CN113544480B - 光测定用光源装置、分光测定装置及分光测定方法 - Google Patents

光测定用光源装置、分光测定装置及分光测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种即使在设为高输出的情况下也不会破坏时间波长唯一性的光测定用光源装置，能够进行精度高的高速的分光测定。在900～1300nm的范围内光谱在至少50nm的波长宽度连续的宽频带脉冲光从脉冲光源(1)出射，并由分割器(3)按照波长进行分割，各波长的光利用伸长光纤(41～4n)传送，从耦合器(5)出射。各伸长光纤(41～4n)在出射端以一脉冲内的经过时间与波长为1对1对应的方式设为不同的长度。

Description

光测定用光源装置、分光测定装置及分光测定方法
技术领域
本申请发明涉及出射宽频带的脉冲光的光测定用光源装置，另外，涉及使用光源装置的分光测定的技术。
背景技术
脉冲光源典型的是脉冲振荡的激光(脉冲激光)。近年来，正在积极地进行使脉冲激光的波长宽频带化的研究，其典型的是生成利用非线性光学效应的超连续光(以下，称为SC光)。SC光是通过使来自脉冲激光源的光通过光纤这样的非线性元件，并利用自相位调制、受激拉曼散射这样的非线性光学效应使波长宽频带化而得到的光。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013-205390号公报
专利文献2：美国专利第7184144号公报
发明的内容
发明要解决的技术课题
上述宽频带脉冲光作为波长区域被伸长，但作为脉冲宽度(时间宽度)保持狭窄。但是，若利用光纤这样的传输介质中的群延迟，则脉冲宽度也能够伸长，此时，若选择具有适当的分散特性的元件，则能够在脉冲内的经过时间(时刻)与波长为1对1对应的状态下进行脉冲伸长。这样，脉冲内的经过时间和波长为1对1对应的状态的脉冲光有时也被称为啁啾脉冲光或线性啁啾脉冲光。
这样脉冲伸长后的宽频带脉冲光(以下，称为宽频带伸长脉冲光)中的经过时间与波长的对应关系能够有效地用于分光测定。即，在利用某个检测器接收到宽频带伸长脉冲光的情况下，检测器检测出的光强度随时间的变化与各波长的光强度即光谱对应。因此，能够将检测器的输出数据随时间的变化换算成光谱，即使不使用衍射光栅那样的特别的分散元件也能够进行分光测定。即，通过向试样照射宽频带伸长脉冲光并利用检测器接收来自该试样的光并测定其随时间的变化，能够得知该试样的分光特性(例如分光透过率)。
这样，宽频带伸长脉冲光在分光测定等领域中特别有益。然而，根据发明人的研究，明确了在为了输出更强的光而提高了脉冲光源的输出的情况下，在脉冲伸长元件中产生不希望的非线性光学效应，经过时间与波长的唯一性(1对1的对应性)破坏。当经过时间和波长的唯一性被破坏时，特别是在用于分光测定的情况下，会导致测定精度的显著降低。
本申请发明基于该见解，其目的在于提供一种即使在设为高输出的情况下也不会破坏经过时间与波长的唯一性的光测定用光源装置，通过使用这样的光源装置，能够进行精度高的高速的分光测定。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本申请发明的光测定用光源装置输出光谱连续且一脉冲内的经过时间与波长为1对1对应的脉冲光。该光源装置具备：脉冲光源，出射光谱连续的脉冲光；分割器，根据波长对从脉冲光源出射的脉冲光进行空间分割；以及多个光纤，其数量与分割器分割的波长的数量对应。各光纤的各入射端位于分割器空间分割的各波长的光入射的位置，并且各光纤的长度根据入射的光的波长而不同。
另外，为了解决上述课题，在该光测定用光源装置中，分割器可以是阵列波导衍射光栅。
另外，为了解决上述课题，该光测定用光源装置能够具有如下结构，分割器具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
另外，为了解决上述课题，该光测定用光源装置能够具有如下结构：所述多个光纤是构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
另外，为了解决上述课题，在该光测定用光源装置中，脉冲光源可以是出射超连续光的光源。
另外，为了解决上述课题，该分光测定装置具备：脉冲光源，出射光谱连续的脉冲光；分割器，根据波长对从脉冲光源出射的脉冲光进行空间分割；以及多个光纤，其数量与分割器分割的波长的数量对应。各光纤的各入射端位于分割器空间分割后的各波长的光入射的位置，并且各光纤的长度根据入射光的波长而不同，以使一脉冲内的经过时间与波长以1对1对应。并具备：检测器，配置于来自被照射了从各光纤出射的光的对象物的光入射的位置；以及运算单元，根据来自检测器的输出来计算对象物的分光特性。
另外，为了解决上述课题，在该分光测定装置中，分割器可以是阵列波导衍射光栅。
另外，为了解决上述课题，该分光测定装置能够具有如下结构：分割器具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
另外，为了解决上述课题，该分光测定装置具有如下结构：多个光纤为构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
