元測定のための方法が明示されている。米国特
許第3765769号には、動的スペクトル写真を作り
出す装置と、時間の関数としての波長成分と、そ
の相対強度を記録する技術が記載されている。米
国特許第4320971号には、１次元イメージセンサ
によつて生ずる連続時間信号から任意の選択され
た波長に関する光電変換信号を得ることができる
分光測光器が記載されている。米国特許第
4299488号には、放射源からの出力を時間間隔と
波長分割多重化パルス列に変換するように作動す
る時分割多重化分光計が明示されている。米国特
許第4060327号には受光した異なる波長において
光線の強度に比例する出力を供給する装置を持
ち、試験試料からの光を受け、そして波長の関数
として、その放射を測定するための分光測光器が
明示されている。その他の分光学に関する特許に
は、米国特許第2436104号、第2823577号、第
3385160号が有る。

本発明の目的は、新しい改良された時間スペク
トル光度計を提供することである。

本発明の他の目的は、超高速パルスの発光光の
スペクトルを時間情報を同時に得るために用いら
れる時間スペクトル光度計を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、小形で、10Åよりよいス
ペクトル分解能と、10ピコ秒よりよい時間分解能
を与える上述した時間スペクトル光度計を提供す
ることである。

本発明のさらに他の目的は、装置の分光計部分
が、装置のストリークカメラ部分に相対的に傾斜
あるいは回転されることなく、光分散素子の異な
る角度位置に対し再配置あるいは再心合せの必要
のない上述した様な時間スペクトル光度計を提供
することである。

本発明の他の目的は、分光計とストリークカメ
ラの部分が非柔軟性のハウジングで囲まれている
時間スペクトル光度計を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、分光計をストリー
クカメラに結合するための改良された新しい装置
を提供することである。

本発明のさらに別の目的は、発光試料上に入射
する光によつて入口スリツトを心合せするための
配置を含む時間スペクトル光度計を提供すること
である。

本発明の他の目的は、発光試料上の入射光によ
つて中継光学系を有するストリークカメラを心合
せするための配置を含む時間スペクトル光度計を
提供することである。

本発明の教示による超高速時間スケールの光パ
ルスのスペクトルを時間情報を同時に得るために
使用する小形高分解時間スペクトル光度計は、前
記光の少なくとも一部分を受入れるピンホール入
口スリツトを有するハウジングと、前記ハウジン
グ内部に配置されたストリークカメラ管と、前記
ストリークカメラ管は、前面に光電陰極と、背面
に螢光スクリーンを有しており、そして、ストリ
ークカメラ管を駆動するための電子回路と、(1)前
記ピンホールスリツトを光電陰極上に結像し、(2)
前記ピンホールスリツトを通り入射した光をその
波長成分に分散するための前記ハウジング内部に
配置された光学手段と、ストリークカメラ管の螢
光スクリーン上に形成された出力像を記録するた
めの手段から成る。

以下実施例に従つて本発明の構成および作用効
果を詳述する。

本発明の時間スペクトル光度計は、発光現象か
らの波長と時間の関数として、10Å以上のスペク
トル分解能と、10ピコ秒以上の時間分解でもつ
て、強度を表示するための集積ユニツトである。
連続した波長、時間および強度の表示が可能なた
めに、これらのパラメータにおける変化を容易に
分析できる。装置の格子部分はスペクトル軸を提
供し、装置のストリーク部分は、時間軸を与え、
一方、装置の分析部分は、測光又は強度軸を提供
し、その結果、単一の集積された、小形のユニツ
トとなり、発光源からの光放出の単一サンプリン
グ信号上に時間対波長対強度を表示する。装置の
集光光学系は、50ミクロンのピンホールスリツト
を有する0.2ｍの分光計から成る。

