JP2006038490A

JP2006038490A - 時間分解分光装置

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Publication number: JP2006038490A
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Inventors: Mitsuru Namiki; 満雙木
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Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2006-02-09
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Abstract

【課題】時間分解分光計測を高精度に行うことができる時間分解分光装置を提供する。
【解決手段】コリメートされたプローブ光を回折格子に斜めに入射させて、分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換し、これら各一次回折光を、二次元変換光学系によって二次元変換光学系の光軸ＡＸ２に交差する仮想平面内でそれぞれスペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して、回折格子と共役となる共役面ＦＣ上にプローブ光の擬似二次元スペクトログラムＳを結像させ、撮像面７ａが共役面ＦＣと共役となるようにして配置された撮像装置７によって擬似二次元スペクトログラムＳと参照光との干渉縞パターンを得る時間分解分光装置において、二次元変換光学系と撮像装置との間に、縮小光学系であるリレー光学系１１を配置する。
【選択図】図７

Description

この発明は、光信号の分析に用いられる時間分解分光装置に関するものである。

近年、光通信や物理計測等の分野では、フェムト秒（１［ｆｓ］＝１０^−１５［ｓ］）〜ピコ秒（１［ｐｓ］＝１０^−１２［ｓ］）のオーダーの極短時間内で変動する光信号の利用が盛んに行われている。このように極めて短い時間内での光信号の変動は、時間分解能の高い測定装置、例えば、後記の特許文献１に記載の時間−２次元空間変換光学系のような時間分解分光装置を用いることによって観測することができる。

特許文献１に記載の時間−２次元空間変換光学系は、回折格子、１次元フーリエ変換光学系、時間−周波数変換フィルタ、及び１次元逆フーリエ変換光学系を有している。
この時間−２次元空間変換光学系を用いた光信号の観測は、以下のようにして行われる。

まず、平面波化された信号光を回折格子に斜めに入射させて、光波の伝播方向と空間的な位相分布とが回折格子への入射角度に等しい傾きを以って交差する回折光を得る。
次に、この回折光を１次元フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対してフーリエ変換することにより、信号光のスペクトル分布を空間分布として得る。

このようにして得たスペクトル分布を、このスペクトル分布が投影される位置に設置された時間−周波数変換フィルタによって、切り出す周波数成分の周波数が垂直方向に見て順次増加するようにフィルタリングする。
このフィルタリングされた光波を１次元逆フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対して逆フーリエ変換することにより、水平方向には時間遅延の分布、垂直方向には切り出されたスペクトル成分の分布がそれぞれ対応する光波分布を得る。

そして、この光波分布において異なる時間遅延部分と交差する平面上に、この平面と波面が一致するようにして参照ＴＬパルス平面波を入射することで、前記の平面上に光波分布と参照ＴＬパルス平面波との干渉縞が発生する。
このようにして得た干渉縞のパターンは、光波分布における時間的な強度分布に対応するものであるので、このパターンを解析することで、計測すべき信号光の振幅情報及び位相情報を得る。
特許第３０１８１７３号公報（図１等）

ここで、良好な時間分解分光計測を行うためには、回折格子の回折効率を高くすることが求められる。このため、実際に時間−２次元空間変換光学系を運用する場合には、回折格子は、その法線を時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して４５°程度傾斜させて用いられる。
このように回折格子が時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させられると、１次元フーリエ変換光学系及び１次元逆フーリエ変換光学系からなる光学系において回折格子と共役となる共役面も、時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜することとなる。このため、干渉縞を撮影する撮像装置の撮像面も、共役面と共役となるように、時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させる必要がある。

しかしながら、ＣＣＤカメラ等の一般的な撮像装置は、その構成上、撮像面に対して斜め方向から入射する光線に対しては、シェーディング等が生じるためによい特性を示さないことが多いので、このように撮像面を光軸に対して傾斜させた場合には、撮像装置によって得られる干渉縞パターンの精度が低く、高精度な時間分解分光計測を行うことは困難であった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、時間分解分光計測を高精度に行うことができる時間分解分光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、ビーム整形光学系によってコリメートされたプローブ光を回折格子に斜めに入射させて、該回折格子への入射位置に応じて、分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換し、これら各一次回折光を、二次元変換光学系によって該二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内でそれぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して、前記回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させ、撮像面が前記共役面と共役となるようにして配置された撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、前記二次元変換光学系と前記撮像装置との間にリレー光学系が配置されており、該リレー光学系が、前記二次元変換光学系を通過した光線を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光された光線を平行光に戻して前記共役面上の前記擬似二次元スペクトログラムを前記撮像面に投影するコリメートレンズとを有する縮小光学系からなる時間分解分光装置を提供する。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、二次元変換光学系によって共役面上に結像された擬似二次元スペクトログラムは、リレー光学系を介して撮像装置の撮像面に投影される。
ここで、共役面上の擬似二次元スペクトログラムを撮像面上に投影するために、リレー光学系及び撮像面は、以下のように配置される。
集光レンズは、前側焦点が共役面上に位置するように配置され、コリメートレンズは、前側焦点が集光レンズの後側焦点と一致し、後側焦点が撮像面上に位置するように配置される。

