JPH055698A - 光計測装置および光学的計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、光源のもつ量子雑音を抑制で
きる光計測装置を提供することにある。 【構成】本発明の要旨は、光源と、前記光源から放射さ
れる一つの光子を第一の光子と第二の光子よりなる光子
対に変換するための第一の手段と、前記光子対の光路を
前記第一の光子が通過し、かつ、その光路中に被測定試
料を挿入するための第一の光路と前記第二の光子が通過
する第二の光路とに分離するための第二の手段と、前記
第一の光路上に設けられ、その光の強度を検出するため
の第三の手段と、前記第二の光路上に設けられ、その光
の強度を検出するための第四の手段と、前記第三の手段
および第四の手段の各々の出力値に基づいて前記光源の
持つ量子雑音を相殺するための第五の手段と、前記第五
の手段の出力値に基づいて前記被測定試料の光学的特性
を測定するための第六の手段とを有することを特徴とす
る光計測装置にある。 【効果】本発明によれば、極めて低雑音の光計測装置が
可能になり、極めて微量の物質の同程や、微弱な光学的
性質の変化の測定が可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種産業における品質
管理や材料検査、公害計測、生体試料、生物試料の計測
など、ほとんど総ての光計測装置に適用できる。例え
ば、半導体製造に用いる原料ガスの検査や、クリーンル
ーム内の空気中の塵の検出、光ファイバーの減衰率の測
定、極めて光吸収の少ない生物試料中の特定物質の検
出、ガラス等の光透過性物質中のマイクロクラックの検
出などに効果的に利用できる。

【０００２】

【従来の技術】図１は、本発明者らが用いていた光計測
装置の一例であって、吸収測定に用いる装置を示す。光
源100から放射された光ビームは、半透過鏡などの光路
分離手段310により二つの光ビーム45、46に分離され、
光ビーム46はプローブ光として被測定試料400に入射
し、光ビーム45は参照光の役目をする。参照光と被測定
試料400を透過したプローブ光とは、それぞれ光電子増
倍管のような高感度の光検出器521，522により検出され
る。光検出器521,522の出力信号Ｉ₁，Ｉ₂は、対数増幅
器、引き算回路などによるデータ処理部710で処理さ
れ、試料による光の吸収量に比例した信号を得る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】この装置構成による光
計測では、光源の持つ量子雑音（ショットノイズ）が、
それ以上雑音レベルを下げられない限界の雑音となって
いる。レーザーのようなコヒーレントな光源を用いたと
しても、光源の光強度は、光の発生機構に含まれる確率
過程（自然放出過程）のため、ある大きさのゆらぎを持
つ。この揺らぎの大きさは雑音の量子限界と呼ばれてい
る。この揺らぎが従来の光計測においては低雑音化の限
界を決めていた。例えば、図１において、光検出器521,
522の出力信号Ｉ₁，Ｉ₂の引き算を行うと、吸収量が求
まるが、Ｉ₁とＩ₂とに含まれる量子雑音の間には相関が
無いので、両者の引き算を行っても量子雑音は減らな
い。本発明の目的は、この光源の持つ量子雑音を抑圧す
ることのできる光計測装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、光計測で用いるプローブ光と参照光と
を、同時に一対の２個の光子として発生させることによ
り、プローブ光と参照光との量子雑音に関する性質に相
関を持たせ、両者に対する光電子電流の差を取ることに
より、量子雑音を抑圧し、被測定試料との相互作用によ
る光子状態の変化のみを選択的に検出する。

【０００５】具体的には、図３において、レーザー100
から放射される光子ビーム10の中の一個の光子を波長変
換素子200により、少なくとも波長または偏光方向が互
いに異なる２個の光子に変換し、この２個の光子によっ
て生成された光子ビーム21を参照光、光子ビーム22をプ
ローブ光とし、両ビームを光路分離手段300により、そ
れぞれ異なる二つの光路31および光路41に分割し、前記
プローブ光の光路41に被測定試料400を挿入し、さら
に、被測定試料400を透過した光ビームは光路42に入射
する。光路31と42の終端に設けられた２個の光電検出器
501および、502により参照光と試料を透過したプローブ
光とをそれぞれ検出し、前記２個の光電検出器501,502
の出力である光電子電流の差信号601を引き算回路600に
より求め、この差信号601をデータ処理部700に入力し前
記被測定試料400の光学的性質を測定する。

【０００６】

【作用】前記課題の解決手段の作用を説明するために、
図２及び図４を用いる。図２及び図４では、量子雑音の
発生メカニズムを示すために、各光路上の光ビームを、
光子列として描いた。