図面に依ると、第１図には、本発明の内容によ
り構成された時間スペクトル光度計の一実施例が
参照番号１１で示されている。

時間スペクトル光度計１１は、試料をスペクト
ルと時間特性が分析されるべき発光放射を発生す
るように励起するための共同照射部１３を有して
いる。照射部１３は、平行光速を発生するピコ秒
のレーザ光源１５を有し、その光束の波長は試料
Ｓを励起して発光させるに必要な波長である。光
源１５は例えば、モード固定のネオジムをドープ
したガラスレーザか、あるいは、モード固定され
た色素レーザでよい。光源１５からの光束は、レ
ンズ１７によつて試料Ｓ上に小さな点Ｐとして焦
点を結ぶ。

試料Ｓから発生した発光放射は、レンズ（ある
いはミラー）系１９によつて集光され、剛性のハ
ウジング２３上に形成されたピンホールスリツト
２１に焦点を結ぶ。スリツト２１は直径50ミクロ
ンであるが、10〜100ミクロンの範囲内であつて
よい。

ピンホールスリツト２１を通過して入つた光は
平面鏡２５によつて、衝突する光をその波長成分
に分散させる0.2ｍの湾曲したホログラフ格子２
７上に偏向される。分散光はストリークカメラ管
３１の光電陰極２９の表面に衝突する。格子２７
とストリークカメラ管３１は互いに相対的に間隔
が置かれて配置されその結果、ピンホールスリツ
ト２１は光電陰極２９上に結像される。光束中に
存在する各波長は、異なる方向に分散されるの
で、各波長は、光電陰極２９中の異なる位置に点
として焦点を結ぶ。格子２７は、光電陰極上に衝
突するスペクトル領域が変えられるように、マイ
クロメータ３２により矢印で示される方向に回転
できるブラケツト（図示されていない）に取付け
られている。ストリークカメラ管は、浜松システ
ム会社の型番号N1357、N895、N1629あるいは
それと同類のものであつてよい。ストリークカメ
ラ管３１は、アバランシエ回路あるいは同期正弦
波駆動回路３３により駆動される。ピンホール形
のスリツトが使用されるため、またピンホールス
リツトが装置の光軸に沿つているので、分光計の
収差と非点収差による光電陰極上のスリツト像の
汚れはほとんど無いか全く生じない。

ストリークカメラ管３１の後端の螢光スクリー
ン３５上に形成される像は、ミニコンピユータ式
の時間解析器４１に接続されたシリコン増感ター
ゲツト（SIT）のビジコンテレビカメラ３９の入
力表面にレンズ系３７により結像される。カメラ
３９は、浜松システム社の型番号C1000でよく、
時間解析器４１は型番号C1098又はC1440でよい。
時間解析器４１からの出力データは、テレビモニ
ター４３上に波長の関数として時間対強度のプロ
フイルとして表示される。１mm当り200本、直径
２cmの格子をもつ0.2ｍの分光計を用いると、
180nｍと850nｍに中心をもつパルスの計算され
た時間の広がりは、それぞれ2.6ピコ秒と10.5ピ
コ秒である。スペクトル分解能は、約10ピコ秒の
時間分解能で約1nｍである。最速掃引速度のス
トリーク管の全時間窓は、500ピコ秒であり、ビ
デオモニターに表示される全波長領域は、電流形
態を有する650Åである。この装置は、200〜
850nｍの広いスペクトル範囲にわたつて、１ピ
コ秒のスケールに発光現象を表示可能である。

