專利名稱：泵浦探針測量裝置以及使用它的掃描探針顯微鏡裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于計測并分析超高速物理現(xiàn)象的泵浦 探針測量裝置以及利用了該測量裝置的掃描探針顯微鏡裝置， 特別涉及 一 種使用了脈沖拾取器的矩形波延遲時間調制的泵浦 探針測量裝置以及利用了該測量裝置的掃描探針顯微鏡裝置。
背景技術：
以往，為了對皮秒(ps)、飛秒(fs)這種^f及短時間區(qū)域的現(xiàn)象
進行測量，作為幾乎唯一的方法，已知有使用了極短脈沖激光 的泵浦探針法。這種泵浦探針法具有各種實現(xiàn)方式，但是在任 一種情況下都將從泵浦光激勵試樣之后到探針光檢測出試樣的 狀態(tài)為止的時刻之差作為延遲時間，將通過探針光得到的信號 作為延遲時間的函數(shù)來進行測量，由此以飛秒?yún)^(qū)域的高時間分 辨率來測量試樣對光激勵的超高速應答。
然而，通常通過這種測量方法得到的信號強度微弱，因此 為了從噪聲中拾取期望的信號，需要進行調制測量。在此，作 為調制測量，最通常的方法是調制泵浦光強度的方法，在對探 針光的反射率進行時間分解測量這種研究中留下了許多成果。
另外，根據(jù)測量環(huán)境不同，對高亮度的泵浦光的強度進行 調制而試樣溫度反復上升和下降，有時這種溫度變化會給測量 帶來不良影響。特別是，在想要通過組合泵浦探針法和掃描探 針顯微鏡來構成在時間以及空間兩個區(qū)域內具有極限分辨率的 所謂時間分解型的掃描探針顯微鏡裝置的 一 系列研究中，這一 點成為問題。
與此相對，作為不對光強度進行調制的方法，已知有延遲時間調制方式。在以往型的延遲時間調制方式中，通過物理上 移動放置在泵浦光的光路途中的鏡的位置來變更光路長度從而 調節(jié)與探針光之間的延遲時間。因此，在延遲時間調制方式中，
由于用于物理上移動鏡的驅動機構的限制而鏡位置的移動受到 限制，延遲時間的設定范圍例如被限制為l納秒以下，并且延遲
時間的變動幅度例如被限制在100皮秒以下。并且，無法進行大 振幅的高頻的調制，例如被限制在20Hz以下。因而，例如難以 對具有數(shù)百皮秒以上的緩和時間的現(xiàn)象進行測量。并且，鏡位 置的機械移動給光學臺帶來振動，由于光軸偏離等而導致測量
精確度下降。
特別是，在該延遲時間調制方式中，信號強度與調制振幅 成比例，因此為了測量微小并且緩慢的緩和過程，需要增大調 制振幅。
然而，調制振幅的增大除了導致由調制頻率下降而引起的 噪聲振幅增大以外，由于輸出信號為整個調制振幅區(qū)間的平均 值，因此導致時間分辨率下降。并且，在該延遲時間調制方式 中，基本上是測量微分信號，因此不知道信號的絕對值，具有 難以進行物理解釋的傾向。
另一方面，有效利用不會引起試樣、測量系溫度的上升、 下降這種優(yōu)點，開發(fā)出該以往型的組合了延遲時間調制方式和 掃描探針顯微鏡的延遲時間調制型的掃描探針顯微鏡，留下了 許多成果。
另外，作為最近設計出來的新的延遲時間調制方法，設計 出了以下方法以僅具有微小量差別的重復頻率來使兩個激光 振蕩器準確地振蕩，將各自的激光作為泵浦光、探針光而使用。 此時，以與重復頻率的差分相當?shù)念l率從零到重復周期高速地 掃描延遲時間，和與上述重復頻率的差分相當?shù)念l率同步地記錄探針信號并進行平均，由此即使不進行機械上的鏡位置的變 更也能夠容易地測量到較大的延遲時間區(qū)域，并且能夠測量信 號的絕對值。并且，在該方法中，還能夠增大調制頻率，因此 相比優(yōu)于上述的各種方法。
非專利文獻1: A.Bartels，Appl.Phys.Lett.88，041117(2006)

發(fā)明內容
發(fā)明要解決的問題
然而，為了有效利用該新的延遲時間調制方式的優(yōu)點，需 要頻帶較寬的探針信號檢測器。在探針信號檢測器的頻帶較窄 的情況下，需要極大地降低兩個激光的重復頻率的差即調制頻 率，從而導致噪聲強度的增大。另外，在該新的延遲時間調制 方式中，必須要兩臺高價的激光振蕩器，并且需要使這兩臺激 光振蕩器互相同步地進行振蕩，因此導致裝置整體的價格變得 非常高。
這樣，需要更廉價的、具有較廣測量區(qū)域以及較高檢測靈 敏度并且具備了對包括與掃描探針顯微鏡之間的協(xié)作在內的特 殊測量環(huán)境的適應能力的泵浦探針測量裝置。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于計測并分 析超高速物理現(xiàn)象的泵浦探針測量裝置以及使用了該測量裝置 的時間分解型的掃描探針顯微鏡裝置，上述泵浦探針測量裝置 為如下裝置在使用了脈沖激光的包含飛秒?yún)^(qū)域的時間分解測 量中，不對照射光強度進行調制、即不會受到熱影響而能夠在 從緩和時間較短的現(xiàn)象到較長的現(xiàn)象的較廣測量范圍的整個范 圍內高精確度地穩(wěn)定地計測微弱信號。
用于解決問題的方案
為了達到上述目的，本發(fā)明的泵浦探針測量裝置具備超短光脈沖激光產生部，其產生成為泵浦光的第 一 超短光脈沖列
以及成為探針光的第二超短光脈沖列；延遲時間調整部，其調 整第 一 超短光脈沖列以及第二超短光脈沖列的延遲時間；第一 脈沖拾取器以及第二脈沖拾取器，其分別入射第 一 超短光脈沖 列以及第二超短光脈沖列，通過以任意的重復頻率使一個脈沖 透過來減少光脈沖的有效重復頻率；延遲時間調制部，其周期 性地變更由脈沖拾取器通過的光脈沖的選#^立置；測量部，其 具有將泵浦光以及探針光照射到試樣上的照射光學系統(tǒng)，對來 自試樣的探針信號進行檢測；以及鎖定檢測部，其以延遲時間 調制部中的調制頻率對來自試樣的探針信號進行相位敏感檢 測，其中，第一脈沖拾取器或者第二脈沖拾取器變更要透過的 光脈沖的選擇位置，由此調制與透過了第二脈沖拾取器或者第 一脈沖拾耳又器的光脈沖之間的延遲時間。
根據(jù)上述結構，周期性地改變由各脈沖拾取器透過、遮斷 在超短光脈沖激光裝置中連續(xù)產生的激光脈沖中的泵浦光以及 探針光的脈沖的時機，由此能夠得到高速并且較大的延遲時間 變化。
