JP2005055652A - 可変スペクトル光発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力光スペクトル可変の自由度を大きくすることができる可変スペクトル光発生装置を提供する。
【解決手段】 所定帯域に亘って位相関係が一定である基本波光Ａは、光源部１１から出力されて光変調部１２に入力し、この光変調部１２において各波長成分のパラメータが変調されて変調光Ｂとされる。光変調部１２から出力された変長光Ｂは、波長変換部１３に入力して波長変換され、その波長変換により得られた光Ｃが波長変換部１３から出力される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、出力光のスペクトルの形状が可変である可変スペクトル光発生装置に関するものである。

出力光波長が可変である光発生装置としては種々のものがある。例えば、レーザ発振装置は、共振器長を変化させることで、出力光波長を変化させることができる。しかし、共振器長を変化させるには、機械的な駆動部が必要である。このことは、装置の安定性を保つ上では好ましくなく、また、ナノ秒程度の高速の出力光波長の制御をすることは困難である。半導体レーザ装置の場合には、温度変化に伴うバンドギャップの変化を利用することで、出力光波長を変化させることができるが、温度制御のための時間を要し、周囲環境からの影響も大きい。

非特許文献１に記載されたような光パラメトリック発振を利用した光発生装置は、非線形光学結晶の方位を変化させることで、広い波長範囲にわたって出力光波長を変化させることができる。しかし、この光発生装置は、非線形光学結晶の方位を変化させるための機械的な駆動部が必要である。このことは、装置の安定性を保つ上では好ましくない。

非特許文献２に記載されたような基本波から高次高調波を発生させて出力する光発生装置は、様々な次数の高調波を発生させることができるため、必要とする次数の高調波生成効率を最適化する条件を設定することにより、出力光波長を可変とすることができる。この非特許文献２には、第２７次の高調波生成効率を最適化することができた旨が記載されているが、この第２７次の高調波のスペクトルは広がりを有しており、その帯域内で細かい制御を行なうまでに至っていない。

以上に挙げたものを含め従来の光発生装置は、出力光波長が可変であるといっても、その可変の程度は限定されている。例えば、近接した任意の複数波長において鋭い強度ピークを有し、他の波長成分を有しない光を高速な制御によって出力することはできない。
「レーザーハンドブック」第１４３頁〜第１４５頁、レーザー学会編、オーム社、１９８２年 R. Bartels, et al., "Shaped-pulse optimization of coherent emission of high-harmonic soft X-rays", Nature, Vol.406, pp.164-166 (2000)

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力光スペクトル形状の可変の自由度を大きくすることができる可変スペクトル光発生装置を提供することを目的とする。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置は、(1) 所定波長帯域を有し、各波長成分間の位相関係が時間的に一定である光を出力する光源部と、(2) この光源部から出力された光を入力し、この光の各波長成分のパラメータを変調して、この変調した光を出力する光変調部と、(3) この光変調部から出力された光を入力して波長変換し、この波長変換により得られた光を出力する波長変換部と、(4) 光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。ここで、光変調部は、パラメータとして振幅、位相、偏光および波面のうち何れか１つ以上のものを変調するのが好適である。

この可変スペクトル光発生装置では、光源部から出力される光は、所定波長帯域を有し、各波長成分間の位相関係が時間的に一定であり、各波長成分のパラメータ（振幅、位相、偏光および波面のうち何れか１つ以上のもの）が光変調部において変調されて、この変調された光が光変調部から出力される。この光変調部から出力された光は波長変換部に入力して波長変換され、この波長変換により得られた光が波長変換部から出力される。そして、光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調が制御部により制御されることにより、波長変換部から出力される光のスペクトルは可変となる。

なお、「所定波長帯域を有し、各波長成分の間の位相関係が時間的に一定である光」とは、パルス毎の位相波形が、時間が経過しても同じであるという場合のみではなく、(a) スペクトル波形の位相成分において、パルス毎に時間的にオフセットとして同じ定数値が重畳する場合。(b) スペクトル波形の位相成分において、パルス毎に時間的にオフセットとしてｃ／λ／×Ａの値が重畳する場合も含まれる（λ：波長、ｃ：光速、Ａ：任意の定数）。上記(a)の場合は、各パルス毎に強度波形は変化しないが、キャリアエンベロープフェーズと呼ばれるパルス内の位相がドリフトしていく場合に相当する。上記(b)の場合は、各項パルス毎に強度波形は変化せず、時間的なドリフトが生じている状態を示す。