この時間分解分光装置においても、回折格子が光軸に対して傾斜しているため、共役面も光軸に対して傾斜している。このため、撮像面は、この撮像面を含む仮想平面と共役面を含む仮想平面との交線が、光軸に直交し集光レンズの後側焦点を通る基準平面上に位置するように配置される。言い換えれば、撮像面は、共役面を含む仮想平面と基準平面との交線を通りかつコリメートレンズの後側焦点を通る仮想平面上に位置している。
このことから、光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度は、回折格子の傾斜角度だけでなくコリメートレンズの後側焦点の位置によっても異なり、コリメートレンズの後側焦点が集光レンズの後側焦点に近くなるほど、光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度が小さくなる。
これは、コリメートレンズの焦点距離が短くなれば、光軸に対する撮像面における法線の傾斜角度が小さくなるということである。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、リレー光学系が縮小倍率を有しているので、リレー光学系が等倍率である場合に比べて、コリメートレンズの焦点距離と集光レンズの焦点距離との比が小さい。すなわち、この時間分解分光装置によれば、リレー光学系が等倍率である場合に比べて、集光レンズの後側焦点からコリメートレンズの後側焦点までの距離が短く、撮像面が集光レンズの後側焦点に近い。
これにより、この時間分解分光装置では、回折格子の傾斜角度を小さくすることなく、光軸に対して撮像面の法線のなす角度を小さくすることができ、回折格子の回折効率を低下させることなく、リレー光学系を通過した光束を、撮像面の法線に対してより小さい角度で、撮像面に入射させることができる。

また、本発明に係る時間分解分光装置は、前記ビーム整形光学系が、前記プローブ光を、前記回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形し、前記二次元変換光学系が、前記各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、前記二次元変換光学系の光軸と平行かつ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散させる第一回折格子アレイを有していてもよい。

前記のように、従来の時間分解分光装置は、フィルタによって一次回折光の断面のうちの一部を切り出すことによって擬似二次元スペクトログラムを得る構成とされているので、フィルタを通過しなかった光は利用されない。このため、プローブ光の利用効率が低く、プローブ光が弱い場合には明瞭な干渉縞パターンを得にくく、正確な分析を行うことが困難であった。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、プローブ光が、回折格子に入射する前の段階で、ビーム整形光学系によって回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形されるので、各一次回折光の集合も、スペクトル分布が生じる方向に延びる線状の断面の光束となる。このようなビーム整形光学系は、例えばシリンドリカルレンズを用いることによって構成することができる。
そして、各一次回折光の各波長成分は、二次元変換光学系の第一回折格子アレイによって、それぞれその波長に応じて、二次元変換光学系の光軸と平行かつスペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散されるので、これによって擬似二次元スペクトログラムが形成される。
このように、本発明に係る時間分解分光装置によれば、全てのプローブ光を利用して擬似二次元スペクトログラムが形成されるので、プローブ光の利用効率が高く、プローブ光が弱い場合にも明瞭な干渉縞パターンを得ることができる。

また、本発明に係る時間分解分光装置は、前記共役面上に、前記プローブ光中の各波長成分をそれぞれ該各波長成分間での前記撮像面への入射角度の差を小さくする向きに分散させる第二回折格子アレイが設けられていてもよい。

時間分解分光装置では、プローブ光が回折格子等によって回折されることにより、プローブ光中の各波長成分はそれぞれ異なる角度で共役面に入射する。このため、共役面に入射したプローブ光を単純に撮像面に入射させた場合、得られる干渉縞パターンは、波長ごとに干渉縞の周期が異なるパターンとなる。
本発明に係る時間分解分光装置によれば、共役面上に設けられた第二回折格子アレイによって、共役面に入射したプローブ光中の各波長成分が、それぞれ各波長成分間での撮像素子への入射角度の差が小さくなる向きに分散させられるので、得られる干渉縞パターンは、波長による周期の差が少ないパターンとなり、干渉縞パターンの分析が容易となる。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、回折格子の傾斜角度を小さくすることなしに、撮像装置の撮像面の法線に対して従来よりも小さい角度で、撮像面に光束を入射させることができるので、回折格子の高い回折効率を維持したままで、シェーディング等の影響を低減して、撮像装置による干渉縞パターンの撮影を良好に行うことができ、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図７を用いて説明する。
本実施形態に係る時間分解分光装置１は、試料によって変調された信号光（プローブ光）を分析することによって、フェムト秒〜ピコ秒のオーダーの極短時間内での試料の挙動を観察するものである。

