JPH05158084A - 線形及び非線形光学感受率測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の屈折率、膜厚、ＳＨＧあるいはＴＨＧ
の光強度分布を測定し、線形及び非線形光学感受率を測
定する。 【構成】 試料３に光を当てる光照射手段２と、グレー
ティングカプラー５と結合した試料３に当たって反射し
た光を測定するイメージセンサ６と、試料３を通過した
光の強度を測定する光強度検出センサ７と、イメージセ
ンサ６および光強度検出センサ７の出力から、屈折率、
膜厚、ＳＨＧあるいはＴＨＧの光強度分布を測定すると
ともに、光照射手段２の光出力強度を用いて、線形及び
非線形光学感受率を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料の線形及び非線形
光学感受率を測定する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学における最初の実験は、フラ
ンケンらによって行われたルビーレーザーの第２高調波
光に関する実験であった。その後、材料の２次、３次の
非線形光学感受率を定量化するための方法が、クルツ、
カジャールらによってそれぞれ提案された。そして、こ
れまで、クルツやカジャールの提案した測定方法によっ
て、非線形光学材料の高調波光強度の入射角依存性だけ
を測定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】非線形光学材料の感受
率を測定するためには、入射光強度の他に、単結晶、フ
ィルム又は薄膜試料の膜厚、基本波による試料の屈折
率、高調波による試料の屈折率を知る必要がある。しか
るに、従来では、高調波光強度以外の、フィルム及び薄
膜試料の膜厚、基本波による試料の屈折率、高調波によ
る試料の屈折率を精度よく測定する手法として、干渉式
膜厚測定器、エリプソメトリーによる測定方法、アッベ
屈折計による屈折率測定方法、プルズムカプラーを用い
たモード・ライン法による屈折率測定方法しか無かっ
た。

【０００４】なお、干渉式膜厚測定器は、屈折率を仮定
しなければならないので、正確な膜厚を算出することが
できない。エリプソメトリーによる測定方法は、入射光
に対して測定不可能な膜厚領域が周期的に存在し、膜厚
の増加に伴い測定精度が悪くなる問題点を有していた。
アッベ屈折計による屈折率測定は、屈折率が１．７８以
上の試料についての測定が困難であるとともに、測定波
長を自由に選べないという問題点を有していた。モード
・ライン法による屈折率測定は、光導波路として用いら
れ、サブミクロンから数ミクロン程度の薄膜試料では、
屈折率と膜厚とを同時に精度よく測定できる。しかる
に、従来の装置では、試料基板と光検知部を連動させて
数十度回転させなければならないので、屈折率を測定す
るのに時間を要するうえ、試料に光を導くプリズムを用
いるため、プリズムと試料とのカップリングが難しく、
測定結果の再現性がない。また、測定自体が困難で、高
価なプリズム及び試料自身を破損することが多いなどの
問題点を有していた。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は、無機、有機物を問わず、結晶、フ
ィルム、薄膜試料の屈折率、膜厚、入射光強度を測定
し、試料の非線形光学感受率を容易に測定できる線形及
び非線形光学感受率測定装置の提供にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の線形及び非線形
光学感受率測定装置は、単結晶又は光導波用のグレーテ
ィングカプラーと接して配置されたフィルム又は薄膜状
の試料、あるいは前記グレーティングカプラーの配され
ていないフィルム又は薄膜状試料に、光を当てる光照射
手段と、前記グレーティングカプラーと接した試料に光
を当て、前記グレーティングカプラーによって一度試料
中で導波され、再び前記グレーティングカプラーの外部
へ放射された光又はブリュスターアングルを検出するリ
ニアイメージセンサと、前記グレーティングカプラーの
配されていない試料に光を当て、入射光によって励起さ
れた試料からのセカンドハーモニックゼネレーション、
あるいはサードハーモニックゼネレーションの光強度分
布を検出する光強度検出センサと、前記イメージセンサ
の検出結果から、試料の屈折率を算出する屈折率算出手
段、フィルム又は薄膜試料の膜厚を測定する膜厚算出手
段を備えるとともに、試料の屈折率、膜厚、セカンドハ
ーモニックゼネレーションあるいはサードハーモニック
ゼネレーションの光強度分布、及び前記光照射手段の高
調波光出力強度から、試料の非線形光学感受率を算出す
る非線形光学感受率算出手段を備える信号処理装置とを
具備する技術的手段を採用した。

