JP2014215214A - Measuring method of physical property of sample - Google Patents
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Abstract
【課題】ポンププローブ法を利用して任意の周波数の信号を検出することができる、試料の物理的性質の測定方法を提供すること。【解決手段】繰り返し周波数がfHzのポンプ光パルス列を周波数FHzで振幅変調して、fn?FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプ光パルス列を生成する。前記振幅変調された前記ポンプ光パルス列を遅延光路を介して試料に照射する。前記ポンプ光パルス列を照射された前記試料に、繰り返し周波数がFHzの前記プローブ光パルス列を照射して、前記ポンプ光パルス列の照射に起因するfn?FHzの周波数成分を含む信号を前記試料から検出する。前記FHzは、0〜f/2Hzの範囲内である。【選択図】図1A method for measuring a physical property of a sample capable of detecting a signal of an arbitrary frequency using a pump probe method is provided. A pump optical pulse train having a repetition frequency of fHz is amplitude-modulated at a frequency FHz to generate a pump optical pulse train including a frequency component of fn? FHz (n is an arbitrary integer). The sample is irradiated with the amplitude-modulated pump light pulse train through a delay optical path. The probe irradiated with the pump light pulse train is irradiated with the probe light pulse train having a repetition frequency of FHz, and a signal containing a frequency component of fn? FHz resulting from the irradiation of the pump light pulse train is detected from the sample. . The FHz is in the range of 0 to f / 2 Hz. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、ポンププローブ法を利用する試料の物理的性質の測定方法に関する。 The present invention relates to a method for measuring physical properties of a sample using a pump probe method.
物質にピコ秒〜サブピコ秒の時間幅を持つ超短レーザーパルスを照射した場合、光吸収による局所的かつ急峻な温度上昇などにより、物質中にGHz〜THzの周波数領域の音響波が生成される。この音響波の伝播の様子は、それによって引き起こされる試料表面における過渡的な光反射率の変化によって検出されうる(非特許文献1)。この実験手法は、「ピコ秒レーザー音響法」と呼ばれている。ピコ秒レーザー音響法は、試料に特定の現象を生じさせるためのポンプパルス列(例えば、光パルス列や電気パルス列など)と、この現象による試料の変化を検出するためのプローブパルス列(例えば、光パルス列や電気パルス列など)とを印加する「ポンププローブ法」に属する。ピコ秒レーザー音響法は、物質のナノメートルスケールの構造を非破壊で調べることや(非特許文献2)、物質中の励起電子の超高速ダイナミクスを調べることなどに広く応用されている(非特許文献3)。 When a material is irradiated with an ultrashort laser pulse having a time width of picoseconds to subpicoseconds, an acoustic wave in a frequency range of GHz to THz is generated in the material due to a local and steep temperature rise due to light absorption. . The state of propagation of the acoustic wave can be detected by a transient change in light reflectance on the sample surface caused by the propagation (Non-Patent Document 1). This experimental technique is called “picosecond laser acoustic method”. The picosecond laser acoustic method is a pump pulse train (for example, an optical pulse train or an electric pulse train) for causing a specific phenomenon in a sample, and a probe pulse train (for example, an optical pulse train or the like for detecting a change in the sample due to this phenomenon). Belongs to the “pump probe method”. The picosecond laser acoustic method is widely applied to non-destructive investigation of a nanometer-scale structure of a substance (Non-Patent Document 2), and examination of ultrafast dynamics of excited electrons in a substance (Non-Patent Document 2). Reference 3).
本発明者らは、ピコ秒レーザー音響法における複素光反射係数の変化を検出するための高感度かつ高安定度の光干渉計を開発した(非特許文献4)。本発明者らは、この光干渉計と光学スキャナとを組み合わせることにより、GHzの周波数領域の表面音響波の伝播を、ミクロンスケールの空間分解能かつピコ秒の時間分解能で時間分解2次元イメージとして測定できる技術も開発した(非特許文献5、非特許文献6)。この技術は、フォノニック結晶における音響波分散関係の直接測定や、フォノニックバンドギャップの検証などに大きな成果を上げてきた(非特許文献7)。 The present inventors have developed a highly sensitive and highly stable optical interferometer for detecting a change in the complex light reflection coefficient in the picosecond laser acoustic method (Non-patent Document 4). By combining this optical interferometer and an optical scanner, the present inventors measure the propagation of surface acoustic waves in the GHz frequency domain as a time-resolved two-dimensional image with micron-scale spatial resolution and picosecond time resolution. The technology which can be developed was also developed (nonpatent literature 5, nonpatent literature 6). This technology has achieved great results in direct measurement of acoustic wave dispersion relations in phononic crystals, verification of phononic band gaps, and the like (Non-Patent Document 7).
しかしながら、従来のピコ秒レーザー音響法には、原理的に、検出可能な音響波の周波数が、ポンプ光パルス列の繰り返し周波数の整数倍に限られるという問題がある。したがって、従来のピコ秒レーザー音響法は、例えばフォノニックバンドギャップのバンド端周波数や、Q値の高い共振器の共振周波数などを正確に調べるという用途には不向きであった。 However, the conventional picosecond laser acoustic method has a problem that, in principle, the frequency of the detectable acoustic wave is limited to an integral multiple of the repetition frequency of the pump light pulse train. Therefore, the conventional picosecond laser acoustic method is unsuitable for applications in which, for example, the band edge frequency of a phononic band gap or the resonance frequency of a resonator having a high Q value is accurately checked.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ポンププローブ法を利用して任意の周波数の信号を検出することができる、試料の物理的性質の測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a method for measuring a physical property of a sample, which can detect a signal having an arbitrary frequency using a pump probe method. .
