KR102660600B1 - 광출력 시스템, 측정 시스템, 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템, 연산기, 프로그램, 연산 방법 - Google Patents
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Abstract
광출력 시스템은 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저와, 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와, 제 1 레이저 및 제 2 레이저에 신호를 입력하는 연산기를 구비하고, 연산기는 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 신호를 반복 입력한다.
Description
본 발명은 광출력 시스템, 측정 시스템, 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템, 연산기 및 프로그램에 관한 것이다.
생물의 관찰이나 재료의 자세한 물성의 조사에 사용되는 펌프·프로브법에서는 시계열의 변화를 조사하기 위해서, 펌프 광의 조사로부터 프로브 광의 조사까지의 타이밍을 복수로 스위칭하여 측정이 행해진다. 조사의 타이밍을 변화시키기 위해서, 광로장을 변화시키는 구성이 특허문헌 1에 개시되어 있다. 또한, 펄스 피커(pulse picker)를 이용하여 레이저 광의 조사 타이밍을 제어하는 구성이 특허문헌 2에 개시되어 있다.
특허문헌 1이나 특허문헌 2에 기재되어 있는 발명에서는 2개의 펄스 레이저를 출력하는 타이밍을 스위칭하는 구성이 번잡하다.
본 발명의 제 1 형태에 의한 광출력 시스템은 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저와, 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와, 상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 연산기를 구비하고, 상기 연산기는 상기 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭하여 상기 신호를 반복해서 입력한다.
본 발명의 제 2 형태에 의한 측정 시스템은 상술하는 광출력 시스템과, 상기 광출력 시스템으로부터 출력되는 상기 제 1 광의 적어도 일부 및 상기 제 2 광의 적어도 일부를 펌프 광 및 프로브 광으로서 펌프·프로브법에 의한 측정을 행하는 측정계를 구비한다.
본 발명의 제 3 형태에 의한 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템은 상술하는 광출력 시스템과, 상기 광출력 시스템으로부터 출력되는 상기 제 1 광의 적어도 일부 및 상기 제 2 광의 적어도 일부를 펌프 광 및 프로브 광으로서 이용하는 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경을 구비한다.
본 발명의 제 4 형태에 의한 연산기는 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저 및 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와 함께 사용되는 연산기로서, 제 1 레이저 및 제 2 레이저에 신호를 입력하는 신호 발생부와, 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과, 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하는 딜레이 결정부와, 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력하는 신호 출력부를 구비한다.
본 발명의 제 5 형태에 의한 프로그램은 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저 및 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와 함께 사용되는 연산기에, 제 1 레이저 및 제 2 레이저에 신호를 입력하는 것과, 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과, 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하는 것과, 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력시키는 것을 실행시킨다.
본 발명의 제 6 형태에 의한 광출력 시스템은 소정의 주기로 광 펄스인 제 1 광을 출력하는 제 1 장치와, 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 장치와, 제 1 광이 출력되는 타이밍을 기준으로 하여 제 2 장치에 신호를 입력하는 연산기를 구비하고, 연산기는 제 1 광이 출력되는 타이밍과 제 2 장치에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력한다.
본 발명에 의하면, 2개의 펄스 레이저를 출력하는 타이밍을 간이한 구성으로 스위칭할 수 있다.
도 1은 제 1 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1)의 전체 구성도이다.
도 2는 STM(200)의 모식도이다.
도 3은 연산기(13)의 기능 블럭도이다.
도 4는 출력 광의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 STM(200)의 출력 신호와 시간차(Δt)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 어느 1개의 측정값을 얻기 위한 연산기(13)의 동작을 나타내는 도면이다.
도 7은 연산기(13)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 제 2 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1A)의 전체 구성도이다.
도 9는 제 3 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1B)의 전체 구성도이다.
도 10은 제 4 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1C)의 전체 구성도이다.
도 11은 제 5 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1D)의 전체 구성도이다.
도 12는 제 6 실시형태에 있어서의 연산기(13)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 2는 STM(200)의 모식도이다.
도 3은 연산기(13)의 기능 블럭도이다.
도 4는 출력 광의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 STM(200)의 출력 신호와 시간차(Δt)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 어느 1개의 측정값을 얻기 위한 연산기(13)의 동작을 나타내는 도면이다.
도 7은 연산기(13)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 제 2 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1A)의 전체 구성도이다.
도 9는 제 3 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1B)의 전체 구성도이다.
도 10은 제 4 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1C)의 전체 구성도이다.
도 11은 제 5 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1D)의 전체 구성도이다.
도 12는 제 6 실시형태에 있어서의 연산기(13)의 동작을 설명하는 도면이다.
-제 1 실시형태-
이하, 도 1∼도 7을 참조하여 OPP-STM(Optical Pump-Probe Scanning Tunneling Microscopy; 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경)의 제 1 실시형태를 설명한다.
(시스템 구성)
도 1은 제 1 실시형태에 있어서의 OPP-STM(1)의 전체 구성도이다. 도 1에서는 광을 실선으로 나타내고, 전기 신호를 파선으로 나타내고 있다.
OPP-STM(1)은 광출력 시스템(2)과, STM(200)으로 구성된다. 광출력 시스템(2)은 제 1 레이저(11)와, 제 2 레이저(12)와, 연산기(13)와, 록인 앰프(14)와, 미러(M)와, 빔 스플리터(BS)를 구비한다.
제 1 레이저(11)는 레이저 광인 제 1 광(L1)을 출력하는 레이저 광원이다. 제 1 레이저(11)는 연산기(13)로부터 펄스 신호가 입력되면, 제 1 지연 시간 후에 펄스 형상의 제 1 광(L1)을 출력한다. 제 2 레이저(12)는 레이저 광인 제 2 광(L2)을 출력하는 레이저 광원이다. 제 2 레이저(12)는 연산기(13)로부터 펄스 신호가 입력되면, 제 2 지연 시간 후에 펄스 형상의 제 2 광(L2)을 출력한다. 제 1 지연 시간 및 제 2 지연 시간은 대략 동일한 매우 짧은 시간이다. 양자는 엄밀하게는 일치하지 않고 있어도 되고, 후술하는 조정에 의해 양자의 차는 흡수된다.
제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)의 강도는 동일해도 되고, 상이해도 된다. 제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)의 펄스 폭은 동일해도 되고, 상이해도 된다. 또한, 제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)의 펄스 폭은 고정값이어도 되고, 가변이어도 된다. 제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)의 펄스 폭이 가변의 경우에는 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 구비되는 스위치를 수동으로 조작함으로써 변경 가능해도 되고, 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 입력되는 펄스 신호의 펄스 폭에 따라 변경 가능해도 된다.
