(57)【要約】【課題】試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、微弱な信号光のみを得ることができる分光器を提供することである。【解決手段】励起光が照射される試料で散乱された散乱光を分光する分光器は、散乱光に含まれる励起光の波長成分を除去する波長カットフィルタ130と、波長カットフィルタ130から導かれた光のスペクトルを得る分光素子140とを有する。波長カットフィルタは、リング状導波路102を有するリング型光共振器130、或いは少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器である。【選択図】図1
2008191041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光が照射される試料で散乱された散乱光を分光する分光器であって、
前記散乱光に含まれる前記励起光の波長成分を除去する波長カットフィルタと、前記波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有し、
前記波長カットフィルタは、リング状導波路を有するリング型光共振器であることを特徴とする分光器。
【請求項２】
励起光が照射される試料で散乱された散乱光を分光する分光器であって、
前記散乱光に含まれる前記励起光成分を除去する波長カットフィルタと、前記波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有し、
前記波長カットフィルタは、少なくとも3層の積層構造を有し、且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器であることを特徴とする分光器。
【請求項３】
前記積層型光共振器の透過光は、前記除去される励起光の波長成分を有し、
且つ、前記積層型光共振器の反射光は、前記分光素子に導入されることを特徴とする請求項2に記載の分光器。
【請求項４】
前記積層型光共振器の反射光は、前記除去される励起光の波長成分を有し、
且つ、前記積層型光共振器の透過光は、前記分光素子に導入されることを特徴とする請求項2に記載の分光器。
【請求項５】
前記分光器は、光軸に沿って直列的に設けられた複数の前記波長カットフィルタを有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の分光器。
【請求項６】
前記波長カットフィルタにより除去される前記励起光の波長成分の波長を連続的に変化させる波長走査部を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の分光器。
【請求項７】
前記分光素子が、マイケルソン干渉計であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の分光器。
【請求項８】
前記分光素子が、回折格子であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の分光器。
【請求項９】
試料に向け光を照射する励起光源と、
前記試料で散乱された散乱光を集光する集光光学系と、
前記集光光学系より前記散乱光を受ける請求項1乃至8のいずれか1項に記載の分光器と、
前記分光器より出射されたスペクトルパターンを検出、処理する検出処理系と、
を有することを特徴とする分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力された光を分光する分光器に関する。特に、計測対象ないし試料のラマン散乱光を分光する分光器、及び該分光器を含み、計測対象ないし試料のラマン散乱光を利用してその分析を行う分光分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラマンスペクトルは、固体、液体、気体及びその混合物の分子振動スペクトル測定法において知られていて、物質の評価に用いられる。ラマン散乱光は微弱であるために、迷光の少ないスペクトルを得る分光器が必要である。特に、高性能マルチチャネル光検出器やレーザの発展とともに、励起光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去して微弱な信号光（ラマン散乱光）のみを検出する分光器の開発が求められている。
【０００３】
これまで、差分散型ダブル分光器或いはトリプル分光器を用いて、試料からの反射光やレイリー散乱光を信号光から分離、除去する試みが行われてきた。トリプル分光器を用いた分光分析装置の一例として、図9に示す様な装置が提案されている（特許文献1参照）。
【０００４】