在本發(fā)明中沒有使用調制泵浦光強度的方式，因此即使是 對測量中的溫度變化敏感的試樣，試樣溫度也不會反復上升、 下降，不會給試樣帶來不良影響。由此，能夠對廣泛領域中的 試樣進行測量。
根據(jù)本發(fā)明，利用脈沖拾取器透過以及遮斷從激光裝置產 生的光脈沖，以比較長的重復周期使光脈沖透過，由此能夠容 易地對具有比激光裝置的重復周期長的例如達到1P秒左右的 緩和時間的物理現(xiàn)象進行測量。直到超過光脈沖的重復頻率非 常大的延遲時間區(qū)域都能夠測量，因此能夠比較激勵狀態(tài)的探 針信號和試樣完全緩和后的探針信號。其結果，不僅得到信號的微分值還能夠得到信號的絕對值，因此容易進行物理性解釋。 并且，不需要經過長距離的鏡位置移動，因此輸出激光的光軸 不會偏離，從而能夠得到較高的測量精確度。
根據(jù)本發(fā)明，能夠增大調制振幅，因此信號強度與以往型 的延遲時間調制方式相比增大數(shù)倍到數(shù)十倍。另外，根據(jù)本發(fā) 明，通過調制頻率的高頻率化，在對數(shù)十皮秒以上的較慢緩和
過程進行測量的情況下的噪聲強度例如降低1/2到1/10左右，因 此所謂S/N比例如提高50到100倍左右。
在上述結構中，脈沖拾取器優(yōu)選由普克爾盒和偏振器構 成，構成為透過或者遮斷任意的光脈沖。延遲時間調制部優(yōu)選 由以下部分構成光4全測器，其一企測從超短光3永沖激光產生部 產生的光脈沖；計數(shù)單元，其對來自光檢測器的脈沖信號進行 計數(shù)；延遲單元，其被連接在計數(shù)單元上；以及脈沖拾取器的 驅動單元。
根據(jù)該結構，能夠容易地透過或者遮斷任意的脈沖。 在上述結構中，超短光脈沖激光產生部可以構成為包含由 摻鈦藍寶石激光振蕩器構成的激光光源。根據(jù)該結構，例如能 夠用波長800nm以lOOMHz左右的重復頻率產生脈寬25fs的激光 脈沖，因此能容易地得到超短光脈沖激光。
當延遲時間調整部由利用可移動鏡來調整光路長度的光 學系統(tǒng)構成時，能夠使用與以往相同的延遲時間調整部來進行 延遲時間的調整，并且不需要長距離的鏡移動，因此幾乎不會 產生照射到試樣上的來自脈沖光的光軸偏離，從而測量精確度 提高。
超短光脈沖激光產生部具備 一個超短光脈沖激光光源； 以及光學部件，其將由該超短光脈沖激光光源產生的超短光脈 沖分割為兩個來形成泵浦光和探針光，在這種情況下，作為光光裝置，因此結構簡單而裝置整體 的成本降低。
超短光脈沖激光產生部具備兩個超短光脈沖激光光源，將 由各超短光脈沖激光光源產生的超短光脈沖分別作為泵浦光以 及探針光而入射到對應的脈沖拾取器，在這種結構的情況下， 如果使用以相同周期發(fā)光的兩個超短光脈沖激光光源，則不需 要對入射到各脈沖拾取器的光進行分割，因此能夠提高被照射 到試樣的光脈沖的強度，并且容易錯開泵浦光和探針光的相位。 在兩個超短光脈沖激光光源的波長不同的情況下，能夠將泵浦 光和探針光設為相互不同的波長。并且，在具備兩個激光裝置 的同步振蕩控制機構的情況下，通過適當?shù)卦O定泵浦光和:探針 光的振蕩相位，能夠容易地設定到重復周期為止的延遲時間。 因而，利用這種兩個超短光脈沖激光光源和脈沖拾取器能夠調 整延遲時間，因此還能夠省略超短光脈沖激光光源為一個的情 況下所需的延遲時間調整部。
在超短光脈沖激光光源中使用腔倒空器的情況下，使來自 超短光脈沖激光光源的光脈沖的重復頻率降低，由此能夠提高 各光脈沖的強度。由此，不使平均強度大幅降低而能夠降低重 復頻率。在脈沖拾取器的動作頻率被限制為1 M H Z左右的情況 下，能夠提高泵浦光以及探針光的光強度。
上述測量部優(yōu)選構成為包含將泵浦光和探針光照射到試 樣表面上的光學系統(tǒng)以及對探針光的反射光強度進行測量的光 學系統(tǒng)，輸出探針光的反射光強度作為探針信號。根據(jù)該結構， 能夠將由泵浦光激勵的試樣表面緩和時的試樣表面的反射率變 化觀測為探針光的反射光強度的變化。
本發(fā)明的掃描探針顯微鏡裝置具備上面所述的任 一 個泵 浦探針測量裝置，測量部還具備掃描隧道顯微鏡并輸出由掃描隧道顯微鏡得到的探針信號，其中，上述掃描隧道顯微鏡對泵 浦光和探針光所照射的位置的局部物性進行測量。
本發(fā)明的測量裝置作為結構要素之一具備上面所述的任一 個泵浦探針測量裝置。
根據(jù)上述結構，能夠實現(xiàn)能以從埃到納米程度的高空間分 辨率來觀觀'j被泵浦光激勵的試樣表面緩和時的試樣表面的激勵 過程和緩和過程的、延遲時間調制型、具有飛秒等級的時間分 解的掃描探針顯微鏡裝置。并且，能夠實現(xiàn)具備了本發(fā)明的泵 浦探針測量裝置的測量裝置。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種用于計測并分析超高速物理現(xiàn) 象的泵浦探針測量裝置以及利用了該測量裝置的時間分解型的 掃描探針顯微鏡裝置，其中，上述泵浦探針測量裝置為如下裝
置在使用脈沖激光的包含飛秒?yún)^(qū)域的時間分解測量中，即使 不對照射光強度進行調制也能夠在從緩和時間較短的現(xiàn)象到較 長的現(xiàn)象的較廣測量范圍的整個范圍內高精確度地穩(wěn)定地計測 微弱信號。


圖l是表示本發(fā)明的延遲時間調制式的泵浦探針測量裝置 的第一實施方式的結構的框圖。
圖2是表示圖l的測量裝置中的到達試樣表面的泵浦脈沖光 以及探針脈沖光的光強度的時間變化的圖表。
圖3是表示圖2的泵浦脈沖光以及探針脈沖光的利用脈沖拾 取器進行的延遲時間變更的圖表。
圖4是表示使用圖l的測量裝置、由泵浦脈沖光激勵后的試 樣的測量信號的緩和過程的圖表。圖5是表示本發(fā)明的延遲時間調制式的泵浦探針測量裝置 的第二實施方式的結構的框圖。
圖6是表示本發(fā)明的延遲時間調制式的泵浦探針測量裝置 的第三實施方式的結構的框圖。
圖7是表示本發(fā)明的延遲時間調制型的具有飛秒時間分解 的掃描探針顯微鏡裝置的 一 個實施方式的結構的框圖。