연산기(13)는 펄스 신호의 생성 장치이고, 전압의 발생원 및 연산부를 포함해서 구성된다. 연산기(13)는 예를 들면, 재기록 가능한 논리 회로인 FPGA(Field Programmable Gate Array)에 의해 실현된다. 연산기(13)는 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 출력하고, 록인 앰프(14)에 참조 신호를 출력한다. 연산기(13)와 제 1 레이저(11)를 연결하는 신호선을 S1, 연산기(13)와 제 2 레이저(12)를 연결하는 신호선을 S2, 연산기(13)와 록인 앰프(14)를 연결하는 신호선을 S3이라고 한다.
록인 앰프(14)는 STM(200)이 출력하는 신호를 처리 대상으로 하고, 연산기(13)가 출력하는 참조 신호를 이용해서 STM(200)의 출력 신호에 포함되는 미약한 신호를 검출한다. 검출한 미약한 신호는 록인 앰프(14)의 내부에 보존해도 되고, 록인 앰프(14)의 외부의 기억 장치에 보존해도 된다.
미러(M)는 평면 미러이다. 미러(M)는 빔 스플리터(BS)로부터 출력되는 분광(L11)과 분광(L22)을 동축으로 조정 가능하게 하기 때문에, 위치 및 자세의 조정 기구를 갖는다. 사전에 오퍼레이터가 분광(L11)과 분광(L22)을 관찰하면서 미러(M)의 위치나 자세를 조정하고, 분광(L11)과 분광(L22)을 동축으로 한다. 또한, 미러(M)에 위치 및 자세의 조정 기구를 설치하는 대신에, 제 1 레이저(11)나 제 2 레이저(12)에 위치 및 자세의 조정 기구를 설치해도 된다. 또한, 이하에서는 분광(L11)과 분광(L22)을 합해서 「출력 광」이라고도 부른다.
빔 스플리터(BS)는 입사된 광을 투과 광과 반사 광으로 분리한다. 구체적으로는 빔 스플리터(BS)는 제 1 광(L1)을 투과 광인 분광(L11)과, 반사 광인 분광(L12)으로 분리하고, 제 2 광(L2)을 투과 광인 분광(L21)과, 반사 광인 분광(L22)으로 분리한다. 또한, 빔 스플리터(BS)는 투과 광량과 반사 광량이 1:1인, 소위 하프미러이어도 되고, 투과 광량과 반사 광량의 비율은 그 이외이어도 된다. 본 실시형태에서는 분광(L12) 및 분광(L21)은 이용하지 않으므로 도시하고 있지 않다.
또한, 빔 스플리터(BS)에도, 빔 스플리터(BS)로부터 출력되는 분광(L11)과 분광(L22)을 동축으로 조정 가능하게 하기 위해서, 위치 및 자세의 조정 기구를 구비하고 있어도 된다. 그리고, 예를 들면, 미러(M)의 각도를 조정함으로써 위치를 조정하고, 빔 스플리터(BS)의 각도를 조정함으로써 각도를 조정해도 된다.
STM(200)은 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)가 출력하는 레이저 광을, 펌프 광 및 프로브 광으로서 이용하는, 주사 터널 현미경(Scanning Tunneling Microscopy; STM)이다. STM(200)의 구성은 후에 상술하지만, STM(200)은 검출한 신호를 록인 앰프(14)에 출력한다.
제 1 레이저(11)로부터 출력된 레이저 광(L1)은 빔 스플리터(BS)에 의해 분광(L11) 및 분광(L12)에 분광된다. 빔 스플리터(BS)를 투과한 분광(L11)은 STM(200)에 입사한다. 제 2 레이저(12)로부터 출력된 레이저 광(L2)은 복수의 미러(M)로 반사하고, 빔 스플리터(BS)에 의해 분광(L21) 및 분광(L22)에 분광된다. 빔 스플리터(BS)에 의해 반사된 분광(L22)은 STM(200)에 입사한다. 또한, 이하에서는 분광(L11)은 「펌프 광」(L11)이라고도 하고, 분광(L22)은 「프로브 광」(L22)이라고도 한다.
(STM의 구성)
도 2는 STM(200)의 모식도이다. STM(200)은 탐침(210)과, 터널 전류 검출부(220)를 구비한다. 또한, 도 2에는 록인 앰프(14)도 기재하고 있지만, STM(200)의 구성에는 포함되지 않으므로 파선으로 나타내고 있다. STM(200)에는 시료(900)가 셋트된다. STM(200)의 외부로부터 조사되는 분광(L11) 및 분광(L22)은 탐침(210)의 선단(211)을 포함하는 시료(900)의 표면에 조사된다. 시료(900)는 펌프 광(L11)이 조사되면 여기되고, 주로 시료(900)가 여기되어 있는 사이에 프로브 광(L22)이 조사된다.
상술한 바와 같이 분광(L11)과 분광(L22)이 출력되는 시간차는 복수로 설정되므로, 적어도 1개의 시간차에 있어서, 시료(900)가 여기되어 있는 사이에 프로브 광(L22)이 조사되면 된다. 2개의 분광이 시료(900)에 조사되는 타이밍의 차인 지연시간에 의존하여 프로브 광(L22)에 의해 여기되는 광 캐리어의 수가 변화되고, 탐침 선단부(51a)와 시료(900)의 표면 사이에 흐르는 터널 전류가 변화되고, 터널 전류 검출부(220)에 의해 검출된다. 터널 전류 검출부(220)는 검출한 전류의 신호를 록인 앰프(14)에 출력한다.
(연산기의 기능 구성)
도 3은 연산기(13)가 갖는 각 기능을 기능 블록으로서 나타낸 기능 블럭도이다. 상술한 바와 같이, 연산기(13)는 FPGA에 의해 실현된다. FPGA는 기동 시에 도시하지 않은 ROM으로부터 논리 회로 정보를 판독해서 FPGA 내에 기록한다. 이 기록에 의해, 신호 발생부(132)와, 딜레이 결정부(133)와, 참조 신호 출력부(134)와, 입력부(135)와, 기억부(136)가 형성된다. 딜레이 결정부(133)는 후술하는 가변 딜레이값(138)의 값을 결정한다. 신호 발생부(132)는 지연 시간의 계수부 및 펄스 형상의 전압을 발생 가능한 전압 발생원을 포함한다. 참조 신호 출력부(134)는 전압신호를 발생 가능한 전압 발생원을 포함한다.
