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JP3669632B2 - Spectroscopic measurement method and spectroscopic measurement apparatus - Google Patents
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Description

本発明は、分光測定方法及び分光測定装置に関し、特に分光光源として波長可変レーザを用いる分光測定方法及び分光測定装置に関する。   The present invention relates to a spectroscopic measurement method and a spectroscopic measurement device, and more particularly to a spectroscopic measurement method and a spectroscopic measurement device using a wavelength tunable laser as a spectroscopic light source.

高感度な試料分析法として、試料に赤外領域、可視領域あるいは紫外領域の光を照射して試料による光吸収、あるいは試料からの反射光、レーリー散乱光、ラマン散乱光、蛍光等を測定する分光測定法が広く用いられている。この分光測定法によると、試料の同定、確認等の定性分析、試料中に含有されている特性成分の濃度や混合物の成分比測定等の定量分析、分子の電子状態や立体構造の解析等を行うことができ、また試料による吸収スペクトル等を時間分解して測定することによって反応過程や反応中間体の分子構造解析等を行うことができる。   As a highly sensitive sample analysis method, the sample is irradiated with light in the infrared region, visible region, or ultraviolet region to measure light absorption by the sample, or reflected light from the sample, Rayleigh scattered light, Raman scattered light, fluorescence, etc. Spectroscopic methods are widely used. According to this spectroscopic measurement method, qualitative analysis such as sample identification and confirmation, quantitative analysis such as measurement of the concentration of characteristic components contained in the sample and component ratio of the mixture, analysis of the electronic state and three-dimensional structure of the molecule, etc. In addition, it is possible to perform a reaction process, a molecular structure analysis of a reaction intermediate, and the like by measuring an absorption spectrum by a sample after time resolution.

分光測定では、試料に特定の選択された波長の単色光を照射すること、あるいは単色光の波長を連続的に掃引しながら光照射することが必要とされ、通常は白色光源とモノクロメータとを組み合わせて単色光を取り出す分光光度計が用いられる。モノクロメータの出口スリットから出射される単色光の波長掃引は、モノクロメータに組み込まれた波長分散素子、例えば回折格子を回動することで行われる。   In spectroscopic measurement, it is necessary to irradiate a sample with monochromatic light of a specific selected wavelength, or to irradiate light while continuously sweeping the wavelength of monochromatic light. Usually, a white light source and a monochromator are used. A spectrophotometer that extracts monochromatic light in combination is used. The wavelength sweep of the monochromatic light emitted from the exit slit of the monochromator is performed by rotating a wavelength dispersion element such as a diffraction grating incorporated in the monochromator.

一部の分光測定には、光源として波長可変レーザが使用されている。波長可変レーザとしては、レーザ媒質としてTi:Al23(チタンサファイア)などの結晶を用いる固体レーザと、レーザ媒質として色素溶液などを用いる液体レーザが知られている。こうした波長可変レーザを所望の波長でレーザ発振させるための波長選択法としては、例えばレーザ媒質を収容したレーザ共振器内に回折格子や複屈折板などを配設し、それを機械的に回転することにより特定の波長のみがレーザ共振器内で共振できるようにして、所望の波長のレーザ光を取り出す波長選択法が採用されている。 In some spectroscopic measurements, a tunable laser is used as a light source. As the wavelength tunable laser, a solid-state laser using a crystal such as Ti: Al 2 O 3 (titanium sapphire) as a laser medium and a liquid laser using a dye solution or the like as a laser medium are known. As a wavelength selection method for causing such a wavelength tunable laser to oscillate at a desired wavelength, for example, a diffraction grating or a birefringent plate is disposed in a laser resonator containing a laser medium, and is mechanically rotated. Thus, a wavelength selection method is adopted in which only a specific wavelength can resonate in the laser resonator and a laser beam having a desired wavelength is extracted.

特開平8−13938号公報JP-A-8-13938 特開平9−172215号公報JP 9-172215 A

生体組織中の酸素濃度等を非侵襲で定量する手法として、近赤外分光法が注目されている。しかし、通常の白色光源と分光器を用いた測定では、生体組織の散乱によって分厚い試料の測定はできなかった。一方、LED等の固体光源を用いた場合、連続的なスペクトルを測定することは不可能で、定量できる対象とその精度に問題があった。   As a technique for non-invasively quantifying oxygen concentration and the like in a living tissue, near infrared spectroscopy has attracted attention. However, in a measurement using a normal white light source and a spectroscope, a thick sample could not be measured due to scattering of living tissue. On the other hand, when a solid-state light source such as an LED is used, it is impossible to measure a continuous spectrum, and there is a problem in an object that can be quantified and its accuracy.

また、一般に、試料中の目的成分の吸収スペクトルを測定して定性分析あるいは定量分析を行おうとするとき、試料中に目的成分の吸収スペクトルと重なる波長位置に大きな吸収を有する妨害成分が存在する場合には、その妨害成分の吸収によって目的成分の吸収が隠れてしまい、高精度な測定を行うことはできない。   In general, when measuring the absorption spectrum of a target component in a sample and performing a qualitative analysis or quantitative analysis, there is a disturbing component having a large absorption at a wavelength position overlapping the absorption spectrum of the target component in the sample. In this case, the absorption of the target component is hidden by the absorption of the interfering component, and high-accuracy measurement cannot be performed.

図15は、この従来のスペクトル測定の問題点を説明する模式図である。ここでは、通常の白色光源と分光器を用いた測定を例にとって説明する。図15(a)は光源のスペクトルを表し、横軸は波長、縦軸はエネルギーである。図15(b)は、試料中の妨害成分の吸収スペクトルを表す。図15(c)は、測定成分の吸収がこの妨害成分の吸収スペクトルと重なっているとき、測定された吸光度を示す。検出器のダイナミックレンジが小さい場合は、S/Nの良いスペクトルが得られない。通常の分光法では、検出器からの出力を電気的に増幅することによって、検出器の感度不足を補う場合がある。しかし、この方法では、測定の妨げとなるノイズも信号と同時に増幅されてしまう。   FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the problems of this conventional spectrum measurement. Here, a description will be given taking measurement using a normal white light source and a spectroscope as an example. FIG. 15A shows the spectrum of the light source, where the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents energy. FIG. 15B shows the absorption spectrum of the interfering component in the sample. FIG. 15 (c) shows the absorbance measured when the absorption of the measured component overlaps the absorption spectrum of this interfering component. When the dynamic range of the detector is small, a spectrum with good S / N cannot be obtained. In normal spectroscopy, the lack of sensitivity of the detector may be compensated by electrically amplifying the output from the detector. However, with this method, noise that hinders measurement is also amplified simultaneously with the signal.

吸収スペクトルの測定以外にも、例えば通常のラマン分光においては、固定した発振波長をもつ複数のレーザの組み合わせ、又は狭い範囲(<20nm)で発振波長選択能があるレーザの組み合わせによって、広い波長範囲におけるラマンスペクトルの励起波長依存性が測定されてきた。しかし、一般に同じレーザであっても、発振波長を変えると発振強度も変わってしまうので、励起波長依存性の測定では、レーザ発振強度を常にモニターし、測定後に各励起波長毎にラマンスペクトル強度を校正する必要があった。また、複数のレーザを組み合わせて用いる場合、異なるレーザの光軸を合わせることは非常に困難であり、レーザ発振強度をモニターしていても、ラマンスペクトル強度の校正には大きな誤差がつきまとった。ラマンスペクトルの波長依存性を測定する場合、特に、固定発振波長のレーザを光源に用いると、希望波長毎にスペクトルを測定することは不可能で、測定されたスペクトルの解釈は難しかった。したがって、従来のレーザを用いて自動的にラマンスペクトルの励起波長依存性(ラマン励起プロファイル)を測定することは不可能であった。   In addition to the measurement of the absorption spectrum, for example, in normal Raman spectroscopy, a wide wavelength range is obtained by combining a plurality of lasers having a fixed oscillation wavelength, or a combination of lasers having an oscillation wavelength selection ability in a narrow range (<20 nm). The excitation wavelength dependence of the Raman spectrum at has been measured. However, even with the same laser, since the oscillation intensity changes when the oscillation wavelength is changed, the laser oscillation intensity is always monitored in the measurement of the excitation wavelength dependence, and the Raman spectrum intensity is measured for each excitation wavelength after the measurement. There was a need to calibrate. When a plurality of lasers are used in combination, it is very difficult to align the optical axes of the different lasers, and even if the laser oscillation intensity is monitored, a large error is found in the calibration of the Raman spectrum intensity. When measuring the wavelength dependence of the Raman spectrum, especially when a laser with a fixed oscillation wavelength is used as the light source, it is impossible to measure the spectrum for each desired wavelength, and it is difficult to interpret the measured spectrum. Therefore, it has been impossible to automatically measure the excitation wavelength dependence (Raman excitation profile) of the Raman spectrum using a conventional laser.

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、妨害成分が含まれている試料に対しても高精度なスペクトル測定を可能とし、またラマン励起プロファイルの測定を容易に行うことのできる分光測定法及び分光測定装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and enables high-accuracy spectrum measurement even for a sample containing a disturbing component, and facilitates measurement of a Raman excitation profile. It is an object of the present invention to provide a spectroscopic measurement method and a spectroscopic measurement apparatus that can be performed in the same manner.

図1は本発明による分光測定方法の一例の原理を説明する模式図であり、試料中の妨害成分の吸収スペクトルと重なる位置に吸収を有する分析物を高精度でスペクトル測定する方法を示している。図1(b)は、妨害成分の吸収スペクトルを表す。本発明では、光源の発光スペクトルを、図1(a)に示すように、妨害成分による吸収のある波長で光出力を高め、吸収のない波長域では光出力を弱めるように制御して、妨害成分による吸収スペクトルを相殺するような発光スペクトルとする。このとき検出されるスペクトルは、図1(c)に示すように、妨害成分の影響が現れないフラットなスペクトルとなる。したがって、検出器のダイナミックレンジ内で妨害成分に影響されることなく目的成分の吸収スペクトルを測定できるようになる。   FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of an example of a spectroscopic measurement method according to the present invention, and shows a method for measuring a spectrum of an analyte having absorption at a position overlapping with an absorption spectrum of a disturbing component in a sample with high accuracy. . FIG. 1 (b) represents the absorption spectrum of the disturbing component. In the present invention, as shown in FIG. 1 (a), the emission spectrum of the light source is controlled so as to increase the light output at a wavelength where absorption is caused by an interference component and to decrease the light output in a wavelength region where there is no absorption. The emission spectrum is such that the absorption spectrum due to the component is canceled out. The spectrum detected at this time is a flat spectrum in which the influence of the disturbing component does not appear as shown in FIG. Accordingly, the absorption spectrum of the target component can be measured without being affected by the interference component within the dynamic range of the detector.

