WO2002016913A1 - Instrument pour mesurer la duree de vie de fluorescence - Google Patents

Instrument pour mesurer la duree de vie de fluorescence Download PDF

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WO2002016913A1
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fluorescence
light
pulse
optical system
detection medium
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PCT/JP2000/005549
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Masatoshi Fujimoto
Shinichiro Aoshima
Makoto Hosoda
Yutaka Tsuchiya
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Hamamatsu Photonics K.K.
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6408—Fluorescence; Phosphorescence with measurement of decay time, time resolved fluorescence
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6445—Measuring fluorescence polarisation

Definitions

  • the present invention relates to a fluorescence lifetime measuring device capable of observing fluorescence emitted from a substance after light pulse irradiation.
  • a fluorescence measurement method that can realize high time resolution on the order of femtosecond is required.
  • the conventional measurement method as described above cannot perform measurement with an inexact time resolution. That is, in a measurement method using a streak camera (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-48044), it is difficult to perform fluorescence measurement with a time resolution shorter than 100 femtoseconds. It is also difficult to match the streak sweep timing to each measurement on the order of femtoseconds. Therefore, in such a time domain, a method of obtaining a reliable measurement result by performing the measurement a plurality of times and integrating the measurement results cannot be used. This is like a fluorescence measurement This is particularly problematic in measurements where very weak light is to be observed.
  • the present invention has been made in order to solve the above problems, and has as its object to provide a fluorescence lifetime measurement device capable of efficiently performing observation of a fluorescence phenomenon and measurement of fluorescence lifetime with high time resolution. I do.
  • a fluorescence lifetime measuring apparatus generates a first light flux and a second light flux whose output timings are synchronized from light pulses supplied by a pulse light source.
  • a light source section that outputs a light beam, a detection medium that exhibits birefringence according to the intensity at the pulse position of the light pulse, and a gate that forms a gate pulse based on the first luminous flux and injects a gate pulse into the detection medium
  • One A fluorescence optical system that irradiates fluorescence from the substance to be measured to a predetermined area of the detection medium, including a light track area in which a change in the refractive index is induced by the nonlinear optical effect, and detects fluorescence that has passed through the predetermined area of the detection medium
  • the gate optical system includes: a gate pulse polarizing unit configured to change a gate pulse into a predetermined polarization state; and an incident optical system configured to input the gate pulse to the detection medium under predetermined incident conditions.
  • the fluorescence optical system has a fluorescence polarization unit for converting the fluorescence into a predetermined polarization state, and the light detection unit transmits only a predetermined polarization component of the fluorescence that has passed through a predetermined region of the detection medium.
  • An analyzing means a light detecting means for detecting and observing the fluorescence transmitted through the analyzing means, and a fluorescent image formed by forming the fluorescent light passing through a predetermined area of the detection medium and passing through the analyzing means on the light detecting means.
  • the image forming means By having, a pulse position indicating the birefringence in the optical track region is utilized to move with time, and measuring the time variation of the fluorescence by the fluorescent image.
  • Phenomena due to such nonlinear optical effects include, for example, the self-focusing effect of light caused by irradiating a substance with a high-intensity light pulse, and channeling in which the beam diameter of the light propagates even though it is still small.
  • Self Self-trapping effects such as filamentation are known.
  • this light track observation method is used for observing the fluorescence phenomenon.
  • a high-intensity femtosecond laser that is an ultra-short pulse light source
  • a gate pulse for observation of fluorescence and an excitation pulse for excitation of fluorescence are generated from the two light beams output from the pulsed light source.
  • the gate pulse and the fluorescence generated in the substance to be measured by the excitation pulse are respectively set in a predetermined polarization state, and are incident on and irradiated on the detection medium.
  • the birefringence in which the refractive index changes due to the nonlinear optical effect and anisotropy occurs in the refractive index corresponding to the pulse position at each time of the gate pulse in the detection medium due to the incidence of the gate pulse. are formed.
  • the component whose polarization state has changed is selected by the detector and detected by the light detector. This makes it possible to obtain a fluorescent image generated by birefringence that moves with time as the gate pulse propagates in the detection medium and whose position is associated with the time when the fluorescent light is emitted. .
  • the gate pulse for generating a fluorescent image in the detection medium is pulse light with a short time width from the pulse light source as described above. Therefore, each position of this fluorescent image and each time in the time change of the fluorescent phenomenon can be made to correspond with high accuracy. This means that by observing the position change (position dependency) of the intensity and the like of the fluorescent image, the time change (time dependency) of the fluorescent phenomenon was efficiently measured with high time resolution. Therefore, it becomes possible to determine the fluorescence lifetime with high time resolution.
  • Such a measuring method is a method in which the fluorescence intensity is very small, and the fluorescence can be measured at a time over a certain time range and with a high time resolution such as a femtosecond time resolution.
  • a high time resolution such as a femtosecond time resolution.
  • a substance capable of efficiently generating the nonlinear optical effect may be selected and used.
  • a substance made of a liquid or a gas having a high response speed of the nonlinear optical effect So that its time resolution Can be increased.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of the fluorescence lifetime measuring device according to the embodiment shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a time change of the fluorescence observed by the fluorescence lifetime measuring device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of an enclosure used for a detection medium.
  • 5A and 5B are a top view and a side view showing an example of a cell used for a detection medium.
  • FIG. 6A and 6B are top views illustrating other examples of the cell used for the detection medium.
  • FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a third embodiment of the fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 9 is a diagram showing a fluorescence image observed by the fluorescence lifetime measuring device shown in FIG.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a fourth embodiment of the fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a fifth embodiment of the fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a sixth embodiment of the fluorescence lifetime measuring device.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a fluorescence lifetime measuring device according to a second embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a fluorescence lifetime measuring device according to the present invention.
  • the fluorescence lifetime measuring apparatus includes a light source unit 1, a gate optical system 2, It comprises an electromotive system 3, a fluorescence optical system 5, a detection medium 6, and a light detection unit 7.
  • the light source unit 1 includes an ultrashort pulse light source 11 that generates and emits light pulses, and an optical splitter 12. The light pulse emitted from the ultrashort pulse light source 11 is divided into a first light flux guided to the gate optical system 2 and a second light flux guided to the excitation optical system 3 by the optical splitter 12. Branched to
  • the first light beam and the second light beam output from the light source unit 1 are converted into a gate pulse and an excitation pulse, respectively, and guided to the detection medium 6 and the substance 4 to be measured.
  • the gate optical system 2 forms a gate pulse based on the first light beam from the light source unit 1, and makes the light enter the detection medium 6 from a predetermined incident axis.
  • the gate optical system 2 includes a variable optical delay unit 21 for setting and changing the delay time difference between the gate optical system 2, the excitation optical system 3 and the fluorescent optical system 5, and a gate pulse having a predetermined polarization state.
  • a gate pulse polarizing means 22 composed of a wave plate 23 and a polarizer 24, and an input optical system 25 for inputting a gate pulse to the detection medium 6 under predetermined incident conditions. It has been.
  • the excitation optical system 3 forms an excitation pulse based on the second light flux from the light source unit 1 and enters the substance 4 to be measured from a predetermined incident axis.
  • Fluorescence which is generated in the substance to be measured 4 by the excitation pulse and is subject to time change measurement by the present apparatus, is emitted from a predetermined irradiation axis to the detection medium 6 by the fluorescence optical system 5.
  • This fluorescent optical system 5 is configured to include a fluorescent polarization means 52 composed of a polarizer 54 for bringing fluorescence into a predetermined polarization state.
  • the gate pulse is focused and incident on the detection medium 6 via the gate optical system 2.
  • the condensed gate pulse forms a light beam of high intensity and high density in a predetermined area in the detection medium 6, and at the pulse position, a non-linear optical effect such as a luminous force effect causes A change in the refractive index is induced.
  • the region showing birefringence where such a refractive index change occurs corresponds to a space region where the light of the gate pulse is distributed, and is hereinafter referred to as a light track region.
  • the location of this light track area Is different at each time due to the movement of the light pulse position of the gate pulse forming the light track area. That is, the position information of the light track area corresponds to the time information.
  • the detection medium 6 including the light track area is irradiated with fluorescence from the substance 4 to be measured through the fluorescent optical system 5
  • anisotropy of the refractive index in the light track area (birefringence) Accordingly, the polarization state of only the fluorescent component that has passed through the light track area at each time is changed with respect to the fluorescent component that has passed through other areas of the detection medium 6.
  • the fluorescent image generated by the light track area is measured.
  • the pulse position in the detection medium 6 moves with time with the propagation of the gate pulse, so that the above-described fluorescent image is located at a different position depending on the time when the light passes through the detection medium 6.
  • the light detection unit 7 is observed by forming an image of an analyzer 71 that transmits only a predetermined polarization component of the fluorescence that has passed through a predetermined region of the detection medium 6 and a fluorescence component that has passed through the analyzer 71.
  • An imaging lens 72 for generating a fluorescent image, and a camera 73 as a light detecting means for observing the formed fluorescent light image are configured.
  • a configuration including only a wave plate can be used.
  • the incident optical system in the gate optical system 2 the incident optical system 25 for focusing the gate pulse and entering the detection medium 6 is used, but the intensity of the gate pulse ⁇ ⁇ ⁇ the selection of the substance to be used as the detection medium 6 Depending on the measurement conditions such as the above, an optical system that does not perform focusing may be used as the incident optical system.
  • FIG. 2 is a configuration diagram showing a specific example of the fluorescence lifetime measuring device according to the embodiment shown in FIG.
  • a titanium-sapphire laser having a wavelength of 800 nm, a pulse width of 100 fs, and an energy per pulse of 7 mJ is used as the ultrashort pulse light source 11.
  • the light pulse from the pulse light source 1 1 is branched for instance by Ranaru optical splitter 1 2 or such as a half-mirror of the first light beam 1 i and the second light flux 1 2.
  • this light pulse is shown on the paper surface in FIG. 2, that is, the axis of incidence of the gate pulse to be described later on the detection medium 6, the axis of incidence of the excitation pulse on the substance to be measured 4, and the fluorescence of the substance 4 to be measured. It has linearly polarized light in a direction horizontal to a plane including the irradiation axis to the detection medium 6 (hereinafter, referred to as a detection plane).
  • a wave plate or the like may be provided between the pulse light source 11 and the optical splitter 12.
  • a prism type polarizing beam splitter can be used as the optical splitter 12.
  • First beam 1 i is guided to the detection medium 6 is a gate pulse l g by the gate optical system.
  • the second light flux 1 2 is guided to the substance to be measured 4 is the excitation pulse l e by the excitation optical system.
  • the fluorescence l p which is released occurs by connexion to be measured substance 4 to excitation by incident excitation pulse l e is guided to the detection medium 6 by fluorescence optics. Timing of incidence and the irradiation of the detection medium 6 of the gate pulse 1 g and fluorescence 1 p is a variable optical delay device 2 1 in the gate optical system, excitation optical directing excitation pulse 1 e for generating fluorescence l p It is set or changed by the optical path portion 30 in the system.
  • the optical path portion 30 of the pumping optical system is set and fixed at the time of configuring the apparatus, has a function as an optical delay unit having a fixed delay time, and has an optical path length difference with respect to the gate optical system and the It is used to adjust and set the initial condition of the delay time difference.
  • the variable optical delay unit 21 of the gate optical system is configured to have a movable right-angle mirror 2 la, and the optical path length is changed by moving the movable right-angle mirror 21 a, so that the excitation optical system It is configured to be able to change and set the optical path length difference and the delay time difference due to it.
  • the polarization states of the gate pulse 1 g and the fluorescence 1 p are respectively the wave plate 23 and the polarizer 24 which are the gate pulse polarization means in the gate optical system, and the polarization which is the fluorescence polarization means in the fluorescence optical system. And child 54 respectively.
  • the wave plate 23 of the gate pulse polarizing means is a half wave plate in the present embodiment.
  • the first light beam 1 that has passed through the variable optical delay device 21 is rotated by 90 degrees by a ⁇ wavelength plate 23 so that the first light beam 1 has linear polarization perpendicular to the detection plane.
  • a polarizer 24 that transmits only a component having perpendicular linear polarization.
  • the gate pulse l g is obtained having a vertical linear polarized light to detect the plane.
  • the polarizer 24 is for more surely selecting a component having vertical linearly polarized light, and may be configured not to be provided.
  • the fluorescence l p generated by the substance to be measured 4 by the excitation pulse l e is you pass through the polarizer 5 4 for transmitting only a component having a linear polarization inclined 4 5 degrees relative to the detection plane. Yotsute thereto, fluorescence l p is obtained having four 5 degrees inclined linearly polarized light to detect the plane.
  • Gate pulse l g and fluorescence l p obtained as described above is incident and irradiating the detection medium 6 by it that a predetermined input Ijiku and the irradiation axis.