図9において、11は、例えば、アルゴンイオンレーザ等のレーザ発生装置であり、ハーフミラーＨＭを介して試料12に向け所定振動数を有したレーザ光を照射する。試料12は、レーザ光が照射されることによりラマン散乱を生じ、試料12の物質特性に対応した散乱光が放出される。放出された散乱光は、ハーフミラーＨＭ、プリズムＰ1を介して集光光学系13に入射する。集光光学系13は、グラントムソンプリズム、偏光解消板、集光レンズ等より構成されている。集光光学系13は、後述する分光器14のＦ数と整合をとるために散乱光を集光するものであり、集光光学系13で集光された散乱光はプリズムＰ2を介して分光器14に入射される。分光器14としては、例えば、ポリクロメータ或いはモノクロメータが用いられ、入射光を分光する。本例では、トリプルポリクロメータを分光器14として用いている。ポリクロメータ14は、入射スリットＳ1、中間スリットＳ2、Ｓ3、回折格子Ｇ1〜Ｇ3-5、凹面鏡Ｍ1〜Ｍ7等により構成されている。入射した散乱光は、プリズムＰ3、凹面鏡Ｍ1を介して回折格子Ｇ1に入射し、回折格子Ｇ1で分散され、スリットＳ2上に結像される。このスリットの幅を適当に設定することにより、特定の周波数領域の光のみを通過させることができる。スリットＳ2を通過した光は、凹面鏡Ｍ3、Ｍ4を介して回折格子Ｇ2に入射する。回折格子Ｇ2は、前記回折格子Ｇ1に対して逆方向を向く様に配設された差分配置とされている。
【０００５】
回折格子Ｇ2で回折された分散光は、凹面鏡Ｍ5を介してスリットＳ3に入射し、更に周波数特定がされた上で、凹面鏡Ｍ6、回折格子Ｇ3-5及び凹面鏡Ｍ7を介してＣＣＤ15の受光面に焦点を結ぶ。上記構成を有する分光器14は、計測する波長のみを取り出すバンドパスフィルタとしての機能を奏する。
【特許文献１】特開平06−003271号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
分光器においては、上述した様に、試料からの反射光やレイリー散乱光を分離、除去し、微弱な信号光（ラマン散乱光）のみを高効率で得ることが望ましい。しかしながら、トリプル分光器を用いて、試料からの反射光やレイリー散乱光を信号光から分離、除去する場合、光学素子の数が多く、光学的透過率が相当に低くなる。従って、光の利用効率が低下するため、微弱な信号光（ラマン散乱光）のみを高効率で得ることは容易ではない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、励起光が照射される試料で散乱された散乱光を分光する本発明の分光器は、散乱光に含まれる励起光の波長成分を除去する波長カットフィルタと、波長カットフィルタから導かれた光のスペクトルを得る分光素子とを有する。ここにおいて、前記波長カットフィルタは、リング状導波路を有するリング型光共振器、或いは少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器である。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、本発明の分光分析装置は、励起光源と、集光光学系と、上記の分光器と、検出処理系とを有することを特徴とする。前記励起光源は、試料に向け光を照射する。前記集光光学系は、試料で散乱された散乱光を集光する。前記分光器は、集光光学系より散乱光を受ける。前記検出処理系は、分光器より出射されたスペクトルパターンを検出、処理する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれは、上記の如き波長カットフィルタを用いるので、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、微弱な信号光（ラマン散乱光）のみを高効率で得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明による分光器の一実施形態について図1を用いて説明する。図1は、本実施形態の分光器の上面図である。
【００１１】
本実施形態の分光器は、試料ないし計測対象からの散乱光の励起光成分をカットする波長カットフィルタ130と、このフィルタ130からの光を、コリメータ104を介して受けて該光のスペクトルを得る分光素子140を有する。本実施形態では、波長カットフィルタとして、リング状導波路102を含むリング型光共振器130を用いている。リング型光共振器130では、導波路101への入射光120からカットした光121が導波路121に導かれ、不要光がカットされた光122が導波路101の出射端から放出される。波長カットフィルタとしては、後述する様に、少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器を用いることもできる。
【００１２】