本発明者は、ポンププローブ法において、変調により生成されるfn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプパルス列を試料に印可するとともに、プローブパルス列を試料に印加して得られる信号に含まれるfn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離して検出することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。 In the pump probe method, the inventor applies a pump pulse train including a frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) generated by modulation to a sample, and a signal obtained by applying the probe pulse train to the sample. The fn + FHz frequency component and the fn−FHz frequency component contained in the above are found to be separated and detected, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明は、以下の試料の物理的性質の測定方法に関する。
[1]ポンププローブ法を利用する試料の物理的性質の測定方法であって、繰り返し周波数がfHzのポンプパルス列を周波数FHzで振幅変調して、fn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプパルス列を生成する工程と、振幅変調された前記ポンプパルス列を試料に印可する工程と、前記ポンプパルス列が前記試料に到達してからt’秒後にプローブパルス列が前記試料に到達するように、前記ポンプパルス列を印加された前記試料に、繰り返し周波数がfHzのプローブパルス列を印加して、前記ポンプパルス列の印加に起因するfn±FHzの周波数成分を含む信号を前記試料から検出する工程と、を含む、試料の物理的性質の測定方法。
[2]前記ポンプパルス列は、振幅変調された後に遅延回路を通り、前記信号を検出する工程は、ロックインアンプを用いて検出された同相信号Xをフーリエ変換する工程を含む、[1]に記載の測定方法。
[3]繰り返し周波数がfHzの前記プローブパルス列を印加する代わりに、繰り返し周波数がfHzの前記プローブパルス列を周波数F’Hz(F’は前記Fとは異なる値)で振幅変調して生成される、振幅変調されたプローブパルス列を印加する、[1]に記載の測定方法。
[4]前記ポンプパルス列または前記プローブパルス列は、振幅変調された後に遅延回路を通り、前記信号を検出する工程は、ロックインアンプを用いて検出された同相信号Xをフーリエ変換する工程を含む、[3]に記載の測定方法。
[5]前記信号を検出する工程は、二位相型ロックインアンプを用いて、同相信号Xおよび90°位相信号Yから複素信号X+iYを生成する工程と、前記複素信号X+iYをフーリエ変換する工程と、を含む、[1]または[3]に記載の測定方法。
[6]前記t’秒は、0〜1/f秒の範囲内であり、前記複素信号X+iYを生成する工程は、0≦t’≦1/fについての複素信号X+iYを基に、t’>1/fについての複素信号X+iYを生成する工程を含む、[5]に記載の測定方法。
[7]前記FHzは、0〜f/2Hzの範囲内である、[1]〜[6]のいずれか1項に記載の測定方法。
[8]前記ポンプパルス列および前記プローブパルス列の少なくとも一方は、光パルス列である、[1]〜[7]のいずれか一項に記載の測定方法。
[9]前記信号は、ポンプ光パルス列の照射に起因する表面音響波の伝播による試料の表面変位である、[8]に記載の測定方法。
That is, the present invention relates to a method for measuring physical properties of the following samples.
[1] A method for measuring physical properties of a sample using the pump probe method, wherein a pump pulse train having a repetition frequency of fHz is amplitude-modulated with a frequency FHz, and a frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) Generating a pump pulse train including: applying the amplitude-modulated pump pulse train to the sample; and causing the probe pulse train to reach the sample t ′ seconds after the pump pulse train reaches the sample. Applying a probe pulse train having a repetition frequency of fHz to the sample to which the pump pulse train is applied, and detecting a signal including a frequency component of fn ± FHz resulting from the application of the pump pulse train from the sample; A method for measuring physical properties of a sample.
[2] The pump pulse train undergoes amplitude modulation and then passes through a delay circuit, and the step of detecting the signal includes a step of Fourier transforming the in-phase signal X detected using a lock-in amplifier. [1] The measuring method as described in.
[3] Instead of applying the probe pulse train having a repetition frequency of fHz, the probe pulse train having a repetition frequency of fHz is generated by amplitude modulation at a frequency F′Hz (F ′ is a value different from F). The measurement method according to [1], wherein an amplitude-modulated probe pulse train is applied.
[4] The pump pulse train or the probe pulse train passes through a delay circuit after amplitude modulation, and the step of detecting the signal includes a step of Fourier transforming the in-phase signal X detected using a lock-in amplifier. The measurement method according to [3].
[5] The step of detecting the signal includes a step of generating a complex signal X + iY from the in-phase signal X and the 90 ° phase signal Y using a two-phase lock-in amplifier, and a step of Fourier transforming the complex signal X + iY. And the measurement method according to [1] or [3].
[6] The t ′ seconds are in the range of 0 to 1 / f seconds, and the step of generating the complex signal X + iY is based on the complex signal X + iY with respect to 0 ≦ t ′ ≦ 1 / f. The measurement method according to [5], including a step of generating a complex signal X + iY for> 1 / f.
[7] The measurement method according to any one of [1] to [6], wherein the FHz is in a range of 0 to f / 2 Hz.
[8] The measurement method according to any one of [1] to [7], wherein at least one of the pump pulse train and the probe pulse train is an optical pulse train.
[9] The measurement method according to [8], wherein the signal is a surface displacement of the sample due to propagation of a surface acoustic wave caused by irradiation with a pump light pulse train.
本発明によれば、ポンププローブ法において任意の周波数の信号を検出して、試料の物理的性質をより正確に測定することができる。 According to the present invention, a signal having an arbitrary frequency can be detected in the pump probe method, and the physical properties of the sample can be measured more accurately.
以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明では、本発明に係る試料の物理的性質の測定方法の代表例として、ポンプ光パルス列を照射して任意周波数の音響波を生成し、プローブ光パルス列を照射して音響波の伝播を検出する表面音響波の時間分解2次元イメージング法について説明する。以下の実施の形態に係る表面音響波の時間分解2次元イメージング法によれば、例えば試料の弾性定数や内部構造などを測定することが可能である。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, as a representative example of the physical property measurement method for a sample according to the present invention, an acoustic wave of an arbitrary frequency is generated by irradiating a pump light pulse train, and the acoustic wave is propagated by irradiating a probe light pulse train. A time-resolved two-dimensional imaging method of the surface acoustic wave to be detected will be described. According to the time-resolved two-dimensional imaging method of surface acoustic waves according to the following embodiments, for example, the elastic constant and internal structure of a sample can be measured.
[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る試料の物理的性質の測定方法を実施するための測定装置(表面音響波の時間分解2次元イメージング装置)の構成を示す模式図である。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a measurement apparatus (a surface acoustic wave time-resolved two-dimensional imaging apparatus) for carrying out a physical property measurement method for a sample according to Embodiment 1 of the present invention.
図1に示されるように、測定装置100は、パルスレーザー光源110、非線形光学結晶120、第1のダイクロイックミラー130、音響光学変調器140、遅延光路(遅延回路)150、ミラー160、干渉計180、光学スキャナ190、第2のダイクロイックミラー200、対物レンズ210、光検出器220、ファンクションジェネレータ230およびロックインアンプ260を有する。測定装置100の所定の位置には、試料300が設置される。試料300には、ポンプ光パルス列320およびプローブ光パルス列330が照射される。 As shown in FIG. 1, the measuring apparatus 100 includes a pulsed laser light source 110, a nonlinear optical crystal 120, a first dichroic mirror 130, an acousto-optic modulator 140, a delay optical path (delay circuit) 150, a mirror 160, and an interferometer 180. , An optical scanner 190, a second dichroic mirror 200, an objective lens 210, a photodetector 220, a function generator 230, and a lock-in amplifier 260. A sample 300 is installed at a predetermined position of the measuring apparatus 100. The sample 300 is irradiated with a pump light pulse train 320 and a probe light pulse train 330.
パルスレーザー光源110は、繰り返し周波数がfHz、パルス時間幅10fs〜1nsの光パルス列310を出射する。光パルス列310の繰り返し周波数fHzは、特に限定されないが、例えば100kHz〜100MHzの範囲内である。パルスレーザー光源110は、例えばモードロックTi−サファイアレーザーである。 The pulse laser light source 110 emits an optical pulse train 310 having a repetition frequency of fHz and a pulse time width of 10 fs to 1 ns. The repetition frequency fHz of the optical pulse train 310 is not particularly limited, but is, for example, in the range of 100 kHz to 100 MHz. The pulse laser light source 110 is, for example, a mode-locked Ti-sapphire laser.
