光输出系统、测量系统、光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统、运算器、程序、运算方法

技术领域

本发明涉及光输出系统、测量系统、光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统、运算器以及程序。

背景技术

在用于生物的观察或材料的详细的物性调查的泵浦探测法中，为了调查时间序列的变化，将从泵浦光的照射至探测光的照射为止的定时切换为多个来进行测定。在专利文献1中公开了为了使照射的定时变化而使光路长度变化的结构。另外，在专利文献2中公开了使用脉冲选择器控制激光的照射定时的结构。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本特开2014-175442号公报

[专利文献2]日本特开2013-032993号公报

发明内容

[发明所要解决的课题]

在专利文献1、专利文献2所记载的发明中，对输出2个脉冲激光的定时进行切换的结构繁杂。

[解决方案]

本发明的第一方式所涉及的光输出系统具备：第一激光器，其根据输入的信号而输出作为脉冲激光的第一光；第二激光器，其根据输入的信号而输出作为脉冲激光的第二光；以及运算器，其对所述第一激光器以及所述第二激光器输入信号，所述运算器将向所述第一激光器输入信号的定时与向所述第二激光器输入信号的定时的差即可变延迟值切换为多个而反复输入所述信号。

本发明的第二方式所涉及的测量系统具备：上述光输出系统；以及测定系统，其将从所述光输出系统输出的所述第一光的至少一部分以及所述第二光的至少一部分作为泵浦光以及探测光进行基于泵浦探测法的测定。

本发明的第三方式所涉及的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统具备：上述光输出系统；以及将从所述光输出系统输出的所述第一光的至少一部分以及所述第二光的至少一部分用作泵浦光以及探测光的光学泵浦探测扫描隧道显微镜。

本发明的第四方式所涉及的运算器是一并使用根据输入的信号而输出作为脉冲激光的第一光的第一激光器以及根据输入的信号而输出作为脉冲激光的第二光的第二激光器的运算器，具备：信号产生部，其向第一激光器以及第二激光器输入信号；延迟决定部，其将向第一激光器输入信号的定时与向第二激光器输入信号的定时的差即可变延迟值切换为多个而反复输入上述信号；以及信号输出部，其输出表示使可变延迟值变化的定时的参照信号。

本发明的第五方式所涉及的程序使一并使用根据输入的信号输出作为脉冲激光的第一光的第一激光器、以及根据输入的信号输出作为脉冲激光的第二光的第二激光器的运算器执行：向第一激光器和第二激光器输入信号；将向第一激光器输入信号的定时与向第二激光器输入信号的定时的差即可变延迟值切换为多个而反复输入上述信号；输出表示使可变延迟值变化的定时的参照信号。

本发明的第六方式所涉及的光输出系统具备：第一装置，其以预定的周期输出作为光脉冲的第一光；第二装置，根据输入的信号输出作为脉冲激光的第二光；以及运算器，以输出第一光的定时为基准向第二装置输入信号，运算器将输出第一光的定时与向第二装置输入信号的定时的差即可变延迟值切换为多个而反复输入上述信号。

[发明效果]

根据本发明，能够以简易的结构对输出2个脉冲激光的定时进行切换。

附图说明

图1是第一实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1的整体结构图。

图2是STM200的示意图。

图3是运算器13的功能框图。

图4是表示输出光的例子的图。

图5是表示STM200的输出信号与时间差Δt的关系的图。

图6是表示用于得到某1个测定值的运算器13的动作的图。

图7是表示运算器13的动作的流程图。

图8是第二实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1A的整体结构图。

图9是第三实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1B的整体结构图。

图10是第四实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1C的整体结构图。

图11是第五实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1D的整体结构图。

图12是说明第六实施方式的运算器13的动作的图。

具体实施方式

―第一实施方式―

以下，参照图1～图7，说明OPP-STM(Optical Pump-Probe Scanning TunnelingMicroscopy；光学泵浦探测扫描隧道显微镜)的第一实施方式。

