(57)【要約】【課題】  感光物質にポンプ光とプローブ光とを照射し、その応答信号の非線形成分の時間発展を正確に測定し、かつディスプレイに波形表示する。【解決手段】  レーザパルスを発生するレーザ光発生装置１１と、前記レーザパルスをポンプ光とフェムト秒オーダのプローブ光とに分離する光分離装置１２と、前記ポンプ光の光路および前記プローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引装置１３と、前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に照射する照射装置１４と、前記試料に照射した光の当該試料からの応答光を受光し複数チャンネルの検出信号を生成する応答光受光装置１５と、前記複数チャンネルの検出信号の直流成分をカットする直流成分カット装置１６と、前記直流成分が除去された前記複数チャンネルの検出信号をＡＤ変換して、波形表示する応答信号表示装置１７とを備えている。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザパルスを発生するレーザ光発生装置と、
前記レーザパルスをポンプ光とフェムト秒オーダのプローブ光とに分離する光分離装置と、
前記ポンプ光の光路および前記プローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引装置と、
試料に照射された前記ポンプ光および前記プローブ光の当該試料からの応答光を受光し複数チャンネルの検出信号を生成する応答光受光装置と、
前記複数チャンネルの検出信号の直流成分をカットする直流成分カット装置と、
前記直流成分が除去された前記複数チャンネルの検出信号をＡＤ変換して、波形表示する応答信号表示装置と、
を備えたことを特徴とするポンプ−プローブ測光装置。
【請求項２】
レーザパルスをポンプ光とフェムト秒オーダのプローブ光とに分離する光分離ステップと、
前記ポンプ光の光路および前記プローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引ステップと、
前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に照射する照射ステップと、
前記試料に照射した光の当該試料からの応答光を受光し複数チャンネルの検出信号を生成する応答光受光ステップと、
前記複数チャンネルの検出信号の直流成分をカットする直流成分カットステップと、
前記直流成分が除去された前記複数チャンネルの検出信号をＡＤ変換して、波形表示する応答信号表示ステップと、
を有することを特徴とするポンプ−プローブ測光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間分解分光測定技術に関し、具体的には感光物質にポンプ光とプローブ光とを照射し、その応答信号の非線形成分の時間発展を正確に測定し、かつディスプレイに波形表示することができるポンプ−プローブ測光装置および測光方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物質の光化学反応（光学応答）を検出するために、ポンプ光とプローブ光とを用いた測光技術が知られている。
【０００３】
たとえば、図６に示すポンプ−プローブ測光装置９では、レーザ発生装置９１が生成するレーザパルスＬＰをスプリッタ９２によりポンプ光ｐ１とフェムト秒オーダのプローブ光ｐ２に分離する。
【０００４】
図６では、ポンプ光ｐ１の光路長Ｌ１を、遅延装置９３により変化させることができ、ポンプ光ｐ１とプローブ光ｐ２とが異なるピークタイミングで試料１００に照射される。なお、プローブ光ｐ２の一部はスプリッタ９４により補正用光検出装置９５に入射される。
【０００５】
試料１００に照射された合波光（符号ｐ３で示す）の応答光（透過光）は、光検出装置９６により検出される。光検出装置９６は、前記応答光を多チャンネルで検出をする（すなわち、異なる周波数成分について検出する）ことができる。具体的には、応答光をロックインアンプにより増幅して複数のフォトセンサＰＤ（図示せず）によりステップスキャン検出している。なお、光検出装置９６からの検出信号は、補正用の光検出装置９５により補正されて、ＡＤ変換器９７によりデジタル化され、検出データとしてデータ記憶装置９８に保存される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、図６のポンプ−プローブ測光装置９では、ステップスキャン検出、１ステップ当たりの所要時間が数秒程度あるため、積算に時間がかかる。したがって、レーザ発生装置の長時間安定性が保証されないと全体の波形が正確に測定できない。また、補正用の光検出装置９５により、直流分を相殺することも可能であるが、検出データの処理が複雑となるという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、感光物質にポンプ光とプローブ光とを照射し、その応答信号の非線形成分の時間発展を正確に測定し、かつディスプレイに波形表示することができるポンプ−プローブ測光装置および測光方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のポンプ−プローブ測光装置は、
レーザパルスを発生するレーザ光発生装置と、
前記レーザパルスをポンプ光とフェムト秒オーダのプローブ光とに分離する光分離装置と、