本発明は、検出器の感度の不足を光源出力の増加によって補うものであるため、ノイズが増幅されることはない。また、検出器からの出力を電気的に増幅する手法と本発明の光源出力を増加する手法とを組み合わせることによって、吸光度が非常に強い(光透過率が非常に低い)バンド強度を定量することができる。通常の分光計を用いると、吸光度が3.0、透過率での0.1%のバンド強度を定量することが限界であった。本発明によると、スペクトル内に吸光度が0(透過率が100%)の部分と非常に吸収が強いバンドが共存する場合であっても、全体のスペクトル測定が可能となる。   Since the present invention compensates for the insufficient sensitivity of the detector by increasing the light source output, noise is not amplified. In addition, by combining the method of electrically amplifying the output from the detector and the method of increasing the light source output of the present invention, the intensity of the band having a very strong absorbance (the light transmittance is very low) is quantified. Can do. When a normal spectrometer was used, it was the limit to quantify the band intensity at an absorbance of 3.0 and a transmittance of 0.1%. According to the present invention, it is possible to measure the entire spectrum even when a portion where the absorbance is 0 (transmittance is 100%) and a band having very strong absorption coexist in the spectrum.

図1により、試料中の妨害成分による吸収の影響を、光源の発光スペクトル制御によって補償する方法を説明した。しかし、本発明によると、妨害成分による吸収の影響のみでなく、試料中での光散乱などによる減光を含めた、目的成分の吸収以外の原因に基づく試料中での全ての光減衰を光源の発光スペクトル制御によって補償して分光測定を行うことができる。更に、検出器の感度にスペクトル依存性がある場合においても、本発明によると、検出器の感度特性を含めた測定系全体の感度変動(波長に依存する感度変動)を光源の発光スペクトル制御によって補償することが可能である。   The method of compensating the influence of absorption due to interference components in the sample by controlling the emission spectrum of the light source has been described with reference to FIG. However, according to the present invention, not only the influence of the absorption by the disturbing component but also the light attenuation in the sample based on the cause other than the absorption of the target component, including the attenuation due to light scattering in the sample, etc. It is possible to perform spectroscopic measurement with compensation by controlling the emission spectrum. Furthermore, even when the sensitivity of the detector is spectrally dependent, according to the present invention, the sensitivity variation of the entire measurement system including the sensitivity characteristics of the detector (sensitivity variation depending on the wavelength) is controlled by the emission spectrum control of the light source. It is possible to compensate.

また、本発明による光源スペクトルの制御方法は、試料中に目的成分が含有されていないとき、試料による吸収スペクトルがフラットになるような制御方法だけに限られない。一般に、試料透過光が大きな減衰を示す波長領域では発光強度が比較的大きくなるように光源を制御し、試料透過光があまり大きな減衰を示さない波長領域では発光強度が比較的小さくなるように光源を制御することにより、測定系のダイナミックレンジを広げることができる。   Further, the light source spectrum control method according to the present invention is not limited to a control method in which the absorption spectrum by the sample becomes flat when the target component is not contained in the sample. In general, the light source is controlled so that the emission intensity is relatively high in the wavelength region where the sample transmitted light exhibits a large attenuation, and the light emission intensity is relatively small in the wavelength region where the sample transmitted light does not exhibit a large attenuation. By controlling this, the dynamic range of the measurement system can be expanded.

また、ラマン励起プロファイルの測定において、共鳴効果が強い励起波長でラマン散乱光の強度が検出器の検出限界を超えてしまう場合がある。これを避けるために、本発明では、試料の吸収スペクトルで吸光度が大きく、強い共鳴効果が予想される波長領域において、レーザ光出力を低下させたり、波長掃引速度を速める制御を行って検出器がサチレーションしないようにする。   In the measurement of the Raman excitation profile, the intensity of the Raman scattered light may exceed the detection limit of the detector at an excitation wavelength with a strong resonance effect. In order to avoid this, in the present invention, in the wavelength region where the absorbance is large in the absorption spectrum of the sample and a strong resonance effect is expected, the detector is controlled by reducing the laser light output or increasing the wavelength sweep speed. Avoid saturation.

試料の吸収スペクトルやラマン散乱スペクトルの測定において、波長に応じて光強度が異なる光源を用いることで、測定されたスペクトルの形は光源の発光スペクトルの影響を受けたものとなる。しかし、必要な場合には、測定されたスペクトルからオリジナルなスペクトルを再構成することが可能である。   In the measurement of the absorption spectrum and Raman scattering spectrum of a sample, by using a light source having different light intensity depending on the wavelength, the shape of the measured spectrum is influenced by the emission spectrum of the light source. However, if necessary, the original spectrum can be reconstructed from the measured spectrum.

図1に示したような光源の制御は、白色光源を用いる分光測定装置では、光源の強度を1ms以下の時間で素早く繰り返し精度良く変化させることができないため不可能である。また、色素レーザ等の従来の波長可変レーザを光源とする分光測定装置でも、波長可変領域が50nm以下と極端に狭く、光源の強度を素早く、繰り返し精度良く変化させることができないため不可能である。本発明では、本発明者らが先に開発した、電気的にレーザ発振波長を制御して高速な波長掃引を可能とした電子制御波長可変レーザ〔以下、ETT(Electronically Tuned Tunable)レーザという〕(特開平8−13938号公報、特開平9−172215号公報参照)を分光光源として利用することによって、このような光源制御を行う分光測定方法を可能とする。   Control of the light source as shown in FIG. 1 is impossible in a spectroscopic measurement apparatus using a white light source because the intensity of the light source cannot be changed quickly and accurately in a time of 1 ms or less. In addition, even a spectroscopic measurement apparatus using a conventional wavelength tunable laser such as a dye laser as a light source is impossible because the wavelength tunable region is extremely narrow, 50 nm or less, and the intensity of the light source cannot be changed quickly and accurately. . In the present invention, an electronically controlled wavelength tunable laser (hereinafter referred to as an ETT (Electronically Tuned Tunable) laser) that has been previously developed by the present inventors and that enables high-speed wavelength sweeping by electrically controlling the lasing wavelength. By using JP-A-8-13938 and JP-A-9-172215 as a spectroscopic light source, a spectroscopic measurement method for performing such light source control is made possible.

ETTレーザは、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により所定の角度に回折された光線成分に対してのみレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザであり、例えばチタンサファイアをレーザ媒質とした場合、700〜1000nmの広い近赤外波長範囲で単色光を取り出すことができ、前記波長範囲を1秒以内の時間で波長掃引可能である。共振器中にSHG結晶を配置すると、350〜500nmの2倍波を取り出すことができる。また、複屈折性音響光学素子を用いて電気的に波長選択を行うため、波長切換を瞬時に行うことができ、例えば任意の2波長の切換えを1ms以下の時間で安定に行うことができ、1kHzの高繰り返しパルスレーザを発生することができる。光出力も電気的に高精度に制御することが可能である。   In an ETT laser, a laser medium capable of lasing in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and a light beam component diffracted at a predetermined angle by the birefringent acoustooptic element. Is a wavelength tunable laser that selects a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave excited in the birefringent acoustooptic device. For example, when titanium sapphire is used as a laser medium, Monochromatic light can be taken out in a wide near-infrared wavelength range of 1000 nm, and the wavelength range can be swept in a time within 1 second. When an SHG crystal is arranged in the resonator, a second harmonic of 350 to 500 nm can be extracted. Further, since the wavelength is electrically selected using the birefringent acoustooptic device, the wavelength can be switched instantaneously, for example, any two wavelengths can be switched stably in a time of 1 ms or less, A 1 kHz high repetition pulse laser can be generated. The light output can also be controlled electrically with high accuracy.

さらに、ETTレーザの波長掃引にあたって、他の波長領域に比較して出力強度の安定性が劣る、レーザ発振領域の両端の波長領域や、検出器の検出感度が低下する波長領域では掃引速度を遅くし、出力強度が安定であるレーザ発振領域の中心や検出器の検出感度が高い波長領域では波長掃引速度を速くして、波長領域に応じて波長掃引速度を変えるようにしてもよい。この場合には、全体としてのスペクトル測定時間を短縮できるとともに、一定の速度で波長掃引をした場合に比較的にノイズが多くなる波長領域では波長掃引速度を遅くして検出パルス数を増やし、積算回数を増やすことでS/N比を改善することができる。   Furthermore, when sweeping the wavelength of an ETT laser, the sweep speed is slow in the wavelength region at both ends of the laser oscillation region where the output intensity is less stable than in other wavelength regions, or in the wavelength region where the detection sensitivity of the detector is reduced. Alternatively, the wavelength sweep speed may be changed in accordance with the wavelength region by increasing the wavelength sweep rate in the center of the laser oscillation region where the output intensity is stable or in the wavelength region where the detection sensitivity of the detector is high. In this case, the overall spectrum measurement time can be shortened, and in the wavelength region where the noise is relatively high when the wavelength sweep is performed at a constant speed, the wavelength sweep speed is decreased to increase the number of detected pulses, and integration is performed. The S / N ratio can be improved by increasing the number of times.

すなわち、本発明は、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定方法において、検出器の分光感度特性を補償するように波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする。   That is, the present invention provides a spectroscopic measurement method for measuring a spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of the wavelength tunable laser so that the spectral sensitivity characteristic of the detector is compensated for. The oscillation light output is controlled.

波長可変レーザとしては、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザを用いるのが特に好適である。   As the wavelength tunable laser, a laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and a predetermined light component of a light beam diffracted by the birefringent acoustooptic element. It is particularly preferable to use a wavelength tunable laser that configures a laser resonator on the axis and performs wavelength selection by selecting the frequency of the acoustic wave excited in the birefringent acoustooptic device.

例えば、800nmを中心として700〜1000nmに感度を持つ検出器があるとする。通常の白色光源を用いて通常の分光測定をする場合、感度が高い800nm付近のS/Nは高いが、感度が低い700nm付近と1000nm付近のS/Nは800nmに比較して悪くなる。一方、700nmや1000nm付近のS/Nを上げるために白色光源の出力を上げたとき、700nmと1000nm付近でのS/Nは上昇するが、最初から感度が高い800nm付近では検出器がサチレーションを起こしてS/Nが低下するか、検出器が壊れてしまう可能性がある。本発明のようにETTレーザを光源として用いる場合、検出器の感度が低い波長領域(この例では、700nm付近と1000nm付近)ではETTレーザの出力を上げて検出器の感度を補い、感度の高い波長領域(この例では、800nm付近)ではETTレーザの出力を下げることによって検出器のサチレーションや破壊を防止することができる。   For example, it is assumed that there is a detector having sensitivity at 700 to 1000 nm centered on 800 nm. When normal spectroscopic measurement is performed using a normal white light source, the S / N near 800 nm with high sensitivity is high, but the S / N near 700 nm and 1000 nm with low sensitivity is worse than 800 nm. On the other hand, when the output of the white light source is increased in order to increase the S / N in the vicinity of 700 nm or 1000 nm, the S / N in the vicinity of 700 nm and 1000 nm increases, but the detector saturates near 800 nm where the sensitivity is high from the beginning. The S / N may be lowered and the detector may be broken. When an ETT laser is used as a light source as in the present invention, in the wavelength region where the sensitivity of the detector is low (in this example, around 700 nm and around 1000 nm), the output of the ETT laser is increased to compensate for the sensitivity of the detector, and the sensitivity is high. In the wavelength region (in this example, around 800 nm), it is possible to prevent saturation and destruction of the detector by reducing the output of the ETT laser.