具体的には、図１及び図２に示すように、時間分解分光装置１は、パルス間隔がフェムト秒〜ピコ秒の超短パルス光を発生させる光源２と、光源２が発した超短パルス光を試料が設置されるステージＳｔに導く照射光学系３と、照射光学系３によってステージＳｔ上の試料に照射されて試料による変調を受けた超短パルス光（プローブ光）を整形する第一ビーム整形光学系４とを有している。
第一ビーム整形光学系４の後段には、第一ビーム整形光学系４によってコリメートされたプローブ光を分散させる回折格子５と、回折格子５による一次回折光をスペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して回折格子５と共役となる共役面ＦＣ上にプローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系６と、撮像面７ａが共役面ＦＣと共役となるようにして配置された撮像装置７とが設けられている。

また、二次元変換光学系６と撮像装置７との間には、二次元変換光学系６と光軸を一致させてリレー光学系１１が配置されており、これによって共役面ＦＣ上に結像された擬似二次元スペクトログラムが撮像面７ａ上に投影されるようになっている。
さらに、光源２と照射光学系３との間には、光源２が発した超短パルス光の一部を分岐させて参照光として取り出す第一ビームスプリッタ１２が設けられている。
この第一ビームスプリッタ１２の後段には、参照光を整形する第二ビーム整形光学系１３が設けられており、第二ビーム整形光学系１３の後段には、整形された参照光を二次元変換光学系６から出射したプローブ光と合波させる合波装置１４が設けられている。

以下、上記の各構成部材の具体的な構成について説明する。
光源２としては、例えば超短パルス光レーザー発振器等が用いられる。本実施形態では、光源２の発する信号光は、中心波長８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の超短パルス光である。
照射光学系３は、光源２から入射した超短パルス光をポンプ光とプローブ光とに分岐させる第二ビームスプリッタ２１と、第二ビームスプリッタ２１とステージＳｔとの間でポンプ光に対して任意の時間遅延量をプローブ光に生じさせる時間遅延発生装置２２とを有している。第二ビームスプリッタ２１としては、例えばハーフミラーが用いられる。

この照明光学系３では、時間遅延発生装置２２によってポンプ光に対してプローブ光が遅延させられるので、ポンプ光によって試料が励起された後にプローブ光が試料に照射されて、励起された試料によってプローブ光が変調を受けるようになっている。
本実施形態では、時間遅延発生装置２２は、プローブ光を反射させるミラー２３と、ミラー２３を移動させるミラー駆動装置２４とを有しており、ミラー駆動装置２４によってミラー２３を移動させることで、プローブ光の光路長を変化させて、ポンプ光に対するプローブ光の時間遅延量を調整することができるようになっている。

また、この照射光学系３には、照射光学系３における上記各構成部材の配置に合わせて、これら構成部材にそれぞれ適切な光路長で超短パルス光やポンプ光、パルス光を導くミラー２６，２７，２８と、照射光学系３から第一ビーム整形光学系４までポンプ光及びパルス光を中継するミラー２９とが設けられている。

第一ビーム整形光学系４は、例えば、レンズ３１とレンズ３２とによって構成されるビームエキスパンダである。本実施形態では、レンズ３１の焦点距離は１０ｍｍ、レンズ３２の焦点距離は１００ｍｍとされている。すなわち、第一ビーム整形光学系４は、入射したプローブ光を約１０倍に拡大しかつコリメートして出射するようになっている。

回折格子５は、平板状のブラッグ型回折格子（透過型）であり、その法線Ｌ１が、照射光学系３の光軸ＡＸ１及び二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２に平行な平面上で光軸ＡＸ２に対して角度θをなすように配置されている。そして、この回折格子５には、傾斜方向に直交する格子溝が、傾斜方向に沿って等間隔にして複数本形成されている。
ここで、本実施の形態では、照射光学系３の光軸ＡＸ１と二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２とが直交させられている。以下の説明では、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２との交点を含みかつ光軸ＡＸ２に直交する面を仮想平面Ｆ１とし、仮想平面Ｆ１上で光軸ＡＸ１に平行となる方向をＸ軸とし、仮想平面Ｆ１上でＸ軸に直交する方向をＹ軸とし、光軸ＡＸ２と平行な方向をＺ軸とする。また、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２との交点を原点として、Ｘ軸及びＺ軸においてそれぞれプローブ光の進行方向を正方向とする。

本実施形態では、回折格子５は、仮想平面Ｆ１をＹ軸回りに４５°回転させた仮想平面Ｆ１ａ上に配置されている。すなわち、傾斜角度θは４５°である。また、回折格子５は、仮想平面Ｆ１ａに沿ったＸ軸方向の寸法が約１４．１４ｍｍ、Ｙ軸方向の寸法が約１０ｍｍで、照射光学系３から法線Ｌ１に対して入射角４５°で入射されるプローブ光の中心波長域の光線の回折方向が光軸ＡＸ２に略一致するよう、格子定数は１７６７本／ｍｍに設定されている。これにより、回折格子５には、第一ビーム整形光学系４から入射角４５°でプローブ光が入射されて、このプローブ光が、ＺＸ平面に平行な平面上で二次元変換光学系６側に向けて（Ｚ軸の正方向に向けて）、高効率で分散されるようになっている。

