JP2006038577A - 時間分解分光装置 - Google Patents
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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第一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変換して擬似ニ次元スペクトログラムＳを得る時間分解分光装置において、第一回折格子に対する共役面ＦＣ上に第一回折格子と同じ格子定数の第二回折格子８を設置し、この第二回折格子８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
【解決手段】 コリメートされたプローブ光を第一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変換して擬似ニ次元スペクトログラムＳを得る時間分解分光装置において、第一回折格子に対する共役面ＦＣ上に第一回折格子と同じ格子定数の第二回折格子８を設置し、この第二回折格子８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。
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。
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。
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。
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。
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第一回折格子に斜めに入射させて、該第一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、前記第一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、前記二次元光学系の光軸に対して、前記第一回折格子は傾斜させて配置されており、前記共役面上に、前記第一回折格子と格子定数の等しい第二回折格子が配置され、前記撮像装置が、前記第二回折格子によって分散された前記各一次回折光の光軸に対して、撮像面を前記第二回折格子と同一方向または逆方向に傾斜して配置され、該第二回折格子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、前記第二回折格子によって分散された前記各一次回折光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第一回折格子に斜めに入射させて、該第一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、前記第一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、前記二次元光学系の光軸に対して、前記第一回折格子は傾斜させて配置されており、前記共役面上に、前記第一回折格子と格子定数の等しい第二回折格子が配置され、前記撮像装置が、前記第二回折格子によって分散された前記各一次回折光の光軸に対して、撮像面を前記第二回折格子と同一方向または逆方向に傾斜して配置され、該第二回折格子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、前記第二回折格子によって分散された前記各一次回折光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、第二回折格子及びリレー光学系を経由して、撮像装置の撮像面に投影される。
第二回折格子は、第一回折格子と格子定数が等しい回折格子であるので、第二回折格子に入射した各一次回折光は、それぞれ、第一回折格子で分散されることによって生じた各波長成分ごとの回折角の差が打ち消されて、各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換される。
第二回折格子は、第一回折格子と格子定数が等しい回折格子であるので、第二回折格子に入射した各一次回折光は、それぞれ、第一回折格子で分散されることによって生じた各波長成分ごとの回折角の差が打ち消されて、各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換される。
一方、第一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。すなわち、共役面上に配置される第二回折格子は、光軸に対して第一回折格子とは逆向きに傾斜しているので、第二回折格子に入射した各一次回折光には、それぞれ第二回折格子への入射位置に応じて異なる時間遅延量が与えられる。
前記のように、第二回折格子は、光軸に対して第一回折格子とは逆向きに傾斜しているので、第一回折格子に分散されることによって各一次回折光間に生じていた時間遅延量の差が打ち消される。
前記のように、第二回折格子は、光軸に対して第一回折格子とは逆向きに傾斜しているので、第一回折格子に分散されることによって各一次回折光間に生じていた時間遅延量の差が打ち消される。
この時間遅延量の差のないコリメート光の集合では、第二回折格子と同じ向きまたは逆向きに傾斜する断面（以下参照断面とする）上に擬似二次元スペクトログラムが形成される。
このため、撮像装置によって擬似ニ次元スペクトログラムを撮影するためには、第二回折格子と撮像装置の撮像面との間で、各コリメート光間に光路差を生じさせる必要がある。言い換えれば、撮像装置は、撮像面が参照断面に対して共役となるように設置する必要がある。
本発明に係る時間分解分光装置では、撮像面がコリメート光の集合の光軸に対して傾斜するようにして撮像装置が配置されているので、各コリメート光間に光路差が生じて（撮像面が参照断面と共役となって）、撮像面上に擬似ニ次元スペクトログラムが投影される。
このため、撮像装置によって擬似ニ次元スペクトログラムを撮影するためには、第二回折格子と撮像装置の撮像面との間で、各コリメート光間に光路差を生じさせる必要がある。言い換えれば、撮像装置は、撮像面が参照断面に対して共役となるように設置する必要がある。
本発明に係る時間分解分光装置では、撮像面がコリメート光の集合の光軸に対して傾斜するようにして撮像装置が配置されているので、各コリメート光間に光路差が生じて（撮像面が参照断面と共役となって）、撮像面上に擬似ニ次元スペクトログラムが投影される。
ここで、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、前側焦点が参照断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。
