CN110730903A - 光谱测定方法、光谱测定装置以及宽波段脉冲光源单元 - Google Patents

Abstract

提供一种新的光谱测定技术，即使在被测定光仅存在非常短时间的情况下也能够进行测定。使被测定光(L0)与在脉冲内波长随时间连续地变化的宽波段脉冲光(L1)干涉，将对所发出的干涉光进行检测的检测器(5)的输出信号进行傅立叶转换，由此测定被测定光(L0)的每个波长的光强度。来自激光源(1)的激光(L2)通过非线性光学元件(2)而成为超连续光(L3)，通过脉冲伸长元件(3)使其脉冲伸长而生成宽波段脉冲光(L1)。

Description

光谱测定方法、光谱测定装置以及宽波段脉冲光源单元

技术领域

本申请的发明涉及光谱测定的技术。

背景技术

对光的每个波长的强度进行测定的光谱测定的技术，在材料分析、各种研究中被广泛利用。典型的光谱测定装置是使用了衍射光栅那样的分散元件的装置。在使用了衍射光栅的光谱测定装置中，需要与要测定的波长相匹配地使衍射光栅的姿势变化。因此，光谱测定装置具备使衍射光栅围绕相对于光轴垂直的轴旋转的机构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-205390号公报

发明内容

发明要解决的课题

在某种光谱测定中，需要在非常短的时间内使测定结束。例如，有时需要得知发光时间非常短的发光物体的光谱发光特性。更具体地说，作为例子能够列举发动机的火花塞的发光现象的分析、非常短时间的爆炸中的发光现象的分析。

在对这样的非常短的发光进行分析的情况下，在使用分散元件的以往的光谱测定装置中，测定变得困难。其理由在于，在这样短的时间内难以或者不能使测定结束。例如，当要使用以往的光谱测定装置按照0.1nm对100纳米(nm)的带宽的光进行光谱测定时，即使在被测定光为足够的光量的情况下，也需要0.2秒程度。在被测定光较微弱的情况下，需要数十秒。在使用了衍射光栅的光谱测定装置中，为了提高SN比，而增多累计次数。在该情况下，测定进一步需要时间。

另一方面，作为高灵敏度且高速的光谱测定法，已知有利用了干涉计的被称为傅里叶光谱法的方法。代表的方法为，在有机物的成分分析等中使用的傅立叶转换红外光谱光度计(FT-IR)。

图10是作为以往的光谱测定装置的傅立叶转换红外光谱光度计的概略图。如图10所示那样，FT-IR使用迈克耳孙干涉计的构成。图10的例子成为对某种试料的光谱吸光度进行测定的例子。来自灯那样的宽波段的连续(非脉冲)光源91的光，由半透半反镜92分割。分割后的一方的光由固定镜93反射，另一方的光由移动镜94反射。两个光向相同的光路返回并干涉。干涉光在试料S中透射而由检测器95检测到。

当使移动镜94在光轴方向上移动的同时通过检测器95对干涉光的强度进行检测时，能够得到干涉图(干涉光强度曲线)。通过对该干涉图进行傅立叶转换，由此能够得到频谱波形。在该情况下，频谱波形是试料的光谱吸光度分布。

FT-IR与使用衍射光栅的光谱测定装置相比，具有计测时间短、高灵敏度、且高分辨率这样的优点。此外，还能够进行宽波段同时测定。然而，关于移动镜94的扫描(光轴方向的移动)的周期，即使是现存机种中较速的机种也为10Hz程度，通常进行数十次～数百次累计，因此测定需要数秒～数十秒。由此，在更短时间的发光的光谱测定中，该方法无法使用。

近年，在材料合成、燃烧过程等的研究中，需要非常短时间的光谱测定。然而，以往的光谱测定技术无法对应这样的需求。

本申请的发明是考虑了这样的以往技术的课题而进行的，其目的在于提供一种新的光谱测定技术，即使在被测定光仅存在非常短时间的情况下，也能够进行测定

用于解决课题的手段

为了解决上述课题，本申请的技术方案1记载的发明具有如下构成：使被测定光与在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光干涉，通过检测器检测所发出的干涉光的强度，基于检测结果得到被测定光的每个波长的光强度。

此外，为了解决上述课题，技术方案2记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1的构成中，上述被测定光是从发光物体发出的光。

此外，为了解决上述课题，技术方案3记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1或者2的构成中，上述宽波段脉冲光是在脉冲内波长随时间连续地变化的光。

此外，为了解决上述课题，技术方案4记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1至3任一项的构成中，上述宽波段脉冲光是使从激光源发出的光发出非线性光学效果而得到的超连续光。

此外，为了解决上述课题，技术方案5记载的发明具有如下构成：在上述技术方案4的构成中，上述宽波段脉冲光是使上述超连续光脉冲伸长的光。

此外，为了解决上述课题，技术方案6记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1至5任一项的构成中，是通过获取单元获取来自上述检测器的输出信号的方法，上述宽波段脉冲光的重复周期为获取单元的获取周期以上。

此外，为了解决上述课题，技术方案7记载的发明具有如下构成：在上述技术方案6的构成中，上述获取单元为示波器。

此外，为了解决上述课题，技术方案8记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1至7任一项的构成中，使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射，将来自该检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

此外，为了解决上述课题，技术方案9记载的发明具有如下构成：在上述技术方案1至8任一项的构成中，上述宽波段脉冲光中的一个脉冲的长度为100纳秒以上，波段为100纳米以上，重复频率为10MHz以下。