この回折格子５に入射したプローブ光（信号光）は、回折格子５への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置（Ｘ軸方向の位置）及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換される。言い換えれば、プローブ光は、光波の伝播方向と空間的な位相分布とが傾きを以って交差する回折光に変換される。

二次元変換光学系６は、Ｘ軸方向に正のパワーを有し前側焦平面が仮想平面Ｆ１上に位置する第一シリンドリカルレンズ３６（フーリエ変換光学系）と、第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦平面Ｆ２上に配置されるフィルタ３７（時間ー周波数変換フィルタ）と、Ｘ軸方向に正のパワーを有し前側焦平面がフィルタ３７上に位置する第二シリンドリカルレンズ３８（逆フーリエ変換光学系）とを有している。
本実施形態では、第一、第二シリンドリカルレンズ３６、３８は、それぞれ焦点距離ｆ＝１００ｍｍとされている。

第一シリンドリカルレンズ３６は、回折格子５によってＸ軸に平行な面上で分散された一次回折光をＺＸ平面に平行な平面上でコリメートして、後側焦平面Ｆ２上のフィルタ３７に入射させるものである。例えば、本実施形態では、一次回折光のうち、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの各波長域の光線は、第一シリンドリカルレンズ３６によって、図３に示すように、後側焦平面Ｆ２上の、Ｘ＝−１．２５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．２４ｍｍとなる位置にそれぞれ入射させられる。

フィルタ３７は、図４に示すように、Ｘ軸及びＹ軸に対してそれぞれ傾斜する向きに延びるスリット３７ａを有しており、これによって一次回折光から、Ｘ軸及びＹ軸に対してそれぞれ傾斜する向きに延びる帯状の領域を切り出すようになっている。このようにして切り出された光束には、Ｙ軸方向に沿って順次波長分布が生じている。

第二シリンドリカルレンズ３８は、フィルタ３７によって切り出された光束をＸ軸方向に収束させて、断面がＹ軸方向に延びる帯状の光束に変換して、二次元変換光学系６において仮想平面Ｆ１ａと共役となる共役面ＦＣ上に投影するものである。
ここで、図２に示すように、共役面ＦＣは、第二シリンドリカルレンズ３８の後側焦平面Ｆ３を、仮想平面Ｆ１に対する仮想平面Ｆ１ａの回転方向とは逆向きにしてＹ軸回りに角度θ回転させたものである。本実施形態では、共役面ＦＣの回転角度θは、４５°とされている。

回折格子５からは、Ｘ軸方向の入射位置に応じて異なる時間遅延をもって一次回折光が発せられているので、共役面ＦＣには、各一次回折光が、Ｘ軸方向の異なる位置に、それぞれ時間差をもって入射する。これにより、共役面ＦＣ上には、図５に示すような、Ｘ軸方向に時間の分布が生じ、Ｙ軸方向に波長分布が生じた擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。

リレー光学系１１は、後側焦平面Ｆ３上に前側焦点が位置する集光レンズ４１と、集光レンズ４１の後側焦点Ｒ１が前側焦点となるコリメートレンズ４２とを有する縮小光学系とされている。
本実施形態では、集光レンズ４１は、焦点距離ｆ_４１＝１００ｍｍの球面レンズであり、コレクタレンズ４２は焦点距離ｆ_４２＝４０ｍｍの球面レンズである。すなわち、リレー光学系１１の倍率Ｍは、０．４とされている。

撮像装置７としては、例えば受光素子を平面上マトリックス状に配置した構成の撮像面７ａを有するＣＣＤカメラ等が用いられる。この撮像装置７は、撮像面７ａが共役面ＦＣと共役な仮想平面Ｆ４ａ上に位置するようにして配置されている。ここで、仮想平面Ｆ４ａは、光軸ＡＸ２に対して垂直な仮想平面Ｆ４に対して、共役面ＦＣとは逆向きにしてＹ軸回りに角度φ回転させたものである。すなわち、ＺＸ平面上での光軸ＡＸ２に対する仮想平面Ｆ４ａの法線Ｌ２の傾斜角度はφである。

第一ビームスプリッタ１２は、例えばハーフミラーによって構成されるものである。
第二ビーム整形光学系１３は、例えば、レンズ４６とレンズ４７とによって構成されるビームエキスパンダである。また、第一ビームスプリッタ１２は、レンズ４７から出射された参照光を合波装置１４まで中継するミラー４８を有している。
本実施形態では、レンズ４６の焦点距離は１０ｍｍ、レンズ４７の焦点距離は１００ｍｍとされている。すなわち、第二ビーム整形光学系１３は、第一ビーム整形光学系４と同じく、入射したプローブ光を約１０倍に拡大しかつコリメートして出射するようになっている。