圖8是表示利用具有圖7的結構的實施例的掃描探針顯^f效鏡 裝置中的掃描隧道顯微鏡的電流電壓變換前置放大器進行測量 得到的隧道電流信號的噪聲頻譜的圖。
圖9是表示利用實施例的掃描探針顯微鏡裝置進行測量得 到的低溫生長GaNxAs!-x薄膜試樣的時間分解隧道電流的圖表。
附圖標記i兌明
1、 30、 40:泵浦纟笨針測量裝置；10、 10A、 10B:延遲時 間調制部；11、 31、 32:激光光源；12:分歧光學系統(tǒng)；12a: 半透半反鏡(halfmirror); 12b:反射鏡；13:第一脈沖拾取器； 13a、 14a:電光元件；13b、 14b:偏振器(polarizer); 14:第二 脈沖拾取器；15:延遲時間調整部；15a:可動鏡；16:照射光 學系統(tǒng)；16a、 16b、 16d:反射鏡；16c:物鏡；17:光檢測器； 18:鎖定放大器(lock-in amplifier); 19、 53:試樣；20:測量 部；21:光檢測器；22:計數(shù)單元；23、 24:延遲單元；25、 26:驅動單元；33:同步振蕩控制部；41:腔倒空器；50:掃 描探針顯微鏡裝置；51:照射光學系統(tǒng)；51a:半透半反鏡；51b、 51c:反射鏡；51d:物鏡；52:掃描隧道顯微鏡；52a:纟笨針； 52b:前置放大器；PI:泵浦脈沖光；P2:探針脈沖光。
具體實施例方式
下面，根據(jù)圖示的實施方式來詳細說明本發(fā)明。在各圖中，對相同或者對應的部件使用相同的附圖標記。
首先，說明本發(fā)明的第一實施方式所涉及的延遲時間調制 式的泵浦探針測量裝置。
圖1示出本發(fā)明的延遲時間調制式泵浦探針測量裝置的第 一實施方式的結構。在圖1中，延遲時間調制式的泵浦探針測量
裝置l構成為具有以下部分超短光脈沖激光產生部，其包含激 光光源ll,該激光光源用于產生成為泵浦光的第一超短光^^沖 列以及成為探針光的第二超短光脈沖列；分歧光學系統(tǒng)12;兩 個脈沖拾取器，其由第一脈沖拾取器13和第二脈沖拾取器14構 成；延遲時間調制部IO,其周期性地變更由這些脈沖拾取器13、 14通過的光脈沖的選擇位置；延遲時間調整部15;以及照射光 學系統(tǒng)16,并且該延遲時間調制式泵浦探針測量裝置1構成為包 含以下部分測量部20,其^r測來自成為^皮測量物的試沖羊19的 探針信號；以及鎖定#企測部18,其被連接在該測量部20上。
上述激光光源ll例如是飛秒脈沖激光光源。具體地說，能 夠使用例如以100MHz左右的重復頻率產生波長800nm、時間寬 度25fs左右的激光脈沖、平均亮度1 W左右的摻鈦藍寶石激光振 蕩器。
上述分歧光學系統(tǒng)12包含被傾斜地配置在上述激光光源 ll的激光脈沖的出射光路中的半透半反鏡12a，從而使得來自上 述激光光源ll的激光脈沖能夠被分歧為該半透半返鏡12a的透 過光以及反射光。
在此，將上述半透半返鏡12a的透過光作為泵浦光而利用， 并且將反射光作為探針光而利用，但是也可以與此相反。在以 下說明中，以透過光為泵浦光、以反射光為揮:針光進行說明。
在圖示的情況下，上述分歧光學系統(tǒng)12構成為包含被配置 在反射光的光路中的反射鏡12b,將上述反射光引導到第二脈沖拾取器14。
上述脈沖拾取器13、 14由被導入來自上述分歧光學系統(tǒng)12 的泵浦光的第一脈沖拾取器13和被導入來自分歧光學系統(tǒng)12的 探針光的第二脈沖拾取器14構成，例如構成為從以1 OOMHz這種 較高重復頻率入射的激光脈沖列中以任意的周期選擇性地-f又使 一個脈沖透過并遮斷剩余的脈沖。此時，期望^皮遮斷的光與透 過的光的強度比為足夠大的300:1 1000:1左右。
第 一 脈沖拾取器13和第二脈沖拾取器14為相同結構即可， 只要各自能夠提取單一光脈沖，能夠設為各種結構。在圖示的 情況下，脈沖拾取器13、 14分別由電光元件13a、 14a和偏振器 13b、 14b構成，其中，上述電光元件13a、 14a利用施加電壓來 使光脈沖的偏振光旋轉，上述偏振器13b、 14W皮配置在電光元 件13a、 14a的輸出側。在圖示的情況下，在輸出側設置了一個 偏振器13b,但是也可以在電光元件13a的光輸入側和輸出側分 別設置偏振器。在代替電光元件13a、 14a而利用聲光元件來構 成脈沖拾取器13、 14的情況下，不需要偏振器13b、 14b。電光 元件13a、 14a分別^皮后述的延遲時間調制部10驅動，進行納秒 程度的高速開閉。為了以足夠高的重復頻率使每次一個脈沖透 過，期望例如能夠選擇達到lMHz左右的動作頻率。因而，各脈 沖拾取器13、 14例如能夠使用普克爾盒，能夠進行動作使得例 如遮斷100個脈沖中的99個脈沖，使一個脈沖透過。
由此，通過上述脈沖拾取器13、 14,上述激光光源ll的有 效脈沖的重復頻率從10 0 M H z下降到1M H z ，其平均激光強度從 1W下降到10mW。此外，參照圖2在后面說明上述脈沖拾取器 13、 14的光脈沖的通過時機。
延遲時間調制部10周期性地變更通過脈沖拾取器13 、 14的 光脈沖的選擇位置。例如，圖l示出的延遲時間調制部10由以下部分構成光檢測器21，其對從超短光脈沖激光產生部ll產生 的光脈沖進行一企測；計數(shù)單元22,其對來自該光4會測器21的脈 沖信號進行計數(shù)；第一以及第二延遲單元23、 24，其被連^妻在 計數(shù)單元22上；以及驅動單元25、 26,其驅動脈沖拾取器13、 14。也可以僅設置第一以及第二延遲單元23、 24中的一個。在 脈沖拾取器13、 14為普克爾盒的情況下，驅動單元25、 26由高 壓電源裝置構成。
作為光檢測器21能夠使用可進行高速應答的pin光電二極 管、雪崩光電二極管、光電倍增管等來應答來自超短光脈沖激 光產生部的光脈沖。計數(shù)單元22和第一以及第二延遲單元23、 24能夠由使用了二極管、集成電路、微型計算機等的脈沖電路 構成，只要能夠周期性地變更由脈沖拾取器13、 14通過的光脈 沖的選擇位置即可。也可以將來自高速光檢測器21的信號作為 時鐘信號，使用微型計算機、可編程的集成電路即 CPLD(Complex Programmable Logic Device:復雜可編程邏輯器 件)來構成計數(shù)單元22和第一以及第二延遲單元23、 24,對4吏用 于脈沖拾取器13、 14的電光元件等光學快門進行驅動。
