(57)【要約】【課題】  照射レーザー光の波長と同一の波長の被測定光であっても、レイリー散乱光のみを除去し、被測定光は除去しないレイリー散乱光除去方法と、低コストかつ利便性の高いレイリー散乱光除去装置を提供する。【解決手段】  レーザー光源１からのレーザー光２を照射レーザー光４と参照レーザー光５とに分割し、照射レーザー光４を被測定物質６に照射すると共に、照射レーザー光６の照射によって物質６から生じる物質光８中のレイリー散乱光に対して、πの位相差を付加し、かつ、光強度をレイリー散乱光と等しくした参照レーザー光５を物質光８に混合し、レイリー散乱光を参照レーザー光５と干渉させて除去する。【選択図】  図１
2005308594.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源からのレーザー光を、照射レーザー光と参照レーザー光とに分割し、
この照射レーザー光を被測定物質に照射すると共に、
この照射レーザー光の照射によって上記物質から生じるレイリー散乱光に対して、πの位相差を付加し、かつ、強度を等しくした上記参照レーザー光を上記レイリー散乱光に混合することにより、
上記レイリー散乱光を、参照レーザー光と干渉させて除去することを特徴とする、レイリー散乱光除去方法。
【請求項２】
レーザー光源と、
このレーザー光源からのレーザー光を、照射レーザー光と参照レーザー光とに分割する分割手段と、
上記照射レーザー光を被測定物質に導く光学系と、
上記参照レーザー光に位相を付加する位相付加手段と、
上記参照レーザー光の強度を調節する強度調節手段と、
上記照射レーザー光の照射によって被測定物質から発生する光を集光し、測定用検出器に導く光学系と、
上記位相の付加された参照光と上記集光された光とを混合する光学系とよりなることを特徴とする、レイリー散乱光除去装置。
【請求項３】
請求項２の構成に加え、
前記位相の付加された参照光と集光された光とを混合した混合光の強度を検出する制御用検出器と、
この制御用検出器で検出した混合光強度に基づき、前記位相付加手段の付加位相量を帰還制御する制御手段とを備えていることを特徴とする、レイリー散乱光除去装置。
【請求項４】
前記位相付加手段は、ミラーの背面にピエゾ素子を配設したマイケルソン干渉計型の位相付加手段であり、
前記制御手段は、前記ピエゾ素子に直流電圧とこの直流電圧に重畳した交流電圧を印加する手段と、
前記制御用検出器で検出する混合光強度を、前記交流電圧の周波数でロックイン検出するロックイン検出器と、
このロックイン検出器の検出信号に基づき、前記直流電圧を帰還制御する帰還制御手段とを有していることを特徴とする、請求項３に記載のレイリー散乱光除去装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レイリー散乱光除去方法と、その方法を用いたレイリー散乱光除去装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体・誘電体・金属・有機物・生体物質を問わず、広くまたがる物質相の、基礎的な特性評価の方法として、レーザー分光測定法がある。この方法は、物質にレーザー光を照射し、物質の固有の性質に基づいて発生する蛍光や燐光などの発光、あるいはラマン散乱光の波長やその強度を測定するものである。一般に、レーザー照射された物質から発生する光のほとんどはレイリー散乱光であり、物質固有の発光、あるいはラマン散乱光の強度は極めて微弱である。このため、物質固有の発光、あるいはラマン散乱光の波長や強度を測定するためには、物質の発生する光からレイリー散乱光を分離することが必要である。従来の分離方法は、分光器や光ノッチ・フィルター（特許文献１参照）を使用するものであり、この方法は、物質固有の発光、あるいはラマン散乱光の波長がレイリー散乱光の波長と異なることを利用して分離するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、レイリー散乱光の波長は照射レーザー光の波長に等しく、被測定光である物質固有の発光や低次のラマン散乱光の波長は照射レーザー光の波長に極めて近接している。このため、従来のこの種の測定装置は、レイリー散乱光と被測定光を分離するために、ダブルモノクロメーター等の高コストの分光器を使用せざるを得ず、その結果、従来のこの種の測定装置は高コストであり、且つ、利便性が悪い。