此外，为了解决上述课题，技术方案10记载的发明具有的构成为，具备：

宽波段脉冲光源单元，发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光；

干涉光学系统，使被测定光与来自宽波段脉冲光源单元的宽波段脉冲光干涉；

检测器，对通过干涉光学系统干涉后的光的强度进行检测；以及

运算处理单元，基于来自检测器的输出信号，得到被测定光的每个波长的光强度。

此外，为了解决上述课题，技术方案11记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10的构成中，上述宽波段脉冲光源单元发出在脉冲内波长随时间连续地变化的宽波段脉冲光。

此外，为了解决上述课题，技术方案12记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10或者11的构成中，上述宽波段脉冲光源单元具备激光源以及非线性光学元件，该非线性光学元件使来自激光源的激光产生非线性光学效果，并作为上述宽波段脉冲光而输出超连续光。

此外，为了解决上述课题，技术方案13记载的发明具有如下构成：在上述技术方案12的构成中，上述宽波段脉冲光源单元具备伸长元件，该伸长元件使从上述非线性光学元件输出的上述超连续光脉冲伸长。

此外，为了解决上述课题，技术方案14记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10至13任一项的构成中，具备获取来自上述检测器的输出信号的获取单元，

上述宽波段脉冲光源单元以获取单元的获取周期以上的重复周期发出上述宽波段脉冲光。

此外，为了解决上述课题，技术方案15记载的发明具有如下构成：在上述技术方案14的构成中，上述获取单元为示波器。

此外，为了解决上述课题，技术方案16记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10至15任一项的构成中，具备使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射的参照用光学系统，

上述运算处理单元为，将来自通过参照用光学系统而入射了上述宽波段脉冲光的检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

此外，为了解决上述课题，技术方案17记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10至16任一项的构成中，上述宽波段脉冲光源单元为，发出一个脉冲的长度为100纳秒以上、波段为100纳米以上、重复频率为10MHz以下的上述宽波段脉冲光。

此外，为了解决上述课题，技术方案18记载的发明具有如下构成：在上述技术方案10至17任一项的构成中，具备标识元件，该标识元件能够使上述宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动而作为标记。

此外，为了解决上述课题，技术方案19记载的发明具有如下构成：在上述技术方案18的构成中，上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

此外，为了解决上述课题，技术方案20记载的发明具有的构成为，

是发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光的宽波段脉冲光源单元，

具备标识元件，该标识元件能够使宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动而作为标记。

此外，为了解决上述课题，技术方案21记载的发明具有如下构成：在上述技术方案20的构成中，上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

发明的效果

如以下说明的那样，根据本申请的技术方案1记载的方法或者技术方案10记载的装置，使根据脉冲内的经过时间而波长变化的宽波段脉冲光与被测定光干涉，基于干涉光的强度的检测结果求出被测定光频谱，因此不需要如FT-IR那样使移动镜移动。因此，能够进行更高速的光谱测定。

此外，根据技术方案2记载的方法，即使在发光为非常短时间的情况下，也能够进行测定。

此外，根据技术方案3记载的方法或者技术方案11记载的装置，除了上述效果以外，由于宽波段脉冲光的波长的随时间变化是连续的，因此测定较容易，能够进行波长无遗漏的光谱测定。

此外，根据技术方案4记载的方法或者技术方案12记载的装置，除了上述效果以外，由于通过超连续光来得到宽波段脉冲光，因此容易在更宽波段得到波长随时间变化的脉冲光。

此外，根据技术方案5记载的方法或者技术方案13记载的装置，除了上述效果以外，由于通过脉冲伸长元件进行脉冲伸长，因此能够得到任意的脉冲宽度的宽波段脉冲光而容易使测定最佳化。

此外，根据技术方案6记载的方法或者技术方案14记载的装置，除了上述效果以外，由于宽波段脉冲光的重复周期为获取单元的获取周期以上，因此不存在干涉光的一部分变得无法被获取的问题。

此外，根据技术方案7记载的方法或者技术方案15记载的装置，除了上述效果以外，由于获取单元为示波器，因此能够得到上述效果而进行干涉图的观察。

此外，根据技术方案8记载的方法或者技术方案16记载的装置，除了上述效果以外，由于与参照光进行比较而从干涉光得到被测定光的频谱，因此即使宽波段脉冲光的频谱强度变动，也能够不受其影响地进行精度较高的光谱测定。

此外，根据技术方案18记载的装置，除了上述效果以外，由于具备标识元件，因此容易将脉冲内的时刻与波长建立对应，根据这一点也能够容易地进行精度较高的光谱测定。

此外，根据技术方案19记载的装置，除了上述效果以外，即使使用标识元件，也能够进行低损失的光谱测定。

此外，根据技术方案20记载的装置，由于宽波段脉冲光源单元具备标识元件，因此能够提供一种宽波段脉冲光源，能够高精度且容易地将脉冲内的时刻与波长建立对应。

此外，根据技术方案21记载的装置，除了上述效果以外，即使使用标识元件，也能够进行低损失的光谱测定。

附图说明

图1是表示第一实施方式的光谱测定方法的概略的图。

图2是对实施方式的光谱测定方法中的宽波段脉冲光的生成进行表示的概略图。

图3是表示作为脉冲伸长元件而使用的光纤的分散特性的图。

图4是对利用宽波段脉冲光与被测定光的干涉现象来进行光谱测定的原理进行表示的概略图。

图5是第一实施方式的光谱测定装置的概略图。

图6是第二实施方式的光谱测定装置的概略图。

图7是表示作为标识元件的陷波滤波器的特性以及作用的概略图。

图8是第三实施方式的光谱测定装置的概略图。

图9是表示标准气室的吸收频谱的一个例子的图。

图10是作为以往的光谱测定装置的傅立叶转换红外光谱光度计的概略图。

具体实施方式

接下来，对用于实施本申请发明的方式(以下，称为实施方式)进行说明。图1是表示第一实施方式的光谱测定方法的概略的图。

本实施方式的光谱测定方法利用宽波段脉冲光L1。宽波段脉冲光L1是指，虽然是脉冲光，但波长分布在某种程度的带宽中的光。特别是，在本实施方式中，宽波段脉冲光L1成为波长随时间变化的光。