本発明は、また、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定方法において、目的成分の吸収以外の原因による試料中でのレーザ光の減衰及び検出器の分光感度特性を補償するように波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする。   The present invention also provides a spectroscopic measurement method for measuring a spectrum of a sample by irradiating the sample with a laser beam obtained by wavelength sweeping of a wavelength tunable laser, in which the laser beam in the sample is caused by causes other than absorption of the target component. The oscillation light output of the wavelength tunable laser is controlled so as to compensate the attenuation and the spectral sensitivity characteristics of the detector.

波長可変レーザの発振光出力は、目的成分を含まない試料である参照試料のスペクトルが既知である場合には、波長可変レーザ中の複屈折性光音響光学素子に入力するRF強度とレーザ発振光出力の関係を各レーザ発振波長で調べ、参照試料の吸収を打ち消すようなRF強度を計算によって求めることで行うことができる。また、参照試料が存在する場合には、参照試料に対してレーザ光を照射して、参照試料を透過(散乱又は反射でもよい)した光を検出する検出器からの信号強度をモニターしながら(参照試料の参照スペクトル測定)、ほぼフラットなスペクトルなど、ユーザの好みのスペクトルを構成するようなレーザ出力が得られるRF強度を各レーザ発振波長で記録する。この記録されたRF強度とレーザ発振波長の関係に従って前記の波長可変レーザを制御することによって、次の回からユーザの好みのスペクトルを与えるようなレーザ出力が得られる。   When the spectrum of the reference sample, which is a sample that does not contain the target component, is known, the oscillation light output of the wavelength tunable laser is the RF intensity and laser oscillation light that are input to the birefringent photoacoustic optical element in the wavelength tunable laser. This can be done by investigating the output relationship at each laser oscillation wavelength and calculating the RF intensity that cancels the absorption of the reference sample. When a reference sample is present, the reference sample is irradiated with laser light, and the signal intensity from a detector that detects light transmitted through the reference sample (which may be scattered or reflected) is monitored ( Reference spectrum measurement of a reference sample), and an RF intensity that provides a laser output that constitutes a user's favorite spectrum, such as a substantially flat spectrum, is recorded at each laser oscillation wavelength. By controlling the wavelength tunable laser according to the relationship between the recorded RF intensity and the laser oscillation wavelength, a laser output that gives the user's favorite spectrum can be obtained from the next time.

本発明は、また、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料の吸収スペクトル測定を行う分光測定方法において、試料による吸収の大きな波長領域ではレーザ光出力が大きくなるように波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする。波長領域に応じて波長掃引速度を異ならせることもできる。   The present invention also provides a spectroscopic measurement method for measuring the absorption spectrum of a sample by irradiating the sample with a laser beam obtained by sweeping the wavelength of a wavelength tunable laser, and the laser beam output is increased in a wavelength region where the absorption by the sample is large. As described above, the oscillation light output of the wavelength tunable laser is controlled. The wavelength sweep speed can be varied according to the wavelength region.

本発明の分光測定方法は、透過法、反射法、拡散反射法などの手法を用いて測定する、試料のあらゆる吸収スペクトル測定に適用することができる。
本発明は、また、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射し、試料からの散乱光を分光して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定方法において、目的成分の吸収によるラマン散乱光の増加を補償するように波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする。
The spectroscopic measurement method of the present invention can be applied to any absorption spectrum measurement of a sample that is measured using a technique such as a transmission method, a reflection method, or a diffuse reflection method.
The present invention also provides an absorption method for a target component in a spectroscopic measurement method in which a sample is irradiated with laser light obtained by wavelength sweeping of a wavelength tunable laser, and scattered light from the sample is measured to measure a Raman scattering spectrum of the sample. The oscillation light output of the wavelength tunable laser is controlled so as to compensate for the increase in the Raman scattered light due to.

本発明は、また、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射し、試料からの散乱光を分光して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定方法において、目的成分の吸収が少ない波長範囲では、ラマン散乱光の減少によるS/Nの低下を防止するために、波長掃引速度を遅くすることを特徴とする。
予め設定した波長毎に波長可変レーザを発振させ、このレーザ光を励起光としてラマン散乱スペクトルを順次測定することでラマン励起プロファイルの測定が容易になる。
The present invention also provides an absorption method for a target component in a spectroscopic measurement method in which a sample is irradiated with laser light obtained by wavelength sweeping of a wavelength tunable laser, and scattered light from the sample is measured to measure a Raman scattering spectrum of the sample. In a wavelength range with a small amount of light, the wavelength sweep speed is slowed in order to prevent a decrease in S / N due to a decrease in Raman scattered light.
By oscillating a wavelength tunable laser for each preset wavelength and sequentially measuring the Raman scattering spectrum using the laser light as excitation light, the Raman excitation profile can be easily measured.

本発明は、また、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザと、複屈折性音響光学素子に励起する音響波の周波数及び強度を制御するレーザ制御装置と、光検出器とを備え、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定装置において、レーザ制御装置は、光検出器の分光感度特性を補償するように波長可変レーザの発振強度を制御することを特徴とする。   According to the present invention, a laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are disposed in the laser resonator, and the predetermined light of the light component diffracted by the birefringent acoustooptic element is provided. A laser resonator is formed on the axis, and a wavelength tunable laser that selects a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device, and an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device In a spectroscopic measurement apparatus that includes a laser control device that controls frequency and intensity, and a photodetector, and that measures the spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of a tunable laser, the laser control device Is characterized in that the oscillation intensity of the wavelength tunable laser is controlled so as to compensate for the spectral sensitivity characteristics of the photodetector.

本発明は、また、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザと、前記複屈折性音響光学素子に励起する音響波の周波数及び強度を制御するレーザ制御装置と、光検出器とを備え、前記波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定装置において、レーザ制御装置は、目的成分の吸収以外の原因による試料中でのレーザ光の減衰及び光検出器の分光感度特性を補償するように波長可変レーザの発振強度を制御することを特徴とする。   According to the present invention, a laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and a predetermined light component of a light component diffracted by the birefringent acoustooptic element is arranged. A laser resonator is formed on the optical axis, and a wavelength tunable laser that performs wavelength selection by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device, and excitation to the birefringent acoustooptic device In a spectroscopic measurement apparatus comprising a laser control device for controlling the frequency and intensity of an acoustic wave, and a photodetector, and irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of the tunable laser to measure the spectrum of the sample The laser control device is characterized by controlling the oscillation intensity of the wavelength tunable laser so as to compensate for the attenuation of the laser beam in the sample due to causes other than the absorption of the target component and the spectral sensitivity characteristics of the photodetector. To.

分光測定装置は、試料の吸収スペクトルを測定するものとすることができる。
また、本発明は、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザと、複屈折性音響光学素子に励起する音響波の周波数及び強度を制御するレーザ制御装置と、分光器と、光検出器とを備え、波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定装置において、レーザ制御装置は、目的成分の吸収によるラマン散乱光の増加を補償するように波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする。
The spectrometer can measure the absorption spectrum of the sample.
Further, according to the present invention, a laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and a predetermined light component of a light beam diffracted by the birefringent acoustooptic element. A laser resonator is formed on the axis, and a wavelength tunable laser that selects a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device, and an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device Spectroscopic measurement that includes a laser control device that controls frequency and intensity, a spectroscope, and a photodetector, and that measures the Raman scattering spectrum of the sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of the tunable laser. In the apparatus, the laser control device controls the oscillation light output of the wavelength tunable laser so as to compensate for an increase in Raman scattered light due to absorption of the target component.

本発明によると、妨害成分が含まれている試料に対しても高精度なスペクトル測定を行うことができ、またラマン励起プロファイルの測定を容易に行うことができる。   According to the present invention, high-accuracy spectrum measurement can be performed even on a sample containing an interference component, and the Raman excitation profile can be easily measured.

最初に、ETTレーザについて簡単に説明する。複屈折性を示す音響光学結晶中に音響波を励起すると、その結晶に入射された光の中で音響波の周波数に応じた特定の波長の回折光は、音響波、入射光、回折光の間の位相整合条件を満たす方向に強く回折される。図2は、この回折の様子を示す概念図である。   First, the ETT laser will be briefly described. When an acoustic wave is excited in an acousto-optic crystal exhibiting birefringence, the diffracted light of a specific wavelength according to the frequency of the acoustic wave in the light incident on the crystal is the acoustic wave, incident light, and diffracted light. Strongly diffracted in the direction satisfying the phase matching condition. FIG. 2 is a conceptual diagram showing the state of this diffraction.

いま、TeO2結晶などの複屈折性を示す音響光学結晶に圧電素子22を取り付けた複屈折性音響光学素子100中に、角周波数ωiの入射光102を入射するものとする。さらに、圧電素子22により複屈折性音響光学素子100中に角周波数ωaの音響波104を励起すると、入射光102と音響波104との相互作用により、次の〔数1〕で表される角周波数ωoに周波数シフトした回折光106が得られる。なお、入射光102は異常光線、回折光106は常光線であり、回折光106の偏光面は入射光102の偏光面と直交している。108は非回折光である。 Now, it is assumed that incident light 102 having an angular frequency ωi is incident on a birefringent acoustooptic device 100 in which a piezoelectric element 22 is attached to an acoustooptic crystal exhibiting birefringence such as a TeO 2 crystal. Further, when the acoustic wave 104 having the angular frequency ωa is excited in the birefringent acoustooptic element 100 by the piezoelectric element 22, the angle represented by the following [Equation 1] is obtained by the interaction between the incident light 102 and the acoustic wave 104. The diffracted light 106 shifted in frequency to the frequency ωo is obtained. The incident light 102 is an extraordinary ray, and the diffracted light 106 is an ordinary ray. The polarization plane of the diffracted light 106 is orthogonal to the polarization plane of the incident light 102. Reference numeral 108 denotes non-diffracted light.

