(57)【要約】【課題】従来測定が困難であった単分子層以下の極薄膜等までの光学過渡応答を、極めて高い時間分解能と感度で測定できるようにした反射率測定装置を提供する。【解決手段】書き込み光と、該書き込み光に対し時間遅延された読み出し光とを、測定対象物質に集光させる手段と、前記測定対象物質からの反射光を検出する手段とを有することを特徴とする反射率測定装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
書き込み光と、該書き込み光に対し時間遅延された読み出し光とを、測定対象物質に集光させる手段と、前記測定対象物質からの反射光を検出する手段とを有することを特徴とする反射率測定装置。
【請求項２】
前記書き込み光および読み出し光としてパルス光が用いられている、請求項１の反射率測定装置。
【請求項３】
前記書き込み光および読み出し光が同じ光源光から作られる、請求項１または２の反射率測定装置。
【請求項４】
前記書き込み光および読み出し光の光源としてレーザー光源が用いられている、請求項１〜３のいずれかに記載の反射率測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物質が、単分子層以下の薄膜からなる、請求項１〜４のいずれかに記載の反射率測定装置。
【請求項６】
さらに、前記反射光検出手段による検出信号をフーリエ変換し、振動スペクトルを得る手段を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の反射率測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射率測定装置に関し、とくに、従来測定が困難であった単分子層以下の極薄膜等までの測定対象物質の光学過渡応答を高速で観測するために、反射率を極めて高い時間分解能と感度で測定できるようにした反射率測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フェムト秒レベルのパルス光として出力されるレーザー光を用いて測定対象物質の光学過渡応答を測定する方法は、高速現象を実時間で観測できるという利点から、溶液や固体の分析方法として広く用いられている（例えば、非特許文献１）。しかし、この従来の透過光を検出する手法を用いて、単分子層以下の極薄膜からの信号を検出することは困難であった。そのため、高い時間分解能でかつ良好な信号ノイズ比で極薄膜の光学過渡応答を観測できる方法は、これまでに見当たらない。
【非特許文献１】「超高速振動コヒーレンス分光」、田原太平、分光研究第４７巻第１号、１９９８年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、従来測定が困難であった単分子層以下の極薄膜等までの測定対象物質の光学過渡応答を、極めて高い時間分解能と感度で、高精度に測定できるようにした反射率測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明に係る反射率測定装置は、書き込み光と、該書き込み光に対し時間遅延された読み出し光とを、測定対象物質に集光させる手段と、前記測定対象物質からの反射光を検出する手段とを有することを特徴とするものからなる。すなわち、書き込み光と、該書き込み光に対し時間遅延された読み出し光とを測定対象物質に集光させ、高速かつ実時間にて反射されてくる反射光を測定することにより、極めて高い時間分解能と感度にて、測定対象物質の光学過渡応答を観測できるようにしたものである。
【０００５】
この反射率測定装置においては、前記書き込み光および読み出し光としてパルス光（例えば、レーザー光、中でもフェムト秒レベルの時間幅のレーザー光）を用いることができる。
【０００６】
前記書き込み光と読み出し光は、異なる光源からの光とすることも可能であるが、同じ光源光から作ることが好ましく、それによって時間軸でのジッターを抑えることができる。
【０００７】
これら書き込み光および読み出し光の光源としては、レーザー光源を用いることができる。例えば、後述の実施例に示すように、レーザー光源の出力光によって光パラメトリック増幅器を駆動させることにより、可視領域で波長可変のフェムト秒レベルのパルス光を発生させることができる。
【０００８】
また、上記測定対象物質は特に限定されず、上記反射光を検出可能な測定対象物質であれば如何なる対象に対しても反射率の測定が可能である。とくに本発明に係る反射率測定装置は、従来測定が困難であった単分子層以下の薄膜に対しても光学過渡応答を観測できることから、このような極薄膜の測定に対して最適なものとなる。
【０００９】
本発明に係る反射率測定装置は、さらに、前記反射光検出手段による検出信号をフーリエ変換し、振動スペクトルを得る手段を有する構成とすることができる。これによって、単分子層以下の極薄膜等の振動スペクトルが測定可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
このように、本発明に係る反射率測定装置によれば、書き込み光と、該書き込み光に対し時間遅延された読み出し光とを測定対象物質に集光させ、該測定対象物質からの反射光を検出するようにしたので、測定対象物質の光学過渡応答を、とくに従来測定が困難であった単分子層以下の極薄膜の光学過渡応答を、極めて高時間分解能と感度にて測定することができる。また、本発明に係る反射率測定装置による測定結果から、振動スペクトルを高感度に計測することも可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る反射率測定装置１を示している。本実施態様では、薄膜の光学過渡応答を測定可能とするため、光源として卓上型レーザー光源２を用い、レーザー光源２の出力光によって光パラメトリック増幅器３を駆動させることによって、フェムト秒レベルのパルス光を発生させている。実験装置で使用したより具体的な仕様は、卓上型レーザー光源２としてチタンサファイヤレーザー再生増幅器（波長：８００ｎｍ、自己相関幅：１２０ｆｓ、パルスエネルギー：０．５ｍＪ）を用い、この出力光により、光パラメトリック増幅器３によって、可視領域で波長可変のフェムト秒パルス（波長：５１０〜７５０ｎｍ、自己相関幅：２３ｆｓ  ａｔ６５０ｎｍ）を発生させる。
