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TRANSIENT ABSORPTION RESPONSE DETECTION DEVICE AND TRANSIENT ABSORPTION RESPONSE DETECTION METHOD

Patent code P170014164
File No. S2013-1434-N0
Posted date May 29, 2017
Application number P2014-039995
Publication number P2017-078569A
Patent number P6298654
Date of filing Feb 28, 2014
Date of publication of application Apr 27, 2017
Date of registration Mar 2, 2018
Inventor
  • (In Japanese)塩田 達俊
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人埼玉大学
Title TRANSIENT ABSORPTION RESPONSE DETECTION DEVICE AND TRANSIENT ABSORPTION RESPONSE DETECTION METHOD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To perform the measurement (the measurement of at least either one of the amplitude and the phase relating to a plurality of frequency components) of a transient absorption response within one shot period of probe light.
SOLUTION: A transient absorption response detection device includes: an optical frequency comb source 11; an optical frequency comb modulator 12 for increasing the repetition frequency of a pulse train that constitutes an optical frequency comb by performing phase modulation for each vertical mode of the optical frequency comb on a frequency axis; a probe optical irradiation system 13 for irradiating a specimen SMPL with this optical frequency comb; a pump optical irradiation system 14 for irradiating the specimen SMPL and optically exciting the specimen; a detection light emission system 15 for emitting the transmitted light or reflected light of the probe light applied to the specimen SMPL as the transient absorption response light, to a spectrum detection device; a reference light emission system 16 for emitting the optical frequency comb generated by the optical frequency comb source to the spectrum detection device as a reference light; and a spectrum detection device 17 for detecting a phase spectrum of the transient absorption response light from the transmitted light and the reference light of the probe light.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

試料にポンプ光を照射して当該試料を光励起すると同時に、前記試料にプローブ光を照射し、透過光の光強度の時間的変化を測定することにより、過渡吸収スペクトルを測定することができる。

この種の技術として、以下の技術が知られている。
(a)自己相関法:自己相関関数の計測を行うことで、簡便にパルス幅を計測できる。
(b)FROG法:参照パルスをゲート信号により時間分解計測することで、位相計測ができる(引用文献1参照)。
(c)SPIDER法:周波数をずらした自己位相干渉光を分光計測することで、位相計測ができる(引用文献2参照)。
(d)ポンプ・プローブ法:光路長で時間を走査することで、フェムト秒での時間分解ができる。
(e)パルスシンセサイジング法:25GHz間隔1THz帯域の光周波数コムの振幅・位相制御を行うことで、高速任意波形の生成が容易。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、ポンプ光パルスを試料に照射して当該試料を光励起すると同時に、プローブ光を前記試料に照射し、透過光または反射光の光強度の時間的変化を測定することにより、過渡吸収応答を検出する過渡吸収応答検出装置および過渡吸収応答検出方法に関する。
本発明では、過渡吸収応答の検出(複数の周波数成分についての振幅および位相の少なくとも一方の測定)を、フェムト秒の分解能でかつ1回のプローブ光の照射期間内に行うことができる。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
1つまたは複数のポンプ光パルスを試料に照射して光励起すると同時に、プローブ光を前記試料に照射(irradiate)し、透過光または反射光の振幅および位相の少なくとも一方の時間的変化を測定することにより、前記試料の過渡吸収応答を測定する過渡吸収応答検出装置において、
光周波数コムを発生する光周波数コム源と、
前記光周波数コムを入射し、周波数軸上で、光周波数コムの縦モードの各々に位相変調、または位相変調および振幅変調を行うことで、前記光周波数コムを構成するパルス列の繰返し周波数を増大する光周波数コム変調器と、
前記光周波数コム変調器から出射された、パルス列の繰返し周波数が増大した前記光周波数コムをプローブ光として前記試料に照射するプローブ光照射系と、
前記ポンプ光パルスを、前記光周波数コム源が発生する光周波数コムを構成するあるパルスに同期するタイミングで、前記試料に照射し当該試料を光励起するポンプ光照射系と、
前記試料に照射された前記プローブ光の透過光または反射光を、過渡吸収応答光として前記スペクトル検出器に出射する検出光出射系と、
前記光周波数コム源が発生する光周波数コム、または、前記光周波数コム変調器が出射する光周波数コムに同期する光周波数コムを参照光としてスペクトル検出器に出射し、または当該同期する光周波数コムから参照光を生成し、この参照光をスペクトル検出器に出射する参照光出射系と、
前記検出光出射系を介して入射した前記プローブ光の透過光または反射光および、前記参照光出射系から入射した参照光から、前記過渡吸収応答光の位相スペクトルまたはさらに振幅スペクトルを検出するスペクトル検出器と、
を備えたことを特徴とする過渡吸収応答検出装置。

【請求項2】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記光周波数コム源が、光コム発生器およびコム間隔粗化器を備えていることを特徴とする過渡吸収応答検出装置。