光変調部は、(1) 光源部から出力された光を空間的に波長分岐する光分波手段と、(2) この光分波手段により波長分岐された光の各波長成分のパラメータを変調して出力する空間光変調手段と、(3) この空間光変調手段により変調された光の各波長成分を合波して出力する光合波手段と、を含むのが好適である。この場合には、光源部から出力されて光変調部に入力した光は、光変調部において、先ず光分波手段により空間的に波長分岐され、この波長分岐された光の各波長成分のパラメータが空間光変調手段により変調され、この変調された光の各波長成分が光合波手段により合波されて出力される。光分波手段および光合波手段それぞれとして回折格子が好適に用いられる。

また、光変調部は、音響光学効果を利用した素子（ＡＯＰＤＦ；Acousto-Optic Programmable Dispersion Filter）単体で構成することも可能である。音響光学効果を利用した素子を用いる場合、小型な系を実現することができる。

波長変換部は、非線形光学媒質を含み、この非線形光学媒質への入射光の波長とは異なる波長の光を非線形光学媒質から出射させるのが好適である。この場合には、光変調部から出力されて波長変換部に入力した光は、非線形光学媒質により波長変換されて波長変換部から出力される。ここで、非線形光学媒質としては、非線形光学結晶、非線形性を有する光導波路（例えば、フォトニック結晶光ファイバ、テーパー光ファイバ、中空光ファイバ、等）、適切な圧力条件および温度条件を有する気体媒質、または、これらの組み合わせが、好適に用いられる。また、非線形光学媒質を用いて波長変換するに際しては、第２次高調波や更に高次の高調波の発生、和周波や差周波の発生、光パラメトリック発振、自己位相変調、相互位相変調、などの現象を利用することができる。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置は、波長変換部から出力される光を計測する計測部を更に備え、制御部が、計測部による計測結果に基づいて、光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調をフィードバック制御するのが好適である。この場合には、波長変換部から出力される光のスペクトル等が計測部により計測され、この計測結果に基づいて、波長変換部からの出力光のスペクトルンド等が所定値に近づくように、光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御部により制御することが可能となる。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置は、波長変換部から出力された光が照射された対象物における当該照射に伴う変化を検出する検出部を更に備え、制御部が、検出部による検出結果に基づいて、光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御するのが好適である。この場合には、波長変換部から出力された光が照射された対象物における当該照射に伴う変化が検出部により検出され、この検出結果に基づいて、対象物の変化が所望の状態となるように光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御部により制御することが可能となる。このとき波長変換部からの出力光のスペクトル等も所望値に近づいていく。ここで波長変換部からの出力光のスペクトル等の所望値は、予めわかっている必要はない。

制御部は、光源部および波長変換部の双方または何れか一方の構成要素の圧力、温度、電流値、電圧値、位置および角度のうち何れか１つ以上のものを制御するのが好適である。この場合には、光変調部だけでなく、光源部および波長変換部の双方または何れか一方の構成要素も制御されることで、制御の自由度が更に高くなるので、出力光のスペクトルの可変の自由度が更に大きくなる。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置は、出力光スペクトル可変の自由度を大きくすることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
先ず、本発明に係る可変スペクトル光発生装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る可変スペクトル光発生装置１の概略構成を示すブロック図である。この図に示される可変スペクトル光発生装置１は、光源部１１、光変調部１２、波長変換部１３および制御部１４を備える。

光源部１１は、所定帯域に亘って位相関係が一定である基本波光Ａを出力するものであり、或る程度広い帯域（例えば帯域幅１０ｎｍ以上）に亘って基本波光Ａを出力することができる。光源部１１は、例えば、基本波光Ａとしてフェムト秒光パルスを出力するレーザ光源であるのが好適である。

光変調部１２は、光源部１１から出力された基本波光Ａを入力し、この光の各波長成分のパラメータを変調して、この変調した変調光Ｂを出力する。ここで、光変調部１２は、上記パラメータとして振幅、位相、偏光および波面のうち何れか１つ以上のものを変調するのが好適である。また、波長変換部１３は、光源部１１から出力された光を空間的に波長分岐する光分波手段と、この光分波手段により波長分岐された光の各波長成分のパラメータを変調して出力する空間光変調手段と、この空間光変調手段により変調された光の各波長成分を合波して出力する光合波手段と、を含むのが好適である。

また、光変調部は、音響光学効果を利用した素子（ＡＯＰＤＦ；Acousto-Optic Programmable Dispersion Filter）単体で構成することも可能である。音響光学効果を利用した素子を用いる場合、小型な系を実現することができる。