입력부(135)는 유저의 지령을 접수하는 버튼 등의 물리 인터페이스 또는 전기 신호에 의해 유저의 지령을 접수하는 전기적인 인터페이스를 포함한다. 기억부(136)에는 고정 딜레이값(137)및 가변 딜레이값(138)이 저장된다. 단, 고정 딜레이값(137) 및 가변 딜레이값(138)의 값은 도시하지 않은 ROM에 저장되어 있지 않아도 되고, 그 경우는 연산기(13)가 기동할 때마다 입력부(135)를 통해서 유저가 바로바로 입력한다.
신호 발생부(132)는 제 1 레이저(11)및 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 출력한다. 딜레이 결정부(133)는 가변 딜레이값(138)을 결정한다. 입력부(135)는 유저의 입력에 근거하여 고정 딜레이값(137)의 값을 기억부(136)에 기록한다. 신호 발생부(132)가 제 1 레이저(11)로 펄스 신호를 출력하고 나서 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 출력할 때까지의 딜레이값, 즉 시간의 간격은 고정 딜레이값(137)과 가변 딜레이값(138)의 합이다. 고정 딜레이값(137)은 광로장, 신호 케이블의 길이 및 제 1 레이저(11)와 제 2 레이저(12)의 개체 차의 영향을 캔슬하기 위한 것이고, 고정 딜레이값(137)을 적절한 값으로 설정함으로써 가변 딜레이값이 제로일 때에 시료(900)에 도달하는 펌프 광(L11)과 프로브 광(L22)의 타이밍을 동시로 할 수 있다. 가변 딜레이값(138)은 펌프 광(L11)과 프로브 광(L22)이 시료(900)에 도달하는 타이밍의 차를 설정하는 값이다. 또한, 이하에서는 가변 딜레이값(138)을 「시간차(Δt)」라고도 한다.
(출력 광의 예)
도 4는 시료(900)의 위치에 있어서의 분광(L11) 및 분광(L22)의 광 강도의 시간 변화의 예를 나타내는 도면이다. 도 4에서는 도시 좌측으로부터 우측을 향해서 시간이 경과하고 있고, 도 4에 나타내는 예에서는 제 1 광(L11)이 먼저 시료(900)에 도달하고, 그 후에 제 2 광(L22)이 시료(900)에 도달하였다. 본 실시형태에서는 도 4에 나타내는 바와 같이, 제 1 광(L11)이 먼저 시료(900)에 도달하는 경우에 시간차(Δt)가 정의 값을 취하는 것으로 한다.
(측정 신호)
연산기(13)의 동작을 설명하기 전에, 그 동작의 이해를 돕기 위해서 STM(200)의 측정 신호의 개요를 설명한다. 단, 이하의 설명은 STM(200)이 어떤 시료를 측정 대상으로 했을 때의 대표적인 측정 결과를 설명하는 것이고, 시료의 종류에 상관없이 동일한 경향을 갖는 것을 OPP-STM(1)의 전제로 하는 것은 아니다.
도 5는 STM(200)의 출력 신호와 시간차(Δt)의 관계를 나타내는 도면이다. 펌프 광(L11)이 조사됨으로써 시료(900)가 여기되어, 시간의 경과와 아울러 완화한다. 예를 들면, t1 < t2 < t3의 관계에 있는 경우에, 시간차(Δt)가 t1, t2, t3의 경우의 측정값은 각각 s13, s12, s11이고, s13 > s12 > s11의 관계에 있다. 시간차(Δt)가 크게 됨에 따라서 측정 신호는 감소하고, 시간차(Δt)가 어떤 값 이상, 도 5에 나타내는 예에서는 시간차(Δt)가 t6 이상에서는 측정 신호는 이 측정에 있어서의 최소값인 s0에 수속한다.
단, 측정 신호로서의 최소값, 즉 도 5의 종축에 있어서의 「0」과 측정의 최소값(s0)의 신호 레벨의 차에 비하여 s0과 s13의 신호 레벨의 차는 작다. 즉, 본 측정은 SN비가 매우 작기 때문에 통상의 측정은 곤란하므로, 록인 앰프(14)를 이용한다. 지연 시간(Δt)을 주기적으로 스위칭하면서, 록인 앰프(14)를 그 주기에 동기시켜서 사용함으로써, 측정값 s13, s12, s11 등을, 제로와의 비교가 아니라 s0와의 비교로 평가함으로써 SN비가 낮은 문제를 해결하는 것이다.
또한, 도 5에 나타낸 예는 어디까지나 개요이고, 실제로는 t6이나 s0의 값은 측정 전에는 명확하지 않기 때문에, 충분하게 긴 시간, 예를 들면 상정되는 감쇠까지의 시간의 몇배의 시간을 t6 대신에 사용하는 것이 널리 행해지고 있다. 본 실시형태에서는 충분하게 긴 시간을 t9로서 설명한다. 또한, 본 실시형태에서는 도 5에 나타낸 s0나 s11 등의 값은 직접은 측정할 수 없고, 기준이 되는 s0과의 상대값, 즉 「s13-s0」의 값이나, 「s12-s0」의 값이 얻어진다.
(측정 신호)
도 6은 s0을 기준으로 한 s13, 즉 「s13-s0」을 얻기 위한 연산기(13)의 동작을 나타내는 도면이다. 도 6에서는 도시 좌측으로부터 우측을 향해서 시간이 경과하고 있고, 종축은 시간차(Δt)를 나타내고 있다. 도 6 하부에 나타내는 화살표(Flip)는 연산기(13)가 록인 앰프(14)에 출력하는 참조 신호가 반전하는 타이밍을 나타내고 있다. 도 6에 나타내는 예에서는 연산기(13)는 변조 주기를 L로 하면, 그 절반의 시간인 소정의 시간 L/2마다 시간차(Δt)를 t1과 t9로 스위칭한다. 소정의 시간 L/2에 있어서, 펌프 광(L11)이나 프로브 광(L22)은 복수회, 예를 들면 수십회나 수백회 출력된다.