〔数1〕
ωo=ωi+ωa
ただし、ωa≪ωi,ωoであり、ωi≒ωoとみなして差し支えない。このとき入射光102の波数ベクトルをki、音響波104の波数ベクトルをka、回折光106の波数ベクトルをkoとするとき、位相整合条件より次の〔数2〕で表されるベクトル式が成立する。
[Equation 1]
ωo = ωi + ωa
However, ωa << ωi, ωo, and it can be considered that ωi≈ωo. At this time, when the wave number vector of the incident light 102 is ki, the wave number vector of the acoustic wave 104 is ka, and the wave vector of the diffracted light 106 is ko, the following vector expression is established from the phase matching condition: To do.

〔数2〕
ko=ki+ka
図3は、複屈折性音響光学素子100中を伝播する常光線のkベクトルと、異常光線のkベクトルの関係を表示したものである。常光線に対するkベクトルの大きさは進行方向によらず一定であり、kベクトルの終点の軌跡は円になる。一方、異常光線に対するkベクトルの大きさは複屈折性音響光学素子100の結晶軸に対する伝播角度によって変化し、kベクトルの終点の軌跡は楕円形になる。このkベクトルの軌跡によって形成される円又は楕円は、波長を変えるとほぼ相似的に拡大又は縮小変化する。図3(a)は、波長λ1において〔数2〕の位相整合条件が成立している状態を示している。図中、Vaは結晶中を伝わる音響波104の速度であり、音響波104の波数ベクトルka1の大きさは|ωa/Va|である。
[Equation 2]
ko = ki + ka
FIG. 3 shows the relationship between the k vector of ordinary rays propagating through the birefringent acoustooptic device 100 and the k vector of extraordinary rays. The magnitude of the k vector with respect to the ordinary ray is constant regardless of the traveling direction, and the locus of the end point of the k vector is a circle. On the other hand, the magnitude of the k vector with respect to the extraordinary ray changes depending on the propagation angle with respect to the crystal axis of the birefringent acoustooptic device 100, and the locus of the end point of the k vector becomes elliptic. The circle or ellipse formed by the locus of the k vector changes in a similar manner when the wavelength is changed. FIG. 3A shows a state where the phase matching condition of [Equation 2] is satisfied at the wavelength λ 1 . In the figure, Va is the velocity of the acoustic wave 104 traveling through the crystal, and the magnitude of the wave number vector ka 1 of the acoustic wave 104 is | ωa / Va |.

ここで、複屈折性音響光学素子100中に励起する音響波104の周波数ωa、従って波数ベクトルkaの大きさを変えると、波長λ1では〔数2〕の位相整合条件が成立しなくなる。このとき位相整合条件が成立するのは、図3(b)に示すように、波長λ2になる。このように、位相整合条件を満たす光の波長λと音響波の角周波数ωaとは一対一で対応している。 Here, if the frequency ωa of the acoustic wave 104 excited in the birefringent acoustooptic device 100, and hence the magnitude of the wave number vector ka, is changed, the phase matching condition of [Equation 2] is not satisfied at the wavelength λ 1 . At this time, the phase matching condition is satisfied at the wavelength λ 2 as shown in FIG. Thus, the wavelength λ of light that satisfies the phase matching condition and the angular frequency ωa of the acoustic wave have a one-to-one correspondence.

前述のように、kベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の大きさは波長によって変化するが、その形はほとんど変化しない。従って、波長がλ1からλ2に変化して、これにより入射光102と回折光106のベクトルki,koの大きさが変わっても相似形となるため、ベクトル(ko1−ki1)とベクトル(ko2−ki2)の向きは平行となる。この結果、ka1=ko1−ki1,ka2=ko2−ki2のベクトルをもつ音響波を音響周波数を変えるだけで入力できる。 As described above, the size of the circle or ellipse connecting the end points of the k-vector locus changes depending on the wavelength, but its shape hardly changes. Therefore, even if the wavelength is changed from λ 1 to λ 2 , and the magnitudes of the vectors ki and ko of the incident light 102 and the diffracted light 106 are thereby changed, a similar shape is obtained, so that the vector (ko 1 −ki 1 ) The direction of the vector (ko 2 −ki 2 ) is parallel. As a result, it is possible to input an acoustic wave having a vector of ka 1 = ko 1 -ki 1 and ka 2 = ko 2 -ki 2 only by changing the acoustic frequency.

複屈折性音響光学素子100から出射した波数ベクトルkoの光を、反射ミラー110で反射させて、複屈折性音響光学素子100中に逆方向から入射させると、図3(c)に示すように、戻ってきた光はまた音響波により回折され、再び入射光kiと逆向きに進む−kiとなって入射光の光路を逆に辿る。   When the light having the wave number vector ko emitted from the birefringent acoustooptic device 100 is reflected by the reflecting mirror 110 and is incident on the birefringent acoustooptic device 100 from the opposite direction, as shown in FIG. The returned light is also diffracted by the acoustic wave and travels in the opposite direction to the incident light ki, and becomes -ki, and the optical path of the incident light is reversed.

従って、レーザ媒質14及び複屈折性音響光学素子100を挟んで、図2に示すように、全反射ミラー110と所定の透過率を有する出射側ミラー112を配置すると、全反射ミラー110と出射側ミラー112により両者の間を特定の波長成分のみをもつ光のみが往復するレーザ共振器が構成される。回折光106の波長λoは、複屈折性音響光学素子100中に発生される音響波104の周波数ωaを変えるとkaが変わり、kiが選択される結果、波長λi=2π/|ki|が決まる。従って、複屈折性音響光学素子100に取り付けられた圧電素子22をRF電源20からの所定周波数のRF信号で駆動することにより、レーザ発振波長λiの制御が可能となる。また、回折光106の回折効率は複屈折性音響光学素子100中に励起された音響波の強度によって決定されるので、RF電源20から出力されるRF信号の振幅を制御することにより回折光106の強度、従ってレーザ出力を可変制御することができる。   Therefore, when the total reflection mirror 110 and the emission side mirror 112 having a predetermined transmittance are arranged with the laser medium 14 and the birefringent acoustooptic device 100 interposed therebetween, as shown in FIG. The mirror 112 constitutes a laser resonator in which only light having only a specific wavelength component reciprocates between the two. The wavelength λo of the diffracted light 106 changes when the frequency ωa of the acoustic wave 104 generated in the birefringent acoustooptic device 100 is changed, and as a result of selecting ki, the wavelength λi = 2π / | ki | is determined. . Therefore, the laser oscillation wavelength λi can be controlled by driving the piezoelectric element 22 attached to the birefringent acoustooptic element 100 with an RF signal having a predetermined frequency from the RF power supply 20. Further, since the diffraction efficiency of the diffracted light 106 is determined by the intensity of the acoustic wave excited in the birefringent acoustooptic device 100, the diffracted light 106 is controlled by controlling the amplitude of the RF signal output from the RF power supply 20. The intensity of the laser, and thus the laser output can be variably controlled.

上では、kベクトルの軌跡の終点を結んだ円又は楕円の形は波長によってほとんど変化しないと述べたが、実際には僅かに変化する。そのため、回折角も波長によって僅かに変化して、全反射ミラー110と部分透過ミラー112によって構成される共振器の条件が変化し、出射レーザ光の方向が僅かに変化する。この回折角の波長依存性は、複屈折性音響光学素子100と全反射ミラー110の間にプリズム等の波長分散補正素子を配置することで補償することができ、全ての波長で出射レーザ光の方向を一定にすることができる。レーザ媒質としては、Ti:Al23、LiSAF、LiCAF等のレーザ結晶、色素溶液など既知のいずれの波長可変レーザ媒質も用いることができる。 In the above, it has been stated that the shape of the circle or ellipse connecting the end points of the k-vector locus hardly changes depending on the wavelength, but actually changes slightly. Therefore, the diffraction angle also slightly changes depending on the wavelength, the conditions of the resonator constituted by the total reflection mirror 110 and the partial transmission mirror 112 change, and the direction of the emitted laser light changes slightly. This wavelength dependency of the diffraction angle can be compensated by arranging a wavelength dispersion correction element such as a prism between the birefringent acoustooptic element 100 and the total reflection mirror 110, and the wavelength of the emitted laser light can be reduced at all wavelengths. The direction can be made constant. As the laser medium, any known wavelength tunable laser medium such as a laser crystal such as Ti: Al 2 O 3 , LiSAF, LiCAF, or a dye solution can be used.

このETTレーザは、励起レーザ源として連続発振レーザ(CWレーザ)を用いることにより連続発振レーザとすることも、励起レーザ源としてパルスレーザを用いることによりパルス発振レーザとすることもできる。例えばレーザ媒質としてTi:Al23を用いた場合には、Nd:YAGレーザ、Nd:YLFレーザ、Nd:YVO4レーザなどのNd固体レーザの第2高調波及びアルゴンイオンレーザを用いることができ、レーザ媒質としてLiSAFレーザ結晶、LiCAFレーザ結晶などを用いた場合には半導体レーザやクリプトンイオンレーザを用いることができる。 This ETT laser can be a continuous wave laser by using a continuous wave laser (CW laser) as a pump laser source, or a pulsed laser by using a pulse laser as a pump laser source. For example, when Ti: Al 2 O 3 is used as the laser medium, the second harmonic of an Nd solid state laser such as an Nd: YAG laser, an Nd: YLF laser, or an Nd: YVO 4 laser and an argon ion laser may be used. In addition, when a LiSAF laser crystal, a LiCAF laser crystal, or the like is used as a laser medium, a semiconductor laser or a krypton ion laser can be used.

レーザ媒質内の、励起レーザによる励起体積とレーザ共振器内の光モード体積とを整合させるようにして効率を高め、励起入力を低くすることにより、出力の高くとれない高繰り返しパルス励起レーザや連続発振レーザも励起レーザに利用できる。例えば、レーザ共振器をZホールド型のレーザ共振器やXホールド型のレーザ共振器とし、レーザ共振器内の光路に沿って励起レーザ光を導入することで、励起光を効率よく利用して低エネルギーの励起光でレーザ発振を生じさせることができる。   By matching the pumping volume of the pumping laser in the laser medium with the optical mode volume in the laser resonator, the efficiency is increased and the pumping input is lowered, so that a high repetition rate pulsed pumping laser or a continuous laser whose output cannot be increased can be obtained. An oscillation laser can also be used as an excitation laser. For example, the laser resonator may be a Z-hold type laser resonator or an X-hold type laser resonator, and pump light is introduced along the optical path in the laser resonator to efficiently use the pump light. Laser oscillation can be generated by energy excitation light.

