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▶ モンスター センス テクノロジーズ，エルエルシーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-05-29
(54)【発明の名称】電子回路と方法
(51)【国際特許分類】
G01J 1/44 20060101AFI20240522BHJP
G01B 11/30 20060101ALI20240522BHJP
G01J 3/44 20060101ALI20240522BHJP
G01N 21/63 20060101ALN20240522BHJP
G01J 1/42 20060101ALN20240522BHJP
【ＦＩ】
G01J1/44 M
G01B11/30 A
G01J3/44
G01N21/63 Z
G01J1/42 Q
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023565150
(86)(22)【出願日】2022-04-20
(85)【翻訳文提出日】2023-11-02
(86)【国際出願番号】 US2022025503
(87)【国際公開番号】W WO2022226039
(87)【国際公開日】2022-10-27
(31)【優先権主張番号】63/176,928
(32)【優先日】2021-04-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＶＩＳＵＡＬ ＢＡＳＩＣ
２．ＪＡＶＡＳＣＲＩＰＴ
(71)【出願人】
【識別番号】523397735
【氏名又は名称】モンスター センス テクノロジーズ，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100195257
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 一志
(72)【発明者】
【氏名】マーチン、 エリック、 ダブリュー．
(72)【発明者】
【氏名】プルズ、 トーベン、 エル．
(72)【発明者】
【氏名】カンディフ、 スティーブン、 ティー．
【テーマコード（参考）】
2F065
2G020
2G043
2G065
【Ｆターム（参考）】
2F065AA49
2F065AA65
2F065CC19
2F065DD06
2F065GG04
2F065GG21
2F065HH04
2F065HH13
2F065JJ01
2F065JJ18
2F065LL12
2F065LL22
2F065LL57
2F065PP12
2F065PP22
2F065QQ15
2F065QQ23
2F065QQ28
2G020BA15
2G020CA04
2G020CB02
2G020CB23
2G020CB54
2G020CC32
2G020CC47
2G020CC54
2G020CC55
2G020CD24
2G020CD41
2G043AA03
2G043CA05
2G043EA04
2G043FA01
2G043FA02
2G043FA03
2G043GA06
2G043GA25
2G043GB21
2G043GB28
2G043HA01
2G043HA02
2G043HA06
2G043HA09
2G043KA08
2G043KA09
2G043LA01
2G043NA01
2G043NA04
2G065AA12
2G065AB16
2G065BA09
2G065BB14
2G065BB49
2G065BC04
2G065BC09
2G065BC22
2G065DA08
(57)【要約】
電子回路が信号処理エレクトロニクスを含む。電子回路は、関心信号及び一以上の変調周波数を含む材料上の一箇所からの光ビームに基づいて光検出器が生成する電気信号を受信する。電子回路は、関心信号の特性に比例する電気信号の一部分を、伝達関数がノッチを変調周波数の一つに対応するノッチ周波数に含む低域通過フィルタを使用して当該電気信号の他の成分から弁別する。電子回路は、電気信号の弁別された一部分から関心信号の特性に対する値を決定する。信号処理エレクトロニクスはさらに、関心信号の特性の値を出力する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
信号処理エレクトロニクスを含む電子回路であって、前記電子回路は、
電気信号を光検出器から受信することであって、前記電気信号は、材料上の一箇所からの光ビームに基づいて前記光検出器によって生成され、関心信号及び一以上の変調周波数を含むことと、
前記関心信号の少なくとも一つの特性に比例する前記電気信号の一部分を、フィルタを使用して前記電気信号の他の成分から弁別することであって、前記フィルタの伝達関数が、前記変調周波数のうちの一つに対応するノッチ周波数にノッチを含むことと、
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性に対する値を、前記電気信号の前記弁別された一部分から決定することと、
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性の前記値を出力することと
を行うように構成される、電子回路。
【請求項2】
前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数は前記変調周波数である、請求項１の電子回路。
【請求項3】
前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数は、前記変調周波数の復調の周波数である、請求項１の電子回路。
【請求項4】
前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームは、前記材料からの非線形光学応答を含む、請求項１の電子回路。
【請求項5】
前記材料からの前記非線形光学応答は、励起ビームへの応答であり、前記非線形光学応答はさらに、前記励起ビームの一成分の帯域幅内に波長を有する、請求項４の電子回路。
【請求項6】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性は、前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅である、請求項１から６のいずれか一項の電子回路。
【請求項7】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性はさらに、前記非線形光学応答の位相を含む、請求項６の電子信号。
【請求項8】
前記伝達関数が前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数を含む前記フィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタである、請求項１から７のいずれか一項の電子回路。
【請求項9】
前記フィルタの伝達関数は、前記一以上の変調周波数のそれぞれに対応する周波数にあるノッチ周波数を含み、前記一以上の変調周波数のそれぞれに対応する周波数は、（１）前記変調周波数又は（２）前記変調周波数の復調の周波数のそれぞれ一方である、請求項１から８のいずれか一項の電子回路。
【請求項10】
前記フィルタの待ち時間は、前記変調周波数のそれぞれに対応する前記ノッチ周波数のそれぞれの対応周期の整数倍である、請求項１から９のいずれか一項の電子回路。
【請求項11】
前記フィルタの前記待ち時間は１ミリ秒以下である、請求項１０の電子回路。
【請求項12】
前記電子回路は、前記関心信号の前記少なくとも一つの特性を含む前記電気信号の前記一部分を、前記フィルタの前記待ち時間のうちに弁別するように構成される、請求項１０又は１１の電子回路。
【請求項13】
前記待ち時間は、前記フィルタが受信済み材料測定値の移動平均を行う時間である、請求項１０から１２のいずれか一項の電子回路。
【請求項14】
前記待ち時間は、前記材料における前記一箇所を励起するべく使用される光ビームにあるパルスの周期の整数である、請求項１０から１３のいずれか一項の電子回路。
【請求項15】
前記一以上の変調周波数において光源を変調するように無線周波数信号を生成するべく構成される、請求項１から１４のいずれか一項の電子回路。
【請求項16】
前記変調周波数は第１変調周波数及び第２変調周波数を含み、前記関心信号を、前記光検出器から受信した前記信号から弁別することは、前記光検出器から受信した前記信号を、前記第１変調周波数と前記第２変調周波数との差分である復調信号によって復調することを含む、請求項１から１５のいずれか一項の電子回路。
【請求項17】
前記電子回路はさらに、前記第１変調周波数を含む第２信号を第２光検出器から受信することと、
前記第２変調周波数を含む第３信号を前記第２光検出器又は第３光検出器のいずれかから受信することと、
前記第２信号と前記第３信号との差分を形成することによって前記復調信号を生成することと
を行うように構成される、請求項１６の電子回路。
【請求項18】
前記材料上の一箇所は、データが収集及び格納される単位面積である、請求項１から１７のいずれか一項の電子回路。
【請求項19】
請求項１から１８のいずれか一項の電子回路を含むシステムであって、光検出器をさらに含む、システム。
【請求項20】
前記光検出器はフォトダイオードである、請求項１９のシステム。
【請求項21】
光学サブシステムをさらに含み、前記光学サブシステムは前記材料を励起させるべく使用される励起ビームを生成するように構成される、請求項１９又は２０のシステム。
【請求項22】
前記光学サブシステムは、前記電子回路が生成する一以上の無線周波数信号によってソース光ビームを変調して前記励起ビームを生成する、請求項２１のシステム。
【請求項23】
前記光学サブシステムは、前記一以上の無線周波数信号によってそれぞれが前記ソース光ビームを変調する一以上の音響光学変調器を含む、請求項２２のシステム。
【請求項24】
前記励起ビームは、第１変調周波数を備えるポンプビーム、及び第２変調周波数を備えるプローブビームを含む、請求項２１から２３のいずれか一項のシステム。
【請求項25】
前記材料上の一箇所を励起するべく使用される励起ビームに対する前記材料の相対的な位置を変えるスキャン機構をさらに含む、請求項１９から２４のいずれか一項のシステム。
【請求項26】
前記スキャン機構を介して一フレーム内の複数箇所をスキャンすることを行うようにさらに構成され、前記スキャンすることは、
各箇所に対し、前記励起ビームとその箇所との間の位置を調整することと、
その箇所において前記関心信号を弁別することと、
その箇所における前記関心信号の特性を格納することと、
次箇所へ動くことと
を含み、
一フレームは、前記複数箇所を含む前記材料上の一面積である、請求項２５のシステム。
【請求項27】
前記一フレーム内の前記複数箇所をスキャンした後、前記励起ビームの特性を変えて前記一フレームの第２スキャンを行うようにさらに構成される、請求項２６のシステム。
【請求項28】
前記励起ビームの前記特性を変えることは、第１変調周波数における第１変調済み光ビームと第２変調周波数における第２変調済み光ビームとの間の遅延を変えることを含む、請求項２７のシステム。
【請求項29】
前記第２スキャンの後、前記複数箇所のそれぞれの前記格納された特徴に基づいて超高速減衰を計算することを行うようにさらに構成される、請求項２７のシステム。
【請求項30】
一箇所における前記関心信号を弁別することと、前記一箇所における前記関心信号の前記特性を格納することと、１ミリ秒内に前記次箇所へ動くこととを行うようにさらに構成される、請求項２７のシステム。
【請求項31】
方法であって、変調光源を介して、一以上の変調周波数を含む光ビームによって材料上の一箇所を照らすことと、
光検出器を介して、関心信号を検出することであって、前記関心信号は、前記光ビームと前記材料との相互作用から得られる非線形光学プロセスによって生成される光であり、前記関心信号は、前記光ビームのスペクトル成分の１ＴＨｚのうちに周波数を有するスペクトル成分を含むことと、
電子回路によって、前記光検出器が前記関心信号の検出に応答して生成する電気信号を受信することと、
前記関心信号の少なくとも一つの特性を含む前記電気信号の一部分を、伝達関数がノッチを前記変調周波数のうちの一つに対応するノッチ周波数に含む低域通過フィルタを使用して前記電気信号の他の成分から弁別することと、