波長変換部１３は、光変調部１２から出力された変調光Ｂを入力して波長変換し、この波長変換により得られた光Ｃを出力する。例えば、波長変換部１３は、非線形光学媒質を含み、この非線形光学媒質への入射光の波長とは異なる波長の光を非線形光学媒質から出射させるのが好適である。ここで、非線形光学媒質としては、非線形光学結晶の他、非線形性を有する光導波路（例えば、フォトニック結晶光ファイバ、テーパー光ファイバ、中空光ファイバ、等）、適切な圧力条件および温度条件を有する気体媒質、または、これらの組み合わせが、好適に用いられる。また、非線形光学媒質を用いて波長変換するに際しては、第２次高調波や更に高次の高調波の発生、和周波や差周波の発生、光パラメトリック発振、自己位相変調、相互位相変調などの現象を利用することができる。

制御部１４は、光変調部１２における光の各波長成分のパラメータ（振幅、位相、偏光および波面のうち何れか１つ以上のもの）の変調を制御する。光変調部１２が上記のような空間光変調手段を含む場合には、制御部１４はこの空間光変調手段を制御すれば十分である。

第１実施形態に係る可変スペクトル光発生装置１は以下のように動作する。所定帯域に亘って位相関係が一定である基本波光Ａは、光源部１１から出力されて光変調部１２に入力し、この光変調部１２において各波長成分のパラメータが変調されて変調光Ｂとされる。光変調部１２から出力された変長光Ｂは、波長変換部１３に入力して波長変換され、その波長変換により得られた光Ｃが波長変換部１３から出力される。

波長変換部１３から出力される光Ｃの各波長成分は、光源部１１から出力される基本波光Ａの殆ど全ての波長成分からの寄与を受けたものである。したがって、光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調が制御部１４により制御されることにより、基本波光Ａが変調されて得られる変調光Ｂにおいて或る程度広い帯域に亘って各波長成分のパラメータが設定されて、これにより、出力光Ｃのスペクトルを可変とすることができる。光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調の自由度が大きいので、出力光Ｃのスペクトル可変の自由度も大きい。

光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調に際しては、機械的な駆動部を用いることなく、電気的な制御機構を用いることができるので、この場合には、装置の安定性を保つ上で好適であり、また、高速に制御することが可能である。

基本波光Ａから出力光Ｃへの波長変換に際して、不要な波長成分が生成されないようにすることができ、出力光Ｃの必要な波長成分への変換のみに基本波光Ａを利用することができるので、光変調を行わない状態においては波長変換効率が飽和している場合には、光変調を行なうことにより基本波光Ａから出力光Ｃ中の必要波長成分への変換のみを高効率に行なうことができる。

このような可変スペクトル光発生装置１を用いれば、例えば、光反応材料の結合を選択的に切断するというような用途において、切断したいバンドに対応する１または２以上の波長の出力光Ｃを生成する一方で、切断したくないバンドに対応する波長域の成分を出力光Ｃに含ませないことも、容易に行なうことができる。これにより、例えば光化学反応制御等の工業的な応用にも、可変スペクトル光発生装置１を用いることができる。

可変スペクトル光発生装置１から出力される光Ｃは所望の波長成分のみを含むことができるから、この出力光Ｃを励起等の反応に利用すれば、不必要な熱の発生を抑制することができる。

なお、制御部１４は、光変調部１２を制御するだけでなく、光源部１１および波長変換部１３の双方または何れか一方の構成要素の圧力、温度、電流値、電圧値、位置および角度のうち何れか１つ以上のものを制御するのも好適である。例えば、光源部１１から出力される基本波光Ａの波長が可変である場合には、その基本波光Ａの波長を変更するよう制御してもよい。また、波長変換部１３が光パラメトリック発振を利用するものである場合には、非線形光学媒質への光の入射方位を制御するようにしてもよい。この場合には、制御の自由度が更に高くなるので、出力光Ｃのスペクトルの可変の自由度が更に大きくなる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る可変スペクトル光発生装置の第２実施形態について説明する。図２は、第２実施形態に係る可変スペクトル光発生装置２の概略構成を示すブロック図である。この図に示される可変スペクトル光発生装置２は、光源部１１、光変調部１２、波長変換部１３および制御部１４に加えて、計測部１５およびビームスプリッタ１６を更に備える。