【０００７】図４は、図３の装置構成の原理を説明する
ための図である。同様に、図２は、図１の装置構成の原
理を説明するための図である。

【０００８】図２において、光源100から発生した出力
を、光子列950のように表す。このような光子列950は、
ビームスプリッタ310によって、50％の確率で光路45及
び光路46へ振り分けられ、光子列960、及び光子列961が
発生する。このような振り分けは確率過程であるから、
光子列950上のある一個の光子が、光路45または光路46
のどちらに振り分けられるかは、予測できない。光子列
960及び961は、このような点を考慮して描かれている。
光路45上の光ビームは、試料400に入射する。もし、試
料による吸収が生じれば、試料を透過した後の光ビーム
を表す光子列970から、吸収発生事象に対応して、光子
が脱落してゆくことになる。このようにして脱落した光
子を光子977のように描いた。一方、光路46上の光ビー
ムには、損失が生じないものとすると、光子列971は、
光子列961と等しく描かれる。

【０００９】次に、光子列970及び971は、光電検出によ
って検出される。光電検出器521に入射する光子列は、
光子列971であり、光電検出器522に入射する光子列は、
光子列970である。光電検出器521及び光電検出器522
は、これらの光子列を電子流に変換する。これらの光電
子電流は、電子一個一個が導線中を通過する現象である
から、図のように、電流パルス列で表すことができる。
この様子を電子パルス列980及び、電子パルス列981で表
した。引き算回路711によって、これらの電子パルス列
の差をとると、出力パルス列990が得られる。出力パル
ス列990の電流を出力電流712とする。ところで、ビーム
スプリッタ310が、50％の確率で二つの光路に光子を振
り分けることから、試料400による吸収が無い場合は、
電子パルス980及び電子パルス列981が相殺し合あう。し
たがって、電子パルス列990の電流値は、十分長い時間
の平均値としてはゼロである。しかし、図に示したよう
に、十分短い時間でこの出力電流712を観測すれば、電
流パルス列が観測され、電流の瞬時値はゼロではない。
これが量子雑音(ショットノイズ)と呼ばれるものであ
る。試料による僅かな(例えば、光子列970から光子一個
が脱落する事象に対応するような)吸収が発生する場合
には、電子パルス列980から、電子一個分のパルス988が
消える。しかし、このような僅かな電流の減少は、上記
のようなショットノイズに埋もれてしまい、検出できな
い。

【００１０】一方、本発明に係る図４における参照光ビ
ーム21およびプローブ光ビーム22は、レーザー光源100
から放出される光子ビーム10の中の高いエネルギーの光
子１個が、エネルギー保存則に従って、エネルギーの小
さい二つの光子対に変換される過程によって生成され
る。従って、参照光ビーム21に光子が存在するときは、
必ずプローブ光ビーム22にも光子が存在する結果とな
る。このような状況を、前述のように、光子列を用いて
表現すると図のようになる。すなわち、レーザ光100の
出力を表す光子列901の各々の光子に対応して、光子が2
個づつ発生し、光子列910のように、同時刻に光子が2個
存在している描像が得られる。波長変換素子200を適当
に選択すれば、これらの光子対の偏光方向を直交した2
方向にすることができる。これらの各々の偏光モードに
対応して、参照光ビーム21及びプローブ光ビーム22が定
義されている。例えば、参照光ビーム21に対してP偏光
モード、プローブ光ビーム22に対して、S偏光モードを
対応させることができる。

【００１１】参照光ビーム21及びプローブ光ビーム22
は、偏光方向の異なるビームであるから、光路分離手段
300として偏光ビームスプリッタを用いれば、二つの異
なる光路に分けることができる。これらの光路を各々光
路31及び光路41としている。例えば、参照光ビーム21が
P偏光である場合には、参照光ビーム21中の光子は必ず
透過し光路31上に向い、一方、プローブ光ビーム22はS
偏光であるから、プローブ光ビーム22中の光子は必ず反
射されて光路41上向う。その結果生成される光子列が、
光子列920及び光子列921によって表されている。図に示
したように、これらの光子列920及び921は、レーザ光源
100の一個の光子から同時に生成したものと考えられる
から、光子列910上の光子対と同様な、相関を持ってい
る。すなわち、光源の量子雑音に関して、両ビームは共
通の特性を持つことになる。

