JP5703907B2 - 非線形ラマン分光装置、非線形ラマン分光システム及び非線形ラマン分光方法 - Google Patents
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Description
この装置では、前記シングルモードファイバとして、例えば偏波面保存シングルモードファイバを使用することができる。
その場合、光源部から導入されたパルス光の偏光面を回転させる半波長板を設け、この半波長板によってシングルモードファイバの進相軸又は遅相軸と平行になるように偏光面が回転されたパルス光がシングルモードファイバに入射する構成としてもよい。
また、ポンプ光兼プローブ光の偏光面の方向を、前記ストークス光の偏光面と一致させる半波長板を設けることもできる。
一方、シングルモードファイバのファイバ長は、例えば1〜20mとすることができる。
また、ポンプ光兼プローブ光とストークス光とが同時に試料に照射されるよう前記ポンプ光兼プローブ光の光路長を調整する光ファイバを備えていてもよい。
その場合、前記光ファイバとしては、例えば、数mW以下の低励起パワーを入力する場合であれば、シングルモードファイバや偏波面保存シングルモードファイバを使用することができる。また、数mW以上励起パワーを入力する場合であれば、ファイバコア径を適宜大きくして、ファイバコア径が8μm以上の偏波面保存シングルモードファイバ、コア径が100μm以下のマルチモードファイバ、ラージモードエリアファイバ又はフォトニッククリスタルラージモードエリアファイバを使用することができる。
このシステムでは、前記演算装置において、ω、ω´を波数(cm−1)としたとき、下記数式1に基づいてポンプ光のパワーPP、ストークス光の強度スペクトル分布SS(ω)から規格化因子RN(ω)を算出し、下記数式2に基づいて測定スペクトルSC(ω)を規格化因子RN(ω)で規格化して規格化スペクトルSN(ω)を求めることができる。
1.第1の実施の形態
(ストークス光の生成にシングルモードファイバを使用した装置の例)
2.第2の実施の形態
(ポンプ光及びプローブ光の光路上に光ファイバを配置した装置の例)
3.第3の実施の形態
(測定スペクトルを正規化処理する演算部を備えるシステムの例)
[装置の全体構成]
先ず、本開示の第1の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図1は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。本実施形態の非線形ラマン分光装置1は、CARS分光装置であり、図1に示すように、光源部10、ポンプ光・プローブ光生成部20、ストークス光生成部30、光照射部40及び計測部50が設けられている。
光源部10は、少なくとも、パルス光を出射するレーザ11、及びパルス光をポンプ光・プローブ光生成部20とストークス光生成部30とに振り分ける偏光ビームスプリッタ13を備えている。そして、光源部10は、ポンプ光・プローブ光生成部20及びストークス光生成部30に向けて、所定のパルス光を出射する。
ポンプ光・プローブ光生成部20には、光源部10から入射したパルス光(ポンプ光3)を、後述するストークス光5と同時に照射するために、光路長調整機構が設けられている。具体的には、ポンプ光3を、複数のミラー22a〜22d,23a,23b,24,25a,25bで反射することにより、光路長を調整して、ストークス光5とタイミングを合わせる。
ストークス光生成部30は、光源部10から入射したパルス光4から連続白色光であるストークス光5を生成するものであり、少なくとも、シングルモードファイバ32を備えている。ここで、ストークス光5の波長域は、分子指紋領域(ラマンシフト量で300〜3600cm−1)に対応するストークス光の波長であり、下記数式5により表される。なお、下記数式5におけるλはストークス光の波長(nm)、λpはポンプ光の波長(nm)であり、また、波数ω(cm−1)と波長λ(nm)との関係は、下記数式6で表すことができる。
光照射部40は、ポンプ光・プローブ光生成部20から出射したポンプ光3と、ストークス光生成部30から出射したストークス光5が同軸になるよう重ね合わせ、同時に試料2に照射するものである。この光照射部40の構成は、特に限定されるものではないが、例えば、ノッチフィルタ41、ビームエキスパンダ42,43、ミラー44、対物レンズ45などで構成することができる。
計測部50は、試料2から発せられたCARS光を測定するものであり、例えば、対物レンズ51、ショートパスフィルタ52及び分光器53などが設けられている。ショートパスフィルタ52は、ポンプ光3及びストークス光5を遮断し、CARS光のみを通過させるものである。同時に、試料で発生した蛍光も、ポンプ光3の波長よりも長波長であるため、ポンプ光3及びストークス光5と同様に効率良く遮断することができる。