펌프 광(L11)과 프로브 광(L22)이 시료(900)에 도달하는 타이밍의 차가 가변 딜레이값(138), 즉 시간차(Δt)와 동일하게 되는 이유를 이하에 설명한다. 신호 발생부(132)는 우선, 제 1 레이저(11)에 펄스 신호를 출력하고, 그 출력으로부터 고정 딜레이값(137)과 가변 딜레이값(138)의 합의 시간이 경과한 후에 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 출력한다. 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)가 신호 펄스를 수취하고 나서 광 펄스를 출력할 때까지의 시간차 및 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)로부터 시료(900)까지의 광로를 광이 통과하는 시간차와 고정 딜레이값(137)이 같기 때문에 펌프 광(L11)과 프로브 광(L22)이 시료(900)에 도달하는 타이밍의 차가, 정확히 가변 딜레이값(138), 즉 시간차(Δt)가 된다. 또한, 신호 발생부(132)는 내장되는 발진기 등의 발진 횟수를 카운트함으로써 시간의 경과를 측정한다. 즉, 본 실시형태에서는 고정 딜레이값(137) 및 가변 딜레이값(138)은 발진기의 발진 주기를 단위로서 제어 가능해진다.
예를 들면, 연산기(13)는 시간차(Δt)를 t9로서 펌프 광(L11) 및 프로브 광(L22)을 L/2의 시간에 걸쳐 100회 출력하고, 다음에 시간차(Δt)를 t1로서 출력 광을 L/2의 시간에 걸쳐 100회 출력한다. 연산기(13)는 이 동작을 복수회 반복함으로써, 도 6에 나타내는 Δt의 주기적 변경을 실현한다. 예를 들면, 연산기는 Δt를 t9로 하고 있는 L/2의 시간에 걸쳐 참조 신호에 -1V를 출력하고, Δt를 t1로 하고 있는 L/2의 시간에 걸쳐 참조 신호에 1V를 출력함으로써 록인 앰프(14)에 지연시간 변경과 동기한 록인 검출을 행한다. STM(200)으로부터의 출력은 지연 시간의 변화에 따라서 주기(L)로 S0과 S13의 사이에서 진동한다. 참조 신호에 동기해서 동작하는 록인 앰프의 출력으로부터, S0과 S13의 차인 「S13-S0」을 높은 SN비로 측정할 수 있다.
(플로우 차트)
도 7은 연산기(13)의 동작을 나타내는 플로우 차트이다. 또한, 본 실시형태에서는 연산기(13)는 FPGA에 의해 실현되기 때문에, 도 7에 나타내는 플로우 차트는 하드웨어의 동작을 반드시 충실하게는 나타내고 있지 않다. 예를 들면, 실제로는 펄스수를 카운트하는 카운터 회로와, 카운터가 특정한 값의 경우에 전기 펄스를 발생시키는 회로 등이 항상 독립하여 병렬로 동작하고 있고, 그들의 입력이나 출력이 서로 접속된다. 본 실시형태에서는 편의적으로 플로우 차트를 이용하여 연산기(13)의 동작을 설명한다.
이하에 설명하는 각 스텝은 S313은 참조 신호 출력부(134)가 실행되고, S315는 신호 발생부(132)가 실행되고, 그 외는 딜레이 결정부(133)가 실행된다. 연산기(13)는 우선, S311에 있어서, 주기적으로 변경하는 2개의 가변 딜레이값(138)을 결정한다. 이 가변 딜레이값(138)은 미리 기억부(136)에 저장되어 있어도 되고, 실행 때마다 유저가 입력부(135)로부터 입력해도 된다. 계속되는 S312에서는 연산기(13)는 S311에 있어서 설정한 2종류의 가변 딜레이값(138) 중 어느 일방을 사용하는 가변 딜레이값(138)으로서 설정해서 S313으로 진행된다.
S313에서는 연산기(13)는 록인 앰프(14)에 출력하는 참조 신호를 반전시킨다. 예를 들면 S313의 실행 직전까지의 참조 신호가 「-1V」인 경우에는 S313에 있어서 참조 신호를 「+1V」로 변경한다. 계속되는 S314에서는 연산기(13)는 펄스수를 카운트하는 펄스 카운터를 제로로 초기화한다. 계속되는 S315에서는 연산기(13)는 현재 설정되어 있는 가변 딜레이값(138)을 사용하고, 신호 발생부(132)에 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 출력시킨다. 계속되는 S316에서는 연산기(13)는, 펄스 카운터의 카운트수를 1증가시키고, 펄스 카운터의 카운트수가 소정의 규정값, 예를 들면 100에 달한 것인의 여부를 판단한다. 연산기(13)는 기정의 카운트에 도달한, 즉 S314의 실행으로부터 시간 L/2이 경과했다고 판단하는 경우는 S317로 진행되고, 기정의 카운트수에 도달하지 않는다고 판단하는 경우는S315로 돌아간다.
S317에서는 연산기(13)는 가변 딜레이값(138)을 S311에 있어서 결정한 2종류 중, 현재 설정되어 있는 값이 아닌 타방의 값으로 변경해서 S313으로 돌아간다. 또한, 연산기(13)는 S317에 있어서, 처리 횟수가 소정의 횟수에 달한 것인지의 여부를 더 판단하고, 소정의 횟수에 달하고 있다고 판단하는 경우에는 S311로 돌아가서 다른 2종류의 가변 딜레이값에 대하여 측정을 속행해도 되고, 도 7에 나타내는 처리를 종료해도 된다.
상술한 제 1 실시형태에 의하면, 다음 작용 효과가 얻어진다.
(1) 광출력 시스템(2)은 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광(L1)을 출력하는 제 1 레이저(11)와, 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광(L2)을 출력하는 제 2 레이저(12)와, 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 연산기(13)를 구비한다. 연산기(13)는 제 1 레이저(11)에 신호를 입력하는 타이밍과, 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값(138)을 복수로 스위칭한다. 그 때문에 제 1 레이저(11)와 제 2 레이저(12)가 펄스 레이저를 출력하는 타이밍을 간이한 구성으로 스위칭할 수 있다.
그런데, 종래 기술에 있어서의 광로장을 변화시키는 방법에서는 스테이지의 이동이나 미러의 구동 등 기계적인 동작이 필요하고, 진동의 발생이 회피되지 않는다고 하는 문제 및 스위칭 속도에 물리적인 한계가 있다고 하는 문제가 존재한다. 이들의 문제를 개선하기 위해서 포켈스 셀을 이용하는 구성이 알려져 있다. 그러나, 포켈스 셀에서는 상술한 2개의 문제를 개선할 수 있지만, 완전하게는 광을 차단할 수 없는 문제 및 장치 구성이 대구모가 되는 문제가 있다.