【００１２】光路41上に入射したプローブ光ビーム22
は、被測定試料400に入射し、さらに、光路42へ入射
し、光電検出器501によって電子パルス列940に変換され
る。試料による吸収がある場合には、光路42上のプロー
ブ光ビームから光子が脱落する。この様子を光子列930
のように表した。ここでは、脱落する光子を933として
いる。一方、光路31に入射した参照光ビーム21は、損失
無く光電検出器502に入射し、電子パルス列941に変換さ
れる。これらの電子パルス列は、引き算回路600に入力
され、出力パルス列950及び出力電流601が出力される。

【００１３】もし、試料400による吸収が無い場合に
は、電子パルス列940及び941が、1パルスごとに相殺
し、出力には電子パルスが生じない。1パルスごとに相
殺する理由は、これらの電子パルス列を生じる光子が、
同時に2個づつ生成されていたからである。この点が、
本発明が従来技術とは異なる点であり、引き算回路600
の出力の光子に由来するショットノイズは、光子一個ず
つのレベルで完全に相殺されているのである。このよう
なノイズの抑圧効果は、例えば、公知例１、ハイトマン
他著、フジィカル レビュー レターズ、第５９巻、２２
号、２５５５ページ、１９８７年 〔Ｈeidmann et al.,
Phys. Rev. Lett., Vol. 59 No.22, p.2555,(198
7).〕、及び公知例２、ウゥーカー及び、セワルド著、
カンタムオプティクス、第１巻、７５ページ、１９８７
年〔J.G.Walker and S.F.Seward, Quantum Opt., Vol.1
p.75,(1989).〕、に述べられている。

【００１４】したがって、図４に示したように、もし、
試料によるわずかな(光子1個のレベルの)吸収や散乱が
存在すると、これらの吸収、散乱に対応して、電子パル
ス列940から電子パルスが消える。脱落した光子933に対
応した消えた電子パルスを電子パルス944とする。その
結果、光電子列940及び941のバランスが崩れ、高感度に
検出される。

【００１５】ここで、光電検出器501 および光電検出器
502の量子効率が十分１に近くなければ、光子列に損失
を与えるため、上述の効果が得られない点に注意する必
要がある。したがって、これらの検出器には、例えば、
PINダイオードのような、高い量子効率を有する光電検
出器を選択しなければならない。

【００１６】なお、上記公知例１及び上記公知例２で
は、雑音抑圧効果が検証されてはいるが、プローブ光の
光路上のみに試料を挿入するという構成は述べられてい
ない。また、公知例３、デブイシャート 他著、カンタ
ムオプティクス、第１巻、ページ３、１９８９年 〔T.D
ebuisschert et al., Quantum Opt., Vol. 1 p.3,(198
9).〕、においても、量子相関を有する光を用いた物体
の広がりの測定法の原理が述べられているが、この例で
は、プローブ光の減衰の測定とその雑音の抑圧効果につ
いては何も述べられていない。

【００１７】

【実施例】図５は本発明の一実施例として、半導体の製
造に用いられる材料ガス中の微量の不純物の定量、光フ
ァイバー中を伝播する光の減衰特性の測定、クリーンル
ーム内の空気中の微量塵埃の密度測定など、各種吸収測
定に本発明を適用した例を示す。光源として連続発振レ
ーザー110を用いる。連続発振レーザー110としては、例
えば、アルゴンイオンレーザー、連続発振Ｎｄ：ＹＡＧ
レーザーの第二高調波などを用いることができる。波長
変換素子として、光パラメトリック発振器201を用い
る。光パラメトリック発振器201は、高反射率ミラー210
および211から成る十分高いフィネスを持った光共振器
と、その光共振器内で位相整合条件を満たすように配置
した、非線形光学素子250から構成される。上記非線形
光学素子は、例えば、各種無機非線形結晶（ＫＴＰ，Ｋ
ＮｂＯ₃、Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅、ＬｉＮｂＯ₃など）、各
種有機非線形光学材料（低分子性結晶、低分子ドープポ
リマー）、あるいは、これらの材料によってドメイン反
転構造を形成した擬似位相整合素子など、を用いること
が出来る。また、これらの結晶の入射および出射端面
は、反射防止膜によってコートされている。このとき、
光パラメトリック発振器201に入射するポンプ光12のミ
ラー210での反射光によって、レーザー光の安定性が乱
されないように、光アイソレータ11を介してレーザー光
10と光パラメトリック発振器201が結合される。なお、1
3は、ミラーである。

