JPH02234050A - 光波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光波形測定装置に関するもので、例えば測定対
象にレーザ光を照射したときに生成される螢光の寿命測
定などに用いられる。

〔従来の技術〕

高い時間分解能を有する従来の光波形測定装置として、
例えば次のようなものが知られている。

第１は時間相関単一光子計数法と・呼ばれるもので、被
測定対象に持続時間の十分に短い光パルスを照射し、こ
の照射によって被測定対象から放出される螢光の光子を
検出し、光パルスを照射してから螢光の光子を検出する
までの時間を計測するようになっている。なお、１回の
光パルス照射に対しては、高々１個の光子が検出される
程度に調整されている。そして、この時間計測を多数回
繰り返し（精度の高い結果を得るには百万回程度の繰り
返しを行い）、得られた多数のデータをヒストグラムに
表すことにより、被測定対象の螢光寿命特性を得ている
。

第２はストリークカメラ装置を用いたもので、光パルス
の照射に同期して電子ビームの掃引動作を行なうストリ
ーク管により、被測定対象からの光の波形を測定するよ
うになっている。これによれば、光パルスの照射と掃引
動作を何度も繰り返すことにより、上記第１の場合のよ
うなときでも光波形を測定できる。また、１回のパルス
光照射により被測定対象から多数の光子が生成されると
きでも、その光波形を測定することができる。

光波形の測定装置としては、上記の場合の他に、サンプ
リング型光波形測定装置や、ピンホトダイオード、アバ
ランシェホトダイオードを光検出器に用いたものなどが
知られている。

このような測定に対しては、測定開始の基準となる信号
が与えられなければならない。例えば、単一光子計数法
では時間測定の開始信号（スタート信号）が与えられな
ければ測定不能であり、ストリークカメラを用いるもの
では掃引の開始信号（トリガ信号）が与えられなければ
計測不能である。そこで、測定開始の基準となる信号を
、従来装置では、次のようにして得ている。第１は、レ
ーザ光源からのパルス光をハーフミラーなどで分岐し、
一方を励起光として試料に照射し、他方を光検出器に導
いて測定開始信号を得るものである。

第２は、レーザ光源を構成する半導体レーザの駆動回路
に与えられる信号自体を取り出し、測定開始信号とする
ものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第１の手法によれば、光パルスを分岐す
るための光学系が必要になり、構成が複雑化する。また
、パルス光を分岐するため光量の有効利用が十分でなく
なる。第２の手法によれば、パルス光源の駆動回路にお
ける電気信号とパルス光の出力の間にはドリフトやジッ
タが生じ、測定開始信号とパルス光のタイミングの間の
時間的関係を一定に保てなくなる。このため、特に複数
回のサンプリングを行なう場合などは、サンプリングご
とにタイミングがずれて時間分解能を向上させるのが難
しくなる。

そこで本発明は、構成が簡単であって光源からのパルス
光の光量を有効に利用することができ、しかも時間分解
能を高くすることのできる光波形測定装置を提供するこ
とを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る光波形測定装置は、試料に照射されるパル
ス光を出射する半導体発光素子と、この半導体発光素子
を駆動するための電気パルス信号を出力するパルス電源
と、電気パルス信号の電流または電圧を検出するパルス
検出手段と、被測定光を検出する光検出器と、パルス検
出手段の出力を測定開始の基準として光検出器の出力に
より被測定光の光波形を測定する測定手段とを備えるこ
とを特徴とする。ここで、測定手段はパルス検出手段の
出力から光検出器の出力までの時間を複数回サンプリン
グすることにより光波形を測定する手段としてもよく、
パルス検出手段の出力をトリガ信号として掃引動作を行
なうストリークカメラ装置を有する構成としてもよい。

〔作用〕

本発明によれば、測定開始の基準となる信号は、パルス
光源としての半導体発光素子（レーザ）を駆動する電気
パルス信号その．ものから得られるので、駆動回路等の
ドリフトやジッタによってパルス光と測定開始信号のタ
イミングがずれることはない。