완전하게는 광을 차단할 수 없는 문제란 광을 차단해야 할 타이밍에 있어서 약한 광이 누출되어 버리는 것이다. 즉, 약한 광은 항상 조사되는 것이 되고, 측정값에 의도하지 않는 영향을 미친다. 장치 구성이 대규모가 되는 문제란 포켈스 셀만으로 설정 가능한 지연 시간의 분해능은 원래의 레이저의 반복 주기(~10ns)로 제한되기 때문에, 그 이하의 지연 시간 분해능이 필요한 경우에는 별도 2개의 레이저의 펄스 출력 타이밍을 컨트롤하기 위해서 장치가 필요하게 되는 것이다. 제어가 번잡해지면 장치가 대규모인 것이 되어 장치의 설치 면적이나 필요 코스트도 큰 것이 된다.
그러나, 광출력 시스템(2)은 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 입력하는 전기 신호의 타이밍을 제어함으로써 지연 시간을 자유롭게 설정할 수 있으므로, 광로장을 변화시키는 방법이나 포켈스 셀을 이용하는 방법과 같은 문제가 생기지 않는다. 구체적으로는 광출력 시스템(2)에서는 진동이 없고, 스위칭 속도의 제한이 없고, 펄스와 펄스 사이에 불요한 미약한 광 펄스의 조사가 없고, 장치 구성이 단순하고, 설치 면적도 작다고 하는 이점을 갖는다.
(2) 연산기(13)는 가변 딜레이값(138)을 2종류로 소정의 주기(L)로 변화시키고, 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력하는 참조 신호 출력부(134)를 구비한다. 그 때문에 록인 앰프(14)의 사용을 전제로서, STM(200)의 출력하는 미약한 신호로부터 필요한 정보를 취득할 수 있다.
(3) 광출력 시스템(2)은 제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)을 사용한 STM(200)의 출력을 처리 대상으로 하고, 참조 신호를 이용하여 록인 검출을 행하는 록인 앰프(14)를 구비한다. 그 때문에 STM(200)의 출력하는 미약한 신호로부터 필요한 정보를 취득할 수 있다.
(4) 광출력 시스템(2)은 제 1 광(L1)의 적어도 일부 및 제 2 광(L2)의 적어도 일부를 출력 광으로서 동축으로 출력하는 빔 스플리터(BS)를 구비한다. 가령 광출력 시스템(2)의 출력이 제 1 광(L1)과 제 2 광(L2)이 다른 광축을 갖는 경우에는 사용하는 측정계에 따라서는 양자를 동축으로 하지 않으면 안되지만, 광출력 시스템(2)의 출력은 양자가 동축이므로 이용하기 쉬운 이점을 갖는다.
(5) 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1)은 광출력 시스템(2)과, 광출력 시스템(2)으로부터 출력되는 제 1 광(L1)의 일부 및 제 2 광(L2)의 일부를 펌프 광(L11) 및 프로브 광(L22)으로서 이용하는 STM(200)을 구비한다. 그 때문에 간이한 구성에서 시간 분해 기능을 갖는 STM을 이용할 수 있다.
(변형예 1)
상술한 제 1 실시형태에서는 연산기(13)는 FPGA에 의해 실현되었다. 그러나, 연산기(13)의 적어도 일부는 FPGA 대신에 중앙 연산 장치인 CPU, 판독 전용의 기억영역인 ROM 및 읽고 쓰기 가능한 기억 영역인 RAM의 조합에 의해 실현되어도 된다. 이 경우에는 ROM에 저장되는 프로그램을 CPU가 RAM에 전개해서 실행한다. 또한, 연산기(13)는 FPGA의 대신에 특정 용도용의 집적 회로인 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)에 의해 실현되어도 된다. 또한, 연산기(13)는 다른 구성의 조합, 예를 들면 CPU, ROM 및 RAM과 FPGA의 조합에 의해 실현되어도 된다.
즉, 이하의 프로그램도 본 발명의 범위에 포함된다.
(6) 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)과 함께 사용되는 연산기(13)가 실행하는 프로그램으로서, 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 것과, 제 1 레이저(11)에 신호를 입력하는 타이밍과, 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값(138)을 복수로 스위칭하는 것과, 가변 딜레이값(138)을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력시키는 것을 실행시키는 프로그램.
또한, 본 발명에는 상술의 프로그램과 동일한 동작을 가능하게 하는 FPGA의 회로의 프로그램도 포함된다.
(변형예 2)
광출력 시스템(2)은 록인 앰프(14)를 구비하지 않아도 된다. 이 경우에는 연산기(13)는 록인 앰프(14)에 펄스 신호를 출력하지 않는다.
(변형예 3)
록인 앰프(14)는 광출력 시스템(2)의 외부에 존재해도 된다. 이 경우에는 연산기(13)는 광출력 시스템(2)의 외부에 존재하는 록인 앰프(14)에 펄스 신호를 출력한다.
(변형예 4)
광출력 시스템(2)과 조합시켜서 이용하는 계측 장치는 STM(200)에 한정되지 않는다. 펌프·프로브법에 의한 측정을 행하는 계측 장치이면 된다.
(변형예 5)
도 1에 나타낸 광출력 시스템(2)의 구성에서는 미러(M)는 1개만 포함되었다. 그러나, 광출력 시스템(2)은 배치나 조정의 자유도를 높이기 위해서 복수의 미러(M)를 구비해도 된다. 이 경우에는 또한, 제 1 레이저(11)로부터 빔 스플리터(BS)까지의 광로장과 제 2 레이저(12)로부터 빔 스플리터(BS)까지의 광로장이 조정 가능하게 되도록, 제 1 레이저(11), 빔 스플리터(BS), 제 2 레이저(12) 및 복수의 미러(M)를 배치해도 된다.
(변형예 6)
연산기(13)는 입력 인터페이스를 구비하고, 고정 딜레이값(137)을 유저가 입력이나 조정 가능하게 기구되어도 된다. 예를 들면, 연산기(13)는 볼륨 스위치를 구비하고, 유저가 볼륨 스위치의 회전 방향 및 회전량에 따라서 고정 딜레이값(137)을 증감해도 된다.