パルスレーザー光源110から出射された光パルス列310は、非線形光学結晶120により第二高調波を含む光パルス列310’に変換される。光パルス列310’は、第1のダイクロイックミラー130により、光パルス列310の第二高調波と同じ中心波長のポンプ光パルス列320と、光パルス列310と同じ中心波長のプローブ光パルス列330とに分割される。ポンプ光パルス列320およびプローブ光パルス列330の波長は、逆であってもよい。 The optical pulse train 310 emitted from the pulse laser light source 110 is converted into an optical pulse train 310 ′ including the second harmonic by the nonlinear optical crystal 120. The optical pulse train 310 ′ is divided by the first dichroic mirror 130 into a pump optical pulse train 320 having the same center wavelength as the second harmonic of the optical pulse train 310 and a probe optical pulse train 330 having the same center wavelength as the optical pulse train 310. . The wavelengths of the pump light pulse train 320 and the probe light pulse train 330 may be reversed.
ポンプ光パルス列320は、音響光学変調器140により周波数FHzで振幅変調される。ここで、F(Hz)は、光パルス列310の繰り返し周波数f(Hz)の半分以下、すなわち0〜f/2(Hz)の範囲内である。よく知られているように、周波数fHzの波を周波数FHzで振幅変調すると、f±FHzの周波数成分が生じる。したがって、振幅変調されたポンプ光パルス列320は、fn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含む。 The pump light pulse train 320 is amplitude-modulated by the acousto-optic modulator 140 at the frequency FHz. Here, F (Hz) is not more than half of the repetition frequency f (Hz) of the optical pulse train 310, that is, within a range of 0 to f / 2 (Hz). As is well known, when a wave having a frequency of fHz is amplitude-modulated at a frequency of FHz, a frequency component of f ± FHz is generated. Therefore, the amplitude-modulated pump light pulse train 320 includes frequency components of fn ± FHz (n is an arbitrary integer).
振幅変調されたポンプ光パルス列320は、遅延光路150および第1のミラー160を介して第2のダイクロイックミラー200に導かれる。遅延光路150は、2つのミラー151,152およびコーナーキューブ153を含み、ミラー151,152とコーナーキューブ153との間隔を調整することでポンプ光パルス列320の光路長を調整することができる。 The amplitude-modulated pump light pulse train 320 is guided to the second dichroic mirror 200 via the delay optical path 150 and the first mirror 160. The delay optical path 150 includes two mirrors 151 and 152 and a corner cube 153, and the optical path length of the pump light pulse train 320 can be adjusted by adjusting the distance between the mirrors 151 and 152 and the corner cube 153.
一方、プローブ光パルス列330は、干渉計180内に入射する。干渉計180の種類は、試料の1pm程度の表面変位を検出することができれば特に限定されない。干渉計180は、例えば特開2001−228121号公報に記載されている2アームSagnac型干渉計である。 On the other hand, the probe light pulse train 330 enters the interferometer 180. The type of interferometer 180 is not particularly limited as long as a surface displacement of about 1 pm of the sample can be detected. The interferometer 180 is a two-arm Sagnac interferometer described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-228121.
干渉計180内に入射したプローブ光パルス列330は、光学スキャナ190を介して第2のダイクロイックミラー200に導かれる。光学スキャナ190は、ミラー191、可動ミラー192、2つのレンズ193,194を含み、可動ミラー192を回転させることでプローブ光パルス列330の集光点の位置を移動させることができる。光学スキャナ190内では、各光学素子は4f光学系を構成するように配置されている。 The probe light pulse train 330 that has entered the interferometer 180 is guided to the second dichroic mirror 200 via the optical scanner 190. The optical scanner 190 includes a mirror 191, a movable mirror 192, and two lenses 193 and 194, and the position of the condensing point of the probe light pulse train 330 can be moved by rotating the movable mirror 192. In the optical scanner 190, each optical element is arranged so as to constitute a 4f optical system.
第2のダイクロイックミラー200に到達したポンプ光パルス列320およびプローブ光パルス列330は、それぞれ、対物レンズ210を介して試料300に照射される。このとき、ポンプ光パルスの到達時から所望の遅延時間t’(秒)が経過してからプローブ光パルスが到達するように、遅延光路150の光路長を調整する。ポンプ光パルス列320が試料300に到達すると、試料300の内部および表面に音響波が生成される。生成される音響波の周波数は、広帯域に拡がっており、その上限はGHz程度である。ポンプ光パルス列320に含まれるfn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分に対応して、生成される音響波は、fn±FHzの周波数成分を含む。 The pump light pulse train 320 and the probe light pulse train 330 that have reached the second dichroic mirror 200 are irradiated onto the sample 300 via the objective lens 210, respectively. At this time, the optical path length of the delay optical path 150 is adjusted so that the probe light pulse arrives after a desired delay time t ′ (second) has elapsed since the arrival of the pump light pulse. When the pump light pulse train 320 reaches the sample 300, an acoustic wave is generated inside and on the surface of the sample 300. The frequency of the generated acoustic wave is spread over a wide band, and the upper limit is about GHz. Corresponding to the frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) included in the pump light pulse train 320, the generated acoustic wave includes a frequency component of fn ± FHz.
プローブ光パルス列330は、試料300の表面で反射して反射光パルス列340となる。表面音響波の伝播により試料300の表面に変位が生じていた場合、反射光パルス列340には表面変位に係る信号(例えば、位相変化)が含まれる。反射光パルス列340は、対物レンズ210および光学スキャナ190を介して干渉計180内に入射する。干渉計180および光検出器220は、反射光パルス列340に含まれる表面変位に係る信号(例えば、位相変化)を検出する。十分な信号雑音比を確保するために、ロックインアンプ260を用いて、光検出器220で検出された信号の中からポンプ光パルス列320の変調周波数FHzと同期した信号のみを検出する。 The probe light pulse train 330 is reflected from the surface of the sample 300 to become a reflected light pulse train 340. When the surface of the sample 300 is displaced due to the propagation of the surface acoustic wave, the reflected light pulse train 340 includes a signal related to the surface displacement (for example, phase change). The reflected light pulse train 340 enters the interferometer 180 via the objective lens 210 and the optical scanner 190. Interferometer 180 and photodetector 220 detect a signal (for example, phase change) related to the surface displacement included in reflected light pulse train 340. In order to ensure a sufficient signal-to-noise ratio, only the signal synchronized with the modulation frequency FHz of the pump light pulse train 320 is detected from the signals detected by the photodetector 220 using the lock-in amplifier 260.