〔実施例〕

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る光波形ａ定装置の構
成図である。同図において、パルス発生８１は所定周波
数の電気的パルスを出力するもので、超短パルス電源２
はこのパルス発生器１からの電気パルスにもとづき、数
１００ｐｓｅｃの立ち上りの速い短パルス電流（電気パ
ルス信号）を生成して半導体レーザＬＤに与える。これ
により、半導体レーザＬＤは数１０ｐｓｅｃの超短パル
ス発光をする。半導体レーザＬＤからの超短パルス光Ｌ
Ｂは、図示しない光学レンズ系を介して被測定対象物（
試料３）に照射され、これによって試料３からは螢光Ｐ
Ｌが生成される。この螢光ＰＬは光電子増倍管などから
なる光検出器ＰＭＴにより検出され、検出出力は時間電
圧変換器４１のストップ端子にＳＴＯＰ信号として入力
される。

一方、超短パルス電源２には検出回路２１が付設され、
これによって半導体レーザＬＤに駆動電流として与えら
れる短パルス電流そのものが検出される。この検出出力
は遅延回路５で所定の遅延がされ、時間電圧変換器４１
のスタート端子にＳＴＡＲＴ信号として与えられる。時
間電圧変換器４１は上記のＳＴＯＰ，ＳＴＡＲＴ信号に
より動作し、結果を波高分析器４２に与える。

時間電圧変換器４１と波高分析器４２は光波形を測定す
るための測定手段４を構成するが、これは次のように作
用する。

まず、超短パルス電源２から短パルス電流が出力される
と、これが検出回路２１により検出されて時間電圧変換
器４１にＳＴＡＲＴ信号として与えられる。このＳＴＡ
ＲＴ信号が与えられる時点と試料３に超短バルスＬＢが
照射される時点は、遅延回路５の働きにより同期がとら
れている。この場合、ＳＴＡＲＴ信号は半導体レーザＬ
Ｄに与えられる超短パルス電源２の出力にもとづいて生
成されているので、超短パルス電源２中の駆動回路のド
リフトやジッタにより上記の同期が乱されることはない
。

一方、光検出器ＰＭＴによって試料３からの螢光ＰＬに
よる光子が検出されると、光検出器ＰＭＴの出力がＳＴ
ＯＰ信号として時間電圧変換器４１に入力される。する
と、時間電圧変換器４１はＳＴＡＲＴ信号が人力されて
からＳＴＯＰ信号が入力されるまでの時間に比例した高
さを持つ電圧パルスを生成し、これを波高分析器４２に
与える。波高分析器４２は入力された電圧パルスをディ
ジタル化し、パルスの高さ別にその回数（検出された光
子の個数）を計数する。

第２図は、時間電圧変換器４１か゜ら多数の電圧パルス
を波高分析器４２に与えたときの、波高分析器４２での
計数結果の一例を図示したものであり、横軸をパルスの
高さ、縦軸を個数としている。

この図において、縦軸はその時刻に光子（螢光ＰＬ）が
検出される確率を示しており、その値はその時刻の螢光
強度に比例することとなる。したがって、この図は、そ
のまま螢光強度の時間変化すなわち螢光寿命特性を表す
ことになる。実際には、百万から数千万回の光パルス照
射を行い、１００万個程度の光子を検出し終えるまで測
定を続け、その測定結果に基づいて螢光寿命を算出する
。

第３図は第２実施例に係る光波形測定装置の構成図であ
る。

これが前述の第１実施例と異なる点は、超短パルス電源
２から半導体レーザＬＤに与えられる短パルス電流の検
出が、半導体レーザＬＤに至る信号線のまわりに生じる
電磁波を、センサ６１で検出することによりなされてい
ることである。センサ６１は例えば高感度のホール素子
で構成され、増幅回路６２で・増幅されてＳＴＡＲＴ信
号として時間電圧変換器４１に与えられる。この実施例
の場合にも、ＳＴＡＲＴ信号は半導体レー・ザＬＤへの
短パルス電流そのものにより生成されるので、超短パル
ス電源２中のドリフト、ジッタ等の影響をなくすことが
できる。