具体地说，在本实施方式中，如图1所示那样，宽波段脉冲光L1为波长随时间连续地变化的光。在本实施方式中，是在脉冲内时刻越早则波长越长的光，且是越后的时刻则波长越短的光。即，成为波长越短则变得越慢的分布，脉冲内的时刻与波长1对1地对应。由此，只要能够确定脉冲内的时刻，则同时可知波长以及该波长下的强度。在通过检测器随时间经过地测定了该宽波段脉冲光L1的强度的情况下，随着时间经过而在输出中呈现强弱，但该强弱意味着与得到值的时刻对应的波长下的光强度。即，来自检测器5的输出值的随时间变化相当于频谱(光谱强度)。

如此，波长随时间连续地变化的光被成为啁啾的光。实施方式的方法，是利用啁啾的宽波段脉冲光L1来进行光谱测定的方法。

参照图2对宽波段脉冲光L1的生成进行更具体地说明。图2是表示实施方式的光谱测定方法中的宽波段脉冲光L1的生成的概略图。

如图2所示那样，在实施方式中，宽波段脉冲光L1以来自激光源1的光为基础来生成。脉冲光经常是来自激光源的光，如图2所示那样，激光L2是单一波长(窄波段)的光。在本实施方式中，通过自相位调制等非线性光学效果使来自激光源1的光L2宽波段化。即，通过自相位调制等非线性光学效果来生成新的波长，光进行宽波段化。通过非线性光学效果使超短脉冲光L2宽波段化之后的光L3，作为超连续光而被周知。实施方式的方法利用该超连续光(以下，简称为SC光)L3。

具体地说，在实施方式的方法中，作为用于得到SC光L3的非线性光学元件2而使用光纤。在光纤的情况下，能够在将光封闭到微小区域的状态下对光进行较长距离传送。因此，散射式相比，具有容易得到非线性光学效果这样的优越性。

然后，在本实施方式中，为了实现光谱测定这样的目的而进一步最佳化，而使该SC光L3脉冲伸长。即，如图2所示那样，通过脉冲伸长元件3使脉冲的时间宽度伸长，而成为宽波段脉冲光L1。

作为脉冲伸长元件3，在本实施方式中使用分散元件。作为分散元件，同样根据处理的容易度等而使用光纤，具有负的分散斜度的光纤被用作为脉冲伸长元件3。图3是表示作为脉冲伸长元件而使用的光纤的分散特性的图。

在本实施方式中，假定进行1100～1600nm程度的近红外区域的光谱测定。在图3中低于1300nm的情况被省略，但作为脉冲伸长元件3的光纤，具有在1100～1600nm程度的范围中组速度分散为负(正常分散)，波长越长则分散越大的特性(负的分散斜度)。因此，如图2所示那样，SC光L3中的脉冲的时间宽度变长。SC光L3的较宽的波长宽度被直接保存、而不变化。

例如，如图2所示那样，从激光源1发出中心波长1064nm、波长宽度0.3nm的激光L2，该激光L2的脉冲宽度为9皮秒程度。该激光L2通过非线性光学元件2转换为600～2000nm程度的宽波段的SC光L3，其脉冲宽度被伸长为约200皮秒。然后，SC光L3的脉冲宽度通过脉冲伸长元件3而伸长为100纳秒(ns)以上，得到宽波段脉冲光L1。

另外，作为具有图3所示那样的分散特性的光纤，能够使用通信用的分散补偿光纤。作为通信用，具有正的分散斜度的单模光纤经常被使用为传送用，但为了对波形的变形进行补偿而具有负的分散斜度的光纤被作为分散补偿光纤模块(DCM)而销售，能够对其进行使用。

此外，关于作为非线性光学元件2的光纤，一般的单模光纤即足够，但从生成啁啾的SC光L3的观点出发，优选使用在伸长测定波段示出正常分散特性的光纤。然后，SC光L3优选是线形啁啾的光。

如图1所示那样，使如此生成的宽波段脉冲光L1与被测定光L0干涉。使用宽波段脉冲光L1且利用干涉现象来进行光谱测定，是实施方式的方法的原理，成为较大的特征点。关于这一点，参照图4进行说明。图4是表示利用宽波段脉冲光L1与被测定光L0的干涉现象来进行光谱测定的原理的概略图。

图1是对于被测定光L0以及宽波段脉冲光L1分别表示将时间作为参数的强度分布以及将波长作为参数的强度分布。如图4所示那样，关于被测定光L0，在与宽波段脉冲光L1的一个脉冲的时间段相比为足够长的时间内以一定的强度存在，且在该期间频谱不改变。此外，宽波段脉冲光L1的带宽与要测定的被测定光L0的带宽相同或者比其更靠。

当被测定光L0在与宽波段脉冲光L1相同的光路上前进时，被测定光L0中的波长与宽波段脉冲光L1的波长在接近的情况下产生干涉，在一致的波长下干涉振幅尤其变大。被测定光L0与宽波段脉冲光L1一同达到检测器5而被测定强度。此时，关于被测定光L0，根据时间而波长成分不会变化，但如上所述那样，宽波段脉冲光L1的波长随时间连续地变化。即，在脉冲中在最初为最长的波长，随着时间经过而依次成为较短的波长。由此，在产生了干涉的情况下，在被测定光L0中包含的波长的光向检测器5入射的定时，检测器5的干涉振幅尤其变大。即，通过对来自检测器5的输出值的随时间变化(一个脉冲内的变化)进行调查，由此控制在哪个波长产生何种程度的大小的干涉。