次に、本実施形態の非線形ラマン分光装置1の動作、即ち、非線形ラマン分光装置1を使用して、試料2のCARSスペクトルを測定する方法について説明する。本実施形態の非線形ラマン分光装置1においては、先ず、光源部10において、レーザ11から出射されたパルス光を、偏光ビームスプリッタ13によって2分割し、それぞれポンプ光・プローブ光生成部20とストークス光生成部30とに導入する。
[装置の全体構成]
次に、本開示の第2の実施形態に係る非線形ラマン分光装置について説明する。図6は本実施形態の非線形ラマン分光装置の構成を模式的に示す図である。なお、図6においては、図1に示す第1の実施形態の非線形ラマン分光装置1の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
ポンプ光・プローブ光生成部70に配置される光ファイバ73としては、例えば、数mW以下の低励起パワーを入力する場合であれば、シングルモードファイバや偏波面保存シングルモードファイバを使用することができる。これは、励起パワーが低い場合は、ファイバ内でカスケードに誘導ラマン散乱光が発生せず、単なる光伝送用として用いることができるためである。このような場合に使用可能なシングルモードファイバとしては、Nufern社製 630HPなどが挙げられ、偏波面保存ファイバとしては、Nufern社製 PM−460−HP及びFIBERCORE社製 HB8600などが挙げられる。
本実施形態の非線形ラマン分光装置61においては、光源部10に、第2高調波発生用光学結晶14が配置されている。そして、この第2高調波発生用光学結晶14により、レーザ11から出射した励起光を波長変換してポンプ光としている。具体的には、例えば励起光が1064nmの場合、波長変換により532nmの緑色光となる。
[システムの全体構成]
次に、本開示の第3の実施形態に係る非線形ラマン分光システムについて説明する。図7は本実施形態の非線形ラマン分光システムの構成を示す概念図である。なお、図7においては、図1に示す第1の実施形態の非線形ラマン分光装置1の構成と同じものには、同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
演算部80には、演算装置である電子計算機と、表示装置などが設けられており、計測部50の分光器で検出したCARSスペクトルの分布を正規化し、その結果などを表示する。以下、正規化のための具体的演算処理方法について説明する。
(1)
パルス幅が0.2〜10ns、パルスピークパワーが50〜5000W、波長が500〜1200nmのパルス光を出射する光源部と、
前記パルス光から連続白色光を生成するシングルモードファイバと、を有し、
前記パルス光からなるポンプ光兼プローブ光と、前記連続白色光からなるストークス光とを、測定対象の試料に照射し、そのラマンスペクトルを得る非線形ラマン分光装置。
(2)
前記シングルモードファイバが、偏波面保存シングルモードファイバである(1)に記載の非線形ラマン分光装置。
(3)
光源部から導入されたパルス光の偏光面を回転させる半波長板を有し、該半波長板によって前記シングルモードファイバの進相軸又は遅相軸と平行になるように偏光面が回転されたパルス光が前記シングルモードファイバに入射する(2)に記載の非線形ラマン分光装置。
(4)
更に、ポンプ光兼プローブ光の偏光面の方向を、前記ストークス光の偏光面と一致させる半波長板が設けられている(2)又は(3)に記載の非線形ラマン分光装置。
(5)
シングルモードファイバは、ファイバ長が1〜20mである(1)〜(4)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
(6)
更に、ポンプ光兼プローブ光とストークス光とが同時に試料に照射されるよう前記ポンプ光兼プローブ光の光路長を調整する光ファイバを備える(1)〜(5)のいずれかに記載の非線形ラマン分光装置。
(7)
前記光ファイバが、ファイバコア径が8μm以上の偏波面保存シングルモードファイバ、コア径が100μm以下のマルチモードファイバ、ラージモードエリアファイバ又はフォトニッククリスタルラージモードエリアファイバである(6)に記載の非線形ラマン分光装置。
(8)
(1)〜(7)のいずれか1項に記載の非線形ラマン分光装置と、
該非線形ラマン分光装置で計測されたラマン分光スペクトルを正規化する演算装置と、
を有する非線形ラマン分光システム。
(9)