【００１８】上記非線形光学素子250の位相整合条件を
適当に選択すれば、光パラメトリック発振器201から出
力される参照光ビーム21およびプローブ光ビーム22は、
互いの偏光方向を直交させることができる。したがっ
て、偏光ビームスプリッタ301に上記２つの光ビームを
入射させると、参照光ビーム21は透過して光路31に入射
し、プローブ光ビーム22は反射されて光路41に入射する
ような配置が可能である。すなわち、偏光ビームスプリ
ッタ301は、図３の光路分離手段300の役割を果たしてい
る。なお、光パラメトリック発振器201の出力の二つの
光子ビームが互いに異なる波長を有する場合には、前記
光路分離手段として、プリズム等の波長選択素子を用い
ることができ、波長選択素子を用いると、波長変換素子
から発生する波長の異なる無相関光を除去できるため、
Ｓ／Ｎ比が改善される。

【００１９】被測定試料400は、光路41上に挿入され
る。光路42に入射したプローブ光は光検出器511で、光
路31に入射した参照光は光電検出器512で各々光電子電
流信号に変換される。また、量子雑音の抑圧を可能にす
るためには、これらの光検出器511,512が十分大きい量
子効率を持つ必要があるため、上記参照光21およびプロ
ーブ光22の波長は光検出器511,512の量子効率の高い範
囲に設定される。例えば、アルゴンイオンレーザー、連
続発振Ｎｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を用い、前記
非線形光学結晶を用いる場合には、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩ
Ｎ，Ｓｉ−ＰＩＮホトダイオードなどを用いることがで
きる。データ処理部700では、例えば、被測定試料400の
濃度測定においては、既知の濃度の標準試料に対する測
定データを予めメモリーに蓄えておき、それと被測定試
料400に対する測定データを比較することにより、試料
の濃度が得られるような演算処理が行われる。

【００２０】この光計測装置の雑音源の主要なものは、
波長変換手段から発生する無相関光である。前記非線形
光学素子として各種無機非線形光学結晶を用いる場合に
は、Type-IIと呼ばれる位相整合条件を用いる方が、上
記無相関光を減らすことができ、有利である。前記非線
形光学結晶の代わりに、原子蒸気の非線形性を利用する
手段も有効である。

【００２１】信号処理の仕方は、プローブ光に対する光
検出器の出力をＩ_P、参照光に対する光検出器の出力を
Ｉ_Rとすると、(Ｉ_R−Ｉ_P)/Ｉ_R、(Ｉ_R−Ｉ_P)/(Ｉ_R＋Ｉ_P)
など、いろいろの信号処理が可能なことは言うまでもな
い。

【００２２】また、本実施例は試料の吸収量の測定に本
発明を応用したものであるが、本発明の測定対象はこれ
に限らず、干渉光学系など相互作用により光子数に変化
をもたらすものには適用可能である。

【００２３】また、波長変換素子として、カスケード遷
移過程の生じる物質を用いることもでき、この場合、カ
スケード遷移過程によって生じる２個の光子の一方をプ
ローブ光、他方を参照光として用いればよい。

【００２４】図６は、本発明を試料濃度測定装置に適用
した第２の実施例を示す。本実施例では、レーザーとし
て、パルス発振レーザー120を用いている。上記パルス
発振レーザとして、モードロックＱスイッチＮｄ：ＹＡ
Ｇレーザーの第二高調波などを用いることが出来る。こ
の実施例では、図３における波長変換素子２００とし
て、光パラメトリック増幅器202を用いている。上記光
パラメトリック増幅器202は位相整合条件を満たすよう
に配置した、非線形光学結晶で構成される。上記非線形
光学結晶は、例えば、ＫＴＰ，ＫＮｂＯ₃、Ｂａ₂ＮａＮ
ｂ₅Ｏ₁₅、ＬｉＮｂＯ₃などを選ぶことが出来る。これら
の結晶の入射および出射端面は、反射防止膜によってコ
ートされている。パルス光を励起光源に用いることで、
ピークパワーを十分大きくとることができるので、前記
波長変換素子の変換効率が十分高くなる。このため、前
記パルス発振レーザーが結晶中を１回通過することで、
十分な強度の参照光21およびプローブ光22が得られる。
また、発生した光子ビームが多数回結晶中を通過しない
ことから、共振器中の結晶に要求されるような反射防止
コートへの要求が軽減される点で有利である。

【００２５】前述のように、上記非線形光学結晶の位相
整合条件を適当に選択することにより、光パラメトリッ
ク増幅器202から出力される二つの参照光21およびプロ
ーブ光22は、互いの偏光方向を直交させることができ、
偏光ビームスプリッタ301によって上記２つの光子ビー
ムを分離するこができる。光パラメトリック増幅器202
の出力の二つの光子ビームが、互いに異なる波長を有す
る場合には、前記光路分離手段として、プリズム等の波
長選択素子を用いることが出来ることは、前述の実施例
と同じである。