また、蛍光や燐光等の物質固有の発光は、種々の波長を有しており、照射レーザー光の波長と同一の波長の発光を測定したい場合があるが、この場合には、分光器や光ノッチ・フィルターを使用して、レイリー散乱光を除くと、発光も同時に除かれてしまい、測定が不可能である。
また、分光器や、光ノッチフィルター等の光学部品を使用すると、その光学部品の界面で発生する反射光や、その光学部品の部材から発生する散乱光により、装置のＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が悪くなる。
【０００４】
このように、従来のレイリー散乱光を除去する方法は、光波長の違いを利用して、レイリー散乱光と信号光を分離するものであるため、装置が高コストであり、利便性が悪く、かつ、照射レーザー光の波長と同一の波長の被測定光（信号光）は分離できないという課題がある。
【特許文献１】特開平０４−５１１３０５号公報
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明のレイリー散乱光除去方法は、レーザー光源からのレーザー光を照射レーザー光と参照レーザー光とに分割し、この照射レーザー光を被測定物質に照射すると共に、照射レーザー光の照射によって物質から生じるレイリー散乱光に対して、位相差がπになるように、かつ、強度が等しくなるように調整した参照レーザー光をレイリー散乱光に混合し、レイリー散乱光を参照レーザー光と干渉させて除去することを特徴とする。
この方法によれば、照射レーザー光の照射によって物質から生じる光のうち、レイリー散乱光は、照射レーザー光に対して一定の位相関係を有した可干渉性の光であるので、レイリー散乱光と、レイリー散乱光に対して位相差πを有し、強度が等しい参照レーザー光
とを混合し、干渉させることにより、レイリー散乱光が除去される。レイリー散乱光が除去されるので、例えば、微弱な強度の物質固有の発光やラマン散乱光を測定できるようになり、また、レイリー散乱光と波長の等しい物質固有の発光も測定できるようになる。
【０００６】
また、本発明のレイリー散乱光除去装置は、レーザー光源と、このレーザー光源からのレーザー光を、照射レーザー光と参照レーザー光とに分割する分割手段と、照射レーザー光を被測定物質に導く光学系と、参照レーザー光に位相を付加する位相付加手段と、参照レーザー光の強度を調節する強度調節手段と、照射レーザー光の照射によって被測定物質から発生する光を集光し、測定用検出器に導く光学系と、位相の付加された参照光と集光された光とを混合する光学系とからなることを特徴とする。
この構成によれば、被測定物質から発生する物質光のうち、レイリー散乱光は、位相付加手段で適切な位相を付加され、かつ、強度調節手段で適切な強度に調節された参照レーザー光と混合し、干渉してうち消されるから、例えば、微弱な物質固有の発光やラマン散乱光を測定できるようになり、また、レイリー散乱光と波長の等しい物質固有の発光も測定できるようになる。
【０００７】
また、上記構成に加え、位相の付加された参照レーザー光と被測定物質から発生する光との混合光強度を検出する制御用検出器と、検出した混合光強度に基づき位相付加手段の付加位相量を帰還制御する制御手段とを備えていてもよい。
この構成によれば、常に干渉量が最大になるように帰還制御することができるから、測定環境の変動、例えば、温度や振動の変動に対しても安定であり、例えば、長時間安定して微弱な物質固有の発光やラマン散乱光を測定できる。
【０００８】
また、位相付加手段は、ミラーの背面にピエゾ素子を配設したマイケルソン干渉計型の位相付加手段であり、制御手段は、ピエゾ素子に直流電圧と直流電圧に重畳した交流電圧を印加する手段と、制御用検出手段で検出する混合光強度を交流電圧の周波数でロックイン検出するロックイン検出器と、ロックイン検出信号に基づき、直流電圧を帰還制御する帰還制御手段とを有していてもよい。