ビームスプリッタ１６は、波長変換部１３から出力された光Ｃを分岐して、その大部分を透過させ、一部を反射させる。計測部１５は、このビームスプリッタ１６により分岐されて到達した光Ｃを受光して、その光Ｃを計測する。ここで、ビームスプリッタ１６の透過光と反射光とを置換したような構成であっても構わないことは言うまでもない。計測部１５には、例えば分光計測器を用いることが可能で、これが受光した光Ｃの全帯域もしくは一部帯域におけるスペクトルを計測する構成であってもよいし、また、その光Ｃのうち注目すべき１または２以上の波長における強度を計測する構成であってもよい。

制御部１４は、計測部１５による計測結果に基づいて、光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調を制御する。このとき、制御部１４は、計測部１５による計測結果が所望値に近づくように光変調部１２をフィードバック制御することも可能となる。この制御の際のアルゴリズムとしては、例えば、シミュレーティドアニーリング（Simulated Annealing）法や遺伝的アルゴリズム（Generic Algorithm）等の最適化アルゴリズムが好適に用いられる。また、制御条件が複雑でない場合は、この制御を手動で行うことも可能である。

第２実施形態に係る可変スペクトル光発生装置２は以下のように動作する。所定帯域に亘って位相関係が一定である基本波光Ａは、光源部１１から出力されて光変調部１２に入力し、この光変調部１２において各波長成分のパラメータが変調されて変調光Ｂとされる。光変調部１２から出力された変調光Ｂは、波長変換部１３に入力して波長変換され、その波長変換により得られた光Ｃが波長変換部１３から出力される。波長変換部１３から出力された光Ｃは、その一部がビームスプリッタ１６により分岐されて計測部１５に到達し、この計測部１５によりスペクトル等が計測される。そして、この計測結果に基づいて、波長変換部１３からの出力光Ｃのスペクトル等が所定値に近づくように、光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調が制御部１４により制御される。

したがって、第２実施形態に係る可変スペクトル光発生装置２は、第１実施形態に係る可変スペクトル光発生装置１で得られる効果と同様の効果を得ることができるだけでなく、光変調部１２における変調と出力光Ｃのスペクトル等との間の関係が明らかでない場合等においても、波長変換部１３からの出力光Ｃのスペクトル等を所望値に近づけることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明に係る可変スペクトル光発生装置の第３実施形態について説明する。図３は、第３実施形態に係る可変スペクトル光発生装置３の概略構成を示すブロック図である。この図に示される可変スペクトル光発生装置３は、光源部１１、光変調部１２、波長変換部１３および制御部１４に加えて、検出部１７を更に備える。

検出部１７は、波長変換部１３から出力された光Ｃが照射された対象物９における当該照射に伴う変化を検出する。制御部１４は、検出部１７による検出結果に基づいて、光変調部１２における光の各波長成分のパラメータの変調を制御する。この制御の際にも、例えば、シミュレーティドアニーリング法や遺伝的アルゴリズム等の最適化アルゴリズムが好適に用いられる。

例えば、出力光Ｃを対象物９に照射することで該対象物９において反応生成物を生成させる場合であって、その反応生成物の生成量を制御したいというようなときに、生成量が所望値に近づくように制御部１４が光変調部１２を制御することで、波長変換部１３からの出力光Ｃのスペクトル等を所望値に近づけることができる。このとき、出力光Ｃのスペクトル等の所望値は予め分かっている必要はない。

次に、本発明に係る可変スペクトル光発生装置の実施例について説明する。図４は、実施例の可変スペクトル光発生装置４の構成図である。この図に示される可変スペクトル光発生装置４は、上述した第２実施形態に係る可変スペクトル光発生装置２のより具体的な構成のものである。実施例の可変スペクトル光発生装置４は、光源部１１、光変調部１２、波長変換部１３、制御部１４、計測部１５およびビームスプリッタ１６を備える。

光源部１１は、所定帯域に亘って位相関係が一定である基本波光Ａを出力するものであり、本実施例では、チタンサファイアレーザ光源が用いられる。このチタンサファイアレーザ光源から出力される基本波光Ａは、パルス幅が１００ｆｓ以下のパルス光で、帯域幅が１０ｎｍ以上であり、また、その帯域に亘って位相関係が一定である。

光変調部１２は、光源部１１から出力された基本波光Ａを入力し、この光の各波長成分のパラメータを変調して、この変調した変調光Ｂを出力するものであり、本実施例では、反射鏡２１、回折格子２２、シリンドリカルレンズ２３、空間光変調素子２４、シリンドリカルレンズ２５、回折格子２６および反射鏡２７を含む。

