(57)【要約】【課題】プリズムを使わないで、これを使ったと同様の測定結果を得る。【解決手段】所定角度に傾斜した端面１ａを有する厚さ数１０μｍ〜２００μｍの分光器用導波路１を用いる。該導波路の一方側の端面１ａから導波路１内に集光レンズを用いて該導波路１の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路１の他方側の端面から出射するようにする。【選択図】図１  
2004145354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　所定角度に傾斜した端面を有する断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を用い、該導波路の一方側の端面から、該導波路内に集光レンズを用いて該導波路の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路の他方側の端面から出射するようになしたことを特徴とする光導波路分光器のための光結合法。
【請求項２】
　数１０μｍ〜２００μｍの厚さとなすと共に左右両方の端面を所定角度に傾斜させて断面台形となし、一方側の端面から、集光レンズを用いて出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、他方側の端面から出射するようになしたことを特徴とする光導波路分光測定のための導波路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は光導波路分光器のための光結合法及び光導波路分光測定のための導波路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
　薄い数１０μｍ厚から数１００μｍ厚の光導波路を用い、ＵＶ／Ｖｉｓ域の分光器を形成し、導入した光の全反射モードでのエバネセント波を利用し、且つその薄さに基づく多重反射でもって非常に高感度で試料表面又は裏面の超薄層部の分光特性を測り得ることは特許第２８０７７７７号特許公報にも開示されているようによく知られている。
【０００３】
　また、本発明者も１００μｍ厚、２００μｍ厚の石英板導波路を用いて前記特許第２８０７７７７号と同じ光学系で同等の高感度分光結果を得ている（図６の従来の導波路分光器の光結合法参照。）。尚、図６において符号２１は従来法の導波路、２２は試料、２３、２４は導波路２１の上面に密着させるプリズム、２５、２６はマッチング液である。
【０００４】
　そして、前記導波路分光器への光の導入／取出時に際しての光の結合法は導波路の上面に密着させるプリズムを用いる方法が行われている。そしてまた、これらのプリズムは、通常角度４５°又は５５°のものが用いられ、光学研磨されているプリズム面と導波路面の光学密着性を得るために圧着又はマッチング液の使用、或いは両者の併用が行われている。尚、実用的にはマッチング液が多用されている。
【０００５】
　プリズム、マッチング液、導波路の三者の屈折率はきわめて近い値であることが望ましく（理想的には同一であることが望ましい。）、ＵＶ／Ｖｉｓ域での導波路は、溶融石英（ｎ＝１．４５）、プリズムは重フリントガラス（ｎ＝１．６１）又はサファイア（ｎ＝１．７６）、マッチング液はヨウ化メチレン（ｎ＝１．７４）、グリセリン（ｎ＝１．４７）、水（ｎ＝１．３３）、エチルアルコール（ｎ＝１．３６）等が用いられている。
【０００６】
　プリズムを使用する場合には、前記の如く光学密着性を得るために通常はマッチング液の使用が不可避である。しかし、通常用いられるマッチング液は、揮発又は固化してマッチング作用が失われ、測定時間が限られるという問題点がある。
【０００７】
　また、マッチング作用を行わせるための最適量があり、繰り返し測定の際の再現性を得るのに熟練を要する。
【０００８】
　また、注入後間隙に一様に浸透し、安定化するための時間が必要である。そしてまた、安定後の測定時においても揮発に伴い結合状態の変化を引き起こし、分光データの不安定さにつながるという問題もある。
【０００９】
　更にまた、試料表面の変化を見るために真空系、嫌気系、加熱、冷却等を行うに際し、マッチング液自体の安定性が得られないだけでなく、揮発したマッチング液が試料表面に付着したり、化学変化を及ぼすことがあり、これらの特殊測定系を構成するのが非常に困難であった。
【００１０】
　このため、マッチング液を使わないこと、即ちプリズムを使わない導波路への光入／出射が斯かる光導波路分光器において要望されている。
【００１１】
　また、マッチング液が液体であることから、導波路の上面にプリズムが位置していることが必要で、導波路の横面又は下面に位置させることはできず、このことが斯かる分光器の構成上非常に大きな制約になっていた。
【００１２】
　また、図６の従来の導波路分光器での測定対象物は、通常薄膜又はその膜表面が用いられているが、測定対象物の下面側を測定するための導波路上のプリズムの存在により測定対象物の上面側にもう一つの導波路を密着させることができない。この結果導波路面と密着した下面側の膜表面のみが測定対象となり、反対側即ち、上面側の膜表面は同時に測定できない。したがって、例えば、負荷環境条件による薄膜表面での経時変化を測定する際には、膜を導波路面に密着させ、負荷環境条件にさらして一方側の膜表面を測定した後、もう一方側の膜表面を再度負荷環境条件にさらして測定すべく、膜を一旦剥離する必要がある。しかし、この剥離を行う際、該膜を破壊し易く、且つ膜の表面状態を均一に保つことが困難である。
【００１３】
