(57)【要約】【課題】ポンプ・プローブ型の測定装置を小型化すること。【解決手段】  平面状の支持面（２３ａ）を有するベース部材（２３）と、パルスレーザー光（Ｌ）を試料（Ｓ）を励起するポンプ光（Ｌ２）と励起された試料（Ｓ）の状態を探査するプローブ光（Ｌ１）とに分岐させる光分岐光学素子（３２）と、支持面（２３ａ）から離れる方向に延びる枠体（６８＋１１８）と、光（Ｌ１）の光学特性を変化させるプローブ光用特性変化光学素子（６３）と、光（Ｌ２）の光学特性を変化させるポンプ光用特性変化光学素子（１１３）と、を有する光学系群装置（４１＋９１）を備えたポンプ・プローブ型の測定装置（２１）。【選択図】図５
2010204023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の支持面を有するベース部材と、
前記支持面に沿った光路を通過するパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光源装置と、
前記ベース部材に支持され、且つ、前記パルスレーザー光源装置からのパルスレーザー光を、試料を励起するポンプ光と、励起された試料の状態を探査するプローブ光とに分岐させる光分岐光学素子と、
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる枠体と、光分岐光学素子で分岐されたポンプ光およびプローブ光のいずれか一方の光を前記支持面から離れる方向に反射する離間方向反射光学系と、前記離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進む光を前記支持面に近づく方向に反射する接近方向反射光学系と、前記接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近した光を前記支持面に沿った方向に反射させる沿面方向反射光学系と、通過する前記光を予め設定された光学特性に変化させる特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持された光学系群装置と、
前記光学系群装置から出力された前記ポンプ光およびプローブ光のいずれか一方と、前記ポンプ光およびプローブ光のいずれか他方と、を試料に対して照射する照射光学系と、
前記試料からの光を検出する検出器と、
を備えたことを特徴とするポンプ・プローブ型の測定装置。
【請求項２】
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる第１の枠体と、光分岐光学素子で分岐されたポンプ光を前記支持面から離れる方向に反射するポンプ光離間方向反射光学系と、前記ポンプ光離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記第１の枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進むポンプ光を前記支持面に近づく方向に反射するポンプ光接近方向反射光学系と、前記ポンプ光接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近したポンプ光を前記支持面に沿った方向に反射させるポンプ光沿面方向反射光学系と、通過する前記ポンプ光を予め設定された光学特性に変化させるポンプ光用特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持されたポンプ光用光学系群装置と、
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる第２の枠体と、光分岐光学素子で分岐されたプローブ光を前記支持面から離れる方向に反射するプローブ光離間方向反射光学系と、前記プローブ光離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記第２の枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進むプローブ光を前記支持面に近づく方向に反射するプローブ光接近方向反射光学系と、前記プローブ光接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近したプローブ光を前記支持面に沿った方向に反射させるプローブ光沿面方向反射光学系と、通過する前記プローブ光を予め設定された光学特性に変化させるプローブ光用特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持されたプローブ光用光学系群装置と、
を有する前記光学系群装置、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のポンプ・プローブ型の測定装置。
【請求項３】
前記ベース部材の支持面に支持され且つ前記プローブ光の光路上に配置されてプローブ光を反射する遅延光学部材と、前記遅延光学部材を支持し且つプローブ光の光路長を伸縮する方向に前記遅延光学部材を移動させるスライダと、を有し、前記プローブ光の光路長を伸縮することで、前記ポンプ光に対して前記プローブ光を遅延させる遅延光学系を含む前記プローブ光用特性変化光学素子、
を備えたことを特徴とする請求項２に記載のポンプ・プローブ型の測定装置。
【請求項４】
前記ポンプ光離間方向反射光学系と、前記ポンプ光接近方向反射光学系と、前記ポンプ光沿面方向反射光学系と、を支持する前記第１の枠体と、
前記プローブ光離間方向反射光学系と、前記プローブ光接近方向反射光学系と、前記プローブ光沿面方向反射光学系と、を支持する前記第２の枠体と、
を備えたことを特徴とする請求項２または３に記載のポンプ・プローブ型の測定装置。
【請求項５】
前記試料に照射された前記ポンプ光及びプローブ光の透過光が通過する光路上に設定された透過光検出器支持部と、前記試料に照射された前記ポンプ光及びプローブ光の反射光が通過する光路上に設定された反射光検出器支持部と、を有する前記支持面と、
前記透過光検出器支持部および前記反射光検出器支持部に着脱可能な前記検出器と、
を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプ・プローブ型の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ・プローブ型の測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、第３世代放射光Ｘ線やＸ線自由電子レーザー（Ｘ−ＦＥＬ：X-ray Free Electron Laser）等の先端光を利用した測定や計測に関する研究、開発が精力的に行われている。特に、先端光のパルス性を利用したピコ秒時間分解Ｘ線回折技術やＸ線分光技術、さらには、先端光のコヒーレント性（可干渉性）を利用したサブミクロンのＸ線マイクロビームによる空間分解技術に関して、日本、アメリカ、ヨーロッパの第３世代放射光施設（ＳＰｒｉｎｇ−８等）で研究、開発が行われている。
こうした新しいＸ線光源の時間分解能・空間分解能を利用することにより、例えば、Ｘ線が照射される試料を光励起した後の任意の時間・任意の位置における構造を計測することが可能となる。こうした構造計測を通じて、試料の構造が明らかになり、より高性能な材料開発が可能となることが期待される。
【０００３】
しかしながら、前記先端光を使用した計測では、試料に照射された先端光により、試料が受けるダメージが深刻な問題となっている。特に、タンパク質等の生体物質や有機物等の薬関連物質では、ダメージの影響が大きく、信頼できる計測を困難にしている。したがって、試料の状態を随時、超高速でモニターする必要がある。
特に、試料の光メモリーや光スイッチの機能を明らかにするための計測では、試料を光励起した後の任意の時間・任意の位置における構造を計測するだけでなく、その位置での電子状態に関する情報を得る必要がある。特に、信頼できるデータを得るためにはＸ線による構造情報に加えて、試料の物性に関する電子情報を同時に測定する必要がある。
【０００４】
このような試料の状態を、ピコ秒（ｐｓ）やフェムト秒（ｆｓ）のような超短時間領域で測定するための装置として、パルス幅がフェムト秒領域の極短パルスレーザー光を使用するポンプ・プローブ型の測定装置が知られている。前記ポンプ・プローブ型の測定装置として、以下の特許文献１に記載の技術が従来公知である。