また、本実施形態では、分光素子140は、フーリエ変換を利用するマイケルソン干渉計である。この構成により、光を波長ごとに分解せず、一括で検出することができるため、光の利用効率を向上することができる（後述する実施例1参照）。分光素子は、後述する様に、分散型の分光素子であっても構わない。分散型の分光素子としては、例えば、回折格子がある。この構成によって、フーリエ変換せずに、直接、スペクトルの波長を検出することができる（後述する実施例4参照）。
【００１３】
本実施形態の作用を、図2（ａ）乃至（ｃ）を用いて説明する。図2（ａ）は、本実施形態の特徴である波長カットフィルタ130の透過特性を示し、図2（ｂ）は、分光器に入射する光の波長の光強度分布を示し、図2（ｃ）は、波長カットフィルタ130を透過した後の光の波長の光強度分布を示す。
【００１４】
図示しない試料に、所定の波長λ0のレーザ光が照射されることにより、試料から、波長λ0の反射光やレイリー散乱光が放出される。更に、試料の物質特性に対応して、波長λ0±Δλを有するラマン散乱光が放出される（Δλはラマンシフトである）。すなわち、図2（ｂ）に示す様に、本実施形態の分光器に入射する試料からの散乱光には、試料からの反射光、レイリー散乱光、ラマン散乱光が含まれている。ラマン散乱光は、試料からの反射光やレイリー散乱光と比較して、非常に微弱である。そのため、ラマン散乱光を効果的に検出するためには、試料からの反射光やレイリー散乱光を分離、除去する必要がある。
【００１５】
本実施形態の波長カットフィルタであるリング型光共振器130では、リング状導波路102が導波路101、103と隣接して形成されている。このリング状導波路102では、共振現象によって一定の波長間隔で光を導波路103に取り出すことができる。従って、導波路101に入射された光120は、その波長が共振波長に近い場合には、リング状導波路102と結合し、導波路103から出力される。一方、波長が共振波長から離れている場合には、導波路102との結合は弱く、導波路101の出射端から出力される。よって、波長カットフィルタ130の共振波長を、試料からの反射光やレイリー散乱光の波長λ0に設定することによって、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを導波路103から選択的に取り出すことができる。従って、ラマン散乱光を効率的に分光素子140に導入することができる。
【００１６】
この様なリング状導波路102は、1000〜10000程度のQ値を実現できるため、共振波長の1／Q程度、つまり0．1〜1ｎｍ程度の狭い共振ピークを得ることができる。従って、導波路101への入射光から、非常に狭い帯域を持ったスペクトル（波長）の成分を除去することができる。よって、効果的に試料からの反射光やレイリー散乱光のみを分離、除去できる。
【００１７】
前述した様に、図2（ａ）は、本実施形態の波長カットフィルタ130の特性を示している。この波長カットフィルタ130の光学特性では、2nm程度の半値幅で特定の波長成分をカットすることができる。減衰率は40db程度であり、特定の波長成分を10-3程度まで減少させることができる。波長カットフィルタ130がカットする波長を、試料からの反射光やレイリー散乱光の波長λ0に合わせておくことにより、図2（ｃ）に示す様に、試料からの反射光及びレイリー散乱光の強度のみを低減することができる。そして、ラマン散乱光λ0±Δλを高効率で分光素子140に導入することができる。分光素子140からの光は、フォーカシング光学系109を経て検出器110に導かれて、そこで検出される。
【００１８】
前述した如く、分光器の波長カットフィルタは、少なくとも3層の積層構造を有し且つ少なくとも1層の空気層を有する積層型光共振器にすることもできる。この場合の作用を説明する。この積層型光共振器は、膜を交互に積層した構造を有し、各膜の境界面で生じる多重反射光の干渉を利用して、特定の波長域の光のみを透過或いは反射するものである。この様に、積層型光共振器は、高屈折率材料膜と低屈折率材料膜を交互に繰り返した構造を有する。これらの膜の厚さｄと屈折率ｎの積である光学的膜厚ｎｄが、カットしたい波長λの1／2であれば、波長λの光の透過率は増加する。一方、光学的膜厚がカットしたい波長λの1／4であれば、波長λの光の反射率は増加する。
【００１９】
この積層構造は、2枚の高反射層（Ｍ）を平行に配置し、その間にＤ（誘電体）層を配置したファブリ‐ペロー構造（Ｍ−Ｄ−Ｍ）としてもよい。Ｄ層の厚さｄと屈折率ｎの積である光学的膜厚ｎｄが、カットしたい波長λの1／2であれば、共振現象により波長λの光の透過率が増加する。一方、光学的膜厚ｎｄがカットしたい波長λの1／4であれば、共振現象により波長λの光の反射率が増加する。高反射層Ｍは、金、銀、アルミニウム等の金属、或いは高屈折率材料と低屈折材料の繰り返し構造でもよい。Ｄ層は、非吸収材料である空気でよい。
【００２０】