在圖示的情況下，上述延遲時間調整部15由公知結構的禾'j 用可動鏡15a來調整光路長度的光學系統(tǒng)構成?？蓜隅R15a由被 配置成相對于入射光軸傾斜45度角度的一對反射鏡構成，沿著 入射光軸入射的光由 一 側的反射鏡15al反射為相對于入射光軸 垂直并入射到另 一 側的反射鏡15a2,并由另 一 側的反射4竟15a2 反射為相對于入射方向平行。
由此，當在透過了第一脈沖拾取器13的泵浦光的脈沖(泵浦 脈沖光)的光軸方向上移動調整可動鏡15a時，在可動鏡15a向右 方移動時光路長度變長，相反向左方移動時光路長度變短。
因而，通過可動鏡15a的移動，能夠適當?shù)卦O定泵浦脈沖光相對于探針光的脈沖(探針脈沖光)的延遲時間。例如在光3各長
度的可變范圍為3 0 c m左右的情況下，探針脈沖光與泵浦脈沖光 之間的延遲時間例如能夠設定在0 lns的范圍內。
在圖示的情況下，測量部2 0由照射光學系統(tǒng)16和檢測來自 試樣19的探針信號的光檢測器17構成。照射光學系統(tǒng)16由以下 部分構成物鏡16c,其纟皮配置在試樣19的表面附近；反射鏡16a, 其將來自延遲時間調整部15的泵浦脈沖光引導到試樣19的表 面；反射鏡16b,其將來自第二脈沖拾取器14的探針脈沖光引導 到試樣19的表面；以及反射鏡16d,其將由試樣19的表面反射的 探針脈沖光引導到光檢測器17。由此，泵浦脈沖光以及探針脈 沖光被聚光在試樣19的表面上。此時，泵浦脈沖光先到達試樣 19，緊接著探針脈沖光被試樣19的表面反射。
在光檢測器17中，通過反射鏡16d被入射由試樣19的表面 反射的探針信號，由此能夠測量在照射泵浦脈沖光之后在準確 的延遲時間下的試樣19表面的反射率。在光檢測器17中例如能 夠使用Si制的pin光電二極管。
能夠使用鎖定放大器18來構成上述鎖定檢測單元。由光檢 測器17測量的反射光強度的延遲時間依賴成分(參照圖l的sig) 與激光光源ll的光量的波動相比非常小，因此，為了正確地進 行測量，鎖定檢測單元進行調制測量。上述鎖定放大器18使用 調制頻率作為參照信號(參照圖1的r e f)來對光測器17的測量 信號進行相位敏感檢測，由此提高測量精確度，其中，上述調 制頻率為使用圖2在后面說明的使用了第一以及第二脈沖拾取 器13、 14的延遲時間調制的調制頻率。
本發(fā)明的特征之一在于具有脈沖拾取器13、 14和周期性地 變更由這些脈沖拾取器13、 14通過的光脈沖的選擇位置的延遲 時間調制部10,參照圖2說明延遲時間調制部IO的動作。圖2是表示到達試樣19表面的階段的泵浦脈沖光P1和探針 脈沖光P2的光強度的圖表，圖表的橫軸是時間，縱軸是光強度。 泵浦脈沖光P1以及探針脈沖光P 2是激光光源11產生的大約 100MHz的重復頻率的激光脈沖，因此激光強度大部分時間為 零，僅在例如25fs這種極短時間內提供非常高的強度。
因而，在圖2的圖表中，這些泵浦脈沖光Pl以及探針^c沖 光P2成為梳子形狀的圖表。
在^v激光光源ll輸出的激光脈沖的重復頻率為100MHz的 情況下，泵浦脈沖光P1、纟笨針脈沖光P2的脈沖之間的時間間隔 都為10ns，圖2中的虛線與虛線之間為該時間間隔。通過上述脈 沖拾取器13、 14僅4吏其中IOO個脈沖中的一個透過，遮斷剩余的 脈沖。此外，在圖2中為了容易看清而簡便地圖示出6個脈沖中 一個透過而剩余的5個被遮斷的狀況，用實線表示透過的光脈 沖，用虛線表示被遮斷的光脈沖。
并且，在將延遲時間調整部15的延遲時間設為-At時，上述 探針脈沖光P2相對于泵浦脈沖光Pl僅晚延遲時間At。此時，由 光檢測器17測量出的光強度與由泵浦脈沖光P 1激勵的準確的At 之后的試樣的反射率R(At)成比例。
在此，如圖2的P3所示，當將第二脈沖拾取器14使脈沖通 過的時4幾延遲三個脈沖時，實際的延遲時間為At，=At+3 x 10(ns)， 能夠瞬間將延遲時間設為非常大的值。此時，由光檢測器17測 量的光強度成為與試樣的反射率R(At，)成比例的值。通過控制 第二脈沖拾取器14來改變探針脈沖光的通過位置，由此當如圖 3 所示那樣周期性地重復圖2的P2和P3的狀況時，由光檢測器17 測量的信號在R(At)和R(At，)之間周期性地振動。在鎖定放大器 18中將調制頻率作為參照信號來對該信號進行相位敏感檢測， 由此能夠測量R(At)和R(At，)的差。在以往的延遲時間調制方法中，對延遲時間進行正弦波調
制，因此通過調制測量得到的信號在調制振幅區(qū)間(At和At，之間) 的整個區(qū)間內為R平均的傾斜。與此相對，在本發(fā)明中的延遲 時間調制方法中，能夠對延遲時間完全進行矩形波調制，因此 得到的信號準確地與R(At)和R(At，)之差R(At)-R(At，)成比例。
如以下示出那樣，其提供非常重要的優(yōu)點。
通常，由泵浦光激勵試樣之后的狀態(tài)如圖4所示那樣，經過 數(shù)皮秒~數(shù)納秒的短時間的緩和過程而接近固定值。在超高速 測量中，該li和過程的振幅、緩和時間成為測量對象。
如圖2示出那樣，在本實施方式中，當設延遲時間為At，、 取除去中間部分后的脈沖重復周期的一半左右的值時，能夠將 At，設為與試樣19的緩和時間相比非常大的值。At，例如是0.5ps 左右。因此，能夠將R(At，)視為大致完全緩和后的試樣19的狀 態(tài)，即能夠將R(At，)視為信號的零點。此時，在本實施方式中 測量的R(At)和R(At，)的差R(At)-R(At，)是R(At)本身,能夠得到反 射率的延遲時間依賴成分的絕對值。
另外，在圖1的延遲時間調整部15中，當改變泵浦脈沖光 P1和探針脈沖光P2之間的延遲時間時，不僅At發(fā)生變化，At， 也發(fā)生變化。但是，如前項所述那樣，在將At，設為足夠大的情 況下，相對于R(M)反映緊接在試樣激勵之后的高速緩和過程， R(At，)可視為常數(shù)。因而，R(At)和R(M，)之間的差分以緩和后的 測量信號電平為基準而準確地表示試樣19的緩和過程。