  • the detection medium 6 air at a temperature of one atmosphere is used. However, in the embodiment shown in FIG. 2, since the entire apparatus is installed in an air atmosphere, a part of the air in a predetermined area is used as it is as the detection medium 6.
  • the gate pulse l g from the gate optical system passes through a converging lens 25 a, which is a plano-convex lens with a focal length of 200 mm, and is incident on the detection medium 6, which is air, while being focused by a predetermined incident axis. .
  • a converging lens 25 a which is a plano-convex lens with a focal length of 200 mm
  • the detection medium 6 which is air, while being focused by a predetermined incident axis.
  • the refractive index of the detection medium 6 is an optical track area is changed, resulting in anisotropy (birefringence) in a plane perpendicular especially to the irradiation axis of the fluorescent l p in its refractive index.
  • the fluorescence 1 p from fluorescence optical system is irradiated as irradiation axis an axis perpendicular to the axis of incidence of the gate one Toparusu 1 g.
  • a permeated component detection medium 6 transmissive fluorescent I is detected by the light detection unit.
  • Transmission fluorescence l p 5 is incident on the analyzer 71 via the objective lens 7 4.
  • the test light child 71 the transmission of the fluorescence 1 [rho ', and is configured only linearly polarized light component perpendicular against the linear polarization of the fluorescence l p irradiated on the detection medium 6 so as to transmit. Therefore, the component of the transmitted fluorescence 1 ⁇ ′ that has passed through the area of the detection medium 6 where the anisotropy of the refractive index does not occur due to the nonlinear optical effect does not pass through the analyzer 71, but passes through the light track area. Only the component of the transmitted fluorescent light 1 ′ ′ whose polarization state has been changed by the anisotropy of the refractive index in the track region passes through the analyzer 71 .
  • each position of the fluorescence image by components of the transmitted fluorescence 1 that has passed through the analyzer 71 is, corresponding to the position of the detection medium 6 during the passage of the fluorescence 1 p of the light track area where the refractive index change is induced due to the nonlinear optical effect are doing.
  • the position of this light track area moves with time as the gate pulse propagates.
  • the resulting fluorescence Each position of the image corresponds to the respective times, the fluorescence image and its position changes (position-dependent) corresponds to Come to a whole fluorescence l p and its time change (time-dependent).
  • Fluorescence images by components of the transmitted fluorescence 1 that has passed through the analyzer 71 is, by the imaging lens 7 2 is imaged on the CCD camera 7 3 captured, Yotsute thereto, fluorescent l with the movement of Getoparu scan l g
  • the time change of p is observed as a fluorescence image.
  • the objective lens 74 has a magnification of 10 times, and the measurement is performed with the focal point of the camera lens of the CCD camera 73 set to infinity.
  • the CCD camera 73 has a width of 640 pixels and a height of 480 pixels and can obtain 8-bit intensity information. In order to reduce the influence of scanning lines, the CCD camera 73 is used. Was tilted 90 degrees with respect to the detection plane, and the vertical direction of the pixel structure was set so as to coincide with the propagation direction of the gate pulse 1 g in the detection medium 6 (incident axis direction). Under this condition, the distance on the observation surface corresponding to the pixel interval of the CCD camera 73 is 4.8 ⁇ m, which corresponds to a time scale of 16 fs Z pixels.
  • the gate pulse l g is condensed into a very small area in the detection medium 6, the association with the air which is generated breakdown caused stiffness air plasma Then, plasma emission occurs.
  • This plasma emission is white light having a broadband spectral component.
  • an appropriate wavelength for removing the spectral component that is not measured (not interesting) in the fluorescence lp Interference Filler — 75 has been installed.
  • the spectral components to be measured as described above, prior to the measurement of fluorescence lifetime, performs measurements were the same as those conditions during observing other conditions without irradiating fluorescence l p, of the measurement result image de one By subtracting the evening from the image of the measurement result of the fluorescence observation, the fluorescence image was selectively observed by the transmitted fluorescence 1 ⁇ '.
  • it can also be measured by the conditions in which the gate pulse l g is not accompanied by plasma emission, in which case the subtraction processing Isseki image de as described above may not be performed.
  • the scan Bae spectrum component to be measured of the fluorescence l p it is possible to change the settings by change of the interference filter 7 5.
  • the energy per pulse of the gate pulse l g is the loss or the like in the optical elements, was 3. 5 m J immediately before the focusing lens 2 5 a. Although actually measured the time change in fluorescence 1 p by fluorescence lifetime measuring apparatus according to the embodiment shown in FIG. 2, in this observation, further dim the gate pulse lg by ND fill evening one, The observation was performed at 1. O m J per pulse.
  • an ultrashort pulse laser capable of outputting ultrashort pulse light is used as a pulse light source 11 as a light source, and the light beam of the ultrashort pulse is split by an optical splitter 12 to obtain a fluorescent light.
  • the position change of the fluorescent image and the time change of the fluorescent image can be corresponded with high accuracy, and a long time can be obtained by the observed fluorescent image. It is possible to measure the time change of the fluorescence with the resolution, and the fluorescence lifetime can be determined with high accuracy.
  • the ultrashort pulse branched and used accurate synchronization of the timing of the incidence and irradiation of the fluorescence 1 p generated by the gate pulse 1 g and the excitation pulse 1 e on the detection medium 6 can be realized.
  • the spatial distribution of light at a specific time of 1 g of the gate pulse can be obtained.
  • the first time it is possible to directly observe a light track image that almost corresponds to a 2D image. Accordingly, in the fluorescence image formed by the fluorescent l p image that moves is generated with the movement of the gate pulse l g, high time corresponding approximately to the time width of the optical pulse used as gate one Toparusu l g Fluorescence at resolution 1. Can be measured with respect to time change.
  • the gate optical system 2 includes the variable optical delay unit 21, whereby the mutual timing of the incidence and irradiation of the gate pulse 1 g and the fluorescence 1 p can be changed. it can. At this time, the change of the timing becomes the change in the position of the incident direction of the gate pulse l g when fluorescence 1 p is irradiated.
  • the timing of the cross by appropriately changing the timing of the cross, a fluorescent image of the time region to be measured against the time change in the fluorescence l p as in the measurement field of view, it can be obtained by sequentially necessary information.
  • Figure 3 shows the time variation of the thus be by connexion observed fluorescence image by the gate pulse 1 g the fluorescence l p schematically.
  • the horizontal axis represents the arrival time of the fluorescence.
  • the vertical axis represents the intensity at each time of the fluorescence l p.
  • FIG. 3 the two-dimensional image obtained by the CCD camera 7 3, by adding the image data of the direction towards perpendicular to the incident axis of the gate one Toparusu 1 g, the axis of incidence of the gate pulse l g ( It is obtained by converting the direction, that is, the one-dimensional image of the propagation direction of the gate pulse lg (hereinafter referred to as the computed image), and displaying the intensity at each measurement point. .
  • each measurement position of the operation image by the fact correspond to the time the gate pulse l g reaches its position connection, gate pulse l It is obtained by converting each position of the fluorescent image by g to each time of the fluorescent phenomenon.
  • the spatial resolution and the time resolution are further improved by propagating the gate pulse l g in a filament form over a long distance, and the signal in the time axis direction is also improved. Improved uniformity Can be made.
  • an incident optical system to the detection medium 6 of a gate pulse l g it is used focal length 2 0 0 mm plano-convex lens and is converged beam lens 2 5 a of the long focal length of the.
  • the beam diameter of the gate pulse l g in the light track area (light distribution) to be observed is small and the filamentary state of propagation of a large change is not a condition of the beam diameter is achieved.
  • short interaction time between the fluorescence l p, and the optical excitation density is uniform, the measurement of fluorescence 1 p by the above-described operation images that time resolution is improved.
  • the reliability of measurement is improved, for example, calibration or correction by image processing of the measurement result is not required.
  • the focal length of the focusing lens 25a described above may be configured to further improve the measurement accuracy by using a long focal length convex lens.
  • variable optical delay unit 21 which is a means for changing the mutual timing of the optical pulse is configured to be installed in the excitation optical system 3 instead of the gate optical system 2 or in a configuration installed in both optical systems 2 and 3. Is also good.
  • a configuration that does not include a timing adjusting unit such as a variable optical delay device may be adopted.
  • the focusing lens 25 a as the incident optical system is movable in the optical axis direction. This can also be realized by using an optical system, and the reliability of measurement can be further improved.
  • the detection medium 6 air is used in the embodiment shown in FIG. 2, but other substances that can cause a nonlinear optical effect may be used as the detection medium 6.
  • a substance composed of a gas or a liquid as the detection medium 6.
  • the response speed of the nonlinear optical effect of a gas or liquid is generally faster than that of a solid, so that observation with higher time resolution is possible.
  • CS 2 liquid at room temperature
  • the response time is slower than in the case of air, observation can be performed with a reduced gate pulse intensity.
  • the detection medium 6 it is preferable to use a substance in which birefringence due to a change in refractive index induced after passage of a gate pulse disappears faster than 1 picosecond. This makes it possible to set the measurement time resolution to the femtosecond range. Such a condition is more easily satisfied as the structure is simpler.
  • a rare gas is suitable as the detection medium 6 for improving the time resolution.
  • the preferred conditions for the substance used as the detection medium include (1) sufficient transmittance for the wavelength of the incident light pulse, and (2) a polarization component perpendicular to the detection plane of the gate pulse. (3) it does not disturb the polarization state of the fluorescence, (4) it does not have a dispersion that greatly changes the pulse width of the incident light, and (5) it does not disperse the pulse width of the incident light. It has sufficient resistance to light energy.
  • the entire apparatus is installed in the air serving as the detection medium, but various methods other than such an installation method are conceivable.
  • a predetermined region where the gate pulse l g and fluorescence l p is incident and irradiation is placed an enclosure to a region including a part of the other device, that satisfies the internal detection medium that enclosure There is a way.
  • an area 60a or 60b indicated by a dotted line in FIG. 2 can be used, and other areas can be set.
  • the enclosure is shown as enclosure 60 in Fig. 4.As shown in the example of the enclosure, the area other than where light is incident, irradiated, or emitted is painted black to reduce the effect of background light. (The shaded area in Fig. 4) is desirable. Also, light incidence, illumination The part to be irradiated or emitted is formed in a window shape made of, for example, quartz glass having an antireflection film on both surfaces.
  • FIG. 4 shows an enclosure 60 used when the enclosure includes all of the photodetector inside, as in the region 60 b shown in FIG. 2, and is formed on the gate pulse incident surface 61.
  • the entrance window 6 la is shown.
  • an irradiation window (not shown) is formed on the fluorescence irradiation surface 63.
  • the gate pulse emission surface 62 may have an emission window if necessary.
  • the area of the enclosure is small, such as when the denaturation of the detection medium during observation becomes a problem, it is desirable to connect a pump or the like to circulate the detection medium.
  • the detection medium is a gas
  • the gas which is the detection medium released from the opening, to the inside of the enclosure from a cylinder via a hose or the like.
  • the output port of the hose connected to the cylinder, etc. is set at a predetermined position near the detection medium area without using an enclosure, and the gas is injected into that area.
  • the purity of the gas is slightly inferior, there are advantages in that it is easy to carry out and the apparatus is simplified, and that there is no problem such as light absorption or reflection by the window material.
  • a cell filled with a gas or a liquid serving as a detection medium is provided in a region of the detection medium to be used as a detection medium.
  • This method is particularly suitable when using liquids or gases that are difficult to handle, such as toxic gases. Further, the amount of the detection medium to be used can be reduced.
  • the container for constituting the cell should be one that satisfies the above-mentioned preferable conditions for the detection medium in the same manner as the enclosure. Is desirable.
  • FIGS. 5A and 5B show a cell 65 as a top view (FIG. 5A) and a side view (FIG. 5B) of an example of the cell.
  • the reflection of the gate pulse incident surface 66 can be suppressed and the transmittance can be increased.
  • the gate pulse emission surface 67 With respect to the gate pulse emission surface 67, light reflected on the emission end surface of the cell and returning to the inside of the detection medium can be suppressed, and the measurement accuracy can be improved. This is particularly effective when using a liquid in which the generation of bubbles in the detection medium is problematic, because it is possible to prevent the reflected light from being scattered by the bubbles.
  • the blues light was applied to the entrance and exit surfaces of the gate pulse 1 g as described above.
  • the irradiation surface and the exit surface of the fluorescent l p, and this antireflection film is applied is preferable. Furthermore, to the extent that does not influence the polarization state of the fluorescent l p, 6
  • FIG. 6B each show an example of a top view, in which the fluorescence irradiation surface 68 and the fluorescence emission surface 69 are formed obliquely in the horizontal direction or the like so as to suppress light reflection.