図4は、複屈折性音響光学素子を用いたETTレーザの一例を示す概略図である。この例では、レーザ共振器内を往復する光の光路がアルファベットのZ字形状になる、いわゆるZホールド型のレーザ共振器を用いている。Zホールド型のレーザ共振器は所定の透過率を有する出射側ミラー112と全反射ミラー110を備える。さらに、励起レーザ光Aを入射させるとともに出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第1中間ミラー37と、出射側ミラー112と全反射ミラー110との間を往復する光Bを反射する第2中間ミラー38を備えており、レーザ共振器内を往復する光Bの光路はアルファベットのZ字形状とされる。   FIG. 4 is a schematic view showing an example of an ETT laser using a birefringent acoustooptic device. In this example, a so-called Z-hold type laser resonator is used in which the optical path of light reciprocating in the laser resonator has an alphabetical Z shape. The Z-hold type laser resonator includes an output side mirror 112 and a total reflection mirror 110 having a predetermined transmittance. Further, between the first intermediate mirror 37 that makes the excitation laser light A incident and reflects the light B that travels back and forth between the emission side mirror 112 and the total reflection mirror 110, and between the emission side mirror 112 and the total reflection mirror 110. A second intermediate mirror 38 that reflects the reciprocating light B is provided, and the optical path of the light B reciprocating in the laser resonator is an alphabetic Z-shape.

レーザ共振器の光路上の第1中間ミラー37と第2中間ミラー38の間には、波長可変レーザ媒質として入射光の入射端面がブルースターカットされたレーザ媒質14が、その入射端面が入射光の反射がゼロとなるブルースター角となるようにして配置されており、励起レーザ光Aにより縦方向同軸励起によりレーザ発振が生じるように構成されている。レーザ共振器の光路上の第2中間ミラー38と全反射ミラー110の間には、波長選択手段として複屈折性音響光学素子100が配置されている。   Between the first intermediate mirror 37 and the second intermediate mirror 38 on the optical path of the laser resonator, there is a laser medium 14 whose incident end face of incident light is Brewster cut as a wavelength tunable laser medium, and whose incident end face is incident light. Is arranged so that the Brewster angle becomes zero, and the laser oscillation is generated by the longitudinal coaxial excitation by the excitation laser light A. Between the second intermediate mirror 38 and the total reflection mirror 110 on the optical path of the laser resonator, a birefringent acousto-optic element 100 is disposed as a wavelength selection means.

複屈折性音響光学素子100には、音響波入力手段として、制御用コンピュータ26により周波数を制御されたRF電源20で駆動される圧電素子22が取り付けられている。このRF電源20と制御用コンピュータ26とはレーザ制御装置150を構成し、制御用コンピュータ26の制御により任意の周波数に設定されたRF電源20により圧電素子22を駆動してその周波数に応じた音響波を複屈折性音響光学素子100に励起することにより、複屈折性音響光学素子100は前記〔数1〕で表される周波数ωoの光Dを回折する。圧電素子22は、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザ光Cの波長の光B(周波数ωi≒ωo)に対応する光のみを、複屈折性音響光学素子100が所定の方向に回折した回折光Dとして出射し、レーザ共振できるように、制御用コンピュータ26により複屈折性音響光学素子100へ入力する音響波の周波数ωaを制御する。   The birefringent acoustooptic device 100 is provided with a piezoelectric element 22 driven by an RF power source 20 whose frequency is controlled by a control computer 26 as acoustic wave input means. The RF power supply 20 and the control computer 26 constitute a laser control device 150, and the piezoelectric element 22 is driven by the RF power supply 20 set to an arbitrary frequency under the control of the control computer 26, and the sound corresponding to the frequency is obtained. By exciting the wave to the birefringent acoustooptic device 100, the birefringent acoustooptic device 100 diffracts the light D having the frequency ωo expressed by the above [Equation 1]. The piezoelectric element 22 is a diffraction in which the birefringent acoustooptic device 100 diffracts only light corresponding to the light B (frequency ωi≈ωo) having the wavelength of the outgoing laser light C desired to be emitted from the outgoing mirror 112 in a predetermined direction. The control computer 26 controls the frequency ωa of the acoustic wave that is input to the birefringent acoustooptic device 100 so that it can be emitted as light D and resonate.

複屈折性音響光学素子100と全反射ミラー110の間には、回折光Dの分散を補正するための波長分散補正素子としてのプリズム28が配設されている。この回折角の波長分散補正用プリズム28を用いることにより、出射レーザ光Cの方向を一定にすることができる。レーザ共振器内へ励起レーザ光Aを入射するための励起レーザ32としては、パルスレーザ又は連続発振レーザ(CWレーザ)を用いることができる。励起レーザ32によって発生された励起レーザ光Aは、全反射ミラー34により全反射集光ミラー36に反射され、全反射集光ミラー36により集光されて第1中間ミラー37を介してレーザ媒質14を縦方向同軸励起するように入射される。   Between the birefringent acoustooptic device 100 and the total reflection mirror 110, a prism 28 is disposed as a wavelength dispersion correction device for correcting the dispersion of the diffracted light D. By using the wavelength dispersion correcting prism 28 of this diffraction angle, the direction of the emitted laser beam C can be made constant. A pulse laser or a continuous wave laser (CW laser) can be used as the excitation laser 32 for entering the excitation laser beam A into the laser resonator. The excitation laser light A generated by the excitation laser 32 is reflected by the total reflection collecting mirror 36 by the total reflection mirror 34, condensed by the total reflection collecting mirror 36, and the laser medium 14 through the first intermediate mirror 37. Are incident so as to be longitudinally coaxially excited.

出射レーザ光Cを得るには、励起レーザ32により入射された励起レーザ光Aを用いてレーザ媒質14を励起する。また、出射側ミラー112から出射させたい出射レーザ光Cの波長(周波数ωi)に応じて、RF電源20の周波数ωaを制御用コンピュータ26により制御し、圧電素子22を駆動する。このようにすると、レーザ媒質14から出射して複屈折性音響光学素子100に入射された広範囲の波長帯域の光の中で、RF電源20の周波数に応じた波長の光は、複屈折性音響光学素子100で回折光D(周波数ωo)として回折される。この回折光Dは、回折角の波長分散補正用プリズム28を介して全反射ミラー110に垂直入射し、全反射ミラー110で反射されてZ字形状の光路を辿ってレーザ共振器内を往復する(レーザ媒質14の位置では角周波数ωi)。従って、RF電源20の周波数に応じた波長の光のみが増幅されてレーザ発振し、レーザ共振器から当該波長の出射レーザ光C(周波数ωi)を出射させる。このように、出射レーザ光Cの波長選択は、制御用コンピュータ26の制御によりRF電源20の周波数ωaを選択することで実現できるので、出射レーザ光C(周波数ωi)の高速かつランダムな波長選択が可能であり、結果として出射レーザ光の波長可変速度を高速化することができる。   In order to obtain the emitted laser beam C, the laser medium 14 is excited using the excitation laser beam A incident by the excitation laser 32. Further, the frequency ωa of the RF power source 20 is controlled by the control computer 26 in accordance with the wavelength (frequency ωi) of the emitted laser beam C desired to be emitted from the emission side mirror 112, and the piezoelectric element 22 is driven. In this way, light having a wavelength corresponding to the frequency of the RF power source 20 among light in a wide wavelength band emitted from the laser medium 14 and incident on the birefringent acoustooptic device 100 is birefringent acoustic. It is diffracted as diffracted light D (frequency ωo) by the optical element 100. The diffracted light D enters the total reflection mirror 110 perpendicularly via the wavelength dispersion correction prism 28 having a diffraction angle, is reflected by the total reflection mirror 110, and travels back and forth in the laser resonator along the Z-shaped optical path. (Angular frequency ωi at the position of the laser medium 14). Accordingly, only light having a wavelength corresponding to the frequency of the RF power source 20 is amplified and laser-oscillated, and emitted laser light C (frequency ωi) having the wavelength is emitted from the laser resonator. As described above, the wavelength selection of the emitted laser beam C can be realized by selecting the frequency ωa of the RF power source 20 under the control of the control computer 26, so that the wavelength selection of the emitted laser beam C (frequency ωi) can be performed at high speed and at random. As a result, the wavelength variable speed of the emitted laser light can be increased.

図5は、図4に示したETTレーザの入出力特性についての実験結果を示すものである。ここでは、レーザ媒質14としてTi:Al23結晶を用い、励起レーザ32としてCW−QスイッチパルスNd:YLFレーザを用い、その第2高調波を励起レーザ光Aとして用いた。励起レーザ光Aの波長は523nmであり、パルスの繰り返し周波数は1kHz、1パルス当たりの最大出力は200μJである。また、全反射集光ミラー36の直径は200mmとし、第1中間ミラー37及び第2中間ミラー38の半径は100mmとし、出射側ミラー112を反射率97%(透過率3%)とした。レーザ媒質14で励起領域と共振器モード径は数十μmまで絞られ、全反射集光ミラー36によりこの領域に励起レーザ光Aを集光することによって、励起効率の向上が図られる。図5は、出力レーザ光Cの波長を800nmに固定した際における、励起レーザ光A(入力)のエネルギーと出力レーザ光C(出力)のエネルギーとの入出力特性を示したものである。図5から明らかなように、励起レーザ光Aのエネルギーが1パルス当たり約40mJになったときにレーザ発振の閾値に達した。 FIG. 5 shows experimental results on the input / output characteristics of the ETT laser shown in FIG. Here, a Ti: Al 2 O 3 crystal was used as the laser medium 14, a CW-Q switch pulse Nd: YLF laser was used as the excitation laser 32, and the second harmonic was used as the excitation laser light A. The wavelength of the excitation laser light A is 523 nm, the pulse repetition frequency is 1 kHz, and the maximum output per pulse is 200 μJ. The diameter of the total reflection condensing mirror 36 was 200 mm, the radius of the first intermediate mirror 37 and the second intermediate mirror 38 was 100 mm, and the emission side mirror 112 had a reflectivity of 97% (transmittance of 3%). The pumping region and the resonator mode diameter are reduced to several tens of μm in the laser medium 14, and the pumping laser light A is condensed in this region by the total reflection condensing mirror 36, so that the pumping efficiency can be improved. FIG. 5 shows the input / output characteristics of the energy of the excitation laser beam A (input) and the energy of the output laser beam C (output) when the wavelength of the output laser beam C is fixed at 800 nm. As is apparent from FIG. 5, the laser oscillation threshold was reached when the energy of the excitation laser beam A was about 40 mJ per pulse.