(系统结构)

图1是第一实施方式中的OPP-STM1的整体结构图。在图1中用实线表示光，用虚线表示电信号。

OPP-STM1由光输出系统2和STM200构成。光输出系统2具备第一激光器11、第二激光器12、运算器13、锁定放大器14、反射镜M和分束器BS。

第一激光器11是输出作为激光的第一光L1的激光光源。当从运算器13输入脉冲信号时，第一激光器11在第一延迟时间后输出脉冲状的第一光L1。第二激光器12是输出作为激光的第二光L2的激光光源。当从运算器13输入脉冲信号时，第二激光器12在第二延迟时间后输出脉冲状的第二光L2。第一延迟时间和第二延迟时间是大致相同的非常短的时间。两者也可以不严格地一致，通过后述的调整，两者的差将被吸收。

第一光L1以及第二光L2的强度既可以相同，也可以不同。第一光L1以及第二光L2的脉冲宽度可以相同，也可以不同。另外，第一光L1以及第二光L2的脉冲宽度可以是固定值，也可以是可变的。在第一光L1以及第二光L2的脉冲宽度可变的情况下，既可以通过手动操作配备于第一激光器11以及第二激光器12的开关来变更，也可以根据输入到第一激光器11以及第二激光器12的脉冲信号的脉冲宽度进行变更。

运算器13是脉冲信号的生成装置，构成为包含电压的产生源和运算部。运算器13例如通过可改写的逻辑电路即FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)来实现。运算器13向第一激光器11和第二激光器12输出脉冲信号，向锁定放大器14输出参照信号。将连接运算器13和第一激光器11的信号线称为S1，将连接运算器13和第二激光器12的信号线称为S2，将连接运算器13和锁定放大器14的信号线称为S3。

锁定放大器14将STM200输出的信号作为处理对象，利用运算器13输出的参照信号来检测STM200的输出信号中包含的微弱的信号。检测到的微弱的信号既可以保存在锁定放大器14的内部，也可以保存在锁定放大器14的外部的存储装置中。

反射镜M是平面镜。反射镜M为了能够同轴地调整从分束器BS输出的分光L11和分光L22，具有位置以及姿势的调整机构。事先由操作员一边观察分光L11和分光L22一边调整反射镜M的位置和姿势，使分光L11和分光L22同轴。另外，也可以代替在反射镜M设置位置以及姿势的调整机构，而在第一激光器11、第二激光器12设置位置以及姿势的调整机构。另外，以下，也将分光L11和分光L22一并称为“输出光”。

分束器BS将入射的光分离为透射光和反射光。具体而言，分束器BS将第一光L1分离为作为透射光的分光L11和作为反射光的分光L12，将第二光L2分离为作为透射光的分光L21和作为反射光的分光L22。另外，分束器BS可以是透射光量和反射光量为1：1的所谓的半透半反镜，透射光量和反射光量的比率也可以是除此以外的。在本实施方式中，由于不利用分光L12和分光L21，因此未图示。

另外，在分束器BS中，为了能够同轴地调整从分束器BS输出的分光L11和分光L22，也可以具备位置以及姿势的调整机构。而且，例如也可以通过调整反射镜M的角度来调整位置，通过调整分束器BS的角度来调整角度。

STM200是将第一激光器11以及第二激光器12输出的激光用作泵浦光以及探测光的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy；STM)。STM200的结构将在后面详细叙述，STM200将检测出的信号输出到锁定放大器14。

从第一激光器11输出的激光L1被分束器BS分光为分光L11和分光L12。透过分束器BS的分光L11入射到STM200。从第二激光器12输出的激光L2被多个反射镜M反射，被分束器BS分光为分光L21以及分光L22。被分束器BS反射的分光L22入射到STM200。另外，以下分光L11也被称为“泵浦光”L11，分光L22也称为“探测光”L22。

(STM的结构)