特許文献１としての特開２００８−１３９０２８号公報には、パルス幅が２５フェムト秒のパルスレーザー光が、試料表面の検査領域に照射されて試料表面の材料を励起するポンプ光（励起光）と、励起光と光路長が異なる光路を通過して遅延され且つ励起光で励起された検査領域に照射されて試料表面の状態を測定するプローブ光（探針光、探査光）とに分解して、ポンプ光が試料を励起してからプローブ光が試料の状態を検出するまでの時刻の差を遅延時間として測定することで、フェムト秒〜ピコ秒領域の高い時間分解能で測定する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１３９０２８号公報（「００２５」〜「００３６」、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
（従来技術の問題）
前記特許文献１記載の技術のようなポンプ・プローブ型の測定装置では、ポンプ光は試料表面を励起するために、プローブ光よりも光の強度を強くする必要があると共に、プローブ光はポンプ光に対して遅延させている。よって、ポンプ・プローブ型の測定装置では、光源からのパルスレーザー光をビームスプリッタやハーフミラー等の光分岐光学素子で分岐させた後に、分岐されたプローブ光とポンプ光は異なる光路を通過する。そして、各光の光路上には、光を遅延させたり光の強度や照射される光のスポット径等を調整するために、遅延光学系や減光のためのフィルタ、コリメータレンズやフォーカスレンズ等の光学系がそれぞれ配置されている。
【０００７】
このような、プローブ光用の光学系およびポンプ光用の光学系は、特許文献１に示すように、同一平面上に二次元的に配置されていた。すなわち、従来のポンプ・プローブ型の測定装置では、数メートル四方の平面状の光学定盤の上に、レーザー光源、ビームスプリッタ等の光分岐光学素子、プローブ光用の光学系、ポンプ光用の光学系、試料にポンプ光及びプローブ光を照射する光学系が、同一平面上に配置されており、広い設置面積（数メートル四方）が必要になり、重量も重くなる（数十キロ）という問題があった。
【０００８】
また、従来のポンプ・プローブ型の測定装置は広い設置面積を有し重量化するため、可搬性が低く放射光施設を借りて実験を行ったりする場合に設置や撤去の時間が掛かったり、設置スペースが十分に確保できなくなる等の問題もあった。
特に、第３世代放射光施設やＸ−ＦＥＬ等では、試料の周りに、試料のＸ線に対する位置の微調整を行うゴニオメータや、Ｘ線コリメータ、Ｘ線検出器、試料冷却装置等が設置され、試料の周りに十分なスペースがなく、広い設置面積を必要とする従来の測定装置では、試料や試料の周囲の装置に干渉せずに設置することが困難であるという問題があった。
【０００９】
さらに、第３世代放射光施設では、Ｘ線の光路は変更できず、光路が予め設定されたＸ線に対して、Ｘ線コリメータ、試料、Ｘ線検出器の位置を調整しており、ポンプ・プローブ型の測定装置もＸ線の光路に合わせて調整する必要がある。また、空間分解測定を行う場合には、試料に対してポンプ・プローブ型の測定装置の位置を相対的に移動させる必要がある。したがって、ポンプ・プローブ型の測定装置全体を、位置調節するためのＸＹＺステージに載せることが望ましいが、ＸＹＺステージは耐荷重が高々１０ｋｇ台であり、重量のある従来のポンプ・プローブ型の測定装置をＸＹＺステージに載せることは困難、あるいは、高コスト化する問題がある。
【００１０】
前述の事情に鑑み、本発明は、ポンプ・プローブ型の測定装置を小型化することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記技術的課題を解決するために、請求項１記載の発明のポンプ・プローブ型の測定装置は、
平面状の支持面を有するベース部材と、
前記支持面に沿った光路を通過するパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光源装置と、
前記ベース部材に支持され、且つ、前記パルスレーザー光源装置からのパルスレーザー光を、試料を励起するポンプ光と、励起された試料の状態を探査するプローブ光とに分岐させる光分岐光学素子と、
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる枠体と、光分岐光学素子で分岐されたポンプ光およびプローブ光のいずれか一方の光を前記支持面から離れる方向に反射する離間方向反射光学系と、前記離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進む光を前記支持面に近づく方向に反射する接近方向反射光学系と、前記接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近した光を前記支持面に沿った方向に反射させる沿面方向反射光学系と、通過する前記光を予め設定された光学特性に変化させる特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持された光学系群装置と、
前記光学系群装置から出力された前記ポンプ光およびプローブ光のいずれか一方と、前記ポンプ光およびプローブ光のいずれか他方と、を試料に対して照射する照射光学系と、
前記試料からの光を検出する検出器と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ・プローブ型の測定装置において、
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる第１の枠体と、光分岐光学素子で分岐されたポンプ光を前記支持面から離れる方向に反射するポンプ光離間方向反射光学系と、前記ポンプ光離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記第１の枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進むポンプ光を前記支持面に近づく方向に反射するポンプ光接近方向反射光学系と、前記ポンプ光接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近したポンプ光を前記支持面に沿った方向に反射させるポンプ光沿面方向反射光学系と、通過する前記ポンプ光を予め設定された光学特性に変化させるポンプ光用特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持されたポンプ光用光学系群装置と、
前記ベース部材に支持され且つ前記支持面から離れる方向に延びる第２の枠体と、光分岐光学素子で分岐されたプローブ光を前記支持面から離れる方向に反射するプローブ光離間方向反射光学系と、前記プローブ光離間方向反射光学系よりも前記支持面から離れた位置で前記第２の枠体に支持され且つ前記支持面から離れる方向に進むプローブ光を前記支持面に近づく方向に反射するプローブ光接近方向反射光学系と、前記プローブ光接近方向反射光学系よりも前記支持面に接近した位置に配置され且つ前記支持面に接近したプローブ光を前記支持面に沿った方向に反射させるプローブ光沿面方向反射光学系と、通過する前記プローブ光を予め設定された光学特性に変化させるプローブ光用特性変化光学素子と、を有し、前記ベース部材の支持面に支持されたプローブ光用光学系群装置と、
を有する前記光学系群装置、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のポンプ・プローブ型の測定装置において、
前記ベース部材の支持面に支持され且つ前記プローブ光の光路上に配置されてプローブ光を反射する遅延光学部材と、前記遅延光学部材を支持し且つプローブ光の光路長を伸縮する方向に前記遅延光学部材を移動させるスライダと、を有し、前記プローブ光の光路長を伸縮することで、前記ポンプ光に対して前記プローブ光を遅延させる遅延光学系を含む前記プローブ光用特性変化光学素子、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載のポンプ・プローブ型の測定装置において、
前記ポンプ光離間方向反射光学系と、前記ポンプ光接近方向反射光学系と、前記ポンプ光沿面方向反射光学系と、を支持する前記第１の枠体と、
前記プローブ光離間方向反射光学系と、前記プローブ光接近方向反射光学系と、前記プローブ光沿面方向反射光学系と、を支持する前記第２の枠体と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載のポンプ・プローブ型の測定装置において、