ポンプ光パルス列320の集光位置は、試料300表面の特定の位置に固定される。一方、プローブ光パルス列330の集光位置は、可動ミラー192を回転させることで移動させられる。このようにポンプ光パルス列320の集光位置に対してプローブ光パルス列330の集光位置を走査することで、表面変位の2次元分布像を得ることができる。また、ポンプ光パルスに対するプローブ光パルスの遅延時間t’を変化させながら表面変位の2次元分布像を得ることで、音響波の時間分解2次元イメージを得ることもできる。横方向の空間分解能は通常1μm程度であり、走査範囲は最大で500μm×500μm程度である。 The condensing position of the pump light pulse train 320 is fixed at a specific position on the surface of the sample 300. On the other hand, the condensing position of the probe light pulse train 330 is moved by rotating the movable mirror 192. Thus, by scanning the condensing position of the probe light pulse train 330 with respect to the condensing position of the pump light pulse train 320, a two-dimensional distribution image of the surface displacement can be obtained. Also, a time-resolved two-dimensional image of an acoustic wave can be obtained by obtaining a two-dimensional distribution image of surface displacement while changing the delay time t ′ of the probe light pulse with respect to the pump light pulse. The spatial resolution in the horizontal direction is usually about 1 μm, and the scanning range is about 500 μm × 500 μm at the maximum.
ファンクションジェネレータ230は、音響光学変調器140と接続されており、ポンプ光パルス列320を変調するための信号を送信している。また、ファンクションジェネレータ230は、ロックインアンプ260にも接続されている。 The function generator 230 is connected to the acousto-optic modulator 140 and transmits a signal for modulating the pump light pulse train 320. The function generator 230 is also connected to the lock-in amplifier 260.
本実施の形態に係る試料の物理的性質の測定方法は、上記構成の測定装置100を用いて、以下の手順により、試料300表面における音響波の伝播を検出する。 In the method for measuring physical properties of a sample according to the present embodiment, the propagation of acoustic waves on the surface of the sample 300 is detected by the following procedure using the measuring apparatus 100 having the above configuration.
(1)繰り返し周波数がfHzのポンプ光パルス列320を周波数FHzで振幅変調して、fn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプ光パルス列320を生成する。
(2)振幅変調されたポンプ光パルス列320を遅延光路150を介して試料300に照射する。
(3)ポンプ光パルス列320を照射された試料300に、繰り返し周波数がfHzのプローブ光パルス列330を照射して、ポンプ光パルス列320の照射に起因するfn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含む信号を試料300から検出する。
(1) A pump light pulse train 320 having a repetition frequency of fHz is amplitude-modulated at a frequency FHz to generate a pump light pulse train 320 including a frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer).
(2) The sample 300 is irradiated with the amplitude-modulated pump light pulse train 320 through the delay optical path 150.
(3) The sample 300 irradiated with the pump light pulse train 320 is irradiated with the probe light pulse train 330 whose repetition frequency is fHz, and the frequency of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) resulting from the irradiation of the pump light pulse train 320 A signal including a component is detected from the sample 300.
本実施の形態に係る測定方法では、上記工程(1)において、繰り返し周波数がfHzのポンプ光パルス列320を周波数FHzで振幅変調する。前述のとおり、これを行うことにより、fn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプ光パルス列320を生成することができる。上記工程(2)において、この振幅変調されたポンプ光パルス列320を試料300に照射すると、fn±FHzの音響波が発生する。したがって、F(Hz)として0〜f/2(Hz)の範囲内の周波数を選択することで、任意の周波数の音響波を発生させることができる。上記工程(3)において、このようにして発生した音響波に起因する試料300の表面変位を、繰り返し周波数がfHzのプローブパルス列330を用いてロックイン検出する。 In the measurement method according to the present embodiment, in step (1), the pump light pulse train 320 having a repetition frequency of fHz is amplitude-modulated at the frequency FHz. As described above, by performing this, the pump light pulse train 320 including the frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) can be generated. In the step (2), when the sample 300 is irradiated with the amplitude-modulated pump light pulse train 320, an acoustic wave of fn ± FHz is generated. Therefore, by selecting a frequency within the range of 0 to f / 2 (Hz) as F (Hz), an acoustic wave having an arbitrary frequency can be generated. In the step (3), the surface displacement of the sample 300 caused by the acoustic wave thus generated is detected by lock-in using the probe pulse train 330 having a repetition frequency of fHz.
ロックインアンプ260の出力信号は、試料300におけるプローブ光パルス列330の照射位置および遅延時間t’の関数である。したがって、プローブ光パルス列330の照射位置を固定した場合は、ロックインアンプ260の出力信号は、遅延時間t’の関数となる。図1に示されるように、ポンプ光パルス列320が振幅変調された後に遅延光路150内を通る場合は、周波数fn±FHzの音響波は、遅延時間t’軸上においてfn±FHzの振動を示す。したがって、遅延時間t’の関数であるロックインアンプ260の出力信号(同相信号X)を遅延時間についてフーリエ変換すると、fn±FHzの周波数成分(音響波)の振幅および位相についての情報を得ることができる。すなわち、ポンプ光パルス列320の照射に起因するfn±FHzの周波数成分を含む信号を、fn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離して試料300から検出することができる。 The output signal of the lock-in amplifier 260 is a function of the irradiation position of the probe light pulse train 330 on the sample 300 and the delay time t ′. Therefore, when the irradiation position of the probe light pulse train 330 is fixed, the output signal of the lock-in amplifier 260 is a function of the delay time t ′. As shown in FIG. 1, when the pump light pulse train 320 is amplitude-modulated and passes through the delay optical path 150, an acoustic wave having a frequency of fn ± FHz exhibits a vibration of fn ± FHz on the delay time t ′ axis. . Therefore, when the output signal (in-phase signal X) of the lock-in amplifier 260 that is a function of the delay time t ′ is Fourier-transformed with respect to the delay time, information on the amplitude and phase of the frequency component (acoustic wave) of fn ± FHz is obtained. be able to. That is, a signal including a frequency component of fn ± FHz resulting from irradiation of the pump light pulse train 320 can be detected from the sample 300 by separating the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz.
一方、図1に示される構成とは異なり、遅延光路150が音響光学変調器140よりも前に配置されている場合、または遅延光路150がプローブ光パルス列330の光路内に配置されている場合は、周波数fn±FHzの音響波は、遅延時間t’軸上においてfnHzの振動を示す。したがって、上記のようにロックインアンプ260の出力信号(同相信号X)についてフーリエ変換をしても、fn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離することはできない。この場合は、ロックインアンプ260として二位相型ロックインアンプを用いて、同相信号Xおよび90°位相信号Yから複素信号X+iYを生成し、得られた複素信号X+iYをフーリエ変換すればよい。実数関数のフーリエ変換では、正負の周波数に対するフーリエ振幅が常に複素共役の関係にあるため、正負の周波数の違いは意味を持たない。これに対し、複素関数のフーリエ変換では、正負の周波数のフーリエ振幅は、常に独立した関係にある。この性質を利用することで、fn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離することが可能となる。 On the other hand, unlike the configuration shown in FIG. 1, when the delay optical path 150 is arranged before the acousto-optic modulator 140 or when the delay optical path 150 is arranged in the optical path of the probe light pulse train 330. The acoustic wave having a frequency of fn ± FHz exhibits fnHz vibration on the delay time t ′ axis. Therefore, even if the Fourier transform is performed on the output signal (in-phase signal X) of the lock-in amplifier 260 as described above, the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz cannot be separated. In this case, a complex signal X + iY may be generated from the in-phase signal X and the 90 ° phase signal Y using a two-phase lock-in amplifier as the lock-in amplifier 260, and the obtained complex signal X + iY may be Fourier transformed. In the Fourier transform of a real function, the difference between positive and negative frequencies is meaningless because the Fourier amplitude for positive and negative frequencies is always in a complex conjugate relationship. On the other hand, in the Fourier transform of a complex function, the Fourier amplitudes of positive and negative frequencies are always in an independent relationship. By utilizing this property, it is possible to separate the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz.