この構成によれば、ピエゾ素子に印加する直流電圧によって、マイケルソン干渉計の光路長を可変できるから、参照光に任意の位相を付加できる。また、交流電圧の周波数で混合光強度をロックイン検出するので、物質から発生する光と参照光との干渉量が、高感度に検出できる。この干渉量に基づいて、直流電圧を帰還制御するので、最適の位相付加が高精度、かつ、安定に実現できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のレイリー散乱光除去方法及びその装置によれば、レイリー散乱光を、照射レーザー光の一部から形成した参照レーザー光と干渉させることによって除去するから、微弱な物質固有の発光やラマン散乱光を測定できるようになり、また、レイリー散乱光と波長の等しい物質固有の発光も測定できるようになる。また、従来、パルスレーザー光による蛍光測定においては、パルスレーザー光のパルス幅時間内に生ずる蛍光は、レイリー散乱光強度が被測定光の強度に比べて強すぎるために測定することが困難であったが、本発明の方法を用いることにより、レイリー散乱光が除去されるから、このパルス幅時間内の蛍光も測定することができる。また、従来の分光器を用いた分離装置に比べて装置コストが低く、さらに従来の光学部品を用いた装置のように、Ｓ／Ｎ比を悪化させることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
初めに本発明の模式的装置を用いて本発明の方法を説明する。図１は本発明の方法を説明するための模式装置を示す図である。
なお、物質に光を照射すると、レイリー散乱光、ラマン散乱光、或いは蛍光や燐光等の
発光が生ずるが、下記の説明においては、これらの光をひとまとめにして物質光と呼ぶ。
図において、レーザー光源１を用い、レーザー光源１の発生するレーザー光２をビームスプリッター３を用いて照射レーザー光４と参照レーザー光５とに分割する。照射レーザー光４を物質６に照射する。参照レーザー光５は可動ミラー７によって反射させる。照射レーザー光４を照射することによって物質６から生ずる物質光８と、可動ミラー７によって反射され、透過光強度可変フィルター９を透過した参照レーザー光５とを、ビームスプリッター１０で合波し、混合光１１を形成する。混合光１１の強度を光強度検出器１２によって測定する。光強度検出器１２の出力が最小になるように可動ミラー７の位置、及び透過光強度可変フィルター９の透過率を調節する。これによって、混合光１１からレイリー散乱光が除去され、物質固有の発光やラマン散乱光のみとなり、微弱な発光やラマン散乱光を測定できるようになる。
【００１１】
照射レーザー光によって物質から生じる光、すなわち物質光のうち、レイリー散乱光は、照射レーザー光に対して一定の位相関係を有した可干渉性の光であるので、レイリー散乱光を、レイリー散乱光と強度が等しく、かつ、レイリー散乱光に対して位相差πを有する参照レーザー光と干渉させることにより、レイリー散乱光のみが除去され、物質固有の発光やラマン散乱光が残る。
一般に、物質に光を照射して生ずる光はほとんどがレイリー散乱光であり、測定したい物質固有の発光やラマン散乱光の強度は、レイリー散乱光の強度に比べて著しく小さい。このため、従来は、光検出器のダイナミックレンジの限界により、物質固有の発光やラマン散乱光を測定するためには、ダブルモノクロメーター等の高コストで、且つ利便性の悪い装置を使用して波長分離せざるを得なかった。本発明の方法によれば、波長分離することなく、かつ、通常のダイナミックレンジを有する光検出器で、物質固有の発光やラマン散乱光を測定することができる。さらには、レイリー散乱光と波長が等しい物質固有の発光も測定することができる。
【００１２】
また、本発明の方法は、パルスレーザー光を使用した蛍光測定にも有効である。
パルスレーザー光による蛍光測定においては、パルスレーザー光のパルス幅時間内に生ずる蛍光は、レイリー散乱光強度が被測定光の強度に比べて強すぎるため、光検出器のダイナミックレンジの限界から、測定することが困難であったが、本発明の方法を用いることにより、測定できるようになる。
【００１３】
図２はパルスレーザー光による蛍光測定に本発明の方法を適用した場合の効果を説明する図である。図において、横軸はパルスレーザー光を物質に照射した時点を原点とした時間軸であり、縦軸は、物質の蛍光強度またはレイリー散乱光強度を示す。