前記試料に照射された前記ポンプ光及びプローブ光の透過光が通過する光路上に設定された透過光検出器支持部と、前記試料に照射された前記ポンプ光及びプローブ光の反射光が通過する光路上に設定された反射光検出器支持部と、を有する前記支持面と、
前記透過光検出器支持部および前記反射光検出器支持部に着脱可能な前記検出器と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、支持面に対して支持面から離れる方向に延びる枠体を有する光学系群装置内に、光学素子を配置することが可能となり、光学素子を全て支持面上に配置する従来の構成に比べて、ポンプ・プローブ型の測定装置を小型化することができる。
請求項２に記載の発明によれば、支持面に対して支持面から離れる方向に延びる枠体を有するポンプ光用光学系群装置およびプローブ光用光学系群装置の両方に、光学素子を配置することが可能となり、光学素子を全て支持面上に配置する従来の構成に比べて、ポンプ・プローブ型の測定装置を小型化することができる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、プローブ光を遅延させる遅延光学系を支持面上に配置しても、従来の構成に比べて、ポンプ・プローブ型の測定装置を小型化することができる。
請求項４に記載の発明によれば、ポンプ光用光学系群装置およびプローブ光用光学系群装置を使用せずに支持面上に全ての光学素子を配置する従来の技術に比べて、少なくとも３つの光学系により、３次元的な光路を実現することができる。
請求項５に記載の発明によれば、反射光用の検出器と透過光用の検出器を、共通化することができ、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は本発明の実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置が適用される放射光Ｘ線を使用した実験施設の全体説明図である。
【図２】図２は実施例１のポンプ・プローブ型測定装置の全体説明図である。
【図３】図３は実施例１のポンプ・プローブ型測定装置のベース部材の説明図であり、図３Ａはベース部材の平面図、図３Ｂはベース部材に支持された遅延光学系の説明図である。
【図４】図４は実施例１のレーザー光が通過する光路および光路上の光学系の要部説明図である。
【図５】図５は実施例１のプローブタワーの要部説明図である。
【図６】図６は実施例１のポンプタワーの要部説明図である。
【図７】図７は実施例１の検出器の説明図であり、図７Ａは選択鏡が画像情報検出位置に移動した状態の平面図、図７Ｂは検出器が透過光検出器支持部に支持された状態における図７Ａの矢印ＶＩＩＢ方向から見た図、図７Ｃは選択鏡が電子情報検出位置に移動した状態の平面図、図７Ｄは検出器が透過光検出器支持部に支持された状態における図７Ｃの矢印ＶＩＩＤ方向から見た図である。
【図８】図８は、実験例１の実験結果の説明図であり、図８Ａはポンプ光のＣＣＤカメラでの撮像結果の説明図、図８Ｂはプローブ光のＣＣＤカメラでの撮像結果の説明図である。
【図９】図９は実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置の実験結果の説明図であり、図９Ａはポンプ光の照射位置と規格化強度の説明図、図９Ｂはプローブ光の照射位置と規格化強度の説明図である。
【図１０】図１０は実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置の実験結果の説明図であり、図１０Ａは試料の反射率変化と照射位置と遅延時間との関係の説明図、図１０Ｂは位置（ｘ、ｙ）＝（０、０）における縦軸に反射率変化を取り横軸に遅延時間を取ったグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に図面を参照しながら、本発明の実施の形態の具体例（以下、実施例と記載する）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、前後方向をＸ軸方向、左方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、矢印Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙ，Ｚ，−Ｚで示す方向または示す側をそれぞれ、前方、後方、右方、左方、上方、下方、または、前側、後側、右側、左側、上側、下側とする。
また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。
なお、以下の図面を使用した説明において、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
【実施例１】
【００２０】
図１は本発明の実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置が適用される放射光Ｘ線を使用した実験施設の全体説明図である。
図１において、本発明のポンプ・プローブ型の測定装置が使用される実験施設１は、Ｘ線が使用され且つ実験中は立ち入り禁止となるＸ線照射室の一例としてのＸ線ハッチ２と、前記Ｘ線ハッチ２から離れた観測室の一例としてのモニタリングルーム３とを有する。
前記Ｘ線ハッチ２は、Ｘ線源としての放射光施設からの放射光Ｘ線６が導入される導入部７を有する。Ｘ線６の光路に沿って前記導入部７の下流側には、Ｘ線６から特定の周波数だけ間引いてＸ線パルス光を時間的に切り出すパルスセレクタ（Pulse Selector）８ａや、切り出されたＸ線パルス光を単色化するモノクロメータ（Monochromator）８ｂ等を含むＸ線用光学系８が配置され、Ｘ線用光学系８の下流側には、ゴニオメータ９が配置されている。前記ゴニオメータ９の上面には試料ホルダ１１を介して試料Ｓが支持されており、ゴニオメータ９を作動させて前後左右上下および回転方向に位置の微調整することで、試料Ｓの任意の位置にＸ線６が照射される。
Ｘ線６の光路に沿って試料Ｓの下流側には、Ｘ線検出装置１２が配置されており、試料Ｓからの回折Ｘ線を検出することで、Ｘ線回折データを測定可能である。
【００２１】
前記モニタリングルーム３には、情報処理装置の一例としてのコンピュータＰＣが設置されている。コンピュータＰＣは、コンピュータ本体ＰＣ１と、画像が表示される表示器の一例としてのディスプレイＰＣ２と、入力・操作を行うためのキーボードＰＣ３およびマウスＰＣ４等を有する。前記コンピュータ本体ＰＣ１には、前記ゴニオメータ９やＸ線検出装置１２が電気的に接続されている。したがって、キーボードＰＣ３やマウスＰＣ４からの入力に応じてゴニオメータ９が制御されて、試料Ｓの位置が微調整されると共に、Ｘ線検出装置１２の検出データを受信して検出結果がディスプレイＰＣ２に表示される。
【００２２】
前記試料Ｓの周囲には、ポンプ・プローブ型の測定装置の一例としての時間分解顕微装置２１が配置されている。なお、図１において、ゴニオメータ９等の理解の容易のために、時間分解顕微鏡は外形を破線で表示している。
前記時間分解顕微装置２１は、ゴニオメータ９の前方に配置された位置調節装置の一例としてのＸＹＺステージ２２を有する。前記ＸＹＺステージ２２は、前後方向（Ｘ軸方向）、左右方向（Ｙ軸方向）および上下方向（Ｚ軸方向）に位置調節可能な装置であり、従来公知の市販の装置を使用可能である。また、前記ＸＹＺステージ２２は、前記コンピュータＰＣに電気的に接続されており、ゴニオメータ９と同様に、キーボードＰＣ３等からの入力に応じて、位置調整が可能に構成されている。
【００２３】
図２は実施例１のポンプ・プローブ型測定装置の全体説明図である。
図３は実施例１のポンプ・プローブ型測定装置のベース部材の説明図であり、図３Ａはベース部材の平面図、図３Ｂはベース部材に支持された遅延光学系の説明図である。
図１〜図３において、前記ＸＹＺステージ２２の上端には、ベース部材２３が固定支持されている。したがって、ＸＹＺステージ２２の移動に一体的にベース部材２３が移動可能となっている。  
図２、図３において、前記ベース部材２３は、平板状の板材により構成されており、上面に支持面２３ａを有する。なお、実施例1のベース部材２３は、光学定盤により構成されている。
【００２４】
前記ベース部材２３の左右方向中央部の後端部には、試料Ｓに対して右斜め前方に対応する位置に反射光検出体支持部２３ｂが形成されている。また、ベース部材２３の左部には、後方に延び且つ試料Ｓに対して左斜め後方に対応する位置まで延びる透過光検出体支持部２３ｃが形成されている。したがって、実施例1のベース部材２３では、反射光検出体支持部２３ｂと透過光検出体支持部２３ｃとの間に試料Ｓの位置に対応して形成された開口２３ｄが形成されている。