接著，說明本發(fā)明的第二實施方式所涉及的延遲時間調制 式的泵浦探針測量裝置。
圖5示出本發(fā)明的延遲時間調制式的泵浦探針測量裝置的 第二實施方式的結構。在圖5中，延遲時間調制式的泵浦探針測 量裝置30的結構與圖l示出的泵浦探針測量裝置l具有以下不同代替激光光源ll而對泵浦光以及探針光分別設置激光光源 31、 32并省略了分歧光學系統(tǒng)12以及延遲時間調整部15,由第 一延遲時間調制部10 A驅動第 一 脈沖拾耳又器13 ，由第二延遲時 間調制部IOB驅動第二脈沖拾取器13。
上述激光光源31、 32分別是與圖l的泵浦探針測量裝置l中 的激光光源1 l相同的結構，并且被同步振蕩控制部33控制成準 確地以相同周期進行振蕩，不需要對入射到各脈沖拾取器13 、 14的光進行分割，因此提高照射到試樣19的脈沖光的強度，并 且通過任意地選擇輸出光脈沖的相位能夠自由地設定兩個激光 脈沖的延遲時間。能夠將兩個超短光脈沖激光光源31、 32設為 相同波長。另外，在波長不同的情況下，能夠將泵浦光和探針 光設為相互不同的波長。并且，通過使用兩個激光裝置的同步 振蕩控制部33來適當?shù)卦O定泵浦光和探針光的振蕩相位，能夠 容易地設定到重復周期為止的延遲時間。因而，能夠通過這種 兩個超短光脈沖激光光源31、 32和脈沖拾取器13、 14來調整延 遲時間，因此還能夠省略超短光脈沖激光光源為一個的情況下 所需的延遲時間調整部15。例如在作為激光光源31、 32而4吏用 重復頻率100MHz左右的摻鈦藍寶石激光振蕩器的情況下，通過 同步振蕩控制部3 3 ,能夠使泵浦脈沖光P1以及探針脈沖光P 2以 200fs左右的抖動并具有在到脈沖的重復周期為止的范圍的任 意的延遲時間地進行振蕩。
通過同步振蕩控制部33能夠任意地i殳定泵浦脈沖光P1與 探針脈沖光P2之間的延遲時間，由此能夠省略圖1示出的延遲 時間調整部15。在圖l的泵浦探針測量裝置l中，能夠將最大僅 能取lns左右的延遲時間的設定范圍擴大到脈沖之間的重復周 期，并且能夠消除由大振幅的鏡位置變更引起的光軸的微小偏 離等的不良影響。通過調整第二脈沖拾取器14的光脈沖透過時機，延遲時間的設定范圍超過原來的激光光源31、 32的重復頻 率，能夠在由脈沖拾取器14除去中間部分光脈沖之后的有效脈 沖重復周期的范圍內任意地進行設定。由此，在作為激光光源 31、 32例如使用了 100MHz的重復頻率的激光的情況下，也能夠 測量達到數(shù)百納秒左右的比較慢的緩和過程。
第 一延遲時間調制部IOA由以下部分構成光檢測器21 ， 其檢測從超短光脈沖激光產生部的第 一 激光光源31產生的光脈 沖；計數(shù)單元22,其對來自該光檢測器21的脈沖信號進行計數(shù)； 第一延遲單元23,其被連接在計數(shù)單元22上；以及脈沖拾取器 13的驅動單元25。同樣地，第二延遲時間調制部10B也是與第 一延遲時間調制部10A相同的結構，由以下部分構成光沖全測 器21,其檢測從超短光脈沖激光產生部的第二激光光源3 2產生 的光脈沖；計數(shù)單元22;第二延遲單元24;以及第二脈沖拾取 器14的驅動單元26。能夠將光檢測器21、計數(shù)單元22、第一以 及第二延遲單元23、 24、脈沖拾取器13、 14的驅動單元25、 26 設為與在圖1中說明的延遲時間調制部10相同的結構，因此省略 說明。在此，也可以僅設置第一延遲單元23以及第二延遲單元 24中的一個。
才艮據(jù)上述第一以及第二延遲時間調制部10A、 10B,能夠與 圖l示出的延遲時間調制部10同樣地，周期性地變更由脈沖拾取 器13、 14通過的脈沖的選擇位置。
根據(jù)這種結構的測量裝置30，起到與圖l示出的測量裝置l 同樣的作用。在這種情況下，使用兩臺激光光源31、 32,因此 設備成本增大，并且由于同步振蕩控制部3 3的限制而延遲時間 的設定精確度具有劣于圖l的測量裝置l的傾向，但是能夠僅利 用同步振蕩控制部33進行延遲時間的設定，因此不需要將圖1 的延遲時間調整部15的可動4竟15 a的位置積4戒性上大幅移動的機構。因而，能夠得到提高測量系的可靠性和大幅提高試樣19 上的焦點位置的穩(wěn)定性的優(yōu)點。
接著，說明本發(fā)明的第三實施方式所涉及的延遲時間調制 式的泵浦探針測量裝置。
圖6示出本發(fā)明的延遲時間調制式的泵浦探針測量裝置中 的第三實施方式的結構。在圖6中，延遲時間調制式的泵浦探針 測量裝置40的結構與圖l的測量裝置l具有以下不同代替激光 光源11而使用附加有腔倒空器41的激光光源11 。
具備了該腔倒空器的激光光源ll、 41為公知的結構，例如， 能夠使用以下激光振蕩器對摻鈦藍寶石激光振蕩器的空腔中 插入聲光學調制器(AO調制器)，激光脈沖每在空腔中往復數(shù)十 數(shù)百次時僅打開 一次空腔，取出蓄積在空腔內部的非常高強 度的激光脈沖，由此將平均強度保持在與通常的摻鈦藍寶石激 光振蕩器相同程度，以較低重復頻率輸出較高強度的光脈沖。 根據(jù)這種結構，例如能夠實現(xiàn)平均強度數(shù)百mW左右、重復頻 率2MHz左右的激光振蕩器。
例如在利用最大動作頻率lMHz的普克爾盒構成兩個脈沖 拾取器13、 14的情況下，在圖1以及圖5示出的第一實施方式以 及第二實施方式中，在來自激光振蕩器的光脈沖之中僅能夠使 IOO個中的一個左右透過，激光強度成為百分之一。因而，即使 來自激光光源ll、 31、 32的激光強度為1W左右，通過脈沖拾取 器13、 14之后的平均強度也成為10mW左右。
與此相比，在圖6示出的實施方式中，激光光源ll、 41例如 具有2MHz的重復頻率，因此脈沖拾取器13、 14使從激光光源41 輸出的光脈沖在兩個脈沖中透過 一 個脈沖，由此將重復周期從 2MHz降低到lMHz，通過周期性地變更透過的光脈沖，與圖l 同樣地對延遲時間進行矩形波調制。根據(jù)這種結構的測量裝置40，起到與圖l的測量裝置l同樣