另外，为了解决上述课题，在该分光测定装置中，脉冲光源可以是出射超连续光的光源。
另外，为了解决上述课题，本申请发明的分光测定方法具备：
分割工序，根据波长在空间上通过分割器对光谱连续的脉冲光进行分割；
脉冲伸长工序，通过使在分割工序中被分割的脉冲光分别入射到与分割后的波长的数量对应的数量的多个光纤而传送，从而成为一脉冲内的经过时间和波长为1对1对应的状态；
照射工序，向对象物照射通过脉冲伸长工序而脉冲宽度被伸长的脉冲光；
检测工序，利用检测器检测来自被照射了通过脉冲伸长工序而脉冲宽度被伸长了的脉冲光的对象物的光；以及
运算工序，根据来自检测器的输出来计算对象物的分光特性。
另外，为了解决上述课题，在该分光测定方法中，分割器可以是阵列波导衍射光栅。
另外，为了解决上述课题，该分光测定方法能够具有如下结构：具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
另外，为了解决上述课题，该分光测定方法能够构成为：所述多个光纤是构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
另外，为了解决上述课题，在该分光测定方法中，脉冲光可以是超连续光。
发明效果
如以下说明的那样，根据本申请发明的光测定用光源装置，宽频带脉冲光通过分割器被分割成各波长的光，在传输各波长的光的各光纤中通过与传播距离相应的延迟进行脉冲伸长，因此不会产生不期望的非线性光学效应而时间波长唯一性破坏的问题。因此，能够以较高的照度对对象物照射确保了时间波长唯一性的宽频带脉冲光来进行光测定。因此，能够进行高速且高品质的光测定。
另外，在分割器是阵列波导衍射光栅的情况下，由于是低损耗所以能够进一步进行高照度的光照射，另外，能够得到容易与各光纤的连接容易制作的效果。
另外，若多个光纤构成图案相同且长度不同的多个光纤组，则能够实现成本降低。
另外，根据本申请发明的分光测定装置、分光测定方法，来自光源的光在时间上被分割而照射到对象物，因此不需要像衍射光栅的扫描那样的需要时间的动作，能够进行高速的分光测定。而且，在进行确保了时间波长唯一性的脉冲伸长时，采用利用长度不同的各个光纤按波长进行传输的结构，因此即使在以较高的照度向对象物照射光的情况下，时间波长唯一性也不会破坏。因此，能够高精度地进行如针对吸收多的对象物的分光测定那样需要照射高功率的光的分光测定，成为高速且高可靠性的装置以及方法。
附图说明
图1是第一实施方式的光测定用光源装置的概略图。
图2是表示宽频带脉冲光的脉冲伸长的原理的概略图。
图3是表示对利用群延迟光纤对高强度的宽频带脉冲光进行脉冲拉伸的情况下的不希望的非线性光学效应进行了确认的实验的结果的图。
图4作为分割器采用的阵列波导衍射光栅的平面概略图。
图5是另一例的分割器的概略图。
图6是另一例的分割器的概略图。
图7是第二实施方式的光测定用光源装置的概略图。
图8是第一实施方式的分光测定装置的概略图。
图9是概略地表示分光测定装置所具备的测定程序的一例的主要部分的图。
图10是第二实施方式的分光测定装置的概略图。
具体实施方式
接着，对用于实施本申请发明的方式(实施方式)进行说明。
首先，对光测定用光源装置的发明的实施方式进行说明。图1是第一实施方式的光测定用光源装置的概略图。图1所示的光测定用光源装置具备脉冲光源1和脉冲伸长单元2。脉冲伸长单元2是使来自脉冲光源1的光脉冲伸长以使一脉冲内的经过时间与波长的关系成为1对1的单元
脉冲光源1是出射连续的光谱的脉冲光的光源。在该实施方式中，例如成为在900nm～1300nm的范围内出射至少在10nm的波长宽度内连续的光谱的光的光源。“在900nm至1300nm的范围内至少在10nm的波长宽度内连续的光谱”是指900～1300nm的范围内的连续的任意的10nm以上的波长宽度。例如，可以在例如900～910nm处连续，也可以在990～1000nm处连续。另外，进一步优选在50nm以上的波长宽度内连续，进一步优选在100nm以上的波长宽度内连续。另外，“光谱连续”是指包含以某波长宽度连续的光谱。这不限于在脉冲光的整个光谱中连续的情况，也可以部分地连续。
设为900nm～1300nm的范围这一点，是因为实施方式的光源装置用于该波长区域中的光测定。至少在10nm的波长宽度内连续的光谱的光典型的是SC光。因此，在本实施方式中，脉冲光源1成为SC光源。但是，也存在使用SLD(Superluminescent Diode：超发光二极管)光源这样的其他宽频带脉冲光源的情况。
作为SC光源的脉冲光源1具备超短脉冲激光器11和非线性元件12。作为超短脉冲激光器11，可以使用增益开关激光器、微芯片激光器、光纤激光器等。另外，作为非线性元件12，大多使用光纤。例如，能够将光子晶体光纤或其他非线性光纤用作非线性元件12。作为光纤的模式，单模的情况较多，但如果即使是多模也显示出充分的非线性，则也能够作为非线性元件12使用。
脉冲伸长单元2构成实施方式的光源装置的较大的特征点。从脉冲光源1出射的光作为波段扩展，但作为脉冲宽度，保持飞秒到纳秒级的短脉冲。在该状态下，由于难以作为光测定用而使用，因此通过脉冲伸长单元2进行脉冲伸长。此时重要的是采用以一脉冲中的经过时间与波长的关系成为1对1的方式伸长的结构。此时，实施方式的光源装置采用考虑到避免产生不希望的非线性光学效应的结构。