-제 2 실시형태-
도 8을 참조하여 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 제 2 실시형태에 관하여 설명한다. 이하의 설명에서는 제 1 실시형태와 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 차이점을 주로 설명한다. 특별히 설명하지 않는 점에 대해서는 제 1 실시형태와 같다. 본 실시형태에서는 주로, 광출력 시스템이 2개의 레이저 광을 독립적으로 출력하고, 광출력 시스템의 외부에서 2개의 레이저 광을 동축으로 하는 점에서, 제 1 실시형태와 다르다.
도 8은 제 2 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1A)의 전체 구성도이다. 제 1 실시형태와의 차이점은 미러(M) 및 빔 스플리터(BS)가 광출력 시스템(2A)에 포함되지 않는 점이다. 그 밖의 구성은 제 1 실시형태와 같다.
상술한 제 2 실시형태에 의하면, 광출력 시스템(2A)과 조합시키는 측정 장치가 동축이 아닌 광을 이용하여 펌프·프로브법의 계측을 행하는 경우에 유용하다. 또한, 동축의 광을 이용하여 펌프·프로브법에 의한 계측을 행하는 경우에도, 제 1 실시형태와 동일하게 미러(M) 및 빔 스플리터(BS)를 사용함으로써 동일한 작용 효과가 얻어진다.
-제 3 실시형태-
도 9를 참조하여 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 제 3 실시형태를 설명한다. 이하의 설명에서는 제 1 실시형태와 같은 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 차이점을 주로 설명한다. 특별히 설명하지 않는 점에 대해서는 제 1 실시형태와 같다. 본 실시형태에서는 주로, 광출력 시스템이 2개의 레이저 광을 동축으로 하지 않고 출력하는 점에서, 제 1 실시형태와 다르다.
도 9는 제 3 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1B)의 전체 구성도이다. 제 1 실시형태와의 차이점은 빔 스플리터 및 미러를 구비하지 않는 점이다. 즉, 본 실시형태에서는 출력 광(L1) 및 출력 광(L2)이 그대로 STM(200)에 입력된다.
상술한 제 3 실시형태에 의하면, 광출력 시스템(2A)과 조합시키는 측정 장치가 동축이 아닌 광을 이용하여 펌프·프로브법의 계측을 행하는 경우에 유용하다.
-제 4 실시형태-
도 10을 참조하여 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 제 4 실시형태에 관하여 설명한다. 이하의 설명에서는 제 1 실시형태와 같은 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 차이점을 주로 설명한다. 특별히, 설명하지 않는 점에 대해서는 제 1 실시형태와 같다. 본 실시형태에서는 주로, 고밀도한 시간차(Δt)의 제어가 가능한 점에서, 제 1 실시형태와 다르다.
상술한 제 1 실시형태에서는 요구되는 계시의 정밀도에 비해서 연산기(13)가 구비하는 발진기의 1회당의 발진의 시간이 충분하게 짧은 것으로 했다. 그러나 요구되는 계시의 정밀도에 비해서 연산기(13)가 구비하는 발진기의 1회당의 발진의 시간이 충분하게 짧다라고 하는 조건을 만족시키지 않은 경우에는 이하에 설명하는 아날로그의 딜레이 회로의 병용이 유효하다.
도 10은 제 4 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1C)의 전체 구성도이다. 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1C)은 광출력 시스템(2C)과 STM(200)을 구비한다. 광출력 시스템(2C)과 광출력 시스템(2)의 차이는 광출력 시스템(2C)은 지연 회로(18)를 더 구비하는 점이다. 본 실시형태에서는 연산기(13)로부터 제 2 레이저(12)로의 펄스 신호의 출력은 지연 회로(18)를 통해서 행해진다.
지연 회로(18)에 있어서의 지연 시간은 연산기(13)로부터 S25를 통한 제어 신호에 의해 조정 가능하다. 지연 회로(18)는 예를 들면, ps단위로 지연 시간을 조정할 수 있다. 지연 회로(18)는 연산기(13)로부터 펄스 신호가 S21을 통해서 입력되면, 아날로그 회로의 특성에 의해 설정된 지연 시간만큼 느려져 제 2 레이저(12)에 펄스 신호를 S22를 통해서 출력한다.
상술한 제 4 실시형태에 의하면, 보다 고정밀도한 시간차(Δt)의 제어가 가능하다. 예를 들면, 연산기(13)에 구비되는 발진기의 주파수가 1GHz의 경우에는 1주기가 1ns이므로 1주기 미만의 시간인 ps 단위의 제어는 실현되지 않는다. 그러나, 지연 회로(18)를 이용함으로써 연산기(13)에 구비되는 발진기의 1주기보다 짧은 시간의 분해능으로 시간차(Δt)를 제어할 수 있다.
(제 4 실시형태의 변형예)
지연 회로(18)는 연산기(13)와 일체로 구성되어 있어도 된다. 예를 들면, 출력 지연 회로를 구비하는 FPGA를 사용함으로써 지연 회로(18)를 내장하는 연산기(13)를 실현할 수 있다.
-제 5 실시형태-
도 11을 참조해서 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 제 5 실시형태를 설명한다. 이하의 설명에서는 제 1 실시형태와 같은 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 차이점을 주로 설명한다. 특별히 설명하지 않는 점에 대해서는 제 1 실시형태와 같다. 본 실시형태에서는 주로, 제 1 레이저가 외부로부터 신호를 입력되는 일 없이 소정의 주기로 펄스 레이저를 계속해서 출력하는 점이 제 1 실시형태와 다르다.
도 11은 제 5 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템(1D)의 전체 구성도이다. 제 1 실시형태와의 상위점은 제 1 레이저(11) 대신에 독립적으로 동작하는 제 1 레이저(11A)를 구비하는 점, 제 1 레이저(11A)의 출력인 제 1 광(L1)을 분광하는 2개의 빔 스플리터(BS1 및 BS2)를 구비하는 점, 제 1 레이저(11A)의 출력을 검출하는 광 검출기(15)를 구비하는 점이다. 또한, 연산기(13)의 동작도 제 1 실시형태와 다르다.
제 1 레이저(11A)가 펄스 레이저를 출력하는 주파수는 기지이며, 예를 들면 100kHz이다. 단, 이 주파수는 반드시 엄밀하지는 않고, 적어도 연산기(13)에 내장되는 발진기와는 완전한 동기가 기대될 수 없다.
광 검출기(15)은 수신한 광을 전기 신호로 변환해서 출력한다. 광 검출기(15)는 광전자증배관을 이용하여 실현되어도 되고, 반도체의 pn 접합을 이용한 포토다이오드를 이용하여 실현되어도 된다. 광 검출기(15)에는 제 1 레이저(11)가 출력하는 제 1 광(L1)의 일부인 분광(L12)이 입력된다. 광 검출기(15)는 수신한 광을 변환한 전기 신호를 동기 신호(S5)로서 연산기(13)에 출력한다.