合波装置１４は、二次元変換光学系６と撮像装置７との間で、プローブ光の光路上にこの光路に対して傾斜させて設けられるハーフミラー５１を有している。
このハーフミラー５１には、第二ビーム整形光学系１３から、プローブ光の光路に対して傾斜する方向より参照光が入射されるようになっている。したがって、ハーフミラー５１は、プローブ光を通過させつつ、参照光をプローブ光と平行になるようにＺ軸の正方向に向けて反射して撮像装置７に入射させるようになっている。

本実施形態では、ハーフミラー５１は、リレー光学系１１の集光レンズ４１とコレクタレンズ４２との間に設けられている。そして、ハーフミラー５１と第二ビーム整形光学系１３との間には、コレクタレンズ４２とともに縮小光学系を構成する集光レンズ５２が設けられていて、参照光がプローブ光と同じ倍率で縮小されて撮像面７ａに照射されるようになっている。

このようにして擬似二次元スペクトログラムＳが投影される撮像面７ａ上に参照光が照射されることで、撮像面７ａには擬似二次元スペクトログラムＳと参照光との干渉縞パターンＰ１が生じる（図６参照）。この干渉縞パターンＰ１において各部の縞の有無や縞の周期（縞間の間隔）に基づいて、プローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。

この時間分解分光装置１において、共役面ＦＣ上の擬似二次元スペクトログラムＳを撮像面７ａ上に投影するために、リレー光学系１１及び撮像面７ａは、以下のように配置される。
図７に示すように、集光レンズ４１は、前側焦点が共役面ＦＣ上に位置するように配置され、コリメートレンズ４２は、前側焦点が集光レンズ４１の後側焦点Ｒ１と一致し、後側焦点が撮像面７ａ上に位置するように配置される。

この時間分解分光装置１においても、回折格子５が光軸ＡＸ２に対して傾斜していて共役面ＦＣも光軸ＡＸ２に対して傾斜しているので、共役面ＦＣと結像関係にある撮像面７ａは、この撮像面７ａを含む仮想平面Ｆ４ａと共役面ＦＣを含む仮想平面Ｆ３ａとの交線Ｕが、光軸ＡＸ２に直交し集光レンズ４１の後側焦点Ｒ１を通る基準平面ＦＳ上に位置するように配置される。言い換えれば、撮像面７ａは、共役面ＦＣを含む仮想平面Ｆ３ａと基準平面ＦＳとの交線Ｕを通りかつコリメートレンズ４２の後側焦点Ｒ２を通る仮想平面Ｆ４ａ上に位置している。

このことから、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φは、回折格子５の傾斜角度θだけでなく、コリメートレンズ４２の後側焦点Ｒ２の位置によっても異なり、コリメートレンズ４２の後側焦点Ｒ２が集光レンズ４１の後側焦点Ｒ１に近くなるほど、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φが小さくなる。
すなわち、リレー光学系１１の倍率が小さくなるほど、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φが小さくなる。

以下、上記した撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φとリレー光学系１１の倍率との関係を、数式を用いて説明する。
共役面ＦＣと撮像面７ａとはリレー光学系１１によって結像関係にあるので、共役面ＦＣを含む仮想平面Ｆ３ａと撮像面７ａを含む仮想平面Ｆ４ａとの交線Ｕは、ＺＸ平面上で基準平面ＦＳと集光レンズ４１の後側焦点Ｒ１とを結ぶ半直線ＵＲ１上に位置している。
このことから、次式（１）の関係が得られる。

ここで、式（１）において、ｆ_４１は集光レンズ４１の焦点距離であり、ｆ_４２はコレクタレンズ４２の焦点距離である。
そして、式（１）から次式（２）が得られる。

式（２）は、リレー光学系１１の倍率Ｍの定義（Ｍ＝ｆ_４２／ｆ_４１）から、次式（３）のように変形することができる。

式（３）より、リレー光学系１１の倍率Ｍの値に応じて共役面ＦＣの傾斜角度θと撮像面７ａの傾斜角度φとの大小関係が定まることが分かる。具体的には、Ｍ＞１のときはφ＞θとなり、Ｍ＜１のときはφ＜θとなる。
以上のことから、リレー光学系１１が縮小倍率を有する場合には、撮像面７ａの傾斜角度φが、共役面ＦＣの傾斜角度θに比べて小さくなる。