ポンプ光パルス列320を変調した場合において、複素信号X+iYが遅延時間t’に対してどのように変化するか(X+iYの遅延時間依存性)を表1に示す。表1において、「ポンプ光路」とは、ポンプ光パルス列320が通る、第1のダイクロイックミラー130から第2のダイクロイックミラー200までの光路を意味する。「プローブ光路」とは、プローブ光パルス列330が通る、第1のダイクロイックミラー130から第2のダイクロイックミラー200までの光路を意味する。遅延時間依存性の複号は、周波数fn±FHzの音響波の複号と同順である。
表1に示されるすべての態様において、以下の式(1)のようにフーリエ変換を行うと、fn±FHzの成分の複素振幅を±について分離して取得することができる。
以上のように、本実施の形態に係る試料の物理的性質の測定方法は、変調により生成されるfn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプ光パルス列を試料に印可するとともに、プローブ光パルス列を試料に印加して得られる信号に含まれるfn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離して検出することで任意の周波数の信号を検出して、試料の物理的性質をより正確に測定することができる。 As described above, the method for measuring physical properties of a sample according to the present embodiment applies a pump light pulse train including a frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer) generated by modulation to the sample. The signal of arbitrary frequency is detected by separating and detecting the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz contained in the signal obtained by applying the probe light pulse train to the sample. Properties can be measured more accurately.
[実施の形態2]
実施の形態2では、実施の形態1に係る試料の物理的性質の測定方法と、ヘテロダイン法とを組み合わせた例を示す。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, an example in which the physical property measurement method for a sample according to the first embodiment and the heterodyne method are combined will be described.
図2は、本発明の実施の形態2に係る試料の物理的性質の測定方法を実施するための測定装置(表面音響波の時間分解2次元イメージング装置)の構成を示す模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of a measurement apparatus (a surface acoustic wave time-resolved two-dimensional imaging apparatus) for carrying out a physical property measurement method for a sample according to Embodiment 2 of the present invention.
図2に示されるように、測定装置100’は、パルスレーザー光源110、非線形光学結晶120、第1のダイクロイックミラー130、第1の音響光学変調器140、遅延光路150、ミラー160、第2の音響光学変調器170、干渉計180、光学スキャナ190、第2のダイクロイックミラー200、対物レンズ210、光検出器220、第1のファンクションジェネレータ230、第2のファンクションジェネレータ240、ミキサー250およびロックインアンプ260を有する。実施の形態2に係る測定装置100’は、ポンプ光パルス列320およびプローブ光パルス列330の両方を変調する点で、実施の形態1の測定装置100と異なる。そこで、実施の形態1の測定装置100と同じ構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。 As shown in FIG. 2, the measuring apparatus 100 ′ includes a pulsed laser light source 110, a nonlinear optical crystal 120, a first dichroic mirror 130, a first acousto-optic modulator 140, a delay optical path 150, a mirror 160, a second Acousto-optic modulator 170, interferometer 180, optical scanner 190, second dichroic mirror 200, objective lens 210, photodetector 220, first function generator 230, second function generator 240, mixer 250, and lock-in amplifier 260. The measurement apparatus 100 ′ according to the second embodiment is different from the measurement apparatus 100 according to the first embodiment in that both the pump light pulse train 320 and the probe light pulse train 330 are modulated. Therefore, the same components as those of the measurement apparatus 100 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
本実施の形態では、プローブ光パルス列330は、第2の音響光学変調器170を通過した後、干渉計180内に入射する。プローブ光パルス列330は、第2の音響光学変調器170により周波数F’Hzで振幅変調される。ここで、F’(Hz)は、ポンプ光パルス列320の変調周波数F(Hz)とは異なる値である。 In the present embodiment, the probe light pulse train 330 enters the interferometer 180 after passing through the second acousto-optic modulator 170. The probe light pulse train 330 is amplitude-modulated at a frequency F ′ Hz by the second acousto-optic modulator 170. Here, F ′ (Hz) is a value different from the modulation frequency F (Hz) of the pump light pulse train 320.
第1のファンクションジェネレータ230は、第1の音響光学変調器140と接続されており、ポンプ光パルス列320を変調するための信号を送信している。第2のファンクションジェネレータ240は、第2の音響光学変調器170と接続されており、プローブ光パルス列330を変調するための信号を送信している。また、第1のファンクションジェネレータ230および第2のファンクションジェネレータ240は、ミキサー250を介してロックインアンプ260にも接続されている。ロックインアンプ260は、|F−F’|Hzの周波数成分を検出するように構成される。 The first function generator 230 is connected to the first acousto-optic modulator 140 and transmits a signal for modulating the pump light pulse train 320. The second function generator 240 is connected to the second acousto-optic modulator 170 and transmits a signal for modulating the probe light pulse train 330. The first function generator 230 and the second function generator 240 are also connected to the lock-in amplifier 260 via the mixer 250. The lock-in amplifier 260 is configured to detect a frequency component of | F−F ′ | Hz.
本実施の形態の測定装置100’においても、遅延時間t’の関数であるロックインアンプ260の出力信号(同相信号X)を遅延時間についてフーリエ変換すると、fn±FHzの周波数成分(音響波)の振幅および位相についての情報を得ることができる。すなわち、ポンプ光パルス列320の照射に起因するfn±FHzの周波数成分を含む信号を、fn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離して試料300から検出することができる。これは、遅延光路150が、ポンプ光パルス列320の光路内ではなく、プローブ光パルス列330の光路内に配置されている場合であっても、同様である(ただし、遅延光路150が第2の音響光学変調器170よりも後に配置されている場合に限る)。なお、本実施の形態では、周波数fn±FHz(nは任意の整数)の音響波は、周波数fn±FHzまたはfn±F’Hzの音響波として観測される。 Also in the measuring apparatus 100 ′ of this embodiment, when the output signal (in-phase signal X) of the lock-in amplifier 260, which is a function of the delay time t ′, is Fourier-transformed with respect to the delay time, the frequency component (acoustic wave) of fn ± FHz is obtained. ) Information about the amplitude and phase. That is, a signal including a frequency component of fn ± FHz resulting from irradiation of the pump light pulse train 320 can be detected from the sample 300 by separating the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz. This is the same even when the delay optical path 150 is arranged not in the optical path of the pump optical pulse train 320 but in the optical path of the probe optical pulse train 330 (however, the delay optical path 150 is not in the second acoustic wave). (Only when it is arranged after the optical modulator 170). In the present embodiment, an acoustic wave having a frequency fn ± FHz (n is an arbitrary integer) is observed as an acoustic wave having a frequency fn ± FHz or fn ± F′Hz.