集光レンズは、前側焦点が参照断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。
撮像面は、この撮像面を含む仮想平面と参照断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、参照断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、第一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。
このことから、光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度は、第一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。
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、第一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、第一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。
これにより、この時間分解分光装置では、第一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、第一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、時間分解分光装置では、プローブ光が一次回折格子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（一次回折光）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、前記のように、各一次回折光が、共役面に設置された第二回折格子によって各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換されるので、各波長成分間での撮像装置への入射角度の差が小さくなり、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、前記のように、各一次回折光が、共役面に設置された第二回折格子によって各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換されるので、各波長成分間での撮像装置への入射角度の差が小さくなり、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。
また、本発明に係る時間分解分光装置は、前記第一回折格子が前記ビーム整形光学系の前記プローブ光の出射方向から外れた位置に配置されており、前記ビーム整形光学系の前記プローブ光の出射方向に、該プローブ光を前記第一回折格子に向けて反射するハーフミラーが設けられており、前記二次元変換光学系が、正のパワーを有するレンズと、該レンズから出射された前記一次回折光を前記レンズに向けて反射するとともに該レンズの光軸に交差する仮想平面内で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する反射型二次元変換素子とを有しており、前記第一回折格子が、前記二次元変換光学系によって投影された前記一次回折光を分散させて前記ハーフミラーに向けて出射する前記第二回折格子を兼ねており、前記縮小光学系が、前記ハーフミラーを通過した前記一次回折光の光路上に配置されていてもよい。
この時間分解分光装置では、ビーム整形光学系から出射されたプローブ光のうち、ハーフミラーによって反射されて伝播方向を変えられた光線が第一回折格子に入射する。
第一回折格子に入射したプローブ光は、第一回折格子によって一次回折光に変換されて、二次元変換光学系に向けて出射され、二次元変換光学系のレンズによって整形されたのちに反射型二次元変換素子に入射する。ここで、反射型二次元変換素子としては、反射型フィルタや、反射型回折格子アレイ等が用いられる。
第一回折格子に入射したプローブ光は、第一回折格子によって一次回折光に変換されて、二次元変換光学系に向けて出射され、二次元変換光学系のレンズによって整形されたのちに反射型二次元変換素子に入射する。ここで、反射型二次元変換素子としては、反射型フィルタや、反射型回折格子アレイ等が用いられる。
反射型二次元変換素子に入射した一次回折光は、反射型二次元変換素子によってレンズの光軸に交差する仮想平面内でスペクトル分布が生じてい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されるとともに、レンズに向けて反射されて再びレンズによって整形される。
レンズによって再度整形された一次回折光は、第一回折格子によって再び分散されて、ハーフミラーに向けて出射され、この一次回折光のうち、ハーフミラーを通過して縮小光学系に到達した一次回折光によって、前記二次元スペクトログラムが形成される。
レンズによって再度整形された一次回折光は、第一回折格子によって再び分散されて、ハーフミラーに向けて出射され、この一次回折光のうち、ハーフミラーを通過して縮小光学系に到達した一次回折光によって、前記二次元スペクトログラムが形成される。
このように構成される時間分解分光装置によれば、二次元変換光学系が、反射型フィルタや、反射型回折格子アレイ等の反射型二次元変換素子を用いて一次回折光を分散させる構成とされていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べてレンズの数が半分ですむので、製造コストが低い。
また、二次元変換光学系内での一次回折光の光路が折り返されていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べて光路長を約半分に抑えることができるので、二次元変換光学系の全長が短く、時間分解分光装置が小型で済む。
さらに、第一回折格子が第二回折格子を兼ねているので、第一回折格子と第二回折格子とを個別に設けた場合に比べて製造コストが低い。
また、二次元変換光学系内での一次回折光の光路が折り返されていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べて光路長を約半分に抑えることができるので、二次元変換光学系の全長が短く、時間分解分光装置が小型で済む。
さらに、第一回折格子が第二回折格子を兼ねているので、第一回折格子と第二回折格子とを個別に設けた場合に比べて製造コストが低い。
また、本発明に係る時間分解分光装置は、前記反射型二次元変換素子が、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反射型回折格子アレイによって構成されており、前記二次元変換光学系では、前記レンズに対してその光軸から前記反射型回折格子アレイによる分散が生じる方向に沿って偏心した位置に前記一次回折光が入射されるようになっていてもよい。