反射鏡２１は、光源部１１から出力された基本波光Ａを入力し、この基本波光Ａを回折格子２２へと入射させる。回折格子２２は、反射型のものであって、反射鏡２１から到達した基本波光Ａを入力し、この基本波光Ａの各波長成分を該波長に応じた回折角で回折させて、これに因り、基本波光Ａを空間的な方向に応じて波長分岐を実現する。シリンドリカルレンズ２３は、回折格子２２により波長分岐された各波長成分を一軸方向のみ集光することで、空間的に波長成分を分離する。その集光面には空間光変調素子２４を光線に対して垂直な方向に配置する。

空間光変調素子２４は、配列された複数の画素それぞれについて透過光の位相を調整することができるものであり、シリンドリカルレンズ２３から入力した各波長成分の光に対して位相を変調して、その位相変調した各波長成分の光をシリンドリカルレンズ２５へ出力する。空間光変調素子２４における位相変調は、制御部１４から与えられる電気的な制御信号に基づいて制御される。

シリンドリカルレンズ２５は、空間光変調素子２４から出力された各波長成分の光を入力し、その光を回折格子２６の回折面上に集光する。このとき、各波長成分に対してはコリメートしている。回折格子２６は、反射型のものであって、シリンドリカルレンズ２５から出力されて集光された各波長成分の光を入力し、その各波長成分を該波長に応じた回折角で回折させて、これに因り光を合波する。反射鏡２７は、回折格子２６により合波された光を入力し、この光を反射させて、変調光Ｂとして波長変換部１３へ出力する。

なお、所望の動作を実現する為には、回折格子２２、シリンドリカルレンズ２３、空間光変調素子２４、シリンドリカルレンズ２５および回折格子２６は４ｆ系をなすことが好適であるが、これに限定されない。

また、光変調部１２の構成としては種々の変形例が有り得る。例えば、回折格子は反射型および透過型の何れであってもよいし、空間光変調素子も反射型および透過型の何れであってもよいし、また、シリンドリカルレンズ２３，２５に替えて凹面鏡を用いてもよい。

波長変換部１３は、光変調部１２から出力された変調光Ｂを入力して波長変換し、この波長変換により得られた光Ｃを出力するものであり、本実施例では、レンズ３１、非線形光学結晶３２およびレンズ３３を含む。

レンズ３１は、光変調部１２から出力された変調光Ｂを入力し、この変調光Ｂを集光して非線形光学結晶３２へ入射させる。非線形光学結晶３２は、入射光の周波数の２倍の周波数を有する第２次高調波を発生させることができるもので、レンズ３１により集光された変調光Ｂを入力して、この変調光Ｂに対する第２次高調波を発生させる。レンズ３３は、非線形光学結晶３２で発生した第２次高調波を入力し、この第２次高調波をコリメートして出力光Ｃとして出力する。

このようにして非線形光学結晶３２において第２次高調波として得られる出力光Ｃの電場の振幅Ｅ_SH(ν)は、非線形光学結晶３２に入射する変調光Ｂの電場の振幅Ｅ_i(ν)に対して、下記の関係式で表される。ここで、νは光の周波数であり、出力光Ｃおよび変調光Ｂそれぞれの電場の振幅Ｅ_SH(ν)，Ｅ_i(ν)は、光の周波数νの関数として表されている。

例えば、非線形光学結晶３２に入射する変調光Ｂの中心周波数が３７５ＴＨｚ（中心波長が８００ｎｍ）であるとし、非線形光学結晶３２において第２次高調波として得られる出力光Ｃの中心周波数が７５０ＴＨｚであるとする。このとき、出力光Ｃのうちの周波数７５０ＴＨｚ成分の電場振幅Ｅ_SH(750)は、変調光Ｂの周波数（３７５＋ν'）ＴＨｚ成分の電場振幅と周波数（３７５−ν'）ＴＨｚ成分の電場振幅との積（Ｅ_i(375＋ν')・Ｅ_i(375−ν')）を変数ν'について積分した結果として得られる。

したがって、基本波光Ａの各周波数成分（各波長成分）の位相関係を光変調部１２の空間光変調素子２４により変調することで、変調光Ｂの各周波数成分（各波長成分）の位相関係を適切に設定すれば、出力光Ｃの各周波数成分（各波長成分）の強度を所望値とすることができる。

このように基本波光Ａを変調して変調光Ｂを得るには、制御パラメータの数が多く、制御の自由度が大きい。したがって、出力光Ｃのうち或る周波数成分の強度を大きくする一方で、他の或る周波数成分の強度を小さくするというように、出力光Ｃの各周波数成分（各波長成分）の強度を自由に設定することができる。このように、本実施例によれば、出力光Ｃのスペクトルを可変とすることができるだけでなく、出力光Ｃのスペクトル可変の自由度も大きくできる。