従って、積層型光共振器を波長カットフィルタとして用いることによって、非常に狭い帯域を持ったスペクトル（波長）の光を除去することができる。よって、入射光より、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを効果的に分離、除去できる。
【００２１】
上記積層型光共振器では、積層構造のうち、少なくとも一層が空気層であり、低屈折率材料膜として空気を使用することによって、様々な材料を高屈折率材料として使用できる。また、複数の材料を用いる必要がないため、作製が容易となる。更に、空気層は、光の吸収がないため、試料からの反射光やレイリー散乱光のみを効果的に分離、除去できる。
【００２２】
上述した様に、積層型光共振器は、除去波長を有する光を透過させる構成とすることができる。この構成により、光強度の強い、試料からの反射光やレイリー散乱光を除去した後の漏れ光が分光素子140に入射することを防止することができる（後述する実施例2参照）。
【００２３】
他方、積層型光共振器は、除去波長を有する光を反射させる構成とすることもできる。この構成は、光共振器への入射光の偏光特性の違いを考慮せずに使用できる（後述する実施例3参照）。
【００２４】
複数の波長カットフィルタを有する構成とすることもできる。この構成により、試料からの反射光やレイリー散乱光を、より一層低減することができるため、より効率良く微弱な信号光を検出することができる（後述する実施例5参照）。
【００２５】
波長カットフィルタの除去波長を連続的に変化させる波長走査部を有する構成とすることもできる。この構成により、試料に照射される励起光の波長が変化した場合でも、同じ分光器で微弱な信号光を検出することができる（後述する実施例4、実施例6参照）。
【００２６】
また、波長カットフィルタ130と分光素子140が同一基板上に形成される構成とすることもできる。この構成により、分光器の小型化を可能にするとともに、光学素子間の光軸調整が不要ないし軽減されることとなる（後述する実施例1参照）。
【００２７】
前記分光器を、例えば図1の紙面に垂直な方向に積み重ねて、アレイ状に配列することもできる。この構成により、より多くの微弱な信号光を複数の検出器110に集めることができる。複数の検出器110で検出された信号は加算されて、目的に応じて処理系で適切に処理される。例えば、検出信号は、処理系において、データベースとして保存された種々の物質の分子振動スペクトルと比較されて、計測対象物の同定を行うことができる。また、励起光で計測対象物を走査し、処理系において、各走査点とそこからのラマン散乱光の検出信号を対応させてマッピング処理して、計測対象物に生じている応力分布をイメージ化することなどもできる。
【００２８】
前記分光器は、試料に向け励起光を照射するレーザ光源と、該試料で散乱された散乱光を集光する集光光学系と、該分光器より出射されるスペクトルパターンを検出、処理する上記検出器110を含む検出処理系と共に、分光分析装置を構成できる。この構成により、高効率に試料からの反射光やレイリー散乱光を除去できる小型な分光分析装置を実現することができる（後述する実施例7参照）。
【実施例】
【００２９】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例1）
実施例1の分光器について図1を用いて説明する。実施例1は、上記実施形態に対応する分光器に係る。本実施例の分光器は、入射光120から励起光（近赤外光）成分をカットする波長カットフィルタ130と、分光素子140を有する。本実施例では、波長カットフィルタとして、リング状導波路102を含むQ値の高いリング型光共振器130を用いている。分光素子140は、フーリエ変換を利用するマイケルソン干渉計である。
【００３０】
リング型光共振器130は、導波路101、導波路103、及び両導波路101、103に隣接して夫々所定の結合長でカップリングしたリング状導波路102で構成される。導波路101、102、103は、クラッド部で取り囲まれたコア部で形成されている。後述する様に、例えば、コア部はシリコンであり、下部クラッド部は酸化シリコンであり、上部クラッド部は空気である。コア部は、クラッド部より屈折率の高い材料であればよい。
【００３１】
本実施例のリング型光共振器130では、共振現象によって一定の波長間隔で光を導波路103から取り出すことができる。リング型光共振器130の共振波長は、図示しない試料からの反射光とレイリー散乱光の波長に合わせてある。従って、導波路101から入射された光120の中で、波長が共振波長に近い試料からの反射光とレイリー散乱光は、リング型光共振器130と結合し、その波長成分は導波路103から出力される。一方、波長が共振波長から離れているラマン散乱光の場合には、リング型共振器130との結合は弱く、導波路101の出射端から出力される。こうして、共振波長である反射光とレイリー散乱光のみを導波路101から効果的に分離、除去することができる。