　また、別の例として、試料薄膜の表面と裏面とが、その生成過程又は存在過程に若干の差がある場合に、例えば、高分子薄膜において内在する分散剤の下面への浸み出し（マイグレーション）や可塑剤の上面への浸み出し（ブリード）を見る場合等に、この膜の表面と裏面とを測定するためには一旦測定後に試料膜の剥離が必要となる。しかし、剥離の際の膜の破壊などから実施は困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
　本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、プリズムを使わないで、即ちマッチング液を使わないで、これを使ったと同様の測定結果を得ることができるようになした光導波路分光器を用い、左右両方の端面を所定角度に傾斜させて断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を試料の両面に光学密着させて測定するようになし、もって上記の問題点を悉く解決することができるようになした光導波路分光測定法を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
　而して、本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）所定角度に傾斜した端面を有する断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を用い、該導波路の一方側の端面から、該導波路内に集光レンズを用いて該導波路の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路の他方側の端面から出射するようになしたことを特徴とする光導波路分光器のための光結合法。
【００１６】
（２）数１０μｍ〜２００μｍの厚さとなすと共に左右両方の端面を所定角度に傾斜させて断面台形となし、一方側の端面から、集光レンズを用いて出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、他方側の端面から出射するようになしたことを特徴とする光導波路分光測定のための導波路。
【発明の効果】
【００１７】
　本発明に係る光導波路分光器のための光結合法によれば、所定角度に傾斜させた端面を有する断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を用い、該導波路の一方側の端面から、該導波路内に集光レンズを用いて該導波路の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路の他方側の端面から出射するようになしたから、プリズムを使わないで、これを使ったと同様の測定結果を得ることができる。またプリズムを使わないからマッチング液も不要となり、この結果分光器の構成を単純にすることが可能となる。またマッチング液の揮発の問題やサンプルへのコンタミ、干渉の問題がなくなり、真空系、嫌気系、加熱、冷却等が自由に設計可能となり、分光器の応用範囲を拡げることができる。
【００１８】
　また、正角度入射に加えて負角度入射も可能となり、特に低角度まで可変となったことから、表面計測厚の制御を角度で変えることが可能となった。
【００１９】
　また、プリズムと比較し、反射に伴う損失が少なくなり、光学系が明るくなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
　光導波路分光器のための光結合法は、所定角度に傾斜した端面を有する断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を用い、該導波路の一方側の端面から、該導波路内に集光レンズを用いて該導波路の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路き他方側の端面から出射するようになすものである。
【００２１】
　また、光導波路分光測定のための導波路は、数１０μｍ〜２００μｍの厚さとなすと共に左右両方の端面を所定角度に傾斜させて断面台形となし、一方側の端面から、集光レンズを用いて出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、他方側の端面から出射するようになすものである。
【実施例１】
【００２２】
　以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。
　図１は本発明に用いる光導波路分光器の説明図であり、図中１は厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路である。また、該導波路１は左右両方の端面１ａを所定角度θにカットして傾斜させ、断面台形としており、そしてこの端面に光学研磨を施している。そしてまた、該導波路１のカットして光学研磨した一方側の端面から、図示しない光源から発射された紫外、可視の白色光を集光レンズを用いて出射側において充分光強度が得られるように調整して入射するものである。そして、該導波路１内で全反射した光は該導波路１の他方側の端面から出射するようになすものである。
【００２３】
　そして導波路１の一方側の端面に入射するときは、スネルの屈折率の法則で図１の如く入射する。例えば、ｎ＝１．４石英導波路とｎ＝１．０空気とでθの最適値を求めると（表１参照）、θ＝７５°〜６０°であれば、クラッドを空気としたとき、クラッド面で全反射の起こる入射角αの存在範囲は、臨界角α０　がα０　＝４５°であることから、α＝−２０°〜２０°であることが読み取れる。
【００２４】
【表１】
2004145354.tif 000003
【００２５】