なお、実際には、光変調部１２における変調と出力光Ｃのスペクトルとの間の関係が明らかでなく、出力光Ｃの所望のスペクトルを得る為の空間光変調素子２４における位相変調の具体的条件を予め見出しておくことは困難である。そこで、計測部１５として分光器を用いて、出力光Ｃのスペクトルを計測部１５により計測し、この計測で得られた出力光Ｃのスペクトルが所望値に近づくように、空間光変調素子２４における位相変調を制御部１４によりフィードバック制御するのが好適である。このような制御を行なう制御部１４として例えばパーソナルコンピュータが用いられ、また、制御アルゴリズムとしてシミュレーティドアニーリング法や遺伝的アルゴリズム等の最適化アルゴリズムが好適に用いられる。また、或るスペクトルを有する出力光Ｃを得る為の空間光変調素子２４における位相変調の具体的条件が一度求められると、その後、これと同一のスペクトルを有する出力光Ｃを得るには、既に求められた具体的条件で空間光変調素子２４における位相変調を行なえばよい。

次に、実施例の可変スペクトル光発生装置４における変調光Ｂおよび出力光Ｃのシミュレーション結果について説明する。図５は、実施例の可変スペクトル光発生装置４における変調光Ｂの各波長成分の強度および位相を示すグラフである。また、図６は、実施例の可変スペクトル光発生装置４における出力光Ｃの各波長成分の強度および位相を示すグラフである。ここでは、出力光Ｃは、波長３９７.７ｎｍ，４００.０ｎｍおよび４０１.２ｎｍそれぞれの成分が大きくなり、且つ、他の波長成分の強度が小さくなるようにした。また、最適化アルゴリズムとしてシミュレーティドアニーリング法を用いた。その結果、図５に示されたような変調光Ｂの強度分布および位相分布とすることで、出力光Ｃは、図６（ａ）中で矢印で示したように所望の３波長で強度ピークを有するものとなった。

なお、図６（ａ）中の破線は、変調光Ｂの各波長成分の位相が全て揃っている場合に得られる出力光Ｃの強度分布を表し、出力光Ｃの各波長成分で得られる最大強度を表している。また、図５および図６で示したシミュレーションは出力光Ｃの強度分布を所望値とするものであったが、出力光Ｃの位相分布を所望値とすることもできる。また、図５および図６で示したシミュレーションは基本波光Ａを位相変調して変調光Ｂを得るものであったが、所望のスペクトルを有する出力光Ｃを得る為の変調光Ｂを実現するために、基本波光Ａの各波長成分の強度、偏光および波面の何れかを変調してもよいし、基本波光Ａの各波長成分の位相、強度、偏光および波面のうちの何れか２以上のものを変調してもよい。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置は、例えば、光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ: Optical Coherence Tomography）における光源として好適に用いられ得る。

ＯＣＴは、スペクトル幅が広い低コヒーレント光を生体等の多重散乱物体（例えば眼球）に照射して、その多重散乱物体の内部で発生する後方散乱光を高感度に検出することにより、その多重散乱物体の三次元断層画像を測定する方法である（例えば文献「佐藤学，他，"光コヒーレンストモグラフィーの基礎"，光学，第３２巻，第４号，第２６８頁〜第２７４頁，２００３年」を参照）。このＯＣＴでは、多重散乱物体である測定対象物に適合した光を出力する光源を予め用意しておくことで、その光源から出力される光に対して特別な変調等を施すことなく、その光を測定対象物に照射して測定するのが通常である。測定対象物の奥行き方向の測定の分解能は、照射光のコヒーレンス長に依存する。ＯＣＴでは、吸収が比較的小さい生体の分光学的窓領域である波長域０.７μｍ〜１.３μｍの光が用いられる。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置において、Ｅｒ元素およびＹｂ元素が添加された光ファイバを光増幅媒体として含み中心波長１.５６μｍのレーザ光（基本波光Ａ）を出力するレーザ光源（例えばＩＭＲＡ社製のモデルＢ-１５０）を光源部１１として用いるとともに、第２次高調波を発生する非線形光学媒質を含むものを波長変換部１３として用いる。このとき、可変スペクトル光発生装置から出力される出力光Ｃは、中心波長が０.７８μｍであって、生体の分光学的窓領域内に含まれる。このような構成の可変スペクトル光発生装置は、光源部１１および波長変換部１３それぞれを小型とすることができるので、全体としても小型とすることができ、また、生体の分光学的窓領域において高い自由度で出力光Ｃのスペクトルを変更することができる。さらに、この可変スペクトル光発生装置は、ＯＣＴにおいて用いられる際に以下のような利点を有する。