このように構成される時間分解分光装置では、二次元変換光学系のレンズに対して、その光軸から反射型回折格子アレイによる分散が生じる方向に沿って偏心した位置に一次回折光が入射されるので、反射型回折格子アレイには、一次回折光が斜め方向から入射する。すなわち、一次回折光は、反射型回折格子アレイに対してある大きさの入射角をもって入射する。
これにより、反射型回折格子アレイに入射した一次回折光のうち、反射型回折格子アレイによって単に反射された反射光は入射角と同じ角度で反射され、反射型回折格子アレイによって分散された回折光は、各波長成分がそれぞれ入射角とは異なる回折角度で反射される。
これにより、反射型回折格子アレイに入射した一次回折光のうち、反射型回折格子アレイによって単に反射された反射光は入射角と同じ角度で反射され、反射型回折格子アレイによって分散された回折光は、各波長成分がそれぞれ入射角とは異なる回折角度で反射される。
すなわち、この時間分解分光装置によれば、反射型回折格子アレイによる反射光と回折光とは、反射型回折格子アレイの回折効率によって生じる角度差に加えて回折角度と反射角度との差を加えた角度差をもつ。
このため、反射型回折格子アレイの回折効率が低くても、反射光と回折光とを分離することが可能となって得られる干渉縞パターンのコントラストが高くなり、干渉縞パターンの分析が容易となる。
このため、反射型回折格子アレイの回折効率が低くても、反射光と回折光とを分離することが可能となって得られる干渉縞パターンのコントラストが高くなり、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。
［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第一回折格子５と、第一回折格子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第一回折格子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、共役面ＦＣ上に結像された擬似二次元スペクトログラムを撮影する撮像装置７とが設けられている。
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第一回折格子５と、第一回折格子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第一回折格子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、共役面ＦＣ上に結像された擬似二次元スペクトログラムを撮影する撮像装置７とが設けられている。
また、共役面ＦＣ上には、第一回折格子５と格子定数の等しい第二回折格子８が配置されている。すなわち、第二回折格子８は、二次元変換光学系６の光軸に対して傾斜していて、二次元変換光学系６の光軸とは交差する方向に一次回折光が分散されるようになっている。
撮像装置７は、第二回折格子によって分散された各一次回折光の光軸に対して、撮像面７ａを第二回折格子８と同一方向または逆方向に傾斜して配置されている。本実施形態では、撮像装置７は、撮像面７ａを第二回折格子８とは逆方向に傾斜して配置されている。
撮像装置７は、第二回折格子によって分散された各一次回折光の光軸に対して、撮像面７ａを第二回折格子８と同一方向または逆方向に傾斜して配置されている。本実施形態では、撮像装置７は、撮像面７ａを第二回折格子８とは逆方向に傾斜して配置されている。
これら第二回折格子８と撮像装置７との間には、第二回折格子８によって分散された各一次回折光と光軸を一致させて、リレー光学系１１が配置されている。
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。
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。
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。
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。
第一回折格子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、この第一回折格子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伝播方向を正方向とする。
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伝播方向を正方向とする。
本実施形態では、第一回折格子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、第一回折格子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、第一回折格子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。
この第一回折格子５に入射したプローブ光（信号光）は、第一回折格子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−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。
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、第一回折格子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。
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。
第一回折格子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。
第ニ回折格子８は、第一回折格子５と同じ格子定数の平板状のブラッグ型回折格子（透過型）であって、第二回折格子８は、共役面ＦＣ上に配置されている。すなわち、第二回折格子８の法線Ｌ２は、共役面ＦＣと同じく、二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２に対して、Ｙ軸回りに第一回折格子５とは逆向きにして角度θ傾斜している。この第ニ回折格子８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。
本実施形態では、第二回折格子８の傾斜角度θは４５°であるので、第ニ回折格子８には、二次元変換光学系６から入射角４５°で一次回折光が入射されて、この一次回折光が、ＺＸ平面に平行な平面上で光軸ＡＸ２に直交する方向（Ｘ軸の負方向）に向けて分散されるようになっている。