【００３２】
前記実施形態の所でも述べた様に、本実施例のリング型光共振器130は、1000程度のQ値を有する。よって、共振波長の1／Q程度、つまり1ｎｍ程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例のリング型光共振器130の透過減衰率は40db程度であり、試料からの反射光やレイリー光の波長成分を10-3程度に低減させることができる。
【００３３】
本実施例の分光素子であるマイケルソン干渉計140の主な構成を示す。マイケルソン干渉計140は、ビームスプリッタ106と2枚の平面鏡（固定鏡105、移動鏡107）で構成されている。平面鏡107は、ばね108に連結されており、光軸と平行に移動することができる。
【００３４】
本実施例では、ばね108を駆動するアクチュエータの駆動力は、静電力である。図1において、ばね108の黒丸は、基板150への固定点を表し、その他の部位は可動である。ばね108は、固定くし歯108ａ、108ｂ、108ｃ、108ｄ、及び可動くし歯108ｅ、108ｆ、108ｇ、108ｈを有する。固定くし歯108ａ、108ｂと可動くし歯108ｅ、108ｆ間に静電力が働き、引き付け合うと、ばね108は、図1中の左方に移動する。また、固定くし歯108ｃ、108ｄと可動くし歯108ｇ、108ｈ間に静電力が働き、引き付け合うと、ばね108は、図1中の右方に移動することができる。静電力は、制御回路により固定くし歯と可動くし歯間の電位差を制御することで生じさせられる。こうして、移動鏡107は、光軸に平行に移動することができる。アクチュエータとしては、電磁力、圧電エネルギー、熱膨張・収縮等の駆動力を利用したものでもよい。電磁力の場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、例えば、平面コイルと磁石（コイルの面に垂直な方向に着磁されている）を配置し、コイルへの電流を制御回路で制御することで駆動力が生じる。圧電エネルギーの場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、圧電素子を配置し、圧電素子への印加電圧を制御回路で制御することで駆動力が生じる。熱膨張・収縮の場合は、固定くし歯と可動くし歯に替えて、ヒータと熱膨張・収縮材料を配置し、ヒータへの注入電流を制御回路で制御することで駆動力が生じる。
【００３５】
ここでは、マイケルソン干渉計140は、例えば、後述のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から一体形成することができる。平面鏡105、107には、金属膜等が成膜されている。リング型光共振器130を透過してビームスプリッタ106に入射した光122は、これにより、一部が透過光として移動鏡107の方向に透過し、残りが反射光として固定鏡105の方向に反射する。こうして、光122は2つに分割される。
【００３６】
例えば、ビームスプリッタ106から移動鏡107までの距離をL1、同じく固定鏡105までの距離をL2としたとき、L1＝L2の状態では、分割された 2光束は同じ位相で合成される。従って、強め合って、フォーカシング光学系109を経て検出器110（フォトダイオード）に出力される。また、移動鏡107が移動して（L1−L2）＝λ／2の状態になると、逆位相で合成される。よって、打ち消し合って出力され、強度が0になる。更に移動鏡107が動いていったとき、L1とL2の差が波長λの倍数になったところで強め合い、λ／2の倍数になったところで弱め合うことになる。従って、移動鏡107を連続的に移動させて干渉計140からの出力光を観測すると、明暗の周期的な繰り返しとなる。
【００３７】
干渉計140に多くの波長の光を導入しても、夫々の波長成分ごとに変調された合成波（インターフェログラム）が出力される。そして、インターフェログラムに含まれている各周波数の信号強度を分析すれば、各波長の光の強度が分かる。
【００３８】
以上の構成の本実施例では、高いQ値を有し、狭い共振ピークを有するリング型光共振器130を波長カットフィルタとして用いることで、著しく微弱なラマン散乱光より、試料からの反射光とレイリー散乱光を高効率で分離、除去できる。これにより、信号光（ラマン散乱光）のみを検出することができる。また、本実施例では、分光素子をマイケルソン干渉計140としている。従って、光を波長ごとに分解せず、一括で検出できるため、光の利用効率を向上することができる。
【００３９】