なお、実施例１のベース部材２３では、前側中央部には、ベース部材２３を軽量化するために、肉抜き用の穴２３ｅが形成されている。
【００２５】
図４は実施例１のレーザー光が通過する光路および光路上の光学系の要部説明図である。
図２、図４において、前記ベース部材２３の左端部には、パルスレーザー光源装置２６が配置されている。前記パルスレーザー光源装置２６は、図示しない連結部材により前記ＸＹＺステージ２２と一体的に移動可能に支持されている。実施例1のパルスレーザー光源装置２６は、パルス幅がフェムト秒のパルレーザー光により構成された入力レーザー光Ｌを照射可能な従来公知のレーザー光源装置により構成されており、例えば、チタン・サファイヤレーザーを使用可能である。
前記パルスレーザー光源装置２６の右方には、入力レーザー光Ｌを絞るアライメント用の第１アイリス（Iris for Alignment）２７が、ベース部材２３の支持面２３ａの左端に支持されている。
前記第１アイリス２７の右方の支持面２３ａ上には、第１アイリス２７を通過した入力レーザー光Ｌを前方に反射する第１反射鏡２８が支持されている。
【００２６】
前記第１反射鏡２８の前方には、第１反射鏡２８で反射された入力レーザー光Ｌが通過して絞られるアライメント用の第２アイリス２９が支持面２３ａ上に支持されている。
前記第２アイリス２９の前方には、第２アイリス２９を通過した入力レーザー光Ｌを右方に反射する第２反射鏡３１が支持面２３ａ上に支持されている。
前記第２反射鏡３１の右方には、第２反射鏡３１で反射された入力レーザー光Ｌを、プローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とに分離する光分岐光学素子の一例としての第１ビームスプリッタ（Beam Splitter）３２が、支持面２３ａ上に支持されている。実施例１の第１ビームスプリッタ３２は、入力レーザー光Ｌの一部をプローブ光Ｌ１として右方に透過させると共に、残りをポンプ光Ｌ２として後方に反射させることで、入力レーザー光Ｌを分岐している。
【００２７】
前記第１ビームスプリッタ３２の右方には、遅延光学系３３が支持面２３ａ上に支持されている。図２〜図４において、前記遅延光学系３３は、支持面２３ａ上に支持され且つ左右方向に延びるスライダ駆動部３３ａを有する。前記スライダ駆動部３３ａには、後方に延び且つスライダ駆動部３３ａに対して左右方向にスライド可能なスライダ３３ｂが支持されている。前記スライダ３３ｂは、スライダ駆動部３３ａ内部に支持された図示しないスライダ駆動源の駆動により左右方向の位置が調整される。なお、前記スライダ駆動部３３ａおよびスライダ３３ｂは、左右方向に移動可能な従来公知の任意の機構を採用可能である。例えば、スライダ駆動部３３ａの内部に、左右方向に延び且つ外周面にネジ溝が形成されたロッドを配置し、ネジ溝に噛み合うナットがスライダ３３ｂに連結された機構で、ロッドを正逆回転させることで、スライダ３３ｂを左右方向にスライド移動させる構成や、スライダ駆動部３３ａ内部に無端ベルトを配置し且つベルトにスライダ３３ｂを固定して、ベルトを正逆回転させることでスライダ３３ｂを左右方向にスライド移動させる機構等、任意の構成を採用可能である。
【００２８】
前記スライダ３３ｂには、遅延光学部材の一例として、第１ビームスプリッタ３２を透過したプローブ光３２を前方に反射する遅延用第１反射鏡３３ｃと、遅延用第１反射鏡３３ｃの前方に配置され且つ遅延用第１反射鏡３３ｃで反射されたプローブ光３２を左方に反射する遅延用第２反射鏡３３ｄと、が支持されている。
なお、実施例１のスライダ駆動部３３ａは、コンピュータＰＣに電気的に接続されており、キーボードＰＣ３等からの入力に応じて、スライダ駆動部３３ａが駆動してスライダ３３ｂの左右方向のスライド移動が制御される。
図２、図４において、前記遅延用第２反射鏡３３ｄの左方には、遅延用第２反射鏡３３ｄで反射されたプローブ光Ｌ１を後方に反射する第３反射鏡３４が支持面２３ａに支持されている。
【００２９】
前記第３反射鏡３４の後方には、プローブ光用特性変化光学素子の一例として、第３反射鏡３４で反射されたプローブ光Ｌ１が通過する第１可変減光フィルタ（Variable Neutral Density Filter）３６が、支持面２３ａ上に支持されている。実施例１の第１可変減光フィルタ３６のフィルタ本体３６ａは、円形のガラス基板で構成されており、表面に蒸着された金属薄膜の光学濃度が円周上で連続的に変化している。フィルタ本体３６ａを回転させることでフィルタ本体３６ａを透過する透過光の光量を連続的に制御可能である。
【００３０】
図５は実施例１のプローブタワーの要部説明図である。
図２、図４において、前記第１可変減光フィルタ３６の後方には、プローブ光用光学系群装置の一例としてのプローブタワー４１が支持面２３ａ上に支持されている。図５において、実施例１のプローブタワー４１は、支持面２３ａに下端部が固定支持され且つ上方に延びる第１支柱４２を有する。前記第１支柱４２の上部には、平板状の第１連結部材４３が上下一対支持されている。前記第１連結部材４３の平板の四隅には、左側に前後一対の第１ロッド保持部４３ａと、右側に前後一対の第２ロッド保持部４３ｂが設けられている。
前後一対の第１ロッド保持部４３ａには、それぞれ、上下方向に延びる前後一対の第１ロッド４４が貫通した状態で保持されている。前記各第１ロッド４４の更に左側には、第１ロッド４４に平行して配置された、前後一対の第２ロッド４６が配置されている。
【００３１】
前記第１ロッド４４および第２ロッド４６の下端には、直角二等辺三角筒形状の第１収容ブロック４７が支持されている。すなわち、第１収容ブロック４７は、２本の第１ロッド４４と２本の第２ロッド４６により四隅が支持されている。前記第１収容ブロック４７内部には、プローブ光離間方向反射光学系の一例として、第１可変減光フィルタ３６を通過したプローブ光Ｌ１を支持面２３ａから離間する方向である上方に反射するプローブタワー第１反射鏡４８が収容されている。したがって、実施例１では、プローブタワー第１反射鏡４８で反射されたプローブ光Ｌ１は、第１ロッド４４および第２ロッド４６の間の空間を通過する。
前記第１ロッド４４および第２ロッド４６の上端には、直角二等辺三角筒形状の第２収容ブロック５１が支持されている。前記第２収容ブロック５１内部には、プローブタワー第１反射鏡４８で反射されたプローブ光Ｌ１を右方に反射するプローブタワー第２反射鏡５２が収容されている。
【００３２】
前後一対の第２ロッド保持部４３ｂには、上下方向に延びる前後一対の第３ロッド５３が貫通した状態で保持されている。前記各第３ロッド５３の更に右側には、第３ロッド５３に平行して配置された前後一対の第４ロッド５４が配置されている。
なお、後側の第１ロッド４４および後側の第３ロッド５３の上部は、上部連結部材５６により連結されている。
前記第３ロッド５３および第４ロッド５４の上端には、第３収容ブロック５７が支持されている。前記第３収容ブロック５７内部には、プローブ光接近方向反射光学系の一例として、第２反射鏡５２で反射されたプローブ光Ｌ１を支持面２３ａに接近する方向である下方に反射するプローブタワー第３反射鏡５８が収容されている。したがって、実施例１では、プローブタワー第３反射鏡５８で反射されたプローブ光Ｌ１は、第３ロッド５３および第４ロッド５４の間の空間を通過する。
【００３３】
前記第３収容ブロック５７の下方では、第１光学系収容ユニット５９が第３ロッド５３および第４ロッド５４により支持されている。前記第１光学系収容ユニット５９の内部には、プローブ光用特性変化光学素子の一例として、第３反射鏡５８で反射されたプローブ光Ｌ１を平行光（コリメート光）にするコリメーションレンズ（Collimation Lens）６１が配置されている。
前記第１光学系収容ユニット５９の下方では、第２光学系収容ユニット６２が第３ロッド５３および第４ロッド５４により支持されている。前記第２光学系収容ユニット６２の内部には、プローブ光用特性変化光学素子の一例として、コリメーションレンズ６１でコリメートされたプローブ光Ｌ１から予め設定された特定の高調波（例えば、第２高調波）を発生させる非線形光学素子（Nonlinear Optics）６３が収容されている。
【００３４】