【００２６】偏光ビームスプリッタで分けられた光子ビ
ームは、光路31および光路41上に入射する。被測定試料
400は、光路41上に挿入される。光路42に入射したプロ
ーブ光は光検出器511で光電子電流信号に変換される。
一方、光路31に入射した光は遅延素子800を通過した
後、参照光として光検出器512に入射し光電子電流信号
に変換される。ショットノイズの抑圧のために、上記二
つの光路31および41上を通過するパルス光の波束が、同
時刻に光検出器511および512に入射するように、遅延素
子800が与える遅延時間を決める。また、ショットノイ
ズの抑圧を可能にするために、これらの光検出器511,51
2は十分量子効率の高いものが必要であることは、前述
の実施例と同じである。例えば、モードロックＱスイッ
チＮｄ：ＹＡＧレーザーの第二高調波を用い、前記非線
形光学結晶を用いる場合には、ＩｎＧａＡｓ−ＰＩＮ，
Ｓｉ−ＰＩＮホトダイオードなどを用いることができ
る。データ処理部700の動作は、図５に示した実施例と
同じである。ただし、高速光パルスに対する十分な応答
性が得られるように、電子回路系は、十分応答性の高い
ものを選択する必要がある。

【００２７】図７は、本発明を試料の光学活性を測定す
る装置に適用した実施例である。図７において、レーザ
ー100、波長変換素子200、光路分離手段300は、引き算
回路600、データ処理部700は、図３、図５または図６に
示したものと同様である。すなわち、レーザ100とし
て、連続またはパルス発振レーザーを用い、波長変換素
子200として、光パラメトリック発振器、または、光パ
ラメトリック増幅器を用い、また、光路分離手段として
プリズム、または偏光ビームスプリッタを用いることが
できる。

【００２８】本実施例では、光学活性のうち、磁気光学
効果を検出することにより試料濃度測定装置を構成する
例を示しているが、一般に、光学活性を有する試料の測
定においては、図７の実施例中で磁場印加手段1000は必
要無い。被測定試料410は、光路41上に挿入される。磁
場印加手段1000により、光路と垂直で、かつ、その光路
の光の偏光方向と45°の角度を持つ方向を持った磁場を
被測定試料410に印加する。被測定試料410を透過した光
は、試料と相互作用する結果、楕円偏光に変換される。
このような磁気光学効果をフォークト効果と呼び、この
ような磁場の配置をフォークト配置と呼ぶ。光路42に入
射したプローブ光のうち、光路41上のプローブ光の偏光
方向の成分と等しい偏光方向を持った光子のみを検光子
900により選択し、光検出器511で光電子電流信号Ｉ_Sに
変換する。すなわち、検光子900は、被測定試料410との
相互作用による偏光状態の変化が生じなかった光子のみ
を検出する役目をする。

【００２９】光路31に入射した光は参照光として光検出
器512で光電子電流信号Ｉ_Rに変換される。これらの光検
出器511,512は十分大きい量子効率を持つ。引き算回路6
00により、二つの光検出器511,512の出力の差信号(Ｉ_R
−Ｉ_S)を取ると、フォークト効果による入射光の変化量
に比例した信号が得られる。なお、この方法では、試料
による入射光の偏光の変化と試料による入射光の減衰の
和信号が検出されることになる。データ処理部700の動
作は、図５に示した実施例と同じである。

【００３０】以上はフォークト配置の場合であるが、磁
場の印加方向を光路に平行にすることもできる。この場
合、試料に入射した光は、試料と相互作用する結果、そ
の偏光方向が回転する。このような磁気光学効果をファ
ラデー効果と呼び、このような磁場の配置をファラデー
配置と呼ぶ。この場合も、ファラデー効果による入射光
の変化量に比例した信号が、引き算回路600の出力とし
て得られる。

【００３１】図８は、本発明を試料の光学活性を測定す
る装置に適用した実施例である。図８において、レーザ
ー100、波長変換素子200、光路分離手段301、引き算回
路600、データ処理部700は、図３、図５または図６に示
したものと同様である。すなわち、レーザ100として、
連続またはパルス発振レーザーを用い、波長変換素子20
0として、光パラメトリック発振器、または、光パラメ
トリック増幅器を用いる、また、光路分離手段301とし
てプリズム、または偏光ビームスプリッタを用いること
ができる。