更に、本実施例の分光器は、例えば、同一基板150上に一体で形成することができる。この場合の分光器は、ＳＯＩ基板を用いて作製することができる。ＳＯＩ基板とは、シリコン基板と表面シリコン層の間に、ＳｉＯ２（酸化シリコン）層を挿入した基板である。ＳｉＯ２層は、リング型光共振器130の導波路の下部クラッド層として作用させることができる。表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、エッチングすることにより、コア部を作製する。このとき、上部クラッド層は、空気を用いる。分光素子140の各要素も、表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、エッチングすることにより作製することができる。各要素の反射面には、金属等の反射膜が成膜される。この作製法により、分光器の小型化を可能にするとともに、光軸調整の作業を軽減することができる。尚、可動な移動鏡107とばね108の可動部の部分は、ＳｉＯ２層もエッチングして、シリコン基板から浮かせることとなる。
【００４０】
本実施例によれは、上記の如き波長カットフィルタを用いるので、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、著しく微弱な信号光（ラマン散乱光）のみを高効率で分離、検出することができる。また、上記の如く同一基板上に一体で形成することで分光器の小型化も可能となる。
【００４１】
（実施例2）
実施例2の分光器について図3を用いて説明する。図3は、本実施例の分光器の上面図である。実施例2の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、波長カットフィルタとして、少なくとも一層の空気層を有する積層型光共振器330を用いている点が異なる。本実施例の光共振器330は、低屈折率材料膜として空気層301を用いている。また、高屈折率材料膜として、シリコン302を用いている。
【００４２】
本実施例の分光器の作製方法は、実施例1の分光器と略同様である。ＳＯＩ基板の表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、ドライエッチングすることにより、積層型光共振器330、分光素子340等を作製する。
【００４３】
本実施例の光共振器330は、カットしたい波長λの1／2に光学的膜厚を設定している。従って、入射光320に含まれる、波長λを有する試料からの反射光やレイリー散乱光は、光共振器330を透過して、透過光321となり、ラマン散乱光を含む光は反射されて、不要光のカットされた反射光322となる。よって、試料からの反射光やレイリー散乱光を効果的に分離、除去することができる。
【００４４】
本実施例の固定鏡305、ビームスプリッタ306、移動鏡307、ばね308、フォーカシング光学系309、検出器310は、実施例1のものと同様なものである。
【００４５】
本実施例では、空気層を有する積層型光共振器330を波長カットフィルタとして用い、光共振器330からの反射光322を分光素子340に導入する。このことにより、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。本実施例では、光強度の強い、試料からの反射光やレイリー散乱光を除去した後の漏れ光は、透過光321に含まれるので、漏れ光が分光素子340に導入することを防止できる。
【００４６】
（実施例3）
実施例3の分光器について図4を用いて説明する。図4は、本実施例の分光器の上面図である。実施例3の分光器の構成、作用効果は、実施例2の分光器と略同様である。本実施例でも、波長カットフィルタとして、少なくとも一層の空気層を有する積層型光共振器430を用いている。本実施例の光共振器430の特徴は、低屈折率材料膜として空気層401を用い、高屈折率材料膜として酸化膜402を用いている点である。
【００４７】
本実施例の分光器の作製方法も、実施例1の分光器と略同様である。ＳＯＩ基板の表面シリコン層をフォトリソグラフィーによりパターニングし、ドライエッチングすることにより、積層型光共振器430、分光素子440等を作製する。
【００４８】
本実施例の積層型光共振器430は、光学的膜厚を、カットしたい波長λの1／4に設定している。従って、入射光420に含まれる、波長λを有する試料からの反射光やレイリー散乱光は、光共振器430により反射され、ラマン散乱光を含む光422は透過する。よって、試料からの反射光やレイリー散乱光を反射光421として分離、除去することができる。
【００４９】
本実施例の固定鏡405、ビームスプリッタ406、移動鏡407、ばね408、フォーカシング光学系409、検出器410も、実施例1のものと同様なものである。
【００５０】
本実施例では、空気層を有する積層型光共振器430を波長カットフィルタとして用い、光共振器430からの透過光422を分光素子440に導入する。このことで、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。また、本実施例では、光共振器430に光420を垂直に入射させることができる。従って、この構成は、光共振器430への入射光420の偏光特性の違いを考慮せずに使用できる。