【０００７】

【発明の作用】光照射手段によってグレーティングカプ
ラーの配された膜状試料に光を当てる。グレーティング
カプラーで導波された光は、リニアイメージセンサによ
って検出され、信号処理装置の屈折率算出手段で試料の
屈折率を算出するとともに、信号処理装置の膜厚算出手
段によって試料の膜厚を算出する。また、非線形光学感
受率の得ようとする次数に応じて、次数の異なった波長
の光及び基本波光をグレーティングカプラーの配された
試料に当て、グレーティングカプラーで導波された光を
リニアイメージセンサによって検出し、信号処理装置の
屈折率算出手段で試料の屈折率を算出する。試料の厚み
がわかっているパルク単結晶の場合はブリュスターアン
グルをリニアイメージセンサによって検出し、信号処理
装置の屈折率算出手段で試料の屈折率を算出する。

【０００８】光照射手段によってグレーティングカプラ
ーの配されていない試料に光を当てる。試料を透過した
ＳＨＧあるいはＴＨＧの光強度分布は、光強度検出セン
サによって検出される。

【０００９】そして、信号処理装置の非線形光学感受率
算出手段は、上記で得られた試料の屈折率、膜厚、ＳＨ
ＧあるいはＴＨＧの光強度分布、及び光照射手段の光出
力強度から、試料の非線形光学感受率を算出する。

【００１０】

【発明の効果】本発明の線形及び非線形光学感受率測定
装置は、上記の作用で示したように、試料の屈折率、膜
厚、ＳＨＧあるいはＴＨＧの光強度分布、及び光照射手
段の光出力強度から、試料の非線形光学感受率を測定す
ることができる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の線形及び非線形光学感受率測
定装置を、図に示す一実施例に基づき説明する。

【００１２】〔実施例の構成〕図１ないし図４は本発明
の実施例を示すもので、図１及び図２は線形及び非線形
光学感受率測定装置の概略構成図である。線形及び非線
形光学感受率測定装置１は、光照射手段２、試料３を支
持し、その配向を自動的に行うステージ４、グレーティ
ングカプラー５と接する膜状試料３によって導波された
光を検出するリニアイメージセンサ６、あるいは単結晶
のブリュスターアングルを検出するリニアイメージセン
サ６、グレーティングカプラー５の配されていない試料
３を透過したＳＨＧ又はＴＨＧの光強度分布を検出する
光強度検出センサ７、電気回路ボックス８、及び光照射
手段２によって放射された光を試料３に導くポラライザ
ー９、試料３を透過した光を光強度検出センサ７に導く
アナライザー１０からなる。

【００１３】光照射手段２は、Ｈｅ−Ｎｅレーザー及び
Ｎｄ：ＹＡＧレーザーを放射するもので、光放射部分に
倍波結晶を装着することで、光照射手段２の発する光の
波長を１／２にする。なお、本実施例に示すレーザー
は、一例であって、他の光源を用いても良いことは言う
までも無い。

【００１４】ポラライザー９は、光照射手段２の発した
光を試料３に導くもので、本実施例では２枚のミラー１
１、１２、紫外線可視光カットフィルター１３、１／２
波長板１４、偏光板１５、レンズ１６からなる。

【００１５】アナライザー１０は、試料３を通過した光
を光強度検出センサ７に導くもので、本実施例では、レ
ンズ１７、ＳＨＧあるいはＴＨＧのみを透過させる２枚
のフィルター１８、１９、偏光板２０、フォーカシング
レンズ２１からなる。

【００１６】ステージ４は、図３の概略図に示すよう
に、試料３を搭載し、搭載した試料３を試料３の平面方
向へ傾ける第１ゴニオステージ２２と、この第１ゴニオ
ステージ２２を支持し、第１ゴニオステージ２２を試料
３の平面方向と直行する方向へ傾ける第２ゴニオステー
ジ２３と、この第２ゴニオステージ２３を支持し、第２
ゴニオステージ２３を回転する回転ステージ２４とから
なる。また、回転ステージ２４には、第２ゴニオステー
ジ２３及び第１ゴニオステージ２２を介して搭載される
サンプルをスライドするスライド部２５が設けられてい
る。このスライド部２５は、ポラライザー９を経て導か
れた光をグレーティングカプラー５の配された試料に当
てる、あるいはグレーティングカプラー５の配されてい
ない試料へ当てるためのものである。なお、第１ゴニオ
ステージ２２、第２ゴニオステージ２３、回転ステージ
２４、及びスライド部２５には、それぞれ電動モータ等
の電動アクチュエータ（図示しない）が設けられてお
り、それぞれ電気回路ボックス８によって制御される。

【００１７】なお、試料３は、図４に示すように、２枚
の透明基板２６、２７の間に保持された１μｍ〜３μｍ
ほどのフィルム状のもので、一方の基板の一部に深さ
０．５μｍ程の溝が多数形成されたグレーティングカプ
ラー５を有するもの、あるいは単結晶である。なお、光
が入射する側の透明基板２６は、他の透明基板２７より
も屈折率が小さく設けられている。また、試料は２枚の
透明基板２６、２７の間に充填しても良く、また試料が
グレーティングカプラー５とカップリングできるもので
あれば、一方の基板を無くしても良い。グレーティング
カプラー５は、複数の溝を有するものでなくとも、導波
光を得る物であれば他の物でも良い。