前記第２光学系収容ユニット６２の下方では、第３光学系収容ユニット６４が第３ロッド５３および第４ロッド５４により支持されている。前記第３光学系収容ユニット６４の内部には、プローブ光用特性変化光学素子の一例として、非線形光学素子６３を通過したプローブ光Ｌ１を集光する集光レンズ（Focusing Lens）６５が収容されている。
前記第３ロッド５３および第４ロッド５４の下端には、第４収容ブロック６６が支持されている。前記第４収容ブロック６６内部には、プローブ光沿面方向反射光学系の一例として、プローブタワー第３反射鏡５８よりも支持面２３ａに接近した位置に配置され且つ支持面２３ａに接近したプローブ光Ｌ１を支持面２３ａに沿った方向である右方に反射させるプローブタワー第４反射鏡６７が収容されている。
【００３５】
前記第１支柱４２、第１連結部材４３，５６、各ロッド４４，４６，５３，５４および各収容ブロック４７，５１，５７，６６により、第２の枠体の一例として、支持面２３ａに対して離れる方向である上方に延びるプローブタワー４１のフレーム６８（＝４２〜４４＋４６＋４７＋５１＋５３＋５４＋５６＋５７＋６６）が構成されている。
【００３６】
図２、図４において、前記プローブタワー４１の右方には、プローブタワー第４反射鏡６７で反射されたプローブ光Ｌ１を前方に反射する第４反射鏡７１が支持面２３ａ上に支持されている。
前記第４反射鏡７１の前方には、第４反射鏡７１で反射されたプローブ光Ｌ１を右斜め後方に反射する第５反射鏡７２が支持面２３ａ上に支持されている。
前記第５反射鏡７２の右斜め後方には、プローブ光用特性変化光学素子の一例として、第５反射鏡７２で反射されたプローブ光Ｌ１が通過する第２可変減光フィルタ（Variable Neutral Density Filter）７３が、支持面２３ａ上に支持されている。
前記第２可変減光フィルタ７３の右斜め後方には、第２可変減光フィルタ７３を通過したプローブ光Ｌ１が通過する第１偏光子（Polarizer）７４が、支持面２３ａ上に支持されている。前記第１偏光子７４は、直線偏光であるプローブ光Ｌ１の偏光方向を任意の方向に変える（半波長板の場合）、または円偏光を作り出す（1/4波長板の場合）ために使用する。
【００３７】
図２、図４において、前記第１ビームスプリッタ３２の後方には、第１ビームスプリッタ３２で分岐されたポンプ光Ｌ２を右方に反射する第６反射鏡８１が支持面２３ａ上に支持されている。
第６反射鏡８１の右方には、ポンプ光用特定変化光学素子の一例として、第６反射鏡８１で反射されたプローブ光Ｌ２が通過する第３可変減光フィルタ８２が支持面２３ａ上に支持されている。
【００３８】
図６は実施例１のポンプタワーの要部説明図である。
図２、図４において、前記第３可変減光フィルタ８２の右方には、ポンプ光用光学系群装置の一例としてのポンプタワー９１が支持面２３ａ上に支持されている。図６において、実施例１のポンプタワー９１は、支持面２３ａに下端部が固定支持され且つ上方に延びる第２支柱９２と、前記第２支柱の右方に離れた支持面２３ａに下端部が固定支持され且つ上方に延びる第３支柱９３とを有する。
【００３９】
前記第２支柱９２の上部には、板状の第２連結部材９４が上下一対支持されており、第２連結部材９４の左端の隅には、前後一対の第２左側ロッド保持部９４ａが設けられている。
前記第３支柱９３の上部には、板状の第３連結部材９５が上下一対支持されており、第３連結部材９５の右端の隅には、前後一対の第３右側ロッド保持部９５ａが設けられている。
各第２左側ロッド保持部９４ａには、上下方向に延びる前後一対の第６ロッド９６が貫通した状態で保持されている。前記各第６ロッド９６の更に左側には、第６ロッド９６に平行して配置された前後一対の第７ロッド９７が配置されている。
【００４０】
前記第６ロッド９６および第７ロッド９７の下端には、直角二等辺三角筒形状の第６収容ブロック９８が支持されている。すなわち、第６収容ブロック９８も、第１収容ブロック４７〜第４収容ブロック６６と同様に、２本の第６ロッド９６と２本の第７ロッド９７により四隅が支持されている。前記第６収容ブロック９８内部には、ポンプ光離間方向反射光学系の一例として、第３可変減光フィルタ８２を通過したポンプ光Ｌ２を支持面２３ａから離間する方向である上方に反射するポンプタワー第１反射鏡９９が収容されている。したがって、実施例１では、ポンプタワー第１反射鏡９９で反射されたポンプ光Ｌ２は、第６ロッド９６および第７ロッド９７の間の空間を上方に通過する。
前記第６ロッド９６および第７ロッド９７の上端には、第７収容ブロック１０１が支持されている。前記第７収容ブロック１０１内部には、ポンプタワー第１反射鏡９９で反射されたポンプ光Ｌ２を右方に反射するポンプタワー第２反射鏡１０２が収容されている。
【００４１】
各第３右側ロッド保持部９５ａには、上下方向に延びる前後一対の第８ロッド１０３が貫通した状態で保持されている。前記各第８ロッド１０３の更に右側には、第８ロッド１０３に平行して配置された前後一対の第９ロッド１０４が配置されている。
前記第８ロッド１０３および第９ロッド１０４の上端には、第８収容ブロック１０７が支持されている。前記第８収容ブロック１０７内部には、ポンプ光接近方向反射光学系の一例として、ポンプタワー第２反射鏡１０２で反射されたポンプ光Ｌ２を支持面２３ａに接近する方向である下方に反射するポンプタワー第３反射鏡１０８が収容されている。なお、前記第７収容ブロック１０１と第８収容ブロック１０７との間は、左右方向に延びる上下および前後一対で合計４本の連結ロッド１０５により連結されている。
したがって、実施例１では、ポンプタワー第２反射鏡１０２で反射されたポンプ光Ｌ２は、連結ロッド１０５の間の空間を通過し、ポンプタワー第３反射鏡１０８で反射されたポンプ光Ｌ２は、第８ロッド１０３および第９ロッド１０４の間の空間を通過する。
【００４２】
前記第８収容ブロック１０７の下方では、第４光学系収容ユニット１０９が第８ロッド１０３および第９ロッド１０４により支持されている。前記第４光学系収容ユニット１０９の内部には、ポンプ光用特性変化光学素子の一例として、ポンプタワー第３反射鏡１０８で反射されたポンプ光Ｌ２を平行光（コリメート光）にするコリメーションレンズ（Collimation Lens）１１１が配置されている。
前記第４光学系収容ユニット１０９の下方では、第５光学系収容ユニット１１２が第８ロッド１０３および第９ロッド１０４により支持されている。前記第２光学系収容ユニット１１２の内部には、ポンプ光用特性変化光学素子の一例として、コリメーションレンズ１１１でコリメートされたポンプ光Ｌ２から予め設定された特定の高調波を発生させる非線形光学素子（Nonlinear Optics）１１３が収容されている。
【００４３】
前記第５光学系収容ユニット１１２の下方では、第６光学系収容ユニット１１４が第８ロッド１０３および第９ロッド１０４により支持されている。前記第６光学系収容ユニット１１４の内部には、ポンプ光用特性変化光学素子の一例として、非線形光学素子１１３を通過したポンプ光Ｌ２を集光する集光レンズ（Focusing Lens）１１５が収容されている。
前記第８ロッド１０３および第９ロッド１０４の下端には、第９収容ブロック１１６が支持されている。前記第９収容ブロック１１６内部には、ポンプ光沿面方向反射光学系の一例として、ポンプタワー第３反射鏡１０８よりも支持面２３ａに接近した位置に配置され且つ支持面２３ａに接近したポンプ光Ｌ２を支持面２３ａに沿った方向である後方に反射させるポンプタワー第４反射鏡１１７が収容されている。
【００４４】
前記第２支柱９２および第３支柱９３、各連結部材９４，９５、各ロッド９６，９７，１０３，１０４，１０５および各収容ブロック９８，１０１，１０７，１１６により、第１の枠体の一例として、支持面２３ａに対して離れる方向である上方に延びるポンプタワー９１のフレーム１１８（＝９２〜９８＋１０１＋１０３〜１０５＋１０７＋１１６）が構成されている。また、プローブタワー４１およびポンプタワー９１により、実施例１の光学系群装置（４１＋９１）が構成されている。
したがって、実施例１では、ポンプタワー９１は、図２、図４に示すように、プローブ光Ｌ１用の第５反射鏡７２や第２可変減光フィルタ７３を跨ぐ形となっており、平面図においては下方のプローブ光Ｌ１の光路と、ポンプタワー９１内で上方のポンプ光Ｌ２の光路とが交差するように設定されている。
【００４５】
