[发明专利]泵浦探针测量装置以及使用它的扫描探针显微镜装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于计测并分析超高速物理现象的泵浦探针测量装置以及利用了该测量装置的扫描探针显微镜装置，特别涉及一种使用了脉冲拾取器的矩形波延迟时间调制的泵浦探针测量装置以及利用了该测量装置的扫描探针显微镜装置。 

背景技术

以往，为了对皮秒(ps)、飞秒(fs)这种极短时间区域的现象进行测量，作为几乎唯一的方法，已知有使用了极短脉冲激光的泵浦探针法。这种泵浦探针法具有各种实现方式，但是在任一种情况下都将从泵浦光激励试样之后到探针光检测出试样的状态为止的时刻之差作为延迟时间，将通过探针光得到的信号作为延迟时间的函数来进行测量，由此以飞秒区域的高时间分辨率来测量试样对光激励的超高速应答。 

然而，通常通过这种测量方法得到的信号强度微弱，因此为了从噪声中拾取期望的信号，需要进行调制测量。在此，作为调制测量，最通常的方法是调制泵浦光强度的方法，在对探针光的反射率进行时间分解测量这种研究中留下了许多成果。 

另外，根据测量环境不同，对高亮度的泵浦光的强度进行调制而试样温度反复上升和下降，有时这种温度变化会给测量带来不良影响。特别是，在想要通过组合泵浦探针法和扫描探针显微镜来构成在时间以及空间两个区域内具有极限分辨率的所谓时间分解型的扫描探针显微镜装置的一系列研究中，这一点成为问题。 

与此相对，作为不对光强度进行调制的方法，已知有延迟 时间调制方式。在以往型的延迟时间调制方式中，通过物理上移动放置在泵浦光的光路途中的镜的位置来变更光路长度从而调节与探针光之间的延迟时间。因此，在延迟时间调制方式中，由于用于物理上移动镜的驱动机构的限制而镜位置的移动受到限制，延迟时间的设定范围例如被限制为1纳秒以下，并且延迟时间的变动幅度例如被限制在100皮秒以下。并且，无法进行大振幅的高频的调制，例如被限制在20Hz以下。因而，例如难以对具有数百皮秒以上的缓和时间的现象进行测量。并且，镜位置的机械移动给光学台带来振动，由于光轴偏离等而导致测量精确度下降。 

特别是，在该延迟时间调制方式中，信号强度与调制振幅成比例，因此为了测量微小并且缓慢的缓和过程，需要增大调制振幅。 

然而，调制振幅的增大除了导致由调制频率下降而引起的噪声振幅增大以外，由于输出信号为整个调制振幅区间的平均值，因此导致时间分辨率下降。并且，在该延迟时间调制方式中，基本上是测量微分信号，因此不知道信号的绝对值，具有难以进行物理解释的倾向。 

另一方面，有效利用不会引起试样、测量系温度的上升、下降这种优点，开发出该以往型的组合了延迟时间调制方式和扫描探针显微镜的延迟时间调制型的扫描探针显微镜，留下了许多成果。 

另外，作为最近设计出来的新的延迟时间调制方法，设计出了以下方法：以仅具有微小量差别的重复频率来使两个激光振荡器准确地振荡，将各自的激光作为泵浦光、探针光而使用。此时，以与重复频率的差分相当的频率从零到重复周期高速地扫描延迟时间，和与上述重复频率的差分相当的频率同步地记 录探针信号并进行平均，由此即使不进行机械上的镜位置的变更也能够容易地测量到较大的延迟时间区域，并且能够测量信号的绝对值。并且，在该方法中，还能够增大调制频率，因此相比优于上述的各种方法。 

非专利文献1：A.Bartels，Appl.Phys.Lett.88，041117(2006) 

发明内容

发明要解决的问题

然而，为了有效利用该新的延迟时间调制方式的优点，需要频带较宽的探针信号检测器。在探针信号检测器的频带较窄的情况下，需要极大地降低两个激光的重复频率的差即调制频率，从而导致噪声强度的增大。另外，在该新的延迟时间调制方式中，必须要两台高价的激光振荡器，并且需要使这两台激光振荡器互相同步地进行振荡，因此导致装置整体的价格变得非常高。 

这样，需要更廉价的、具有较广测量区域以及较高检测灵敏度并且具备了对包括与扫描探针显微镜之间的协作在内的特殊测量环境的适应能力的泵浦探针测量装置。 

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于计测并分析超高速物理现象的泵浦探针测量装置以及使用了该测量装置的时间分解型的扫描探针显微镜装置，上述泵浦探针测量装置为如下装置：在使用了脉冲激光的包含飞秒区域的时间分解测量中，不对照射光强度进行调制、即不会受到热影响而能够在从缓和时间较短的现象到较长的现象的较广测量范围的整个范围内高精确度地稳定地计测微弱信号。