在使宽频带脉冲光脉冲伸长时产生不希望的非线性光学效应而时间波长唯一性破坏这一点是在发明人的研究过程中确认的课题。以下，参照图2对这一点进行说明。图2是表示宽频带脉冲光的脉冲伸长的原理的概略图。
作为使SC光那样的宽频带脉冲光的脉冲宽度伸长的方法，优选采用利用如色散补偿光纤(DCF)那样的具有特定的群延迟特性的光纤的结构。例如，当在某波长范围内使连续光谱即SC光L1通过在该波长范围具有正的分散特性的群延迟光纤9时，脉冲宽度被有效地伸长。即，如图2所示，在SC光L1中，虽然是超短脉冲，但在一脉冲的初期存在最长波长λ1，随着时间经过，存在波长逐渐短的光，在脉冲的末期存在最短波长λn的光。若使该光通过正常分散的群延迟光纤9，则在正常分散的群延迟光纤9中，波长越短的光越延迟地传播，因此一脉冲内的时间差增加，在出射光纤9时，短波长的光与长波长的光相比进一步延迟。其结果，出射的SC光L2成为在确保了时间对波长的唯一性的状态下脉冲宽度被伸长的光。即，如图2的下侧所示，时刻t1～tn相对于波长λ1～λn分别以1对1对应的状态脉冲伸长。
另外，作为用于脉冲伸长的群延迟光纤9，也可以使用异常分散光纤。在该情况下，由于在SC光中存在于脉冲的初期的长波长侧的光延迟，存在于之后的时刻的短波长侧的光在前进的状态下分散，因此一脉冲内的时间关系反转，在一脉冲的初期存在短波长侧的光，在随着时间经过而存在更长波长侧的光的状态下进行脉冲伸长。但是，与正常分散的情况相比，需要进一步延长用于脉冲伸长的传播距离的情况多，损失容易变大。因此，在这一点上优选正常分散。
在使用这样的群延迟光纤的脉冲伸长中，在光测定的领域中，有时需要提高入射到光纤的宽频带脉冲光的强度。例如，在对吸收多的对象物照射光而对该透射光进行分光从而测定吸收光谱的情况下，需要向对象物照射强光，因此，在脉冲伸长中也需要使强光伸长。另外，从提高测定的SN比或高速地进行测定的观点出发，有时需要向对象物照射强光。
为了以较高的照度对对象物照射脉冲伸长后的光，需要以高强度使宽频带脉冲光入射到群延迟光纤，在保持高的强度的状态下进行脉冲伸长。但是，若使高强度的宽频带脉冲光入射到群延迟光纤，则会产生不希望的非线性光学效应，有时时间波长唯一性会破坏。图3是表示确认了这一点的实验的结果的图。
图3是表示对利用群延迟光纤对高强度的宽频带脉冲光进行脉冲拉伸的情况下的不希望的非线性光学效应进行了确认的实验的结果的图。在图3中，纵轴是对数刻度。
在图3中示出结果的实验中，将中心波长1064nm、脉冲宽度2纳秒的微芯片激光放入作为非线性元件的光子晶体光纤中作为SC光，使用长度5km的单模光纤作为群延迟光纤来进行脉冲拉伸。单模光纤是在1100～1200nm的范围内正常分散的光纤。此时，使向单模光纤的入射SC光的能量变化为0.009μJ、0.038μJ、0.19μJ、0.79μJ。
如图3所示，在SC光的能量小于0.19μJ的情况下，在1100～1200nm的波长范围中出射光强度没有大的偏差，但在0.79μJ的情况下，出射光强度根据波长而剧烈变动。这样的变动表示在入射到作为群延迟光纤的单模光纤并进行传播的过程中在SC光中产生了不希望的进一步的非线性光学效应。若产生了这样的非线性光学效应，则在其他时刻生成新的波长，因此时间波长唯一性会破坏。另外，在图3中示出结果的实验中，由于入射的SC光的脉冲宽度没有变化，因此成为使峰值变化。
发明人基于这样的见解，使脉冲伸长的结构最佳化。具体而言，如图1所示，实施方式的光测定用光源装置具备使来自脉冲光源1的宽频带脉冲光的脉冲宽度伸长的脉冲伸长单元2，脉冲伸长单元2包括分割器3和多个光纤(以下，称为伸长光纤)41～4n。
分割器3是根据波长对从脉冲光源1出射的脉冲光进行空间分割的元件。如图1所示，各伸长光纤41～4n相对于分割器3并联连接。各伸长光纤4的入射端配置于分割器3空间上分割的各波长的光入射的位置。即，在分割器3将宽频带脉冲光分割为波长λ1～λn的光的情况下，伸长光纤41的入射端配置于波长λ1的光的出射位置，伸长光纤42的入射端配置于波长λ2的光的出射位置，…光纤4n配置于波长λn的光的出射位置。
而且，各伸长光纤41～4n的长度根据入射的波长(相对于分割器3的连接位置)而不同。各伸长光纤41～4n的长度被决定为，在各伸长光纤41～4n的出射端，一脉冲内的经过时间与波长的关系成为1对1。在该实施方式中，与上述同样，在一脉冲的初期存在长波长侧的光，随着时间经过，在渐渐维持短波长侧的光存在的关系的状态下进行脉冲伸长，因此，越是传送短波长的光的伸长光纤，长度越长。即，设λ1为最长波长，设λn为最短波长，设各伸长光纤41、42、…、4n的长度为m1、m2、…mn时，m1＜m2＜…＜mn。
若表示更具体的一个例子，则能够将1～20m按1m长度不同的20根单模光纤作为伸长光纤41～4n来使用。
由于这样使长度的差异最佳化，因此各伸长光纤41～4n不一定是特定的群延迟光纤。即，并不是必须根据波长采用具有适当的群延迟特性的光纤。如果使用同一光纤(同一纤芯/包层材料的光纤)，并根据波长在长度上产生差异，则能够实现各出射端的时间波长唯一性。在该意义上，各伸长光纤41～4n也可以是多模光纤。从防止不希望的非线性光学效应的观点出发，也存在多模光纤比单模光纤更优选的情况。