연산기(13)는 동기 신호(S5)를 기준 타이밍으로 해서 몇백배∼몇천배의 클럭을 생성하고, 가변 딜레이값(138)의 카운트에 이용한다. 예를 들면, 제 1 레이저(11A)의 출력이 100kHz인 경우에, 연산기(13)는 100MHz의 클럭을 생성하고, 동기 신호(S5)의 수신 시각을 기준으로 해서 가변 딜레이값(138)을 카운트한다.
상술한 제 5 실시형태에 의하면, 다음 작용 효과가 얻어진다.
(7) 광출력 시스템(2D)은 소정의 주기로 광 펄스인 제 1 광(L1)을 출력하는 제 1 레이저(11A)와, 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저(12)와, 제 1 광(L1)이 출력되는 타이밍을 기준으로 하여 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 연산기(13)를 구비한다. 연산기(13)는 제 1 광(L1)이 출력되는 타이밍과, 제 2 레이저(12)에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값(138)을 복수로 스위칭한다. 그 때문에 종래부터 사용되고 있는 소정의 주기로 레이저 광을 출력하는 레이저 발진기를 이용하여 제 1 실시형태와 같은 작용 효과를 얻을 수 있다. 입력된 펄스 신호에 따라서 펄스 레이저를 출력하는 제 2 레이저(12) 등은 출력이 반드시 높지 않기 때문에, 본 실시형태의 구성이면 고출력의 레이저 발진기를 이용할 수 있다고 하는 새로운 이점을 갖는다.
(제 5 실시형태의 변형예)
제 1 장치(1011)는 레이저 이외를 출력해도 된다. 예를 들면, 제 1 장치(1011)가 싱크로트론이고, 소정의 주기로 X선 펄스를 출력해도 된다.
-제 6 실시형태-
도 12를 참조해서 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 제 6 실시형태를 설명한다. 이하의 설명에서는 제 1 실시형태와 같은 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 차이점을 주로 설명한다. 특별히 설명하지 않는 점에 대해서는 제 1 실시형태와 같다. 본 실시형태에서는 주로, 신호 발생부(132)로부터의 전기 신호의 출력 타이밍을 특정하고 있는 점에서 제 1 실시형태와 다르다.
제 6 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 하드웨어 구성은 제 1 실시형태와 같으므로 설명을 생략한다. 제 6 실시형태에 있어서의 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템의 기능 구성은 신호 발생부(132)의 실장의 상세를 제외하고 제 1 실시형태와 같다. 이하에서는 신호 발생부(132) 및 신호 발생부(132)를 포함하는 연산기(13)의 동작을 설명한다.
도 12는 제 6 실시형태에 있어서의 연산기(13)의 동작을 설명하는 도면이다. 도 12(a)는 제 6 실시형태에 있어서의 연산기(13)의 동작을 나타내는 도면, 도 12(b)는 참조 신호를 나타내는 도면, 도 12(c)는 비교예의 동작을 나타내는 도면이다. 또한, 도 12(a)∼도 12(c)는 도시 횡방향의 시간축을 동기시키고 있다. 도 12에 나타내는 예에서는, 도시의 사정에 따라, 변조 주기의 절반의 시간인 L/2의 시간에 있어서, 제 1 광(L1)과 제 2 광(L2)의 각각은 평균으로 3회만 출력된다. 도 12에 나타내는 T101, T102, T103, ‥은 변조 주기(L)의 개시 시각을 기준으로 하고, L/2의 길이를 N분할, 도 12에 나타내는 예에서는 3분할하는 시각이다. 이하에서는 이 T101, T102 등의 각각을 「기준 시각」이라고 한다.
본 실시형태에서는 신호 발생부(132)는 도 12(a)에 나타내는 바와 같이, T101이나 T102 등의 기준 시간에 대하여 제 1 광(L1)을 가변 딜레이값(138)의 반 정도만큼 전에, 제 2 광(L2)을 가변 딜레이값(138)의 값의 반정도만큼 뒤로 어긋나게 함으로써 양자가 시료(900)에 도달하는 시각차를 가변 딜레이값(138)으로 한다. 예를 들면, 가변 딜레이값(138)이 t1인 경우에, 제 1 광(L1)은 기준 시각보다 t1/2만큼 빨리 도달하고, 제 2 광(L2)은 기준 시각보다 t1/2만큼 늦게 도달하도록 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 신호를 출력한다. 또한, 가변 딜레이값(138)이 t9인 경우는 L1은 기준 시각보다 t9/2만큼 빨리 도달하고, L2는 기준 시각보다 t9/2만큼 늦게 도달하도록 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 신호를 출력한다. 그 한편으로, 도 12(c)에 나타내는 비교예에서는 신호 발생부(132)는 제 1 광(L1)이 항상 기준 시각에 도달하고, 제 2 광(L2)은 기준 시각으로부터 가변 딜레이값(138)만큼 늦게 도달하도록 동작함으로써 양자가 시료(900)에 도달하는 시각차를 가변 딜레이값(138)으로 한다.
양자의 차이는 가변 딜레이값을 스위칭하는 시각의 전후에서 현저하게 된다. 도 12(a)에서는 스위칭의 전후에서도 제 1 광(L1) 및 제 2 광(L2)을 합친 합계의 광 펄스수의 시간 방향의 밀도는 대략 일정하고, 시간적인 조밀은 존재하지 않는다. 그러나, 비교예에서는 제 1 광(L1)의 광 펄스수의 시간 방향의 밀도는 시각에 의하지 않고 완전하게 일정하지만, 제 2 광(L2)에 대해서는 T104의 전후에서는 시료(900)에 조사되는 광이 시간적으로 치밀하지 않게 되고, T107의 전후에서는 시료(900)에 조사되는 광이 시간적으로 치밀하게 된다. 그 때문에 비교예에서는 STM(200)의 출력에는 변조 기간(L)의 반주기마다에 가변 딜레이값(138)이 변경되는 영향뿐만 아니라 반주기마다에 발생하는 조사되는 광의 시간적인 조밀의 영향도 포함될 가능성이 있다. 그 한편으로, 본 실시형태에서는 변조의 전후에서도 시료(900)에 조사되는 광의 조밀이 일어나기 어렵기 때문에, 가변 딜레이값(138)의 영향을 측정하기 쉬운 이점을 갖는다.