　また、図１においてαは入射角、βは屈折角、θは端面研磨角（傾斜角）、α′は外部入射光角、γは内部導波光角、ｄは導波路の厚みである。また屈折率は空気ｎ０　≒１、ガラス（石英）ｎ１　≒１．４である。
【００２６】
　また、図より２つの関係式は次の通りである。
【００２７】
【数１】
2004145354.tif 000004
【００２８】
　また、屈折率の法則より次の通りになる。
【００２９】
【数２】
2004145354.tif 000005
【００３０】
　また、臨界角α０　は次の通りである。
【００３１】
【数３】
2004145354.tif 000006
【００３２】
　また、本実施例ではθ＝６０°の平面導波路としているが、螺旋状をした平面の螺旋導波路又は円柱の端面をθ＝６０°にカットした円柱導波路でもよい。
【００３３】
　そして、通常導波路は上下両面の反射面を持ち、その一方の面に試料を光学密着させる。この試料密着面と光の入射角との関係は、図２に示す如き正角度入射と図３に示す如き負角度入射がある。また、ここで正角度入射とは、図１に示す通り導波路１の光入射側の端面１ａにおいて、該導波路１の上下の面と平行し、導波路１の厚み方向の中心を通る線Ｘを基準として、該線Ｘより上方から光を入射する場合、また負角度入射とは該線Ｘより下方から光を入射する場合をいう。
【００３４】
　このように角度θを持つ一方側の端面への光の入射では、簡単に下面入射も構成することができる。また、試料を導波路に対し横位置、下面位置をとることもできるので、分光器の設計自由度が非常に大きくなる。例えば、液容器の側壁に導波路を設置すると、試料溶液の、又は試料溶液に内在する成分の界面での状態の深さ方向の変化を測定できる。
【００３５】
　また、内部導波光角γで入射した光の、全反射点間隔を２ｌとするとき、最小の有効な試料片長はｌである。導波路の厚さｄに対する値を表２に示す。
【００３６】
　前記図２、図３は、同一の試料片長を概略４ｌとしたときの正角度入射と負角度入射の場合を図示したものであり、正角度入射は１回反射であるのに対して負角度入射は２回反射となる。これは特に入射角αの選択において少反射回数の分光系を採用する際に、より強い測定強度を得るのに有効となる。
【００３７】
【表２】
2004145354.tif 000007
【００３８】
　次に、本発明の分光測定の実験例を図４及び図５に示す。
　図４は本発明の端面カットしたＵＶ／Ｖｉｓ導波路での測定であり、図５は従来法によるＵＶ／Ｖｉｓ導波路上にプリズムをカップリング液を用いて密着させての測定である。
【００３９】
　サンプルはメチレンブルー水溶液で、約２μｌを導波路上に滴下し、放置５分後の状態スペクトルである。比較して分かることは、プリズム及びカップリング液による吸収が除かれたため、新たに紫外域２３５ｎｍから２６５ｎｍ迄が測定可能領域となったことである。
【００４０】
　測定に使用した機器及び測定条件は以下のものである。
　分光器：オーシャンオプティックス社＃ＰＣ１０００光ファイバー分光器
　光源　：キセノンランプ１５０Ｗ
　光ファイバー：４００μｍφＵＶ／Ｖｉｓ石英
　導波路：石英板０．２ｍｍ厚、２０×６５ｍｍ
　サンプル：メチレンブルー０．０１ｍＭ水溶液
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に用いる光導波路分光器の説明図である。
【図２】試料に対して正角度入射を行った場合の説明図である。
【図３】試料に対して負角度入射を行った場合の説明図である。
【図４】本発明の端面カットしたＵＶ／Ｖｉｓ導波路での測定結果を示すグラフである。
【図５】従来法によるＵＶ／Ｖｉｓ導波路上にプリズムをマッチング液を用いて密着させて測定した結果を示すグラフである。
【図６】従来の光導波路分光器の説明図である。
【符号の説明】
【００４２】
　１　導波路
　１ａ　カットした導波路の端面
　２　試料
　２１　従来法の導波路
　２２　試料
　２３、２４　プリズム
　２５、２６　マッチング液
【図１】
2004145354.tif 000008
【図２】
2004145354.tif 000009
【図３】
2004145354.tif 000010
【図４】
2004145354.tif 000011
【図５】
2004145354.tif 000012
【図６】
2004145354.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成15年11月27日(2003.11.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
　本発明は上記の点に鑑みなされたものであって、プリズムを使わないで、即ちマッチング液を使わないで、これを使ったと同様の測定結果を得ることができるようになした光導波路分光器のための光結合法及び光導波路分光測定のための導波路を提供せんとするものである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
　光導波路分光器のための光結合法は、所定角度に傾斜した端面を有する断面台形となした厚さ数１０μｍ〜２００μｍの導波路を用い、該導波路の一方側の端面から、該導波路内に集光レンズを用いて該導波路の出射側において充分光強度が得られるように調整された光を入射し、該導波路の他方側の端面から出射するようになすものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
　次に、本発明と従来法による分光測定の実験例を図４及び図５に示す。
　図４は本発明の端面カットしたＵＶ／Ｖｉｓ導波路での測定であり、図５は従来法によるＵＶ／Ｖｉｓ導波路上にプリズムをカップリング液を用いて密着させての測定である。