总之，由于各伸长光纤41～4n的长度的差异被最佳化，因此在宽频带脉冲光被分割成各波长的光并在各伸长光纤41～4n中传播时，在各出射端实现时间波长唯一性。即，被分割的光根据波长、各伸长光纤41～4n的长度和纤芯的折射率而延迟。因此，如果根据波长和纤芯折射率来适当选定各伸长光纤41～4n的长度，则能够在各出射端实现时间波长唯一性。另外，在将分割器3分割的波长的差异设为Δλ，将各伸长光纤41～4n的长度的差异设为Δm的情况下，即使Δλ恒定(波长的间隔恒定)，Δm有时也不恒定。这是因为，各伸长光纤41～4n即使不是群延迟光纤，由于群延迟具有波长依赖性，因此有时考虑其而使Δm产生差。
另外，各伸长光纤41～4n使用相同光纤(相同特性)，但也可以使用不同特性的光纤。在使用不同特性的光纤的情况下，根据其特性的差异适当选定长度的差异。
另外，在脉冲扩展后，虽然各时刻t1～tn和各波长λ1～λn以1对1对应，但有时时刻t1～tn是跳跃的时刻。即，在时刻t1观测到波长λ1的光之后，也有时间空闲(有不存在光的时间段)成为时刻t2而观测到波长λ2的光，…这样的状态的情况。即使在该状态下，只要确定时间就能够确定波长，因此可以说确保了时间波长唯一性。当然，也可能存在波长随时间的连续变化而连续变化的情况。
另外，如图1所示，在本实施方式中，在各伸长光纤41～4n的出射端设置有耦合器5。耦合器5是使从各伸长光纤41～4n的出射端出射的光束重叠并照射到同一照射区域的元件。作为耦合器5，除了熔融型光纤耦合器以外，有时也采用以照射同一照射区域的方式保持各伸长光纤41～4n的出射端的机构、透镜等光学系统。另外，也可能存在将扇入/扇出装置用作耦合器5的情况。进而，也可以使用利用平面型光回路的光耦合器或阵列波导衍射光栅。
接着，对分割器3更具体地进行说明。作为分割器3，在本实施方式中，采用了阵列波导衍射光栅。图4是作为分割器3采用的阵列波导衍射光栅的平面概略图。
如图4所示，阵列波导衍射光栅通过在基板31上形成各功能波导32～36而构成。各功能波导成为光路长度仅一点点不同的多个阵列波导32、与阵列波导32的两端(入射侧和出射侧)连接的平板波导33、34、使光入射到入射侧平板波导33的入射侧波导35、以及从出射侧平板波导34取出各波长的光的各出射侧波导36。
平板波导33、34是自由空间，通过入射侧波导35入射的光在入射侧平板波导33中扩展，入射到各阵列波导32。各阵列波导32的长度仅一点点不同，因此到达各阵列波导32的终端的光的相位分别偏移(变化)该差量。光从各阵列波导32衍射并出射，但衍射光在相互干涉的同时通过出射侧平板波导34，到达出射侧波导36的入射端。此时，由于相位移动，因此干涉光在与波长对应的位置处强度最高。即，波长依次不同的光入射到各出射端波导36，光被空间分光。严格地说，以各入射端位于这样被分光的位置的方式形成各出射侧波导36。
图4所示的阵列波导衍射光栅是在光通信领域被开发为波分复用通信(WDM)用的光栅，本发明人发现，虽然用途和波长区域有很大不同，但在实施方式的光源装置中能够作为用于脉冲伸长的分割器3使用。
这样的阵列波导衍射光栅例如能够通过对硅制的基板31进行表面处理来制作。具体而言，在硅制的基板31的表面通过火焰堆积法形成包覆层(SiO2层)，同样地通过火焰堆积法形成纤芯用的SiO2-GeO2层之后，通过光刻将SiO2-GeO2层图案化而形成各波导32～36，由此制作。各阵列波导32的线宽例如可以为5～6μm左右。
例如在用于在900～1300nm左右的波长范围内为连续光谱的光的情况下，出射侧波导36的数量为128个左右，光被分割为每3～50nm不同的波长并出射。
在阵列波导衍射光栅的各出射侧波导36分别连接有伸长光纤41～4n。因此，如上述那样根据波长在空间上被分割的光入射到伸长光纤41～4n，各波长的光被各自的伸长光纤41～4n传送，被赋予分别不同的延迟时间。
接着，对这样的实施方式的光测定用光源装置的整体的动作进行说明。
耦合器5根据光测定的目的而配置在规定的位置。从超短脉冲激光器11出射的超短脉冲光被非线性元件12宽频带化而成为宽频带脉冲光入射到分割器3。然后，在分割器3中根据波长而被空间分割，各波长的光入射到各伸长光纤41～4n。各波长的光在各伸长光纤41～4n中延迟，在达到了时间波长唯一性的状态下从各伸长光纤41～4n出射。然后，所出射的光照射到耦合器5所指向的照射区域。
根据这样的实施方式的光测定用光源装置，宽频带脉冲光被分割器3分割成各波长的光，在传输各波长的光的各伸长光纤41～4n中通过与传播距离相应的延迟进行脉冲伸长，因此不会产生如下问题，产生不希望的非线性光学效应而时间波长唯一性破坏。即，宽频带脉冲光的功率分散至各伸长光纤41～4n而传播，因此即使在使大功率的宽频带脉冲光从脉冲光源1出射的情况下，在各伸长光纤41～4n中传播的光的功率也被抑制得较低。因此，时间波长唯一性不会破坏。并且，来自各伸长光纤41～4n的光通过耦合器5重叠，因此能够对对象物照射伸长后的大功率的宽频带脉冲光。因此，即使是吸收大的对象物，也能够进行提高了SN比的光测定。