  • the optical path is set in consideration of the change in the traveling direction of the light pulse.
  • two cocks are preferably provided at an upper portion or the like so that gas or liquid as a detection medium can be appropriately exchanged or circulated.
  • the inside of the cell is first evacuated from one cock, the cock is closed, and then the gas is filled from the other cock.
  • the shape of the cell is not limited to the above, and various shapes and configurations can be adopted according to various conditions such as the energy of the light pulse, the polarization state, and the optical path.
  • the pulse light source 11 is preferably a pulse laser in which the pulse width of the output light pulse is shorter than 1 picosecond. Accordingly, it is possible to select a detection medium capable of measuring a high time resolution such as a rare gas as described above, and to set the time resolution of the measurement to a femtosecond range. Further, it is preferable to use a pulse laser having an optical amplifier for increasing the peak power of the output optical pulse. An optical amplification method is known for lasers with a short pulse width, and by using this method, an optical pulse with a very large peak power can be used to detect even a material with a small nonlinear optical effect. As a result, the degree of freedom of the device configuration increases.
  • a substance that causes a breakdown due to an incident gate pulse is used as a detection medium
  • a light pulse having a large peak power as described above is collected and incident on the detection medium
  • the breakdown of the substance can be easily performed. Can cause.
  • this can be used to further improve the time resolution of the measurement. That is, a breakdown is generated in the detection medium by the high-intensity gate pulse, and the plasma induced by the breakdown makes it unnecessary for the fluorescence that arrives at each position on the detection medium to be slow in time. Absorb components. Thereby, the time width of the fluorescence reaching the light detecting means can be limited, and the time resolution can be further improved.
  • the light detecting means such as the camera 73, for example, by using a cooling CCD camera or the like having a function of suppressing noise, the efficiency of light detection and the measurement accuracy can be further improved. This makes it possible to observe, for example, weak fluorescence.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the fluorescence lifetime measuring apparatus according to the present invention. is there.
  • a light source unit 1 a gate optical system 2, an excitation optical system 3, and a detection medium 6 are the same as those in the first embodiment.
  • a lens 51 is further provided downstream of the substance 4 to be measured. This makes it possible to efficiently collect the fluorescence generated from the substance 4 to be measured and to guide the fluorescence to the light track area in the detection medium 6 where the measurement is performed.
  • a cylindrical lens 76 which is a light image converting means for converting a two-dimensional light image of transmitted fluorescence into a one-dimensional light image, is provided downstream of the analyzer 71 and the imaging lens 72. And a one-dimensional photodetector 77 for detecting a one-dimensional light image generated by the cylindrical lens 76.
  • this cylindrical lens 76 so as to focus the transmitted fluorescence in the direction perpendicular to the axis of excitation pulse incidence and form a one-dimensional optical image on the one-dimensional photodetector 77, FIG. It is possible to more efficiently obtain information on the time change of the fluorescence as shown in FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a third embodiment of the fluorescence lifetime measuring device according to the present invention.
  • the light source unit 1, the gate optical system 2, the excitation optical system 3, the fluorescent optical system 5, and the detection medium 6 are the same as those in the first embodiment.
  • a cylindrical lens 76 is used as a light image converting means as in the second embodiment, and a spectroscope 78 is provided at a stage subsequent to the cylindrical lens 76. I have.
  • the one-dimensional optical image generated by the cylindrical lens 76 is incident on the entrance slit of the spectrometer 78 to be separated, and the output image position of the spectrometer 78 and the light receiving surface of the camera 73 are connected.
  • the two-dimensional output images from the spectrometer 78 are observed with the camera 73 so that they match.
  • FIG. 9 shows an example of an observation image that is a measurement result obtained by using the method.
  • the horizontal axis is the wavelength corresponding to each spectral component, which is obtained by the above-described spectroscopy.
  • the vertical axis represents the arrival time of the fluorescence obtained by the position-one-time conversion similar to the horizontal axis of the graph shown in FIG.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a fourth embodiment of the fluorescence lifetime measuring device according to the present invention.
  • the configuration of the fluorescence lifetime measuring device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but a control unit 8 for controlling the components of the device, performing calculations on image data, and the like is further provided.
  • the control unit 8 includes an image processing device 81, a control device 82, and a display device 83.
  • the image processing device 81 is connected to the CCD camera 73, and the image processing device 81 performs arrangement and analysis of observation images captured by the CCD camera 73, and performs necessary calculations and the like. For example, the subtraction of the image data at the time of irradiating and not irradiating the fluorescent light and the generation of the diagram shown in FIG. 3 described above with respect to the embodiment shown in FIG. After that, it can be obtained by performing analysis.
  • the image processing device 81 is further connected to a control device 82 for controlling the entire device.
  • the control device 82 receives the image data and the like via the image processing device 81.
  • the obtained data is displayed on a display device 83 or the like.
  • the control device 82 is connected to the variable optical delay device 21 and can control the delay time in correlation with the observation. Further, if necessary, a configuration may be employed in which the light source is further connected to the pulse light source 11 or the like.
  • the intensity of the transmitted fluorescence is almost proportional to the square of the intensity of the gate pulse, and is mainly due to the optical power generated in the detection medium 6 by the effect. It turned out that observation was possible.
  • the obtained image data of the observation image corresponds to the square distribution of the intensity of the gate pulse at each time. Therefore, by taking the square root of the intensity of the image data of each pixel in the above-described image processing device 81 or further performing an operation such as arcsin to obtain an observation image, the light pulse can be more accurately detected. An observation image reflecting the spatial distribution of intensity can be obtained.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a fifth embodiment of a fluorescence lifetime measuring apparatus according to the present invention.
  • a single pulse light source is not used for the light source unit 1, but a gate for fluorescence measurement.
  • a separate lasing pulse source 1 la and an excitation pulse light source 1 lb are used.
  • the timing of the excitation pulse with respect to the gate pulse is controlled by the timing control circuit 15 in addition to the variable optical delay unit 21.
  • the timing control circuit 15 includes a trigger circuit 16 and a delay circuit 17, whereby both pulses can be synchronized and a delay time difference can be set and changed. .
  • both the gate optical system 2 and the excitation optical system 3 may have no variable optical delay device.
  • the pulse width and the wavelength of the gate pulse and the excitation pulse can be different. Thereby, for example, it is possible to further improve the time resolution and the like by selecting those.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a fluorescence lifetime measuring device according to a sixth embodiment of the present invention. It is.
  • a light source unit 1 a gate optical system 2, a fluorescent optical system 5, and a detection medium 6 are the same as those in the first embodiment.
  • the excitation optical system 3 the direction of the axis of incidence of the excitation pulse incident on the substance 4 to be measured is the direction of the axis of emission of the fluorescence emitted from the substance 4 to the fluorescence optical system 5 and the detection medium 6. It is constituted so that it may be substantially on the same axis.
  • the excitation passing through the substance 4 to be measured The pulse can be removed from the emission axis of the fluorescence.
  • the cross-sectional shape of the fluorescence generation region formed in the substance 4 to be measured corresponding to the cross-sectional shape of the excitation pulse beam expands in the direction of the emission axis of the fluorescent light, the detection of the fluorescent light generated at each site is detected.
  • the light path to the medium 6 causes an optical path length difference.
  • the beam cross-sectional direction of the excitation pulse becomes a direction perpendicular to the emission axis of the fluorescence. Therefore, the optical path length difference due to this is reduced. At this time, the difference in the light guide time of the fluorescence from each part of the fluorescence generation region in the substance 4 to be detected to the detection medium 6 is reduced, so that the time resolution of the measurement can be improved.
  • the excitation pulse component that has passed through the substance 4 to be measured is also guided in the direction of the emission axis of the fluorescence, but by detecting such an excitation pulse itself, The origin of the fluorescence measurement time can be easily determined.
  • the excitation pulse is stronger than the fluorescence to be measured, and this may impinge on the photodetector and reduce the fluorescence measurement efficiency.
  • a filter 79 is installed so as to be inserted after the analyzer # 1 of the light detector 7. .
  • the filter 79 cuts the light of the wavelength component used for the excitation pulse.
  • a filter 79 for example, an ordinary colored glass filter can be used, and it is assumed that only the excitation pulse is cut more efficiently. It is possible to use Notuchifil Yuichi.
  • the removal of the excitation pulse by the filter 79 may be all or part.
  • the time at which the excitation pulse arrives at the detection medium 6 is the reference point for the fluorescence measurement time. it can.
  • the arrangement position of the filter is set in the photodetector 7 in FIG. 12, but may be set in the fluorescent optical system 5.
  • the fluorescence is not incident on the detection medium 6, it is necessary to use a filter whose dispersion is sufficiently suppressed in a wavelength region without absorption as a filter.
  • FIG. 13 is a block diagram showing a seventh embodiment of the fluorescence lifetime measuring device according to the present invention.
  • a light source unit 1, a gate optical system 2, a detection medium 6, and a light detection unit 7 are the same as those in the first embodiment.
  • the excitation optical system 3 is provided with a lens 31 as an excitation pulse condensing means so that the excitation pulse incident on the substance 4 to be measured becomes an optical system which focuses on the substance 4 to be measured. Has been installed.
  • the fluorescence generation position in the substance 4 to be measured can be regarded as a point light source, so that the optical path length difference and the light guide time difference of the fluorescence coming from the finite spread of the beam to the detection medium 6 can be suppressed. And the time resolution of the measurement is improved.
  • a lens 31 whose dispersion is so small that the pulse width of the excitation pulse is not widened.
  • an excitation pulse focusing means other than the lens an off-axis parabolic mirror, a concave mirror, or the like can be used. These can reduce chromatic aberration as compared with lenses, and are particularly important when using light of about 10 femtoseconds or less as an excitation pulse.
  • a lens 51 is installed in the fluorescence optical system 5 as a fluorescence condensing means. As described above, the lens 51 is installed on the fluorescent optical system S. Thus, the fluorescence from the substance 4 to be measured can be efficiently guided to the detection medium 6, and the measurement efficiency can be improved.
  • the lens 51 is arranged to convert the fluorescence emitted from the fluorescence generation position of the substance 4 to be measured into parallel light having a uniform wavefront. This makes it possible to align the timing at which the fluorescence emitted from the substance 4 to be measured at the same time arrives at a position along the propagation axis of the gate pulse in the detection medium 6, thereby maintaining the synchronization. The time resolution of the measurement can be further improved.
  • the fluorescence of the lens 51 generally has a broad spectrum, it is preferable to use a lens having particularly small chromatic aberration.
  • off-axis parabolic mirrors, concave mirrors, etc. can be used as the fluorescence focusing means other than the lens, like the excitation pulse focusing means, and these need to further reduce the color difference. It is effective when.
  • wavelength conversion means for changing the wavelength of the gate pulse or the excitation pulse may be provided on the optical path of the gate optical system or the excitation optical system.
  • the wavelength conversion means in the gate optical system for example, the wavelength with the best time resolution can be selected and set as the one to be used for measurement.
  • the wavelength conversion means in the excitation optical system it becomes possible to excite the substance to be measured at an exciting wavelength of interest to generate fluorescence.
  • Such wavelength conversion means include, for example, an optical parametric amplifier, a sum / difference frequency generator, and an SHG crystal.
  • a waveform conversion means for changing the waveform of the excitation pulse or the like may be provided on the optical path of the excitation optical system, so that the generation of fluorescence and the time change with various time waveforms may be observed.
  • the waveform conversion means for example, disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-2020624 And a pulse train generator and a waveform generator.
  • the pulse train generation is to convert an optical pulse into a pulse train and the like, and for example, an etalon can be used.
  • the waveform generator changes the state of the waveform of an optical pulse or the like.
  • a spatial light modulator or the like can be used.
  • a spatial distribution conversion means for changing the spatial distribution of the gate pulse or the excitation pulse may be provided in the gate optical system or the excitation optical system.
  • a spatial distribution conversion means various forms such as a slit mask having a slit of a predetermined width can be used.
  • the fluorescent light is The spread of the gate pulse in the irradiation axis direction is narrowed.
  • the transit time required for the fluorescent light to pass through the gate pulse area that is, the time during which each fluorescent component interacts with the gate pulse is shortened, and the light image generated by the fluorescent light passing through the detection medium 6 at a specific time is reduced.
  • the width of one pulse in the propagation axis direction becomes smaller. As a result, the time resolution of the measurement can be improved.
  • the cross section of the excitation pulse incident on the substance 4 to be measured is reduced, and the difference in optical path length is reduced as in the case of focusing by a lens.
  • the time resolution of the measurement can be improved.
  • an optical fiber may be used for the light guide in each optical system.