本実施形態では、第二回折格子８の傾斜角度θは４５°であるので、第ニ回折格子８には、二次元変換光学系６から入射角４５°で一次回折光が入射されて、この一次回折光が、ＺＸ平面に平行な平面上で光軸ＡＸ２に直交する方向（Ｘ軸の負方向）に向けて分散されるようになっている。
第二回折格子８は、第一回折格子５と格子定数が等しい回折格子であるので、第二回折格子８に入射した各一次回折光は、それぞれ、第一回折格子５で分散されることによって生じた各波長成分ごとの回折角の差が打ち消されて、各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換される。以下、このコリメート光の光軸をＡＸ３とする。本実施の形態では、前記のように、二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２とコリメート光の光軸ＡＸ３とは直交させられている。
一方、第一回折格子５が光軸ＡＸ２に対して傾斜しているため、共役面ＦＣも光軸ＡＸ２に対して傾斜している。すなわち、共役面ＦＣ上に配置される第二回折格子８は、光軸ＡＸ２に対して第一回折格子５とは逆向きに傾斜しているので、第二回折格子８に入射した各一次回折光には、それぞれ第二回折格子８への入射位置に応じて異なる時間遅延量が与えられる。
前記のように、第二回折格子８は、光軸ＡＸ２に対して第一回折格子５とは逆向きに傾斜しているので、第一回折格子５に分散されることによって各一次回折光間に生じていた時間遅延量の差が打ち消される。
この時間遅延量の差のないコリメート光の集合では、第二回折格子８と同じ向きまたは逆向きに傾斜する断面（以下参照断面ＦＲとする）上に擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。ここで、本実施形態では、参照断面ＦＲを、共役面ＦＣ上の断面としている。すなわち、光軸ＡＸ３に対する参照断面ＦＲの法線（第二回折格子８の法線Ｌ２に等しい）の傾斜角度をγとすると、傾斜角度γは、共役面ＦＣと同じく（π／２−θ）とされている。
前記のように、第二回折格子８は、光軸ＡＸ２に対して第一回折格子５とは逆向きに傾斜しているので、第一回折格子５に分散されることによって各一次回折光間に生じていた時間遅延量の差が打ち消される。
この時間遅延量の差のないコリメート光の集合では、第二回折格子８と同じ向きまたは逆向きに傾斜する断面（以下参照断面ＦＲとする）上に擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。ここで、本実施形態では、参照断面ＦＲを、共役面ＦＣ上の断面としている。すなわち、光軸ＡＸ３に対する参照断面ＦＲの法線（第二回折格子８の法線Ｌ２に等しい）の傾斜角度をγとすると、傾斜角度γは、共役面ＦＣと同じく（π／２−θ）とされている。
リレー光学系１１は、光軸がコリメート光の光軸ＡＸ３と一致させて配置されて仮想平面Ｆ３ａ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ｆ４１＝１００ｍｍの球面レンズであり、コレクタレンズ４２は焦点距離ｆ４２＝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。
本実施形態では、集光レンズ４１は、焦点距離ｆ４１＝１００ｍｍの球面レンズであり、コレクタレンズ４２は焦点距離ｆ４２＝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で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。
ここで、前記のように、第二回折格子８から出射されるコリメート光の集合では、光軸ＡＸ３に対して傾斜する参照断面ＦＲ上に擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。このため、撮像装置７は、第二回折格子８と撮像面７ａとの間で各コリメート光間に光路差を生じさせて撮像面７ａ上に擬似ニ次元スペクトログラムが投影されるように、光軸ＡＸ３に対して撮像面７ａを傾斜させて配置されている。言い換えれば、撮像装置７は、撮像面７ａが参照断面ＦＲ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。本実施形態では、参照断面ＦＲを共役面ＦＣ上の断面としているので、仮想平面Ｆ４ａは、光軸ＡＸ３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Ｌ３の傾斜角度はφである。
ここで、前記のように、第二回折格子８から出射されるコリメート光の集合では、光軸ＡＸ３に対して傾斜する参照断面ＦＲ上に擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。このため、撮像装置７は、第二回折格子８と撮像面７ａとの間で各コリメート光間に光路差を生じさせて撮像面７ａ上に擬似ニ次元スペクトログラムが投影されるように、光軸ＡＸ３に対して撮像面７ａを傾斜させて配置されている。言い換えれば、撮像装置７は、撮像面７ａが参照断面ＦＲ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。本実施形態では、参照断面ＦＲを共役面ＦＣ上の断面としているので、仮想平面Ｆ４ａは、光軸ＡＸ３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Ｌ３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４８，４９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。
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４８，４９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。
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Ｐが生じる（図６参照）。この干渉縞パターンＰ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、参照断面ＦＲ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、前側焦点が仮想平面Ｆ３ａ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、後側焦点が仮想平面Ｆ４上に位置するように配置される。