図に示すように、蛍光強度２１は、照射パルスレーザー光２２のパルス時間幅２２においては、レイリー散乱光２３と重なっているために、この時間帯域の蛍光特性を測定することは困難であった。本発明の方法によれば、レイリー散乱光２３と逆位相にあり、かつ、強度が等しい参照光２４を加えることになるので、レイリー散乱光２３が除去され、パルス時間幅２２における蛍光特性２５が測定できるようになる。
【００１４】
次に、本発明のレイリー散乱光除去装置を説明する。
図３は、本発明のレイリー散乱光除去装置の構成を示す図である。本発明のレイリー散乱光除去装置３０は、レーザー光源３１と、レーザー光源３１から出射するレーザー光３２を、照射レーザー光３３と参照レーザー光３４とに等分に分割するビームスプリッター３５と、照射レーザー光３３を被測定物質３６に導き、集光するビームスプリッター３７と対物レンズ３８とからなる光学系と、参照レーザー光３４に位相を付加した参照光３９を形成する位相付加手段５０と、位相付加手段５０の位相付加量を制御する制御手段６０と、位相の付加された参照レーザー光３９の透過光強度を調節する透過光強度可変フィルター４０と、照射レーザー光３３の照射によって被測定物質３６から発生する物質光４１を集光して平行光とする対物レンズ３８と、参照レーザー光３９と物質光４１とを混合して混合光４２と混合光４３を形成するビームスプリッター４４と、混合光４３の強度を測定する制御用検出器４５とを有している。なお、混合光４２は、用途によって適宜選択する機器、例えば分光器である測定用検出器４６に入射される。
【００１５】
また、位相付加手段５０は、可動ミラー５１と、可動ミラー５１の背面に配設したピエゾ素子５２と、参照レーザー光３４を透過し、可動ミラー５１で反射した参照レーザー光３９をビームスプリッター４４に導くビームスプリッター５３とからなる。ピエゾ素子５２は、ピエゾ素子５２に印加される電圧値によってその厚みが変化し、厚みが変化することによって、参照レーザー光３４，３９の光路長が変化し、物質光４１に対する相対位相が変化する。
【００１６】
また、制御手段６０は、制御用検出器４５の出力信号をロックイン検出するロックイン検出器６１と、ピエゾ素子５２に直流電圧と直流電圧に重畳した交流電圧を供給するピエゾ駆動電源６２と、ピエゾ素子５２の交流電圧の周波数Ω及びロックイン検出器６１のロックイン周波数Ωを供給する発信器６３と、ロックイン検出器６１の出力を基にピエゾ素子５２に供給する直流電圧を帰還制御する帰還制御部６４とよりなる。
【００１７】
この装置の動作を説明する。なお、以下の説明において、説明を簡潔にするため、被測定物質３６の発生する物質光４１を散乱光、位相の付加された参照光３９を参照光、混合光４２、または、混合光４３を、光混合された出力光として説明する。
Ａ、Ｂを散乱光及び参照光の電場振幅、ωをレーザー光の角周波数、ｔを時間、αを参照光の散乱光に対する相対位相とすると、光混合された出力光強度Ｉは次の（１）式で表される。
【数１】
2005308594.tif 000003
（１）式は、Ａ＝Ｂ、及び、α＝πの条件を満たすときゼロとなり散乱光が消失する。ここで、光路内におかれたピエゾ素子に直流電圧と交流電圧を印加し、相対位相αに次式（２）で示される位相変調を加える。
【数２】
2005308594.tif 000004
この式で、α0 は直流電圧によって定まるオフセット位相、Δは交流電圧の振幅である変調振幅、Ωは交流電圧の周波数である変調周波数である。ここで、Ａ＝Ｂとすると、上記（１）式は、
【数３】
2005308594.tif 000005
となる。変調周波数Ωでロックイン検出することにより、ｃｏｓ（Ωｔ）の成分、すなわち、−Δｓｉｎ（α0 ）に比例する出力が得られる。この値がゼロとなるように帰還制御することにより、α0 ＝πとなり、出力光強度Ｉがゼロとなる、すなわち散乱光が消失する。
【００１８】
なお、上記説明における参照光の散乱光に対する相対位相αの調節は、位相付加手段５
０、及び制御手段６０を用いて行なう。また、散乱光及び参照光の電場振幅Ａ、Ｂの調節は、例えば、最初に相対位相αを最適位相に設定しておき、この状態で、透過光強度可変フィルター４０を調節して、制御用検出器４５の出力が最小になるようにする。