前記電気信号の前記弁別された一部分に基づいて、前記関心信号の前記少なくとも一つの特性を特定することと
を含む、方法。
【請求項32】
前記変調周波数のうちの一つに対応する前記ノッチ周波数は前記変調周波数である、請求項３１の方法。
【請求項33】
前記変調周波数の一つに対応する前記ノッチ周波数は、前記変調周波数の復調の周波数である、請求項３１の方法。
【請求項34】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性を出力することをさらに含む、請求項３１から３３のいずれか一項の方法。
【請求項35】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性は、前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅である、請求項３１から３４のいずれか一項の方法。
【請求項36】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性はさらに、前記関心信号の位相を含む、請求項３１から３５のいずれか一項の方法。
【請求項37】
前記伝達関数が前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数を含む前記フィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタである、請求項３１から３６のいずれか一項の方法。
【請求項38】
前記フィルタの伝達関数は、前記一以上の変調周波数のそれぞれに対応するノッチ周波数を含み、前記一以上の変調周波数のそれぞれに対応することは、（１）前記変調周波数、又は（２）前記変調周波数の復調の周波数のそれぞれ一つである、請求項３１から３７のいずれか一項の方法。
【請求項39】
前記フィルタの待ち時間は、前記変調周波数のそれぞれの対応周期の整数倍である、請求項３１から３８のいずれか一項の方法。
【請求項40】
前記フィルタの前記待ち時間は１ミリ秒以下である、請求項３９の方法。
【請求項41】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性を含む前記電気信号の前記一部分を弁別することは、前記フィルタの前記待ち時間のうちに行われる、請求項３１から４０のいずれか一項の方法。
【請求項42】
前記待ち時間は、前記フィルタが受信済み材料測定値の移動平均を行う時間である、請求項３９から４１のいずれか一項の方法。
【請求項43】
パルスの周期の整数における前記待ち時間は、前記材料において前記一箇所を励起するべく使用される光ビームである、請求項３９から４２のいずれか一項の方法。
【請求項44】
前記一以上の変調周波数において光源を変調して前記一以上の変調周波数を含む光ビームを生成するように無線周波数信号を生成することをさらに含む、請求項３１から４３のいずれか一項の方法。
【請求項45】
前記変調周波数は第１変調周波数及び第２変調周波数を含み、前記関心信号を前記信号から弁別することは、前記光検出器から受信した前記信号を、前記第１変調周波数と前記第２変調周波数との差分である復調信号によって復調することを含む、請求項３１から４４のいずれか一項の方法。
【請求項46】
前記第１変調周波数を含む第１信号を受信することと、前記第２変調周波数を含む第２信号を受信することと、
前記第１信号と前記第２信号との差分を形成することによって前記復調信号を生成することと
をさらに含む、請求項４５の方法。
【請求項47】
一フレーム内の複数箇所をスキャンすることをさらに含み、前記スキャンすることは、
各箇所に対し、前記光ビームとその箇所との間の位置を調整することと、
その箇所において前記関心信号を弁別することと、
その箇所における前記関心信号の特性を格納することと、
次箇所へ動くことと
を含み、
一フレームは、前記複数箇所を含む前記材料上の一面積である、請求項３１から４６のいずれか一項の方法。
【請求項48】
一箇所における前記関心信号を弁別することと、前記一箇所における前記関心信号の前記特性を格納することと、前記次箇所へ動くこととは１ミリ秒のうちに完了する、請求項４７の方法。
【請求項49】
請求項３１から４８のいずれか一項の方法を実行するように構成されるシステム。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本特許出願は、２０２１年４月２０日に出願された「材料パラメータの非破壊測定のための４波混合イメージング」との名称の米国仮特許出願第６３／１７６，９２８号の優先権を主張し、その全体が参照によりここに組み入れられる。
本特許出願は、２０２１年４月２０日に出願された「材料パラメータの非破壊測定のための４波混合イメージング」との名称の米国仮特許出願第６３／１７６，９２８号の優先権を主張し、その全体が参照によりここに組み入れられる。
【0002】
政府の許諾権
本発明は、全米科学財団により授与された付与番号第２０１５０６８号に基づく政府の支援によりなされた。政府は本発明に所定の権利を有する。
本発明は、全米科学財団により授与された付与番号第２０１５０６８号に基づく政府の支援によりなされた。政府は本発明に所定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
シリコン及び化合物半導体材料におけるランダムな欠陥は、これらの欠陥のサイトにおいて製造された回路素子、光学素子又は他の機能的素子を劣化させ又は非機能にし得る。光及び機械学習アルゴリズムを使用する標準的な技法により、欠陥の箇所を特定することはできるが、これらの欠陥の性質については情報がほとんど得られない。レーザを使用する超高速分光法によれば、欠陥の性質に関する不可的な情報を得ることができる。しかしながら現行システムは遅く、それゆえ典型的には実稼働環境において実用的ではない。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1】材料の特性を検出する例示的システムの図である。
【図5C】例示的指数低域通過フィルタ及び例示的移動平均フィルタの伝達関数を示す。
【図6A】例示的移動平均フィルタ応答及び例示的指数低域通過フィルタ応答の時間領域におけるグラフである。
【図6B】例示的移動平均フィルタ伝達関数及び例示的指数低域通過フィルタ伝達関数の周波数領域におけるグラフである。
【図7A】例示的試験シミュレーション信号の時間領域におけるグラフである。
【図7D】異なるフィルタタイプに対する変調周波数の抑制のグラフである。
【図8】材料に対するポンプ・プローブ測定を行う例示的プロセスのフロー図である。
【図9】材料の特性を検出する例示的システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
４波混合（ＦＷＭ）分光法及び顕微鏡法が、３次非線形光学応答により材料を測定するべく、超高速レーザ及び光学コンポーネントを使用する一連のパルスを利用する。一例において、材料を励起させるべく第１周波数において変調されたポンプ光ビーム振幅と第２周波数において変調されたプローブ光ビーム振幅が使用されるポンプ・プローブ測定を行うことができる。材料は、励起に基づいて、第１周波数と第２周波数との差において変調された非線形応答ビームを生成する。光検出器が、その非線形応答ビームを電気信号に変換する。その電気信号を復調した後、第１変調周波数及び第２変調周波数に対応する周波数において、ノッチとしても知られる最小値を備えた伝達関数を有する低域通過フィルタによりフィルタリングすることによって、関心信号の特性の値を、実稼働環境において実用的な持続時間で弁別することができる。さらなる例において、異なる変調周波数による付加的な光ビームを使用して同様の態様でフィルタリングする４波混合（ＦＷＭ）分光法が、材料に関する付加的な情報を与え得る。
【0006】
開示されるのは、信号処理エレクトロニクスを含む電子回路である。この電子回路は、光検出器から電気信号を受信することであって、当該電気信号は当該光検出器によって材料上の一箇所からの光信号に基づいて生成され、関心信号及び一以上の変調周波数を含むことと、当該関心信号の少なくとも一つの特性に比例する当該電気信号の一部分を、フィルタを使用して当該電気信号の他の成分から弁別することであって、当該フィルタの伝達関数は、当該変調周波数のうちの一つの変調周波数に比例するノッチ周波数にあるノッチを含むことと、当該関心信号の当該少なくとも一つの特性に対する一の値を、当該電気信号の当該弁別された一部分から決定することと、当該関心信号の当該少なくとも一つの特性の当該一の値を出力することとを行うように構成される。
【0007】
電子回路において、変調周波数に対応するノッチ周波数は変調周波数としてよい。
【0008】
電子回路において、変調周波数に対応する周波数は、変調周波数の復調の周波数としてよい。
【0009】
電子回路において、材料上の一箇所からの光ビームは、当該材料からの非線形光学応答を含んでよい。
【0010】
電子回路において、材料からの非線形光学応答は、励起ビームに対する応答であってよく、当該非線形光学応答はさらに、当該励起ビームの一成分の帯域幅内の波長を有してよい。
【0011】
電子回路において、関心信号の当該少なくとも一つの特性は、材料上の一箇所からの光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅であってよい。
【0012】
電子回路において、関心信号の当該少なくとも一つの特性はさらに、非線形光学応答の位相を含んでよい。
【0013】
電子回路において、変調周波数に対応するノッチ周波数を含む伝達関数を備えるフィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタであってよい。
【0014】
電子回路において、フィルタ伝達関数は、一以上の変調周波数のそれぞれに対応する周波数にあるノッチ周波数を含み、当該一以上の変調周波数のそれぞれに対応する周波数は、（１）変調周波数又は（２）当該変調周波数の復調の周波数のそれぞれ一方である。
【0015】
電子回路において、フィルタの待ち時間は、それぞれの変調周波数に対応するノッチ周波数の対応周期の整数倍としてよい。
【0016】
電子回路において、フィルタの待ち時間は１ミリ秒以下としてよい。
【0017】
電子回路はさらに、関心信号の当該少なくとも一つの特性を含む電気信号の一部分を、フィルタの待ち時間内に弁別するように構成され得る。
【0018】
電子回路において、待ち時間は、フィルタが受信済み材料測定値の移動平均を行う時間とすることができる。
【0019】
電子回路において、待ち時間は、材料の当該箇所を励起するべく使用される光ビームにおけるパルスの周期の整数としてよい。
【0020】
電子回路はさらに、一以上の変調周波数において光源を変調する無線周波数信号を生成するように構成され得る。
【0021】
電子回路において、変調周波数は第１変調周波数及び第２変調周波数を含んでよく、光検出器から受信した信号から関心信号を弁別することは、光検出器から受信した信号を、第１変調周波数及び第２変調周波数の差分である復調信号によって復調することを含んでよい。
【0022】
電子回路、電子回路はさらに、第２光検出器から第１変調周波数を含む第２信号を受信することと、第２光検出器又は第３光検出器のいずれかから第２変調周波数を含む第３信号を受信することと、第２信号及び第３信号の差分を形成することによって復調信号を生成することとを行うように構成され得る。
【0023】
電子回路において、材料上の一箇所は、データが収集及び格納される単位面積としてよい。
【0024】
さらに開示されるのは、上述した請求項のいずれかの電子回路を含むシステムであり、このシステムはさらに光検出器を含む。
【0025】
システムにおいて、光検出器はフォトダイオードとしてよい。
【0026】
システムはさらに光学サブシステムを含み、この光学サブシステムは、材料を励起するべく使用される励起ビームを生成するように構成される。
【0027】
システムにおいて、光学サブシステムは、電子回路が生成する一以上の無線周波数信号によってソース光ビームを変調して励起ビームを生成することができる。