図７に示すように、集光レンズ４１は、前側焦点が仮想平面Ｆ３ａ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、後側焦点が仮想平面Ｆ４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、参照断面ＦＲが光軸ＡＸ３に対して傾斜しているので、参照断面ＦＲ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と参照断面ＦＲを含む仮想平面Ｆ３ａとの交線Ｕが、光軸ＡＸ３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、参照断面ＦＲ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ＡＸ３に対する撮像面７ａの法線Ｌ３の傾斜角度φは、参照断面ＦＲの傾斜角度γ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ＡＸ３に対する撮像面７ａの法線Ｌ３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ＡＸ３に対する撮像面７ａの法線Ｌ３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ＡＸ３に対する撮像面７ａの法線Ｌ３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Ｌ３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。
参照断面ＦＲ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、参照断面ＦＲ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。
参照断面ＦＲ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、参照断面ＦＲ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、ｆ４１は集光レンズ４１の焦点距離であり、ｆ４２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。
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＝ｆ４２／ｆ４１）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の値に応じて参照断面ＦＲの傾斜角度γ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＞γとなり、Ｍ＜１のときはφ＜γ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、参照断面ＦＲの傾斜角度γに比べて小さくなる。
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、参照断面ＦＲの傾斜角度γ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、参照断面ＦＲの傾斜角度γ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の参照断面ＦＲと撮像面７ａ間の倍率について説明する。図７に示すように参照断面ＦＲ内でＺＸ平面と平行となる座標軸ＸＦＲ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Ｘｉ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、ＸＦＲ軸とＸｉ軸との間での倍率はＭｃｏｓγ／ｃｏｓφで与えられる。従って、参照断面ＦＲ上に形成される擬似二次元スペクトログラムＳのＸＦＲ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Ｘｉ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。
ここで、リレー光学系１１の参照断面ＦＲと撮像面７ａ間の倍率について説明する。図７に示すように参照断面ＦＲ内でＺＸ平面と平行となる座標軸ＸＦＲ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Ｘｉ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、ＸＦＲ軸とＸｉ軸との間での倍率はＭｃｏｓγ／ｃｏｓφで与えられる。従って、参照断面ＦＲ上に形成される擬似二次元スペクトログラムＳのＸＦＲ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Ｘｉ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を参照断面ＦＲの傾斜角度γに比べて小さくすることができる。すなわち、第一回折格子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Ｌ３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Ｌ３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、第一回折格子５の傾斜角度θ及び参照断面ＦＲの傾斜角度γ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。
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。
また、本実施形態に係る時間分解分光装置１では、前記のように、各一次回折光が、共役面ＦＣに設置された第二回折格子８によって各波長成分の伝播方向が略平行となったコリメート光に変換されるので、各波長成分間での撮像装置７への入射角度の差が小さくなり、得られる干渉縞パターンＰ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。
［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及び二次元変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系６４及び二次元変換光学系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。
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及び二次元変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系６４及び二次元変換光学系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、第一回折格子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、この縮小光学系と第一回折格子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。