前記ポンプタワー９１の右斜め後方には、光学式チョッパー（Optical Chopper）１２１が支持面２３ａ上に支持されている。前記光学式チョッパー１２１は、内部に図示しない駆動源を有する回転駆動部１２１ａと、回転駆動部１２１ａに支持され且つポンプ光Ｌ２が通過可能な通過溝が形成された回転体１２１ｂとを有し、回転駆動部１２１ａの駆動により回転体１２１ｂが回転して、予め設定された時間間隔で、ポンプタワー９１のポンプタワー第４反射鏡１１７で反射されたポンプ光Ｌ２を通過させたり遮断させたりする。
光学式チョッパー１２１の後方には、光学式チョッパー１２１を通過したポンプ光Ｌ１を左斜め前方に反射する第７反射鏡１２２が、支持面２３ａ上に支持されている。
【００４６】
前記第７反射鏡１２２の左斜め前方には、第７反射鏡１２２で反射されたポンプ光Ｌ２が通過する第２偏光子（Polarizer）１２３が、支持面２３ａ上に支持されている。前記第２偏光子１２３は、直線偏光であるポンプ光Ｌ２の偏光方向を任意の方向に変える（半波長板の場合）、または円偏光を作り出す（1/4波長板の場合）ために使用する。第２偏光子１２３の左斜め前方には、第２偏光子１２３を通過したポンプ光Ｌ２を試料Ｓに向かう方向である左斜め後方に反射する第８反射鏡１２４が、支持面２３ａ上に支持されている。
【００４７】
前記第８反射鏡１２４の左斜め後方且つ第１偏光子７４の右斜め後方には、光合流素子の一例として、第１偏光子７４を通過したプローブ光Ｌ１を左斜め後方に反射すると共に、第８反射鏡１２４で反射されたポンプ光Ｌ２を透過する第２ビームスプリッタ１２６が支持面２３ａ上に支持されている。したがって、前記第２ビームスプリッタ１２６でプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２とが合流される。
【００４８】
第２ビームスプリッタ１２６の左斜め後方には、光分岐素子の一例としての第３ビームスプリッタ１２７が支持面２３ａ上に支持されている。実施例１の第３ビームスプリッタ１２７は、第２ビームスプリッタ１２６からのプローブ光Ｌ１およびポンプ光Ｌ２を透過させると共に、試料Ｓ側からの光（後述する試料Ｓからの反射光）を上方に反射させるように、その反射面が配置されている。
前記第３ビームスプリッタ１２７の左斜め後方には、照射光学系として、プローブ光Ｌ１およびポンプ光Ｌ２を集光して試料Ｓに照射する集光用対物レンズユニット１２８が支持されている。
前記ベース部材２３の透過光検出体支持部２３ｃには、集光用対物レンズユニット１２８の左斜め後方に対向し且つ試料Ｓを挟んだ位置に、試料Ｓを透過したプローブ光Ｌ１を平行光にする（コリメートする）コリメート用対物レンズユニット１２９が支持されている。
前記コリメート用対物レンズユニット１２９の左斜め後方には、コリメート用対物レンズユニット１２９を通過した透過光を上方に反射する第９反射鏡１３１が支持されている。
【００４９】
図７は実施例１の検出器の説明図であり、図７Ａは選択鏡が画像情報検出位置に移動した状態の平面図、図７Ｂは検出器が透過光検出器支持部に支持された状態における図７Ａの矢印ＶＩＩＢ方向から見た図、図７Ｃは選択鏡が電子情報検出位置に移動した状態の平面図、図７Ｄは検出器が透過光検出器支持部に支持された状態における図７Ｃの矢印ＶＩＩＤ方向から見た図である。
図２、図４において、前記反射光検出器支持部２３ｂおよび透過光検出器支持部２３ｃのいずれか一方または両方には、検出器の一例としてのディテクタユニット１４１が着脱可能に支持される。図７において、実施例１のディテクタユニット１４１は、平板状のユニットベース１４２と、前記ユニットベース１４２からベース部材２３に向けて延びてベース部材２３の支持面２３ａに下端が支持される検出器嵩上げ部材の一例としての３本のユニット支持ポール１４３とを有する。
【００５０】
なお、実施例１のユニット支持ポール１４３の長さは、前記プローブタワー４１やポンプタワー９１の各ロッド４４，４６，９６，９７等よりも短く、ユニットベース１４２の高さが、各タワー４１，９１よりも低く設定されている。したがって、ディテクタユニット１４１は、ユニット支持ポール１４３により、支持面２３ａよりも高く且つ各タワー４１，９１の高さよりも低い位置に保持されており、第４反射鏡７１や第２可変減光フィルタ７３、第１偏光子７４、第２偏光子１２３、第８反射鏡１２４、第２ビームスプリッタ１２６、第３ビームスプリッタ１２７、コリメート用対物レンズユニット１２９、第９反射鏡１３１を跨ぐように装着可能に構成されている。
【００５１】
図７Ｂにおいて、前記ユニットベース１４２は、後側中央部に試料Ｓからの反射光または透過光が通過する光通過口１４２ａが形成されている。図７Ａにおいて、ユニットベース１４２は、光通過口１４２ａの右斜め後方に張り出したＣＣＤカメラ支持部１４２ｂと、光通過口１４２ａの左斜め前方に張り出した選択鏡支持部１４２ｃと、光通過口１４２ａの右斜め前方に設けられたＰＤＡ検出器支持部１４２ｄと、を有する。
図７Ｂ、図７Ｄにおいて、前記ユニットベース１４２の下面には、光通過口１４２ａに対応して、通過する光に含まれるポンプ光Ｌ２の漏れ光を偏光分離して、カットする偏光フィルタ（polarizer）１４４が支持されている。前記ユニットベース１４２の上面には、光通過口１４２ａに対応して、通過する光に含まれるポンプ光Ｌ２の漏れ光を波長的にカットするための光学素子である色ガラスフィルタ（color filter）１４５が支持されている。
【００５２】
前記ＣＣＤカメラ支持部１４２ｂには、画像情報検出器の一例としての固体撮像素子、すなわち、ＣＣＤカメラ１４６が支持されている。前記ＣＣＤカメラ１４６は、入射された透過光または反射光に基づいて画像を撮像する。
前記ＰＤＡ検出器支持部１４２ｄには、ブラケット１４７を介して、光通過口１４２ａの上方に対応する位置に電子情報検出器の一例としてのＰＤＡ検出器（Photo-diode Array Detector）１４８が支持されている。前記ＰＤＡ検出器１４８は、複数のフォトダイオードが右前−左後方向の線上（１次元）に配列された検出器本体１４８ａと、ブラケット１４７に支持され且つフォトダイオードの配列方向に直交する左前−右後方向に検出器本体１４８ａを移動可能に支持する小型ステージ１４８ｂとを有する。したがって、実施例１のＰＤＡ検出器１４８は、小型ステージ１４８ｂの操作用の摘み１４８ｃを手動で移動させることで、入射された透過光または反射光の光の強度の二次元分布を検出可能である。
【００５３】
前記選択鏡支持部１４２ｃには、選択鏡装置１４９が支持されている。前記選択鏡装置１４９は、図７Ａ、図７Ｃに示すように右前左後方向に延びるスライド支持体１４９ａと、前記スライド支持体１４９ａに支持され且つスライド支持体１４９ａにより右前左後方向に移動可能な選択鏡スライダ１４９ｂと、選択鏡スライダ１４９ｂに支持された選択鏡１４９ｃと、を有する。したがって、選択鏡スライダ１４９ｂが図７Ａに示す画像情報検出位置では、図７Ｂに示すように選択鏡１４９ｃが光通過口１４２ａの上方に移動して光通過口１４２ａを通過した光をＣＣＤカメラ１４６に向けて反射すると共に、選択鏡スライダ１４９ｂが図７Ａに示す画像情報検出位置から左後方向に移動した図７Ｃに示す電子情報検出位置では、選択鏡１４９ｃが光通過口１４２ａの上方から退避して図７Ｄに示すように光通過口１４２ａを通過した光をＰＤＡ検出器１４８に通過させる。したがって、選択鏡１４９ｃの位置を制御することにより、ＣＣＤカメラ１４６とＰＤＡ検出器１４８のいずれかで選択的に検出を行うことが可能となっている。なお、実施例１では、前記選択鏡スライダ１４９ｂは、作業者が手動で、画像情報検出位置と電子情報検出位置との間を移動可能に構成されている。
なお、前記ＣＣＤカメラ１４６、ＰＤＡ検出器１４８およびスライド支持体１４９ａは、前記コンピュータＰＣに電気的に接続されており、コンピュータＰＣからの入力信号に応じてスライド支持体１４９ａが駆動し、ＣＣＤカメラ１４６やＰＤＡ検出器１４８での検出結果の信号がコンピュータＰＣに送信され、コンピュータＰＣのディスプレイＰＣ２に表示される。
【００５４】
したがって、ディテクタユニット１４１が反射光検出器支持部２３ｂに装着された場合、試料Ｓからの反射光が、第３ビームスプリッタ１２７で上方に反射され、第３ビームスプリッタ１２７の上方に支持された結像光学系の一例としての集光レンズ１５１で集光されて光通過口１４２ａを通過する。光通過口１４２ａを通過した光は、選択鏡１４９ｃの領域を通過して、ＣＣＤカメラ１４６またはＰＤＡ検出器１４８で検出される。