另外，由于用作分割器3的阵列波导衍射光栅是低损耗的，因此能够进行更高照度的光照射。另外，阵列波导衍射光栅与光纤的亲和性高，容易与各伸长光纤连接。因此，具有容易制作的效果。
接着，对分割器3的其他例子进行说明。图5是其他例子的分割器3的概略图。在上述实施方式中，作为分割器3使用了阵列波导衍射光栅，但图5的例子为作为分割器3使用了衍射光栅371的例子。在该例子中，构成为通过组合衍射光栅371和非平行镜对38，使光根据波长而聚光到不同的位置。
具体而言，分割器3具备：角分散模块37，使相对于光轴的角度根据波长而成为不同的角度；非平行镜对38，其与角分散模块37连接；分束器372，其取出由非平行镜对38折回的各波长的光；以及入射光学系统39，其使由分束器372取出的各波长的光入射到各伸长光纤41～4n。
如图5所示，角分散模块37包括：衍射光栅371，入射宽频带脉冲光；准直透镜373，使利用衍射光栅371进行了波长色散的光成为平行光；以及聚光透镜374，使利用准直透镜373而成为平行光的光与非平行镜对38的入射点P连结。取出用的分束器372配置在准直透镜373与聚光透镜374之间。
由衍射光栅371分散的各波长的光被聚光透镜374聚光而与非平行镜对38的入射点P连结。到达入射点P时的角度是根据波长而不同的角度，是连续不同的角度。非平行镜对38由倾斜微小角度α的一对平板镜381构成，因此如图5所示，入射的各波长的光一边交替地反射到平板镜381一边返回。此时，通过聚光于入射点P时的聚光角θ、倾斜角α、在入射点P观察的非平行镜对38的分离距离D，跳跃的情况下的波长λ1～λn的光正好返回到入射点P的位置。因此，这些光在入射点P反射而到达分束器372，一部分被分束器372反射而被取出。取出的光通过入射光学系统39而入射到各伸长光纤41～4n。
这样，宽频带脉冲光根据波长在空间上被分割，并在各伸长光纤41～4n中传输。而且，在该实施方式中，各伸长光纤41～4n的长度也根据入射的光的波长而成为不同的长度，在出射端实现时间波长唯一性。另外，从图5可知，正好返回到入射点P的位置的波长的光根据波长而光路长度稍微不同，因此相应地产生时间分散。因此，在选定伸长光纤41～4n的长度时，优选也考虑该相应的分散。
除了上述以外，作为分割器3，除了上述以外，也可以采用各种分割器。这些例子在图6中示出。图6是表示又一例的分割器3的概略图。
作为分割器3，如图6(1)所示，可以采用使用了一对衍射光栅301的分割器。能够采用通过一对衍射光栅301使光进行波长分散，经由微透镜阵列302使各波长的光入射到各伸长光纤41～4n的结构。微透镜阵列302是将各波长的光聚光并使其入射到各伸长光纤41～4n的纤芯的微透镜排列而成的元件。
另外，如图6(2)所示，也可以使用采用了棱镜对的分割器3。在该例子中，通过一对棱镜303使光进行波长分散，同样地通过微透镜阵列302进行聚光而入射到各伸长光纤41～4n的纤芯。
总之，如果将光按照波长用分割器3分开，按照每个波长在各伸长光纤41～4n中传输并通过调整光纤长度来实现时间波长唯一性，则即使在从脉冲源1出射高强度的宽频带脉冲光时，也能够防止不希望的非线性光学效应，不会破坏时间波长唯一性。
接着，对第二实施方式的光测定用光源装置进行说明。图7是第二实施方式的光测定用光源装置的概略图。
第二实施方式的光测定用光源装置的脉冲伸长单元2的结构与第一实施方式不同。如图7所示，在第二实施方式中，脉冲伸长单元2也具备多个伸长光纤。这些伸长光纤包含构成多个光纤组4G1～4Gn的光纤(以下，称为要素光纤)41～4n。
各光纤组4G1～4Gn由相同图案且长度不同的多个要素光纤41～4n构成。这是为了使伸长光纤通用化而实现成本降低的主旨。但是，在该状态下，存在相同长度的伸长光纤，因此在该部分无法实现不同的延迟。因此，组合了多芯光纤61～6n。在该结构中，一个要素光纤41～4n的纤芯和与其连接的多芯光纤61～6n的各纤芯形成一个传输路径，因此，将多芯光纤61～6n的数量以及长度选定为各传输路径相互不同的长度。
若示出一例，则在实现与在第一实施方式中例示的20根伸长光纤41～4n(20根不同的传送路)等价的情况下，将各组的光纤组4G1～4Gn设为由从1～5米每隔1m长度不同的5根要素光纤41～45构成。准备4组这样的组。然后，准备3根纤芯数为5的多芯光纤。3根多芯光纤61～63为5米、10米、15米的长度。在此基础上，在最初的光纤组4G1没连接多芯光纤，在下一个光纤组4G2连接5米的多芯光纤61。即，在各要素光纤41～45的纤芯连接5米的多芯光纤61的各纤芯。在下一个光纤组4G3中，连接10米的多芯光纤62。最后的光纤组4G4上连接15米的多芯光纤63。这样，形成1～20米按每1米长度不同的20根传送路径。
以上是一个例子，只要各传输路径的全长相互不同，则可以是任意的组合。虽然也有多芯光纤61～6n的纤芯的数量比光纤组4G1～4Gn的要素光纤41～4n的数量多的情况，但在该情况下，设为空(未连接)即可。另外，在光纤组是2组的情况下，多芯光纤只要是1根就足够。
另外，也可以代替多芯光纤61～6n而使用束状光纤。在上述的例子中，准备将5根光纤捆扎而成的束状光纤。各束状光纤为5米、10米、15米的长度，同样分别与光纤组4G2、4G3、4G4连接。