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、この縮小光学系と第一回折格子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によって第一回折格子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、このようにして第一回折格子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、第一回折格子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。
そして、このようにして第一回折格子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、第一回折格子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、第一回折格子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上の回折格子アレイ７７に入射させるものである。
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、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、第一回折格子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。
具体的には、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、第一回折格子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、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、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、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。
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ｆ４１が１００ｍｍ、コレクタレンズ４２の焦点距離ｆ４２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、第一回折格子５の傾斜角度θ及び参照断面ＦＲの傾斜角度γ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、第一回折格子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Ｌ３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ＸＦＣ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。
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ＸＦＣ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及び図１１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、第一ビーム整形光学系４及び二次元変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系８４及び二次元変換光学系８６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。
以下、本発明の第三実施形態について、図１０及び図１１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、第一ビーム整形光学系４及び二次元変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系８４及び二次元変換光学系８６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８４は、第一ビーム整形光学系４において、レンズ３１とレンズ３２の後段にレンズ８７とレンズ８８とが設置された構成のビームエキスパンダであって、本実施形態では、第一ビーム整形光学系８４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。また、本実施形態では、レンズ３２とレンズ８７との間にはミラー８９が設けられており、これによって、レンズ８７，８８の光軸が、レンズ３２の光軸に対して傾斜させられている。
本実施形態では、レンズ８７，８８の光軸を、光軸ＡＸ１とする。また、光軸ＡＸ１に沿った方向をＸ軸とし、プローブ光の伝播方向をＸ軸の正方向とする。
本実施形態では、レンズ８７，８８の光軸を、光軸ＡＸ１とする。また、光軸ＡＸ１に沿った方向をＸ軸とし、プローブ光の伝播方向をＸ軸の正方向とする。
光軸ＡＸ１上には、ハーフミラー９１が光軸ＡＸ１に対して傾斜させて設けられており、このハーフミラー９１によって、第一ビーム整形光学系８４から出射されたプローブ光が光軸ＡＸ１から外れた方向に反射されるようになっている。
本実施形態では、ハーフミラー９１によって反射されたプローブ光の光軸（以下光軸ＡＸ３とする）に沿った方向をＺ軸方向とし、このプローブ光の進行方向とは反対方向をＺ軸の正方向とする。また、Ｘ軸とＺ軸とは直交させられており、Ｘ軸及びＺ軸に対して直交する方向をＹ軸とする。
本実施形態では、ハーフミラー９１によって反射されたプローブ光の光軸（以下光軸ＡＸ３とする）に沿った方向をＺ軸方向とし、このプローブ光の進行方向とは反対方向をＺ軸の正方向とする。また、Ｘ軸とＺ軸とは直交させられており、Ｘ軸及びＺ軸に対して直交する方向をＹ軸とする。
ハーフミラー９１によって反射されたプローブ光の光軸ＡＸ３上には、この光軸ＡＸ３に対して角度θ傾斜させて、第一回折格子５が設置されており、この第一回折格子５によってプローブ光が分散されて二次元変換光学系８６に送り込まれる。
二次元変換光学系８６は、その光軸ＡＸ２が、光軸ＡＸ３に対して傾斜させて設けられている。ここで、本実施形態では、光軸ＡＸ２と光軸ＡＸ３との交点を含みかつ光軸ＡＸ２に直交する面を仮想平面Ｆ５とする。本実施形態では、第一回折格子５は、仮想平面Ｆ５をＹ軸回りに４５°回転させた仮想平面Ｆ５ａ上に配置されている。すなわち、傾斜角度θは４５°である。
二次元変換光学系８６は、その光軸ＡＸ２が、光軸ＡＸ３に対して傾斜させて設けられている。ここで、本実施形態では、光軸ＡＸ２と光軸ＡＸ３との交点を含みかつ光軸ＡＸ２に直交する面を仮想平面Ｆ５とする。本実施形態では、第一回折格子５は、仮想平面Ｆ５をＹ軸回りに４５°回転させた仮想平面Ｆ５ａ上に配置されている。すなわち、傾斜角度θは４５°である。