一方、図2に示される構成とは異なり、遅延光路150が第1の音響光学変調器140よりも前に配置されている場合、または遅延光路150がプローブ光パルス列330の光路内において第2の音響光学変調器170よりも前に配置されている場合は、上記のようにロックインアンプ260の出力信号(同相信号X)についてフーリエ変換をしても、fn+FHzの周波数成分とfn−FHzの周波数成分とを分離することはできない。実施の形態1と同様に、この場合は、ロックインアンプ260として二位相型ロックインアンプを用いて、同相信号Xおよび90°位相信号Yから複素信号X+iYを生成し、得られた複素信号X+iYをフーリエ変換すればよい。 On the other hand, unlike the configuration shown in FIG. 2, when the delay optical path 150 is arranged before the first acousto-optic modulator 140, or when the delay optical path 150 is in the optical path of the probe optical pulse train 330, When arranged before the acousto-optic modulator 170, even if the Fourier transform is performed on the output signal (in-phase signal X) of the lock-in amplifier 260 as described above, the frequency component of fn + FHz and the frequency component of fn−FHz. The frequency component cannot be separated. As in the first embodiment, in this case, a complex signal X + iY is generated from the in-phase signal X and the 90 ° phase signal Y by using a two-phase lock-in amplifier as the lock-in amplifier 260, and the obtained complex signal X + iY may be Fourier transformed.
ポンプ光パルス列320およびプローブ光パルス列330の両方を変調した場合において、複素信号X+iYが遅延時間t’に対してどのように変化するか(X+iYの遅延時間依存性)を表2に示す。表2に示される遅延時間依存性の複号は、周波数fn±FHzの音響波の複号と同順である。
実施の形態1と同様に、表2に示されるすべての態様において、以下の式(1)のようにフーリエ変換を行うと、fn±FHzの成分の複素振幅を±について分離して取得することができる。
実施の形態1,2の両方において、フーリエ変換の精度を高める観点からは、なるべく広い範囲のt’について、X(t’)+iY(t’)のデータを取得することが好ましい。しかしながら、測定可能なt’の範囲は、遅延光路の長さで制限されるため、限度がある。ところが、t’∈[0,T]の範囲内でX(t’)+iY(t’)のデータを取得していれば、X(t’)+iY(t’)は、以下の式(2)により拡張されうる。なお、Tは、パルスレーザー光源110から出射された光パルス列310の繰返し周期(1/f秒)である。すなわち、以下の式(2)を用いれば、0≦t’≦1/fについての複素信号X+iYを基に、t’>1/fについての複素信号X+iYを生成することができる。
ここで、位相因子Δは、変調方法に応じて、表3に示されるものを使用する。なお、表3に示されていない態様では、X(t’)+iY(t’)を拡張する必要はない。
実施の形態1に係る測定装置100では、光検出器220には周波数FHzの光強度変調を検出できる十分な帯域が要求される。これに対し、実施の形態2に係る測定装置100’では、光検出器220には周波数|F−F’|Hzの光強度変調を検出できる帯域が要求される。したがって、実施の形態2に係る測定方法は、実施の形態1に係る測定方法の効果に加えて、光検出器に要求される帯域幅を小さくできるという効果を有する。 In the measuring apparatus 100 according to the first embodiment, the photodetector 220 is required to have a sufficient band capable of detecting the light intensity modulation at the frequency FHz. On the other hand, in the measuring apparatus 100 ′ according to the second embodiment, the photodetector 220 is required to have a band capable of detecting the light intensity modulation with the frequency | F−F ′ | Hz. Therefore, the measurement method according to the second embodiment has an effect that the bandwidth required for the photodetector can be reduced in addition to the effect of the measurement method according to the first embodiment.
なお、上記各実施の形態では、ポンプ光パルス列を照射して任意周波数の音響波を生成し、プローブ光パルス列を照射して音響波の伝播を検出する例について説明したが、本発明に係る試料の物理的性質の測定方法は、これに限定されない。たとえば、本発明に係る試料の物理的性質の測定方法では、ポンプパルス列および/またはプローブパルス列として、電気パルス列を試料に印加してもよい。また、本発明に係る試料の物理的性質の測定方法では、電子スピンの歳差運動または緩和や、プラズモンの伝播による信号などを検出してもよい。 In each of the above embodiments, an example has been described in which an acoustic wave having an arbitrary frequency is generated by irradiating the pump light pulse train, and propagation of the acoustic wave is detected by irradiating the probe light pulse train. However, the physical property measurement method is not limited to this. For example, in the method for measuring physical properties of a sample according to the present invention, an electric pulse train may be applied to the sample as a pump pulse train and / or a probe pulse train. Further, in the method for measuring physical properties of a sample according to the present invention, precession or relaxation of electron spin, a signal due to plasmon propagation, or the like may be detected.
以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail with reference to an Example, this invention is not limited by these Examples.
本実施例では、実施の形態2と同様にポンププローブ法とヘテロダイン法とを組み合わせて、試料表面における音響波の伝播を測定した結果を示す。本実施例では、ポンプパルス列およびプローブパルス列として、光パルス列を使用した。 In this example, the results of measuring the propagation of acoustic waves on the sample surface by combining the pump probe method and the heterodyne method as in the second embodiment are shown. In this embodiment, an optical pulse train is used as the pump pulse train and the probe pulse train.
クラウンガラス基板(厚み1mm)の一方の面に、真空蒸着により金薄膜(膜厚40nm)を形成した。得られた金薄膜付きのガラス基板を試料とした。 A gold thin film (film thickness 40 nm) was formed on one surface of a crown glass substrate (thickness 1 mm) by vacuum deposition. The obtained glass substrate with a gold thin film was used as a sample.
図2に示される構成の装置を用いて、試料の金薄膜にポンプ光パルス列およびプローブ光パルス列を照射して、表面音響波に起因する表面変位を測定した。 Using the apparatus shown in FIG. 2, the gold thin film of the sample was irradiated with the pump light pulse train and the probe light pulse train, and the surface displacement due to the surface acoustic wave was measured.
パルスレーザー光源110としては、モードロックTi−サファイアレーザー(繰り返し周波数76MHz、パルス時間幅100fs)を使用した。パルスレーザー光源110から出射された光パルス列310(中心波長830nm)を、非線形光学結晶120および第1のダイクロイックミラー130を用いて、ポンプ光パルス列320(第二高調波;中心波長415nm)とプローブ光パルス列330(中心波長830nm)に分割した。 As the pulse laser light source 110, a mode-locked Ti-sapphire laser (repetition frequency: 76 MHz, pulse time width: 100 fs) was used. The optical pulse train 310 (center wavelength 830 nm) emitted from the pulse laser light source 110 is pumped with a pump light pulse train 320 (second harmonic; center wavelength 415 nm) and probe light using the nonlinear optical crystal 120 and the first dichroic mirror 130. It was divided into a pulse train 330 (center wavelength 830 nm).