前記演算装置において、ω、ω´を波数(cm−1)としたとき、上記数式1に基づいてポンプ光のパワーPP、ストークス光の強度スペクトル分布SS(ω)から規格化因子RN(ω)を算出し、上記数式2に基づいて測定スペクトルSC(ω)を規格化因子RN(ω)で規格化して規格化スペクトルSN(ω)を求める(8)に記載の非線形ラマン分光システム。
(10)
前記非線形ラマン分光装置には、シングルモードファイバの出射側に、ポンプ光の波長をλp(nm)、測定最大波数をωm(cm−1)としたとき、短波長側エッジ波長λe(nm)が上記数式3,4で表される範囲にあるロングパスフィルタ又はバンドパスフィルタが設けられている(9)に記載の非線形ラマン分光システム。
(11)
光源部から、パルス幅が0.2〜10ns、パルスピークパワーが50〜5000W、波長が500〜1200nmのパルス光を出射する工程と、
シングルモードファイバにより、前記パルス光から連続白色光を生成する工程と、
前記パルス光からなるポンプ光兼プローブ光及び前記連続白色光からなるストークス光を、測定対象の試料に照射し、そのラマンスペクトルを得る工程と、
を有する非線形ラマン分光方法。
2 試料
3 ポンプ光・プローブ光
4 励起パルス光
5 ストークス光
10 光源部
20、70 ポンプ光・プローブ光生成部
30 ストークス光生成部
32 シングルモードファイバ
40 光照射部
50 計測部
73 光ファイバ
80 演算部
81 非線形ラマン分光システム
Claims (9)
- パルス幅が0.2〜10ns、パルスピークパワーが50〜5000W、波長が500〜1200nmのパルス光を出射する光源部と、
前記パルス光から連続白色光を生成するシングルモードファイバと、を有し、
前記パルス光からなるポンプ光兼プローブ光と、前記連続白色光からなるストークス光とを、測定対象の試料に照射し、そのラマンスペクトルを得る非線形ラマン分光装置と、
該非線形ラマン分光装置で計測されたラマン分光スペクトルを正規化する演算装置と、
を有し、
前記演算装置において、ω、ω´を波数(cm −1 )としたとき、下記数式(A)に基づいてポンプ光のパワーP P 、ストークス光の強度スペクトル分布S S (ω)から規格化因子R N (ω)を算出し、下記数式(B)に基づいて測定スペクトルS C (ω)を規格化因子R N (ω)で規格化して規格化スペクトルS N (ω)を求める非線形ラマン分光システム。
- 前記シングルモードファイバが、偏波面保存シングルモードファイバである請求項1に記載の非線形ラマン分光システム。
- 光源部から導入されたパルス光の偏光面を回転させる半波長板を有し、該半波長板によって前記シングルモードファイバの進相軸又は遅相軸と平行になるように偏光面が回転されたパルス光が前記シングルモードファイバに入射する請求項2に記載の非線形ラマン分光システム。
- 更に、ポンプ光兼プローブ光の偏光面の方向を、前記ストークス光の偏光面と一致させる半波長板が設けられている請求項2又は3に記載の非線形ラマン分光システム。
- シングルモードファイバは、ファイバ長が1〜20mである請求項1から4のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光システム。
- 更に、ポンプ光兼プローブ光とストークス光とが同時に試料に照射されるよう前記ポンプ光兼プローブ光の光路長を調整する光ファイバを備える請求項1から5のいずれか一項に記載の非線形ラマン分光システム。
- 前記光ファイバが、ファイバコア径が8μm以上の偏波面保存シングルモードファイバ、コア径が100μm以下のマルチモードファイバ、ラージモードエリアファイバ又はフォトニッククリスタルラージモードエリアファイバである請求項6に記載の非線形ラマン分光システム。
- 光源部から、パルス幅が0.2〜10ns、パルスピークパワーが50〜5000W、波長が500〜1200nmのパルス光を出射する工程と、
シングルモードファイバにより、前記パルス光から連続白色光を生成する工程と、
前記パルス光からなるポンプ光兼プローブ光及び前記連続白色光からなるストークス光を、測定対象の試料に照射し、そのラマンスペクトルを得る工程と、
前記ラマンスペクトルを正規化する演算工程と、を有し、
前記演算工程において、ω、ω´を波数(cm −1 )としたとき、下記数式(A)に基づいてポンプ光のパワーP P 、ストークス光の強度スペクトル分布S S (ω)から規格化因子R N (ω)を算出し、下記数式(B)に基づいて測定スペクトルS C (ω)を規格化因子R N (ω)で規格化して規格化スペクトルS N (ω)を求める非線形ラマン分光方法。
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