二次元変換光学系８６は、Ｚ軸方向に正のパワーを有し前側焦平面が仮想平面Ｆ５上に位置するシリンドリカルレンズ９６と、シリンドリカルレンズ９６の後側焦平面Ｆ２上に配置される反射型フィルタ９７（反射型二次元変換素子）とを有している。
ここで、シリンドリカルレンズ９６は、二次元変換光学系８６に入射した各一次回折光をそれぞれＺＸ平面に平行な平面上でコリメートして反射型フィルタ９７に入射させるフーリエ変換光学系を構成している。本実施形態では、シリンドリカルレンズ９６は、焦点距離ｆ＝１００ｍｍとされている。
ここで、シリンドリカルレンズ９６は、二次元変換光学系８６に入射した各一次回折光をそれぞれＺＸ平面に平行な平面上でコリメートして反射型フィルタ９７に入射させるフーリエ変換光学系を構成している。本実施形態では、シリンドリカルレンズ９６は、焦点距離ｆ＝１００ｍｍとされている。
反射フィルタ９７は、Ｙ軸及びＺ軸に対してそれぞれ傾斜する向きに延びる反射領域９７ａを有しており、これによって一次回折光から、Ｙ軸及びＺ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して反射するようになっている。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。
また、このシリンドリカルレンズ９６は、反射型フィルタ９７によって反射されて再びシリンドリカルレンズ９６に入射した各一次回折光を、それぞれＺ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９６において仮想平面Ｆ１ａと共役となる共役面ＦＣ上に投影する逆フーリエ変換光学系を構成している。
ここで、図１０に示すように、共役面ＦＣは、仮想平面Ｆ１ａ上に形成されている。
ここで、図１０に示すように、共役面ＦＣは、仮想平面Ｆ１ａ上に形成されている。
また、第一回折格子５は、二次元変換光学系９６から入射された各一次回折光を分散させてハーフミラー９１に向けて出射する第二回折格子を兼ねている。具体的には、第一回折格子５は、各一次回折光をそれぞれの各波長成分についてコリメートして、光軸ＡＸ３に沿って（Ｚ軸の正方向に）出射させるものである。
そして、光軸ＡＸ３上には、縮小光学系１１及び撮像装置７が、第一実施形態と同様の配置で設けられており、第一実施形態と同様にして、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Ｐの撮影が行われるようになっている。なお、本実施形態では、光軸ＡＸ３に対する参照断面ＦＲの法線の傾斜角度γは、共役面ＦＣの傾斜角度θと同一とされている。
そして、光軸ＡＸ３上には、縮小光学系１１及び撮像装置７が、第一実施形態と同様の配置で設けられており、第一実施形態と同様にして、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Ｐの撮影が行われるようになっている。なお、本実施形態では、光軸ＡＸ３に対する参照断面ＦＲの法線の傾斜角度γは、共役面ＦＣの傾斜角度θと同一とされている。
この時間分解分光装置８１によれば、二次元変換光学系８６が、反射型フィルタ９７を用いて一次回折光を分散させる構成とされていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べてシリンドリカルレンズ９６の設置数が半分ですむので、製造コストが低い。
また、二次元変換光学系８６内での一次回折光の光路が折り返されていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べて光路長を約半分に抑えることができるので、二次元変換光学系８６の全長が短く、時間分解分光装置８１が小型で済む。
さらに、第一回折格子５が第二回折格子を兼ねているので、第一回折格子５と第二回折格子とを個別に設けた場合に比べて製造コストが低い。
また、二次元変換光学系８６内での一次回折光の光路が折り返されていて、透過型二次元変換素子を用いた場合に比べて光路長を約半分に抑えることができるので、二次元変換光学系８６の全長が短く、時間分解分光装置８１が小型で済む。
さらに、第一回折格子５が第二回折格子を兼ねているので、第一回折格子５と第二回折格子とを個別に設けた場合に比べて製造コストが低い。
ここで、本実施形態では、一例として、上記の技術思想を第一実施形態に係る時間分解分光装置１に適用してなる時間分解分光装置８１を示したが、これに限られることなく、例えば第二実施形態に係る時間分解分光装置６６に適用してもよい。
以下、上記の技術思想を第二実施形態に係る時間分解分光装置６６に適用してなる時間分解分光装置１０１について、図１２及び図１３を用いて説明する。
以下、上記の技術思想を第二実施形態に係る時間分解分光装置６６に適用してなる時間分解分光装置１０１について、図１２及び図１３を用いて説明する。
時間分解分光装置１０１は、時間分解分光装置８１において、第一ビーム整形光学系８４の代わりに第一ビーム整形光学系１０４を用い、二次元変換光学系８６の代わりに二次元変換光学系１０６を用いたことを主たる特徴とするものである。
第一ビーム整形光学系１０４は、第一ビーム整形光学系８４において、レンズ８７，８８の代わりに、第二実施形態で用いたレンズ７１，７２，シリンドリカルレンズ７３，７４を、プローブ光の伝播方向に沿ってこの順番に設置したことを主たる特徴とするものである。
第一ビーム整形光学系１０４は、第一ビーム整形光学系８４において、レンズ８７，８８の代わりに、第二実施形態で用いたレンズ７１，７２，シリンドリカルレンズ７３，７４を、プローブ光の伝播方向に沿ってこの順番に設置したことを主たる特徴とするものである。
二次元変換光学系１０６は、二次元変換光学系８６において、シリンドリカルレンズ９６の代わりに、第一実施形態で用いた球面レンズ７６を用い、反射型フィルタ９７の代わりに、反射型回折格子アレイ１０７（反射型二次元変換素子）を用いたことを主たる特徴とするものである。
反射型回折格子アレイ１０７は、第二実施形態で示した回折格子アレイ７７を反射型の回折格子アレイにしたものである。
反射型回折格子アレイ１０７は、第二実施形態で示した回折格子アレイ７７を反射型の回折格子アレイにしたものである。
このように構成される時間分解分光装置１０１によれば、第二実施形態に示した時間分解分光装置６６と同じく、プローブ光は、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。
［第四実施形態］
以下、本発明の第四実施形態について、図１４を用いて説明する。