ポンプ光パルス列320は、第1の音響光学変調器140により周波数7.7MHzで振幅変調された。振幅変調されたポンプ光パルス列320は、76n±7.7MHz(nは任意の整数)の周波数成分を含んでいた。振幅変調されたポンプ光パルス列320を、遅延光路150および対物レンズ210を介して試料300の所定の位置に垂直に照射して、試料300表面に表面音響波を繰り返し発生させた。測定中におけるポンプ光パルス列320の焦点位置は、不変であった。 The pump light pulse train 320 was amplitude-modulated by the first acousto-optic modulator 140 at a frequency of 7.7 MHz. The amplitude-modulated pump light pulse train 320 contained frequency components of 76n ± 7.7 MHz (n is an arbitrary integer). The amplitude-modulated pump light pulse train 320 was irradiated perpendicularly to a predetermined position of the sample 300 via the delay optical path 150 and the objective lens 210, and surface acoustic waves were repeatedly generated on the surface of the sample 300. The focal position of the pump light pulse train 320 during measurement was unchanged.
一方、プローブ光パルス列330は、第2の音響光学変調器170により周波数9.4MHzで振幅変調された。振幅変調されたプローブ光パルス列330を同一の対物レンズ210を介して試料300に照射し、干渉計180、光検出器220およびロックインアンプ260を用いて表面音響波の伝播に起因する試料300の表面変位を測定した。このとき、ポンプ光パルスの到達時から所定の遅延時間(0〜13.2nsの範囲内で34段階)が経過してからプローブ光パルスが到達するように、ポンプ光パルス列用の遅延光路150の光路長を調整した。また、可動ミラー192を用いてプローブ光パルス列330の集光位置を走査することで、同一の遅延時間についての表面変位の2次元分布(200μm×200μm)を測定した。なお、干渉計180は、特開2001−228121号公報に記載されている2アームSagnac型干渉計を使用した。この干渉計は、1つのポンプ光パルスに対して2つのプローブ光パルスを異なるタイミングで照射し、2つのプローブ光パルスの反射光の位相差を検出する。これにより、試料300の表面変位速度が測定される。ロックインアンプ260は、1.7MHz(=9.4MHz−7.7MHz)の周波数成分を検出するように構成した。 On the other hand, the probe light pulse train 330 was amplitude-modulated at a frequency of 9.4 MHz by the second acousto-optic modulator 170. The sample 300 is irradiated with the amplitude-modulated probe light pulse train 330 via the same objective lens 210, and the interferometer 180, the photodetector 220, and the lock-in amplifier 260 are used to propagate the sample 300 due to the propagation of the surface acoustic wave. The surface displacement was measured. At this time, the delay optical path 150 for the pump light pulse train is set so that the probe light pulse arrives after a predetermined delay time (34 steps within a range of 0 to 13.2 ns) has elapsed since the arrival of the pump light pulse. The optical path length was adjusted. Further, the two-dimensional distribution (200 μm × 200 μm) of the surface displacement for the same delay time was measured by scanning the converging position of the probe light pulse train 330 using the movable mirror 192. As the interferometer 180, a two-arm Sagnac interferometer described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-228121 was used. This interferometer irradiates two probe light pulses at different timings with respect to one pump light pulse, and detects a phase difference between reflected light of the two probe light pulses. Thereby, the surface displacement speed of the sample 300 is measured. The lock-in amplifier 260 is configured to detect a frequency component of 1.7 MHz (= 9.4 MHz-7.7 MHz).
図3に、得られた表面音響波の時間分解2次元イメージの一例を示す。この図は、ロックインアンプの同相出力Xをプロットしたものであり、画面中央部にポンプ光パルスが照射されてから11.2ナノ秒後の表面変位速度の分布を示している。ポンプ光パルスの照射位置を中心として、複数の同心円状の波束を見ることができる。この結果から、ポンプ光パルスが周期的に照射されていることがわかる。 FIG. 3 shows an example of the time-resolved two-dimensional image of the obtained surface acoustic wave. This figure is a plot of the in-phase output X of the lock-in amplifier, and shows the distribution of the surface displacement rate 11.2 nanoseconds after the pump light pulse is irradiated to the center of the screen. A plurality of concentric wave packets can be seen around the irradiation position of the pump light pulse. From this result, it can be seen that the pump light pulse is periodically emitted.
前述のとおり、遅延時間を34段階で変化させながらロックインアンプの同相出力Xおよび90°位相出力Yを取得し、図3に示されるような時間分解2次元イメージを出力XおよびYのそれぞれについて34枚ずつ取得した。次いで、複素振幅X(t’)+iY(t’)を、0≦t’≦1/fの範囲で得た。さらに、X(t’+1/f)+iY(t’+1/f)=exp(−2πiF/f){X(t’)+iY(t’)}の関係を利用して、複素振幅X(t’)+iY(t’)を、t’>1/fの範囲に拡張した。得られた結果を、遅延時間軸および2次元空間軸に沿ってフーリエ変換した。得られたフーリエ振幅は、振動数fn±FHzと(2次元)波数の関数となる。この関数は、振動数fn±FHzおよび波数の組が試料中に生成される音響波の分散関係を満たす場合のみ有限の値をとる。 As described above, the in-phase output X and 90 ° phase output Y of the lock-in amplifier are obtained while changing the delay time in 34 stages, and the time-resolved two-dimensional image as shown in FIG. 34 sheets were acquired. Subsequently, the complex amplitude X (t ′) + iY (t ′) was obtained in the range of 0 ≦ t ′ ≦ 1 / f. Further, by using the relationship of X (t ′ + 1 / f) + iY (t ′ + 1 / f) = exp (−2πiF / f) {X (t ′) + iY (t ′)}, the complex amplitude X (t ') + IY (t') was expanded to the range of t '> 1 / f. The obtained results were Fourier transformed along the delay time axis and the two-dimensional space axis. The Fourier amplitude obtained is a function of the frequency fn ± FHz and the (two-dimensional) wave number. This function takes a finite value only when the set of the frequency fn ± FHz and the wave number satisfies the dispersion relation of the acoustic wave generated in the sample.
図4は、試料における表面音響波の分散関係を示すグラフである。このグラフは、上記フーリエ振幅のピークを、波数をx軸とし周波数をy軸とする平面にプロットしたものである。各点が横方向に伸びているのは、測定領域の大きさで決まる波数の精度に起因している。このグラフから、各点は、2つの曲線のいずれか一方の上に位置することがわかる。傾きが小さい曲線はレイリー波に対応し、傾きが大きい曲線は縦波型疑似弾性表面波に対応する。 FIG. 4 is a graph showing the dispersion relation of the surface acoustic wave in the sample. In this graph, the peak of the Fourier amplitude is plotted on a plane having the wave number as the x-axis and the frequency as the y-axis. The fact that each point extends in the horizontal direction is due to the accuracy of the wave number determined by the size of the measurement region. From this graph, it can be seen that each point is located on one of the two curves. A curve with a small inclination corresponds to a Rayleigh wave, and a curve with a large inclination corresponds to a longitudinal wave type pseudo surface acoustic wave.