图2是STM200的示意图。STM200具备探针210和隧道电流检测部220。另外，在图2中也记载了锁定放大器14，但由于不包含在STM200的结构中，因此用虚线表示。在STM200中设置有试样900。从STM200的外部照射的分光L11和分光L22照射到包含探针210的前端211的试样900的表面。试样900在照射了泵浦光L11时被激励，主要在试样900被激励的期间照射探测光L22。

如上所述，由于分光L11和分光L22输出的时间差被设定为多个，因此在至少1个时间差中，在试样900被激励的期间照射探测光L22即可。依赖于2个分光照射到试样900的定时的差即延迟时间，被探测光L22激励的光载流子的数量变化，在探针前端部51a与试样900的表面之间流动的隧道电流发生变化，并被隧道电流检测部220检测。隧道电流检测部220将检测出的电流的信号输出到锁定放大器14。

(运算器的功能结构)

图3是将运算器13所具有的各功能表示为功能块的功能框图。如前所述运算器13由FPGA实现。FPGA在启动时从未图示的ROM读入逻辑电路信息并写入FPGA内。通过该写入，形成信号产生部132、延迟决定部133、参照信号输出部134、输入部135以及存储部136。延迟决定部133决定后述的可变延迟值138的值。信号产生部132包含能够产生延迟时间的计数部以及脉冲状的电压的电压产生源。参照信号输出部134包含能够产生电压信号的电压产生源。

输入部135包含受理用户的指令的按钮等物理接口、或者通过电信号受理用户的指令的电接口。在存储部136中存储有固定延迟值137以及可变延迟值138。但是，固定延迟值137以及可变延迟值138的值也可以不保存在未图示的ROM中，在该情况下，每当运算器13启动时，用户每次经由输入部135输入。

信号产生部132向第一激光器11以及第二激光器12输出脉冲信号。延迟决定部133决定可变延迟值138。输入部135基于用户的输入将固定延迟值137的值写入存储部136。从信号产生部132向第一激光器11输出脉冲信号到向第二激光器12输出脉冲信号为止的延迟值、即时间的间隔是固定延迟值137与可变延迟值138的和。固定延迟值137用于消除光路长度、信号电缆的长度以及第一激光器11与第二激光器12的个体差的影响，通过将固定延迟值137设定为适当的值，能够将在可变延迟值为零时到达试样900的泵浦光L11和探测光L22的定时设为同时。可变延迟值138是设定泵浦光L11和探测光L22到达试样900的定时的差的值。此外，以下可变延迟值138也被称为“时间差Δt”。

(输出光的例子)

图4是表示试样900的位置处的分光L11和分光L22的光强度的时间变化的例子的图。在图4中，从图示左侧向右侧经过时间，在图4所示的例子中，第一光L11先到达试样900，然后第二光L22到达试样900。在本实施方式中，如图4所示，在第一光L11先到达试样900的情况下时间差Δt取正值。

(测定信号)

在说明运算器13的动作之前，为了帮助理解其动作，说明STM200的测定信号的概要。但是，以下的说明对以存在STM200的试样为测定对象时的代表性的测定结果进行了说明，并不是将无论试样的种类如何都具有同样的倾向的情况作为OPP-STM1的前提。

图5是表示STM200的输出信号与时间差Δt的关系的图。通过照射泵浦光L11来激励试样900，随着时间的经过而缓和。例如，在处于t1＜t2＜t3的关系的情况下，时间差Δt为t1、t2、t3的情况下的测定值分别为s13、s12、s11，处于s13＞s12＞s11的关系。随着时间差Δt变大，测定信号减少，时间差Δt为某值以上，在图5所示的例子中，时间差Δt为t6以上，测定信号收敛于该测定中的最小值即s0。

但是，与作为测定信号的最小值、即图5的纵轴中的“0”与测定的最小值s0的信号电平的差相比，s0与s13的信号电平的差较小。即，由于本测定的SN比非常小，从而难以进行通常的测定，因此利用锁定放大器14。通过一边周期性地切换延迟时间Δt，一边使锁定放大器14与该周期同步地使用，由此并不是通过与零进行比较而是通过与s0进行比较来评价测定值s13、s12、s11等，从而解决SN比低的问题。