【００３２】この実施例において、波長変換素子200に
よって作られる一対の光子は、同一光路上にはあるが、
波長が異なっており、さらに互いの偏光方向が直交した
偏光モードを有する光子対である。そして、波長λ₁の
参照光21と波長λ₂のプローブ光22の両光子ビームを、
光学活性を有する被測定試料410に透過させ、透過光を
偏光ビームスプリッタ301により、光子対の偏光モード
の違いに対応した二つの光路に分け、それぞれを光検出
器511,512で検出する。この方法は、被測定試料410が、
波長λ₂のプローブ光22に対して光学活性を持ち、波長
λ₁の参照光21に対しては光学活性を持たない場合に有
効である。

【００３３】図８において、波長λ₁の参照光21に対し
ては、被測定試料410は光学異方性を示さないので、被
測定試料410を透過した光ビーム２５の中の光子に偏光
状態の変化は無い。光ビーム25となった波長λ₁の光子
を透過するように偏光ビームスプリッタ301を配置する
と、波長λ₁の光子は光路32に入射し、光検出器512で検
出される。

【００３４】一方、波長λ₂のプローブ光22が被測定試
料410を透過し光ビーム26に入射したとすると、被測定
試料410の有する旋光性により、入射したプローブ光22
の偏光方向と直交した偏光方向を有する波長λ₂の成分
が発生する。この成分の偏光方向は、波長λ₁の参照光2
1の偏光方向に平行であるから、偏光ビームスプリッタ3
01を透過して光路33に入射し、光検出器512で検出され
る。被測定試料410で偏光状態が変化しなかった波長λ₂
の成分は、偏光ビームスプリッタ301によって反射さ
れ、光路43に入射し、光検出器511で検出される。

【００３５】この方法によれば、光電子電流の引き算の
出力には、プローブ光の1光子の偏光状態の変化が、光
電子2個分の電荷量になって現れる。したがって、本実
施例で得られる、偏光状態の変化に対応する信号強度の
変化は、図７に示した実施例で得られる信号強度の変化
の２倍になるという特徴を持っている。

【００３６】図９(a)は、本発明を、ラマン活性を有す
る物質の検出装置に応用した実施例を示す。図９(a)に
おいて、レーザー100、波長変換素子200、光路分離手段
300、引き算回路600、データ処理部700は、図３、図５
または図６に示したものと同様である。すなわち、レー
ザ100として、連続またはパルス発振レーザーを用い、
波長変換素子200として、光パラメトリック発振器、ま
たは、光パラメトリック増幅器を用い、また、光路分離
手段としてプリズム、または偏光ビームスプリッタを用
いることができる。

【００３７】上記波長変換素子200から得られる光子対
ビームのうち、一方をプローブ光22とし、他方を参照光
21とする。光路分離手段300によって、参照光21は光路3
1に入射し、プローブ光22はプローブ光50に変換され、
ラマンセル420に入射し、透過プローブ光51およびラマ
ン散乱光60を発生する。信号選択手段430は、これらの
信号のうち、入射光50と波長および偏光方向が等しい
光、すなわち、透過プローブ光51のみを選択的に透過
し、光検出器511に入射する。引き算回路600およびデー
タ処理部700の動作も、図３、図５または図６に示した
ものと同様であり、これらの方法によって、プローブ光
50のラマンセル透過による減衰を測定する。プローブ光
周波数ω₁と、ラマン散乱信号周波数ω₂との関係を図９
(b)に示した。図９(b)において、|e＞および|g＞は、各
々被検出物質の励起状態、基底状態を表し、これらの状
態間のエネルギー差が、hΩである。なお、hはプランク
定数である。図に示したように、プローブ光の周波数
は、被検出物質の共鳴吸収が生じるようなエネルギー領
域からは十分離れている。一般に、ラマン散乱断面積
は、共鳴吸収の断面積に比べ非常に小さく、このため、
ラマンセルを透過するプローブ光の減衰は十分小さい。
したがって、プローブ光50と参照光31の量子相関を崩す
ことなく、ラマンセル透過光を検出できる。

【００３８】図１０は、本発明を、ラマン活性を有する
物質の検出装置に応用した他の実施例を示す。本実施例
は、図９(a)の実施例に、ポンプ光15を発生するレーザ1
50、ポンプ光15とプローブ光50の交差角を調整するため
のレンズ16、および、プローブ光選択手段430を新たに
導入した以外は、図９(a)に示した実施例と同様の構成
要素を持ち、また、これらの動作も同様である。

【００３９】本実施例においては、ポンプ光15の存在に
よって、ラマンセル420からの信号には、透過プローブ
光52に加えて、逆ラマン信号61、コーヒーレント反スト
ークスラマン信号62、誘導ラマン信号63、などが発生す
る。これらの過程が発生することによりプローブ光の光
子数に変化が生じ、ラマン活性物質の検出が行える。