  • an optical fiber when an optical fiber is used, the dispersion of the optical fiber As a result, the pulse width of the light pulse is widened, and the time resolution of the fluorescence measurement is degraded. Therefore, it is desirable to use a dispersion-shifted fiber, a grating fiber, a diffraction grating pair, a prism pair, or the like to correct the pulse width spread.
  • the observation and measurement of fluorescence and its time change using the fluorescence lifetime measuring apparatus according to the present invention can be applied to various substances to be measured. Not only fluorescence in the normal sense, but also various other measurements and movements, such as measuring the abrasion process of a substance by raising the intensity of the excitation pulse and causing the substance to be measured to undergo abrasion. It can be widely applied to thermodynamic observation and control.
  • the present invention can be used as a fluorescence lifetime measuring device capable of efficiently performing observation of a fluorescence phenomenon and measurement of fluorescence lifetime with high time resolution.
  • two synchronized light pulses output from an ultrashort pulse laser or the like are used, and one of them is set to a predetermined polarization state, and is incident on a detection medium as a gate pulse used for observing fluorescence.
  • the other is incident on the substance to be measured as an excitation pulse to excite fluorescence in the substance to be measured, and the fluorescence is irradiated on the detection medium to obtain a fluorescence image. This makes it possible to measure the time change of fluorescence with high time resolution and determine the fluorescence lifetime with high time resolution. '
  • a predetermined substance is used as a detection medium, and a change in the refractive index caused by a nonlinear optical effect generated in a region (light track region) where the gate pulse light is distributed in the detection medium is used to measure fluorescence.
  • a fluorescence image is detected by changing the polarization state.
  • the photodetector such as a CCD camera in accordance with the position change.

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Description

明糸田
技術分野
本発明は、 光パルス照射後に物質が発する蛍光を観測することができる蛍光寿 命測定装置に関するものである。
背
フエムト秒領域の超短パルスレーザーなどのレーザ一技術の発展に伴って、 近 年、 フヱムト秒の時間領域 '時間スケールで起こる様々な現象に注目が集まって いる。 そのような現象の 1つとして、 物質が光パルスの照射によって発する蛍光 現象がある。
上記したようなフエムト秒の超短パルス光を物質に照射するとフエムト秒の時 間領域で時間変化していく蛍光を得ることができ、 例えば、 フェムト秒の時間ス ケールでの蛍光現象の振る舞いが得られる。 このような蛍光現象を観測する技術 としては、 例えばストリークカメラを用いる方法や、 ポンプアンドプローブによ るサンプリング計測の方法が行われている。
発明の開示
フエムト秒の時間領域での蛍光現象を測定するには、 フエムト秒程度の高い時 間分解能を実現可能な蛍光の測定方法が必要である。 しかしながら、 上記したよ うな従来の測定方法では、 究分な時間分解能での測定を行うことができない。 すなわち、 ストリークカメラを用いる測定方法 （例えば特閧平 1 0— 4 8 0 4 4号公報） においては、 1 0 0フエムト秒より短い時間分解能での蛍光測定を行 うことが困難である。 また、 ストリーク掃引のタイミングを各測定に対してフエ ムト秒のオーダ一で合わせて一致させることは難しい。 したがって、 このような 時間領域では、 測定を複数回行つてそれらの測定結果を積算することによって、 確実な測定結果を得る方法を用いることができない。 これは、 蛍光測定のような 非常に微弱な光を観測対象とする測定において特に問題となる。
ストリークカメラを用いる測定方法に準じる高時間分解能での測定技術とし て、 光力一ゲートを利用する方法 （例えば特閧平 9一 1 8 9 6 1 2号公報） があ る。 この方法では、 大きい光力一効果を示す媒質に光を入射させ、 それとは別の 方向から適当に偏光した蛍光を入射させて、 その偏光変化を観測することによつ て蛍光の時間分解測定を行う。 この場合、 大きなカー効果を示すカーゲートでの 複屈折の継続時間が長く媒質の物性が重畳されてしまうため、 ストリークカメラ による測定に比べて精度が劣り、 したがって高い時間分解能での時間変化測定が できない。 また、 強い光信号でないと測定することができないなど問題が多い。 また、 ポンプアンドプローブによるサンプリング計測においては、 高時間分解 能での測定も可能である。 しかし、 この方法では繰り返し現象しか測定すること ができない。 また、 一度の測定において固定した時刻についてのみ現象の観測が 可能であるため、 蛍光現象などの現象の時間変化及び時間発展を観測するには非 常に長時間にわたる計測を行わなければならない。 特にこの場合、 光源が不安定 で時間によるドリフトが大きいときなどに、 時間とともに測定条件が変化してし まうという問題を生じ、 精度の高い測定を行うことが困難となる。
本発明は、 上記問題点を解消するためになされたものであり、 蛍光現象の観測 と蛍光寿命の測定を高時間分解能で効率的に行うことができる蛍光寿命測定装置 を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、 本発明による蛍光寿命測定装置は、 パルス 光源によって供給された光パルスから、 それそれの出力タイミングが同期された 第 1の光束と第 2の光束とを生成して出力する光源部と、 光パルスのパルス位置 において、 その強度に応じた複屈折を示す検出媒体と、 第 1の光束に基づいてゲ ートパルスを形成し、 検出媒体にゲートパルスを入射するゲート光学系と、 第 2 の光束に基づいて励起パルスを形成し、 これを被測定物質に入射させて蛍光を発 生させるための励起光学系と、 検出媒体にゲートパルスが入射されることによつ て非線形光学効果による屈折率変化が誘起された光飛跡領域を含む、 検出媒体の 所定領域に被測定物質からの蛍光を照射する蛍光光学系と、 検出媒体の所定領域 を通過した蛍光を検出する光検出部と、 を備え、 ゲート光学系は、 ゲートパルス を所定の偏光状態とするためのゲートパルス偏光手段と、 ゲートパルスを検出媒 体に所定の入射条件によって入射させる入射光学系とを有し、 蛍光光学系は、 蛍 光を所定の偏光状態とするための蛍光偏光手段を有し、 光検出部は、 検出媒体の 所定領域を通過した蛍光のうち、 所定の偏光成分のみを透過させる検光手段と、 検光手段を透過した蛍光を検出して観測する光検出手段と、 検出媒体の所定領域 を通過し検光手段を透過した蛍光を光検出手段に結像させて蛍光像とする結像手 段と、 を有することによって、 光飛跡領域において複屈折性を示すパルス位置が 時間とともに移動することを利用して、 蛍光像により蛍光の時間変化を測定する ことを特徴とする。
大強度の超短パルスレーザーなどのレーザー技術の発展に伴って、 通常の光に 比べて強度が大きいレ一ザ一光によって生じる光力一効果等の物質の非線形光学 効果 （nonlinear optical effect) と、 それに起因する様々な現象が問題となって いる。 すなわち、 電場の 2次以上の高次の項に対する物質の非線形感受率は 1次 の項に比べて小さい値であるため、 通常の光においては線形の応答のみが観測さ れる。一方、 レーザ一光などの充分に大きい強度（電場） を有する光に対しては、 このような 2次以上の非線形項による効果が現れる。
このような非線形光学効果による現象としては、 例えば、 大強度の光パルスを 物質に照射することによって生じる光の自己集束効果 （self-focusing effect) や、 光のビーム径が細いままで伝搬するチヤネリングゃフィラメンテ一シヨンなどの 自己束縛効果 （self-trapping effect) が知られている。 また、 このような現象を 用いて光パルスの光飛跡の観測が可能となる。
上記した蛍光寿命測定装置においては、 この光飛跡の観測方法を蛍光現象の観 測に利用する。 すなわち、 超短パルス光源である高強度フェムト秒レーザ一など のパルス光源を用いて、 パルス光源から出力された 2つの光束から、 蛍光の観測 のためのゲートパルス、及び蛍光の励起のための励起パルスを生成する。そして、 ゲートパルスと、 励起パルスによって被測定物質で発生された蛍光と、 をそれそ れ所定の偏光状態としてそれらを検出媒体に入射及び照射する。 ここで、 ゲート パルスの入射によって、 検出媒体中に、 ゲートパルスの各時刻でのパルス位置に 対応して、 非線形光学効果により屈折率が変化して屈折率に異方性を生じた複屈 折を示す領域が形成される。
これに対して、 検出媒体を通過した蛍光のうち、 偏光状態の変化した成分を検 光手段によって選択し光検出手段によって検出する。 これによつて、 ゲートパル スの検出媒体内での伝搬に伴って時間とともに移動する複屈折によって生成さ れ、 その位置が蛍光の発せられた時刻と対応づけられた蛍光像を得ることができ る。
検出媒体において蛍光像を生成するためのゲートパルスは、 上記したようにパ ルス光源からの時間幅の短いパルス光である。 したがって、 この蛍光像の各位置 と、 蛍光現象の時間変化における各時刻とを高精度で対応させることができる。 このことから、 蛍光像の強度等'の位置変化 （位置依存性） を観測することによつ て、 蛍光現象の時間変化 （時間依存性） を高時間分解能で効率的に測定したこと となるので、 蛍光寿命を高時間分解能で決定することが可能となる。
このような測定方法は夕ィミングジッ夕一が非常に小さく、 ある時間の範囲に わたって一度に、 かつ例えばフエムト秒の時間分解能など高時間分解能で蛍光を 測定することができる方法である。 また、 一度の測定による単一ショットで効率 的に測定できるため、 その測定時閭が短くてすむとともに、 装置の動作条件の変 化等による精度の劣化をも抑制できる。
また、 検出媒体については、 例えば非線形光学効果を効率的に起こし得る物質 を選択して用いれば良いが、 特に、 非線形光学効果の応答速度が高速である液体 または気体からなる物質を用いることが好ましく、 これによつてその時間分解能 を高めることができる。
図面の簡単な説明
図 1は、 蛍光寿命測定装置の第 1の実施形態を示すプロック図である。
図 2は、 図 1に示した実施形態による蛍光寿命測定装置の一実施例を示す構成 図である。
図 3は、 図 2に示した蛍光寿命測定装置によって観測された蛍光の時間変化を 模式的に示す図である。
図 4は、 検出媒体に用いられる囲いの一例を示す斜視図である。
図 5 A及び図 5 Bは、 検出媒体に用いられるセルの一例を示す上面図、 及び側 面図である。
図 6 A及び図 6 Bは、検出媒体に用いられるセルの他の例を示す上面図である。 図 7は、 蛍光寿命測定装置の第 2の実施形態を示すブロック図である。