【0028】
システムにおいて、光学サブシステムは、一以上の無線周波数信号によってソース光ビームをそれぞれ変調する一以上の音響光学変調器を含み得る。
【0029】
システムにおいて、励起ビームは、第１変調周波数を備えるポンプビームと、第２変調周波数を備えるプローブビームとを含み得る。
【0030】
システムはさらに、材料上の一箇所を励起するべく使用される励起ビームに対する当該材料の相対位置を変えるスキャン機構を含んでよい。
【0031】
システムはさらに、スキャン機構を介して一フレーム内の複数箇所をスキャンすることを行うように構成されてよく、このスキャンすることは、各箇所に対し、励起ビームと当該箇所との間の位置を調整することと、当該箇所において関心信号を分別することと、当該箇所における当該関心信号の特性を格納することと、次の箇所へと動くこととを含み、一フレームは、複数箇所を含む材料上の一面積である。
【0032】
システムはさらに、一フレーム内の複数箇所をスキャンした後、励起ビームの特性を変えて当該一フレームの第２スキャンを行うように構成されてよい。
【0033】
システムにおいて、励起ビームの特性を変えることは、第１変調周波数における第１変調済み光ビームと第２変調周波数における第２変調済み光ビームとの間の遅延を変えることを含んでよい。
【0034】
システムはさらに、第２スキャンの後、それぞれの箇所に対する超高速減衰を、当該それぞれの箇所の格納済み特性に基づいて計算するように構成されてよい。
【0035】
システムはさらに、一箇所における関心信号を弁別することと、当該一箇所における当該関心信号の特性を格納することと、１ミリ秒内に次の箇所へ動くこととを行うように構成されてよい。
【0036】
さらに開示されるのは方法であって、この方法は、変調済み光源を介して、一以上の変調周波数を含む光ビームによって材料上の一箇所を照らすことと、光検出器を介して関心信号を検出することであって、当該関心信号は、当該光ビームと当該材料との相互作用から得られる非線形光学プロセスにより生成された光であり、当該関心信号は、当該光ビームのスペクトル成分の１ＴＨｚ内の周波数を有するスペクトル成分であることと、電子回路によって、当該光検出器が当該関心信号の検出に応答して生成する電気信号を受信することと、伝達関数がノッチを変調周波数の一つに対応するノッチ周波数に含む低域通過フィルタを使用して、当該関心信号の少なくとも一つの特性を含む当該電気信号の一部分を、当該電気信号の他成分から弁別することと、当該電気信号の弁別済み部分に基づいて、当該関心信号の当該少なくとも一つの特性を特定することとを含む。
【0037】
方法において、変調周波数の一つに対応するノッチ周波数は、当該変調周波数である。
【0038】
方法において、変調周波数の一つに対応するノッチ周波数は、当該変調周波数の復調の周波数であってよい。
【0039】
方法はさらに、関心信号の当該少なくとも一つの特性を出力することを含んでよい。
【0040】
方法において、関心信号の当該少なくとも一つの特性は、材料上の一箇所からの光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅であってよい。
【0041】
方法において、関心信号の当該少なくとも一つの特性はさらに、関心信号の位相を含んでよい。
【0042】
方法において、変調周波数に対応するノッチ周波数を含む伝達関数を備えるフィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタであってよい。
【0043】
方法において、フィルタ伝達関数は、当該一以上の変調周波数のそれぞれに対応するノッチ周波数を含んでよい。ここで、当該一以上の変調周波数のそれぞれに対応することは、（１）変調周波数、又は（２）当該変調周波数の復調の周波数のそれぞれ一方である。
【0044】
方法において、フィルタの待ち時間は、変調周波数それぞれの対応周期の整数倍である。
【0045】
方法において、フィルタの待ち時間は１ミリ秒以下としてよい。
【0046】
方法において、関心信号の当該少なくとも一つの特性を含む当該電気信号の一部分を弁別することは、フィルタの待ち時間内に行われ得る。
【0047】
方法において、待ち時間は、フィルタが受信済み材料測定値の移動平均を行う時間である。
【0048】
システムにおいて、待ち時間は、材料の当該箇所を励起するべく使用される光ビームにおけるパルスの周期の整数としてよい。
【0049】
方法はさらに、一以上の変調周波数において光源を変調して当該一以上の変調周波数を含む光ビームを生成するように無線周波数信号を生成することを含んでよい。
【0050】
方法において、変調周波数は第１変調周波数及び第２変調周波数を含み、信号から関心信号を弁別することは、光検出器から受信した信号を、第１変調周波数と第２変調周波数との差分である復調信号によって復調することを含んでよい。
【0051】
方法はさらに、第１変調周波数を含む第１信号を受信することと、第２変調周波数を含む第２信号を受信することと、第１信号と第２信号との差分を形成することにより復調信号を生成することとを含んでよい。
【0052】
方法はさらに、一フレーム内の複数箇所をスキャンすることであって、各箇所に対し、光ビームと当該箇所との間の位置を調整することと、当該箇所における関心信号を弁別することと、当該箇所における当該関心信号の特性を格納することと、次の箇所へ動くこととを含み、一フレームは、当該複数箇所を含む材料上の一面積である。
【0053】
方法において、一箇所における関心信号を弁別することと、当該一箇所における関心信号の特性を格納することと、次箇所へ動くこととは１ミリ秒のうちに完了し得る。
【0054】
さらに開示されるのは上記方法を実行するように構成されるシステムである。
【0055】
図１は、材料１４０の特性を決定するべく変調済み光ビームによってポンプ・プローブ測定を行う例示的システム１００を示す。システム１００は、光源１０４、光学サブシステム１０５、光検出器１４４、スキャン機構１５４及び電子回路１６０を含む。電子回路１６０はさらに、出力信号Ｓ１６５を出力するポート１６５を含む。システム１００はさらに、コンピューティングデバイス１７０も含み得る。
【0056】
光源１０４は、一連のパルスを含むソース光ビーム（ソースビームＳ１１２）を生成する。一例として、超高速レーザを光源として使用することができる。市販の超高速レーザの一例は、５１００パトリックヘンリードライブ、サンタクララ、ＣＡ９５０５４を住所とするＣｏｈｅｒｅｎｔ社が製造するＣｈａｍｅｌｅｏｎ Ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ ＮＸである。
【0057】
ソースビームＳ１１２は典型的に、１００キロヘルツ（ｋＨｚ）から１ギガヘルツ（ＧＨｚ）までの範囲にある繰り返し周波数を有する。一例において、繰り返し周波数は１２０メガヘルツ（ＭＨｚ）であり、パルス間の時間は近似的に８．３ナノ秒（ｎｓ）である。超高速レーザが生成するパルスは典型的に、ピコ秒（ｐｓ）未満の長さを有し、例えば１５０フェムト秒（ｆｓ）である。レーザの中心波長は典型的に３００～２０００ナノメートル（ｎｍ）であり、このセクションは被測定材料に基づく。典型的な超高速レーザの帯域幅は５～３５テラヘルツ（ＴＨｚ）である。レーザ、又はレーザによりもたらされるいずれのビームも、連続生成を使用して５００ＴＨｚまで拡張することができる。光源によりもたらされる可能な連続生成のビームの少なくとも一つのスペクトルは、特定の関心材料を研究することに関連する波長をカバーする必要がある。例えば、ＭｏＳｅ２の単層における室温励起共鳴を測定するべく、７９０ｎｍ近くの中心周波数及び少なくとも５ＴＨｚの帯域幅を備える光源を使用することができる。
【0058】
光学サブシステム１０５は、第１変調器１１４（ＭＯＤ＿１）、第２変調器１１６（ＭＯＤ＿２）、遅延ブロック１１８、第１ビームスプリッタ１３０、第２ビームスプリッタ１３４及びレンズ１３８を含む。
【0059】
第１変調器１１４及び第２変調器１１６は、受信した光信号を、受信した無線周波数（ＲＦ）信号の周波数、位相及び振幅に基づいて変調することができるデバイスである。一例として、第１変調器１１４及び第２変調器１１６は音響光学変調器（ＡＯＭ）としてよい。市販の音響光学変調器の一例は、１０３４２バトルビューパークウェイ、マナサス、ＶＡ２０１０９を住所とするＩｓｏｍｅｔ社が製造するＭ１４０７－ＳＦ８０Ｌ－０ｐ５である。代替的に、第１変調器及び第２変調器１１４、１１６は、チョッパーのような電気光学変調器又は機械強度変調器としてもよい。
【0060】
図１に示されるように、光学サブシステム１０５は、光源１０４から第１ビームスプリッタ１３０までの２つの光信号経路、すなわち第１光路１０６及び第２光路１０７、を含む。第１光路１０６は、ポンプ経路１０６と称されることもあり、第１変調器１１４を含む。第２光路１０７は、プローブ経路１０７と称されることもあり、遅延ブロック１１８及び第２変調器１１６を含む。
【0061】
第１光路１０６において、第１変調器１１４は、第１周波数Ω１を有する第１無線周波数（ＲＦ）信号Ｓ１２２に基づいてソース光ビームＳ１１２を振幅変調して第１変調済み光ビームＳ１２６を生成する。周期的光源が使用される場合、第１周波数Ω１は、ソース光ビームＳ１１２の繰り返し周波数よりも低い周波数である。変調済み光ビームＳ１２６はここでは、ポンプビームＳ１２６と称されることもある。
【0062】
第２光路１０７において、第２変調器１１６は、第２周波数Ω２を備える第２ＲＦ信号Ｓ１２４に基づいてソース光ビームＳ１１２を変調して第２変調光ビームＳ１２８を生成する。周期的光源が使用される場合、第２周波数Ω２は第１周波数Ω１とは異なり、ソース光ビームＳ１１２の繰り返し周波数よりも低い。変調光ビームＳ１２８はここでは、プローブビームＳ１２８と称されることもある。
【0063】
遅延ブロック１１８は、プローブビームＳ１２８に対するポンプビームＳ１２６のタイミングを調整するべく使用され得る。一例において、遅延ブロック１１８は、光路の長さを調整することを許容する調整可能位置を備えるミラーである。これにより、当該ミラーによって反射される光ビームの、光ビームソースから光ビーム目的地までの通過時間の調整が許容される。第２光路１０７において、遅延ブロック１１８は、光源１０４からのソースビームＳ１１２を入力として受信し、ソースビームＳ１１２Ｄの遅延済みコピーを第２変調器１１６に出力する。ここで、遅延は調整可能である。
【0064】
第１光路１０６と第２光路１０７とは、第１ビームスプリッタ１３０において出会う。ここで、ポンプビーム１２６とプローブビームＳ１２８とが結合して、励起ビームＳ１３２（＝Ｓ１２６＋Ｓ１２８）を形成する。ここで、プローブビームＳ１２８におけるパルスのタイミングが、遅延ブロック１１８が生成する遅延に基づいて、ポンプビームＳ１２６のタイミングに対して調整される。
【0065】
レンズ１３８は、励起ビームＳ１３２を（励起ビームＳ１３２が変わらずに第２ビームスプリッタ１３４を通過した後に）受信し、励起ビームＳ１３２を材料１４０上の一箇所に向ける。励起ビームＳ１３２と材料１４０との非線形的な相互作用において、材料１４０が非線形応答ビームＳ１４２を生成する。非線形応答ビームＳ１４２は、プローブビームＳ１２８の帯域幅内に含まれる光学スペクトルを備える光ビームである。詳しくは、この非線形応答ビームのすべてのスペクトル成分が、プローブビームＳ１２８のスペクトル成分の１ＴＨｚ以内にある。非線形応答ビームＳ１４２はここでは、関心信号Ｓ１４２と称されることもある。この区別をする理由は、非線形的な光学プロセスが、新たな波長の光をもたらすにもかかわらず、このほぼ縮退している非線形信号、すなわちプローブビームとほぼ同じ波長を有する非線形信号は、光学スペクトルフィルタを使用して分離することができないからである。非線形信号を分離するべく光学スペクトルフィルタを使用することができないので、ここに開示される技法のような電気フィルタが必要とされるのである。材料１４０は付加的に、励起ビームＳ１３２に応答して線形応答ビームＳ１３３も放射及び／又は反射する。線形応答ビームＳ１３３は、励起ビームＳ１３２と同じスペクトル成分を含む。
【0066】