【００１２】
光パラメトリック増幅器３からの出力光を、ハーフミラー４を用いて、光学過渡現象の書き込み光５と読み出し光６の二つに分ける。読み出し光６は、書き込み光５に対して時間遅延光学系７を用いて時間遅延させ、書き込み光５と時間遅延された読み出し光６とを、測定対象物質としての試料８の表面に集光させる。この試料８の表面からの反射光９を検出器１０によって検出する。実験装置では、試料８として、合成石英基板にスピンコートした分子薄膜を用い、この分子薄膜に上記書き込み光５と読み出し光６を集光させて照射した。試料８の表面で反射した読み出し光６の強度を、二つの光５、６の時間的なタイミングを時間遅延光学系７を図１の矢印の方向に移動させることによって調整しながら、測定した。この測定系により、上記分子薄膜の光学過渡応答を、２３ｆｓという高い時間分解能で高精度で測定することができた。
【００１３】
図２は、上記反射率測定装置１を用いて検出した信号の例を示している。この測定例は、吸着種としてクレシルバイオレットと呼ばれる蛍光色素を用いた、単分子以下の吸着量の極薄膜の光学過渡応答を示したものである。図２に示すように、極薄膜の光学過渡応答が非常に高い感度で観測されていることが分かる。そして、この結果の解析から、本方法における時間分解能が、使用したレーザーの時間分解能（２３ｆｓ）と同じであることが分かった。したがって、この方法を用いれば、単分子以下の吸着量の極薄膜の光学過渡応答を測定できることが明らかになった。
【００１４】
さらに、得られた信号をフーリエ解析することによって、図３に示すように、極薄膜のラマンスペクトルを得ることができる。得られたラマンスペクトルには、原理的に波数０ｃｍ-1からの情報が含まれている。よって、この方法は、極薄膜の低波数振動分光法として利用することが可能である。さらに、測定の原理上、ラマン測定の大きな障害となる蛍光を除去することが容易であるという利点も有している（この測定例で用いた試料も、上述の如く、高い蛍光性の薄膜である）。
【００１５】
本発明に係る反射率測定装置は、従来の透過光による測定に比べ、書き込み光に対し時間遅延された読み出し光の反射光を測定する点で、基本的に相違する。従来方法である時間分解吸収測定の検出信号と、本発明に係る反射率測定装置における検出信号とを、同じレーザーシステムを用いて比較してみた。
【００１６】
基板（ガラス基板）上に設けた１０分子層程度の多層分子薄膜の光学過渡応答の検出信号で比較してみた。その結果、従来方法（透過型過渡吸収測定法）では図４に示す検出信号が得られ、本発明に係る反射率測定装置では図５に示す検出信号が得られた。従来方法では図４に示すように、時間原点付近に基板からの非常に大きな信号が現れる。このため、目的とする信号である、分子層の光学応答だけを検出できるのが、約５０ｆｓ以降からになり、上述したレーザーシステムの本来ある筈の時間分解能（２３ｆｓ）が損なわれてしまうこととなっている。
【００１７】
これに対して本発明に係る反射率測定装置では、図５に示すように、基板からの信号を最小限に抑えることが可能となり、レーザーシステムの時間分解能と同等の分解能で薄膜の光学過渡応答（目的とする信号）を検出することが可能となる。
【００１８】
さらに、同じレーザーを用いているにも関わらず、本発明で得られる信号の強度は、従来方法における強度に比べて約６倍大きい。したがって、測定感度という意味でも、本発明に係る反射率測定装置は、従来の測定方法よりもはるかに優れていることが明らかである。実際に、従来方法では、単分子層以下の極薄膜からの光学信号強度はノイズ以下であり、実質的にこのような極薄膜の光学過渡応答の検出はできない。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明に係る反射率測定装置は、基本的にあらゆる測定対象物質の反射率測定に適用でき、とくに、単分子層以下の極薄膜の反射率測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施態様に係る反射率測定装置の概略構成図である。
【図２】図１の反射率測定装置の検出信号例を示す反射率の特性図である。
【図３】図２の検出信号から求めたラマンスペクトルを示す図である。
【図４】同じレーザーを用いた従来方法と本発明の反射率測定装置との比較における、従来方法による検出信号としての透過率の特性図である。
【図５】同じレーザーを用いた従来方法と本発明の反射率測定装置との比較における、本発明による検出信号としての反射率の特性図である。
【符号の説明】
【００２１】
１  反射率測定装置
２  レーザー光源
３  光パラメトリック増幅器
４  ハーフミラー
５  書き込み光
６  読み出し光
７  時間遅延光学系
８  測定対象物質としての試料
９  反射光
１０  検出器
【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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