前記ポンプ光の光路および前記プローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引装置と、
試料に照射された前記ポンプ光および前記プローブ光の当該試料からの応答光を受光し複数チャンネルの検出信号を生成する応答光受光装置と、
前記複数チャンネルの検出信号の直流成分をカットする直流成分カット装置と、
前記直流成分が除去された前記複数チャンネルの検出信号をＡＤ変換して、波形表示する応答信号表示装置と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
なお、本発明では、適宜、前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に照射する照射装置を備えることもできる。
【００１０】
本発明のポンプ−プローブ測光方法は、
レーザパルスをポンプ光とフェムト秒オーダのプローブ光とに分離する光分離ステップと、
前記ポンプ光の光路および前記プローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引ステップと、
前記ポンプ光および前記プローブ光を試料に照射する照射ステップと、
前記試料に照射した光の当該試料からの応答光を受光し複数チャンネルの検出信号を生成する応答光受光ステップと、
前記複数チャンネルの検出信号の直流成分をカットする直流成分カットステップと、
前記直流成分が除去された前記複数チャンネルの検出信号をＡＤ変換して、波形表示する応答信号表示ステップと、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、ポンプ光の光路およびプローブ光の光路の一方を他方に対して周期的に短縮および伸長させる光掃引を行い、かつ複数チャンネルの検出信号の直流分をカットしているので、感光物質（試料）の非線形成分を選択的に検出できる。また、連続掃引が可能なので、オシロスコープ等のディスプレイに波形表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明のポンプ−プローブ測光装置の一実施形態を示す構成図である。
図１において、ポンプ−プローブ測光装置１は、レーザ光発生装置１１と、光分離装置１２と、光掃引装置１３と、合波装置１４と、合波光照射装置１５と、試料応答光受光装置１６と、ハイパスフィルタ１７と、応答信号表示装置１８とを備えている。
【００１３】
レーザ光発生装置１１は、レーザパルスＬＰを発生する。レーザ光発生装置１１はエネルギー３１０ｐＪ／ｐｕｌｓｅ、繰り返し周波数３．７８ＭＨｚ、半値幅２０ｆｓのレーザパルスＬＰを生成している。
【００１４】
光分離装置１２は、ビームスプリッタＢＳであり、レーザパルスＬＰをポンプ光ｐ１とプローブ光ｐ２（フェムト秒オーダ）とに分離する。
光分離装置１２により分離された光のうちポンプ光ｐ１は、第１ポンプ光反射ミラーＭ１１により反射されて光掃引装置１３に入射する。光掃引装置１３に入射した光は第2ポンプ光反射ミラーＭ１２，第３ポンプ光反射ミラーＭ１３により反射される。
第３ポンプ光反射ミラーＭ１３の反射光（すなわち、光掃引装置１３の出射光）は、第４ポンプ光反射ミラーＭ１４により反射されて合波装置１４に入射される。
【００１５】
一方、光分離装置１２により分離された光のうちプローブ光ｐ２は、第１プローブ光反射ミラーＭ２１および第２プローブ光反射ミラーＭ２２、第３プローブ光反射ミラーＭ２３により反射されて合波装置１４に入射される。
プローブ光ｐ２の光路長Ｌ２（本実施形態では、光路長は、ビームスプリッタＢＳから後述する試料１００に至る距離と定義する）は、ポンプ光ｐ１の光路長Ｌ１とほぼ同じ長さになるように調整されている。
【００１６】
光掃引装置１３は、前述したように第２ポンプ光反射ミラーＭ１２，第３ポンプ光反射ミラーＭ１３を有しており、これらは９０°に配置され、可動ステージ１３１により所定周期で往復移動するように構成されている。本実施形態では、可動ステージ１３１が往復動することで、ポンプ光ｐ１の光路Ｌ１をプローブ光ｐ２の光路Ｌ２に対して周期的に短縮および伸長する。可動ステージ１３１の往復移動周期は、２０Ｈｚないし数ｋＨｚオーダである（本実施形態では２０Ｈｚとしてある）。可動ステージ１３１の駆動信号（往復動の同期信号）は、後述する応答信号表示装置１８に出力される。
【００１７】
合波装置１４は、ミラーＭ３１からなり、ポンプ光ｐ１およびプローブ光ｐ２を合波する（合波光を符号ｐ３で示す）。
合波光照射装置１５は、集光ミラーＭ３２からなり合波光ｐ３を試料１００に照射する。試料１００に照射された合波光ｐ３は、試料１００を透過し、スリット部材ＳＬＴを介して試料応答光受光装置１６に入射される。
【００１８】
試料応答光受光装置１６は、本実施形態ではモノクロメータであり、試料１００からの応答光（透過光）ｐ４を受光し、複数周波数に対応するチャンネルの応答信号を生成する。すなわち、試料応答光受光装置１６は、チャンネル数に応じたフォトセンサＰＤ（感光素子）を備えており、複数のチャンネルについて光強度検出をすることができる。本実施形態ではチャンネル数は１６としてある。試料応答光受光装置１６は、各フォトセンサＰＤの光強度出力信号をハイパスフィルタ１７に送信する。
【００１９】
ハイパスフィルタ１７は、ＤＣカットフィルタ増幅器であり、複数のチャンネルについての検出信号を入力し、この信号から直流成分ＤＣを除去し、これを増幅して出力する。