【００４０】

【発明の効果】本発明により、極めて低雑音の光計測装
置が可能になり、極めて微量の物質の同程や、微弱な光
学的性質の変化の測定が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明者等が従来用いていた光計測装置の構成
を示す図

【図２】図１に示す装置の原理を説明するための図

【図３】本発明に係る光計測装置の構成を示す図

【図４】図３に示す装置の原理を説明するための図

【図５】本発明の第１の実施例の構成を示す図

【図６】本発明の第２の実施例の構成を示す図

【図７】本発明を試料の光学活性を測定する装置に適用
した例を示す図

【図８】本発明を試料の光学活性を測定する装置に適用
した実施例を示す図

【図９】本発明をラマン活性を有する物質の検出装置に
応用した実施例を示す図

【図１０】本発明をラマン活性を有する物質の検出装置
に応用した他の実施例を示す図

【符号の説明】

１０…レーザ光、１２…ポンプ光、１３…ミラー、１５
…第２のポンプ光、１６…交差角調整用レンズ、２１…
参照光、２２…プローブ光、２５…被測定試料を透過し
た波長λ₁の光子の光路、２６…被測定試料を透過した
波長λ₂の光子の光路、３１…光路、３２…偏光ビーム
スプリッタを透過した波長λ₁の光子、３３…偏光ビー
ムスプリッタを透過した波長λ₂の光子、４１…光路、
４３…偏光ビームスプリッタで反射された波長λ₂の光
子、４５…光ビーム、４６…光ビーム、５０…プローブ
光、５１…透過プローブ光、５２…透過プローブ光、６
１…逆ラマン信号、６２…コヒーレント反ストークスラ
マン信号、６３…誘導ラマン信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】光源と、前記光源から放射される一つの光
   子を第一の光子と第二の光子よりなる光子対に変換する
   ための第一の手段と、前記光子対の光路を前記第一の光
   子が通過し、かつ、その光路中に被測定試料を挿入する
   ための第一の光路と前記第二の光子が通過する第二の光
   路とに分離するための第二の手段と、前記第一の光路上
   に設けられ、その光の強度を検出するための第三の手段
   と、前記第二の光路上に設けられ、その光の強度を検出
   するための第四の手段と、前記第三の手段および第四の
   手段の各々の出力値に基づいて前記光源の持つ量子雑音
   を相殺するための第五の手段と、前記第五の手段の出力
   値に基づいて前記被測定試料の光学的特性を測定するた
   めの第六の手段とを有することを特徴とする光計測装
   置。 【請求項２】前記光源はレーザ光源であることを特徴と
   する請求項１記載の光計測装置。 【請求項３】前記第一の手段は波長変換素子であること
   を特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項４】前記第二の手段は偏光ビームスプリッタで
   あることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項５】前記第二の手段はプリズムであることを特
   徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項６】前記第三の手段および第四の手段は光電変
   換素子であることを特徴とする請求項１記載の光計測装
   置。 【請求項７】前記第五の手段は引き算機能を有すること
   を特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項８】前記第五の手段は、Ｉ_Rを前記第三の手段
   の出力値、Ｉ_Pを前記第四の手段の出力値とするとき、
   少なくとも（Ｉ_R−Ｉ_P）／Ｉ_Rまたは（Ｉ_R−Ｉ_P）／
   （Ｉ_R＋Ｉ_P）のいずれか一方の演算機能を有することを
   特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項９】前記光学的特性の測定は少なくとも次のい
   ずれか一つであることを特徴とする請求項１記載の光計
   測装置； (a)前記被測定試料はガスであり、前記ガス中の特定の
   物質の濃度の光学的測定、 (b)前記被測定試料は光ファイバであり、前記光ファイ
   バ中を伝播する光の減衰特性の測定、 (c)前記被測定試料の光学活性の測定、 (d)前記被測定試料の光学活性のうち磁気光学効果を検
   出することにより前記被測定試料中の特定物質の濃度測
   定、 (e)前記被測定試料中のラマン活性を有する物質の光学
   的検出のための測定、 (f)前記被測定試料はラマンセルであり、前記ラマンセ
   ルの透過光を検出するための測定。 【請求項１０】前記第六の手段はデータ処理部であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項１１】前記被測定試料は、半導体製造に用いら
   れる材料ガス、光ファイバ中を伝播する光、塵埃を含有
   するガスまたはラマン活性を有する物質のいずれかであ
   ることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項１２】前記第二の光路中には遅延回路が挿入さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の光計測装置。 【請求項１３】前記被測定試料に磁場を印加するための