図4において、各点は、76nMHz(nは任意の整数)を中心として対になるように配置されている。これら対となる2つの点は、正負の離調周波数(76n±7.7MHz)に対応している。すなわち、本実験において、76n+7.7MHzの信号と76n−7.7MHzの信号とが区別されていることがわかる。さらに注目すべき点としては、音響波の分散関係に対応して、対となる2つの点のうち高周波数側の点が高波数側に位置していることである。これは、予想される分散関係と一致する。 In FIG. 4, the points are arranged so as to be paired around 76 nMHz (n is an arbitrary integer). These two points corresponding to the pair correspond to positive and negative detuning frequencies (76n ± 7.7 MHz). That is, in this experiment, it can be seen that a signal of 76n + 7.7 MHz is distinguished from a signal of 76n−7.7 MHz. Furthermore, it should be noted that, corresponding to the acoustic wave dispersion relationship, the point on the high frequency side of the two points to be paired is located on the high wave number side. This is consistent with the expected dispersion relationship.
本実施例と同様の測定を、ポンプ光パルス列の変調周波数Fおよびプローブ光パルス列の変調周波数F’を任意に変化させながら行うことで、試料における音響波の分散関係を精密に測定することができる。これは、フォノニック結晶の複雑な分散関係の測定や、共振器の周波数応答の測定などにおいて非常に有用である。 By performing the same measurement as in the present embodiment while arbitrarily changing the modulation frequency F of the pump light pulse train and the modulation frequency F ′ of the probe light pulse train, it is possible to precisely measure the acoustic wave dispersion relationship in the sample. . This is very useful for measuring complex dispersion relationships of phononic crystals and measuring the frequency response of resonators.
本発明に係る試料の物理的性質の測定方法は、例えば、無線通信デバイスの検査や共振器の特性評価などに有用である。 The method for measuring physical properties of a sample according to the present invention is useful, for example, for inspection of a wireless communication device and evaluation of characteristics of a resonator.
100,100’ 測定装置
110 パルスレーザー光源
120 非線形光学結晶
130 第1のダイクロイックミラー
140 (第1の)音響光学変調器
150 遅延光路
151,152,160,191 ミラー
153 コーナーキューブ
170 第2の音響光学変調器
180 干渉計
190 光学スキャナ
192 可動ミラー
193,194 レンズ
200 第2のダイクロイックミラー
210 対物レンズ
220 光検出器
230 (第1の)ファンクションジェネレータ
240 第2のファンクションジェネレータ
250 ミキサー
260 ロックインアンプ
300 試料
310,310’ 光パルス列
320 ポンプ光パルス列
330 プローブ光パルス列
340 反射光パルス列
100, 100 'Measuring device 110 Pulse laser light source 120 Nonlinear optical crystal 130 First dichroic mirror 140 (first) acousto-optic modulator 150 Delay optical path 151, 152, 160, 191 Mirror 153 Corner cube 170 Second acousto-optic Modulator 180 Interferometer 190 Optical scanner 192 Movable mirror 193, 194 Lens 200 Second dichroic mirror 210 Objective lens 220 Photo detector 230 (First) function generator 240 Second function generator 250 Mixer 260 Lock-in amplifier 300 Sample 310, 310 ′ Light pulse train 320 Pump light pulse train 330 Probe light pulse train 340 Reflected light pulse train
Claims (9)
繰り返し周波数がfHzのポンプパルス列を周波数FHzで振幅変調して、fn±FHz(nは任意の整数)の周波数成分を含むポンプパルス列を生成する工程と、
振幅変調された前記ポンプパルス列を試料に印可する工程と、
前記ポンプパルス列が前記試料に到達してからt’秒後にプローブパルス列が前記試料に到達するように、前記ポンプパルス列を印加された前記試料に、繰り返し周波数がfHzのプローブパルス列を印加して、前記ポンプパルス列の印加に起因するfn±FHzの周波数成分を含む信号を前記試料から検出する工程と、
を含む、試料の物理的性質の測定方法。 A method for measuring physical properties of a sample using a pump probe method,
Amplitude-modulating a pump pulse train having a repetition frequency of fHz with a frequency FHz to generate a pump pulse train including a frequency component of fn ± FHz (n is an arbitrary integer);
Applying the amplitude-modulated pump pulse train to a sample;
A probe pulse train having a repetition frequency of fHz is applied to the sample to which the pump pulse train is applied so that the probe pulse train reaches the sample t ′ seconds after the pump pulse train reaches the sample, Detecting a signal containing a frequency component of fn ± FHz resulting from application of a pump pulse train from the sample;
A method for measuring physical properties of a sample.
前記信号を検出する工程は、ロックインアンプを用いて検出された同相信号Xをフーリエ変換する工程を含む、
請求項1に記載の測定方法。 The pump pulse train passes through a delay circuit after being amplitude-modulated,
The step of detecting the signal includes a step of Fourier transforming the in-phase signal X detected using a lock-in amplifier.
The measurement method according to claim 1.
前記信号を検出する工程は、ロックインアンプを用いて検出された同相信号Xをフーリエ変換する工程を含む、
請求項3に記載の測定方法。 The pump pulse train or the probe pulse train passes through a delay circuit after being amplitude-modulated,
The step of detecting the signal includes a step of Fourier transforming the in-phase signal X detected using a lock-in amplifier.
The measurement method according to claim 3.
二位相型ロックインアンプを用いて、同相信号Xおよび90°位相信号Yから複素信号X+iYを生成する工程と、
前記複素信号X+iYをフーリエ変換する工程と、
を含む、請求項1または請求項3に記載の測定方法。 Detecting the signal comprises:
Generating a complex signal X + iY from the in-phase signal X and the 90 ° phase signal Y using a two-phase lock-in amplifier;
Fourier transforming the complex signal X + iY;
The measuring method of Claim 1 or Claim 3 containing this.
前記複素信号X+iYを生成する工程は、0≦t’≦1/fについての複素信号X+iYを基に、t’>1/fについての複素信号X+iYを生成する工程を含む、
請求項5に記載の測定方法。 The t ′ seconds are in the range of 0 to 1 / f seconds,
The step of generating the complex signal X + iY includes the step of generating the complex signal X + iY for t ′> 1 / f based on the complex signal X + iY for 0 ≦ t ′ ≦ 1 / f.
The measuring method according to claim 5.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2018155641A (en) * | 2017-03-17 | 2018-10-04 | 株式会社東芝 | Optical inspection device |
| JP2025510973A (en) * | 2022-03-31 | 2025-04-15 | オントゥー イノヴェイション インコーポレイテッド | SYSTEM AND METHOD FOR PERFORMING CHARACTERIZATION OF A SAMPLE - Patent application |
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2013
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