非線形応答ビームＳ１４２は、線形応答ビームＳ１３３と一緒にレンズ１３８を通過して第２ビームスプリッタ１３４まで戻る。ビームスプリッタ１３４は、非線形応答ビームＳ１４２及び線形応答ビームＳ１３３がその後、光検出器１４４に向けられるように配列される。
【0067】
光検出器１４４は、フォトダイオードとしてよく、線形応答ビームＳ１３３とともに非線形応答ビームＳ１４２を検出する。非線形応答ビームＳ１４２及び線形応答ビームＳ１３３からの励起に基づいて、光検出器１４４は（電気）光検出器出力信号Ｓ１４６を生成する。光検出器出力信号Ｓ１４６は、電子回路１６０に入力される。電子回路１６０は、図２及び図５Ａ～図５Ｅを参照して以下に説明されるように、光検出器出力信号Ｓ１４６を処理して関心信号Ｓ１４２の一以上の特性の値を抽出する。関心信号Ｓ１４２の一以上の特性の値は振幅を含み、関心信号Ｓ１４２の位相も含んでよい。
【0068】
システム１００は、材料１４０に対する励起ビーム１３２の位置を調整／変更するスキャン機構１５４を含む。一例において、スキャン機構１５４は、材料１４０を並進又は回転させる。一箇所における測定を完了した後、材料１４０を、システム１００のレンズ１３８が材料１４０の他の箇所に向けられるように変位させることができる。一箇所はここでは一画素とも称される。ここで、一画素とは材料１４０上の単位面積であり、この画素に対し、測定プロセス中にデータが収集及び格納される。代替的に、いくつかのスキャン機構１５４が、レンズ１３８（典型的には顕微鏡対物レンズ）の光路にある検流計スキャナを使用して材料１４０に対して励起ビーム１３２を動かす一方で、材料１４０を静止したまま保持するように設けられる。
【0069】
電子回路１６０は、システム１００に対する複数のオペレーションを行うことができる。このオペレーションは、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８を生成するべくＲＦ信号を生成することと、遅延ブロック１１８が生成する遅延のような光学サブシステムのパラメータを調整することと、関心信号Ｓ１４２の特性の値を決定するべくフォトダイオード出力信号Ｓ１４６を弁別することと、スキャン機構１５４、及び光源１０４のようなシステム１００の他の素子を制御することと、関心信号Ｓ１４２の特性の値を、計算デバイス１７０のようなコンピューティングデバイス若しくはディスプレイにデジタル値として出力し、又は当該値をアナログ出力信号として出力することとを含む。電子回路１６０は、抵抗器、キャパシタ、インダクタ及びトランジスタのような電子コンポーネントを含む。これはさらに、論理ゲート、フリップフロップ及びレジスタのような論理素子も含む。これはなおもさらに、一以上のプロセッサ及び一以上のデータ格納素子も含んでよい。一例において、電子回路１６０は、システム１００における他の素子のオペレーションについてのセットアップ、調整又は実行のためのプロセッサのための命令を格納して材料１４０から収集されたデータも格納することができる格納素子を含んでよい。電子回路１６０は、一以上のＦＰＧＡ、集積回路、及び／又はセラミック基板のようなプリント回路ボード若しくは基板上の回路であってよく、又はこれらを含んでよい。
【0070】
図１に示されるように、電子回路１６０は、ＲＦ生成サブ回路１６２、信号処理サブ回路１６４及び制御サブ回路１６６を含む一以上のサブ回路を含んでよい。これらのサブ回路はそれぞれが、それぞれのサブ回路に関連する機能を行うソフトウェアモジュール、ファームウェアモジュール又はハードウェアモジュールの一つ又は任意の組み合わせとしてよい。
【0071】
ＲＦ生成サブ回路１６２は、ソース光ビームＳ１１２を変調するＲＦ信号を生成し、ポンプ光ビームＳ１２６及びプローブ光ビームＳ１２８のような変調済み光ビームを生成する。詳しくは、図１の例において、ＲＦ生成サブ回路１６２が、第１周波数Ω１を備える第１ＲＦ信号Ｓ１２２、及び第２周波数Ω２を備える第２ＲＦ信号Ｓ１２４を生成する。
【0072】
信号処理サブ回路１６４が、光検出器１４４からの出力信号Ｓ１４６を受信及び処理し、出力信号Ｓ１４６に含まれる関心信号Ｓ１４２の特性の値を決定する。信号処理サブ回路１６４のオペレーションが図２を参照して以下に説明される。
【0073】
制御サブ回路１６６が、システム１００のオペレーションを制御し得る。制御サブ回路１６６は、例えば、ＲＦ生成サブ回路１６２が生成する信号Ｓ１２２及びＳ１２４それぞれの周波数Ω１及びΩ２を選択し、遅延ブロック１１８が生成する遅延を選択することができる。制御サブ回路１６６はさらに、復調周波数のような信号処理サブ回路１６４において行われる信号処理のためのパラメータ、並びに使用されるフィルタのタイプ、当該フィルタの係数、及び当該フィルタの一以上の時定数のような信号フィルタリングのためのパラメータを選択することができる。これにより、画素待ち時間が決定される。制御サブ回路１６６はさらに、スキャン機構１５４が行うスキャンのステップベクトル（長さ及び方向）及びステップタイミングのようなパラメータを制御することができる。なおもさらに、制御サブ回路１６６は、材料１４０の測定中に電子回路１６０が収集するデータの出力を制御することができる。
【0074】
以下に説明されるように、制御サブ回路１６６は、ＲＦ生成サブ回路１６２が生成する周波数、及び信号処理サブ回路１６４において行われるフィルタリングのパラメータを、材料１４０に適用されるポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８の変調周波数に対応する周波数が、信号処理サブ回路１６４によって適用されるフィルタリングの伝達関数におけるノッチによって抑制されるように、選択することができる。以下の説明のように、いくつかの場合、変調周波数に対応する周波数は実際の変調周波数である。他の場合、変調周波数に対応する周波数は、復調信号によって変調信号を復調して得られる周波数である。電子回路１６０はさらに、信号処理サブ回路１６４からのデータを、計算デバイス１７０、ディスプレイ、又はオシロスコープ等の測定デバイスのようなデバイスへ出力するポート１６５を含む。ポート１６５は、異なるデジタルバス構成をサポートし、又は一以上のアナログ信号の出力をサポートする一以上の電気接続部を含んでよい。
【0075】
システム１００はさらに、計算デバイス１７０も含み得る。計算デバイス１７０は、ラップトップコンピュータ、デスクトップコンピュータ、携帯電話機等としてよい。計算デバイス１７０は、一以上のプロセッサ及び一以上のメモリを含んでよく、デジタル通信を、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１、ブルートゥース（登録商標）のような無線規格に従って、又はユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、イーサネット（登録商標）若しくは周辺機器相互接続（ＰＣＩ）のような有線通信を介して受信するようにプログラムされてよい。
【0076】
計算デバイス１７０はさらに、電子回路１６０からの出力Ｓ１６５を受信するようにプログラムされてよい。ここで、当該出力は、材料１４０上の複数箇所についての関心信号Ｓ１４２の特性に比例する値を示すデジタルデータとしてよい。計算デバイス１７０は、その値を、材料１４０上のそれぞれの箇所とともに格納してよい。計算デバイス１７０はさらに、欠陥のような複数箇所における材料の特性が識別できるようにデータをグラフィカルに、例えばディスプレイ上に提示するようにプログラムされてよい。
【0077】
図２は、信号処理サブ回路１６４において行われる信号処理を示すブロック図である。図２に示されるように、信号処理サブ回路１６４は、差分生成器２０２、ロックインタイプ検出器２０６及び出力エレクトロニクス２２０を含む。一例において、ロックインタイプ検出器２０６は混合器２０８及び低域通過フィルタ２１２を含む。低域通過フィルタ２１２が移動平均フィルタである場合、ロックインタイプ検出器２０６はボックスロックイン検出器とも称される。信号処理サブ回路１６４は、例えば、フィルタのタイプ、フィルタ２１２の係数、及びフィルタ２１２の単数又は複数の時定数のような、フィルタ２１２のパラメータを調整するようにプログラムされ得る。
【0078】
信号処理サブ回路１６４における差分生成器２０２は、周波数Ω１を備える変調信号Ｓ１２２及び周波数Ω２を備える変調信号Ｓ１２４を入力として受信し、Ω１－Ω２に等しい周波数を備える差分信号Ｓ２０４を生成する。差分信号Ｓ２０４はここでは、復調信号Ｓ２０４と称されることもある。
【0079】
次のステップとして、信号処理サブ回路１６４におけるロックインタイプ検出器２０６は、光検出器出力信号Ｓ１４６を入力として受信する。この例において、ロックインタイプ検出器２０６は混合器２０８及び低域通過フィルタ２１２を含む。混合器２０８は、光検出器出力信号Ｓ１４６を復調信号Ｓ２０４と混合する。混合器２０８の出力は信号Ｓ２１０である。信号Ｓ２１０は、光検出器出力信号Ｓ１４６及び復調器信号Ｓ２０４における周波数に基づいて複数の周波数にある信号を含み、０Ｈｚ（ゼロヘルツ）にある信号も含む。複数の周波数にある信号（０Ｈｚにある信号を除く）は、ポンプ信号Ｓ１２６及びプローブ信号Ｓ１２８の変調周波数の復調を含む。０Ｈｚにある信号は、関心信号の特性の値を含む。詳しくは、０Ｈｚにある信号の少なくとも振幅が、関心信号Ｓ１４２の振幅に比例する。
【0080】
低域通過フィルタ２１２は、信号Ｓ２１０をフィルタリングし、関心信号Ｓ１４２の少なくとも一つの特性に比例する値を含む電気信号Ｓ１４６の一部分を電気信号Ｓ１４６の他の成分から弁別して信号Ｓ２１４を生成する。得られた信号Ｓ２１４は、関心信号Ｓ１４２の少なくとも一つの特性を含む。一例において、低域通過フィルタ２１２は移動平均フィルタであり、この場合、ロックインタイプ検出器２０６はボックスロックイン検出器２０６と称される。移動平均フィルタは、時間領域において固定数のサンプルの移動平均を行い、周波数領域においてフィルタ２１２の伝達関数に一以上のノッチを有することを特徴とする。移動平均フィルタはさらに、一サンプルの周期を乗じた移動平均に含まれるサンプルの数に等しい待ち時間を特徴とする。
【0081】
図５Ａ～図５Ｅを参照して以下に説明されることだが、伝達関数におけるノッチが励起ビーム１３２の周波数変調に対応するように移動平均フィルタを設計することにより、伝統的な指数低域通過フィルタの時定数と比べて相対的に短い待ち時間で励起ビーム１３２に含まれる信号を強く抑制することができる。移動平均フィルタの伝達関数のノッチを配置することは、抑制対象の変調の周期の整数倍となる待ち時間を選択することと、システム１００を、すべての変調周期がサンプル周期の整数倍となるように設計することとによって達成することができる。関心信号の特性を測定するには、待ち時間もまた、関心信号の基本変調周波数の周期の整数倍とする必要があり、この関心信号の基本変調周波数は、いずれの他の変調周波数の倍音であってはならない。ここで、ソース光ビームＳ１１２におけるパルスの繰り返し率に等しいサンプルレートが使用される。サンプル周期はパルス間の時間である。これらの移動平均フィルタ条件が正しく設定されると、ボックスロックイン検出器２０６における移動平均フィルタ２１２の伝達関数が、励起ビーム１３２の変調周波数に対応する周波数にノッチを有することにより、混合器２０８及び移動平均フィルタ２１２を含むボックスロックイン検出器２０６が、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８の変調周波数を有効に抑制する。
【0082】
出力エレクトロニクス２２０は、関心信号Ｓ１４２の特性に比例する値を含む信号Ｓ２１４を受信し、ポート１６５に出力される出力信号を生成する。一例において、出力信号Ｓ１６５は、ポート１６５を介して計算デバイス１７０のような計算デバイスへ出力されるデジタル値、ディスプレイへ出力されるデジタル値、又は、オシロスコープのようなアナログ測定デバイスが受信し得るポート１６５へ出力されるアナログ値としてよい。いくつかの場合、出力エレクトロニクス２２０は、信号Ｓ２１４をポート１６５へ直接出力してよい。他の場合、出力エレクトロニクスは、信号Ｓ２１４をユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）（登録商標）のようなバスを介する送信のためのフォーマットに変換してよい。他の場合、出力エレクトロニクス２２０はデジタル信号Ｓ２１４を、例えば、デジタル・アナログ変換器を使用してアナログ信号に変換してよく、関心信号Ｓ１４２の特性に比例するアナログ信号を出力してよい。