상술한 제 6 실시형태에 의하면, 다음 작용 효과가 얻어진다.
(8) 신호 발생부(132)는 제 1 광(L1)이 시료(900)에 도달하는 타이밍과 제 2 광(L2)이 시료(900)에 도달하는 타이밍의 평균 시각이, 참조 신호의 변조 타이밍을 기준으로 하는 기준 시각에 일치하도록 제 1 레이저(11) 및 제 2 레이저(12)에 신호를 출력한다. 그 때문에 가변 딜레이값(138)의 변화의 전후에서도 시료(900)에 조사되는 광의 조밀이 일어나기 어렵고, 가변 딜레이값(138)의 영향을 측정하기 쉽다.
상술한 각 실시형태 및 변형예는 각각 조합해도 된다. 상기에서는 여러가지의 실시형태 및 변형예를 설명했지만, 본 발명은 이들의 내용에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 생각되는 그 밖의 형태도 본 발명의 범위 내에 포함된다.
다음 우선권 기초 출원의 개시 내용은 인용문으로서 여기에 포함된다.
일본국 특허 출원 2018-233878(2018년 12월 13일 출원)
1, 1A, 1B, 1C, 1D … 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템
2, 2A … 광출력 시스템
3 … 연산기
11 … 제 1 레이저
12 … 제 2 레이저
13 … 연산기
14 … 록인 앰프
15 … 광 검출기
131 … 조정부
132 … 신호 발생부
133 … 딜레이 결정부
134 … 참조 신호 출력부
135 … 입력부
136 … 기억부
137 … 고정 딜레이값
138 … 가변 딜레이값
900 … 시료
L1 … 제 1 광
L11 … 펌프 광
L2 … 제 2 광
L22 … 프로브 광
2, 2A … 광출력 시스템
3 … 연산기
11 … 제 1 레이저
12 … 제 2 레이저
13 … 연산기
14 … 록인 앰프
15 … 광 검출기
131 … 조정부
132 … 신호 발생부
133 … 딜레이 결정부
134 … 참조 신호 출력부
135 … 입력부
136 … 기억부
137 … 고정 딜레이값
138 … 가변 딜레이값
900 … 시료
L1 … 제 1 광
L11 … 펌프 광
L2 … 제 2 광
L22 … 프로브 광
Claims (12)
- 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저와,
입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와,
상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 연산기를 구비하고,
상기 연산기는 상기 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과, 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복하여 입력하고,
상기 연산기는 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력하는 참조 신호 출력부를 더 구비하는 광출력 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 연산기는 상기 가변 딜레이값을 2종류로 소정의 주기로 변화시키는 광출력 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광 및 상기 제 2 광을 사용한 측정계의 출력을 처리 대상으로 하고, 상기 참조 신호를 이용하여 록인 검출을 행하는 록인 앰프를 더 구비하는 광출력 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 광의 적어도 일부 및 상기 제 2 광의 적어도 일부를 출력 광으로서 동축에 출력하는 광학계를 더 구비하는 광출력 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 광출력 시스템과,
상기 광출력 시스템으로부터 출력되는 상기 제 1 광의 적어도 일부 및 상기 제 2 광의 적어도 일부를 펌프 광 및 프로브 광으로서 펌프·프로브법에 의한 시료의 측정을 행하는 측정계를 구비하는 측정 시스템. - 제 5 항에 있어서,
상기 연산기는 상기 가변 딜레이값을 결정하는 딜레이 결정부와, 상기 딜레이 결정부가 결정한 상기 가변 딜레이값에 의거하여 상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 신호 발생부를 포함해서 구성되고,
상기 신호 발생부는 상기 제 1 광의 적어도 일부가 상기 시료에 도달하는 타이밍과 제 2 광이 상기 시료에 도달하는 타이밍의 평균 시각이, 상기 참조 신호에 의해 나타내어지는 상기 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 기준으로 하는 기준시각에 일치하도록 상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 출력하는 측정 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 광출력 시스템과,
상기 광출력 시스템으로부터 출력되는 상기 제 1 광의 적어도 일부 및 상기 제 2 광의 적어도 일부를 펌프 광 및 프로브 광으로서 이용하여 시료의 측정을 행하는 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경을 구비하는 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템. - 제 7 항에 있어서,
상기 연산기는 상기 가변 딜레이값을 결정하는 딜레이 결정부와, 상기 딜레이 결정부가 결정한 상기 가변 딜레이값에 의거하여 상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 신호 발생부를 포함해서 구성되고,
상기 신호 발생부는 상기 제 1 광의 적어도 일부가 상기 시료에 도달하는 타이밍과 제 2 광이 상기 시료에 도달하는 타이밍의 평균 시각이, 상기 참조 신호에 의해 나타내어지는 상기 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 기준으로 하는 기준 시각에 일치하도록 상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 출력하는 광학적 펌프·프로브 주사 터널 현미경 시스템. - 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저 및 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와 함께 사용되는 연산기로서,
상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 신호 발생부와,
상기 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과, 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하는 딜레이 결정부와,
상기 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력하는 신호 출력부를 구비하는 연산기. - 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저 및 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와 함께 사용되는 연산기에,
상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 것과,
상기 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하는 것과,
상기 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력시키는 것을 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램. - 소정 주기로 광 펄스인 제 1 광을 출력하는 제 1 장치와,
입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 장치와,
상기 제 1 광이 출력되는 타이밍을 기준으로 하여 상기 제 2 장치에 신호를 입력하는 연산기를 구비하고,
상기 연산기는 제 1 광이 출력되는 타이밍과 상기 제 2 장치에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하고,
상기 연산기는 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력하는 참조 신호 출력부를 더 구비하는 광출력 시스템. - 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 1 광을 출력하는 제 1 레이저 및 입력된 신호에 따라서 펄스 레이저인 제 2 광을 출력하는 제 2 레이저와 함께 사용되는 연산기가 실행하는 연산 방법으로서,
상기 제 1 레이저 및 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 것과,
상기 제 1 레이저에 신호를 입력하는 타이밍과, 상기 제 2 레이저에 신호를 입력하는 타이밍의 차인 가변 딜레이값을 복수로 스위칭해서 상기 신호를 반복 입력하는 것과,
상기 가변 딜레이값을 변화시키는 타이밍을 나타내는 참조 신호를 출력시키는 것을 포함하는 연산 방법.
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