【００５１】
（実施例4）
実施例4の分光器について図5を用いて説明する。図5は、本実施例の分光器の上面図である。実施例5の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、分光素子として、回転可能な回折格子540を用いており、これはアルミ膜を表面に有する。また、波長カットフィルタとして、リング型光共振器530を用いている。
【００５２】
本実施例のリング型光共振器530も、1000程度のQ値を有し、共振波長の1／Q程度、つまり1ｎｍ程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例のリング型光共振器530の透過減衰率も40db程度である。従って、試料からの反射光及びレイリー光の波長成分を10-3程度に低減させることができる。
【００５３】
本実施例のリング型光共振器530も、導波路501、導波路503、及び両導波路501、503に隣接して夫々所定の結合長でカップリングしたリング状導波路502で構成されている。導波路501、502、503は、クラッド部で取り囲まれたコア部で形成されている。例えば、コア部はシリコンであり、下部クラッド部は酸化シリコンであり、上部クラッド部は空気である。本実施例のリング型光共振器530は、例えば、分光器の基板の裏面に設けられたヒータを含む波長走査部550を備える。これにより、リング状導波路502の温度を制御して、波長カットフィルタの除去波長を連続的に変化させることができる。よって、計測対象に照射される励起光の波長が変化した場合でも、同じ分光器で微弱な信号光を検出することができる。
【００５４】
回折格子による分光の原理を説明する。回折格子は、種々の波長が混ざった光を波長ごとに分けることができる。本実施例の回折格子540としては、通常の回折格子を用いることができて、例えば、多数の溝やスリットが配列された構造をしている（ここでは、多数の溝が形成されて、表面にアルミ膜が施されている）。種々の波長が混ざった光522が回折格子540に入射すると、波長ごとに決まった或る角度で光が強め合い、この強め合った光を取り出すことで波長選択ができる。回折格子540は回転可能であるので、検出部510に、様々な波長の光を導入することができる。検出部を多数配列することによって、回折格子540を固定して使うこともできる。
【００５５】
本実施例でも、高いQ値を有するリング型光共振器530を波長カットフィルタとして用いる。このことで、微弱なラマン散乱光を含む入射光520から、試料からの反射光やレイリー散乱光を含む光521を高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。また、分光素子を回折格子540としているので、フーリエ変換せずに、直接、スペクトルの波長を検出することができる。
【００５６】
（実施例5）
実施例5の分光器の構成について図6を用いて説明する。図6は、本実施例の分光器の上面図である。実施例5の分光器の構成、作用効果は、実施例1の分光器と略同様である。本実施例では、二つのリング型光共振器630、631を光軸に沿って直列に並べた構成である点が異なる。
【００５７】
本実施例の二つのリング型光共振器630、631は、夫々1000程度のQ値を有し、共振波長の1／Q程度、つまり1ｎｍ程度の狭い帯域を持ったスペクトルの光を除去することができる。また、本実施例の二つのリング型光共振器630、631の透過減衰率は40db程度である。従って、本実施例の様に二つのリング型光共振器630、631を直列に並べることによって、試料からの反射光やレイリー光の波長成分を10-6程度に低減させることができる。
【００５８】
本実施例の導波路601a,b、導波路603a,b、リング状導波路602a,b、コリメータ604、固定鏡605、ビームスプリッタ606、移動鏡607、ばね608、フォーカシング光学系609、検出器610は、実施例1と同様なものである。また、入射光620、カットした光621a,b、カットされた光622も、実施例1のものと同様なものである。
【００５９】
本実施例では、高いQ値を有し、狭い共振ピークを有するリング型光共振器を直列に並べて、波長カットフィルタとして用いる。このことで、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を更に高効率で分離、除去し、信号光のみを検出することができる。その他の点は、実施例1と同じである。尚、実施例2や実施例3においても、分光素子に導かれる光の光軸に沿って直列的に複数の積層型光共振器を配列して、微弱なラマン散乱光から、試料からの反射光やレイリー散乱光を更に高効率で分離、除去する構成としてもよい。