本実施形態では、リレー光学系１１の倍率が０．４、回折格子５の傾斜角度θが４５°とされているので、撮像面７ａの傾斜角度φは２１．８°となる。
ここで、リレー光学系１１の共役面ＦＣと撮像面７ａ間の倍率について説明する。図７に示すように共役面ＦＣ内でＺＸ平面と平行となる座標軸Ｘ_ＦＣを定義する。また、撮像面７ａ上でＺＸ平面と平行となる座標軸Ｘ_ｉを定義する。
リレー光学系１１において、Ｙ軸方向の倍率はリレー光学系１１の倍率Ｍと等しいが、Ｘ_ＦＣ軸とＸ_ｉ軸との間での倍率はＭｃｏｓθ／ｃｏｓφで与えられる。従って、共役面ＦＣ上に形成される擬似二次元スペクトログラムＳのＸ_ＦＣ軸方向の寸法αとＹ軸方向の寸法（図示せず）はそれぞれ１４．１４ｍｍ、１０ｍｍであり、撮像装置７の撮像面７ａ上に投影される擬似二次元スペクトログラムＳのＸ_ｉ軸方向の寸法βとＹ軸方向の寸法（図示せず）はそれぞれ４．３１ｍｍ、４．０ｍｍとなる。

以上述べたように、この時間分解分光装置１では、撮像面７ａの傾斜角度φを共役面ＦＣの傾斜角度θに比べて小さくすることができる。すなわち、回折格子５の傾斜角度を小さくせずに高い回折効率を保ったまま、光軸ＡＸ２に対して撮像面７ａの法線Ｌ２のなす角度φを小さくして、リレー光学系１１を通過した光束を、撮像面７ａの法線Ｌ２に対してより小さい角度で、撮像面７ａに入射させることができる。

通常のＣＣＤカメラでは、光線の入射角を２５°以下程度に抑えることができれば、シェーディング等による性能低下を十分に抑えることができる。本実施形態では、前記のように、回折格子５の傾斜角度θは４５°としながらも、撮像面７ａの傾斜各度φは２１．８°と、２５度以下に抑えることができるので、シェーディング等による撮像装置７の性能低下を十分に抑えることができる。
このように、この時間分解分光装置１では、撮像装置７による干渉縞パターンの撮影を良好に行うことができ、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。

［第二実施形態］
以下、本発明の第二実施形態について、図８及び図９を用いて説明する。
図８に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置６１は、第一実施形態に示した時間分解分光装置１において、第一ビーム整形光学系４及び二次変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系６４及び二次変換光学系６６を設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第一実施形態の時間分解分光装置１と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

第一ビーム整形光学系６４は、照射光学系３から入射するプローブ光を、回折格子５の傾斜方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる線状の断面の光束に整形するようになっている。
本実施形態では、第一ビーム整形光学系６４は、焦点距離１００ｍｍの球面レンズ７１と焦点距離５０ｍｍの球面レンズ７２とからなる、倍率０．５の縮小光学系を有している。そして、この縮小光学系と回折格子５との間には、Ｚ軸方向に正のパワーを有する第三シリンドリカルレンズ７３と、前側焦平面が第三シリンドリカルレンズ７３の後側焦平面上に位置する第四シリンドリカルレンズ７４とが設けられている。これら第三、第四シリンドリカルレンズ７３，７４は、倍率１０の拡大光学系を構成しており、プローブ光の幅（Ｚ軸方向の寸法）をＹ軸方向の寸法の１０倍に拡大している。

すなわち、第一ビーム整形光学系６４は、球面レンズ７１，７２によって一旦縮小されたプローブ光を第三、第四シリンドリカルレンズ７３，７４によって回折格子５の傾斜方向（Ｚ軸方向）にのみ拡大するので、プローブ光は、第一ビーム整形光学系６４に入射した時点よりもＹ軸方向の寸法が縮小された状態で、Ｚ軸方向の寸法のみが拡大される。
そして、このようにして回折格子５の傾斜方向に延びる線状の断面の光束に整形されたプローブ光は、回折格子５によって分散されて、各一次回折光の集合が、スペクトル分布の生じる方向（Ｘ軸方向）に延びる線状の断面の光束となる。

二次元変換光学系６６は、第一実施形態で示した二次元変換光学系６において、第一シリンドリカルレンズ３６の代わりに球面レンズ７６が設置され、フィルタ３７の代わりに第一回折格子アレイ７７が設置され、第二シリンドリカルレンズ３８の代わりに球面レンズ７８が設置されたことを主たる特徴とするものである。

球面レンズ７６は、回折格子５によってＸ軸に平行な面上で分散された一次回折光をコリメートして、後側焦平面Ｆ２上の第一回折格子アレイ７７に入射させるものである。

第一回折格子アレイ７７は、各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、ＹＺ平面上の異なる方向に分散させるようになっている。
具体的には、第一回折格子アレイ７７は、図９に示すように、格子溝がＹ軸方向に複数設けられかつそれぞれ格子定数が異なる複数の回折格子７７ａ，７７ｂ，７７ｃ，…を、Ｘ軸方向に沿って格子定数の大きさの順番に配列したものである。これにより、回折格子５によってＸ軸に沿ったスペクトル分布を有する各一次回折光は、それぞれ波長に応じて異なる格子定数の回折格子に入射して、それぞれＹＺ平面上の異なる方向に分散される。