図 8は、 蛍光寿命測定装置の第 3の実施形態を示すプロック図である。
図 9は、 図 8に示した蛍光寿命測定装置によって観測される蛍光像を示す図で ある。
図 1 0は、 蛍光寿命測定装置の第 4の実施形態を示すプロック図である。
図 1 1は、 蛍光寿命測定装置の第 5の実施形態を示すプロック図である。
図 1 2は、 蛍光寿命測定装置の第 6の実施形態を示すプロック図である。
図 1 3は、 蛍光寿命測定装置の第 Ίの実施形態を示すプロック図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、 図面とともに本発明による蛍光寿命測定装置の好適な実施形態について 詳細に説明する。 なお、 図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、 重 複する説明を省略する。 また、 図面の寸法比率は、.説明のものと必ずしも一致し ていない。
図 1は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 1の実施形態を示すブロック図で ある。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、'光源部 1、 ゲート光学系 2、 励 起光学系 3、蛍光光学系 5、検出媒体 6、及び光検出部 7とから構成されている。 光源部 1は、 光パルスを生成 ·出射する超短パルス光源 1 1と、 光分岐器 1 2 とを有して構成される。 超短パルス光源 1 1から出射された光パルスは、 光分岐 器 1 2によって、 ゲート光学系 2へと導光される第 1の光束と励起光学系 3へと 導光される第 2の光束とに分岐される。
光源部 1から出力された第 1の光束及び第 2の光束は、 それそれゲートパルス 及び励起パルスとされて、 検出媒体 6及び被測定物質 4へとそれそれ導かれる。 ゲート光学系 2は、 光源部 1からの第 1の光束に基づいてゲートパルスを形成 し、 所定の入射軸から検出媒体 6に入射する。 このゲート光学系 2は、 ゲート光 学系 2と、 励起光学系 3及び蛍光光学系 5との遅延時間差を設定及び変更するた めの可変光遅延器 2 1と、 ゲートパルスを所定の偏光状態とするための波長板 2 3及び偏光子 2 4からなるゲートパルス偏光手段 2 2と、 ゲートパルスを検出媒 体 6へと所定の入射条件によって入射させる入射光学系 2 5とを有して構成され ている。
一方、 励起光学系 3は、 光源部 1からの第 2の光束に基づいて励起パルスを形 成し、 所定の入射軸から被測定物質 4に入射する。 この励起パルスによって被測 定物質 4で発生した、 本装置による時間変化測定の対象となる蛍光は、 所定の照 射軸から蛍光光学系 5により検出媒体 6へと照射される。 この蛍¾光学系 5は、 蛍光を所定の偏光状態とするための偏光子 5 4からなる蛍光偏光手段 5 2を有し て構成されている。
以上の構成において、 ゲートパルスはゲート光学系 2を介して検出媒体 6に集 束して入射される。 このとき、 集光されたゲートパルスは検出媒体 6中の所定領 域で大強度 '高密度の光束を形成し、 そのパルス位置において、 光力一効果等の 非線形光学効果により検出媒体 6中の屈折率の変化が誘起される。 このような屈 折率変化を生じた複屈折を示す領域はゲートパルスの光が分布している空間領域 に相当するものであって、 以下これを光飛跡領域と呼ぶ。 この光飛跡領域の位置 は、 光飛跡領域を形成するゲートパルスの光パルス位置の移動によって、 各時刻 において異なる位置となる。 すなわち、 光飛跡領域の位置情報は時間情報と対応 している。
ここで、 光飛跡領域を含む検出媒体 6の所定領域に被測定物質 4からの蛍光を 蛍光光学系 5を介して照射すると、 光飛跡領域内における屈折率の異方性 （複屈 折性） によって、 各時刻において光飛跡領域を通過した蛍光成分のみ検出媒体 6 のその他の領域を通過した蛍光成分に対してその偏光状態が変化する。 この変化 した光成分を光検出部 7を用いて観測することにより、 光飛跡領域によって生成 された蛍光像が測定される。
この光飛跡領域はゲートパルスの伝搬に伴ってその検出媒体 6中でのパルス位 置が時間とともに移動していくので、 上記した蛍光像は検出媒体 6を通過した時 刻によって異なる位置となる。 このように各時刻において異なる位置に現れる蛍 光像から形成されて観測される全体の蛍光像と、 その強度等の分布及び位置変化 を観測することによって、 被測定物質 4において発生した蛍光の時間変化を測定 することができ、 これによつて蛍光寿命などの測定が可能となる。
光検出部 7は、 検出媒体 6の所定領域を通過した蛍光のうち所定の偏光成分の みを透過させる検光子 7 1と、 検光子 7 1を透過した蛍光成分を結像させて観測 される蛍光像を生成する結像レンズ 7 2と、 結像した蛍光の光像を観測するため の光検出手段であるカメラ 7 3とを有して構成されている。 これによつて、 光飛 ¾頜诚 诵¾し 偌光成^ 炝^孑7 1 ίこよって選枳的に诱過し、 カ ラ 7
成、 例えば波長板のみからなる構成等、 を用いることができる。
また、 ゲート光学系 2における入射光学系として、 ゲートパルスを集束して検 出媒体 6に入射させる入射光学系 2 5を用いているが、 ゲートパルスの強度ゃ検 出媒体 6として用いる物質の選択等の測定条件によって、 集束を行わない光学系 を入射光学系として用いても良い。
また、 例えば励起パルスの被測定物質 4への入射軸と、 蛍光の検出媒体 6への 照射軸とが略同一軸上にあるときなど、 測定上必要な場合には、 蛍光光学系に干 渉フィルターやミラ一等からなる励起パルス除外手段をさらに設けても良い。 図 2は、 図 1に示した実施形態による蛍光寿命測定装置について、 具体的な一 実施例を示す構成図である。
本実施例においては、 波長 8 0 0 nm、 パルス幅 1 0 0 f s、 パルス当たりの エネルギーが 7 m Jのチタン ·サファイアレーザ一を超短パルス光源 1 1として 用いている。 このパルス光源 1 1からの光パルスは、 例えばハーフミラーなどか らなる光分岐器 1 2によって第 1の光束 1 i及び第 2の光束 1 2に分岐される。こ こで、 この光パルスは、 図 2中において紙面、 すなわち後述するゲートパルスの 検出媒体 6への入射軸、 励起パルスの被測定物質 4への入射軸、 及び被測定物質 4からの蛍光の検出媒体 6への照射軸を含む平面（以下、検出平面という）、 に対 して水平な方向の直線偏光を有している。
なお、 必要があれば、 パルス光源 1 1と光分岐器 1 2との間に波長板などを設 置しても良い。 この場合、 光分岐器 1 2として例えばプリズム型の偏光ビ一ムス プリッ夕一を用いることが可能である。
第 1の光束 1 iは、 ゲート光学系によってゲートパルス l gとされて検出媒体 6 へと導かれる。 一方、 第 2の光束 1 2は、 励起光学系によって励起パルス l eとさ れて被測定物質 4へと導かれる。 さらに、 励起パルス l eの入射による励起によ つて被測定物質 4中に発生して放出された蛍光 l pは、 蛍光光学系によって検出 媒体 6へと導かれる。 ゲートパルス 1 g及び蛍光 1 pの検出媒体 6への入射及び照射のタイミングは、 ゲート光学系における可変光遅延器 2 1と、 蛍光 l pを発生させるための励起パ ルス 1 eを導く励起光学系における光路部分 3 0とによつて設定または変更され る。
励起光学系の光路部分 3 0は、 装置の構成時に設定され固定されるものであつ て、 遅延時間が固定された光遅延器としての機能を有し、 ゲート光学系に対する 光路長差とそれによる遅延時間差の初期条件を調整し設定するために用いられ る。 一方、 ゲート光学系の可変光遅延器 2 1は、 可動直角ミラー 2 l aを有して 構成されており、 この可動直角ミラー 2 1 aを移動させることによって光路長を 変化させて、 励起光学系に対する光路長差とそれによる遅延時間差を変更し設定 することが可能なように構成されている。
ゲートパルス 1 gと蛍光 1 pとのそれそれの偏光状態は、ゲ一ト光学系における ゲートパルス偏光手段である波長板 2 3及び偏光子 2 4と、 蛍光光学系における 蛍光偏光手段である偏光子 5 4とによってそれぞれ設定される。
ゲートパルス偏光手段の波長板 2 3は本実施形態においては 1 / 2波長板であ る。 可変光遅延器 2 1を通過した第 1の光束 1 は、 1 / 2波長板 2 3によって その直線偏光の方向が 9 0度回転されて検出平面に対して垂直な直線偏光を有す るように変換され、 さらに垂直な直線偏光を有する成分のみを透過する偏光子 2 4を通過する。 これによつて、 検出平面に対して垂直な直線偏光を有するゲート パルス l gが得られる。 なお、 この偏光子 2 4は垂直な直線偏光を有する成分を より確実に選択するためのものであって、 設置しない構成とすることも可能であ る。
一方、 励起パルス l eによって被測定物質 4で生成された蛍光 l pは、 検出平面 に対して 4 5度傾いた直線偏光を有する成分のみを透過する偏光子 5 4を通過す る。 これによつて、 検出平面に対して 4 5度傾いた直線偏光を有する蛍光 l pが 得られる。 上記のようにして得られたゲートパルス l g及び蛍光 l pは、それそれ所定の入 射軸及び照射軸によって検出媒体 6に入射及び照射される。検出媒体 6としては、 温、 一気圧の空気を用いる。 ただし、 図 2に示した実施例においては装置全体 が空気雰囲気中に設置されているので、 その空気のうち所定の領域にある部分を そのまま検出媒体 6として用いている。
ゲート光学系からのゲートパルス l gは、 焦点距離 2 0 0 mmの平凸レンズで ある集束レンズ 2 5 aを通って、 所定の入射軸によって空気である検出媒体 6に 集光されつつ入射される。 このとき、 検出媒体 6内にゲートパルス l gと空気と の相互作用によって、 光力一効果等の非線形光学効果を生じた光飛跡領域が生成 される。 この光飛跡領域内では検出媒体 6の屈折率が変化し、 特にその屈折率に 蛍光 l pの照射軸に垂直な面内での異方性 （複屈折性） を生じる。
この光飛 領域を含む検出媒体 6の所定領域に対して、 蛍光光学系からの蛍光 1 pが、 ゲ一トパルス 1 gの入射軸に対して垂直な軸を照射軸として照射される。 この蛍光 l pのうち、検出媒体 6を透過した成分である透過蛍光 I が光検出部 によって検出される。
透過蛍光 l p 5 は、 対物レンズ 7 4を介して検光子 7 1に入射する。 この検光 子 7 1は、 透過蛍光 1 Ρ ' のうち、 検出媒体 6に照射された蛍光 l pの直線偏光に 対して直交した直線偏光成分のみを透過するように構成されている。したがって、 検出媒体 6の非線形光学効果による屈折率の異方性を生じていない領域を透過し た透過蛍光 1 Ρ ' の成分は検光子 7 1を透過せず、 光飛跡領域を通過して光飛跡 領域内の屈折率の異方性によってその偏光状態が変化を受けた透過蛍光 1 Ρ ' の 成分のみが検光子 7 1を透過する。
すなわち、 検光子 7 1を通過した透過蛍光 1 の成分による蛍光像の各位置 は、 非線形光学効果による屈折率変化が誘起された光飛跡領域の蛍光 1 pの検出 媒体 6通過時における位置に対応している。 また、 この光飛跡領域の位置は、 ゲ ―トパルスの伝搬にしたがって時間とともに移動する。 したがって得られた蛍光 像の各位置は各時刻に対応し、 蛍光像とその位置変化 （位置依存性） は全体とし てみれば蛍光 l pとその時間変化 （時間依存性） に対応している。
検光子 7 1を通過した透過蛍光 1 の成分による蛍光像は、 結像レンズ 7 2 によって C C Dカメラ 7 3上に結像されて撮像され、 これによつて、 ゲートパル ス l gの移動とともに蛍光 l pの時間変化が蛍光像として観測される。なお、 本実 施例においては、 対物レンズ 7 4は倍率 1 0倍のものを用い、 C C Dカメラ 7 3 のカメラレンズの焦点を無限大として測定を行っている。
また、 C C Dカメラ 7 3は横 6 4 0 X縦 4 8 0画素を有して 8ビットの強度情 報が得られるものを使用するとともに、 走査線の影響を低減するために、 C C D カメラ 7 3は検出平面に対して 9 0度傾けて画素構造の縦方向がゲートパルス 1 gの検出媒体 6中での伝搬方向 （入射軸方向） と一致するように設置した。 この 条件において、 C C Dカメラ 7 3の画素間隔に対応する観測面上の距離は 4 . 8 〃mであり、 これはすなわち 1 6 f s Z画素の時間スケールに対応する。
また、 図 2に示した測定装置においては、 ゲートパルス l gが検出媒体 6内の 非常に小さい領域内に集光されるので、 これに伴って空気がブレークダウンを起 こし空気プラズマが生成されて、 プラズマ発光が起こる。 このプラズマ発光は広 帯域のスぺクトル成分を有する白色光である。 この発光の影響を除去するため、 検光子 7 1及び結像レンズ 7 2の間に、 蛍光 l pのうち測定の対象としていない (興味のない） スぺクトル成分を除くための適当な波長に対応した干渉フィル夕 —7 5を設置している。
一方、 上記した測定対象となるスペクトル成分については、 蛍光寿命の測定前 に、 蛍光 l pを照射せず他の条件を観測時の条件と同一とした測定を行い、 この 測定結果の画像デ一夕を蛍光観測時の測定結果の画像デ一夕から減算することに よって、 透過蛍光 1 Ρ ' による蛍光像の選択的な観測を行った。 ただし、 ゲート パルス l gがプラズマ発光を伴わない条件によって測定を行うこともできるが、 その場合には、上記したような画像デ一夕の減算処理は行わなくても良い。また、 蛍光 l pのうちの測定対象とするスぺクトル成分については、 干渉フィルター 7 5の変更等によってその設定を変更することが可能である。