応答信号表示装置１８は、デジタルオシロスコープであり、直流成分ＤＣが除去された複数のチャンネルの応答信号をＡＤ変換してディスプレイに波形表示する。前述したように、応答信号表示装置１８は、光掃引装置１３から駆動信号（往復動のタイミング信号）を入力しており、光掃引装置１３の掃引動作に応じた波形を出力することができる。
【００２０】
以下、ポンプ−プローブ測光装置１の具体的な動作例を図２にフローチャートに沿って説明する。まず、光分離装置１２によりレーザパルスLPをポンプ光ｐ１とプローブ光ｐ２とに分離し（光分離ステップ：S１０１）、光掃引装置１３によりポンプ光ｐ１の光路L１をプローブ光ｐ２の光路L２に対して周期的に短縮および伸長させる（光掃引ステップ：S１０２）。図３に、ポンプ光ｐ１とプローブ光ｐ２のタイミングを例示する。
図４（Ａ），（Ｂ）は、プローブ光ｐ２の２つの周波数成分ＥＰ２１，ＥＰ２２を示す図である。各図では、ポンプ光ｐ１の光路L１をプローブ光ｐ２の光路L２に対して周期的に短縮および伸長させた場合の、各周波数成分の位相のずれを示している。図４（Ａ）はプローブ光ｐ２の２つの周波数成分ＥＰ２１，ＥＰ２２の一方の位相がやや進んでいる状態を示し、図４（Ｂ）はプローブ光ｐ２の２つの周波数成分ＥＰ２１，ＥＰ２２の位相が同じ状態を示している。
【００２１】
合波装置１４は、ポンプ光ｐ１およびプローブ光ｐ２を合波し（合波ステップ：S１０３）、合波光照射装置１５により合波光ｐ３を試料１００に照射する（合波光照射ステップＳ１０４）。これは、試料１００にポンプ光ｐ１を照射するとともに、プローブ光ｐ２の周波数成分を、位相差を変化させつつ照射した場合の光学応答（非線形成分の時間発展（時間変化））を検出することを意味する。
【００２２】
このときの、試料１００の変化状態の一例を図５（Ａ），（Ｂ）に示す。ここでは、試料１００は、シアニン系有機色素分子（ＤＴＴＣＩ）であり、ポテンシャル井戸に閉じ込められた電子の確率分布を示している。試料１００にポンプ光ｐ１が照射され、位相が変化するにしたがって、図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、シアニン系有機色素分子にはねじれ振動が生じる。
【００２３】
ポンプ光ｐ１の照射とほぼ同時に（このねじれ振動が減衰する前に）プローブ光ｐ２を照射して試料１００の光学応答を検出することができる。
ねじれの向きは、分子内電子の確率分布に応じて変化する。ポンプ光ｐ１の照射による影響が消失する前に、プローブ光ｐ２の周波数成分を試料１００に照射することで、ねじれの大きさや向きに依存する応答光が試料応答光受光装置１６により受光される。
【００２４】
試料応答光受光装置１６は、試料１００に照射された合波光ｐ３の応答光を受光し複数チャンネルの応答信号を生成する（試料応答光受光ステップ：Ｓ１０５）。これらの各チャンネルは、位相が異なる成分についてそれぞれ抽出された応答信号であり、直流成分除去装置１７に送出される。
【００２５】
直流成分除去装置１７は、複数のチャンネルの応答信号の直流成分を除去する（直流成分除去ステップＳ１０６）。周波数成分のうち直流成分は資料１００について、線形成分の検出に影響が強く現れるものである。この直流成分の除去により、非線形成分の応答のみを取り出すことができ、この非線形成分の応答信号が応答信号表示装置１８に送出される。この応答信号の例を図５に示す。
【００２６】
応答信号表示装置１８は、直流成分が除去された複数のチャンネルの応答信号をＡＤ変換して波形表示する（応答信号表示ステップＳ１０７）。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のポンプ−プローブ測光装置の一実施形態を示す構成図である。
【図２】ポンプ−プローブ測光装置の具体的な動作例を示すフローチャートである。
【図３】ポンプ光とプローブ光のタイミングを示す図である。
【図４】プローブ光の２つの周波数成分を示す図であり、（Ａ）はプローブ光の２つの周波数成分の一方の位相がやや進んでいる状態を示し、（Ｂ）はプローブ光の２つの周波数成分の位相が同じ状態を示している。
【図５】（Ａ），（Ｂ）は、シアニン系有機色素分子（ＤＴＴＣＩ）の電子がポテンシャル井戸に閉じ込められた電子の確立分布および位相が変化するにしたがって分子にねじれが生じた様子を示す図である。
【図６】従来のポンプ−プローブ測光装置を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  ポンプ−プローブ測光装置
１１  レーザ光発生装置
１２  光分離装置
１３  光掃引装置
１４  合波装置
１５  合波光照射装置
１６  試料応答光受光装置
１７  ハイパスフィルタ
１８  応答信号表示装置
ｐ１  ポンプ光
ｐ２  プローブ光
Ｍ１１  第１ポンプ光反射ミラー
Ｍ１２  第２ポンプ光反射ミラー
Ｍ１３  第３ポンプ光反射ミラー
Ｍ１４  第４ポンプ光反射ミラー
Ｍ２１  第１プローブ光反射ミラー
Ｍ２２  第２プローブ光反射ミラー
Ｍ２３  第３プローブ光反射ミラー
Ｍ３１  ミラー
Ｍ３２  集光ミラー
ＢＳ  ビームスプリッタ
１００  試料
Ｌ１  ポンプ光の光路
Ｌ２  プローブ光の光路
【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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