另外，图5所示的例子只不过是概要，实际上由于在测定前不明确t6、s0的值，所以广泛进行使用足够长的时间、例如直至设想的衰减为止的时间的数倍的时间来代替t6。在本实施方式中，将足够长的时间设为t9来进行说明。另外，在本实施方式中，无法直接测定图5所示的s0、s11等的值，能够得到与成为基准的s0的相对值、即“s13-s0”的值、“s12-s0”的值。

(测定信号)

图6是表示用于得到以s0为基准的s13、即“s13-s0”的运算器13的动作的图。在图6中，从图示左向右经过了时间，纵轴表示时间差Δt。图6下部所示的箭头反转表示运算器13向锁定放大器14输出的参照信号反转的时刻。在图6所示的例子中，运算器13在将调制周期设为L时，每隔其一半的时间即预定的时间L/2将时间差Δt切换为t1和t9。在预定的时间L/2，多次例如数十次或数百次输出泵浦光L11和探测光L22。

以下说明泵浦光L11和探测光L22到达试样900的定时的差与可变延迟值138、即时间差Δt相等的理由。信号产生部132首先向第一激光器11输出脉冲信号，在从该输出起经过了固定延迟值137与可变延迟值138之和的时间之后，向第二激光器12输出脉冲信号。由于光从第一激光器11和第二激光器12接收信号脉冲起到输出光脉冲为止的时间差、以及光通过从第一激光器11和第二激光器12到试样900的光路的时间差与固定延迟值137相等，所以泵浦光L11和探测光L22到达试样900的定时的差正好成为可变延迟值138、即时间差Δt。另外，信号产生部132通过对内置的振荡器等的振荡次数进行计数来测定时间的经过。即，在本实施方式中，固定延迟值137以及可变延迟值138能够以振荡器的振荡周期为单位进行控制。

例如运算器13将时间差Δt设为t9，将泵浦光L11及探测光L22在L/2的时间内输出100次，接着将时间差Δt设为t1，将输出光在L/2的时间内输出100次。运算器13通过多次反复进行该动作，实现图6所示的Δt的周期性变更。例如运算器在将Δt为t9的L/2的时间内向参照信号输出-1V，在将Δt设为t1的L/2的时间内对参照信号输出1V，由此使锁定放大器14进行与延迟时间变更同步的锁定检测。来自STM200的输出与延迟时间的变化相应地以周期L在S0与S13之间进行振动。根据与参照信号同步进行动作的锁定放大器的输出，能够以高SN比测定作为S0与S13之差的“S13-S0”。

(流程图)

图7是表示运算器13的动作的流程图。另外，在本实施方式中，运算器13由FPGA实现，因此图7所示的流程图不一定忠实地表示硬件的动作。例如实际上对脉冲数进行计数的计数器电路与计数器为特定的值的情况下产生电脉冲的电路等始终独立地并列动作，它们的输入、输出相互连接。在本实施方式中，为了方便起见使用流程图来说明运算器13的动作。

在以下说明的各步骤中，S313由参照信号输出部134执行，S315由信号产生部132执行，其他由延迟决定部133执行。运算器13首先在S311中决定周期性地变更的2个可变延迟值138。该可变延迟值138可以预先存储在存储部136中，也可以在每次执行时由用户从输入部135输入。在接下来的S312中，运算器13将在S311中设定的2种可变延迟值138中的任意一方设定为所使用的可变延迟值138而进入S313。

在S313中，运算器13使向锁定放大器14输出的参照信号反转。例如在直到S313即将执行之前的参照信号为“-1V”的情况下，在S313中将参照信号变更为“+1V”。在接下来的S314中，运算器13将对脉冲数进行计数的脉冲计数器初始化为零。在接下来的S315中，运算器13使用当前设定的可变延迟值138，使信号产生部132向第一激光器11以及第二激光器12输出脉冲信号。在接下来的S316中，运算器13使脉冲计数器的计数值增加1，判断脉冲计数器的计数值是否达到预定的预定值例如100。运算器13在判断为达到既定的计数、即从S314的执行起经过了时间L/2的情况下进入S317，在判断为未达到既定的计数值的情况下返回S315。