また、 ゲートパルス l gのパルス当たりのエネルギーは、 各光学要素における 損失等によって、 集束レンズ 2 5 aの直前において 3 . 5 m Jであった。 なお、 図 2に示した実施例による蛍光寿命測定装置によって蛍光 1 pの時間変化の測定 を実際に行ったが、 この観測においては、 さらに N Dフィル夕一によってゲート パルス l gを減光して、 パルス当たり 1 . O m Jとして観測を行った。
以下に、 本発明に係る蛍光寿命測定装置による効果を、 上記した実施例による 装置構成及び観測条件によって行った観測の結果とともに説明する。 本蛍光寿命 測定装置においては、 光源として超短パルス光を出力可能な超短パルスレーザ一 をパルス光源 1 1として用い、 その超短パルスの光束を光分岐器 1 2によって分 岐させて、 蛍光 l pの観測に用いるゲートパルス l gと、 蛍光 l pの励起に用いる 励起パルス 1 eとを形成している。
このように非常に短い光パルスの時間幅を有する超短パルスを用いることによ つて、 蛍光像の位置変化と蛍光の時間変化とを高精度で対応させて、 観測される 蛍光像による高時間分解能での蛍光の時間変化の測定が可能となり、 その蛍光寿 命を高い精度で決定することができる。 また、 その超短パルスを分岐させて用い ることによって、ゲートパルス 1 g及び励起パルス 1 eによって生成された蛍光 1 pの検出媒体 6への入射及び照射のタイミングの正確な同期が実現できる。
特に、 上記した実施例での超短パルスのパルス幅 1 0 0 f sのように充分に短 い時間幅の光パルスを用いることによって、 ゲートパルス 1 gの特定の時間にお ける光の空間分布にほぼ対応した光飛跡の像を、 2次元画像として直接的に観測 することがはじめて可能となる。 したがって、 ゲートパルス l gの移動に伴って 生成され移動していく蛍光 l pの像によって形成される蛍光像においては、 ゲ一 トパルス l gとして用いた光パルスの時間幅にほぼ相当する高い時間分解能で、 蛍光 1。の時間変化についての測定を行うことができる。 さらに、 上記した実施形態においては、 ゲート光学系 2は可変光遅延器 2 1を 備えており、 これによつてゲートパルス 1 g及び蛍光 1 pの入射及び照射の相互の タイミングを変更することができる。 このとき、 このタイミングの変化は蛍光 1 pが照射されるときのゲートパルス l gの入射軸方向への位置の変化となる。 した がって、 相互のタイミングを適宜変化させることによって、 蛍光 l pの時間変化 に対して測定したい時間領域の蛍光像部分を測定視野中として、 順次必要な情報 を得ることができる。
図 3に、 このようにしてゲートパルス 1 gによる蛍光像によつて観測された蛍 光 l pの時間変化を模式的に示す。横軸は、 蛍光 の到達時間を表す。 一方、 縦 軸は、 蛍光 l pの各時刻における強度を表している。 ここで図 3は、 C C Dカメ ラ 7 3によって得られた 2次元画像から、 ゲ一トパルス 1 gの入射軸に垂直な方 向についての画像データを加算して、 ゲートパルス l gの入射軸 （測定の時間軸 に相当） 方向、 すなわちゲートパルス l gの伝搬方向についての 1次元画像 （以 下、 これを演算画像とよぶ） に変換するとともに、 各測定点での強度を表示する ことによって得られる。
また、 図 3の横軸に示した蛍光 l pの到達時間については、 上記演算画像の各 測定位置を、 その位置にゲートパルス l gが到達する時間に対応させることによ つて、 ゲートパルス l gによる蛍光像の各位置を蛍光現象の各時刻に変換して得 られる。
図 3より、 本発明による蛍光寿命測定装置によって、 被測定物質 4から発せら れる蛍光の時間変化の様子が高時間分解能で明確に観測されていることがわか る。 この図を、 例えば指数関数でフィッティングすることによって、 測定対象と している蛍光の寿命を算出することが可能となる。
また、 検出媒体 6におけるゲートパルス l sの移動については、 ゲートパルス l gを長い距離にわたってフィラメント状に伝搬させることによって、 空間分解 能及び時間分解能をさらに向上させ、 かつ、 信号の時間軸方向の一様性を向上さ せることができる。 上記した実施例においては、 ゲートパルス l gの検出媒体 6 への入射光学系として、 焦点距離 2 0 0 mmの長焦点距離の平凸レンズである集 束レンズ 2 5 aを用いている。
これによつて、 観測される光飛跡領域 （光分布） におけるゲートパルス l gの ビーム径が小さく、 かつビーム径の大きな変化がない条件でのフィラメント状の 状態の伝搬が実現される。 このとき、 蛍光 l pとの相互作用時間が短く、 かつ光 励起密度が均一となるので、 前記した演算画像による蛍光 1 pの測定はその時間 分解能がより向上される。 また、 測定結果に対する画像処理による校正や補正等 が不要になるなど、 測定の信頼性が向上される。 なお、 上記した集束レンズ 2 5 aの焦点距離については、 さらに長焦点の凸レンズを用いてさらに測定精度を向 上させる構成としても良い。
なお、 光パルスの相互のタイミングを変更する手段である可変光遅延器 2 1に ついては、 ゲート光学系 2ではなく励起光学系 3に設置する構成、 または両光学 系 2、 3に設置する構成としても良い。 また、 特定のタイミングでの蛍光及びそ の時間変化の観測のみを行い、 時間原点を変更する必要がない場合には、 可変光 遅延器などのタイミング調整手段を有しない構成としても良い。
また、 ゲートパルス 1 gの集束状態などの測定条件の調整及び変更については、 例えば図 2に示す実施例において、 入射光学系である集束レンズ 2 5 aを光軸方 向に可動な構成の可動光学系とすることによつても実現することができ、 さらに 測定の信頼性を向上させることができる。
検出媒体 6については、 図 2に示した実施例では空気を用いているが、 それ以 外の非線形光学効果を生じ得る物質を検出媒体 6として用いても良い。 特に、 検 出媒体 6としては気体または液体からなる物質を用いることが好ましい。 この場 合、 気体または液体の非線形光学効果の応答速度は固体の場合に比べて一般に高 速であり、 したがって、 より高時間分解能での観測が可能となる。例えば、 空気 以外の検出媒体としては C S 2 (常温で液体） を用いることができる。 この場合、 空気の場合よりも応答時間は遅いが、 ゲートパルスの強度を小さくして観測を行 うことができる。
また、 検出媒体 6として、 ゲートパルスの通過後に誘起された屈折率変化によ る複屈折が 1ピコ秒よりも速く消失する物質を用いることが好ましい。 これによ つて、 測定の時間分解能をフェムト秒域とすることが可能となる。 このような条 件は構造が簡単なものほど満たされやすく、 例えば希ガスは、 時間分解能を向上 させるための検出媒体 6として好適である。
なお、検出媒体に用いる物質として好ましい条件としては、 （ 1 )入射する光パ ルスの波長に対して充分な透過率があること、 （ 2 )ゲ一トパルスの検出平面に垂 直な偏光成分に対して非線形光学効果が大きく高速応答すること、 （ 3 )蛍光の偏 光状態を乱さないこと、 （4 )入射光のパルス幅を大きく変えるような分散を持た ないこと、 （5 )入射光の光エネルギーに対して充分な耐性があること、などがあ る。
検出媒体の設置方法としては、 図 2の実施例では装置全体が検出媒体となる空 気中に設置された構成とされているが、 このような設置方法以外にも様々な方法 が考えられる。例えば、 ゲートパルス l g及び蛍光 l pが入射及び照射される所定 の領域と、 それ以外の装置の一部とを含む領域に対して囲いを設置し、 その囲い の内部を検出媒体によって満たすという方法がある。
囲いを設置する領域としては、 例えば図 2に点線によって示した領域 6 0 aま たは 6 0 bなどが可能であり、 また、 これ以外の領域に設定することもできる。 この場合、 囲いのうち少なくとも光の入射、 照射または出射が行われる部位を構 成するための材質は、 上記した検出媒体についての好ましい条件を同様に満たす ものを用いることが望ましい。
この場合の囲いについては、図 4に囲い 6 0として、囲いの一例を示すように、 光の入射、 照射または出射が行われる部位以外は、 背景光の影響を低減するため 黒色などに塗装すること （図 4中の斜線部分） が望ましい。 また、 光の入射、 照 射または出射が行われる部位は、 例えば両面に反射防止膜が施された石英ガラス などからなる窓状に形成する。
図 4においては、 図 2に示す領域 6 0 bのように囲いが光検出部をすベてその 内部に含む場合に用いられる囲い 6 0を示し、 ゲートパルス入射面 6 1に形成さ れた入射窓 6 l aが示されている。 また、 蛍光照射面 6 3についても同様に照射 窓 （図示していない） が形成されている。 なお、 図 2に示す領域 6 0 aのように 光検出部の一部が囲い 6 0の外部に設置される場合には、 さらに蛍光出射面 6 4 に出射窓を設ける必要がある。 また、 ゲートパルス出射面 6 2についても、 必要 があれば出射窓を有する構成としても良い。 また、 囲いを設置する領域が小さい 場合など、 観測中における検出媒体の変性が問題となるときには、 ポンプ等を接 続して検出媒体を循環させる構成とすることが望ましい。
検出媒体が気体であれば、 光パルスの入射、 照射または出射が行われる部位に ついて、 窓ではなく開口部とすることも可能である。 この場合、 開口部から放出 されてしまう検出媒体である気体を、 ボンベからホース等を介して囲いの内部に 連続的に供給することが必要である。
また、 無害の気体を検出媒体とする場合において、 囲いを用いずに、 ボンべ等 に接続されたホースの出力口を検出媒体の領域近傍の所定の位置とし、 気体をそ の領域に噴射することによって供給して、 検出媒体として用いることも可能であ る。 この場合、 気体の純度という点ではやや劣るが、 実行が容易であって装置が 簡単化するとともに、 窓材による光の吸収や反射などの問題が生じない、 という 利点がある。
さらに、 検出媒体の領域に、 検出媒体となる気体または液体を充填したセルを 設置して検出媒体とする方法がある。 この方法は、 特に液体や、 有毒ガス等の取 り扱いが困難な気体を用いる場合に適している。 また、 用いる検出媒体の分量を 少なくすることができる。 この場合、 セルを構成するための容器は、 囲いの場合 と同様に、 上記した検出媒体についての好ましい条件を同様に満たすものを用い ることが望ましい。
このとき、 入射光の偏光方向が確定していることに対応して、 図 5 A及び図 5 Bにセル 6 5として、 セルの一例の上面図 （図 5 A) 及び側面図 （図 5 B ) を示 すように、 ゲートパルス入射面 6 6あるいはゲ一トパルス出射面 6 7を、 その法 線 （図 5 B中に点線で示す） が光軸に対してブルース夕一角 0 bとなるように形 成することが好ましい。 これによつて、 ゲートパルス入射面 6 6については反射 を抑制させ透過率を増加させることができる。 また、 ゲートパルス出射面 6 7に ついてはセルの出射端面で反射して検出媒体内に戻る光を抑制して、 測定の精度 を向上させることができる。 これは、 検出媒体中における泡の発生が問題となる 液体を用いた場合に、 反射光が泡で散乱することを防く、ことができるので特に有 効である。
なお、 ゲートパルス 1 gの入射面及び出射面に対して上記のようにブルース夕
—角を用いるときには、 特に液体を検出媒体として用いた場合、 空気と屈折率が 大きく異なるので、 ゲートパルス l gの進行方向が変化することを考慮してその 光路を設定する必要がある。
また、 蛍光 l pの照射面及び出射面については、 反射防止膜が施されているこ とが望ましい。 また、 蛍光 l pの偏光状態に影響を与えない範囲において、 図 6
A及び図 6 Bにそれぞれ上面図によってその例を示すように、 蛍光照射面 6 8及 び蛍光出射面 6 9を光の反射が抑制されるように水平方向等について斜めに形成 して、 セルが上面からみて台形状 （図 6 A) または平行四辺形状 （図 6 B ) など になるようにしても良い。 この場合にも同様に、 光パルスの進行方向の変化を考 慮して光路を設定する。
このようにセルを用いた場合、 検出媒体である気体または液体を適宜交換また は循環等できるように上部等に 2つのコックを設置しておくと良い。 また、 特に 検出媒体を気体としたときにその純度を高める方法として、 最初に一方のコック からセル内を真空引きし、 そのコックを閉じた後、 他方のコックから気体を充填 する方法を用いることができる。 なお、 セルの形状については、 上記したものに 限らず、 光パルスのエネルギー、 偏光状態、 光路等の諸条件に応じて、 様々な形 状及び構成とすることができる。
パルス光源 1 1については、 出力される光パルスのパルス幅が 1ピコ秒よりも 短いパルスレーザーであることが好ましい。 これによつて、 上記した希ガスなど の高時間分解能測定が可能な検出媒体の選択とともに、 測定の時間分解能をフェ ムト秒域とすることが可能となる。 さらに、 出力される光パルスのピークパワー を増大させる光増幅手段を有するパルスレーザ一を用いることが好ましい。 短い パルス幅のレ一ザ一に対して光増幅の方法が知られており、 これを利用して非常 に大きいピークパワーの光パルスを得ることにより、 非線形光学効果の小さい物 質についても検出媒体として利用することが可能となるなど、 装置構成の自由度 が大きくなる。