【0083】
【0084】
図３Ａは、光源１０４からのソースビームＳ１１２を時間領域で示す。一例において、ソースビームＳ１１２の繰り返し周波数（すなわちパルス周波数）は１２０ＭＨｚであり、近似的に８．３ｎｓのパルスの周期が得られる。
【0085】
この例において、ＲＦ生成サブ回路１６２は、６０ＭＨｚの第１周波数Ω１を有する第１信号Ｓ１２２、及び４０ＭＨｚの第２周波数を有する第２信号Ｓ１２４を生成する。第１信号Ｓ１２２は、ポンプビームＳ１２６を生成するべく第１変調器１１４を介してソースビームＳ１１２を振幅変調するように使用される。第２信号Ｓ１２４は、プローブビームＳ１２８を生成するべく第２変調器１１６を介してソースビームＳ１１２を振幅変調するように使用される。図３Ｂは、ポンプビームＳ１２６を時間領域で示す。図３Ｃは、プローブビームＳ１２８を時間領域で示す。
【0086】
第２ビームスプリッタ１３４は、ポンプビームＳ１２６とプローブビームＳ１２８とを結合して一つの励起ビームＳ１３２にする。励起ビームＳ１３２は、図３Ｄにおいて時間領域で示される。この例において、遅延ブロック１１８が生成する遅延はゼロに設定されるので、ポンプビームＳ１２６とプローブビームＳ１２８との間に時間的なオフセットは存在しない。図３Ｄに示されるように、励起ビームＳ１３２は、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８のパルスのそれぞれにおいてパルスを有する。（ソースビームＳ１１２からのパルス数に示される）０、６及び１２のパルス繰り返しにおいて、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８は双方とも最大である。非ゼロ遅延を備えるシステムにおいて、プローブビームＳ１２８は、ポンプビームＳ１２６に関連する遅延を有する。
【0087】
励起ビームＳ１３２は、上述したように、レンズ１３８を介して材料１４０へと向けられる。材料１４０は、励起信号Ｓ１３２との相互作用を介して、ポンプ・プローブ信号Ｓ１４２又は関心信号Ｓ１４２とも称される非線形応答ビームＳ１４２を生成する。図３Ｅは、非線形応答ビームＳ１４２を時間領域で示す。見えることだが、非線形応答ビームＳ１４２のみが、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８が同時発生するときに時間領域においてピークを有する。なお、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８が、非線形応答信号Ｓ１４２においてパルスを生成する時刻において重なる必要はない。むしろ、プローブビームＳ１２８は、ポンプビームＳ１２６に対してサンプルが測定可能な応答を示す期間内に生じる必要がある。この期間はサンプル減衰時間と称される。サンプル減衰時間は、被測定物質に固有の特性であり、１ｆｓ未満から１ｓ超過の範囲を取り得る。
【0088】
【0089】
図４Ａは、周波数領域におけるソースビームＳ１１２の表現である。これは、ＤＣにおける無線周波数成分を示し、レーザ繰り返し率の倍音すべてを示す。これは、図４Ａにおける整数のセットである。繰り返し周波数が１２０ＭＨｚであるこの例において、無線周波数スペクトルは、光検出器１４４の帯域幅内にある１２０ＭＨｚの倍音ごとに特徴を有する。
【0090】
図４Ｂは、ポンプビームＳ１２６の周波数領域におけるグラフである。これは、０．５周波数繰り返し単位の倍音において顕著な特徴を有する。ここで、これはポンプ変調周波数Ω１である。この例において、ポンプ変調周波数Ω１は６０ＭＨｚである。
【0091】
図４Ｃは、プローブビームＳ１２８の周波数領域におけるグラフを示す。これは、０．３３繰り返し単位の倍音において顕著な特徴を有する。ここで、これはプローブ変調周波数Ω２である。この例において、プローブ変調周波数Ω２は４０ＭＨｚである。
【0092】
図４Ｄは、応答ビームＳ１４２のグラフを示す。応答ビームＳ１４２は、０．１７繰り返し周波数単位においてピークを有する。これは、Ω１とΩ２との差分に対応する。この特徴は一意的であるが、応答信号Ｓ１４２が非常に弱く、典型的に、光検出器１４４に衝突する他の信号よりも少なくとも６桁（ｏｒｄｅｒ ｏｆ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）は低い。関心信号を含むこの特徴を弁別するために、データ処理は、Ｓ１４２においてポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８それぞれから得られる変調周波数Ω１及びΩ２を強力に、例えば１０７倍まで、抑制する必要がある。
【0093】
図５Ａは、光検出器出力信号Ｓ１４６の周波数領域におけるグラフである。見えることだが、これは０．１７繰り返し単位にピークを含む。このピークは関心信号に比例する。
【0094】
信号処理サブ回路１６４における混合器２０８は、復調信号Ｓ２０４によって信号Ｓ１４６を復調して復調済み出力信号Ｓ２１０を生成する。ここで、復調信号Ｓ２０４はΩ１－Ω２の周波数を有する。
【0095】
図５Ｂは、復調済み出力信号Ｓ２１０の周波数領域におけるグラフである。ＤＣにおける特徴、すなわちゼロヘルツにおける特徴が関心信号である。
【0096】
図２を参照して上述したように、復調の後に信号Ｓ２１０はフィルタリングされる。従来、低域通過指数関数フィルタは、混合器による復調の後に適用され、ここでは指数関数ロックイン検出器と称される標準的なロックイン検出器の信号処理と同一の信号処理が得られる。指数関数フィルタは、その指数関数状の伝達関数の減衰時間を設定するその時定数とフィルタ次数とによって定義される。図５Ｃは、４次低域通過指数関数フィルタに対する伝達関数５０４の一例を示す。
【0097】
代替例として、簡単な移動平均フィルタを低域通過フィルタ２１２として使用してよい。その結果得られる混合器２０８及び移動平均フィルタ２１２を含むシステムは、ここではボックスロックイン検出器２０６と称される。図５Ｃは、可能な限り最短の積分時間を備える移動平均フィルタ２１２に対する例示的伝達関数５０２を示す。ここで、最短の積分時間は、１／（Ω１－Ω２）に等しい非線形変調の単一期間である。見えることだが、移動平均フィルタの伝達関数５０２は複数のノッチを有する。これらのノッチに生じる信号は、他の信号よりも強力に抑制される。
【0098】
図５Ｄは、ボックスロックイン検出器により信号Ｓ１４６をフィルタリングした結果Ｓ２１４ｂｏｘを示す。このフィルタリングは、混合ステップ及び伝達関数５０２による低域通過フィルタリングの双方を含む。図５Ｅは、指数関数ロックイン検出器により信号Ｓ１４６をフィルタリングした結果Ｓ２１４ｅｘｐを示す。このフィルタリングは、混合ステップ及び伝達関数５０４による低域通過フィルタリングの双方を含む。見えることだが、ポンプビームＳ１２６及びプローブビームＳ１２８に関連付けられる変調周波数の復調から得られる復調周波数を含む復調周波数が、ボックスフィルタによってフィルタリングされた信号Ｓ２１４ｂｏｘにおいて抑制されている。これらの復調周波数は、指数関数フィルタによってフィルタリングされた信号Ｓ２１４ｅｘｐにおいては存在したままである。
【0099】
これら２つのフィルタを、広範囲の積分時間にわたってシミュレーションすることにより、定義されたパラメータ空間内のボックスロックイン検出器が、すべての有効な時定数に対して指数関数ロックイン検出器よりも優れていることがわかる。図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、これら２つのタイプのフィルタの時間領域応答及び周波数領域応答を示す。曲線６０２及び６０６はそれぞれ、移動平均フィルタの時間領域及び周波数領域における伝達関数を示す。曲線６０４及び６０８はそれぞれ、指数低域通過フィルタの時間領域及び周波数領域における伝達関数を示す。
【0100】
曲線６０２を参照すると、ボックスロックイン検出器２０６における低域通過フィルタ２１２が移動平均フィルタ２１２である。これは、平均化関数におけるサンプル数Ｎに等しい待ち時間を特徴とする。この待ち時間は、図６Ａの曲線６０２におけるパルスの幅に対応する。移動平均フィルタ２１２の利点は、周波数領域応答がノッチを含むことにある。ここで、ノッチは、図６Ｂにおいて曲線６０６に示される伝達関数における最小値である。ボックスロックイン検出器２０６の待ち時間と変調周波数とを選択することによって、伝達曲線におけるノッチを、ポンプ変調周波数Ω１及びプローブ変調周波数Ω２に対応する周波数に整列させることができる。これにより、これらの信号の有効な抑制が得られる。この例において使用される混合ステップゆえに、移動平均フィルタのノッチ周波数が、Ω１－Ω２である基準周波数と混合されたポンプ周波数及びプローブ周波数に配置される。混合の後、ポンプ周波数に対応する周波数がΩ２、及び２Ω１－Ω２となり、プローブ周波数に対応する周波数がΩ１、及び２Ω２－Ω１となる。移動平均フィルタはまた、Ω１－Ω２においてノッチも有する。信号Ｓ１４６の０Ｈｚ部分は、周波数Ω１－Ω２までシフトされている。このタイプのフィルタにより、ボックスロックイン検出器にとっての検出時間が指数関数ロックイン検出器よりも低減される。
【0101】
ボックスロックイン検出器２０６の移動平均フィルタ２１２の応答におけるノッチの整列は、２つの条件を満たすことによって達成することができる。第１に、移動平均フィルタ２１２の待ち時間を、抑制対象の各周波数の周期の整数にする必要がある。第２に、すべての変調周期を、サンプル周期の整数倍にする必要がある。ここで、サンプル周期は、信号処理エレクトロニクスによってデジタル化される光検出器１４４から測定されるデータポイント間の時間である。サンプルレートは、その基本的な限界において、ソースビームＳ１１２の繰り返し率に等しい。ソースビームＳ１１２の繰り返し率よりも低いサンプルレートも使用することができる。
【0102】
上記例において、ソースビームＳ１１２の繰り返し率は１２０ＭＨｚであり、ポンプビーム周波数は６０ＭＨｚであり、プローブビーム周波数は４０ＭＨｚであり、移動平均フィルタ待ち時間は５０ｎｓの任意の整数倍としてよい。移動平均フィルタの周波数領域応答は、２０ＭＨｚの正の倍数及び負の倍数にノッチを有する。
【0103】
上記ボックスロックイン検出器２０６は、ノッチが抑制対象周波数に配置されるように設計され得るシステムの一例にすぎない。他の有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ及び無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタを、対応する復調周波数を抑制するべくノッチがノッチ周波数に配置されるように作ることができる。これらのフィルタは、ロックインタイプ検出器の他例において混合器の前段又は後段に配置してよい。フィルタが混合器の前段に配置される場合、変調周波数に対応する周波数は変調周波数に等しい。ボックスロックイン検出器２０６とほぼ等価な伝達関数による信号処理方法は、離散フーリエ変換の使用である。ここで、関心信号を除くすべての周波数に対する係数はゼロに設定され、関心信号の周波数に対する係数のみが出力される。ＩＩＲフィルタを使用するノッチ実装例も使用可能性のあるものとして存在する。ただし、この実装例は、有限インパルス応答フィルタの使用よりも長い待ち時間を必要とする。
【0104】
図７Ａ～図７Ｄは、関心信号を含む変調以外の変調信号をノッチが抑制するフィルタを使用することの利点を示す。図７Ａは、３つのパルス変調済みバーストの時間領域におけるグラフである。第１バースト７０２はΩ１に対応する変調周波数である。第２バースト７０４はΩ２に対応する変調周波数であり、第３バースト７０６はΩ１－Ω２に対応する変調周波数である。３つのバーストすべてに白色雑音バックグラウンドが重畳される。
【0105】
シミュレーションを介すると、これら３つのパルスバーストはポンプ・プローブ周波数を使用して復調され、得られた信号が、従来型の４極（４－ｐｏｌｅ）指数関数フィルタ、及び有限インパルス応答（ＦＩＲ）ボックスフィルタを通過した。