在S317中，运算器13将可变延迟值138变更为在S311中决定的2种中的、不是当前设定的值的另一方的值而返回S313。另外，运算器13也可以在S317中进一步判断处理次数是否达到了预定的次数，在判断为达到了预定的次数的情况下，返回S311而对不同的2种可变延迟值继续进行测定，也可以结束图7所示的处理。

根据上述的第一实施方式，能够获得接下来的作用效果。

(1)光输出系统2具备：第一激光器11，其根据输入的信号输出作为脉冲激光的第一光L1；第二激光器12，其根据输入的信号输出作为脉冲激光的第二光L2；以及运算器13，其向第一激光器11和第二激光器12输入信号。运算器13将向第一激光器11输入信号的定时与向第二激光器12输入信号的定时的差即可变延迟值138切换为多个。因此，能够以简易的结构切换第一激光器11和第二激光器12输出脉冲激光的定时。

然而，在使现有技术中的光路长度变化的方法中，需要载物台的移动、反射镜的驱动等机械动作，存在无法避免振动的产生这样的问题、以及切换速度存在物理上的极限这样的问题。为了改善这些问题，已知利用普克尔斯盒的结构。但是，在普克尔盒中，虽然能够改善上述的2个问题，但是存在不能完全遮断光的问题以及装置结构变规模庞大的问题。

完全不能够遮挡光的问题是指在应该切断光的定时较弱的光漏出。即，较弱的光始终被照射，会对测定值造成意料之外的影响。装置结构规模庞大的问题是指，由于仅通过普克尔格单元能够设定的延迟时间的分辨率被原来的激光器的重复周期(～10ns)限制，因此在需要以下的延迟时间分辨率的情况下，为了另外控制2个激光器的脉冲输出定时而需要组装。如果控制变得复杂，则装置变得规模庞大，装置的设置面积、所需成本也将增大。

但是，光输出系统2通过对输入到第一激光器11和第二激光器12的电信号的定时进行控制，能够自由地设定延迟时间，因此不会产生使光路长度变化的方法、利用普克尔格的方法那样的问题。具体而言，在光输出系统2中没有振动，不存在切换速度的限制，具有在脉冲与脉冲之间不会照射不需要的微弱的光脉冲，装置结构简单且设置面积也小的优点。

(2)运算器13具备：参照信号输出部134，其输出表示使可变延迟值138以2种预定的周期L变化并使可变延迟值变化的定时的参照信号。因此，以使用锁定放大器14为前提，能够从STM200输出的微弱的信号中获取所需要的信息。

(3)光输出系统2具备将使用了第一光L1以及第二光L2的STM200的输出作为处理对象，使用参照信号进行锁定检测的锁定放大器14。因此，能够从STM200输出的微弱的信号中获取所需要的信息。

(4)光输出系统2具备将第一光L1的至少一部分以及第二光L2的至少一部分作为输出光同轴地输出的分束器BS。假设在光输出系统2的输出具有第一光L1和第二光L2不同的光轴的情况下，根据使用的测定系统，两者必须同轴，但由于光输出系统2的输出两者同轴，所以具有容易利用的优点。

(5)光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1具备光输出系统2、以及将从光输出系统2输出的第一光L1的一部分以及第二光L2的一部分用作泵浦光L11以及探测光L22的STM200。因此，能够以简易的结构利用具有时间分解功能的STM。

(变形例1)