另外，虽然在第一实施方式中也是同样的，但理想的是分割器3分割的波长的数量与由多个伸长光纤形成的传送路径的数量一致，但也可以不一致。在传送路径的数量较多的情况下，相应地成为空。另外，根据光测定的目的，也存在不用于测定的波长，因此对于相应的波长，有时也不相对分割器3连接伸长光纤(伸长光纤的数量少)。
在第二实施方式中，也将光按照波长用分割器3分开，按照波长在各伸长光纤41～4n、61～6n中传输，因此，即使在从脉冲源1出射高强度的宽频带脉冲光时，也能够防止不希望的非线性光学效应，不会破坏时间波长唯一性。
并且，由于脉冲伸长单元2包含由相同的图案且不同的多个要素光纤41～4n构成的多个光纤组4G1～4Gn，因此成为低成本。
另外，在图7所示的例子中，相对于分割器3连接有各光纤组4G1～4Gn，在其后级连接有各多芯光纤组61～6n，但该关系也可以相反。即，也可以相对分割器3连接各多芯光纤61～6n，在其后段连接各光纤组4G1～4Gn。
接着，对分光测定装置及分光测定方法的发明进行说明。
图8是第一实施方式的分光测定装置的概略图。图8所示的分光测定装置具备：光测定用光源装置10；照射光学系统71，其将从光测定用光源装置10出射的光照射至对象物S；检测器72，其配置于来自被光照射的对象物S的光入射的位置；以及运算单元73，其根据来自检测器72的输出来计算对象物S的分光光谱。
作为光测定用光源装置(以下，简称为光源装置)10，采用上述第一实施方式的光源装置。当然也可以是第二实施方式。
在本实施方式中，照射光学系统71包括扩束器711。来自光源装置10的光考虑到虽然是时间伸长的宽频带脉冲光，但是是来自超短脉冲激光器11的光，光束直径小。此外，也存在设置电流镜那样的扫描机构、通过射束扫描覆盖较宽的照射区域的情况。
在该实施方式中，设想对对象物S的吸收光谱进行测定，因此检测器72设置于来自对象物S的透射光入射的位置。设置有配置对象物S的透明的接受板74。照射光学系统71从上侧进行光照射，检测器72配置在接受板74的下方。
作为运算单元73，在本实施方式中使用通用PC。在检测器72与运算单元73之间设置有AD转换器75，检测器72的输出经由AD转换器75输入到运算单元73。
运算单元73具备处理器731、存储部(硬盘、存储器等)732。在存储部732中安装有对来自检测器72的输出数据进行处理而计算出吸收光谱的测定程序733及其他必要的程序。
在该实施方式中，由于使用照射确保了时间波长唯一性的伸长脉冲光的光源装置10，所以测定程序733也与其相应地被最佳化。图9是对分光测定装置所具备的测定程序733的一例概略地表示主要部分的图。
图9的例子是测定程序733测定吸收光谱(分光吸收率)的程序的例子。在计算吸收光谱时，使用基准光谱数据。基准光谱数据是作为用于计算吸收光谱的基准的每个波长的值。基准光谱数据通过使来自光源装置10的光在不经由对象物S的状态下入射到检测器72而取得。即，不经过对象物S而使光直接入射到检测器72，使检测器72的输出经由AD转换器75输入到运算单元73，取得每隔时间分辨率Δt的值。各值作为每隔Δt的各时刻(t1、t2、t3、…)的基准强度而被存储(V1、V2、V3、…)。时间分辨率Δt是由检测器72的响应速度(信号传送周期)决定的量，是指输出信号的时间间隔。
在各时刻t1、t2、t3、…的基准强度V1、V2、V3、…是对应的各波长λ1、λ2、λ3、…的强度(光谱)。预先调查一脉冲内的时刻t1、t2、t3、…与波长的关系，将各时刻的值V1、V2、V3、…处理为各λ1、λ2、λ3、…的值。
然后，在使经过了对象物S的光入射到检测器72时，来自检测器72的输出经过AD转换器75同样地作为各时刻t1、t2、t3、…的值(测定值)存储在存储器中(v1、v2、v3、…)。各测定值与基准光谱数据进行比较(v1/V1、v2/V2、v3/V3、…)，其结果成为吸收光谱(根据需要取各倒数的对数)。以进行上述那样的运算处理的方式，对测定程序733进行编程。
接着，对上述分光测定装置的动作进行说明。以下的说明也是分光测定方法的实施方式的说明。在使用实施方式的分光测定装置进行分光测定的情况下，在不配置对象物S的状态下使光源装置10动作，对来自检测器72的输出数据进行处理而预先取得基准光谱数据。在此基础上，将对象物S配置于接受板74，使光源装置10再次动作。然后，将来自检测器72的输出数据经由AD转换器75输入到运算单元73，通过测定程序733计算出分光光谱。
在上述的例子中，是利用来自对象物S的透射光的吸收光谱的测定，但有时也使来自对象物S的反射光入射到检测器72来测定反射光谱(分光反射率)，或者使被照射到对象物S的光激发而放出的荧光入射到检测器72来测定荧光光谱。而且，有时也对对象物S的瑞利散射、拉曼散射等的散射光谱测定分光特性。因此，来自对象物S的光可以是来自被光照射的对象物S的透射光、反射光、荧光、散射光等。
另外，在光源装置10的测定、检测器72的灵敏度特性经时变化的情况下，进行取得基准光谱的测定(不配置对象物S的状态下的测定)，定期进行更新基准光谱的校正作业。