図6は、励起レーザ光Aのエネルギーが100μJのときの波長可変特性を示すものである。図6から明らかなように、波長可変域は約740nm〜約870nmである。回折角の波長分散補正用プリズム28を設けたことにより、レーザの波長同調時に観測されるビームの振れは、観測限界以下であった。
次に、前記したETTレーザを用いた本発明の分光測定方法について説明する。
FIG. 6 shows the wavelength tunable characteristics when the energy of the excitation laser light A is 100 μJ. As is apparent from FIG. 6, the wavelength tunable range is about 740 nm to about 870 nm. By providing the wavelength dispersion correcting prism 28 of the diffraction angle, the beam shake observed during the wavelength tuning of the laser is below the observation limit.
Next, the spectroscopic measurement method of the present invention using the above-described ETT laser will be described.

図7は、本発明による分光測定装置の一例を説明する概略図である。分光光源としては前記したETTレーザ40を用いる。ETTレーザ40は、パルスレーザ光を発生するものとすることもできるし、連続レーザ光を発生するものとすることもできる。ここでは、パルスレーザ光を発生する例によって説明する。ETTレーザ40から取り出された波長λの単色レーザ光41は、試料Sに入射し、試料Sを透過した光線は光電子増倍管43で検出される。   FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a spectroscopic measurement apparatus according to the present invention. The aforementioned ETT laser 40 is used as a spectral light source. The ETT laser 40 can generate pulsed laser light or can generate continuous laser light. Here, an example in which pulsed laser light is generated will be described. A monochromatic laser beam 41 having a wavelength λ extracted from the ETT laser 40 is incident on the sample S, and a light beam transmitted through the sample S is detected by the photomultiplier tube 43.

ETTレーザ40の発振波長及び光出力は、RF電源20と制御用コンピュータ26からなるレーザ制御装置150によって制御される。ETTレーザ40の発振強度は、制御用コンピュータ26のメモリに蓄えられた情報(制御情報)に従って制御される。制御情報は、手動又はコンピュータプログラムにより自動的に作成される。例えば、発振波長に対する発振強度という形でテーブルが作成され、そのテーブルに従ってコンピュータメモリ上に制御のための数値(制御情報)が記憶される。   The oscillation wavelength and optical output of the ETT laser 40 are controlled by a laser control device 150 including the RF power source 20 and the control computer 26. The oscillation intensity of the ETT laser 40 is controlled according to information (control information) stored in the memory of the control computer 26. The control information is created manually or automatically by a computer program. For example, a table is created in the form of oscillation intensity with respect to the oscillation wavelength, and numerical values (control information) for control are stored on the computer memory according to the table.

信号処理回路160は、制御用コンピュータ26からの信号と光電子増倍管43からの検出信号を受け、両者を同期して処理する。例えば、入射したレーザパルスが検出されることによって時間幅200nsのパルス電流が光電子増倍管43から出力されるとする。レーザパルスの間隔を1msとすると、残りの999,800nsは光電子増倍管からノイズ成分だけが検出されていることになる。信号処理回路160では、制御用コンピュータ26からの信号をトリガーとし、ゲート型積分回路を用いて検出器から有意な信号が出力されている時間内の電流だけを積分する。積分された信号は電圧値としてアナログ・デジタル変換器に伝達され、表示装置170のメモリー内に蓄積される。測定された試料の吸収スペクトルは表示装置170に表示される。   The signal processing circuit 160 receives the signal from the control computer 26 and the detection signal from the photomultiplier tube 43, and processes both in synchronization. For example, it is assumed that a pulse current having a time width of 200 ns is output from the photomultiplier tube 43 by detecting an incident laser pulse. If the laser pulse interval is 1 ms, only the noise component is detected from the photomultiplier tube for the remaining 999,800 ns. The signal processing circuit 160 uses the signal from the control computer 26 as a trigger, and integrates only the current within the time during which a significant signal is output from the detector using a gate type integration circuit. The integrated signal is transmitted as a voltage value to the analog / digital converter and stored in the memory of the display device 170. The measured absorption spectrum of the sample is displayed on the display device 170.

試料として、ヒトの掌(厚さ約3cm)を用い、その吸収スペクトルから生体中のヘモグロビンの酸素化度の変化を測定した。測定に先立ち、散乱、水による吸収、光電子増倍管43の感度特性を補償するようにETTレーザ40の光出力を調整した。ETTレーザ40の出力調整には、インターリピッドの水中分散液を参照用の散乱体として用いた。検出器からの電気信号を信号処理回路を通してモニターし、700nmから10nm毎にレーザを発振させて信号処理回路からの出力が常に一定値となるようにRF強度を各波長で設定した。10nm毎の間にあたる波長に対しては、補間によってRF強度を定義した。図8は、このようにして水の吸収と光電子増倍管43の感度特性を補償するように出力を調整したETTレーザ40の発振スペクトル(試料Sの位置に参照試料を置いたときの光電子増倍管43の検出信号を積分した信号強度)を示す。   A human palm (thickness of about 3 cm) was used as a sample, and the change in the degree of oxygenation of hemoglobin in the living body was measured from its absorption spectrum. Prior to the measurement, the light output of the ETT laser 40 was adjusted so as to compensate for scattering, absorption by water, and sensitivity characteristics of the photomultiplier tube 43. To adjust the output of the ETT laser 40, an interlipid dispersion in water was used as a reference scatterer. The electric signal from the detector was monitored through a signal processing circuit, and the laser was oscillated every 700 nm to 10 nm, and the RF intensity was set at each wavelength so that the output from the signal processing circuit was always a constant value. For wavelengths falling between every 10 nm, the RF intensity was defined by interpolation. FIG. 8 shows an oscillation spectrum of the ETT laser 40 whose output is adjusted so as to compensate for the water absorption and the sensitivity characteristic of the photomultiplier tube 43 in this way (the photomultiplier when the reference sample is placed at the position of the sample S). (Signal intensity obtained by integrating the detection signal of the double tube 43).

図9は、参照試料を透過した信号強度が図8に示すようにフラットになるように出力を調整したETTレーザを用いて測定した、安静時のヒトの掌の吸収スペクトル(実線)、80回腕立て伏せをした直後の掌の吸収スペクトル(長破線)、及びその差スペクトル(破線)の測定例である。ヘモグロビンは700〜1000nmの波長領域に弱い吸収を持っており、そのスペクトル変化はヘモグロビンの酸化度を敏感に反映していることが知られている。差スペクトルに観察される760nm及び940nmのバンドは、デオキシヘモグロビンに帰属でき、腕立て伏せ後に相対量が増加していることを示している。   FIG. 9 shows the absorption spectrum (solid line) of a human palm at rest, measured using an ETT laser whose output is adjusted so that the signal intensity transmitted through the reference sample becomes flat as shown in FIG. It is a measurement example of the absorption spectrum (long broken line) of the palm immediately after pushing up and the difference spectrum (broken line). It is known that hemoglobin has weak absorption in the wavelength region of 700 to 1000 nm, and its spectral change sensitively reflects the degree of oxidation of hemoglobin. The 760 nm and 940 nm bands observed in the difference spectrum can be attributed to deoxyhemoglobin, indicating that the relative amount has increased after the push-up.

図10は、前記の散乱体参照試料によるETTレーザの出力調整を行わずに、検出器の感度特性のみを補償するように光出力特性を制御したETTレーザを光源として、ヒトの掌の吸収スペクトルを測定した例である。ETTレーザは、空気中を透過してきたETTレーザからのレーザ光を、ニュートラルデンシティフィルタで減光し、それを光電子増倍管で受けたとき、波長に対してフラットな検出出力が得られるようにRF電源を制御し、各波長に対するRF電源の制御パラメータをメモリに記録した。その後、ニュートラルデンシティフィルタを除き、前記メモリに記録された制御パラメータに従ってRF電源を制御して掌の吸収スペクトルを測定した。図10を図9と比較すると明らかなように、この場合には掌を流れる血液による光吸収は強い散乱に埋もれて観察することができなかった。   FIG. 10 shows an absorption spectrum of a human palm using an ETT laser whose light output characteristics are controlled so as to compensate only for the sensitivity characteristics of the detector without adjusting the output of the ETT laser using the scatterer reference sample. It is the example which measured. The ETT laser is designed so that when the laser light from the ETT laser that has passed through the air is attenuated by a neutral density filter and received by a photomultiplier tube, a detection output flat with respect to the wavelength can be obtained. The RF power source was controlled, and the control parameters of the RF power source for each wavelength were recorded in the memory. Thereafter, the neutral density filter was removed, and the RF power supply was controlled according to the control parameters recorded in the memory, and the absorption spectrum of the palm was measured. As is clear from comparison of FIG. 10 with FIG. 9, in this case, light absorption by blood flowing through the palm was buried in strong scattering and could not be observed.

測定スペクトルのS/Nを上げる方法として、検出信号の積算や低速な波長掃引が使われる。ETTレーザは発振波長領域の中心付近で出力安定性が高く、発振波長領域の端では出力安定性が低下する。ETTレーザの波長掃引速度は制御用コンピュータによって自由に制御することができるため、出力安定性が低い発振波長領域の両端では波長掃引速度を遅くすることによって、検出信号の積算と同様の効果を得ることができる。   As a method for increasing the S / N of the measurement spectrum, integration of detection signals and slow wavelength sweep are used. The ETT laser has high output stability near the center of the oscillation wavelength region, and the output stability decreases at the end of the oscillation wavelength region. Since the wavelength sweep speed of the ETT laser can be freely controlled by a control computer, the same effect as the detection signal integration can be obtained by slowing the wavelength sweep speed at both ends of the oscillation wavelength region where the output stability is low. be able to.

このような処理を行う場合、データ処理用のコンピュータ上でデータの積算回数を波長掃引の速度に応じて変化させる必要がある。例えば、990nm以上での波長掃引速度を1/2倍にする場合、990nm以上の各波長において、990nm未満の波長におけるデータ取り込み回数の2倍のデータ取り込み回数が得られる。これらのデータの平均を取ることによって、990nm以上での波長領域におけるデータのS/Nを21/2倍上げることができる。 When performing such processing, it is necessary to change the number of times of data integration on the computer for data processing in accordance with the wavelength sweep speed. For example, when the wavelength sweep speed at 990 nm or more is halved, at each wavelength of 990 nm or more, the number of data acquisition times twice the number of data acquisition at a wavelength less than 990 nm is obtained. By taking the average of these data, the S / N of the data in the wavelength region above 990 nm can be increased by 2 1/2 times.

試料の吸収スペクトル測定において、波長に応じて光強度が異なる光源を用いることで、測定されたスペクトルの形は光源の発光スペクトルの形に影響されたものとなる。しかし、必要な場合には、測定されたスペクトルからオリジナルなスペクトルを再構成することが可能である。目的成分を除いた試料(参照試料)の破壊測定が可能な場合は、光路長を短く取ったキュベットセルで参照スペクトルを測定し、実物の試料の光路長との比較から、数学的に目的成分を含んだ試料のスペクトルを再構成することができる。   In the measurement of the absorption spectrum of the sample, by using a light source having a different light intensity depending on the wavelength, the shape of the measured spectrum is influenced by the shape of the emission spectrum of the light source. However, if necessary, the original spectrum can be reconstructed from the measured spectrum. If the sample (reference sample) without the target component can be destructively measured, the reference spectrum is measured with a cuvette cell with a short optical path length, and the target component is mathematically compared with the optical path length of the actual sample. The spectrum of the sample containing can be reconstructed.