例えば、一次回折光のうち中心波長８０５ｎｍの光線はＹＺ平面上でＺ軸に対して−７．１°方向に回折させられ、波長が短くなるほど回折角度がＹＺ平面上の正方向に移動し、中心波長８００ｎｍの光線はＹＺ平面上で０°方向に回折させられ（すなわち直進する）、中心波長７９５ｎｍの光線はＹＺ平面上でＺ軸に対して＋７．１°方向に回折させられる。

ここで、第一回折格子アレイ７７の波長成分の分解能は、回折格子の配列数を多くすることによって高められる。本実施形態では、各一次回折光の波長域は７９５ｎｍ〜８０５ｎｍであるので、第一回折格子アレイ７７は、対応する波長域が１ｎｍ刻みで異なる１０個の回折格子を配列している。

球面レンズ７８は、第一回折格子アレイ７７によって分散された光束を、その断面形状を維持したまま収束させて、二次元変換光学系６６において仮想平面Ｆ１ａと共役となる共役面ＦＣ上に投影するものである。これによって、共役面ＦＣ上には、プローブ光の擬似二次元スペクトログラムＳが結像される。
本実施形態では、球面レンズ７６，７８は、それぞれ焦点距離ｆ＝４０ｍｍとされている。また、共役面ＦＣ上に形成される擬似二次元スペクトログラムＳのＹ軸方向の寸法は１４．１４ｍｍ、ＺＸ平面に平行な方向の寸法は１０ｍｍである。

このように構成される時間分解分光装置６１では、フィルタ等によってプローブ光中の一部の光線をカットすることなしに、全ての光線を用いて擬似二次元スペクトログラムＳが形成されるので、プローブ光の利用効率が高く、プローブ光が弱い場合にも明瞭な干渉縞パターンを得ることができる。

ここで、本実施形態では、リレー光学系１１は、集光レンズ４１の焦点距離ｆ_４１が１００ｍｍ、コレクタレンズ４２の焦点距離ｆ_４２が２５ｍｍとされている。すなわち、リレー光学系１１の倍率は０．２５としている。このため、回折格子５の傾斜角度θが４５°であっても、前記式（３）より、撮像装置７の撮像面７ａの傾斜角度φは１４．０°となり、回折格子５の傾斜角度を小さくせずに高い回折効率を保ったまま、光軸ＡＸ２に対して撮像面７ａの法線Ｌ２のなす角度φを小さくして、リレー光学系１１を通過した光束を、撮像面７ａの法線に対してより小さい角度で、撮像面７ａに入射させることができる。
なお、本実施形態では、撮像装置７の撮像面７ａ上に投影される擬似二次元スペクトログラムＳのＸ_ＦＣ方向の寸法とＹ軸方向の寸法はそれぞれ２．５８ｍｍ、２．５ｍｍとなる。

［第三実施形態］
以下、本発明の第三実施形態について、図１０から図１３を用いて説明する。
図１０に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置８１は、第一実施形態に示した時間分解分光装置１において、共役面ＦＣ上に、第二回折格子アレイ８２を設置したことを主たる特徴とするものである。以下、第一実施形態の時間分解分光装置１と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

第二回折格子アレイ８２は、共役面ＦＣ全体を覆う大きさとされ、共役面ＦＣに入射したプローブ光（一次回折光）中の各波長成分をそれぞれ各波長成分間での撮像面７ａへの入射角度の差を小さくする向きに分散させる構成とされている。
具体的には、第二回折格子アレイ８２は、図１１に示すように、格子溝がＸ軸方向に複数設けられかつそれぞれ格子定数が異なる複数の回折格子８２ａ，８２ｂ，８２ｃ，…を、Ｙ軸方向に沿って格子定数の大きさの順番に配列した構成とされている。これにより、二次元変換光学系６から共役面ＦＣ上の第二回折格子アレイ８２に入射した各一次回折光は、各波長成分がそれぞれＺ軸にほぼ平行な光線に変換され、撮像面７ａに対してほぼ同じ入射角度で入射する。

以下、この時間分解分光装置８１におけるプローブ光の挙動について詳細に説明する。
図１０に示すように、回折格子５に入射したプローブ光は、回折格子５によって分散されることにより、その中心波長の光線の回折方向を中心として、ＺＸ平面上でＺ軸に対して所定の角度範囲で分散する。ここで、図１０では、プローブ光のうち最も波長の短い光線λ１を破線で示し、中心波長の光線λ２を実線で示し、最も波長の長い光線λ３を一点鎖線で示す。
本実施形態では、光線λ１の波長は７９５ｎｍ、光線λ２の波長は８００ｎｍ、光線λ３の波長は８０５ｎｍとされており、光線λ１及び光線λ３は、光線λ２に対して０．７°傾斜する方向に出射される。