【0106】
図７Ｂは、これらのバーストそれぞれの、４極指数関数フィルタによる復調及びフィルタリング後の検出を示す。バースト７０８はΩ１において変調された信号のブレークスルーを示し、バースト７１０はΩ２のブレークスルーを示し、バースト７１２はΩ１－Ω２の検出を示す。
【0107】
図７Ｃは、これらのバーストそれぞれの、変調済み信号がＦＩＲ移動平均フィルタを通過した後の検出を示す。バースト７１４はΩ１変調の信号の最小ブレークスルーを示し、バースト７１６はΩ２の最小ブレークスルーを示し、バースト７１８はΩ１－Ω２の検出を示す。図７Ｂ及び図７Ｃはともに、ボックスロックイン検出器によるΩ１及びΩ２変調周波数の優れた抑制を示す。
【0108】
図７Ｄにおいて、Ω１及びΩ２変調周波数の抑制が、一定範囲のサンプリング周期について様々なロックイン検出器フィルタタイプに対して比較される。ここで、線形干渉信号（すなわち変調周波数）は、光検出器においてポンプ・プローブ信号Ｓ１４２よりもかなり強力である。信号が少なくとも１桁だけバックグラウンドを超えるには、１０７以上のオーダーの抑制が必要となり得る。曲線７２０（Ｂｏｘ）は、ボックスロックイン検出器による変調周波数の抑制を、フィルタ待ち時間におけるサンプルの数の関数として示す。曲線７２２（４－ｐｏｌｅ）は、４極指数関数ロックイン検出器の変調周波数抑制を、フィルタ待ち時間におけるサンプルの数の関数として示す。曲線７２４（１－ｐｏｌｅ）は、１極指数関数フィルタについての変調周波数抑制を、フィルタ待ち時間におけるサンプルの数の関数として示す。迅速なイメージングに必要とされる低いサンプリング周期に対し、ボックスロックイン検出器は、Ω１及びΩ２の変調周波数において指数関数ロックイン検出器よりもかなり有効である。
【0109】
図７Ｄにおける待ち時間又は時定数の軸の単位は、ここではレーザの繰り返し率に等しくなるように設定されたサンプリング周期によって正規化される。
【0110】
ここに記載のポンプ・プローブ測定は、測定される材料の特性を決定するべく使用することができる。ポンプ及びプローブの帯域幅に応じて、高いポンプ・プローブ信号が、材料の欠陥又は高品質（欠陥なしの）材料のいずれかを示し得る。半導体のバンドギャップよりもわずかに下回るエネルギーにチューニングされる同じ光学帯域幅をカバーするポンプビーム及びプローブビームにとって、関心信号の高い振幅は、測定される箇所における欠陥の指標となり得る。励起子共鳴を示すＭｏＳｅ２のような半導体において励起子共鳴に整合するようにチューニングされる同じ光学帯域幅をカバーするポンプビーム及びプローブビームにとって、関心信号の低い振幅は、測定された箇所において劣化したサンプルの指標となり得る。異なる光学帯域幅を有するポンプビーム及びプローブビームにとって、高い又は低いポンプ・プローブ信号に基づいて欠陥を特定するべく他の欠陥を使用することができる。非線形イメージングの一サブセットを誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）顕微法と称する。ここで、ポンプビーム及びプローブビームは、材料の特定の振動モードを共鳴励起するべくチューニングされる。当該振動ラマンモードもまた良好な欠陥指標となり得る。
【0111】
図８は、例示的システム１００を用いて材料１４０に対するポンプ・プローブイメージング測定を行う例示的プロセス８００のフロー図である。この文脈において、フレームとは、一つのパルス減衰によって測定される２以上の画素を含む材料１４０上の一面積である。この文脈において、画素とは、データが収集及び格納される材料１４０上の一箇所である。例えば、当該箇所は、デカルト座標系又は動径座標系のいずれかにおける座標に基づいて特定され得る。プロセス８００はブロック８０２から開始する。
【0112】
ブロック８０２において、材料１４０を測定するためのパラメータが設定される。例えば、電子回路１６０における制御サブ回路１６６は、ユーザからの入力に基づいて信号Ｓ１２２に対して変調周波数Ω１を設定し、信号Ｓ１２４に対して変調周波数Ω２を設定し、遅延ブロック１１８にわたる遅延を設定することができる。制御サブ回路１６６はさらに、信号処理サブ回路１６４が行うフィルタリングのタイプも設定することができる。ボックスロックイン検出器のタイプを選択する場合、制御サブ回路１６６は待ち時間を設定することができる。さらに、制御サブ回路１６６は、材料１４０をスキャンするためのパラメータも設定することができる。例えば、制御サブ回路１６６は、デカルト座標又は動径座標のいずれかにおいて一箇所から次箇所までの材料１４０に沿ったステップベクトル（サイズ及び方向）を設定することができる。測定及びスキャンのパラメータを設定すると、プロセス８００はブロック８０４へと続く。
【0113】
ブロック８０４において、制御サブ回路１６６は、材料１４０上の一箇所において測定を行う。上述したように、光源１０４がソースビームＳ１１２を生成する。第１変調器１１４及び第２変調器１１６を介して電子回路１６０が、周波数Ω１を備えるポンプビームＳ１２６及び周波数Ω２を備えるプローブビームＳ１２８を生成する。いくつかの場合、電子回路１６０は、ポンプビームＳ１２６とプローブビームＳ１２８との間に遅延ブロック１１８を介して時間的な遅延を確立することができる。光学コンポーネントを介して、ポンプビームＳ１２６とプローブビームＳ１２８とが結合されて励起ビームＳ１３２が形成され、励起ビームＳ１３２は材料１４０上の一箇所に向けられる。材料１４０は、光検出器１４４に向けられる非線形応答ビームＳ１４２を生成する。それに基づいて光検出器１４４は電気信号Ｓ１４６を生成する。信号処理エレクトロニクスが、制御サブ回路１６６が確立したパラメータに基づき、待ち時間からのサンプルポイントすべてを使用して関心信号を電気信号Ｓ１４６から弁別する。プロセス８００はブロック８０６に続く。
【0114】
ブロック８０６において、制御サブ回路１６６は、測定された画素に対する関心信号からのデータを、材料１４０上の画素の箇所を特定する座標とともに、メモリに格納する。データを格納すると、プロセス８００はブロック８０８に続く。
【0115】
ブロック８０８において、制御サブ回路１６６は、フレーム内の追加画素が測定されるべきか否かを決定する。追加フレームを測定する必要がある場合、プロセス８００はブロック８１０に続く。そうでない場合、プロセス８００はブロック８１２に続く。
【0116】
ブロック８１０において、電子回路１６０は、上述したように、スキャン機構１５４を介して材料１４０に対して励起ビームＳ１３２を変位させる。一例において、材料１４０は半導体ウェハである。この場合において、スキャン機構１５４は、励起ビームＳ１３２に対してウェハを回転させることができ、又はウェハを、デカルト座標系における一軸に沿って新たな箇所へと変位させることができる。プロセス８００はその後、ブロック８０４に続き、新たな箇所での測定を開始する。
【0117】
フレーム内のすべての箇所が測定された後、プロセス８００はブロック８１２へと続く。ブロック８０８の後に続き得るブロック８１２において、制御サブ回路１６６は、異なるセットの測定パラメータによって追加測定をすべきか否かを決定する。例えば、いくつかの場合、材料上の複数箇所においてそれぞれの減衰時間を測定することが望まれることがある。一箇所において検出された長い減衰時間も、欠陥の指標となり得る。これは、トラップ状態とも称されることがある。減衰マップを測定するべく、それぞれがポンプビームＳ１２６とプローブビームＳ１２８との間で異なる遅延を有する同一箇所測定の複数セットを使用して、材料１４０の超高速減衰時間を当該フレーム内の各画素において決定することができる。異なる測定パラメータによる追加測定が当該フレームにおいて行われる場合、プロセス８００はブロック８０２に続いて新たな測定パラメータを確立する。そうでない場合、プロセス８００はブロック８１４に続く。
【0118】
ブロック８１４において、制御サブ回路１６６が、測定が完了したことを報告し、さらには収集済みデータを報告することもできる。例えば、電子回路１６０は、材料１４０上の複数箇所に対する関心信号Ｓ１４２の一以上の特性の値を出力することができる。関心信号Ｓ１４２の特性は振幅を含んでよく、さらには関心信号Ｓ１４２の位相を含んでよい。電子回路１６０はデータを、各箇所に対するデジタルデータの形式で出力してよく、又はアナログ信号を出力してよい。データは、計算デバイス１７０のようなコンピューティングデバイス、ディスプレイ、及び／又はオシロスコープのような測定デバイスに出力されてよい。他の場合、電子回路１６０は、後の検索のためにデータを格納してよい。プロセス８００は終了する。
【0119】
図９は、４パルスのパルスシーケンスを制御するように設計された例示的システム９００のブロック図である。４パルスのパルスシーケンスにより、材料１４０において生成される３次非線形信号の追加特性の、図１を参照して説明した２パルスシーケンスよりもさらに完全な測定が可能となる。例示的システム９００において、図１と同じ又は同様の要素は同じ参照符号を保持している。
【0120】
システム９００は光源１０４及び基準光源９０２を含む。光源１０４は、ソースビームＳ１１２を生成し、例えば、図１を参照して説明した超高速レーザとしてよい。
【0121】
基準光源９０２は、連続波基準ビームＳ９０３を生成するレーザとしてよい。基準レーザは、遅延ブロック９０４及び９０６によってもたらされる最大タイミング遅延を超えるコヒーレンス長を有する。波長が典型的に第１光源の帯域幅の外側に存在するので、基準レーザを第１光源からスペクトル的にフィルタリングすることができる。一例において、この基準レーザは、１０６４ｎｍの波長及び１０メートルのコヒーレンス長を備える単一縦モードＮｄ：ＹＡＧレーザである。
【0122】
システム９００は４つの変調器を含む。第１変調器９０８（ＡＯＭ＿Ａ）、第２変調器９１０（ＡＯＭ＿Ｂ）、第３変調器９１２（ＡＯＭ＿Ｃ）、及び第４変調器９１４（ＡＯＭ＿Ｄ）である。これらの変調器はそれぞれが、例えば、図１の第１変調器１１４及び第２変調器１１６を参照して説明した音響光学変調器としてよい。しかしながら、変調器の駆動信号は、いかなる振幅変調も存在しない単一周波数である。これらは、例示的システム９００においてはソースビームＳ１１２である光ビームを第１入力として受信する。これらは、それぞれの無線周波数信号を第２入力として受信する。４つの変調器９０８、９１０、９１２、９１４はそれぞれが、第２入力として受信されたそれぞれの無線周波数信号に基づいて光ビームを周波数シフトさせる。この周波数シフトは、単側波帯位相変調とも称される。
【0123】
システム９００はさらに、３つの遅延ブロックも含む。第１遅延ブロック９０４、第２遅延ブロック９０６及び第３遅延ブロック９３１である。図１の遅延ブロック１１８を参照して上述したように、遅延ブロック９０４、９０６、９３１はそれぞれが、光路の長さを変えるように位置が調整され得るミラーであってよい。
【0124】
システム９００において、光源１０４はソースビームＳ１１２を生成する。ソースビームＳ１１２は分割されて、以下に説明される４つの光路になる。
【0125】
第１光路（ＡＯＭ＿Ａ経路）は第１遅延ブロック９０４及び第１変調器９０８を含み、第１ビームＳ９０９を生成する。ＡＯＭ＿Ａ経路において、第１変調器９０８は、第１遅延ブロック９０４に基づいて遅延されたソースビームＳ１１２を、第１ビームＳ９０９が周波数ΩＡだけ周波数シフトされるように信号Ｓ９２２によって位相変調する。
【0126】
第２光路（ＡＯＭ＿Ｂ経路）は第２変調器９１０を含み、第２ビームＳ９１１を生成する。第２変調器９１０は、第２ビームＳ９１１が周波数ΩＢだけ周波数シフトされるように、信号Ｓ９１６によってソースビームＳ１１２を位相変調する。
【0127】
第３光路（ＡＯＭ＿Ｃ経路）は第３変調器９１２を含み、第３ビームＳ９１３を生成する。第３変調器９１２は、第３ビームＳ９１３が周波数ΩＣだけ周波数シフトされるように、信号Ｓ９１８によってソースビームＳ１１２を位相変調する。
【0128】
第４光路（ＡＯＭ＿Ｄ経路）は第２遅延ブロック９０６及び第４変調器９１４を含み、第４ビームＳ９１５を生成する。第４変調器９１４は、第２遅延ブロック９０６からの遅延に基づいて遅延されたソースビームＳ１１２を、第４ビームＳ９１５が周波数ΩＤだけ周波数シフトされるように、信号Ｓ９２０によって位相変調する。