第１の利点として、可変スペクトル光発生装置から出力される出力光Ｃのコヒーレンス長を調整することができる。一般に、スペクトル幅が広いほどコヒーレンス長は短く、スペクトル幅が狭いほどコヒーレンス長は長い。本発明に係る可変スペクトル光発生装置を用いれば、出力光Ｃのスペクトル幅が可変であるので、出力光Ｃのコヒーレンス長も可変である。なお、出力光Ｃのコヒーレンス長を短くするには、出力光Ｃのスペクトル幅を広くすることが必要であるが、その為には、波長変換部１３に含まれる非線形光学媒質として、非線型性が高いフォトニック結晶光ファイバ等を用いるのが好適である。

測定対象物に照射される光のコヒーレンス長が短いと、測定対象物が奥行き方向に長い場合に、その測定対象物の全体を測定するには長い掃引時間が必要となり、現実的ではない。また、分解能が高いままで粗い掃引を行なうと、測定対象物中の構造を検知することができない事態も生じる。したがって、粗い掃引を行なうには、分解能を低くしなければならない。

本発明に係る可変スペクトル光発生装置を用いれば、出力光Ｃのスペクトル幅を変更することで、出力光Ｃのコヒーレンス長を変更することができ、したがって、分解能をも変更することができる。また、分解能を変更することで、掃引の粗さも調整することができるので、例えば、低分解能で粗い掃引を行なって測定対象物の全体を測定し、詳細に測定したい構造が存在している特定部位については高分解能で細かい掃引を行なって測定することができる。これにより、ＯＣＴによる測定のダイナミックレンジを上げることができる。これは、測定対象物の奥行き方向のズームに相当する。

このとき、測定対象物の横方向のズームも同時に行なうことができる。すなわち、可変スペクトル光発生装置から出力される出力光Ｃを集光して測定対象物に照射する場合に、長焦点集光を行なうと、集光径が大きいので、横方向分解能が低くなり、その一方で、レイリー長（コンフォーカル長）も長くなるので、奥行き方向に比較的長い距離に亘って均一なビーム径が実現される。逆に、短焦点集光を行なうと、集光径が小さいので、横方向分解能が高くなるが、奥行き方向に均一なビーム径が実現される距離が短くなる。したがって、奥行き方向および横方向の双方で低分解能となる条件で両方向に長距離掃引を行なった後、奥行き方向および横方向の双方で高分解能となる条件で特定部位について詳細な測定をすることができる。

第２の利点として、可変スペクトル光発生装置から出力される出力光Ｃの可干渉性を様々に調整することができる。本発明では、出力光Ｃのスペクトル形状（強度ピークの波長や数）を自由に変化させることができる。このことから、光コヒーレンス関数を自由に変化させることができる。光コヒーレンス関数は、各遅延時間差毎の可干渉性の大きさの度合いを示すものである（例えば文献「Kazuo Hotate, "Application of synthesized coherence function to distributed optical sensing", Measurement Science and Technology, Vol.13, No.11, pp.1746-1755 (2002)」を参照）。

そして、出力光Ｃの光コヒーレンス関数を変化させることで、ＯＣＴの干渉信号に寄与する奥行き方向の成分が変化する。例えば、測定対象物の界面における光反射が大きい部位の近辺に被計測対象が存在する場合に、その界面からの反射を干渉信号に寄与させないように出力光Ｃのスペクトルを調整することで、測定対象物の測定を有効に行なうことが可能となる。

第３の利点として、測定対象物の構成物質の特定が容易になる。測定対象物が如何なる物質から構成されているかについては、分光計測を行なうことにより知ることができる。ここで、ＯＣＴにおいては、測定対象物の大きさや形状に応じて散乱・吸収・反射等が複雑に変化するので、通常行われているように固定された波長の光を測定対象物に照射して分光計測を行なっただけでは、十分な情報を得ることができない。しかし、本発明に係る可変スペクトル光発生装置を用いれば、出力光Ｃのスペクトル形状（強度ピークの波長や数）を自由に変化させることができるので、例えば、出力光Ｃが２波長で鋭い強度ピークを有するものとすることで、この２波長の干渉信号の比をとるという操作を容易に行なうことが可能となる。そして、測定対象物の構成物質に固有の情報を干渉信号から得ることができ、これにより、構成物質の特定が可能となる。