図１４に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置１１１は、第三実施形態に示した時間分解分光装置１０１において、例えば第一回折格子５へのプローブ光の入射位置を調整するなどして、二次元変換光学系１０６の球面レンズ７６に対してその光軸ＡＸ２から、反射型回折格子アレイ１０７による分散が生じる方向（Ｙ軸方向）に沿って距離Ｄだけ偏心した位置に一次回折光が入射されるように構成したものである。
以下、本発明の第四実施形態について、図１４を用いて説明する。
図１４に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置１１１は、第三実施形態に示した時間分解分光装置１０１において、例えば第一回折格子５へのプローブ光の入射位置を調整するなどして、二次元変換光学系１０６の球面レンズ７６に対してその光軸ＡＸ２から、反射型回折格子アレイ１０７による分散が生じる方向（Ｙ軸方向）に沿って距離Ｄだけ偏心した位置に一次回折光が入射されるように構成したものである。
このように構成される時間分解分光装置１１１では、反射型回折格子アレイ１０７には、一次回折光が斜め方向から入射する。すなわち、一次回折光は、反射型回折格子アレイ１０７に対してある大きさの入射角Ａをもって入射する。
これにより、反射型回折格子アレイ１０７に入射した一次回折光のうち、反射型回折格子アレイ１０７によって単に反射された反射光は入射角Ａと同じ角度Ａで反射されて、第一回折格子５において光軸ＡＸ２から距離Ｄ離間した位置に到達する。
一方、反射型回折格子アレイ１０７によって分散された回折光は、各波長成分（例えば図１４に示すλ１、λ２、λ３）がそれぞれ入射角Ａとは異なる回折角度で反射されて、第一回折格子５において反射光が入射する領域とは異なる領域に入射して、第一回折格子５によって分散されたのちに、縮小光学系１１を介して撮像装置７の撮像面７ａに入射する。
これにより、反射型回折格子アレイ１０７に入射した一次回折光のうち、反射型回折格子アレイ１０７によって単に反射された反射光は入射角Ａと同じ角度Ａで反射されて、第一回折格子５において光軸ＡＸ２から距離Ｄ離間した位置に到達する。
一方、反射型回折格子アレイ１０７によって分散された回折光は、各波長成分（例えば図１４に示すλ１、λ２、λ３）がそれぞれ入射角Ａとは異なる回折角度で反射されて、第一回折格子５において反射光が入射する領域とは異なる領域に入射して、第一回折格子５によって分散されたのちに、縮小光学系１１を介して撮像装置７の撮像面７ａに入射する。
すなわち、この時間分解分光装置１１１によれば、反射型回折格子アレイ１０７による反射光と回折光とは、反射型回折格子アレイ１０７の回折効率によって生じる角度差に加えてさらに回折角度と反射角度との差を加えた角度差をもって球面レンズ７６に入射する。
このため、反射型回折格子アレイ１０７の回折効率が低くても、反射光と回折光とを分離することが可能となって得られる干渉縞パターンＰのコントラストが高くなり、干渉縞パターンＰの分析が容易となる。
このため、反射型回折格子アレイ１０７の回折効率が低くても、反射光と回折光とを分離することが可能となって得られる干渉縞パターンＰのコントラストが高くなり、干渉縞パターンＰの分析が容易となる。
ここで、本実施形態では、上記技術思想を時間分解分光装置１１１に適用した例を示したが、これに限られることなく、例えば反射型フィルタ９７の代わりに反射型回折格子アレイ１０７を設けた時間分解分光装置８１に適用してもよい。
１，６１、８１、１０１，１１１ 時間分解分光装置
４，６４，８４，１０４ 第一ビーム整形光学系
５ 第一回折格子
６，６６，８６，１０６ 二次元変換光学系
７ 撮像装置
８ 第二回折格子
１１ リレー光学系
３７ フィルタ
４１ 集光レンズ
４２ コリメートレンズ
７６，９６ レンズ
７７ 回折格子アレイ
９１ ハーフミラー
９７ 反射型フィルタ（反射型二次元変換素子）
１０７ 反射型回折格子アレイ（反射型二次元変換素子）
ＦＣ 共役面
Ｐ 干渉縞パターン
Ｓ 擬似二次元スペクトログラム
４，６４，８４，１０４ 第一ビーム整形光学系
５ 第一回折格子
６，６６，８６，１０６ 二次元変換光学系
７ 撮像装置
８ 第二回折格子
１１ リレー光学系
３７ フィルタ
４１ 集光レンズ
４２ コリメートレンズ
７６，９６ レンズ
７７ 回折格子アレイ
９１ ハーフミラー
９７ 反射型フィルタ（反射型二次元変換素子）
１０７ 反射型回折格子アレイ（反射型二次元変換素子）
ＦＣ 共役面
Ｐ 干渉縞パターン
Ｓ 擬似二次元スペクトログラム
Claims (3)
- 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第一回折格子に斜めに入射させて、該第一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、前記第一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、
前記二次元光学系の光軸に対して、前記第一回折格子は傾斜させて配置されており、
前記共役面上に、前記第一回折格子と格子定数の等しい第二回折格子が配置され、
前記撮像装置が、前記第二回折格子によって分散された前記各第一回折光の光軸に対して、撮像面を前記第二回折格子と同一方向または逆方向に傾斜して配置され、
該第二回折格子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、前記第二回折格子によって分散された前記各一次回折光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。 - 前記第一回折格子が前記ビーム整形光学系の前記プローブ光の出射方向から外れた位置に配置されており、
前記ビーム整形光学系の前記プローブ光の出射方向に、該プローブ光を前記第一回折格子に向けて反射するハーフミラーが設けられており、
前記二次元変換光学系が、正のパワーを有するレンズと、
該レンズから出射された前記一次回折光を前記レンズに向けて反射するとともに該レンズの光軸に交差する仮想平面内で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する反射型二次元変換素子とを有しており、
前記第一回折格子が、前記二次元変換光学系によって投影された前記一次回折光を分散させて前記ハーフミラーに向けて出射する前記第二回折格子を兼ねており、
前記縮小光学系が、前記ハーフミラーを通過した前記一次回折光の光路上に配置されている請求項１記載の時間分解分光装置。 - 前記反射型二次元変換素子が、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反射型回折格子アレイによって構成されており、
前記二次元変換光学系では、前記レンズに対してその光軸から前記反射型回折格子アレイによる分散が生じる方向に沿って偏心した位置に前記一次回折光が入射されるようになっている請求項２記載の時間分解分光装置。
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