【0129】
４パルス測定を、先に与えたポンプ・プローブの例に関連付けるには、ΩＡとΩＢとの差分をΩ１とし、ΩＣとΩＤとの差分をΩ２とする。４つのビームすべてが第１ビームスプリッタ９２４及び第２ビームスプリッタ９２９を介して結合されて励起ビームＳ１３２が生成される。
【0130】
連続波基準ビームＳ９０３は分割されて４つの光路となり、ＡＯＭ＿Ａ経路、ＡＯＭ＿Ｂ経路、ＡＯＭ＿Ｃ経路、及びＡＯＭ＿Ｄ経路のＡＯＭ駆動周波数及び経路長変動のサンプリングをするべく使用される。ＡＯＭ＿Ａ経路からの第１ビームＳ９０９とＡＯＭ＿Ｂ経路からの第２ビームＳ９１１とが結合された後、基準ビームＳ９０３からの干渉が光検出器９２６によって測定される。第１ビームＳ９０９及び第２ビームＳ９１１が周波数シフトされているので、これらの干渉が、これらの変調周波数の差分すなわちΩ１において変調される。変調はまた、各ビームにおける光学系の相対移動に起因するドップラーシフトも含み得る。結合された第１ビームＳ９０９及び第２ビームＳ９１１からの励起に基づいて、光検出器９２６は、電子回路９６０において光信号を復調するべく使用され得る単一周波数Ω１にある信号Ｓ９２８を生成する。
【0131】
ＡＯＭ＿Ｃ経路からの第３ビームＳ９１３とＡＯＭ＿Ｄ経路からの第４ビームＳ９１５とが結合された後、これら２つの光路間の基準ビームＳ９０３干渉が光検出器９３０によって測定され、信号Ｓ９３２が生成される。この信号は、周波数ΩＣ及びΩＤの差分に等しい変調周波数Ω２を有する。電子回路９６０はまた、復調のために信号Ｓ９３２を使用する。４つのビームＳ９０９、Ｓ９１１、Ｓ９１３及びＳ９１５がビームスプリッタ９２９において結合された後、光路は、図１及び図２における先のポンプ・プローブの例と同一である。
【0132】
電子回路９６０は、システム９００に対する複数のオペレーションを行うことができる。このオペレーションは、ソースビームＳ１１２を変調するべく使用されるＲＦ信号を生成することと、遅延ブロック９０４、９０６及び９３１が生成する遅延を含む光学サブシステムのパラメータを調整することと、関心信号の特性の値を決定するべく光検出器出力信号Ｓ１４６を弁別することと、スキャン機構１５４並びに光源１０４及び基準光源９０２のようなシステム９００の他の素子を制御することと、関心信号Ｓ１４２の特性の値を、計算デバイス１７０のようなコンピューティングデバイス、ディスプレイ、又はアナログ出力に出力することとを含む。電子回路９６０は、抵抗器、キャパシタ、インダクタ及びトランジスタのような電子コンポーネントを含む。これはさらに、論理ゲート、フリップフロップ及びレジスタのような論理素子も含む。これはなおもさらに、一以上のプロセッサ及び一以上のデータ格納素子も含んでよい。一例において、電子回路は、プロセッサがシステム９００における他の素子によるオペレーションを設定、調整又は実行するための命令を格納する格納素子を含み得る。電子回路９６０は、一以上のＦＰＧＡ、集積回路、及び／又は基板若しくはプリント回路ボード上の回路であってよく、又はこれらを含んでよい。
【0133】
図９に示されるように、電子回路９６０は、ＲＦ生成サブ回路９６２、信号処理サブ回路９６４及び制御サブ回路９６６を含む一以上のサブ回路を含んでよい。これらのサブ回路はそれぞれが、それぞれのサブ回路に関連する機能を行うソフトウェアモジュール、ファームウェアモジュール又はハードウェアモジュールの一つ又は任意の組み合わせとしてよい。
【0134】
ＲＦ生成サブ回路９６２は、ソース光ビームＳ１１２を変調して上述した光ビームＳ９０９、Ｓ９１１、Ｓ９１３及びＳ９１５のような変調済み光ビームを生成するためのＲＦ信号を生成することができる。
【0135】
信号処理サブ回路９６４は、光検出器１４４出力信号Ｓ１４６を受信及び処理し、出力信号Ｓ１４６に含まれる関心信号を弁別する。信号処理サブ回路９６４はさらに、光検出器９２６出力信号Ｓ９２８及び光検出器９３０出力信号Ｓ９３２を受信及び処理し、信号Ｓ１４６において関心信号を弁別するべく使用される復調信号を生成する。信号処理サブ回路９６４のオペレーションが図１０を参照して以下に説明される。
【0136】
電子回路９６０はさらに、信号処理エレクトロニクスからのデータを、計算デバイス１７０、ディスプレイ、又はオシロスコープ等の測定デバイスのようなデバイスへ出力するポート９６５を含む。ポート９６５は、異なるデジタルバス構成をサポートし、又は一以上のアナログ信号の出力をサポートする一以上の電気接続部を含んでよい。
【0137】
図１０は、電子回路９６０に含まれる信号処理サブ回路９６４を示すブロック図である。信号処理サブ回路９６４は電子回路であり、この電子回路は、一以上のプロセッサ、メモリ、及び他の電子回路を含み得る。図１０に示されるように、信号処理サブ回路９６４は、差分生成器２０２、第１混合器２０８及び第１フィルタ２１２を含む第１ロックインタイプ検出器２０６、第２混合器１００８及び第２フィルタ１０１４を含む第２ロックインタイプ検出器１００６、並びに出力エレクトロニクス１０２０を含む。ここで、これらのコンポーネントはそれぞれが、ソフトウェアモジュール、ファームウェアモジュール、ハードウェアモジュール、又はこれらの任意の組み合わせとなり得る。信号処理サブ回路９６４は、例えば、低域通過フィルタのタイプ、フィルタの係数、フィルタの待ち時間又は時定数のような、第１ロックインタイプ検出器２０６及び第２ロックインタイプ検出器１００６のパラメータを調整するようにプログラムされてよい。一例において、第１低域通過フィルタ２１２及び第２低域通過フィルタ１０１４は、上述した移動平均フィルタである。
【0138】
信号処理サブ回路９６４において、差分生成器２０２は、信号Ｓ９２８及びＳ９３２に基づいて基準信号Ｓ２０８を生成する。４パルス測定において、信号Ｓ１４６の位相もまた重要な測定量である。信号Ｓ１４６の位相を測定するには、信号Ｓ１４６の２つの直交する直角位相を測定する必要がある。ロックインタイプ検出器２０６に含まれる第１混合器２０８と第１低域通過フィルタ２１２との組み合わせが、信号処理サブ回路１６４を参照して説明されたものと同様の態様で第１直角位相を測定して出力信号Ｓ２１４を生成する。第２直角位相が、移相器１００４を使用して基準信号Ｓ２０８を９０度だけ位相シフトすることによって測定され、位相シフト済み基準信号Ｓ１００５が生成される。位相シフト済み基準信号Ｓ１００５は、第２混合器１００８及び低域通過フィルタ１０１４を含む第２ロックインタイプ検出器１００６に渡される。第２混合器１００８はその後、信号Ｓ１４６を位相シフト済み基準信号Ｓ１００５と混合して信号Ｓ１００９を生成する。第２低域通過フィルタ１０１４は、信号Ｓ１００９を受信及びフィルタリングして信号Ｓ１０１６を生成する。信号Ｓ２１４と信号Ｓ１０１６とは、４波混合信号の直交する直角位相である。これらの直交する直角位相が、信号Ｓ１４６の振幅及び位相を回復するべく使用され得る。
【0139】
出力エレクトロニクス１０２０は、関心信号Ｓ１４２の振幅に比例する値と、関心信号Ｓ１０１６に対する直交直角位相を測定することによる関心信号Ｓ１４２の位相に比例する値とを含む信号Ｓ２１４を受信する。信号Ｓ２１４及びＳ１０１６に基づいて出力エレクトロニクスは、ポート９６５に出力される出力信号Ｓ９６５を生成する。一例において、出力信号Ｓ９６５は、Ｓ１４２の実部及びＳ１０１６の実部である２つの直角位相成分の大きさに等しい関心信号の振幅に対するデジタル値、並びにＳ１０１６の実部及びＳ１４２の実部に適用される数学演算ａｔａｎ２に等しい関心信号の位相に対するデジタル値を含むデジタルデータとしてよい。出力信号Ｓ９６５はまた、Ｓ１４２の実部である関心信号のＸ直角位相の振幅に対するデジタル値、及びＳ１０１６の実部である関心信号のＹ直角位相の振幅に対するデジタル値としてよい。デジタルデータは、ポート９６５を介して計算デバイス１７０のようなコンピューティングデバイスに出力し、ディスプレイに出力し、又は関心信号Ｓ１４２の振幅に比例する第１アナログ値、及び信号Ｓ１４２の位相に比例する第２アナログ信号として出力することができる。いくつかの場合、出力エレクトロニクス１０２０は、信号Ｓ２１４及びＳ１０１６を直接ポート９６５に出力してよい。他の場合、出力エレクトロニクスは、信号Ｓ２１４及びＳ１０１６をユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）のようなバスを介する送信のためのフォーマットに変換してよい。他の場合、出力エレクトロニクス１０２０は、例えば、デジタル・アナログ変換器を使用してデジタル信号Ｓ２１４及びＳ１０１６をそれぞれのアナログ信号に変換してよく、アナログ信号をポート９６５に出力してよい。
【0140】
上述した例示的システム１００と同様に、第１低域通過フィルタ２１２の待ち時間及び第２低域通過フィルタの待ち時間も、光検出器１４４が非線形応答信号Ｓ１４２に基づいて生成する信号Ｓ１４６に現れる変調周波数の周期の整数となるように設計することができる。
【0141】
４パルス測定から決定される追加位相情報は、位相が遅延によりどのように進展するのかを測定するべく使用することができる。この位相進展を記録し、その後、当該記録済みセットの信号をフーリエ変換することが、スペクトルを生成するために使用される。４パルス測定により、ポンプビーム及びプローブビームの一方又は双方をスペクトル分解することができる。これらのタイプの測定のための様々なアプリケーションが存在する。一例において、２つの異なる半導体材料の２つの隣接層が、測定された箇所においてどの程度強力に結合されているのかを決定するべく、ポンプスペクトル及びプローブスペクトル双方を測定することが使用される。
【0142】
特許請求の範囲において使用される用語はすべて、ここで反対の明示的指示がなされない限り、当業者によって理解されるように、それらの明らかな通常の意味を与えることが意図される。特に、「一の」、「その」、「当該」、「前記」等のような単数冠詞の使用は、特許請求の範囲が反対の明示的限定を記載しない限り、示された要素の一以上を記載するように読まれるべきである。
【0143】
「に基づく」との用語はここでは、全体又は一部に基づくことを意味する。
【0144】
「例示的」との用語はここでは、一例を示す意味で使用され、例えば、「例示的ウィジェット」の参照は、単にウィジェットの一例の参照として読まれるべきである。
【0145】
図面において、同じ参照番号は同じ要素を示す。さらに、これらの要素の一部又は全部が変更され得る。
【0146】
一般に、記載されたコンピューティングシステム及び／又はデバイスは、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）オペレーティングシステム、Ｕｎｉｘ（登録商標）オペレーティングシステム（例えば、カリフォルニア州レッドウッドシューズのＯｒａｃｌｅ社が配布するＳｏｌａｒｉｓ（登録商標）オペレーティングシステム）、ニューヨーク州アーモンクのＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ Ｍａｃｈｉｎｅｓ社が配布するＡＩＸ ＵＮＩＸ（登録商標）オペレーティングシステム、Ｌｉｎｕｘ（登録商標）オペレーティングシステム、カリフォルニア州クパティーノのＡｐｐｌｅ社が配布するＭａｃ ＯＳＸ（登録商標）及びｉＯＳオペレーティングシステム、カナダ州ウォータールーのＢｌａｃｋｂｅｒｒｙ社が配布するＢｌａｃｋＢｅｒｒｙ（登録商標）ＯＳ、及びＧｏｏｇｌｅ社及びＯｐｅｎ Ｈａｎｄｓｅｔ Ａｌｌｉａｎｃｅが開発するＡｎｄｒｏｉｄ（登録商標）オペレーティングシステムのバージョン及び／又はバラエティーを含むが、これらに限られない一定数のコンピュータオペレーティングシステムのいずれかを用いてよい。コンピューティングデバイスの例は、ゲートウェイ若しくは端末、コンピュータワークステーション、サーバ、デスクトップ、ノートブック、ラップトップ若しくはハンドヘルドコンピュータ、又は他のコンピューティングシステム及び／若しくはデバイスのようなネットワークデバイスが含まれるが、これらに限られない。
【0147】