また、ディテクタユニット１４１が透過光検出器支持部２３ｃに装着された場合、試料Ｓからの透過光が、第９反射鏡１３１で上方に反射され、第９反射鏡１３１の上方に支持された結像光学系の一例としての集光レンズ１５２で集光されて光通過口１４２ａを通過する。光通過口１４２ａを通過した光は、選択鏡１４９ｃの領域を通過して、ＣＣＤカメラ１４６またはＰＤＡ検出器１４８で検出される。
【００５５】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の時間分解顕微装置２１では、放射光Ｘ線６が照射されてＸ線検出装置１２でＸ線回折等の測定が行われる試料Ｓに対して、パルスレーザー光源装置２６から照射されたレーザー光Ｌが、第１ビームスプリッタ３２でプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２に分解される。
ポンプ光Ｌ２は、ポンプタワー９１を通過して、非線形光学素子１１３を使用する場合には、そこで予め設定された高調波となり、光学式チョッパー１２１で断続的な光となる。そして、集光レンズ１１５や集光用対物レンズ１２８でスポット径が調節されて、Ｘ線が照射されている試料Ｓに照射される。ポンプ光が照射された試料Ｓは、照射された部分の材料が励起される。
【００５６】
プローブ光Ｌ１は、遅延光学系３３で、ポンプ光Ｌ２の光路長に対するプローブ光Ｌ１の光路長が調整されて、遅延される。そして、ポンプタワー４１を通過して非線形光学素子６３を使用する場合には、そこで予め設定された高調波となり、集光レンズ６５や集光用対物レンズ１２８で予め設定されたスポット径で試料Ｓに照射される。ポンプ光Ｌ２で励起される試料Ｓに照射されたプローブ光Ｌ１の透過光または反射光は、ディテクタユニット１４１のＣＣＤカメラ１４６またはＰＤＡ検出器１４８で検出される。したがって、プローブ光Ｌ１により、励起された試料Ｓの状態が探査される。
したがって、Ｘ線が照射される試料Ｓの状態を、パルス幅がフェムト秒のパルスレーザー光Ｌを使用して、遅延光学系３３での時間分解がされて時間分解能の高い時間分解顕微装置２１で、高速でモニタリングすることができ、試料Ｓに変化があると速やかに測定することができる。したがって、物理、化学、生物、材料分野での先端光を利用するシステムに適用することができる。
特に、実施例１の実験装置１では、Ｘ線検出装置１２による構造情報と、ＰＤＡ検出器１４８による電子情報を同時に検出することができる。
【００５７】
また、実施例１のポンプ・プローブ型の時間分解顕微装置２１では、ポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ１の光路の一部がポンプタワー９１やプローブタワー４１となっており、ポンプタワー９１やプローブタワー４１に非線形光学素子６３，１１３が配置されている。したがって、ベース部材２３の支持面２３ａに全ての光学素子が二次元的に配置され、光路が二次元的な従来の構成に比べて、実施例１の測定装置１は、光路が３次元化、立体化されており、光学定盤等で構成されるベース部材２３の平面的な面積、いわゆるフットプリントを低減することができる。なお、実施例１では、ベース部材２３の大きさは、６０ｃｍ四方以下とすることができ、数ｍ四方であった従来の構成に比べて大幅に小型化することができた。
特に、ポンプタワー９１やディテクタユニット１４１が、タワー構造を採用しており、支持面２３ａ上の光学素子を跨ぐことが可能となっているため、光路が３次元化され、ベース部材２３の面積を低減しつつ、プローブ光Ｌ１やポンプ光Ｌ２、試料Ｓからの反射光や透過光の光路を確保することが可能になっている。
【００５８】
また、小型化されたベース部材２３は、軽量化されており、ＸＹＺステージ２２に載せられる程度に軽量化することができる。なお、実施例１の構成では、ＸＹＺステージ２２を除いた時間分解顕微装置２１の重量は１０Ｋｇ台とすることができた。したがって、ＸＹＺステージ２２を作動させることで、プローブ光Ｌ１およびポンプ光Ｌ２を試料Ｓに対して位置調節できるようになり、試料Ｓの任意の位置の測定が容易に実行できる。すなわち、ＸＹＺステージ２２の作動を制御することで、高い空間分解能で試料Ｓの任意の位置の測定が可能になっている。
【００５９】
さらに、実施例1の時間分解顕微装置２１は、従来のポンプ・プローブ型の測定装置に比べて、設置面積が低減でき、軽量化できるため、可搬性を向上できる。したがって、放射光施設を借りて実験を行ったりする場合に設置や撤去の時間を短縮でき、従来の測定装置では設置スペースが不足している場合でも、実施例1の時間分解顕微装置２１は設置できる可能性が向上している。
特に、第３世代放射光施設やＸ−ＦＥＬ等で、試料Ｓの周りに、試料ＳのＸ線に対する位置の微調整を行うゴニオメータ９やＸ線検出器１２が設けられている場合や、Ｘ線コリメータ、試料冷却装置等がさらに設置されている場合には、試料Ｓの周りに十分なスペースがなく、広い設置面積を必要とする従来の測定装置では、試料Ｓや試料Ｓの周囲の装置に干渉せずに設置することが困難であったが、小型・軽量化された実施例1の時間分解顕微装置２１は、設置できる可能性が向上している。
【００６０】
また、実施例１では、ディテクタユニット１４１が、反射光検出器支持部２３ｂおよび透過光検出器支持部２３ｃに着脱可能となっており、ディテクタユニット１４１を共通化でき、コストを削減しつつ、透過光および反射光の一方または両方の検出が可能となっている。
さらに、実施例1では、ＸＹＺステージ２２や遅延光学系３３、ＣＣＤカメラ１４６、ＰＤＡ検出器１４８がコンピュータＰＣに電気的に接続されており、遠隔操作および検出結果の取得ができる。したがって、実験中は立ち入り禁止となるＸ線ハッチ２内に人が立ち入ることなく、プローブ光Ｌ１の遅延時間や、試料Ｓの測定位置等を操作することができる。
【００６１】
（実験例）
実施例１の時間分解顕微装置２１において、測定が可能であることを確認するために、実験を行った。
（実験例１）
実験例１では、ポンプ光とプローブ光について、各光が照射された試料表面の領域をＣＣＤカメラ１４６で撮像した。
試料Ｓとして、Ｍｎ酸化物であるＬａ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３を使用した。このＭｎ酸化物は、室温で強磁性金属相を示す。なお、試料Ｓ表面は、反射像が乱れないように鏡面研磨している。
レーザー光源装置として、パルス発振のチタン・サファイアレーザーを使用し、具体的には、パルスレーザー発振器としてCoherent社製のMira900、そのパルス増幅装置としてCoherent社製のLegendを使用した。なお、発振されるレーザー光は、パルス幅100ｆｓ程度、波長800nm、パルス繰り返し周波数 1kHz、パルスエネルギー  1mJ/pulseであった。
【００６２】
ポンプ光Ｌ２は、波長８００ｎｍ（１．５５ｅＶ）、試料Ｓ表面でのスポット径６０μｍ、励起密度１．２ｍＪ／ｃｍ２となるように、第３可変減光フィルタ８２の回転角や集光レンズ１１５、集光用対物レンズ１２８を選択した。なお、実験例１では、非線形光学素子１１３を取り外して、ポンプ光Ｌ２として基本波を使用した。
プローブ光Ｌ１は、波長４００ｎｍ（３．１０ｅＶ）、試料Ｓ表面でのスポット径３００μｍ、励起密度０．０８ｍＪ／ｃｍ２  となるように、第２可変減光フィルタ７３の回転角や集光レンズ６５、集光用対物レンズ１２８を選択した。なお、実験例１では、非線形光学素子６３を使用して、プローブ光Ｌ１として２倍高調波を使用した。
パルス幅は、共に１００ｆｓ〜２００ｆｓ程度である。
実験結果を図８に示す。
【００６３】
図８は、実験例１の実験結果の説明図であり、図８Ａはポンプ光のＣＣＤカメラでの撮像結果の説明図、図８Ｂはプローブ光のＣＣＤカメラでの撮像結果の説明図である。
図８において、ポンプ光Ｌ２が照射される領域を含む広い領域にプローブ光Ｌ１が照射されており、ポンプ光Ｌ２で励起された試料Ｓ表面に対してプローブ光Ｌ１が照射されて、試料Ｓ表面の測定が可能である。
【００６４】
（実験例２）
実験例２では、試料表面に照射されたポンプ光とプローブ光の空間的な強度分布を、ＰＤＡ検出器１４８を使用して測定した。
実験例２では、ＰＤＡ検出器１４８として、リニアフォトダイオードアレイ検出器を使用した。
実験結果を図９に示す。
【００６５】
図９は実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置の実験結果の説明図であり、図９Ａはポンプ光の照射位置と規格化強度の説明図、図９Ｂはプローブ光の照射位置と規格化強度の説明図である。