【００１８】リニアイメージセンサ６は、試料３に導波
された光あるいは試料３に当たって反射した光を直線的
に解析するべく、ＣＣＤなどのモニター手段が用いられ
ている。そして、このリニアイメージセンサ６の出力
は、電気回路ボックス８に出力される。

【００１９】光強度検出センサ７は、試料３を通過した
光の強度を検出するので、フォトマルチセンサや、光電
管、フォトダイオードなど、光の強度を検出可能な素子
が用いられている。そして、この光強度検出センサ７の
出力は、電気回路ボックス８に出力される。

【００２０】電気回路ボックス８は、インターフェイス
８ａ、信号処理装置８ｂ、使用者に結果をディスプレイ
や印字によって表示する表示手段８ｃ、駆動制御装置８
ｄからなる。なお、信号処理装置８ｂは、倍波結晶２８
の有無によるリニアイメージセンサ６の出力や光強度検
出センサ７の出力から、試料３の屈折率、膜厚、及び非
線形光学感受率を算出する屈折率算出手段２９、膜厚算
出手段３０、非線形光学感受率算出手段３２を備える。
また、駆動制御装置８ｄは、ステージ４の第１ゴニオス
テージ２２、第２ゴニオステージ２３、回転ステージ２
４、及びスライド部２５の電動アクチュエータを駆動制
御するものである。

【００２１】〔実施例の作動〕次に、上記実施例の作動
を簡単に説明する。まず、透明基板２６、２７に挟まれ
た膜状試料３あるいは単結晶試料３のみステージ４にセ
ットする。試料が単結晶の場合、光照射手段２から、光
を試料３に照射する。そして、試料３の後方に置かれた
アナライザー１０を透過した光の強度を光強度検出セン
サ７によって検出する。この時、第１ゴニオステージ２
２を左右に傾け、透過光強度が最も弱くなる位置に試料
３を配向させる。

【００２２】次に、試料３を９０°回転させ、光照射手
段２から、ガイド光を試料３に照射する。そして、試料
３の後方に置かれたアナライザー１０を透過した光の強
度を光強度検出センサ７によって検出する。この時、第
２ゴニオステージ２３を左右に傾け、再び透過光強度が
最も弱くなる位置に試料３を配向させる。

【００２３】この結果、単結晶試料３の誘電主軸は、入
射光の偏光方向に対して平行となる。つまり、試料３の
誘電主軸が見出されたことになる。このように、誘電主
軸が結晶成長面内に有る場合は、自動的に誘電主軸を見
出すことができる。なお、誘電主軸が結晶成長面内に無
い場合は、誘電主軸に対して入射光軸が垂直になるよう
に試料３を加工して第１ゴニオステージ２２にセット
し、透過光強度の極小値を測定して誘電主軸を決定する
ことができる。次に、単結晶及び膜状試料からの反射光
をリニアイメージセンサで検出し、光軸に対して重要な
面がでるようステージを回転させる。

【００２４】次に、試料が膜状で透明基板２６、２７に
はさまれている場合は、試料３からの導波光がリニアイ
メージセンサ６に当たるように試料面を回転させる。

【００２５】光照射手段２の光をグレーティングカプラ
ー５の配された試料３に照射する（図１参照）。そし
て、グレーティングカプラー５で導波した光のモードラ
インをリニアイメージセンサ６を用いて測定する。そし
て、信号処理装置８ｂは、リニアイメージセンサ６で得
られたモードラインから、屈折率算出手段２９及び膜厚
算出手段３０によって屈折率と膜厚とを算出する。次い
で、光照射手段２の光出力部分に倍波結晶２８を配し、
１／２あるいは１／３波長の光を再びグレーティングカ
プラー５の配された試料３に照射する。そして、グレー
ティングカプラー５で導波した光によって生じたモード
ラインをリニアイメージセンサ６を用いて測定し、信号
処理装置８ｂの屈折率算出手段２９によって、１／２あ
るいは１／３波長の時の屈折率を算出する。試料３の厚
さが既知である単結晶の場合は、まず１／２偏向板１４
によってＰ変更された光照射手段２の光を試料３に照射
する。そして、ステージ２４を回転させ、試料表面から
の反射光がなくなる回転角（ブリュスターアングル）を
リニアイメージセンサ６を用いて測定する。そして、信
号処理装置８ｂは、リニアイメージセンサ６で得られた
ブリュスターアングルから、屈折率算出手段２９によっ
て屈折率を算出する。次いで、光照射手段２の光出力部
分に倍波結晶２８を配し、１／２あるいは１／３波長の
光を再び試料３に照射する。そして、ブリュスターアン
グルをリニアイメージセンサ６を用いて測定し、信号処
理装置８ｂの屈折率算出手段２９によって１／２あるい
は１／3波長の時の屈折率を算出する。