第４図は第３実施例に係る光波形測定装置の構成図であ
る。

これが前述の第１実施例と異なる点は、ｎ１定手段とし
てストリークカメラ装置７が用いられていることである
。ストリークカメラ装置７はストリーク管７１と、掃引
制御回路７２と、ＴＶカメラ７３により構成される。ス
トリーク管７１は螢光ＰＬを受けて光電子を放出する光
電面７４と、光電面７４からの電子を加速する加速電極
７５と光電面７４から出た電子ビームをＭＣＰ上に結像
する集束電極（図示せず）と、加速された電子ＥＢを掃
引制御回路７２からの制御により偏向させる偏向電極７
６と、電子ＥＢを増倍するマイクロチャネルプレート（
ＭＣＰ）７７と、電子の照射により螢光を発する螢光面
７８とを有している。そして、この螢光面７８に形成さ
れたストリーク像は、例えばＣＣＤで構成されるＴＶカ
メラ７３で撮像される。

上記の第３実施例の装置は、次のように作用する。

まず、超短パルス電源２から短パルス電流が半導体レー
ザＬＤに送られると、これが検出回路２１で検出されて
ストリークカメラ装置７の掃引制御回路７２にトリガ信
号（ＴＲＧ）として送られる。ここで、トリガ信号は超
短パルス電源２から出力される短パルス電流そのものに
もとづき生成されているため、超短パルス電源２でドリ
フトやジッタがあっても、半導体レーザＬＤの発光タイ
ミングとトリガ信号の入力タイミングの関係は一定に保
たれる。従って、半導体レーザＬＤから試料３に超短パ
ルス光ＬＢが照射されるのと同期して、掃引制御回路７
２の作用によってストリークカメラ装置７の掃引が開始
される。

この実施例において、試料３への１回の超短バルスＬＢ
の照射で多数の光子が螢光ＰＬとして放出されるときは
、掃引制御回路７２による１回の掃引によって第２図の
ような光波形を観１ＮＩ１することも可能である。しか
し、多数の光子が一度に放出されないときは、上記の半
導体レーザＬＤの発光と掃引制御回路７２による掃引を
複数回繰り返し、これにより得られるストリーク像のデ
ータを蓄積して積算すればよい。この場合、第１および
第２の実施例では、１回の超短パルスＬＢの照射により
生じる光子は１個以下である必要があったが、この実施
例ではストリーク管７１を用いているので、１回の超短
パルス光ＬＢの照射につき複数個の光子が生じていても
よい。

第５図は第４実施例に係る光波形測定装置の構成図であ
る。

この実施例では、半導体レーザＬＤに至る信号線のまわ
りにセンサ６１を設置し、ここに生じる電磁波から短パ
ルス電流を検出し、この検出出力をストリークカメラ装
置７のトリガ信号としている。この第４実施例について
も、第３実施例と同様の作用を奏する。

なお、第４図及び第５図に示したストリークカメラ装置
７の代わりに、サンプリング型光波形観測手段を用いる
こともできる。

このサンプリング型光波形観測手段の構造例及びその動
作について、第６図を参照して簡単に説明する。第６図
に示したサンプリング型光波形観測手段は、主としてサ
ンプリング型ストリーク管９１と、これによって被測定
光ＰＬの一部を抽出して得られる被測定光の光波形に関
する情報を処理する情報処理部１００とから構成されて
いる。

試料から放射され、サンプリング型゛光波形観測手段に
よって観測される被測定光ＰＬは、レンズ９２によって
サンプリング型ストリーク管９１の光電面９３に集光さ
れる。この入射光は光電面９３でその光強度に応じた電
子に変換され、変換された電子は加速電極９４によって
加速され、偏向板９５の間を通過してスリット板９６に
導かれる。電子は偏向板９５の間を通過するときに、偏
向板９５相互間に印加される掃引電圧によって掃引され
、スリット板９６に到達する。スリット板９６には掃引
方向に直角な微小スリットが形成されているため、スリ
ット板９６に達した電子の一部のみがこのスリットを通
過し、その後方の螢光面９７に達する。螢光面９７は電
子の衝突によって発光する。この発光強度は光電子増倍
管９８によって捕えられ、アンプ９９によって増幅され
、電気信号として出力される。このようにして、被測定
光ＰＬの光強度をサンプリングして得られた信号は、情
報処理部１００に記憶されるようになっている。