さらに時間スペクトル光度計は、レーザビーム
によつて照射された試料Ｓ上の点０とスリツト２
１を心合せするための心合せ装置を有する。この
装置は、スイツチ４６を介して電源（図示されて
いない）に接続された、小形で高光強度のタング
ステンハロゲン電球のような電球４５を有し、こ
の電球は、適当な電気的あるいは機械的駆動部４
９により第１図に（実線で）示される位置から、
第１図に点線で示されるストリークカメラ管のシ
ヤツタ（図示されてない）の直前の位置に移動可
能なブラケツト４７に取付けられている。装置の
心合せのために、電球４５は、点線で示される位
置へ動かされて通電され、ストリーク管のシヤツ
タが閉じられる。電球４５からの光は、スリツト
２１の領域において格子２７による結像され、次
に、レンズ系１９により試料上に小さな点として
結像される。同時に小さな点が光源１５からの光
によつて試料Ｓ上に形成される。心合せは、試料
Ｓ上の電球４５、スリツト２１からの点を試料Ｓ
上のレーザ１５からの点に重ね合わせるように調
整するか、あるいは、試料Ｓ上のレーザ１５から
の点を中継光学系によつて電球４５、スリツト２
１からの点に重ね合わせるように調整することに
より達成される。

第２図によれば、参照番号７１により表わされ
る装置の分光計部分の他の実施例が図示されてい
る。

この実施例において、ピンホール入口スリツト
７３は、第１図のような側面よりもむしろハウジ
ング７５の前面に配置され、ツエルニーターナ型
分光計の形態である光学部分は、平面鏡７７、コ
リメータ鏡７９、さらに矢印により示される方向
に回転運動するように取付けられた平面格子８
１、焦点鏡８３、および平面鏡８５を有してい
る。ピンホールスリツト７３を通して入つた光
は、平行光線となるコリメータ鏡７９上へ平面鏡
７７によつて偏向され、平行ビームとして平面格
子８１上に入射する。平面格子８１からの分散光
は、平面鏡８５で偏向された後、ストリークカメ
ラ管の光電陰極表面に小さな点として焦点鏡８３
によつて焦点を結ぶ。

ピンホールスリツトを通つて入つた光は、入射
平面内にあるため、種々の鏡は、格子の異なる角
度設定値に応じ角度の再調整をする必要がないこ
とがわかる。さらに認識されるように、時間分解
能は、焦点距離と格子寸法に依存して限定され
る。さらにスペクトル分解能と時間分解能は、格
子密度に依存している。格子密度は、好ましく
は、１mm当りの溝が100ないし1200本である。例
えば、２cmの直径の口径で１mm当り200本の格子
については７ピコ秒の分解能と、ストリーク管の
光電陰極で３mmにわたつて700Åのスペクトルス
パンを与え、１mm当り1200本の格子については、
ストリーク管の光電陰極において３mmにわたり85
Åの波長スパンをもつ42ピコ秒の時間分解能を与
える。さらに、すべての鏡は、スペクトルの紫外
−可視領域のためにコーテイングされることも注
目されねばならない。

第３図には、第２図に示された装置の変形が図
示され、それには、鏡８３は平面格子８７に代わ
り、鏡８５は曲面鏡８９に代わつている。直列の
２つの格子８３と８７は、一方の光線の光路長と
分散した他方の光線に比して減少することによつ
て、一つの格子により生ずる通過時間の拡大を縮
少（あるいは補償）する。