すなわち、測定したスペクトルを全て吸光度で示す場合、測定したスペクトルをA、参照試料のスペクトルをBとすると、試料全体の持つスペクトルCは次の〔数3〕で再構成できる。ただし、A=−log(a'/a")であり、a'は試料のエネルギースペクトル(波長対電圧)、a"は参照試料のエネルギースペクトルである。   That is, when all the measured spectra are shown as absorbance, assuming that the measured spectrum is A and the spectrum of the reference sample is B, the spectrum C of the entire sample can be reconstructed by the following [Equation 3]. Where A = −log (a ′ / a ″), a ′ is the energy spectrum of the sample (wavelength versus voltage), and a ″ is the energy spectrum of the reference sample.

〔数3〕
C=A+B
参照試料の破壊測定が不可能な場合には、ETTレーザの制御に用いた各発振波長に対するRF強度から各発振波長に対するレーザの発振出力を求め、測定した目的成分のスペクトルに重ね合わせることによって試料全ての吸収スペクトルを再構成することができる。この時は、まず、各波長における検出器の感度特性を考慮しながら、検出器への光入力に対する電圧出力の特性曲線を作る。次に、複屈折性音響光学素子に入力したRF強度から再構成したレーザ発振強度を前述の特性曲線に当てはめ、検出器のダイナミックレンジが無限大であると仮定したときの検出器から出力される電圧出力曲線(仮想のエネルギースペクトル)dを求める。試料全体の持つスペクトルは、次の〔数4〕で求められる。
[Equation 3]
C = A + B
When it is impossible to measure the destruction of the reference sample, the laser output for each oscillation wavelength is obtained from the RF intensity for each oscillation wavelength used for controlling the ETT laser, and the sample is superimposed on the measured spectrum of the target component. All absorption spectra can be reconstructed. At this time, first, a characteristic curve of the voltage output with respect to the optical input to the detector is created while considering the sensitivity characteristic of the detector at each wavelength. Next, the laser oscillation intensity reconstructed from the RF intensity input to the birefringent acoustooptic device is applied to the above-mentioned characteristic curve, and output from the detector assuming that the dynamic range of the detector is infinite. A voltage output curve (virtual energy spectrum) d is obtained. The spectrum of the entire sample is obtained by the following [Equation 4].

〔数4〕
C=−log(a'/d)
また、本発明によると、ETTレーザの発振波長範囲において、分光器とレーザを一元的に制御したラマン分光測定システムを構築することができる。ETTレーザの発振波長領域は最高で680〜1050nmに及ぶ。SHG結晶を用いると、345〜500nmの発振波長領域もカバーできる。そして、ETTレーザの発振波長と発振強度は、全発振波長領域にわたって制御用コンピュータによって制御することが可能である。この発振波長領域においてETTレーザを発振させる場合、波長による光軸の変化は生じない。したがって、制御用コンピュータによって分光器とレーザを一元的に制御することが可能である。
[Equation 4]
C = −log (a ′ / d)
Further, according to the present invention, it is possible to construct a Raman spectroscopic measurement system in which the spectroscope and the laser are controlled in an integrated manner within the oscillation wavelength range of the ETT laser. The maximum oscillation wavelength region of the ETT laser ranges from 680 to 1050 nm. When an SHG crystal is used, an oscillation wavelength region of 345 to 500 nm can be covered. The oscillation wavelength and oscillation intensity of the ETT laser can be controlled by the control computer over the entire oscillation wavelength region. When the ETT laser is oscillated in this oscillation wavelength region, the optical axis does not change with the wavelength. Therefore, the spectroscope and the laser can be controlled centrally by the control computer.

図11は、ラマン散乱スペクトルを測定できる本発明による分光測定装置の概略図である。この装置は、ETTレーザ40、ETTレーザ40の発振波長及び発振強度を制御するためのRF電源20及び制御用コンピュータ26を備えるレーザ制御装置150、分光器115、スペクトル測定用のマルチチャンネル検出器116、マルチチャンネル検出器の検出信号を処理する信号処理回路160、測定結果を表示するCRTなどの表示装置170を備える。制御用コンピュータ26は、ETTレーザ40と分光器115を同期して制御する。分光器115は、単色レーザ光41の照射によって試料Sから発生されたラマン散乱光42を分光する。   FIG. 11 is a schematic view of a spectrometer according to the present invention capable of measuring a Raman scattering spectrum. This apparatus includes an ETT laser 40, a laser controller 150 including an RF power source 20 for controlling the oscillation wavelength and oscillation intensity of the ETT laser 40, and a control computer 26, a spectrometer 115, and a multichannel detector 116 for spectrum measurement. A signal processing circuit 160 for processing the detection signal of the multi-channel detector, and a display device 170 such as a CRT for displaying the measurement result. The control computer 26 controls the ETT laser 40 and the spectroscope 115 in synchronization. The spectroscope 115 separates the Raman scattered light 42 generated from the sample S by the irradiation of the monochromatic laser light 41.

図11に示した分光測定装置を用いてラマン励起プロファイルを測定する場合、図12に示すように、共鳴効果が強い励起波長で、ラマン散乱の強度が検出限界を超えてしまう場合があり得る。これを防止するために、強い共鳴効果が予想される、吸収スペクトルで吸光度が大きくなる波長領域において、ETTレーザ40の光出力や波長掃引速度を変える。   When the Raman excitation profile is measured using the spectrometer shown in FIG. 11, the intensity of Raman scattering may exceed the detection limit at an excitation wavelength with a strong resonance effect, as shown in FIG. In order to prevent this, the light output of the ETT laser 40 and the wavelength sweep speed are changed in a wavelength region in which the absorption is large in the absorption spectrum where a strong resonance effect is expected.

図13にその例を示す。図12でラマンバンドaの強度が検出限界を超えてしまうような場合、例えば共鳴効果が大きくなる波長領域λ2〜λ3のETTレーザ40の励起光強度をその他の励起波長における励起光強度の1/2に調整する。励起波長領域λ1〜λ2に対する測定結果が得られたところで、波長領域λ2〜λ3におけるETTレーザ40の出力を1/2に低下させて測定を行う。さらに、波長領域λ3〜λ4においては、もとのレーザ出力に戻して測定を行う。その後、波長領域λ2〜λ3の部分のデータの値を2倍して、図13に破線で示したように、本来の励起プロファイルを再構成する。ETTレーザ40の光出力を波長に応じて変えるため、測定されたラマン散乱スペクトルの形は光源の発光スペクトルの形に影響されたものとなるが、このようにして、測定されたスペクトルからオリジナルなスペクトルを再構成することができる。 An example is shown in FIG. In the case where the intensity of the Raman band a exceeds the detection limit in FIG. 12, for example, the excitation light intensity of the ETT laser 40 in the wavelength region λ 2 to λ 3 where the resonance effect is large is represented by the excitation light intensity at other excitation wavelengths. Adjust to 1/2. When the measurement results for the excitation wavelength regions λ 1 to λ 2 are obtained, the measurement is performed by reducing the output of the ETT laser 40 in the wavelength regions λ 2 to λ 3 to ½. Further, in the wavelength region λ 3 to λ 4 , the measurement is performed by returning to the original laser output. Thereafter, the data value in the wavelength region λ 2 to λ 3 is doubled to reconstruct the original excitation profile as indicated by the broken line in FIG. Since the light output of the ETT laser 40 is changed according to the wavelength, the shape of the measured Raman scattering spectrum is influenced by the shape of the emission spectrum of the light source. The spectrum can be reconstructed.

同様に、共鳴効果が大きくなる波長領域λ2〜λ3においてETTレーザ40の波長掃引速度を例えば2倍にすることによっても同様の効果を得ることができる。波長掃引速度を2倍にするということは、各波長での積算時間を半分にするということであり、これは吸収が弱い波長領域の波長掃引速度を1/2にする(ゆっくりにする)ということと等価である。 Similarly, the same effect can be obtained by doubling the wavelength sweep speed of the ETT laser 40 in the wavelength region λ 2 to λ 3 where the resonance effect is large. To double the wavelength sweep rate means to halve the integration time at each wavelength, which means to halve (slow down) the wavelength sweep rate in the wavelength region where absorption is weak. Is equivalent to

各発振波長における発振強度を事前に定義しておけば、励起波長を変えたラマン散乱スペクトル測定、すなわちラマン励起プロファイルの測定の際に励起光41の強度をモニターする必要がない。ETTレーザ40は広い発振波長範囲にわたって連続的に発振でき、光軸のズレも生じないことから、他の条件を一定に保ったまま励起波長だけを変えたラマンスペクトルを測定することができる。   If the oscillation intensity at each oscillation wavelength is defined in advance, it is not necessary to monitor the intensity of the excitation light 41 when measuring a Raman scattering spectrum with different excitation wavelengths, that is, measuring a Raman excitation profile. Since the ETT laser 40 can oscillate continuously over a wide oscillation wavelength range and no optical axis shift occurs, a Raman spectrum in which only the excitation wavelength is changed can be measured while other conditions are kept constant.

また、ユーザの設定した波長間隔で励起波長を変えたラマンスペクトルを測定することによって、等間隔に励起波長を持つ一連のラマンスペクトルを測定することができる。図14は、図11に示した装置によって測定された等間隔のラマン励起プロファイルの模式図である。ラマン励起プロファイルは、種々の励起波長に対して測定されたラマン散乱スペクトルの集合である。ラマン励起プロファイルでは、励起波長変化に対する各ラマンバンドの強度変化や位相を調べることによって、目的分子の励起状態での構造変化等の情報を得ることができる。このとき、例えば700〜1000nmの波長範囲で5nm毎にレーザ発振波長を変え、各波長においてラマンスペクトルを測定して等間隔のラマン励起プロファイルを得ることで、解析結果を理解することが容易になる。   Further, by measuring a Raman spectrum in which the excitation wavelength is changed at a wavelength interval set by the user, a series of Raman spectra having excitation wavelengths at equal intervals can be measured. FIG. 14 is a schematic diagram of equidistant Raman excitation profiles measured by the apparatus shown in FIG. A Raman excitation profile is a collection of Raman scattering spectra measured for various excitation wavelengths. In the Raman excitation profile, information such as the structural change in the excited state of the target molecule can be obtained by examining the intensity change and phase of each Raman band with respect to the excitation wavelength change. At this time, for example, by changing the laser oscillation wavelength every 5 nm in the wavelength range of 700 to 1000 nm and measuring the Raman spectrum at each wavelength to obtain equidistant Raman excitation profiles, the analysis results can be easily understood. .