干涉光的强度还依存于宽波段脉冲光L1的频谱，但如果宽波段脉冲光L1的频谱为已知，则之后仅为被测定光L0的频谱。由此，根据检测器5的输出对干涉光的强度进行调查，并按照已知的宽波段脉冲光L1的频谱进行标准化，由此能够求出被测定光L0的频谱。

在此，向检测器5入射的光的状态，可以认为与在傅立叶转换光谱测定法中使移动镜移动而进行了波长扫描的情况等价。在FT-IR中，当使移动镜移动时，在宽波段连续光(此处的连续光意味着不是脉冲光)的全部波长的相位差成为零的位置处干涉振幅成为最大，作为移动镜的位置的函数而能够得到干涉图。然后，通过对其进行傅立叶转换，由此能够对全波段的频谱一并进行同时检测。另一方面，当如实施方式那样，使用波长随时间变化的宽波段脉冲光L1时，作为时间的函数而得到干涉图I。在实施方式的情况下，通过一并同时检测无法得到频谱信息，但FT-IR中的镜扫描速度当以扫描的频率(频度)进行表示时为10Hz程度，与此相对，实施方式中的1个脉冲的脉冲宽度能够成为μ秒单位。即，实施方式中的1次扫描的测定时间与FT-IR相比快100000倍。在需要多次的累计次数的情况、需要多点测定的情况下，作为总时间而该差成为较大的差。

如此，在实施方式中，通过检测器得到的干涉光的随时间变化，是与FT-IR同样的干涉图I，通过进行与FT-IR的情况同样的傅立叶转换能够求出频谱。然后，如上所述，通过利用已知的宽波段脉冲光L1的频谱对该频谱进行标准化(按照波长的除法)，由此求出被测定光L0的频谱P。实施方式的光谱测定方法基于这样的原理。

接下来，对实施上述那样的光谱测定方法的实施方式的光谱测定装置进行说明。图5是第一实施方式的光谱测定装置的概略图。

如图5所示那样，实施方式的光谱测定装置具备发出宽波段脉冲光L1的宽波段脉冲光源单元10、使宽波段脉冲光L1与被测定光L0干涉的干涉光学系统40、对宽波段脉冲光L1与被测定光L0的干涉光进行检测的检测器5、以及对来自检测器5的输出信号进行处理的运算处理单元6。

如上所述，宽波段脉冲光源单元10具备激光源1、通过非线性光学效果使来自激光源1的激光成为SC光的非线性光学元件2、以及使SC光的脉冲伸长的脉冲伸长元件3。

作为激光源1，为了得到较高的峰值功率，优选使用飞秒激光源或者皮秒激光源。例如，能够使用钛蓝宝石激光器、光纤激光器等。非线性光学元件2例如为10米程度的单模光纤，脉冲伸长元件3为销售的DCM。

干涉光学系统40包括半透半反镜4。还能够采用通过光纤引导被测定光L0而达到半透半反镜4，或者经由狭缝而达到半透半反镜4的构成。

作为检测器5，在近红外区域中能够采用使用了InGaAs那样的光电二极管的检测器。作为检测器5，优选响应性较高，例如能够使用ALPHALAS公司的UPD-30-VSG-P。

运算处理单元6包括：存储部62，存储了进行包含傅立叶转换在内的信号处理的信号处理程序61；以及处理器63，执行信号处理程序。作为运算处理单元6，能够使用个人计算机那样的通用计算机。另外，干涉图通过信号处理程序来进行傅立叶转换。另外，在实际上，由于是数字处理，因此进行离散傅立叶转换。

在本实施方式中，在运算处理单元6与检测器5之间设置有获取单元70。在本实施方式中，获取单元70为示波器7。也有时代替示波器7，而设置通过高速AD转换器进行取样的单元，作为获取单元。

另外，在检测器5与获取单元70之间或者获取单元70内，设置有未图示的放大器。并且，在获取单元70与运算处理单元6之间或者运算处理单元6内，设置有未图示的AD转换器。

此外，获取单元70也有时相对于检测器5平行地设置有运算处理单元6。在该情况下，来自检测器5的输出信号不经由获取单元70而直接输送到运算处理单元6。

被测定光L0与来自宽波段脉冲光源单元10的宽波段脉冲光L1干涉，干涉光的强度由检测器5检测。来自检测器5的输出的随时间变化的干涉图I，被作为获取单元70的示波器7获取，并经由示波器7而输入运算处理单元6。然后，通过运算处理单元6进行包含傅立叶转换在内的规定的信号处理，作为其结果，求出被测定光L0的频谱P。

当表示装置构成的更具体的一个例子时，在将1000～1600nm程度的范围作为测定波段的情况下，作为激光源1而使用振荡波长1064nm的脉冲激光器。脉冲的振荡周期(重复周期)为1.3MHz，脉冲宽度为5皮秒。

作为非线性光学元件2，使用康宁公司制的SMF28那样的单模光纤，作为脉冲伸长元件3，使用(株)Fujikura制的DCM-G.652那样的DCM。

所得到的宽波段脉冲光L1的频谱宽度为600nm(1000～1600nm的带宽)，脉冲宽度(时间宽度)为700nm秒程度。通过利用该宽波段脉冲光L1，由此能够在1000～16000nm程度的波段中对被测定光L0进行光谱测定。