本発明の実施例がここに記載され、図示された
が当業者にとつて変形や変更は容易に思いつく筈
であり特許請求の範囲はそのような変形と同等の
ものを含むものと解されるべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明により構成された時間スペク
トル光度計の一実施例の概略図である。第２図、
第１図に示された時間スペクトル光度計の分光計
部分の説明のための略図である。第３図は、第２
図に図示された装置の変形の略図である。 １１：時間スペクトル光度計、１３：照明部、
１５：レーザ光源、１７，１９：レンズ、Ｓ：試
料、２１：ピンホールスリツト、２５：平面鏡、
２７：曲面格子、２９：光電陰極、３１：ストリ
ークカメラ管、３２：マイクロメータ、３５：螢
光スクリーン、３７：レンズ系、３９：ビジコ
ン、４１：時間解析器、４３：テレビモニタ、４
５：電球、７１：分光計部分、７３：ピンホール
スリツト、７５：ハウジング、７７：平面鏡、７
９：コリメート鏡、８１，８７：平面格子、８
３，８９：焦点鏡、８５：平面鏡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 次のａ〜ｅから成ることを特徴とする超高速
   光パルスのスペクトルと時間情報を同時に得るた
   めに用いられる時間スペクトル光度計： ａ 前記光の少なくとも一部を通過させるビンホ
   ール形の入口スリツトを有するハウジング、 ｂ 前記ハウジングの内部に配置されたストリー
   クカメラ管であつて、該ストリークカメラ管
   は、その前面に光電陰極と、その背面に蛍光ス
   クリーンかまたは蛍光スクリーンの位置に
   CCD又はPSD等の半導体検出器アレーを備え
   ていること、 ｃ 前記ストリークカメラ管を駆動する電子回路
   手段、 ｄ 前記ハウジングの内部にあつて、前記ストリ
   ークカメラ管の光電陰極上にピンホールスリツ
   ト像を形成し、同時に前記ピンホールスリツト
   を通過した光をその波長成分に分散するため
   に、前記ピンホールスリツトと、前記ストリー
   クカメラ管の間に配置されたホログラフ格子手
   段、および ｅ 前記ストリークカメラ管の蛍光スクリーンま
   たは光検出器アレー上に形成された合成出力像
   を記録するための手段。 ２ 前記ピンホールスリツトが直径10ミクロンと
   100ミクロンの間にある特許請求の範囲第１項記
   載の時間スペクトル光度計。 ３ 前記ピンホールスリツトが直径50ミクロンで
   ある特許請求の範囲第２項記載の時間スペクトル
   光度計。 ４ 前記ピンホールスリツトが、光の入射平面に
   沿つて配置された特許請求の範囲第２項記載の時
   間スペクトル光度計。 ５ 前記ホログラフ格子手段とストリークカメラ
   管が、共通の光軸に沿つて配置された特許請求の
   範囲第２項記載の時間スペクトル光度計。 ６ 前記ハウジングの内部の前記ホログラフ格子
   手段が、これに衝突する光をその波長成分に分散
   し、前記光電陰極上に前記入口スリツトを結像さ
   せるための曲面状のホログラフ格子と、前記ピン
   ホールスリツトを通して受光した光を前記曲面状
   のホログラフ格子に向けるための平面鏡から成
   り、それによつて装置の焦点距離が0.1ｍないし
   １ｍの範囲になし得る特許請求の範囲第２項記載
   の時間スペクトル光度計。 ７ 前記ホログラフ格子手段が、これに衝突する
   光をその波長成分に分散するための平面格子と、
   ピンホールスリツトを通過した光を平面格子上へ
   さらに該平面格子から光電陰極上に向けるための
   一対の平面鏡と、前記ピンホールスリツトから前
   記平面格子に衝突する光を平行光線にし、前記格
   子から分散された光を光電陰極に導くための一対
   の曲面鏡から成る特許請求の範囲第２項記載の時
   間スペクトル光度計。 ８ 光電陰極上に衝突する光の波長領域を変える
   ためにストリークカメラ管の光電陰極に関して格
   子の角度位置を調整する固定戻り止設定部あるい
   はマイクロメータ手段を含む特許請求の範囲第２
   項記載の時間スペクトル光度計。 ９ 出力像を記録するための前記手段が、カメラ
   レンズ系、ビデオカメラまたは半導体アレー、時
   間分析器およびビデオモニターから成る特許請求
   の範囲第２項記載の時間スペクトル光度計。 １０ 入射光に関してピンホールスリツトを心合
   せするための心合せ手段と、中継光学系を含む特
   許請求の範囲第２項記載の時間スペクトル光度
   計。 １１ ピコ秒の時間スケールの放射光を生じさせ
   るために試料を励起する固定モードのレーザ等の
   ピコ秒発光光源と、少なくとも前記放射光の一部
   分を集め、前記放射光が前記ピンホールスリツト
   に焦点を結ぶようにする集光光学系を含む特許請
   求の範囲第２項記載の時間スペクトル光度計。