このようなサンプリング操作を、被測定光の入射タイミ
ングに対して、掃引のタイミングを僅かずつ順次ずらし
て繰り返し行ない、得られた情報から第７図に示した如
くに光波形を得ることが出来るようになっている。

なお、超短パルス電源２はスイッチング速度の速いデバ
イスとして、例えばアバランシェトランジスタ、トンネ
ルダイオード、ステップリカバリダイオードを用いて構
成できる。また、半導体レーザＬＤの出力側に波長変換
素子を設けることもできる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明によれば、測定開始の
基準となる信号（ＳＴＡＲＴ信号、トリガ信号）は、パ
ルス光源としての半導体発光素子（レーザ）を駆動する
電気パルス信号そのものから得られるので、駆動回路等
のドリフトやジッダによってパルス光と測定開始信号の
タイミングがずれることはない。このため、本発明の装
置は、構成が簡単であって光源からのパルス光の光量を
有効に利用することができ、しかも時間分解能を高くす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例に係る光波形測定装置の構
成図、第２図は第１実施例の装置による８−１定結果を
示す図、第３図は第２実施例に係る光波形測定装置の構
成図、第４図は第３実施例に係る光波形測定装置の構成
図、第５図は第４実施例に係る光波形測定装置の構成図
、第６図および第７図は他の実施例に係る光波形測定装
置の構成および作用図である。 １・・・パルス発生器、２・・・超短パルス電源、２１
・・・検出回路、３・・・試料、４１・・・時間電圧変
換器、４２・・・波高分析器、５・・・遅延回路、６１
・・・センサ、７・・・ストリークカメラ装置、７１・
・・ストリーク管、７２・・・掃引制御回路、７３・・
・ＴＶカメラ、９１・・・サンプリング型ストリーク管
、ＬＤ・・・半導体レーザ、ＰＭＴ・・・光検出器、Ｌ
Ｂ・・・超短パルス光、ＰＬ・・・螢光。 特許出願人　　浜松ホトニクス株式会社代理人弁理士　
　　長谷川　　芳　　樹；Ｑ！Ｊ定特粟 第２図 手 続 補正書 平成 １年６月 日 平成１ 年 特許願 第５５５３２号 発明の名称 光波形測定装 置 補正をする者 事件との関係 侍許出願人 浜松ホトニクス株式会社 （郵便番号　１０１　） 東京都千代田区岩本町三丁目５番地２号フォアサイトビ
ル４階 ６　発明の内容 《１》　　明細書第５頁第８行目から９行目の「サンプ
リングを行なう場合などは、サンプリングごとに」を「
計数を行なう場合などは、計数ごとに」に補正する。 （２）　　第６頁第６行目の「サンプリング」を「計数
」に補正する。 以　　上 補正の対象 明細書の「発明の詳細な説明」の欄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料にパルス光を照射したときに生成される被測定
   光の光波形を測定する光波形測定装置において、 前記パルス光を出射する半導体発光素子と、この半導体
   発光素子を駆動するための電気パルス信号を出力するパ
   ルス電源と、前記電気パルス信号の電流または電圧を検
   出するパルス検出手段と、前記被測定光を検出する光検
   出器と、前記パルス検出手段の出力を測定開始の基準と
   して前記光検出器の出力により前記被測定光の光波形を
   測定する測定手段とを備えることを特徴とする光波形測
   定装置。 ２、前記測定手段は前記パルス検出手段の出力から前記
   光検出器の出力までの時間を複数回計数することにより
   光波形を測定する手段である請求項１記載の光波形測定
   装置。 ３、被測定光を検出する光検出器はストリークカメラで
   あって前記パルス検出手段の出力をトリガ信号として掃
   引動作を行ない前記被測定光の光波形を観測する請求項
   １記載の光波形測定装置。 ４、被測定光を検出する光検出器及び測定手段は、前記
   パルス検出手段の出力をトリガ信号として動作を行なう
   サンプリング型光波形観測装置を有する請求項１記載の
   光波形測定装置。