根据实施方式的光谱测定方法以及光谱测定装置，使根据脉冲内的时刻(经过时间)而波长变化的宽波段脉冲光L1与被测定光L0干涉，并通过其干涉图的傅立叶转换来求出被测定光L0的频谱，因此不需要如FT-IR那样使移动镜移动。

根据这样的实施方式的光谱测定方法以及光谱测定装置，即使在对爆炸、发动机的燃烧那样的仅存在非常短的时间的光的频谱进行测定的情况下，通过使宽波段脉冲光L1的脉冲宽度为该时间以下，由此也能够进行光谱测定。在上述例子中，宽波段脉冲光L1的脉冲宽度为700ns，因此只要是在700ns以上的时间中产生的发光，就能够进行光谱测定。

宽波段脉冲光L1的频谱带宽，优选对所假定的被测定光L0的频谱带宽进行覆盖的频谱带宽，即、与被测定光L0的频谱带宽相同或者比其宽的频谱带宽。其原因在于，当比被测定光L0的频谱带宽窄时，在该部分变得无法得到测定结果。宽波段脉冲光L1的中心波长根据被测定光L0来选定，但带宽宽度优选至少在其前后具有50nm以上，作为整体为100nm以上的带宽宽度。

另外，为了进行SN比较高的测定，优选在宽波段脉冲光L1的重复中对值进行积分。即，使宽波段脉冲光L1与被测定光L0的干涉光在宽波段脉冲光L1的脉冲的重复中向检测器5入射多次，将对各波长进行积分而得到的值作为测定结果。

宽波段脉冲光L1的脉冲宽度依存于脉冲伸长元件3的性能，但优选考虑检测器5的上升所需要的时间来选定。检测器5为，从光入射起到通过光电转换而出现输出为止，为皮秒单位，但需要一定程度的时间(上升时间)。当与该时间相比宽波段脉冲光L1的脉冲宽度不充分时，无法进行所需要的波长宽度下的光谱测定。在将光电二极管那样的一般的光电转换元件用作为检测器5的情况下，宽波段脉冲光L1的脉冲宽度优选为100ns以上。即，只要使宽波段脉冲光L1的脉冲宽度成为100ns以上，则能够得到无需使用高速响应的特殊的检测器这样的效果。

宽波段脉冲光L1的周期(重复周期)优选设定为，以宽波段脉冲光L1的脉冲宽度为参考而相邻的脉冲不重叠。例如，如果脉冲宽度为上述的700ns、即比1μ秒稍微小的程度，则重复频率能够设定为1MHz程度。此外，还优选考虑检测器5以及获取单元70中的上升响应速度来选定。例如，在作为检测器5而使用带宽5GHz的光电二极管，作为获取单元70而使用带宽2GHz的示波器的情况下，上升响应时间成为188ps。由此，相邻的脉冲的间隔需要为188ps以上。

接下来，对第二实施方式的光谱测定方法以及光谱测定装置进行说明。图6是第二实施方式的光谱测定装置的概略图。

在上述的第一实施方式的说明中，宽波段脉冲光L1的频谱为已知。这是指，预先测定宽波段脉冲光L1的频谱，在运算处理单元6中将其设定为常量。虽然这样也可以，但不是对被测定光L0进行测定时的实时的频谱。如果宽波段脉冲光L1的频谱稳定而没有变化，则没有问题，但如果可能存在变化，则应该以实时的频谱进行标准化。

第二实施方式将上述方面考虑在内而进行最佳化。即，如图6所示那样，在第二实施方式中，设置有参照用光学系统400。具体地说，配置有对来自宽波段脉冲光源单元10的宽波段脉冲光L1进行分割的分束器41。由分束器41分割后的宽波段脉冲光L1的一方，达到干涉光学系统40内的半透半反镜4而与被测定光L0干涉，其强度由检测器(第一检测器)5检测。宽波段脉冲光L1的另一方向捕捉干涉光的检测器5的第二检测器51入射，来自第二检测器51的输出信号由未图示的放大器放大，并向第一检测器5之外的运算处理单元6输入。另外，也有时通过示波器来观察第二检测器51的输出。

关于来自第二检测器51的输出，由于其随时间的变化也意味着宽波段脉冲光L1的频谱，因此运算处理单元6在通过未图示的AD转换器使其成为数字信号的基础上作为参照用的频谱。然后，作为根据来自第一检测器5的输出(干涉图)来计算被测定光L0的频谱时的标准化用的值而进行利用。

根据第二实施方式，实时地得到标准化用的宽波段脉冲光L1的频谱而计算被测定光L0的频谱，因此在这一点上测定精度的可靠性变高。第二检测器51使用与第一检测器5相同的检测器，但优选使用特性无偏差的检测器。

此外，在第二实施方式中，设置有标识元件，该标识元件能够使宽波段脉冲光L1中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动而作为标记。作为标识元件，在本实施方式中，采用使已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的陷波滤波器(带切滤波器)81、82。另外，标识元件中的“衰减”，意味着将相当量进行遮挡而使其不会到达检测器，除了基于吸收的情况以外，还包含使其反射或者使其散射的情况。

图7是表示作为标识元件的陷波滤波器81、82的特性以及作用的概略图。如图7所示那样，在本实施方式中，设置有两个陷波滤波器81、82。如图7(A)所示那样，第一陷波滤波器81是使宽波段脉冲光L1的带宽中的长波长侧的特定波长λ1的光选择性地衰减的滤波器。此外，如图7(B)所示那样，第二陷波滤波器82是使宽波段脉冲光L1的带宽中的短波长侧的特定波长λ2的光选择性地衰减的滤波器。这些特定波长λ1、λ2是各陷波滤波器81、82的特性，均为已知。