的作用，并且脈沖拾取器13、 14中的平均強度的下降為50°/0左 右，與圖l的實施方式相比，能夠得到非常強的探針光的信號強度。
在上述各實施方式中，作為例子說明了通過矩形波調制泵 浦探針法來測量試樣的反射率的情況，但是并不限于此，能夠 將任意的時間分解泵浦探針測量方法和使用了脈沖拾取器的延 遲時間的矩形波調制方式組合使用。因而，有效利用不對泵浦 探針光強度進行調制而能夠在較大延遲時間范圍的整個范圍內 進行測量的本發(fā)明的特征，例如與掃描隧道顯微鏡進行組合， 還能夠構成可測量在極微小空間中產生的超高速現(xiàn)象的顯微鏡 裝置。
在此，作為本發(fā)明的第四實施方式，說明使用了延遲時間 調制式的泵浦探針測量裝置的掃描探針顯微鏡裝置。
圖7是表示本發(fā)明的延遲時間調制型的具有飛秒時間分解 的掃描探針顯微鏡裝置的 一 個實施方式的結構的圖。在圖7中， 掃描探針顯微鏡裝置50由兩個激光光源31、 32、同步振蕩控制 部33、延遲時間調制部IO、第一以及第二脈沖拾耳又器13、 14、 照射光學系統(tǒng)51、掃描隧道顯微鏡52以及鎖定放大器18構成。
如圖7所示，第四實施方式所涉及的延遲時間調制式的掃 描探針顯微鏡裝置50與圖5示出的本發(fā)明的第二實施方式所涉 及的泵浦探針測量裝置的不同點在于測量部2 0構成為具備照射 光學系統(tǒng)51和掃描隧道顯微鏡52，其它結構相同。
上述照射光學系統(tǒng)51由半透半反鏡51a、兩個反射鏡51b、 51c以及物鏡51d構成。來自第一脈沖拾取器13的泵浦脈沖光由 反射鏡51b反射之后透過半透半反鏡51a,并且由反射鏡51c反 射，通過物鏡51d聚光在掃描隧道顯微鏡52內的試樣53的表面。來自第二脈沖拾取器14的探針脈沖光由半透半反鏡51a反射，與 泵浦脈沖在相同的光軸上重疊，并且由反射4竟51c反射，通過物 鏡51d聚光在掃描隧道顯微鏡52內的試樣53的表面。
上述掃描隧道顯微鏡5 2為公知的結構，在試樣5 3的正上方 配置探針52a使得在其前端與試樣53之間形成隧道結，并且構成 為在試樣53的表面上掃描探針52a，對試樣53的表面上照射激光 脈沖，利用電流4企測用的前置放大器52b^r測通過調制纟笨針52a 的前端與試樣53之間的隧道電流而得到的探針信號，并輸出到 鎖定》i:大器18。
根據(jù)上述結構的顯微鏡裝置50,激光脈沖分別作為泵浦脈 沖光和探針脈沖光從激光光源31、 32通過脈沖拾取器13、 14、 并且通過照射光學系統(tǒng)51照射到掃描隧道顯微鏡52中的探針 52a正下方的試樣53表面。在此，激光脈沖具有由同步振蕩控制 部33和脈沖拾耳又器13、 14設定的延遲時間、以每兩個脈沖為一 對來激勵試樣53的表面。此時，為了保持探針52a與試樣53之間 的隧道電流固定，掃描隧道顯微鏡5 2通過具有較低遮斷頻率的 反饋控制來調整探針52a與試樣53之間的間隔。
用驅動單元25、 26驅動脈沖拾取器13、 14，在調制延遲時 間時，考慮將泵浦脈沖光設為其調制頻率足夠高于掃描隧道顯 微鏡52的反饋控制的遮斷頻率，由此不會由于反饋電路而使測 量對象的信號衰減。在這種狀態(tài)下，使用鎖定放大器18以第二 脈沖拾取器14的調制頻率為基準對來自掃描隧道顯微鏡52的電 流檢測用前置放大器52b的輸出信號進行相位敏感檢測，作為其 輸出能夠觀察在探針5 2 a正下方的試樣5 3的表面的極微小空間 中產生的超高速物理現(xiàn)象。
實施例
下面，說明本發(fā)明的延遲時間調制式泵浦探針測量裝置的實施例。
本發(fā)明的延遲時間調制式泵浦探針測量裝置中的測量方法 的基本原理與到目前為止通常使用的延遲時間調制型泵浦探針 測量方法的基本原理相同，但是對其調制方法進行了創(chuàng)新性的 改進，即使通過延遲時間調制方式的這種改進，裝置也根據(jù)與 以往型相同的基本原理正常地進行動作。
下面，詳細說明到目前為止示出的實施方式之中用于具體
地實施圖7示出的掃描探針顯微鏡裝置50的裝置結構。
將成為本發(fā)明的主要部分的利用脈沖拾取器進行的矩形波 延遲時間調制系統(tǒng)與以往的掃描隧道顯微鏡進行組合，構成超 高速時間分解的掃描隧道顯微鏡裝置50。
首先，說明使用于與其相同目的的以往型的裝置結構。以 往型的裝置也與圖7的測量部20相同，通常，泵浦脈沖光和探針 脈沖光在相同光軸上傳播并照射到試樣上，因此試樣成為^皮泵 浦和探針這兩個光脈沖構成的脈沖對反復激勵的狀態(tài)。因此， 該類型的顯微鏡被稱為脈沖對激勵型的時間分解掃描隧道顯微 鏡。作為以往型的裝置已知有使包含在延遲時間設定光學系統(tǒng) 中的鏡位置枳4戒性地進行振動來進行延遲時間調制的延遲時間 調制型光脈沖對激勵掃描隧道顯微鏡裝置。在該以往型的裝置 中，由通過鏡的振動而#1調制了延遲時間的脈沖對來激勵掃描 隧道顯樣i4竟正下方的試樣，由此能夠對在納米程度的^U、區(qū)域 內發(fā)生的亞皮秒 數(shù)十皮秒程度的超高速現(xiàn)象進行測量。然而， 在以往型的裝置中存在以下缺陷由于延遲時間的調制振幅較 小和調制頻率較低而存在信噪比較低的傾向，因此， 一次測量
需要數(shù)小時至數(shù)十小時的非常長的時間。
在圖7示出的本發(fā)明的實施方式的顯微鏡裝置5 0中，與以往 型的裝置同樣地采用光脈沖對激勵掃描隧道顯微鏡裝置的結構，但是，如上所述，通過改進延遲時間調制方式，由于調制 振幅的增大而信號強度增加，由于調制頻率的提高而噪聲強度 下降，不會因調制振幅而使時間分辨率下降，從而能夠避免因 鏡的長距離移動而引起的激光焦點位置與掃描隧道顯微鏡探針 位置的偏離。