図９において、ポンプ光Ｌ２やプローブ光Ｌ１が照射された領域の中心の座標（ｘ、ｙ）＝（０、０）とし、最大強度を１として光の強度を規格化（正規化）した。図９に示すように、ポンプ光Ｌ２ではスポット径が、プローブ光の径よりも小さくなっている。
【００６６】
（実験例３）
実験例３では、ポンプ光による励起スポット領域における反射率の変化を測定した。
すなわち、ポンプ光Ｌ２が照射されると試料Ｓ上に生じたプラズマ吸収端のシフトにより、励起スポット領域で反射率の変化が生じ、これをプローブ光Ｌ１の光の変化として、ＰＤＡ検出器１４８で検出する。
具体的には、Ｍｎ酸化物Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＭｎＯ３は、室温で強磁性金属相を取るが、一般に金属状態では、自由電子によるプラズマ振動が生じ、プラズマ振動数νｐより小さい光は全反射され、プラズマ振動数νｐ付近ではプラズマ吸収が生じる。
プラズマ振動数νｐは、以下の式（１）で表される。
νｐ＝（１／２π）（Ne２／ε０ｍ*）1/2    …式（１）
なお、Ｎは自由電子密度、ｅは電子の電荷、ε０は真空の誘電率、ｍ*は電子の質量である。したがって、プラズマ吸収は電子の数に依存する。自由電子密度１×１０２１ｃｍ−３（金属での典型的な値）では、プラズマ吸収端は〜１μｍ程度となり、この辺りがプラズマ吸収の端（プラズマ吸収端）となる。そして、光励起により、自由電子数が増加すると、このプラズマ吸収端はそれに応じて短波長側へとシフトする。
【００６７】
また、実験例３では、ＰＤＡ検出器１４８は、実験例２と同様のものを使用した。
なお、実験例３では、ポンプ光Ｌ２による励起スポット領域の反射率変化を、遅延時間を変えて測定した。
また、実験例３では、座標（ｘ、ｙ）＝（０、０）を中心としてＸ軸方向の反射率変化を、遅延時間を変えて測定した。なお、実施例１の時間分解顕微装置２１では、プローブ光Ｌ１のスポット径内の範囲であれば、反射率の空間的な変化、伝搬過程を測定可能であるが、実験例３では、検出可能なレベルの空間的な変化は測定されていない。
実験結果を図１０に示す。
【００６８】
図１０は実施例１のポンプ・プローブ型の測定装置の実験結果の説明図であり、図１０Ａは試料の反射率変化と照射位置と遅延時間との関係の説明図、図１０Ｂは位置（ｘ、ｙ）＝（０、０）における縦軸に反射率変化を取り横軸に遅延時間を取ったグラフである。
図１０において、遅延時間が０以下の場合は、反射率Ｒの変分ΔＲを反射率で割った反射率変化ΔＲ／Ｒは、ΔＲ＝０のため０であったが、遅延時間を０以上に長くしていくと、反射率の変化が観測された。
なお、この測定結果は、公知文献（Physical Review B 68, 180407R (2003)）の報告と整合しており、実施例１の時間分解顕微装置２１での測定結果に信頼性があることが確認された。
【００６９】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例（Ｈ01）〜（Ｈ09）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記実施例において、プローブタワー４１およびポンプタワー９１のフレーム６８、１１８の構成は、収容部どうしを連結するロッドによる構成を例示したが、この構成に限定されず、プレートを連結した構成や筒状の構成等、任意の構成を採用することが可能である。
【００７０】
（Ｈ02）前記実施例において、ディテクタユニット１４１の構成は、ベース部材２３に対して着脱可能な構成であることが望ましいが、着脱不能に固定することも可能である。また、透過光検出用のディテクタユニットと、反射光透過用のディテクタユニットとを共通化することが望ましいが、別個の構成で作製することも可能である。また、ディテクタユニット１４１は、支持面２３ａに対して高床式の構造となっているが、この構成に限定されず、支持面２３ａ上にＣＣＤカメラ１２６やＰＤＡ検出器１２８等を支持することも可能である。
（Ｈ03）前記実施例において、遅延光学系３３は、支持面２３ａ上に配置したが、この構成に限定されず、例えば、プローブタワー内に配置することも可能である。
【００７１】
（Ｈ04）前記実施例において、光学素子として、可変減光フィルタや３６，７３，８２や偏光子７４，１２３、アイリス２７，２９等は、設計や目的、用途等に応じて、減らしたり、他の光学素子を追加することも可能である。
（Ｈ05）前記実施例において、ベース部材２３の形状は、実施例に例示した形状に限定されず、設置スペースや他の部材との関係等に応じて、任意の形状に変更可能である。また、反射光検出器支持部２３ｂおよび透過光検出器支持部２３ｃの両方を設けたが、例えば、透過光の検出が不要な場合、透過光検出器支持部を省略し、ベース部材２３の形状を簡素化することも可能である。
【００７２】
（Ｈ06）前記実施例において、ポンプタワー９１およびプローブタワー４１において、４つの反射鏡を使用して、支持面２３ａから垂直に離れる方向、支持面２３ａに平行な方向、支持面２３ａに接近する方向の順に光の進行方向を変化させる構成を例示したが、この構成に限定されず、反射鏡（光学系）の数は、５つ以上や３つ等の任意の数とすることが可能である。
例えば、支持面２３ａから斜めに離れる方向（支持面２３ａの法線方向成分と、面に沿った方向成分とを有する方向）に反射する反射鏡（ポンプ光離間方向反射光学系またはプローブ光離間方向反射光学系）と、支持面２３ａに対して斜めに接近する方向に反射する反射鏡（ポンプ光接近方向反射光学系またはプローブ光接近方向反射光学系）と、斜めに接近した光を支持面２３ａに沿った方向に反射する反射鏡（ポンプ光沿面方向反射光学系またはプローブ光沿面方向反射光学系）と、からなる３つの反射鏡とすることも可能である。
【００７３】
（Ｈ07）前記実施例において、ポンプ光用のポンプタワー９１と、プローブ光用のプローブタワー４１の両方を備えた構成を例示したが、この構成に限定されず、例えば、プローブ光Ｌ１用の全ての光学素子が支持面２３ａ上に配置可能であれば、プローブタワー４１を省略して、ポンプタワー９１のみの構成としたり、逆に、ポンプ光Ｌ２用の全ての光学素子を支持面２３ａ上に配置可能であれば、ポンプタワー９１を省略して、プローブタワーのみとすることも可能である。
（Ｈ08）前記実施例において、ＰＤＡ検出器１４８や選択鏡１４９ｃは、小型ステージ１４８ｂや選択鏡スライダ１４９ｂにより手動で移動可能に構成されたが、この構成に限定されず、モータ等の駆動装置を使用して、コンピュータＰＣからの遠隔操作で自動的に移動させたりする等の構成を採用することも可能である。
（Ｈ09）前記実施例において、非線形光学素子６３，１１３を両方設ける構成を例示したが、使用する高調波に応じて、実験例で示すように一方の非線形光学素子を省略することも可能である。また、特性変化光学素子として、非線形光学素子以外の光学素子を追加することも可能である。
【符号の説明】
【００７４】
２１…ポンプ・プローブ型の測定装置、
２３…ベース部材、
２３ａ…支持面、
２３ｂ…反射光検出器支持部、
２３ｃ…透過光検出器支持部、
２６…パルスレーザー光源装置、
３２…光分岐光学素子、
３３…遅延光学系、
３３，６１，６３，６５…プローブ光用特性変化光学素子、
３３，６１，６３，６５，１１１，１１３，１１５…特性変化光学素子、
３３ｂ…スライダ、
３３ｃ，３３ｄ…遅延光学部材、
４１…プローブ光用光学系群装置、
４１，９１…光学系群装置、
４８…プローブ光離間方向反射光学系、
４８，９９…離間方向反射光学系、
５８…プローブ光接近方向反射光学系、
５８，１０８…接近方向反射光学系、
６７…プローブ光沿面方向反射光学系、
６７，１１７…沿面方向反射光学系、
６８…第２の枠体、
６８，１１８…枠体、
９１…ポンプ光用光学系群装置、
９９…ポンプ光離間方向反射光学系、
１０８…ポンプ光接近方向反射光学系、
１１１，１１３，１１５…ポンプ光用特性変化光学素子、
１１７…ポンプ光沿面方向反射光学系、
１１８…第１の枠体、
１２８…照射光学系、
１４１…検出器、
Ｌ…パルスレーザー光、
Ｌ１…プローブ光、
Ｌ２…ポンプ光、
Ｓ…試料。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010204023.tif 000009
【図８】
2010204023.tif 000010
【図９】
2010204023.tif 000011
【図１０】
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