また、 入射されるゲートパルスによってブレークダウンが起こる物質を検出媒 体として用い、 例えば上記したような大きいピークパワーの光パルスを集光して 検出媒体に入射させると、 容易に物質のブレークダウンを引き起こすことができ る。 この場合、 これを利用して測定の時間分解能をさらに向上させることが可能 となる。 すなわち、 大強度のゲートパルスにより検出媒体中においてブレークダ ゥンを発生させるとともに、 ブレークダウンによって誘起されるプラズマによつ て、 検出媒体上の各位置ごとに到達する蛍光のうち時間的に遅い不要成分を吸収 させる。 これによつて、 光検出手段に到達する蛍光の時間幅を制限して、 さらに 時間分解能を向上させることができる。
また、 カメラ 7 3などの光検出手段としては、 例えば冷却 C C Dカメラなど、 喑雑音を抑制する機能を有するものを用いることによって、 さらに光の検出の効 率と測定精度を向上させることができる。 これによつて、 例えば微弱な蛍光など についてもその観測が可能となる。
図 Ίは、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 2の実施形態を示すプロック図で ある。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、 光源部 1、 ゲート光学系 2、 励 起光学系 3、 及び検出媒体 6については第 1の実施形態と同様である。 一方、 蛍 光光学系 5においては、 偏光子 5 4に加えて被測定物質 4のすく、後段にレンズ 5 1をさらに設置している。 これによつて、 被測定物質 4で発生した蛍光を効率的 に集めて、 その測定が行われる検出媒体 6内の光飛跡領域に導くことが可能とな る。 ここで、 時間分解能の低下を防止す'るためには、 収差が充分に小さくなるよ うに光学系を設計することが必要である。
また、 光検出部 7については、 検光子 7 1及び結像レンズ 7 2の後段に、 透過 蛍光の 2次元の光像を 1次元の光像に変換する光像変換手段であるシリンドリカ ルレンズ 7 6と、 シリンドリカルレンズ 7 6によって生成された 1次元の光像を 検出するための一次元光検出器 7 7とが設置されている。 特に、 このシリンドリ カルレンズ 7 6を、 励起パルスの入射軸に垂直な方向について透過蛍光を集束し て、一次元光検出器 7 7上に 1次元光像を形成するように設置することによって、 図 3に示したような蛍光の時間変化についての情報をより効率的に得ることが可 能となる。
図 8は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 3の実施形態を示すプロック図で ある。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、 光源部 1、 ゲート光学系 2、 励 起光学系 3、 蛍光光学系 5、 及び検出媒体 6については第 1の実施形態と同様で ある。 一方、 光検出部 7については、 第 2の実施形態と同様に光像変換手段とし てシリンドリカルレンズ 7 6が用いられ、 さらに、 このシリンドリカルレンズ 7 6の後段に、 分光器 7 8が設置されている。 この構成により、 シリンドリカルレ ンズ 7 6によって生成された 1次元光像を分光器 7 8の入射スリットに入射して 分光し、 分光器 7 8の出力結像位置とカメラ 7 3の受光面とを一致させて、 分光 器 7 8からの 2次元の出力像をカメラ 7 3で観測する。
このように分光を伴って測定を行うことによって、 蛍光の各波長成分 （スぺク トル成分） についてその時間変化の情報を得ることが可能となる。 このような構 成を用いて得られる測定結果である観測像の一例を図 9に示す。 横軸は各スぺク トル成分に対応する波長であり、 上記した分光によって得られるものである。 ま た、 縦軸は図 3に示したグラフの横軸と同様の位置一時間変換によって得られた 蛍光の到達時間を表す。
このような 2次元の測定結果により、 蛍光の各スペクトル成分に対する時間変 化の情報を取得することができる。 例えば、 図 9に示した 2次元強度分布を一定 の波長について切り出して、 縦軸である時間 （時間軸方向の位置に対応） につい ての 1次元の強度分布を作成することによって、 図 3に示したような特定のスぺ クトル成分についての強度分布をそれぞれのスぺクトル成分に対して得ることが できる。 なお、 測定精度を向上するために、 あらかじめ蛍光のスペクトルを取得 しておいて、 得られた観測像にフィル夕一をかけるなどすることが好ましい。 図 1 0は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 4の実施形態を示すプロック図 である。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、 その装置構成については第 1 の実施形態と同様であるが、 装置各部の制御や画像データについての演算等を行 う制御部 8がさらに設置されている。 この制御部 8は、 画像処理装置 8 1、 制御 装置 8 2、 及び表示装置 8 3を有して構成されている。
画像処理装置 8 1は C C Dカメラ 7 3に接続されており、 この画像処理装置 8 1によって、 C C Dカメラ 7 3で撮像された観測像の整理や解析、 必要な演算等 が行われる。例えば、 図 2に示した実施例について上述した、 蛍光の照射時及び 非照射時の画像データの減算や、 図 3に示した図の生成などは、 C C Dカメラ 7 3によって画像デ一夕を取得した後に、 解析を行うことによって得ることができ る。 これに対して、 図 1 0に示すように C C Dカメラ 7 3を画像処理装置 8 1に 接続することによって、 測定時にリアルタイムで上記したような画像処理を行う ことが可能となる。
この画像処理装置 8 1はさらに装置全体を制御するための制御装置 8 2に接続 されている。 この制御装置 8 2は、 画像処理装置 8 1を介した画像デ一夕等の取 得、 得られたデータの表示装置 8 3による表示等を行う。 また、 制御装置 8 2は 可変光遅延器 2 1に接続されており、 遅延時間を観測と相関させて制御すること ができる。 また、 必要があればパルス光源 1 1等にさらに接続される構成として も良い。
また、 観測を行った結果によれば、 図 2に示した装置においては、 透過蛍光の 強度はゲートパルスの強度の 2乗にほぼ比例し、 主に検出媒体 6中に生じる光力 —効果によって観測が可能になっていることがわかった。 このとき、 得られた観 測像の画像データは、ゲ一トパルスの各時刻での強度の 2乗分布に対応している。 したがって、 上記した画像処理装置 8 1において各画素の画像データの強度につ いてそれそれ平方根をとるか、 またはさらに a r c s i nなどの演算を行って観 測像とすることによって、 より正確に光パルスの強度の空間分布が反映された観 測像を得ることができる。
図 1 1は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 5の実施形態を示すプロック図 であり、 ここでは光源部 1に単一のパルス光源を用いるのではなく、 蛍光測定の ためのゲ一トパルス、 及び蛍光生成のための励起パルスに対してそれそれ別のゲ —トパルス光源 1 l a及び励起パルス光源 1 l bを用いている。
ゲートパルスに対する励起パルスのタイミング、 すなわち励起パルスによって 生成される蛍光のタイミングは、 可変光遅延器 2 1に加えてタイミング制御回路 1 5によって制御されている。 タイミング制御回路 1 5は、 トリガ一回路 1 6及 び遅延回路 1 7を有して構成されており、 これによつて両パルスを同期させると ともに、 遅延時間差の設定及び変更を行うことができる。 この場合、 ゲート光学 系 2及び励起光学系 3がともに可変光遅延器を有しない構成としても良い。
また、 このように 2つの光源を用いた場合、 ゲートパルス及び励起パルスのパ ルス幅や波長を異なるものとすることができる。 これにより、 例えばそれらの選 択によってさらに時間分解能の向上等を実現することが可能となる。
図 1 2は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 6の実施形態を示すプロック図 である。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、 光源部 1、 ゲート光学系 2、 蛍光光学系 5、 及び検出媒体 6については第 1の実施形態と同様である。 一方、 励起光学系 3については、 被測定物質 4に入射される励起パルスの入射軸の方向 が、 被測定物質 4から蛍光光学系 5及び検出媒体 6へと出射される蛍光の出射軸 の方向と略同一軸上になるように構成されている。
例えば図 1、 図 2に示した実施形態のように、 励起パルスの入射軸と蛍光の出 射軸とが略直交するなど異なる軸上にある場合には、 被測定物質 4を通過した励 起パルスを蛍光の出射軸上から除くことができる。 ただし、 励起パルスのビーム 断面形状に対応して被測定物質 4内に形成される蛍光発生領域の断面形状が、 蛍 光の出射軸方向に広がりをもってしまうため、 各部位において発生した蛍光の検 出媒体 6への導光で光路長差を生じる。
これに対して、 本実施形態のように励起パルスの入射軸と蛍光の出射軸とを略 同一軸とすることによって、 励起パルスのビ一ム断面方向が蛍光の出射軸と垂直 な方向となるので、 それによる光路長差が低減される。 このとき、 被測定物質 4 内の蛍光発生領域の各部位から検出媒体 6への蛍光の導光時間差が小さくなるの で、 測定の時間分解能を向上させることができる。
このような構成とした場合には、 被測定物質 4を通過した励起パルス成分につ いても蛍光の出射軸方向に導光されるが、 このような励起パルス自体をも検出す ることによって、蛍光測定の時間の原点を容易に決定することができる。ただし、 一般には、 励起パルスは測定対象である蛍光に比べて強く、 これが光検出器に入 射することによって蛍光の測定効率を低下させてしまう場合がある。
このような問題に対して、 本実施形態においては、 図 1 2に示すように、 光検 出部 7の検光子 Ί 1の後段に挿入されるようにフィル夕一 7 9を設置している。 このフィル夕一 7 9は、 励起パルスに用いた波長成分の光をカヅ卜するものであ る。 このようなフィルター 7 9としては、 例えば通常の色ガラスフィルタ一など を用いることができ、 また、 より効率的に励起パルスのみをカットするものとし て、 ノツチフィル夕一などを用いることが可能である。
励起パルスのフィルター 7 9による除去は、 その全部であつ.ても一部であって も良い。 例えば、 上記したように励起パルスが検出媒体 6に到達した時刻が蛍光 測定の時間の基準点となるため、励起ノ、レスを一部残して検出することによって、 時間原点の決定に用いることができる。また、フィル夕一の配置位置については、 図 1 2においては光検出部 7内に設置しているが、 蛍光光学系 5内に設置しても 良い。 ただし、 この場合には蛍光が検出媒体 6に入射する前なので、 吸収のない 波長領域においては充分分散が抑制されたものをフィル夕一として使用する必要 がある。
図 1 3は、 本発明に係る蛍光寿命測定装置の第 7の実施形態を示すプロック図 である。 本実施形態における蛍光寿命測定装置は、 光源部 1、 ゲート光学系 2、 検出媒体 6、 及び光検出部 7については第 1の実施形態と同様である。 一方、 励 起光学系 3については、 被測定物質 4に入射される励起パルスが被測定物質 4上 でちようど焦点を結ぶ光学系となるように、 励起パルス集光手段としてレンズ 3 1を設置している。 これによつて、 被測定物質 4内の蛍光発生位置がほぼ点光源 と見なせるようになるので、 ビームの有限な広がりからくる蛍光の検出媒体 6へ の光路長差及び導光時間差を抑制することができ、 測定の時間分解能が向上され る。
ここで、 レンズ 3 1については、 その分散が励起パルスのパルス幅が広がらな い程度に小さいものを用いることが好ましい。 また、 それ以外の収差についても 充分小さくなるように設計されたものを用いることが好ましい。 また、 レンズ以 外の励起パルス集光手段としては、 軸外し放物面鏡や、 凹面鏡などを用いること ができる。 これらは、 レンズと比較して色収差の低減が可能であって、 特に 1 0 フエムト秒程度以下の光を励起パルスとして用いる場合に重要である。
また、 本実施形態においては、 さらに蛍光光学系 5に蛍光集光手段としてレン ズ 5 1が設置されている。 このように蛍光光学系 Sにレンズ 5 1を設置すること によつて、被測定物質 4からの蛍光を検出媒体 6に効率的に導光することができ、 測定効率を向上させることができる。
また、 本実施形態においては、 レンズ 5 1は被測定物質 4の蛍光発生位置から 出射された蛍光を、 波面のそろった平行光に変換するように配置されている。 こ れによって、 被測定物質 4から同時刻に発せられた蛍光が検出媒体 6におけるゲ 一トパルスの伝搬軸に沿った位置に到達するタイミングをそろえて、 その同時性 を保つことが可能となり、 したがって、 測定の時間分解能をさらに向上させるこ とができる。
このレンズ 5 1については、 蛍光は一般に広いスぺクトルを有しているので、 特に色収差の小さいものを使用することが好ましい。 また、 それ以外の収差につ いてもレンズ 3 1と同様に充分小さくなるように設計されたものを用いることが 好ましい。 また、 レンズ以外の蛍光集光手段としては、 励起パルス集光手段と同 様に、 軸外し放物面鏡や、 凹面鏡などを用いることができ、 これらはさらに色収 差を低減することが必要なときに有効である。