【００６０】
（実施例6）
実施例6の分光器について図7を用いて説明する。図7は、本実施例の分光器の上面図である。実施例6の分光器の構成、作用効果は、実施例2の分光器と略同様である。本実施例では、少なくとも一層の空気層701を有する積層型光共振器730が可動な構造を有している点で異なる。高反射層702、703は、金属膜（アルミ）である。波長走査部750の少なくとも一方の高反射層を平行移動させるアクチュエータとしては、前述した様な静電力、電磁力、圧電エネルギー、熱膨張・収縮等を利用したものが使用できる。その設け方についても、実施例1で説明した移動鏡107（これを上記高反射層に置き換えて考えればよい）のアクチュエータに準じて設ければよい。
【００６１】
本実施例の固定鏡705、ビームスプリッタ706、移動鏡707、ばね708、フォーカシング光学系709、検出器710、分光素子740も、実施例1と同様なものである。また、入射光720、カットした光721、カットされた光722も、実施例1のものと同様なものである。
【００６２】
本実施例の光共振器730は、金属膜702と金属膜703のギャップが可変であるため、分離、除去する波長を変化させることができる。従って、図示しない試料へのレーザ励起光の波長が変化しても、試料からの反射光やレイリー散乱光を効果的に分離、除去することができる。その他の点は、実施例2と同じである。
【００６３】
（実施例7）
図8は、上記分光器を用いた分光分析装置の実施例を示す図である。図8において、803はビームスプリッタであり、805は本発明の分光器である。本実施例の分光分析装置は、試料802に光810を照射する励起光源801、試料802からの散乱光を集光する集光光学系804、分光器805、分光器805からのスペクトルパターンを検出、処理する検出処理系806で構成される。励起光源801は、半導体レーザ、アルゴンイオンレーザなどのレーザ発生装置である。
【００６４】
上記構成において、励起光源801から出射された光は、ビームスプリッタ706を介して、試料802に入射する。試料802から発生した光には、反射光、レイリー散乱光、ラマン散乱光などが含まれる。この試料802から発生した光は、集光光学系804により集光され、本発明の分光器805に入射する。分光器805により分光された結果は、検出処理系806により分析することによって、ラマンシフトを検出することができる。本発明の分光器を用いることによって、試料からの反射光やレイリー散乱光を高効率に除去できる小型な分光分析装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例1の分光器を説明するための上面図である。
【図２】（ａ）は本発明の光共振器の透過特性の例であり、（ｂ）は本発明の分光器に入射する光の強度分布の例であり、（ｃ）本発明の光共振器を透過した光の強度分布の例である。
【図３】本発明の実施例2の分光器を説明するための上面図である。
【図４】本発明の実施例3の分光器を説明するための上面図である。
【図５】本発明の実施例4の分光器を説明するための上面図である。
【図６】本発明の実施例5の分光器を説明するための上面図である。
【図７】本発明の実施例6の分光器を説明するための上面図である。
【図８】本発明の実施例7の分光分析装置を説明するための図である。
【図９】背景技術の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
101、103、501、503、601ａ、601ｂ、603ａ、603ｂ  導波路
102、502、602ａ、602ｂ  リング状導波路
105、305、405、605、705  固定鏡
107、307、407、607、707  移動鏡
110、310、410、510、610、710  検出処理系（検出器）
130、530、630、631  波長カットフィルタ（リング型光共振器）
140、340、440、640、740  分光素子（マイケルソン干渉計）
301、401、701  空気層
330、430、730  波長カットフィルタ（積層型光共振器）
540  分光素子（回折格子）
550、750  波長走査部
801  励起光源（レーザ発生装置）
802  試料
804  集光光学系
805  分光器
806  検出処理系
【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】
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【図８】
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【図９】
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