在上述的第一实施方式中，运算器13由FPGA实现。但是，运算器13的至少一部分也可以代替FPGA而通过作为中央运算装置的CPU、作为读出专用的存储区域的ROM、以及作为能够读写的存储区域的RAM的组合来实现。在该情况下，CPU将存储在ROM中的程序在RAM中展开并执行。另外，运算器13也可以通过面向特定用途的集成电路即ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，专用集成电路)来代替FPGA来实现。此外，运算器13也可以通过不同的结构的组合、例如CPU、ROM、以及RAM与FPGA的组合来实现。

即，以下程序也包含在本发明的范围内。

(6)一种程序，其是由对第一激光器11以及第二激光器12一起使用的运算器13执行的程序，该程序执行：向第一激光器11以及第二激光器12输入信号；将向第一激光器11输入信号的定时与向第二激光器12输入信号的定时的差即可变延迟值138切换为多个；输出表示使可变延迟值138变化的定时的参照信号。

此外，在本发明中还包含能够进行与上述程序相同的动作的FPGA的电路的程序。

(变形例2)

光输出系统2也可以不具备锁定放大器14。在该情况下，运算器13不向锁定放大器14输出脉冲信号。

(变形例3)

锁定放大器14也可以存在于光输出系统2的外部。在该情况下，运算器13向存在于光输出系统2的外部的锁定放大器14输出脉冲信号。

(变形例4)

与光输出系统2组合使用的计测装置不限于STM200。只要是进行基于泵探针法的测定的计测装置即可。

(变形例5)

在图1所示的光输出系统2的结构中，反射镜M仅包含1个。但是，光输出系统2为了提高配置、调整的自由度，也可以具备多个反射镜M。在该情况下，还可以配置第一激光器11、分束器BS、第二激光器12以及多个反射镜M，以便能够调整从第一激光器11到分束器BS的光路长度和从第二激光器12到分束器BS的光路长度。

(变形例6)

运算器13也可以具备输入接口，用户能够输入、调整固定延迟值137。例如运算器13也可以具备音量开关，用户配合音量开关的旋转方向以及旋转量来增减固定延迟值137。

-第二实施方式-

参照图8，对光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的第二实施方式进行说明。在以下说明中，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并主要说明其不同点。对于没有特别说明的点是与第一实施方式同样的。在本实施方式中，主要是光输出系统独立输出2个激光，在光输出系统的外部使2个激光同轴，这一点与第一实施方式不同。

图8是第二实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1A的整体结构图。与第一实施方式的不同点在于，反射镜M和分束器BS不包含在光输出系统2A中。其他结构与第一实施方式相同。

根据上述的第二实施方式，在使用与光输出系统2A组合的测定装置不同轴的光进行泵浦探测法的测量的情况下是有用的。另外，即使在使用同轴的光进行基于泵浦探测法的测量的情况下，通过与第一实施方式同样地使用反射镜M以及分束器BS，也能够得到同样的作用效果。

-第三实施方式-

参照图9，对光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的第三实施方式进行说明。在以下说明中，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并主要说明不同点。对于没有特别说明的点是与第一实施方式同样的。在本实施方式中，主要在光输出系统不使2个激光同轴地输出这一点上与第一实施方式不同。

图9是第三实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1B的整体结构图。与第一实施方式的不同点在于不具备分束器以及反射镜。即，在本实施方式中，输出光L1以及输出光L2直接输入到STM200。

根据上述第三实施方式，在使用与光输出系统2A组合的测定装置不同轴的光进行泵浦探测法的测量的情况下是有用的。

-第四实施方式-

参照图10，对光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的第四实施方式进行说明。在以下说明中，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并主要说明不同点。对于没有特别说明的点是与第一实施方式同样的。在本实施方式中，主要在能够进行高精度的时间差Δt的控制这一点上与第一实施方式不同。

在上述的第一实施方式中，与求出的计时的精度相比，将运算器13所具备的振荡器的每1次的振荡的时间设为足够短。但是，在不满足与所要求的计时的精度相比运算器13所具备的振荡器的每1次的振荡的时间足够短这样的条件的情况下，以下说明的模拟的延迟电路的并用是有效的。