【００２６】次に、試料が膜状物質の場合、光の照射位
置がグレーティングカプラー５の配されていない部分と
なるように、試料３をスライドする（図２参照）。試料
３がグレーティングと接していない単結晶の場合は、こ
の操作は行わない。そして、光照射手段２の光を、グレ
ーティングカプラー５の配されていない膜状試料あるい
は単結晶試料３に照射する。そして、試料３に入射した
光によって励起された試料からのＳＨＧ又はＴＨＧの光
強度分布を光強度検出センサ７によって測定する。

【００２７】そして、信号処理装置８ｂの非線形光学感
受率算出手段３２は、上記によって得られた各データ
（屈折率、膜厚、１／２又は１／３波長時の屈折率、Ｓ
ＨＧ又はＴＨＧの光強度分布）及び光照射手段２の光出
力強度から非線形光学感受率を算出する。なお、非線形
光学感受率算出手段３２は、計算によって得られた実験
値フリンジと、理論フリンジとを比較し、理論フリンジ
に最も近い実験値を非線形光学感受率とする演算機能を
有している。そして、信号処理装置８ｂで算出された屈
折率、１／２又は１／３波長時の屈折率、膜厚、非線形
光学感受率や、ＳＨＧ又はＴＨＧの光強度分布、光照射
手段２の光出力強度は、表示手段８ｃによって使用者に
表示される。

【００２８】〔実施例の効果〕本実施例の線形及び非線
形光学感受率測定装置１は、試料３を第１ゴニオステー
ジ２２に置き、装置を起動させるのみで、試料３を破壊
すること無く、再現性も容易で、試料３の屈折率、膜
厚、ＳＨＧ又はＴＨＧの光強度分布、非線形光学感受率
などが、自動的に測定できる。つまり、各値が容易に得
られるため、従来知られている光学材料よりもさらに優
れた材料の発見が容易に行われるであろう。また、材料
の非線形感受率、屈折率などは、各デバイスを設計する
ためにも必要不可欠なパラメータであり、本発明の線形
及び非線形光学感受率測定装置１を用いることにより、
今後のオプトエレクトロニクス技術を発展させるために
も、その実用的な効果は大きなものとなる。

【００２９】

【変形例】上記の実施例では、試料３を回転させたが、
試料３を固定して光照射手段２やリニアイメージセンサ
６、光強度検出センサ７など他の光学系を回転させても
良い。

【００３０】また、図５に示すように、光を多分割して
試料３の異なった位置に照射し、試料３から発生したＳ
ＨＧあるいはＴＨＧを同時測定し、１つの試料３におけ
る複数の高調波光強度分布を測定したり、あるいは複数
の材料の高調波光強度を１度に測定するように設けても
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】線形及び非線形光学感受率測定装置の概略図で
ある。

【図２】線形及び非線形光学感受率測定装置の概略図で
ある。

【図３】ステージの概略斜視図である。

【図４】２枚の透明基板で挟まれた試料の部分断面図で
ある。

【図５】他の変形例を示す非線形光学感受率測定装置の
概略図である。

【符号の説明】

１ 線形及び非線形光学感受率測定装置 ２ 光照射手段 ３ 試料 ６ リニアイメージセンサ ７ 光強度検出センサ ８ｂ 信号処理装置 29 屈折率算出手段 30 膜厚算出手段 32 非線形光学感受率算出手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 (a) 単結晶又は光導波用のグレーティン
   グカプラーと接して配置されたフィルム又は薄膜状の試
   料、あるいは前記グレーティングカプラーの配されてい
   ないフィルム又は薄膜状試料に、光を当てる光照射手段
   と、 (b) 前記グレーティングカプラーと接した試料に光を当
   て、前記グレーティングカプラーによって一度試料中で
   導波され、再び前記グレーティングカプラーの外部へ放
   射された光又はブリュスターアングルを検出するリニア
   イメージセンサと、 (c) 前記グレーティングカプラーの配されていない試料
   に光を当て、入射光によって励起された試料からのセカ
   ンドハーモニックゼネレーション、あるいはサードハー
   モニックゼネレーションの光強度分布を検出する光強度
   検出センサと、 (d) 前記イメージセンサの検出結果から、試料の屈折率
   を算出する屈折率算出手段、フィルム又は薄膜試料の膜
   厚を測定する膜厚算出手段を備えるとともに、試料の屈
   折率、膜厚、セカンドハーモニックゼネレーションある
   いはサードハーモニックゼネレーションの光強度分布、
   及び前記光照射手段の高調波光出力強度から、試料の非
   線形光学感受率を算出する非線形光学感受率算出手段を
   備える信号処理装置とを具備する線形及び非線形光学感
   受率測定装置。