根据这样的实施方式的分光测定装置以及分光测定方法，由于将来自脉冲光源1的光在时间上分割而向对象物S照射，因此不需要衍射光栅的扫描那样的需要时间的动作，能够进行高速的分光测定。而且，在进行确保了时间波长唯一性的脉冲伸长时，采用通过长度不同的各伸长光纤41～4n按波长进行传输的结构，因此即使在以较高的照度向对象物S照射光的情况下，时间波长唯一性也不会破坏。因此，能够高精度地进行如针对吸收多的对象物S的分光测定那样需要照射高功率的光的分光测定，成为高速且高可靠性的分光测定装置以及分光测定方法。
接着，对第二实施方式的分光测定装置及分光测定方法进行说明。图10是第二实施方式的分光测定装置的概略图。
如图10所示，在第二实施方式的分光测定装置中，设置有使来自光源装置10的出射光分支的分支元件76。作为分支元件76，在本实施方式中可使用分束器。
分支元件76将来自光源装置10的光路分割为测定用光路和参照用光路。在测定用光路上，与第一实施方式同样地配置有接受板74，在接受透过接受板74上的对象物S后的光的位置配置有测定用检测器72。
在参照用光路上配置有参照用检测器702。在参照用检测器702中，利用分支元件76分支而在参照用光路行进的光直接入射。该光(参照光)是不经过对象物S而向检测器702入射并用于实时地得到基准光谱数据的光。
测定用检测器72及参照用检测器702分别经由AD转换器75、705与运算单元73连接。运算单元73内的测定程序733被编程为参照实时的基准强度光谱。即，从测定用检测器72输入各时刻t1、t2、t3、…的测定值v1、v2、v3、…，从参照用检测器72输入相同时刻即各时刻t1、t2、t3、…的基准强度V1、V2、V3、…(基准光谱数据)。测定程序733根据预先调查的一脉冲内的时刻t1、t2、t3、…与波长λ1、λ2、λ3、…的关系，计算v1/V1、v2/V2、v3/V3、…，作为吸收光谱。在测定反射光谱、散射光谱的情况下，也能够通过实时取得的基准光谱数据同样地进行。
在使用第二实施方式的分光测定装置的第二实施方式的分光测定方法中，实时地取得基准光谱数据，因此不进行定期的基准光谱数据的取得。除了这一点之外，与第一实施方式相同。
根据第二实施方式的分光测定装置及分光测定方法，不需要另外取得基准光谱数据，因此测定作业整体的效率提高。另外，在第一实施方式中，在光源装置10的特性、检测器72的特性容易变化的情况下，需要频繁地进行校正作业，但在第二实施方式中不需要。即使光源装置10的特性、检测器72的特性不变化，在测定环境不同的情况(例如温度条件、背景光的条件等不同的情况)下，有时也需要校正作业。在第二实施方式中，在这样的情况下也不需要校正作业，因此测定的效率高。但是，在第二实施方式中，将来自光源装置10的光束分割成两个，因此能够照射对象物S的光束相应地降低。因此，在需要以更高的强度照射对象物S来进行测定的情况下，第一实施方式是有利的。
作为光测定用光源装置的用途，除了上述的分光测定以外，还可以列举出各种光测定。例如，可以说如显微镜那样对对象物进行光照射而进行观察的用途也是光测定的一种，在进行光照射来计测距离那样的情况下也可以说是光测定的一种。本申请发明的光测定用光源装置能够用于这样的各种光测定。
另外，作为在900～1300nm的波长范围所包含的某波长宽度内连续的光谱在如下方面有意义，作为在材料分析等中特别是作为在有效的近红外区域的光测定用优选。但是，分光测定在该波长范围以外也有各种测定，作为分光测定装置、分光测定方法，不限于该波长范围。
另外，作为连续光谱的波长宽度，至少设为10nm，但这也是一个例子，有时也使用以比其窄的波长宽度连续的脉冲光。例如，在如大气成分的分析那样对象物为气体，在仅进行其中的特定成分(特定的吸收光谱)的测定即可的情况下，有时也使用以狭窄的波长宽度连续的脉冲光。
符号说明
1 脉冲光源
10 光源装置
11 超短脉冲激光器
12 非线性元件
2 脉冲伸长单元
3 分割器
41～4n 伸长光纤
4G1～4Gn 光纤组
5 耦合器
61～6n 多芯光纤
71 照射光学系统
72 检测器
73 运算单元
75 AD转换器
S 对象物

Claims (9)

1.一种光测定用光源装置，输出一脉冲内的经过时间和波长为1对1对应的脉冲光，其特征在于，
具备：
脉冲光源，出射光谱连续的脉冲光；以及
脉冲伸长单元，使从脉冲光源出射的脉冲光的脉冲宽度以一脉冲内的经过时间和波长以1对1对应的方式伸长，
脉冲光源具备超短脉冲激光源和来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光入射的非线性元件，是通过非线性元件的非线性效应使来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光宽频带化而生成超连续光并射出的光源，
脉冲伸长单元包括：
分割器，根据波长对从脉冲光源出射的脉冲光进行空间分割；以及
多个光纤，其数量与分割器分割的波长的数量对应，
分割器是阵列波导衍射光栅，构成阵列波导衍射光栅的各功能波导以对来自脉冲光源的脉冲光在光谱连续的部位进行波长分割的方式形成，
多个光纤分别是将分割器在空间上分割后的各波长的光以单模传输的单模光纤，各光纤的各入射端位于分割器空间分割的各波长的光入射的位置，并且各光纤的长度根据入射的光的波长而不同，以使脉冲伸长后的1脉冲内的经过时间和波长以1对1对应的方式，