使用COHERENT公司(〕匕k 乂卜社)的CHAMELEON作為 圖7中的激光光源31,使用同一COHERENTV/^司的MIRA作為圖 7中的激光光源32。這兩個激光光源31、 32能夠分別獨立地以 90MHz的重復頻率、0.3W-1.5W的平均功率對750nm 950nm左 右的任意的波長振蕩出150fs左右的激光脈沖。通過使用同一 COHERENT公司的同步鎖定控制裝置作為同步振蕩控制部33, 能夠以500fs左右的抖動使激光光源31、 32同步振蕩。并且，在 使振蕩周期完全一致的基礎上，能夠以任意的時機選擇振蕩的 相位，因此不在外部設置利用長距離的可動鏡的移動的延遲時 間調整部15，而能夠在脈沖的重復周期整個區(qū)域內設定任意的 延遲時間。
分別使用普克爾盒(Laysop Ltd.制、RTP-3-20)13a、 14a作 為第一以及第二脈沖拾取器13、 14。這些脈沖拾取器n、 14的 開關時間為lns左右，最大重復頻率為1.5MHz,能夠從來自激 光光源31、32的90MHz重復頻率的脈沖激光的大約IOO個脈沖中 取出 一 個脈沖。使用ME公司制的普克爾盒驅動器(High Repition-Rate Pockels Cell Driver)25、 264乍為馬區(qū)動該普克爾盒 13a、 14a的驅動源。通過該普克爾盒驅動器25 、 26和普克爾盒 (RTP-3-20)13a、 14a的組合，保證lMHz的重復頻率，可以說適
合于本發(fā)明的實施。
為了決定脈沖拾取器13、 14的驅動時機，用具有頻帶lGHz 左右的高速光電二極管21檢測即將入射到脈沖拾取器13、 14的激光光強度，將其作為時鐘信號，使構成為包含可編程的集成
電路即C P L D的延遲時間調制部10動作，從而生成成為脈沖拾取 器13、 14的普克爾盒13a、 14a的驅動單元的上述普克爾盒驅動 器25、 26的控制信號。實際上，通過在90個脈沖中使一個脈沖 透過， -使透過后的激光脈沖的重復頻率成為lMHz,在此以 1 2kHz左右的調制頻率4又將第二脈沖沖合取器14的驅動時才幾調 制為半周期0.5ps。
在此，需要調制頻率足夠低于后級的掃描隧道顯微鏡5 2的 電流檢測前置放大器52b的頻帶( 數(shù)十kHz),并且需要足夠高于 施加到掃描隧道顯微鏡5 2的探針5 2 a與試樣5 3之間的距離的弱 反饋頻帶( 1 OHz左右)，因此1 2kHz左右的調制頻率較適合。 通常，在對掃描隧道顯微鏡的隧道電流信號進行相位敏感檢測 時，為了避免由機械振動引起的噪聲而將調制頻率設為較高是 有利的，但是，在此所選擇的調制頻率l 2kHz,例如與以往型 的測量裝置中的利用鏡位置的移動的延遲時間調制方式的情況 下的20Hz左右相比大約高50 100倍，由此可期待能夠使噪聲電 平變?yōu)?/5 1/10。并且，通過將到目前為止0.5 lps左右的調制 振幅增大到0.5ps左右，可期待信號電平增大十倍以上，當兩者 結合時，可期待數(shù)十 數(shù)百倍的信噪比的提高。
通過了上迷脈沖拾取器13、 14的泵浦脈沖光以及探針脈沖 光，通過照射光學系統(tǒng)51的半透半反鏡51a、反射鏡51b、 51c 而重疊在同 一光軸上并通過物鏡51d被導入到掃描隧道顯微鏡 52。通過使用組合多個透鏡的復合光學系統(tǒng)作為物鏡51d,考慮 到能夠將從物鏡51 d到試樣5 3的表面上的焦點位置為止的距離 取得較長且能夠使焦點的直徑變小。具體地說，通過凹透鏡暫 時將光束直徑增加到3 ~ 5 c m之后利用凸透鏡來聚焦的形式較簡 單，并且?guī)磔^佳的結果。
25由此，設計成即使將物鏡51 d到試樣5 3為止的距離增加到 300mm,焦點直徑也小到數(shù)微米左右。這是為了避免掃描隧道 顯微鏡5 2和物鏡51 d之間的物理干涉并在焦點位置得到充足的 光強度，并且通過減少照射到探針52a的光強度而使由探針52a 的熱膨脹、熱收縮引起的對測量的干擾為最小，特別是，在與 能夠在真空環(huán)境下進行測量的顯微鏡組合的情況下需要這樣設 計。
作為掃描隧道顯微鏡52,由于將半導體表面等設為觀測對 象，因此使用能夠在超高真空環(huán)境下進行測量的類型。通常， 為了不讓來自床面的微弱的振動傳送到測量裝置，超高真空類 型的掃描隧道顯微鏡在真空內部利用柔軟的彈簧來懸掛檢測器
部分作為減振才幾構。
然而，在實施本發(fā)明時，當用于產生被調制了延遲時間的
脈沖對的激光光學系統(tǒng)與掃描隧道顯微鏡的檢測器部分之間的 位置關系偏離較大時，會導致試樣5 3 、探針5 2 a的位置與物鏡51 d 的焦點位置即與激勵光光源的照射位置偏離，給測量帶來不良 影響，因此將激光光學系統(tǒng)和掃描隧道顯微鏡構成在單 一 的較 大的減振臺上，需要想辦法一邊減輕來自床面的振動一邊保持 兩者的機械位置關系。
說明使用了上述實施例的掃描探針顯微鏡裝置50的測量 結果。
將由利用分子束外延法(MBE)在GaAs晶圓上低溫生長的 GaNxASl—J在此，構成x為0.36%)構成的薄膜試樣以(IIO)面劈 開，使用其截面作為成為測量對象的試樣53。該試樣的生長溫 度較低，因此缺陷密度較高，該缺陷作為光載體的再結合中心 而起作用，因此可期待數(shù)十 數(shù)百皮秒程度的高速的光載體緩 和過程。圖8是表示利用具有圖7的結構的實施例的掃描探針顯微 鏡裝置50中的掃描隧道顯微鏡52的電流電壓變換前置放大器 5 2 b進行測量得到的隧道電流信號的噪聲頻譜的圖。在圖8中， 橫軸表示頻率(Hz),縱軸表示噪聲頻譜(A/Hz"2)。
從圖8可知，與在以往型的使鏡機械性振動的延遲時間調制 掃描隧道顯微鏡52中使用的調制頻率20Hz附近的噪聲密度相 比，在實施例的掃描探針顯微鏡裝置50中，在使用了脈沖拾取 器的延遲時間調制中使用的調制頻率lkHz附近的噪聲密度為 大約1/10,確認了提高了調制頻率的結果是能夠大幅改善噪聲 水平。
圖9是表示利用實施例的掃描探針顯微鏡裝置50進行測量 得到的低溫生長GaNxAsi-x薄膜試樣的時間分解隧道電流的圖。 在圖9中，將來自鎖定放大器18的輸出顯示為圖2中的At(ps)的函 數(shù)，縱軸表示時間分解隧道電流(fA)。此時，將圖2中的At，設為 大約0.5jis。