コンピューティングデバイスは一般に、コンピュータ実行可能命令を含む。ここで、命令は上記リストのような一以上のコンピューティングデバイスによって実行可能である。コンピュータ実行可能命令は、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｖｉｓｕａｌ Ｂａｓｉｃ、Ｊａｖａ Ｓｃｒｉｐｔ、Ｐｅｒｌ、Ｖｅｒｉｌｏｇ（登録商標）、ＶＨＤＬ等を単独又は組み合わせのいずれかで含むがこれらに限られない様々なプログラミング言語及び／又は技術を使用して作成されたコンピュータプログラムからコンパイルされ又は解釈されてよい。これらのアプリケーションの一部は、Ｊａｖａ仮想マシン、Ｄａｌｖｉｋ（登録商標）仮想マシン等の仮想マシン上でコンパイル及び実行され得る。一般に、プロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）は、例えば、メモリ、コンピュータ可読媒体等から命令を受け取り、これらの命令を実行し、それによって、ここに記載されるプロセスのうちの一以上を含む一以上のプロセスを実行する。かかる命令及び他のデータは、様々なコンピュータ可読媒体を使用して格納及び伝送されてよい。
【0148】
コンピュータ可読媒体（プロセッサ可読媒体とも称される）は、コンピュータが（例えばコンピュータのプロセッサが）読み取り得るデータ（例えば命令）を与えることに関与する任意の非一時的な（例えば有体物の）媒体を含む。かかる媒体は、不揮発性媒体及び揮発性媒体を含むがこれらに限られない多くの形態をとり得る。命令は、コンピュータのプロセッサに結合されたシステムバスを含む内部構造物を含む光ファイバ、ワイヤ、無線通信を含む一以上の伝送媒体によって伝送され得る。コンピュータ可読媒体の一般的な形態は、例えば、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ－ＥＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップ若しくはカートリッジ、又はコンピュータが読み取ることができる任意の他の媒体を含む。
【0149】
ここに記載されるデータベース、データリポジトリ又は他のデータストアは、階層データベース、ファイルシステム内の一セットのファイル、専用フォーマットのアプリケーションデータベース、リレーショナルデータベース管理システム（ＲＤＢＭＳ）等を含む様々な種類のデータを格納、アクセス及び検索するための様々な種類の機構を含み得る。かかるデータストアはそれぞれが、一般に、上述したもののいずれかのようなコンピュータオペレーティングシステムを用いるコンピューティングデバイスの中に含まれ、様々な態様のいずれか一つ以上でネットワークを介してアクセスされる。ファイルシステムは、コンピュータオペレーティングシステムからアクセス可能であり、様々なフォーマットで格納されたファイルを含み得る。ＲＤＢＭＳは一般に、上述のＰＬ／ＳＱＬ言語のような格納済みプロシージャを作成、格納、編集及び実行するための言語に加えて、構造化照会言語（ＳＱＬ）を用いる。
【0150】
いくつかの例において、システム要素は、一以上のコンピューティングデバイス（例えば、サーバ、パーソナルコンピュータ等）上のコンピュータ可読命令（例えばソフトウェア）として実装され、それに関連付けられたコンピュータ可読媒体（例えばディスク、メモリ等）に格納され得る。コンピュータプログラム製品は、ここに記載される機能を実行するために、コンピュータ可読媒体に格納された当該命令を含み得る。
【0151】
ここに記載されるプロセス、システム、方法、ヒューリスティクス等に関し、かかるプロセス等のステップが、所定の順序のシーケンスに従って行われるように記載されるにもかかわらず、かかるプロセスは、ここに記載される順序以外の順序で実行される記載されたステップによっても実行し得ることを理解すべきである。さらに理解すべきことであるが、所定のステップを同時に実行することができ、他のステップを追加することができ、又はここに記載される所定のステップを省略することができる。換言すれば、ここでのプロセスの説明は、所定の実施形態を示す目的で与えられており、決して特許請求の範囲を制限するように解釈されてはならない。
【0152】
したがって、上記説明は例示的であり、制限的ではないことが理解される。与えられる例以外の多くの実施形態及びアプリケーションも、上記説明を読むと明らかになる。当該範囲は、上記説明を参照して決定されるべきではなく、その代わり、添付の特許請求の範囲を参照して、かかる特許請求の範囲が権利を与えられる均等物の全範囲とともに決定されるべきである。ここで説明される技術において将来の発展が生じ、開示のシステム及び方法がかかる将来の実施形態に組み込まれることが予想及び意図される。つまり、アプリケーションは修正及び変形が可能であることが理解されるべきである。
【0153】
要約は、読者が技術開示の性質を迅速に確認できるように与えられる。要約は、請求項の範囲又は意味を解釈又は制限するために使用されないことを理解して提出される。加えて、前述の詳細な説明において、開示を合理化する目的で、様々な特徴が様々な実施形態においてまとめてグループ化されていることがわかる。この開示方法は、請求される実施形態が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするとの意図を反映しているとしては解釈されない。むしろ、以下の特許請求の範囲に反映されるように、発明の主題は、単一の開示された実施形態のすべての特徴よりも少ない。すなわち、以下の特許請求の範囲は詳細な説明に組み込まれ、各請求項は別個に請求される主題として独立している。
【図1】
【図2】
【図3A-3C】
【図3D-3E】
【図4A-4D】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9】
【図10】
【手続補正書】
【提出日】2023-11-02
【手続補正2】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電子回路であって、信号処理エレクトロニクスを含み、
前記信号処理エレクトロニクスは、
フィルタと、
出力エレクトロニクスと
を含み、
前記信号処理エレクトロニクスは、
前記信号処理エレクトロニクスに含まれる受信回路が電気信号を光検出器から受信することであって、前記電気信号は、材料上の一箇所からの光ビームに基づいて前記光検出器によって生成され、関心信号及び一以上の変調周波数を含むことと、
前記フィルタが、前記関心信号の少なくとも一つの特性に比例する前記電気信号の一部分を、前記一以上の変調周波数のうちの一つに対応するノッチ周波数にノッチを含むフィルタ伝達関数を有するフィルタを使用して前記電気信号の他の成分から弁別することと、
前記フィルタが、前記関心信号の前記少なくとも一つの特性に対する値を、前記電気信号の前記弁別された一部分から決定することと、
前記出力エレクトロニクスが、前記関心信号の前記少なくとも一つの特性の前記値を出力することと
を行うように構成される、電子回路。
【請求項2】
前記フィルタ伝達関数は、前記少なくとも一つの変調周波数のそれぞれに対応する周波数にノッチ周波数を含む、請求項１の電子回路。
【請求項3】
前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームは、前記材料からの非線形光学応答を含む、請求項１の電子回路。
【請求項4】
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性は、前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅及び／又は位相である、請求項１の電子回路。
【請求項5】
前記フィルタ伝達関数が前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数を含む前記フィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタである、請求項１から４のいずれか一項の電子回路。
【請求項6】
前記フィルタの待ち時間は、前記変調周波数のそれぞれに対応する前記ノッチ周波数のそれぞれの対応周期の整数倍である、請求項１から４のいずれか一項の電子回路。
【請求項7】
前記待ち時間は、前記材料における前記一箇所を励起するべく使用される光ビームにあるパルスの周期の整数である、請求項６の電子回路。
【請求項8】
前記一以上の変調周波数は第１変調周波数及び第２変調周波数を含み、前記関心信号を、前記光検出器から受信した前記電気信号から弁別することは、前記光検出器から受信した前記電気信号を、前記第１変調周波数と前記第２変調周波数との差分である復調信号によって復調することを含み、
前記電子回路はさらに、
前記第１変調周波数を含む第２信号を第２光検出器から受信することと、
前記第２変調周波数を含む第３信号を前記第２光検出器又は第３光検出器のいずれかから受信することと、
前記第２信号と前記第３信号との差分を形成することによって前記復調信号を生成することと
を行うように構成される、請求項１から４のいずれか一項の電子回路。
【請求項9】
システムであって、材料上の一箇所を励起させるべく構成される光学サブシステムと、
光検出器と、
電子回路と
を含み、
前記電子回路は、
前記光検出器から電気信号を受信することであって、前記電気信号は、前記材料上の前記一箇所からの光ビームに基づいて前記光検出器によって生成され、非線形関心信号及び一以上の変調周波数を含むことと、
前記非線形関心信号の少なくとも一つの特性に比例する前記電気信号の一部分を、前記一以上の変調周波数のうちの一つに対応するノッチ周波数にノッチを含むフィルタ伝達関数を含むフィルタを使用して、前記電気信号の他の成分から弁別することと、
前記非線形関心信号の前記少なくとも一つの特性に対する値を、前記電気信号の前記弁別された一部分から決定することと、
前記非線形関心信号の前記少なくとも一つの特性の前記値を出力することと
を行うように構成される、システム。
【請求項10】
前記フィルタ伝達関数は、前記少なくとも一つの変調周波数のそれぞれに対応する周波数にノッチ周波数を含む、請求項９のシステム。
【請求項11】
前記非線形関心信号の前記少なくとも一つの特性は、前記材料上の前記一箇所からの前記光ビームに含まれる非線形光学応答の振幅及び／又は位相である、請求項９のシステム。
【請求項12】
前記フィルタ伝達関数が前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数を含む前記フィルタは低域通過有限インパルス応答フィルタである、請求項９から１１のいずれか一項のシステム。
【請求項13】
前記フィルタの待ち時間は、前記変調周波数のそれぞれに対応する前記ノッチ周波数のそれぞれの対応周期の整数倍である、請求項９から１１のいずれか一項のシステム。
【請求項14】
前記フィルタの待ち時間は、前記材料における前記一箇所を励起するべく使用される光ビームにあるパルスの周期の整数である、請求項９から１１のいずれか一項のシステム。
【請求項15】
方法であって、変調光源を介して、一以上の変調周波数を含む光ビームによって材料上の一箇所を照らすことと、
光検出器を介して、関心信号を検出することであって、前記関心信号は、前記光ビームと前記材料との相互作用から得られる非線形光学プロセスによって生成される光であり、前記関心信号は、前記光ビームのスペクトル成分の１ＴＨｚのうちに周波数を有するスペクトル成分を含むことと、
電子回路によって、前記光検出器が前記関心信号の検出に応答して生成する電気信号を受信することと、
前記関心信号の少なくとも一つの特性を含む前記電気信号の一部分を、伝達関数がノッチを前記一以上の変調周波数のうちの一つに対応するノッチ周波数に含む低域通過フィルタを使用して前記電気信号の他の成分から弁別することと、
前記電気信号の前記弁別された一部分に基づいて、前記関心信号の前記少なくとも一つの特性を特定することと
を含み、
前記関心信号の前記少なくとも一つの特性は、前記関心信号の振幅及び／又は位相であり、
前記低域通過フィルタの待ち時間は、前記材料における前記一箇所を励起するべく使用される光ビームにあるパルスの周期の整数である、方法。
【請求項16】
前記伝達関数が前記変調周波数に対応する前記ノッチ周波数を含む前記低域通過フィルタは、低域通過有限インパルス応答フィルタである、請求項１５の方法。
【国際調査報告】