【請求項3】
 
請求項2に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記ポンプ光パルスが、前記光コム発生器または前記コム間隔粗化器の出射光パルスから生成されまたは前記出射光パルスから選ばれ、または、
前記ポンプ光パルスが、前記光コム発生器または前記コム間隔粗化器に同期して動作する光源から生成されることを特徴とする過渡吸収応答検出装置。

【請求項4】
 
請求項2に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記参照光出射系が前記光コム発生器、前記コム間隔粗化器または光周波数コム変調器から光周波数コムを入射し、または、前記光コム発生器、前記コム間隔粗化器または光周波数コム変調器に同期して光周波数コムを発生する光源から当該光周波数コムを入射する過渡吸収応答検出装置。

【請求項5】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記プローブ光照射系、前記検出光出射系および前記参照光出射系のそれぞれに波長変換器が備えられ、
前記プローブ光照射系および前記検出光出射系のそれぞれに波長変換器が備えられ、
前記プローブ光照射系および前記参照光出射系のそれぞれに波長変換器が備えられ、または、
前記検出光出射系および前記参照光出射系のそれぞれに波長変換器が備えられ、
前記参照光は、前記検出光出射系を介して前記スペクトル検出器に入射される過渡吸収応答光の周波数と同期するように前記各波長変換器が調整されている過渡吸収応答検出装置。

【請求項6】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記前記プローブ光照射系が光強度変調器を備えた過渡吸収応答検出装置。

【請求項7】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記ポンプ光が前記光コム発生部または前記コム間隔粗化器から生成され、またはパルス発生器から生成されることを特徴とする過渡吸収応答検出装置。

【請求項8】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記ポンプ光出射系が波長変換器を備えた過渡吸収応答検出装置。

【請求項9】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記ポンプ光出射系が光強度変調器を備えた過渡吸収応答検出装置。

【請求項10】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記検出光出射系が光強度変調器を備えた過渡吸収応答検出装置。

【請求項11】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記参照光出射系は、音響光学変調器を備え、当該音響光学変調器が、前記検出光出射系から取り出された過渡吸収応答光との間でビートを生じさせる周波数(過渡吸収応答光の周波数とわずかに異なる周波数)を有する光周波数コムを参照光として生成し、
前記スペクトル検出器は、前記参照光を入射し前記過渡吸収応答光と前記参照光とのビートを検出することで、前記過渡吸収応答光の位相スペクトルまたはさらに振幅スペクトルを検出する過渡吸収応答検出装置。

【請求項12】
 
請求項1に記載の過渡吸収応答検出装置において、
前記スペクトル検出器の後段に、演算部を含み、
前記演算部は、前記スペクトル検出器により検出されたスペクトルを逆フーリエ変換して光電界ベクトルの時間変動を演算しその演算結果を出力する過渡吸収応答検出装置。

【請求項13】
 
1つまたは複数のポンプ光パルスを試料に照射して光励起すると同時に、プローブ光を前記試料に照射(irradiate)し、透過光または反射光の振幅および位相の少なくとも一方の時間的変化を測定することにより、前記試料の過渡吸収応答を測定する、以下のステップを含む過渡吸収応答検出方法。
光周波数コム発生ステップ:光周波数コム源から光周波数コムを発生する。
光周波数コム変調ステップ:前記光周波数コム発生ステップにおいて発生した前記光周波数コムを、光周波数コム変調器に入射し、周波数軸上で、光周波数コムの縦モードの各々に位相変調、または振幅・位相変調を行うことで、前記光周波数コムを構成するパルス列の繰返し周波数を増大する。
プローブ光照射ステップ:前記光周波数コム変調ステップにおいて変調した、パルス列の繰返し周波数が増大した前記光周波数コムをプローブ光として前記試料に照射する。
ポンプ光照射ステップ:光周波数コム発生ステップにおいて前記光周波数コム源が発生する光周波数コムを構成するあるパルスに同期するタイミングで、前記ポンプ光パルスを、前記試料に照射し当該試料を光励起する。
参照光出射ステップ:前記光周波数コム発生ステップにおいて発生した光周波数コムを入射し、当該光周波数コムを参照光としてスペクトル検出器に出射し、または当該光周波数コムから参照光を生成し当該参照光をスペクトル検出器に出射する。
スペクトル検出ステップ:前記プローブ光照射ステップにおいて前記試料に照射された前記プローブ光の透過光または反射光を、検出光出射系を介して入射するとともに、前記参照光出射系から参照光を入射し、これらの入射光から、前記過渡吸収応答光の位相スペクトルまたはさらに振幅スペクトルを検出する。

【請求項14】
 
請求項13に記載の過渡吸収応答検出方法において、さらに以下のステップを含む過渡吸収応答検出方法。
演算ステップ:前記スペクトル検出ステップにおいて検出されたスペクトルを逆フーリエ変換して光電界ベクトルの時間変動を演算する。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2014039995thum.jpg
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