图10是第四实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1C的整体结构图。光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1C具备光输出系统2C和STM200。光输出系统2C与光输出系统2的不同之处在于，光输出系统2C还具备延迟电路18。在本实施方式中，经由延迟电路18进行从运算器13向第二激光器12的脉冲信号的输出。

延迟电路18中的延迟时间能够通过从运算器13通过S25的控制信号来调整。延迟电路18例如能够以ps为单位调整延迟时间。当从运算器13通过S21输入脉冲信号时，延迟电路18仅延迟由模拟电路的特性设定的延迟时间，通过S22向第二激光器12输出脉冲信号。

根据上述的第四实施方式，能够进行更高精度的时间差Δt的控制。例如在运算器13所具备的振荡器的频率为1GHz的情况下，由于1周期为1ns，因此无法实现小于1周期的时间即ps单位的控制。但是，通过利用延迟电路18，能够以比运算器13所具备的振荡器的1周期短的时间的分辨率来控制时间差Δt。

(第四实施方式的变形例)

延迟电路18也可以与运算器13一体地构成。例如，通过使用具备输出延迟电路的FPGA，能够实现内置延迟电路18的运算器13。

-第五实施方式-

参照图11对光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的第五实施方式进行说明。在以下说明中，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并主要说明不同点。对于没有特别说明的点是与第一实施方式同样的。在本实施方式中，主要与第一实施方式的不同点在于，第一激光不从外部输入信号，而以预定的周期持续输出脉冲激光。

图11是第五实施方式的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统1D的整体结构图。与第一实施方式的不同点在于，具备代替第一激光器11而独立地进行动作的第一激光器11A这一点、具备对作为第一激光器11A的输出的第一光L1进行分光的2个分束器BS1及BS2这一点、以及具备对第一激光器11A的输出进行检测的光检测器15这一点。另外，运算器13的动作也与第一实施方式不同。

第一激光器11A输出脉冲激光的频率是已知的，例如为100kHz。但是，该频率不一定是严格的，至少无法期待与内置于运算器13的振荡器完全同步。

光检测器15将接收到的光转换为电信号并输出。光检测器15可以使用光电倍增管实现，也可以使用利用了半导体的pn结的光电二极管来实现。向光检测器15输入作为第一激光器11输出的第一光L1的一部分的分光L12。光检测器15将转换了接收到的光的电信号作为同步信号S5输出到运算器13。

运算器13以同步信号S5为基准定时生成数百倍～数千倍的时钟，并用于可变延迟值138的计数。例如，在第一激光器11A的输出为100kHz的情况下，运算器13生成100MHz的时钟，并以同步信号S5的接收时刻为基准对可变延迟值138进行计数。

根据上述的第五实施方式，能够获得接下来的作用效果。

(7)光输出系统2D具备：第一激光器11A，其以预定的周期输出作为光脉冲的第一光L1；第二激光器12，其根据输入的信号输出作为脉冲激光的第二光；以及运算器13，其以输出第一光L1的定时为基准，向第二激光器12输入信号。运算器13将输出第一光L1的定时与向第二激光器12输入信号的定时的差即可变延迟值138切换为多个。因此，能够使用以往使用的以预定的周期输出激光的激光振荡器获得与第一实施方式相同的作用效果。根据输入的脉冲信号输出脉冲激光的第二激光器12等输出未必高，因此，如果是本实施方式的结构，则具有能够利用高输出的激光振荡器的进一步的优点。

(第五实施方式的变形例)

第一装置1011可以对激光以外进行输出。例如第一装置1011也可以是同步加速器，以预定的周期输出X射线脉冲。

第六实施方式

参照图12对光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的第六实施方式进行说明。在以下说明中，对与第一实施方式相同的结构要素标注相同的附图标记，并主要说明其不同点。对于没有特别说明的点是与第一实施方式同样的。在本实施方式中，主要在确定来自信号产生部132的电信号的输出定时这一点上与第一实施方式不同。