第４の利点として、測定対象物に照射する光のスペクトルの変更を電気的に行なうことができる。光の波長の変更は、通常、機械的調整または温度調整により為されるが、両者ともに、変調が遅いという問題があり、また、複雑なスペクトルを実現することができない。さらに、機械的調整を行なうには、装置内に可動部が必要であるが、これは全体の安定性を損なう要因となる。特に、ＯＣＴにおいては、測定対象物の奥行き方向および横方法の何れにも掃引を行なう必要があるから、波長の操作に長時間を要する方法では，実用的ではない。しかし、本発明に係る可変スペクトル光発生装置では、出力光Ｃのスペクトルの変更を電気的に高速に行なうことができるので、ＯＣＴによる測定の時間を短縮することができる。

第５の利点として、ＯＣＴにより得られる三次元断層画像が最適なものとなるように出力光Ｃのスペクトルをフィードバック制御することができる。例えば、特定距離にある位置からの強い反射を低減するための照射光のスペクトル条件を予め求めることは困難である。しかし、本発明に係る可変スペクトル光発生装置では、最適な測定をすることができる条件が予め判っていなくても、測定結果を参照しながら、干渉信号が最適なものとなるように、出力光Ｃのスペクトルを変更することができる。

第１実施形態に係る可変スペクトル光発生装置１の概略構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係る可変スペクトル光発生装置２の概略構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係る可変スペクトル光発生装置３の概略構成を示すブロック図である。 実施例の可変スペクトル光発生装置４の構成図である。 実施例の可変スペクトル光発生装置４における変調光Ｂの各波長成分の強度および位相を示すグラフである。 実施例の可変スペクトル光発生装置４における出力光Ｃの各波長成分の強度および位相を示すグラフである。

符号の説明

１〜４…可変スペクトル光発生装置、１１…光源部、１２…光変調部、１３…波長変換部、１４…制御部、１５…計測部、１６…ビームスプリッタ、１７…検出部、２１…反射鏡、２２…回折格子、２３…シリンドリカルレンズ、２４…空間光変調素子、２５…シリンドリカルレンズ、２６…回折格子、２７…反射鏡、３１…レンズ、３２…非線形光学結晶、３３…レンズ。

Claims (9)

1. 所定波長帯域を有し、各波長成分間の位相関係が時間的に一定である光を出力する光源部と、
   この光源部から出力された光を入力し、この光の各波長成分のパラメータを変調して、この変調した光を出力する光変調部と、
   この光変調部から出力された光を入力して波長変換し、この波長変換により得られた光を出力する波長変換部と、
   前記光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする可変スペクトル光発生装置。
2. 前記光変調部が、前記パラメータとして振幅、位相、偏光および波面のうち何れか１つ以上のものを変調する、ことを特徴とする請求項１記載の可変スペクトル光発生装置。
3. 前記光変調部が、
   前記光源部から出力された光を空間的に波長分岐する光分波手段と、
   この光分波手段により波長分岐された光の各波長成分のパラメータを変調して出力する空間光変調手段と、
   この空間光変調手段により変調された光の各波長成分を合波して出力する光合波手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の可変スペクトル光発生装置。
4. 前記光変調部が、音響光学効果を利用した素子からなることを特徴とする請求項１または２に記載の可変スペクトル光発生装置。
5. 前記波長変換部が、非線形光学媒質を含み、この非線形光学媒質への入射光の波長とは異なる波長の光を前記非線形光学媒質から出射させる、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変スペクトル光発生装置。
6. 前記非線形光学媒質が、非線形光学結晶、非線形を有する光導波路、および適切な圧力、温度条件を有する気体媒質のうち、いずれか１つ以上のものから構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変スペクトル光発生装置。
7. 前記波長変換部から出力される光を計測する計測部を更に備え、
   前記制御部が、前記計測部による計測結果に基づいて、前記光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調を制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変スペクトル光発生装置。
8. 前記波長変換部から出力された光が照射された対象物における当該照射に伴う変化を検出する検出部を更に備え、
   前記制御部が、前記検出部による検出結果に基づいて、前記光変調部における光の各波長成分のパラメータの変調をフィードバック制御する、
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の可変スペクトル光発生装置。
9. 前記制御部が、前記光源部および前記波長変換部の双方または何れか一方の構成要素の圧力、温度、電流値、電圧値、位置および角度のうち何れか１つ以上のものを制御する、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の可変スペクトル光発生装置。

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