これら光線λ１，λ３は、共役面ＦＣに対して光線λ２と同じ位置に入射するのであるが、これら光線λ１，λ３と光線λ２とがなす角度は、回折格子５から出射された時点と同じく、０．７°に保たれている。
ここで、前記の第一実施形態に係る時間分解分光装置１では、図１２に示すように、プローブ光が回折格子５によって分散されることによって得られた光線λ１〜λ３は、共役面ＦＣに入射した後は、そのままリレー光学系１１によって撮像装置７の撮像面７ａ上に送られる。
リレー光学系１１は横倍率が０．４倍であるので、共役面ＦＣと撮像面７ａ間の角倍率は２．５倍となり、撮像面７ａにおいてプローブ光の波長による角度分布は約±２°と、回折格子５による回折時や共役面ＦＣへの入射時における角度分布よりも広がる。この角度分布の増加は、リレー光学系１１の倍率が小さくなるにつれてさらに大きくなる。
このように、時間分解分光装置１では、プローブ光の各波長成分がそれぞれ異なる角度で撮像面７ａに入射するので、このプローブ光と参照光との干渉縞パターンＰ１は、図６に示すように、波長ごとに周期が異なるパターンとなる。

これに対して、本実施形態に係る時間分解分光装置８１では、図１０に示すように、共役面ＦＣに入射した光線λ１〜λ３は、共役面ＦＣ上に設置された第二回折格子アレイ８２によって、それぞれＺ軸方向に略平行となるように分散させられる。
これにより、時間分解分光装置８１では、二次元変換光学系６から共役面ＦＣに入射した各一次回折光は、各波長成分がそれぞれＺ軸にほぼ平行な光線に変換され、撮像面７ａに対してほぼ同じ入射角度で入射するので、図１３に示すように、プローブ光と参照光との干渉縞パターンＰ２は、波長による干渉縞の周期の差が少ないパターンとなる。
このため、本実施形態に係る時間分解分光装置８１では、干渉縞パターンの分析が容易となり、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。

なお、上記各実施形態では、リレー光学系を縮小光学系とした例を示したが、これに限られることなく、例えば、上記実施形態において、リレー光学系を縮小光学系とする代わりに、二次元変換光学系６を構成する第一、第二シリンドリカルレンズ３６，３８を縮小光学系としても、上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の第一シリンドリカルレンズの後側焦平面における回折光の分布の様子を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置のフィルタの形状を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置によって得られる擬似二次元スペクトル像を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置によって得られる擬似二次元スペクトル像と参照光との干渉縞パターンを示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置のリレー光学系の構成を示す平面図である。本発明の第二実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第二実施形態に係る時間分解分光装置の第一回折格子アレイの構成を示す斜視図である。本発明の第三実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す平面図である。本発明の第三実施形態に係る時間分解分光装置の第二回折格子アレイの構成を示す正面図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す平面図である。本発明の第三実施形態に係る時間分解分光装置によって得られる擬似二次元スペクトル像と参照光との干渉縞パターンを示す図である。

符号の説明

１，６１、８１時間分解分光装置
４，６４第一ビーム整形光学系
５回折格子
６，６６二次元変換光学系
７撮像装置
１１リレー光学系
４１集光レンズ
４２コリメートレンズ
７７第一回折格子アレイ（第一分散素子）
８２第二回折格子アレイ（第二分散素子）
ＦＣ共役面
Ｐ１，Ｐ２干渉縞パターン
Ｓ擬似二次元スペクトログラム

Claims

ビーム整形光学系によってコリメートされたプローブ光を回折格子に斜めに入射させて、該回折格子への入射位置に応じて、分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換し、これら各一次回折光を、二次元変換光学系によって該二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内でそれぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して、前記回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させ、撮像面が前記共役面と共役となるようにして配置された撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、
前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、
前記二次元変換光学系と前記撮像装置との間にリレー光学系が配置されており、
該リレー光学系が、前記二次元変換光学系を通過した光線を集光する集光レンズと、該集光レンズによって集光された光線を平行光に戻して前記共役面上の前記擬似二次元スペクトログラムを前記撮像面に投影するコリメートレンズとを有する縮小光学系からなる時間分解分光装置。
前記ビーム整形光学系が、前記プローブ光を、前記回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形し、
前記二次元変換光学系が、前記各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、前記二次元変換光学系の光軸と平行かつ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散させる第一回折格子アレイを有する請求項１記載の時間分解分光装置。
前記共役面上に、前記プローブ光中の各波長成分をそれぞれ該各波長成分間での前記撮像面への入射角度の差を小さくする向きに分散させる第二回折格子アレイが設けられている請求項１または請求項２に記載の時間分解分光装置。