本発明による蛍光寿命測定装置は、 上記した実施形態及び実施例に限られるも のではなく、 様々な変形が可能である。 例えば、 ゲート光学系または励起光学系 の光路上に、 ゲートパルスまたは励起パルスの波長を変化させる波長変換手段を 設置しても良い。 ゲート光学系に波長変換手段を用いることによって、 例えば最 も時間分解能が良くなる波長を測定に用いるものとして選択して設定することが できる。 また、 励起光学系に波長変換手段を用いることによって、 興味のある励 起波長で被測定物質を励起して蛍光を発生させることが可能となる。 このような 波長変換手段としては、 例えば光パラメ トリック増幅器、 和 ·差周波発生装置、 S H G結晶等がある。
また、 励起光学系の光路上に、 励起パルスの波形等を変化させる波形変換手段 を設置して、 様々な時間波形による蛍光の発生と時間変化を観測するようにして も良い。 波形変換手段としては、 例えば特開平 1 0— 2 0 6 2 3 4号公報に開示 されているものであって、パルス列生成器及び波形生成器などがある。このうち、 パルス列生成 とは光パルスをパルス列に変換等するものであって、 例えばエタ ロンなどを用いることができる。 また、 波形生成器とは光パルスの波形等の状態 を変化させるものであって、 例えば空間光変調器などを用いることができる。 また、 ゲート光学系または励起光学系に、 ゲートパルスまたは励起パルスの空 間分布を変化させる空間分布変換手段を設置しても良い。 このような空間分布変 換手段としては、 所定の幅のスリットを有するスリット状マスクなど様々な形態 のものを用いることができる。 上記のような空間分布変換手段を用いてゲートパ ルスまたは励起パルスの空間形状を制御することによって、 その他の条件や測定 目的等に応じて測定条件を制御することができ、 例えば測定の時間分解能を向上 させる測定条件を実現することが可能となる。
すなわち、 ゲート光学系にスリットの長手方向が検出平面に垂直 （ゲートパル スの入射軸及び蛍光の照射軸に垂直） な方向となるようにスリット状マスクを設 置した場合、 検出媒体 6において蛍光の照射軸方向についてのゲートパルスの広 がりが狭くされる。 このとき、 蛍光がゲートパルスの領域を通過するのに要する 通過時間、 すなわち各蛍光成分がゲートパルスと相互作用する時間が短くなり、 特定の時刻に検出媒体 6を通過した蛍光による光像のゲ一トパルスの伝搬軸方向 についての幅が小さくなる。 これによつて、 測定の時間分解能を向上させること ができる。
また、 励起光学系にスリット状マスクを設置した場合、 被測定物質 4に入射さ れる励起パルスの断面を小さくして、 レンズによる集光を行った場合などと同様 に光路長差の低減によつて測定の時間分解能を向上させることができる。 これ以 外にも、 様々な空間分布変換手段によって測定条件の制御を行うことが可能であ る。
なお、 各光学系での導光については、 例えば光ファイバ一などを用いる構成と しても良い。 ただし、 光ファイバ一を用いた場合には、 光ファイバ一の分散によ つて光パルスのパルス幅が広がってしまい、 蛍光測定の時間分解能が劣化してし まう。 このため、 分散シフトファイバー、 グレーティングファイバ一や、 回折格 子対、 プリズム対等を用いることによつてパルス幅の広がりを補正するように構 成することが望ましい。
本発明による蛍光寿命測定装置を用いた蛍光とその時間変化の観測及び測定 は、 様々な被測定物質に対して適用することができる。 また、 通常の意味での蛍 光に限らず、 例えば励起パルスの強度を上げ、 被測定物質にアブレ一シヨンを起 こさせることによって物質のアブレ一シヨン過程を測定するなど、 様々な測定や 動熱力学の観測、 制御等に広く適用することが可能である。
産業上の利用可能性
本発明は、 蛍光現象の観測と蛍光寿命の測定を高時間分解能で効率的に行うこ とができる蛍光寿命測定装置として利用可能である。 特に、 超短パルスレ一ザ一 などから出力される同期した 2つの光パルスを用いるとともに、 その一方を所定 の偏光状態とし、蛍光の観測に用いるゲートパルスとして検出媒体に入射させる。 そして、 他方を励起パルスとして被測定物質に入射させて被測定物質において蛍 光を励起させて、 その蛍光を検出媒体に照射して蛍光像を得る。 これによつて、 高時間分解能での蛍光の時間変化測定と、 それによる高時間分解能での蛍光寿命 の決定等が可能となる。 '
測定方法としては、 所定の物質を検出媒体として用い、 この検出媒体内のゲ一 トパルス光が分布している領域 （光飛跡領域） に生じる非線形光学効果による屈 折率変化を利用し、 蛍光の偏光状態の ¾化によって蛍光像を検出する。 ここで、 ゲートパルスによる光飛跡領域が時間とともに伝搬していくことから、 蛍光の時 間変化を位置変化に対応させて、 C C Dカメラ等の光検出器によって直接的に観 測するこどが可能となる。

Claims

言青求の範囲
1 . パルス光源によって供給された光パルスから、 それそれの出力タイミング が同期された第 1の光束と第 2の光束とを生成して出力する光源部と、
光パルスのパルス位置において、 その強度に応じた複屈折を示す検出媒体と、 前記第 1の光束に基づいてゲートパルスを形成し、 前記検出媒体に前記ゲート パルスを入射するゲート光学系と、
前記第 2の光束に基づいて励起パルスを形成し、 これを被測定物質に入射させ て蛍光を発生させるための励起光学系と、
前記検出媒体に前記ゲートパルスが入射されることによつて非線形光学効果に よる屈折率変化が誘起された光飛跡領域を含む、 前記検出媒体の所定領域に前記 被測定物質からの前記蛍光を照射する蛍光光学系と、
前記検出媒体の所定領域を通過した前記蛍光を検出する光検出部と、 を備え、 前記ゲート光学系は、 前記ゲートパルスを所定の偏光状態とするためのゲート パルス偏光手段と、 前記ゲートパルスを前記検出媒体に所定の入射条件によって 入射させる入射光学系とを有し、 前記蛍光光学系は、 前記蛍光を所定の偏光状態 とするための蛍光偏光手段を有し、
前記光検出部は、 前記検出媒体の所定領域を通過した前記蛍光のうち、 所定の 偏光成分のみを透過させる検光手段と、 前記検光手段を透過した前記蛍光を検出 して観測する光検出手段と、 前記検出媒体の所定領域を通過し前記検光手段を透 過した前記蛍光を前記光検出手段に結像させて蛍光像とする結像手段と、 を有す ることによって、 前記光飛跡領域において複屈折性を示すパルス位置が時間とと もに移動することを利用して、 前記蛍光像により前記蛍光の時間変化を測定する ことを特徴とする蛍光寿命測定装置。
2 . 前記光源部は、 光パルスを出力する単一のパルス光源と、 前記光パルスを 分岐して前記第 1の光束と前記第 2の光束とを生成する光分岐手段と、 を有する ことを特徴とする請求項 1記載の蛍光寿命測定装置。
3 . 前記光源部は、 前記第 1の光束となる光パルスを出力するゲートパルス光 源と、 前記第 2の光束となる光パルスを出力する励起パルス光源と、 前記第 1の 光束及び前記第 2の光束の出力タイミングを同期させるタイミング制御手段と、 を有することを特徴とする請求項 1記載の蛍光寿命測定装置。
4 . 前記ゲ一ト光学系または前記励起光学系のいずれか一方は、 前記ゲート光 学系と前記励起光学系との光路長差を設定及び変更するための可変光遅延手段を 有することを特徴とする請求項 1〜 3のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
5 . 前記入射光学系は、 その光路方向の位置が可動である可動光学系を有して 構成されていることを特徴とする請求項 1〜 4のいずれか一項記載の蛍光寿命測
6 . 前記ゲートパルス偏光手段及び前記蛍光偏光手段は、 少なくとも一方に波 長板または偏光子を含んで構成されて、 前記ゲートパルス及び前記蛍光の偏光状 態はそれそれ所定の直線偏光に設定され、
前記蛍光の前記検出媒体への照射軸は、 前記ゲ一トパルスの前記検出媒体への 入射軸を含み前記ゲートパルスの直線偏光の軸に対して垂直な平面内にあって、 前記蛍光の直線偏光の軸は、 前記平面に対して 4 5度の傾きとして設定され、 前記検光手段は、 前記検出媒体の所定領域を通過した前記蛍光のうち、 前記検 出媒体に照射される前記蛍光の直線偏光と直交した偏光成分のみを透過させるこ とを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
7 . 前記蛍光の前記照射軸の、 前記ゲートパルスの前記入射軸に対する照射角 度が 9 0度であることを特徴とする請求項 1〜 6のいずれか一項記載の蛍光寿命
8 . 前記光検出部は、 前記検出媒体の所定領域を通過した前記蛍光の 2次元の 光像を 1次元の光像に変換する光像変換手段をさらに有し、 前記光検出手段は一 次元光検出器を有して構成されていることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか 一項記載の蛍光寿命測定装置。
9 . 前記光検出部は、 前記検出媒体の所定領域を通過した前記蛍光の 2次元の 光像を 1次元の光像に変換する光像変換手段と、 前記光像変換手段及び前記光検 出手段の間に設置される分光手段とをさらに有することを特徴とする請求項 1〜 7のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 0 . 前記ゲート光学系または前記励起光学系の少なくとも一方は、 前記ゲー トパルスまたは前記励起パルスの波長を変化させる波長変換手段を有することを 特徴とする請求項 1 ~ 9のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 1 . 前記励起光学系は、 前記励起パルスの個々の波形またはパルス列の構成 などの時間波形を変化させる波形変換手段を有することを特徴とする請求項;！〜 1 0のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 2 . 前記ゲート光学系または前記励起光学系の少なくとも一方は、 前記ゲー トパルスまたは前記励起パルスの空間分布を変化させる空間分布変換手段を有す ることを特徴とする請求項 1〜 1 1のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 3 . 前記空間分布変換手段は、 所定形状のスリットを有し、 前記ゲートパル スまたは前記励起パルスの空間分布を前記スリットによってスリツト形状に構成 するスリツト状マスクであることを特徴とする請求項 1 2記載の蛍光寿命測定装
1 4 . 前記光検出手段からの画像デ一夕の処理を行う画像処理手段を有するこ とを特徴とする請求項 1〜 1 3のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 5 . 前記検出媒体は、 入射される前記ゲートパルスの通過後に、 前記ゲート パルスによって誘起された屈折率変化による複屈折が 1ピコ秒よりも速く消失す る物質からなることを特徴とする請求項 1〜 1 4のいずれか一項記載の蛍光寿命
1 6 . 前記検出媒体は、 希ガスからなることを特徴とする請求項 1〜1 5のい ずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 7 . 前記光源部に用いられるパルス光源は、 出力される光パルスのパルス幅 が 1ピコ秒よりも短いパルスレーザーであることを特徴とする請求項 1〜 1 6の いずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 8 . 前記光源部に用いられるパルス光源は、 出力される光パルスのピ一クパ ヮ一を増大させる光増幅手段を有するパルスレ一ザ一であることを特徴とする請 求項 1〜 1 7のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
1 9 . 前記検出媒体は、 入射される前記ゲートパルスによってブレークダウン が起こる物質からなり、 前記ブレークダウンによって誘起されるプラズマで前記 蛍光の不要成分を吸収させることが可能なように構成されたことを特徴とする請 求項 1〜 1 8のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
2 0 . 前記光検出手段は、 喑雑音を抑制する機能を有する光検出器を有して構 成されていることを特徴とする請求項 1〜 1 9のいずれか一項記載の蛍光寿命測
2 1 . 前記検出媒体において、 前記ゲートパルスを長くフィラメント状に伝搬 させるように構成されたことを特徴とする請求項 1 ~ 2 0のいずれか一項記載の
2 2 . 前記励起パルスの前記被測定物質への入射軸と、 前記蛍光の前記被測定 物質かちの出射軸とが略同一軸上にあることを特徴とする請求項 1〜 2 1のいず れか一項記載の蛍光寿命測定装置。
2 3 . 前記蛍光光学系または前記光検出部の少なくとも一方は、 前記励起パル スに用いた波長の光を一部または全部除去するフィル夕一を備えることを特徴と する請求項 1〜 2 2のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
2 4 . 前記励起光学系は、 前記被測定物質に入射する前記励起パルスの断面を 小さくさせる励起パルス集光手段を備えることを特徴とする請求項 1〜 2 3のい ずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
2 5 . 前記蛍光光学系は、 前記被測定物質からの前記蛍光を前記検出媒体へと 効率的に導光する蛍光集光手段を備えることを特徴とする請求項 1〜2 4のいず れか一項記載の蛍光寿命測定装置。
2 6 . 前記励起パルス集光手段または前記蛍光集光手段は、 収差が低減される ように形成された集光光学系を用いて構成されることを特徴とする請求項 2 4ま たは 2 5記載の蛍光寿命測定装置。
2 7 . 動熱力学の観測または制御に適用したことを特徴とする請求項 1〜2 6 のいずれか一項記載の蛍光寿命測定装置。
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