作为所述阵列波导衍射光栅的分割器是在所述多个光纤的每一个中入射的脉冲光的能量成为0.19μJ以下地进行分割的分割器。
2.根据权利要求1所述的光测定用光源装置，其特征在于，
所述分割器具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
3.根据权利要求1或2所述的光测定用光源装置，其特征在于，
所述多个光纤是构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，
各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，
各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
4.一种分光测定装置，其特征在于，
具备：
脉冲光源，出射光谱连续的脉冲光；
脉冲伸长单元，使来自脉冲光源的脉冲光的脉冲宽度以一脉冲内的经过时间和波长以1对1对应的方式伸长；
检测器，配置于来自被照射了通过脉冲伸长单元脉冲伸长了的光的对象物的光入射的位置；以及
运算单元，根据来自检测器的输出来计算对象物的分光特性，
脉冲光源具备超短脉冲激光源和来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光入射的非线性元件，其是通过非线性元件的非线性效应使来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光宽频带化而生成超连续光并射出的光源，
脉冲伸长单元包括：
分割器，根据波长对从脉冲光源出射的脉冲光进行空间分割；以及
多个光纤，其数量与分割器分割的波长的数量对应，
分割器是阵列波导衍射光栅，构成阵列波导衍射光栅的各功能波导以对来自脉冲光源的脉冲光在光谱连续的部位进行波长分割的方式形成，
多个光纤分别是将分割器在空间上分割后的各波长的光以单模传输的单模光纤，各光纤的各入射端位于分割器空间分割后的各波长的光入射的位置，并且各光纤的长度根据入射光的波长而不同，以使脉冲伸长后的一脉冲内的经过时间与波长以1对1对应，
作为所述阵列波导衍射光栅的分割器是在所述多个光纤的每一个中入射的脉冲光的能量成为0.19μJ以下地进行分割的分割器。
5.根据权利要求4所述的分光测定装置，其特征在于，
所述分割器具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
6.根据权利要求4或5所述的分光测定装置，其特征在于，
所述多个光纤是构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，
各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，
各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
7.一种分光测定方法，其特征在于，
具备：
出射工序，使光谱连续的脉冲光从脉冲光源出射；
脉冲伸长工序，使在出射工序中出射的脉冲光的脉冲宽度以一脉冲内的经过时间和波长以1对1对应的方式伸长；
照射工序，向对象物照射通过脉冲伸长工序而脉冲宽度被伸长了的脉冲光；
检测工序，利用检测器检测来自在照射工序中被照射了脉冲光的对象物的光；以及
运算工序，根据来自检测器的输出来计算对象物的分光特性，
脉冲伸长工序具备：分割工序，根据波长通过分割器在空间上对在出射工序中出射的脉冲光进行分割；以及传输工序，通过使在分割工序中分割的脉冲光分别入射到与分割后的波长的数量对应的数量的多个光纤中进行传输，成为脉冲伸长后的1个脉冲内的经过时间和波长以1对1对应的状态，
脉冲光源具备超短脉冲激光源和来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光入射的非线性元件，出射工序是通过非线性元件的非线性效应使来自超短脉冲激光源的超短脉冲激光宽频带化而生成超连续谱光并射出的工序
分割工序是将阵列波导衍射光栅作为分割器使用的工序，是对来自脉冲光源的脉冲光在光谱连续的部位进行波长分割的工序
在传输工序中，各光纤是将分割器在空间上分割后的各波长的光以单模传输的单模光纤，各光纤的长度根据入射的光的波长而不同，以使脉冲伸长后的1脉冲内的经过时间和波长以1对1对应，
所述分割工序是在所述多个光纤的每一个中入射的脉冲光的能量成为0.19μJ以下地进行分割的工序。
8.根据权利要求7所述的分光测定方法，其特征在于，
所述分割器具备衍射光栅和将衍射光栅分散后的光根据波长而聚光于不同位置的光学系统，在各聚光位置配置有所述各光纤的入射端。
9.根据权利要求7或8所述的分光测定方法，其特征在于，
所述多个光纤是构成多个光纤组的要素光纤和多芯光纤，
各光纤组由相同图案且长度不同的多个要素光纤构成，
各要素光纤的纤芯与多芯光纤的各纤芯连接，多芯光纤的数量以及长度被选定为，由各要素光纤的纤芯和多芯光纤的各纤芯构成的各传输路径的全长成为互不相同的长度。
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