当对于这样的两个陷波滤波器81、82例如通过图7(C1)那样的频谱的宽波段脉冲光L1时，如图7(C2)所示那样，在λ1、λ2下强度显著降低。因此，能够作为脉冲内的经过时刻与波长的对应的标记。

例如，如上所述，当是位于波长越短则越慢的时刻的宽波段脉冲光L1的情况时，在来自第二检测器51的输出的随时间变化中，当将首先观察到显著的输出时的衰减的时刻设为t1，将接着观察到输出的显著降低的时刻设为t2时，时刻t1是检测到λ1的时刻，t2是检测到λ2的时刻(λ1＞λ2)。

在该情况下，能够进行λ1与t1、λ2与t2的明确的建立对应，因此能够以此为基准将各时刻的强度作为所对应的波长的强度(频谱)。通过根据脉冲伸长元件3的分散来进行计算，由此能够进行时间与波长的建立对应。分散表示如图3所示那样基于波长的传播速度的不同。例如，波长1500nm的分散值为-1.4ns/nm。这表示：例如当将波长1499nm以及1500nm在脉冲伸长元件3中同时开始传播时，在从脉冲伸长元件3出射时1500nm比1499nm延迟1ns。当宽波段脉冲在脉冲伸长元件3中通过时，受到该分散的影响而脉冲宽度伸长。由此，只要通过标识元件81决定了λ1与t1的基准，则能够计算出哪个波长延迟多少地传播，能够进行波长与时间的建立对应。

在该情况下，分散有可能由于脉冲伸长元件3周围的温度影响等而变化。当分散变化时，波长与时间的关系变化。使用帕尔贴元件等来实现温度稳定化也是对策之一，但成本提高。因此，能够采取如下的对策等：例如，插入其他标识元件82，得到λ2与t2的波长与时间的关系，由此确认以λ1与t1为基准而根据分散计算出的t2、与通过标识元件82观察到的t2的时间在何种程度上一致，将其偏移量作为数据的准确度的指标，在偏移量较大的情况下，对脉冲伸长元件3的分散进行重新测定而进行校正。

在没有标识元件的情况下，根据宽波段脉冲光L1中的最长波长与最短波长来进行上述确定。虽然在该方法中也能够实施，但如图1等所示那样，由于宽波段脉冲光L1的开始和结束的信号较微弱，因此难以确定在哪个时刻开始在哪个时刻结束的情况较多，容易成为精度降低的原因。当如上述那样使用标识元件81、82时，能够稳定地进行精度较高的光谱测定。由此，标识元件优选设置两个以上(即，确定两个以上的已知的波长的检测时刻)，但即使是一个也有助于测定精度的提高。

此外，作为标识元件，除了陷波滤波器以外，还能够使用光纤布拉格光栅(FBG)。为了进行精度较高的光谱测定，陷波滤波器中的选择衰减带宽优选为1nm以下，但由于陷波滤波器由电介质多层膜形成，因此当要得到那样的窄波段的特性时，容易成为高成本。此外，当进行窄波段化时，除此以外的带宽的透射率也降低而损失变大。另一方面，在FBG的情况下，在光纤中在其长度方向上形成有高低的折射率周期构造，因此与陷波滤波器相比，容易得到1nm以下这样的窄波段衰减特性，且其他带宽的光的损失也较少。此外，在作为宽波段脉冲光源单元10的脉冲伸长元件3而使用光纤的情况下，还能够使光纤彼此融合，作为光纤系统的光学构造的亲和力较高。

接下来，对第三实施方式的光谱测定方法以及光谱测定装置进行说明。图8是第三实施方式的光谱测定装置的概略图。

如图8所示那样，在第三实施方式中，也通过分束器41将宽波段脉冲光L1分为两个，使其一方与被测定光L0干涉，使另一方作为标准化用的光而向第二检测器51入射。在该第三实施方式中，代替第二实施方式的陷波滤波器81、82，使用标准气室83来作为标识元件。

标准气室为具有周知的吸收频谱的气体被封入到室中的构造。由于具有气体种类所固有的尖锐的吸收频谱，因此能够被用于各种波长校正用。图9表示标准气室的吸收频谱的一个例子。该例子是美国的Wavelength Reference公司的乙炔标准气室(200Torr，长度3cm)的例子。在室的入射侧以及出射侧的双方连接了光纤的构造的标准气室也在销售，与实施方式中的宽波段脉冲光源单元10的出射侧进行连接也较容易。

当在标准气室那样的已知的波长中，使宽波段脉冲光L1透射具有显著的吸收频谱的试料时，在捕捉到其确定的波长的光的时刻，来自检测器51的输出显著降低。如图7所示那样，标准气室83具有大量吸收频谱，因此能够进行精密的波长修正。虽然如此，在标准气室83的情况下，只要具有至少个已知的吸收频谱，则当然就能够期待测定精度的提高。另外，作为标准的试料不需要为气体，也可以是液体、固体。如果一般性地进行表现，则成为：能够将具备试料的标准试料单元用作为标识元件，该试料具有至少一个已知的显著的吸收频谱。

另外，宽波段脉冲光源单元10具备上述那样的标识元件81、82、83，除了利用了与被测定光L0的干涉的光谱测定这样的用途以外，也具有意义。例如，可以考虑如下的光谱测定装置：使来自宽波段脉冲光源单元10的光向试料直接照射，对其透射光、反射光、散射光等进行捕捉而进行试料的分析。在该情况下，高精度且容易地进行脉冲内的时刻与波长的建立对应的情况较重要，上述构成在这一点上具有显著的意义。