ここでは、本発明を吸収スペクトルの測定と、ラマン散乱スペクトルの測定を例にとって説明した。しかし、本発明は、これ以外にも蛍光や燐光などの発光スペクトルの測定にも同様に適用できる。   Here, the present invention has been described by taking the measurement of the absorption spectrum and the measurement of the Raman scattering spectrum as examples. However, the present invention can be similarly applied to measurement of emission spectra such as fluorescence and phosphorescence besides this.

本発明による分光測定方法の原理を説明する模式図。The schematic diagram explaining the principle of the spectrometry method by this invention. 複屈折性音響光学素子による波長選択作用を説明する概念図。The conceptual diagram explaining the wavelength selection effect | action by a birefringent acoustooptic device. 複屈折性音響光学素子中を伝播する常光線のkベクトルと、異常光線のkベクトルを表示した図。The figure which displayed k vector of the ordinary ray which propagates in the birefringent acoustooptic device, and k vector of the extraordinary ray. ETTレーザの一例の説明図。Explanatory drawing of an example of an ETT laser. ETTレーザをパルスレーザで励起したときの、励起レーザ光のエネルギーと出射レーザ光のエネルギーの入出力特性を示す図。The figure which shows the input-output characteristic of the energy of an excitation laser beam, and the energy of an emitted laser beam when an ETT laser is excited with a pulse laser. 図4に示したETTレーザの波長可変特性を示す図。The figure which shows the wavelength variable characteristic of the ETT laser shown in FIG. 本発明による分光測定装置の一例を説明する概略図。Schematic explaining an example of a spectrometer according to the present invention. インターリピッド水中分散液の吸収と光電子増倍管の感度特性を補償するように出力を調整したETTレーザの発振スペクトルを示す図。The figure which shows the oscillation spectrum of the ETT laser which adjusted the output so that the absorption characteristic of the dispersion liquid in interlipid and the sensitivity characteristic of a photomultiplier tube may be compensated. 掌の吸収スペクトル測定例を示す図。The figure which shows the example of a palm absorption spectrum measurement. 検出器感度の波長依存性のみ補正してフラットな光出力特性を持たせたETTレーザを光源として用いた掌の吸収スペクトル測定例を示す図。The figure which shows the example of a palm absorption spectrum measurement using the ETT laser which correct | amended only the wavelength dependence of detector sensitivity and gave the flat optical output characteristic as a light source. 本発明による分光測定装置の他の例を示す概略図。Schematic which shows the other example of the spectrometry apparatus by this invention. 等間隔のラマン励起プロファイルの説明図。Explanatory drawing of the Raman excitation profile of equal intervals. ラマン励起プロファイルの測定において、共鳴効果が強い励起波長領域のETTレーザ出力を低下させる方法の説明図。Explanatory drawing of the method to reduce the ETT laser output of the excitation wavelength area | region with a strong resonance effect in the measurement of a Raman excitation profile. 等間隔のラマン励起プロファイルの模式図。Schematic diagram of equally spaced Raman excitation profiles. 従来のスペクトル測定の問題点を説明する模式図。The schematic diagram explaining the problem of the conventional spectrum measurement.

符号の説明Explanation of symbols

14…レーザ媒質、20…RF電源、22…圧電素子、24…励起レーザ光、26…制御用コンピュータ、28…プリズム、32…励起レーザ、40…ETTレーザ、41…単色レーザ光、42…ラマン散乱光、43…光電子増倍管、100…複屈折性音響光学素子、102…入射光、104…音響波、106…回折光、110…全反射ミラー、112…出射側ミラー、115…分光器、116…マルチチャンネル検出器、150…レーザ制御装置、160…信号処理回路、170…表示装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 ... Laser medium, 20 ... RF power supply, 22 ... Piezoelectric element, 24 ... Excitation laser beam, 26 ... Control computer, 28 ... Prism, 32 ... Excitation laser, 40 ... ETT laser, 41 ... Monochromatic laser beam, 42 ... Raman Scattered light, 43 ... photomultiplier tube, 100 ... birefringent acoustooptic device, 102 ... incident light, 104 ... acoustic wave, 106 ... diffracted light, 110 ... total reflection mirror, 112 ... emission side mirror, 115 ... spectrometer 116: Multi-channel detector, 150: Laser control device, 160: Signal processing circuit, 170: Display device

Claims (12)

波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定方法において、
目的成分の吸収以外の原因による試料中でのレーザ光の減衰及び検出器の分光感度特性を補償するように前記波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする分光測定方法。
In a spectroscopic measurement method for measuring a spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by wavelength sweeping of a wavelength tunable laser,
A spectroscopic measurement method comprising controlling the oscillation light output of the tunable laser so as to compensate for attenuation of laser light in a sample due to causes other than absorption of a target component and spectral sensitivity characteristics of a detector.
請求項1記載の分光測定方法において、参照試料の参照スペクトルを測定し、測定されたスペクトルがほぼフラットになるように前記波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする分光測定方法。   2. The spectroscopic measurement method according to claim 1, wherein the reference spectrum of the reference sample is measured, and the oscillation light output of the wavelength tunable laser is controlled so that the measured spectrum becomes substantially flat. 波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定方法において、
試料による吸収の大きな波長領域ではレーザ光出力が大きくなるように前記波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする分光測定方法。
In a spectroscopic measurement method for measuring a spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by wavelength sweeping of a wavelength tunable laser,
A spectroscopic measurement method comprising controlling the oscillation light output of the wavelength tunable laser so that the laser light output is increased in a wavelength region where absorption by a sample is large.
請求項1〜3のいずれか1項記載の分光測定方法において、波長領域に応じて波長掃引速度を異ならせたことを特徴とする分光測定方法。   The spectroscopic measurement method according to any one of claims 1 to 3, wherein the wavelength sweep speed is varied according to the wavelength region. 請求項1〜4のいずれか1項記載の分光測定方法において、試料の吸収スペクトルを測定することを特徴とする分光測定方法。   The spectroscopic measurement method according to claim 1, wherein an absorption spectrum of the sample is measured. 波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射し、試料からの散乱光を分光して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定方法において、
目的成分の吸収によるラマン散乱光の増加を補償するように前記波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする分光測定方法。
In a spectroscopic measurement method for measuring a Raman scattering spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of a wavelength tunable laser, and dispersing the scattered light from the sample,
A spectroscopic measurement method comprising controlling an oscillation light output of the wavelength tunable laser so as to compensate for an increase in Raman scattered light due to absorption of a target component.
波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射し、試料からの散乱光を分光して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定方法において、
目的成分の吸収が少ない波長範囲では、ラマン散乱光の減少によるS/Nの低下を防止するために、波長掃引速度を遅くすることを特徴とする分光測定方法。
In a spectroscopic measurement method for measuring a Raman scattering spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of a wavelength tunable laser, and dispersing the scattered light from the sample,
A spectral measurement method characterized by slowing the wavelength sweep rate in order to prevent a decrease in S / N due to a decrease in Raman scattered light in a wavelength range where absorption of a target component is small.
請求項6又は7記載の分光測定方法において、予め設定した波長毎に前記波長可変レーザを発振させ、このレーザ光を励起光としてラマン散乱スペクトルを順次測定することを特徴とする分光測定方法。   8. The spectroscopic measurement method according to claim 6, wherein the wavelength tunable laser is oscillated for each preset wavelength, and a Raman scattering spectrum is sequentially measured using the laser light as excitation light. 前記波長可変レーザとして、レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザを用いることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の分光測定方法。   A laser medium capable of lasing in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are disposed in the laser resonator as the wavelength tunable laser, and a predetermined beam component diffracted by the birefringent acoustooptic element is arranged. 9. A wavelength tunable laser comprising a laser resonator on an optical axis and performing wavelength selection by selecting a frequency of an acoustic wave excited in the birefringent acoustooptic device. The spectroscopic measurement method according to any one of the above. レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザと、前記複屈折性音響光学素子に励起する音響波の周波数及び強度を制御するレーザ制御装置と、光検出器とを備え、前記波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のスペクトル測定を行う分光測定装置において、
前記レーザ制御装置は、目的成分の吸収以外の原因による試料中でのレーザ光の減衰及び前記光検出器の分光感度特性を補償するように前記波長可変レーザの発振強度を制御することを特徴とする分光測定装置。
A laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and laser resonance is performed on a predetermined optical axis of a light beam component diffracted by the birefringent acoustooptic element. A tunable laser that selects a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device, and a frequency and intensity of the acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device In a spectroscopic measurement device that measures a spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by wavelength sweeping the wavelength tunable laser, and a laser control device that controls
The laser control device controls the oscillation intensity of the wavelength tunable laser so as to compensate for attenuation of laser light in a sample due to causes other than absorption of a target component and spectral sensitivity characteristics of the photodetector. Spectral measurement device.
請求項10記載の分光測定装置において、試料の吸収スペクトルを測定することを特徴とする分光測定装置。   11. The spectrometer according to claim 10, wherein an absorption spectrum of the sample is measured. レーザ共振器内に所定の波長領域でレーザ発振可能なレーザ媒質と複屈折性音響光学素子とを配置し、前記複屈折性音響光学素子により回折される光線成分の所定の光軸上にレーザ共振器を構成し、前記複屈折性音響光学素子中に励起する音響波の周波数を選択することにより波長選択を行う波長可変レーザと、前記複屈折性音響光学素子に励起する音響波の周波数及び強度を制御するレーザ制御装置と、分光器と、光検出器とを備え、前記波長可変レーザを波長掃引して得られるレーザ光を試料に照射して試料のラマン散乱スペクトル測定を行う分光測定装置において、
目的成分の吸収によるラマン散乱光の増加を補償するように前記波長可変レーザの発振光出力を制御することを特徴とする分光測定装置。
A laser medium capable of laser oscillation in a predetermined wavelength region and a birefringent acoustooptic element are arranged in a laser resonator, and laser resonance is performed on a predetermined optical axis of a light beam component diffracted by the birefringent acoustooptic element. A tunable laser that selects a wavelength by selecting a frequency of an acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device, and a frequency and intensity of the acoustic wave to be excited in the birefringent acoustooptic device In a spectroscopic measurement apparatus that measures a Raman scattering spectrum of a sample by irradiating the sample with laser light obtained by sweeping the wavelength of the wavelength tunable laser, a laser control device that controls the light, a spectroscope, and a photodetector ,
An apparatus for spectroscopic measurement, comprising controlling the oscillation light output of the wavelength tunable laser so as to compensate for an increase in Raman scattered light due to absorption of a target component.
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