第六实施方式中的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的硬件结构与第一实施方式相同，因此省略说明。第六实施方式中的光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统的功能结构除了信号发生部132的安装的详细情况以外，与第一实施方式相同。以下，对包含信号产生部132以及信号产生部132的运算器13的动作进行说明。

图12是说明第六实施方式中的运算器13的动作的图。图12的(a)是表示第六实施方式中的运算器13的动作的图，图12的(b)是表示参照信号的图，图12的(c)是表示比较例的动作的图。另外，图12的(a)～图12的(c)使图示横向的时间轴同步。在图12所示的例子中，根据图示的情况，在作为调制周期的一半的时间的L/2的时间，第一光L1和第二光L2分别平均仅输出3次。图12所示的T101、T102、T103、…是以调制周期L的开始时刻为基准，对L/2的长度进行N分割，在图12所示的例子中为3分割的时刻。以下，将该T101、T102等分别称为“基准时刻”。

在本实施方式中，信号产生部132如图12的(a)所示，相对于T101、T102等基准时刻，在将第一光L1错开可变延迟值138的一半之前，将第二光L2向后错开可变延迟值138的值的一半，由此将两者到达试样900的时刻差设为可变延迟值138。例如在可变延迟值138为t1的情况下，以使第一光L1比基准时刻提前t1/2到达，使第二光L2以比基准时刻晚t1/2到达的方式向第一激光器11以及第二激光器12输出信号。另外，在可变延迟值138为t9的情况下，以使L1比基准时刻早t9/2到达，L2以比基准时刻晚t9/2到达的方式向第一激光器11和第二激光器12输出信号。另一方面，在图12的(c)所示的比较例中，信号产生部132以使第一光L1始终在基准时刻达到，而第二光L2从基准时刻延迟可变延迟值138后到达的方式进行动作，由此将两者到达试样900的时刻差作为可变延迟值138。

两者的差异在切换可变延迟值的时刻前后变得显著。在图12的(a)中，在切换的前后，第一光L1以及第二光L2合在一起的合计的光脉冲数的时间方向的密度大致恒定，不存在时间上的疏密。但是，在比较例中，第一光L1的光脉冲数的时间方向的密度与时刻无关而完全恒定，但关于第二光L2，在T104的前后照射到试样900的光在时间上变得粗糙，在T107的前后照射到试样900的光在时间上变得密集。因此，在比较例中，在STM200的输出中，不仅包含每隔调制期间L的半周期变更可变延迟值138的影响，还有可能包含每隔半周期产生的所照射的光的时间上的疏密的影响。另一方面，在本实施方式中，在调制的前后也难以引起照射到试样900的光的疏密，因此具有容易测定可变延迟值138的影响的优点。

根据上述的第一实施方式，能够获得接下来的作用效果。

(8)信号发生部132向第一激光器11和第二激光器12输出信号，以使得第一光L1到达试样900的定时和第二光L2到达试样900的定时的平均时刻与以参照信号的调制定时为基准的基准时刻一致。因此，即使在可变延迟值138的变化的前后也难以引起照射到试样900的光的疏密，容易测定可变延迟值138的影响。

上述的各实施方式以及变形例也可以分别组合。上述说明了各种各样的实施方式以及变形例，但是本发明并不限定于这些内容。在本发明的技术思想的范围内所想到的其它实施方式也包含于本发明的范围内。

以下的优先权申请的公开内容将作为引用文献而被并入这里。

日本专利申请2018-233878(2018年12月13日申请)

附图标记说明

1、1A、1B、1C、1D…光学泵浦探测扫描隧道显微镜系统；

2、2A 光输出系统；

3 运算器；

11…第一激光；

12…第二激光；

13 运算器；

14 锁定放大器；

15 光检测器；

131 调整部；

132 信号产生部；

133 延迟决定部；

134 参照信号输出部；

135 输入部；

136 存储部；

137 固定延迟值；

138 可变延迟值；

900 试样；

L1 第一光；

L11 泵浦光；

L2 第二光；

L22 探测光。