此外，标识元件81、82、83也可以设置在通过分束器41分割的另一方(不与被测定光L0干涉的一方)的宽波段脉冲光L1的光路上。在该情况下，已知的特定波长的光、其外侧的带宽的光也与被测定光L0干涉，因此成为适合于也需要其带宽的测定结果的情况的构成。

此外，在上述各实施方式中，宽波段脉冲光L1是波长随时间连续地变化的光，但在实施本申请发明时，只要随时间变化即可，不一定需要连续。在使超短脉冲激光产生非线性光学效果而生成SC光时，在作为非线性光学元件的光纤的分散特性包含异常分散的情况下，有时不会成为啁啾的SC光而成为在时间上离散了的状态。即使在对这样的SC光进行脉冲伸长而得到的宽波段脉冲光L1的情况下，只要预先得知脉冲内的时刻与波长的对应关系，则也能够确定波长。其中，波长连续地变化的啁啾的SC光的波长确定较容易，并且没有波长的缺失(无法测定的波长)，因此适合。

在上述实施方式中，通过脉冲伸长元件3使SC光脉冲伸长来得到宽波段脉冲光L1，但也能够成为其他构成。例如，在钛蓝宝石激光器那样的某种激光器中，有的能够以200nm程度的较宽的带宽(相对于中心波长±100nm)进行振荡，通过脉冲伸长元件3使来自这样的激光源1的输出脉冲伸长，也能够得到宽波段脉冲光L1。在该情况下，如果峰值功率较小，则会不特别利用非线性光学效果。但是，在如上述实施方式那样利用非线性光学效果来得到宽波段的光的情况，能够容易地得到更靠的带宽。

脉冲伸长元件3在测定波长的整个带宽中具有正常分散特性，但作为元件的性质也可以具有异常分散特性的波段。但是，在零分散波长附近的波段中脉冲未被伸长，因此无法得到波长的时间差而分辨率变低。此外，当正常分散与异常分散混合存在时，难以取得时间与波长的1对1对应。由此，脉冲伸长元件3可以为，在向脉冲伸长元件3入射的波段中包含零分散波长、且正常分散与异常分散混合存在的情况下，在向脉冲伸长元件3入射之前的光路上，以仅成为正常分散区域或者异常分散区域的方式设置波长截止滤波器。

另外，脉冲伸长元件3具有分散作用，但也可以是同时起到非线性光学效果的元件。即，也可以是在通过非线性光学效果来生成新的波长(使波段变宽)的同时，使脉冲宽度变宽的元件。

此外，也有时即使不使用脉冲伸长元件3而SC光本身也具有足够长的脉冲宽度，不必须使用脉冲伸长元件3。但是，脉冲伸长元件3的使用，在能够成为更宽的脉冲宽度、伸长为任意的脉冲宽度这一点上存在意义。

如上所述，各实施方式的方法以及装置，适合于爆炸、发动机的燃烧那样的非常短时间的发光的分析。虽然如此，本申请发明在利用波长随时间变化的宽波段脉冲光L1与被测定光L0的干涉来进行光谱测定的原理上具有特征点，不一定限于这样的用途。也能够用于对较长的发光现象进行分析的用途，且并不局限于发光现象，还能够用于对光谱吸光度、光谱透射率这样的材料的光谱特性进行测定的用途。

另外，说明了宽波段脉冲光L1的带宽对假定的被测定光L0的频谱进行覆盖较优选的情况，在并非如此的情况下也能够实施。在该情况下，在不存在宽波段脉冲光L1的频谱的波长中，无法得知被测定光L0的频谱，因此以将该部分的值从测定中除去的方式对信号处理程序61进行编程。

此外，第二实施方式中的作为标识元件的陷波滤波器81、82、第三实施方式的作为标识元件的标准气室83，即使不是在与被测定光L0干涉的光之外为了标准化用而通过检测器51对强度进行检测的情况，有时也能够起到效果。例如，如果被测定光L0具有比较平坦的频谱分布，则能够将在被测定光L0与宽波段脉冲光L1的干涉光强度的分布中其强度显著变低的部位作为标记，在第一实施方式中也可以设置陷波滤波器81、82、或者设置标准气室83。

另外，关于标识元件，除了使已知的确定波长衰减的情况以外，即使是不使已知的确定波长的光衰减而使其他波长的光衰减的特性的标识元件，也能够实施。但是，在该情况下，光的损失变大，因此已知的确定波长衰减的类型较优选。

符号的说明

L0 被测定光

L1 宽波段脉冲光

L2 激光

L3 超连续光

10 宽波段脉冲光源单元

1 激光源

2 非线性光学元件

3 脉冲伸长元件

40 干涉光学系统

400 参照用光学系统

4 半透半反镜

41 分束器

5 检测器

51 检测器

6 运算处理单元

61 信号处理程序

62 存储部

63 处理器

70 获取单元

7 示波器

81 作为标识元件的陷波滤波器

82 作为标识元件的陷波滤波器

83 作为标识元件的标准气室

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)一种光谱测定方法，其特征在于，

使被测定光与在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光干涉，通过检测器检测所产生的干涉光的强度，基于检测结果来得到被测定光的每个波长的光强度，该被测定光是使上述宽波段脉冲光不向物体照射而从物体发出的光。

2.如权利要求1所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述被测定光是从发光物体发出的光。

3.如权利要求1或者2所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是在脉冲内波长随时间连续地变化的光。

4.如权利要求1至3任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是使从激光源发出的光产生非线性光学效果而得到的超连续光。