   第七の手段を有することを特徴とする請求項１記載の光
   計測装置。 【請求項１４】前記被測定試料はラマンセルであり、前
   記ラマンセルと前記第三の手段との間の前記第一の光路
   中には信号選択手段が挿入されていることを特徴とする
   請求項１記載の光計測装置。 【請求項１５】光源と、前記光源から放射される一つの
   光子を第一のモードの光子と第二のモードの光子よりな
   る光子対に変換するための第一の手段と、前記光子対の
   光路を前記第一のモードに対応した第一の光路と前記第
   二の光子が通過する第二の光路とに分離するための第二
   の手段と、前記第一の光路上に設けられ、その光の強度
   を検出するための第三の手段と、前記第二の光路上に設
   けられ、その光の強度を検出するための第四の手段と、
   前記光子対の光路上に挿入された被測定試料と、前記第
   三の手段および第四の手段の各々の出力値に基づいて前
   記光源の持つ量子雑音を相殺するための第五の手段と、
   前記第五の手段の出力値に基づいて前記被測定試料の光
   学的特性を測定するための第六の手段とを有することを
   特徴とする光計測装置。 【請求項１６】前記光源は、レーザ光源であることを特
   徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項１７】前記第一の手段は波長変換素子であるこ
   とを特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項１８】前記第二の手段は偏光ビームスプリッタ
   であることを特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項１９】前記第二の手段はプリズムであることを
   特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項２０】前記第三の手段および第四の手段は光電
   変換素子であることを特徴とする請求項１５記載の光計
   測装置。 【請求項２１】前記第五の手段は引き算機能を有するこ
   とを特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項２２】前記第五の手段は、Ｉ_Rを前記第三の手
   段の出力値、Ｉ_Pを前記第四の手段の出力値とすると
   き、少なくとも（Ｉ_R−Ｉ_P）／Ｉ_Rまたは（Ｉ_R−Ｉ_P）
   ／（Ｉ_R＋Ｉ_P）のいずれか一方の演算機能を有すること
   を特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項２３】前記光学的特性の測定は少なくとも次の
   いずれか一つであることを特徴とする請求項１５記載の
   光計測装置； (a)前記被測定試料の光学活性の測定、 (b)前記被測定試料の光学活性のうち磁気光学効果を検
   出することにより前記被測定試料中の特定物質の濃度測
   定、 【請求項２４】前記第六の手段はデータ処理部であるこ
   とを特徴とする請求項１５記載の光計測装置。 【請求項２５】前記被測定試料は、ラマン活性を有する
   物質であることを特徴とする請求項１５記載の光計測装
   置。 【請求項２６】前記第二の光路中には遅延回路が挿入さ
   れていることを特徴とする請求項１５記載の光計測装
   置。 【請求項２７】前記被測定試料に磁場を印加するための
   第七の手段を有することを特徴とする請求項１５記載の
   光計測装置。 【請求項２８】光源から放射される一つの光子を第一の
   光子と第二の光子よりなる光子対に変換し、前記光子対
   の光路を前記第一の光子が通過し、かつ、その光路中に
   被測定試料を挿入するための第一の光路と前記第二の光
   子が通過する第二の光路とに分離し、前記第一の光路上
   に設けられた第一の手段によってその光の強度を検出
   し、前記第二の光路上に設けられた第二の手段によって
   その光の強度を検出し、前記第一の手段および第二の手
   段によって検出された各々の光の強度の出力値に基づい
   て前記光源の持つ量子雑音を相殺する処理を行い、その
   処理に基づく出力値に基づいて前記被測定試料の光学的
   特性を測定することを特徴とする光学的計測方法。 【請求項２９】光源から放射される一つの光子を第一の
   モードの光子と第二のモードの光子よりなる光子対に変
   換し、前記光子対を被測定試料中へ入射させ、前記被測
   定試料中から出射した前記光子対の光路を前記第一のモ
   ードに対応した第一の光路と前記第二のモードに対応し
   た第二の光路とに分離し、前記第一の光路上に設けられ
   た第一の手段によってその光の強度を検出し、前記第二
   の光路上に設けられた第二の手段によってその光の強度
   を検出し、前記第一の手段および第二の手段の各々の出
   力値に基づいて前記光源の持つ量子雑音を相殺する処理
   を行い、その処理に基づく出力値に基づいて前記被測定
   試料の光学的特性を測定することを特徴とする光学的計
   測方法。