如上所述，對于足夠大的At，，鎖定放大器18的輸出信號表 示隧道電流值的延遲時間依賴成分I(At)本身，因此反映了試樣 53上的掃描隧道顯微鏡52的探針52a正下方的納米左右的微小 區(qū)域的超高速應答，主要是反映了光載體的緩和過程。從圖9 可知，能夠將在數(shù)十皮秒乃至數(shù)百皮秒左右內產生的超高速緩 和過程檢測為飛安培程度的隧道電流的變化。明確了此時的信 噪比與以往型的裝置相比改善了 IOO倍左右。
產業(yè)上的可利用性
本發(fā)明顯著地改善了到目前為止廣泛使用的利用延遲時 間調制法的泵浦探針測量法的延遲時間調制方法，當考慮到今 后超高速現(xiàn)象的利用變得重要時，其應用范圍非常廣并具有重 大意義。例如，擔心在泵浦光強度的調制中試樣溫度發(fā)生較大變化而該變化給測量結果帶來影響，但是通過使用在本發(fā)明中 得到的方法，能夠在保持試樣溫度大致固定的狀態(tài)下進行測量。 使用了本發(fā)明的飛秒時間分解掃描探針顯微鏡與以往型
的顯微鏡相比，能夠期待100倍左右的信噪比的提高，能夠在保
持試樣溫度大致固定的狀態(tài)下進行測量，因此預計會迅速地被 推廣應用。例如，能夠對半導體納米設備內部的皮秒?yún)^(qū)域的載 體壽命、移動進行計測，能夠提供到目前為止沒有得到的測量 方法，通過較深地理解新的物理現(xiàn)象，除了在新功能設備的研 究階段中能夠作出具大貢獻以外，也被期待包括有效利用在制 作設備的評價等現(xiàn)場在內的廣泛應用。
此外，還能夠將本發(fā)明的泵浦探針裝置附加到掃描型電子 顯微鏡、透過型電子顯微鏡等測量裝置而作為各種測量裝置來 使用。
權利要求
1.一種泵浦探針測量裝置，具備超短光脈沖激光產生部，其產生成為泵浦光的第一超短光脈沖列以及成為探針光的第二超短光脈沖列；延遲時間調整部，其調整上述第一超短光脈沖列以及第二超短光脈沖列的延遲時間；第一脈沖拾取器以及第二脈沖拾取器，其分別被入射上述第一超短光脈沖列以及第二超短光脈沖列，通過以任意的重復頻率使一個脈沖透過來降低光脈沖的有效重復頻率；延遲時間調制部，其周期性地變更由上述第一脈沖拾取器以及第二脈沖拾取器通過的光脈沖的選擇位置；測量部，其具有將上述泵浦光以及探針光照射到試樣上的照射光學系統(tǒng)，檢測來自該試樣的探針信號；以及鎖定檢測部，其以上述延遲時間調制部中的調制頻率對來自上述試樣的探針信號進行相位敏感檢測，其中，上述第一脈沖拾取器或者第二脈沖拾取器變更要透過的光脈沖的選擇位置，由此調制與透過了第二脈沖拾取器或者第一脈沖拾取器的光脈沖之間的延遲時間。
2. 根據(jù)權利要求l所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于， 上述脈沖拾取器由普克爾盒和偏振器構成，透過或者遮斷任意的光脈沖。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于，上述延遲時間調制部由以下部分構成光檢測器，其檢測 從上述超短光脈沖激光產生部產生的光脈沖；計數(shù)單元，其對 來自該光檢測器的脈沖信號進行計數(shù)；延遲單元，其被連接在 該計數(shù)單元上；以及上述脈沖拾取器的驅動單元。
4. 根據(jù)權利要求l所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于，上述超短光脈沖激光產生部構成為包含由摻鈦藍寶石激光 振蕩器構成的激光光源。
5. 根據(jù)權利要求l所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于， 上述延遲時間調整部由利用可移動鏡來調整光路長度的光學系統(tǒng)構成。
6. 根據(jù)權利要求1或4所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于，上述超短光脈沖激光產生部具備 一個超短光脈沖激光光 源；以及光學部件，其將由該超短光脈沖激光光源產生的超短 光脈沖分割為兩個來形成泵浦光和探針光。
7. 根據(jù)權利要求l所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于， 上述超短光脈沖激光產生部具備兩個超短光脈沖激光光源，將由各超短光脈沖激光光源產生的超短光脈沖分別作為泵 浦光以及探針光而入射到對應的脈沖拾取器。
8. 根據(jù)權利要求6或7所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于，上述超短光脈沖激光光源具備腔倒空器。
9. 根據(jù)權利要求l所述的泵浦探針測量裝置，其特征在于， 上述測量部構成為包含將泵浦光和探針光照射到試樣表面上的光學系統(tǒng)和對該探針光的反射光強度進行測量的光學系 統(tǒng)，輸出上述探針光的反射光強度作為探針信號。
10. —種掃描探針顯微鏡裝置，具備權利要求1至9中的任 一項所述的泵浦探針測量裝置，上述測量部還具備掃描隧道顯孩i鏡并輸出通過該掃描隧道 顯微鏡得到的探針信號，其中，上述掃描隧道顯微鏡對泵浦光 和探針光所照射的位置的局部物性進行測量。
11. 各種測量裝置，作為結構要素之一具備權利要求1至9 中的任 一 項所述的泵浦探針測量裝置。
全文摘要
泵浦探針測量裝置(1)具備超短光脈沖激光產生部(11)，其產生成為泵浦光的第一超短光脈沖列以及成為探針光的第二超短光脈沖列；延遲時間調整部(15)，其調整超短光脈沖列的延遲時間；第一以及第二脈沖拾取器(13、14)，其分別入射第一以及第二超短光脈沖列，通過以任意的重復頻率使一個脈沖透過來降低脈沖光的有效重復頻率；延遲時間調制部(10)，其周期性地變更從第一以及第二脈沖拾取器(13、14)通過的脈沖的選擇位置；照射光學系統(tǒng)(16)，其將泵浦光以及探針光照射到試樣(19)上；測量部(20)，其對來自試樣(19)的探針信號進行檢測；以及鎖定檢測部(18)。
文檔編號G01N21/01GK101595379SQ200780050609
公開日2009年12月2日 申請日期2007年11月28日 優(yōu)先權日2006年11月29日
發(fā)明者武內修, 重川秀實 申請人:獨立行政法人科學技術振興機構