【実施例】
【００１９】
次に、実施例を説明する。
図３に示した装置を用いた。レーザー光源には、フェムト秒Ｔｉ−Ｓａｐｐｉｒｅレーザーを用いた。測定に用いた試料はエピタキシャル成長法で作製した半導体量子ドットである。交流電圧の周波数Ωは３００Ｈｚ、交流電圧の振幅Δは、光路差がおおむねレーザー波長の１／１００となる値に設定した。測定用検出器には分光器を使用した。
【００２０】
図４は本発明の方法によってレイリー散乱光が消失したことを示す図である。図において横軸は光の波長であり、縦軸は光強度である。実線で示した波形７１は、本発明の方法を適用しない場合の波形、すなわち参照光を照射しないで測定した波形であり、試料から生じるレイリー散乱光成分と発光成分の和に相当する。点線で示した波形７２は、本発明の方法を適用した場合の波形であり、見やすくするため５０倍に拡大して示している。
図から、約２桁以上、光強度が減少していることがわかり、これは、レイリー散乱光成分が完全に除かれ、試料の発光成分のみが残ったためである。
【００２１】
なお、上記説明では、レーザー光源を用いた場合について説明したが、一般の光源でもよいことは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
上記説明から理解されるように、本発明のレイリー散乱光除去方法及びその装置によれば、レイリー散乱光を、照射光の一部を用いた参照光との干渉によって除去するから、被測定光とレイリー散乱光とが同じ波長を有する場合であっても、被測定光を測定できる。また、従来、パルスレーザー光による蛍光測定においては、パルスレーザー光のパルス幅時間内に生ずる蛍光は、レイリー散乱光強度が被測定光の強度に比し強すぎるために測定することが困難であったが、本発明の方法を用いることにより、測定できるようになる。また、従来の分光器を用いた分離装置に比べて装置コストが低い。さらに、従来の光学部品を用いた装置のように、Ｓ／Ｎ比を悪化させることがない。
本発明は、物質の固有の性質を探求する産業分野のみならず、散乱光が邪魔になる産業分野、例えば、励起光を照射して発光させる発光表示装置等において、本発明の方法を用いて散乱光を除去し、表示を見やすくするといった用途にも最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の方法を説明するための模式装置を示す図である。
【図２】パルスレーザー光による蛍光測定に本発明の方法を適用した場合の効果を説明する図である。
【図３】本発明のレイリー散乱光除去装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の方法によってレイリー散乱光が消失したことを示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    レーザー光源
２    レーザー光
３    ビームスプリッター
４    照射レーザー光
５    参照レーザー光
６    被測定物質
７    可動ミラー
８    物質光
９    透過光強度可変フィルター
１０  ビームスプリッター
１１  混合光
１２  測定用検出器
２１  蛍光
２２  パルスレーザー光のパルス時間幅
２３  レイリー散乱光
２４  参照光
２５  蛍光
３０  レイリー散乱光除去装置
３１  レーザー光源
３２  レーザー光
３３  照射レーザー光
３４  参照レーザー光
３５  ビームスプリッター
３６  被測定物質
３７  ビームスプリッター
３８  対物レンズ
３９  参照レーザー光
４０  透過光強度可変フィルター
４１  物質光
４２  混合光
４３  混合光
４４  ビームスプリッター
４５  制御用検出器
４６  測定用検出器
５０  位相付加手段
５１  ミラー
５２  ピエゾ素子
５３  ビームスプリッター
６０  制御手段
６１  ロックイン検出器
６２  ピエゾ駆動電源
６３  発振器
６４  帰還制御部
【図１】
2005308594.tif 000006
【図２】
2005308594.tif 000007
【図３】
2005308594.tif 000008
【図４】
2005308594.tif 000009