5.如权利要求4所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是使上述超连续光脉冲伸长了的光。

6.(修改后)如权利要求1至5任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

是通过获取单元获取来自上述检测器的输出信号的方法，上述宽波段脉冲光的重复周期为获取单元的获取周期以上。

7.如权利要求6所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述获取单元为示波器。

8.如权利要求1至7任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射，将来自该检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

9.如权利要求1至8任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光中的一个脉冲的长度为100纳秒以上，波段为100纳米以上，重复频率为10MHz以下。

10.一种光谱测定装置，其特征在于，具备：

宽波段脉冲光源单元，发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光；

干涉光学系统，使被测定光与来自宽波段脉冲光源单元的宽波段脉冲光干涉；

检测器，对通过干涉光学系统而干涉后的光的强度进行检测；以及

运算处理单元，基于来自检测器的输出信号，得到被测定光的每个波长的光强度。

11.如权利要求10所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元发出在脉冲内波长随时间连续地变化的宽波段脉冲光。

12.如权利要求10或者11所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元具备激光源以及非线性光学元件，该非线性光学元件使来自激光源的激光产生非线性光学效果并作为上述宽波段脉冲光而输出超连续光。

13.如权利要求12所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元具备使从上述非线性光学元件输出的上述超连续光脉冲伸长的伸长元件。

14.(修改后)如权利要求10至13任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备获取来自上述检测器的输出信号的获取单元，

上述宽波段脉冲光源单元以获取单元的获取周期以上的重复周期发出上述宽波段脉冲光。

15.如权利要求14所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述获取单元为示波器。

16.如权利要求10至15任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备参照用光学系统，该参照用光学系统使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射，

上述运算处理单元将来自通过参照用光学系统而入射了上述宽波段脉冲光的检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

17.如权利要求10至16任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元发出如下的上述宽波段脉冲光：一个脉冲的长度为100纳秒以上，波段为100纳米以上，重复频率为10MHz以下。

18.(修改后)如权利要求10至17任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备标识元件，该标识元件能够使上述宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动，而作为将波长与时间建立对应时的标记。

19.如权利要求18所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

20.(修改后)一种宽波段脉冲光源单元，发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光，其特征在于，

具备标识元件，该标识元件能够使宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动，而作为将波长与时间建立对应时的标记。

21.如权利要求20所述的宽波段脉冲光源单元，其特征在于，

上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

Claims (21)

1.一种光谱测定方法，其特征在于，

使被测定光与在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光干涉，通过检测器检测所发出的干涉光的强度，基于检测结果来得到被测定光的每个波长的光强度。

2.如权利要求1所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述被测定光是从发光物体发出的光。

3.如权利要求1或者2所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是在脉冲内波长随时间连续地变化的光。

4.如权利要求1至3任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是使从激光源发出的光产生非线性光学效果而得到的超连续光。

5.如权利要求4所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光是使上述超连续光脉冲伸长了的光。

6.如权利要求1至5任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

是通过获取单元获取来自上述检测器的输出信号的方法，上述宽波段脉冲光的重复周期为获取单元的获取周期以上。

7.如权利要求6所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述获取单元为示波器。

8.如权利要求1至7任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射，将来自该检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

9.如权利要求1至8任一项所述的光谱测定方法，其特征在于，

上述宽波段脉冲光中的一个脉冲的长度为100纳秒以上，波段为100纳米以上，重复频率为10MHz以下。

10.一种光谱测定装置，其特征在于，具备：

宽波段脉冲光源单元，发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光；

干涉光学系统，使被测定光与来自宽波段脉冲光源单元的宽波段脉冲光干涉；

检测器，对通过干涉光学系统而干涉后的光的强度进行检测；以及

运算处理单元，基于来自检测器的输出信号，得到被测定光的每个波长的光强度。

11.如权利要求10所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元发出在脉冲内波长随时间连续地变化的宽波段脉冲光。

12.如权利要求10或者11所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元具备激光源以及非线性光学元件，该非线性光学元件使来自激光源的激光产生非线性光学效果并作为上述宽波段脉冲光而输出超连续光。

13.如权利要求12所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元具备使从上述非线性光学元件输出的上述超连续光脉冲伸长的伸长元件。

14.如权利要求10至13任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备获取来自上述检测器的输出信号的获取单元，

上述宽波段脉冲光源单元以获取单元的获取周期以上的重复周期发出上述宽波段脉冲光。

15.如权利要求14所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述获取单元为示波器。

16.如权利要求10至15任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备参照用光学系统，该参照用光学系统使上述宽波段脉冲光在不与上述被测定光干涉的状态下向检测器入射，

上述运算处理单元将来自通过参照用光学系统而入射了上述宽波段脉冲光的检测器的输出与上述干涉光的光强度进行比较。

17.如权利要求10至16任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述宽波段脉冲光源单元发出如下的上述宽波段脉冲光：一个脉冲的长度为100纳秒以上，波段为100纳米以上，重复频率为10MHz以下。

18.如权利要求10至17任一项所述的光谱测定装置，其特征在于，

具备标识元件，该标识元件使上述宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动而作为标记。

19.如权利要求18所述的光谱测定装置，其特征在于，

上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

20.一种宽波段脉冲光源单元，发出在脉冲内波长随时间变化的宽波段脉冲光，其特征在于，

具备标识元件，该标识元件能够使宽波段脉冲光中的波段内的已知的特定波长的光的强度选择性地变动而作为标记。

21.如权利要求20所述的宽波段脉冲光源单元，其特征在于，

上述标识元件是使上述已知的特定波长的光的强度选择性地衰减的元件。

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