JP2011007571A - 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 - Google Patents
多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011007571A JP2011007571A JP2009150148A JP2009150148A JP2011007571A JP 2011007571 A JP2011007571 A JP 2011007571A JP 2009150148 A JP2009150148 A JP 2009150148A JP 2009150148 A JP2009150148 A JP 2009150148A JP 2011007571 A JP2011007571 A JP 2011007571A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- interference signal
- light
- unit
- cavity
- reference light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
【解決手段】キャリアエンベロープオフセット(CEO)ロックされた光周波数コム光源から出力されるレーザ光を2つのレーザ光へ分岐する分岐部(120)と、分岐されたレーザ光のうち一方のレーザ光をプローブ光として測定対象物を設置するキャビティ(131)に入射してこのプローブ光の出力波形を抽出するプローブ光抽出部(130)と、分岐されたレーザ光のうち他方のレーザ光をリファレンス光として周波数をシフトし、この周波数をシフトしたリファレンス光を前記キャビティ(131)と同じ構成でかつ真空状態のキャビティ(142)に入射してリファレンス光の出力波形を抽出するリファレンス光抽出部(140)と、プローブ光とリファレンス光を干渉させる干渉信号導出部(150)と、前記干渉信号の光周波数コムのモード毎の光強度を導出する干渉信号調整部(160)とを設けた。
【選択図】 図1
Description
図6に示すような高反射率のミラーを2枚対向させたキャビティ内の一方からパルス光を入射すると、キャビティ内に入った光は、2枚のミラー間を少しずつその強度を減衰させながらキャビティ内の往復を繰り返す。このとき、光がミラーにより反射される際、その光の一部はミラーの外に漏れ出す。CRDS法は、この漏れ出た光の波形を計測することにより、高感度な吸収分光計測を実現する方法である。
ここで、キャビティ内に光を吸収する物質が存在していない、すなわち真空中の場合、ミラーから反射される際に漏れ出る光(以下、「漏れ光」という。)の強度波形は、
I(t)=I0exp(−t/τ0)
と、表される。ここで、I0は光の初期振幅、τ0はキャビティ内に閉じこめられた光の減衰寿命(以下、「リングダウンタイム」という。)である。
次に、キャビティ内に光を吸収する物質が、僅かにでも存在している場合、漏れ光の強度波形は、
I(t)=I0exp{−(1/τ0+σ*n*c)t}
と、表される。ここで、σはキャビティ内に存在する光の吸収物質の吸収断面積(または散乱断面積)、nはこの吸収物質の数密度、cは高速である。
これらの式から、吸収物質が存在する際のリングダウンタイムの逆数と真空中のリングダウンタイムの逆数との差、すなわち(σ*n*c)は、キャビティ内で光吸収した物質の濃度に比例する。したがって、測定対象物の濃度の定量化を実現することができる。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、物質固有の減衰係数による影響を軽減して計測精度を向上させた多波長同時吸収分光装置を提供することを目的とする。
なお、以下に説明する本発明の実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置は、本発明の実施の形態の一例であり、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではない。すなわち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。
本発明の第1の実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置は、光周波数コム安定化光源を用いてキャビティリングダウン分光法(CRDS法)によって精密分光測定を実現するものである。
図1に示すように、本実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置10は、光周波数コム光源部110と、分岐部120と、プローブ光抽出部130と、リファレンス光抽出部140と、干渉信号導出部150と、干渉信号調整部160とから構成されている。
例えば、CW(連続光)光源に位相変調と波長分散を与えてパルス列を発生するCEOロック光周波数コム安定化光源を用いることが望ましい(特許文献1参照)。
リファレンス光抽出部140は、分岐部120によって分岐されたレーザ光のうち、他方のレーザ光を周波数シフタ141によって周波数シフトし、この周波数シフトしたレーザ光をリファレンス光としてプローブ光抽出部130の光キャビティ131と同一の構成でかつ真空状態の光キャビティ141に入射し、リファレンス光の出力波形(リファレンス光の漏れ光の波形)を抽出する。
この干渉信号調整部160は、光強度調整部161と、干渉信号分光部162と、干渉信号強度検知部163とから構成されている。
干渉信号分光部162は、光強度調整部161によって光強度を調整された第1および第2の干渉信号について、光周波数コムのモード毎に分光する。
干渉信号強度検知部163は、干渉信号分光部162によって光周波数コムのモード毎に分光された第1および第2の干渉信号を、光周波数コムの同一モード毎に電気信号を検出してこの電気信号の差分を数値化する。
光周波数コム光源部110から出力されたレーザ光がそれぞれの光キャビティに入射されると、光キャビティからの漏れ光をプローブ光抽出部130とリファレンス光抽出部140は観測して、それぞれの波形を抽出する。これらの波形は、式(1)、式(2)によって表される。
すなわち、プローブ光抽出部130によって抽出される光キャビティ131からの漏れ光の波形は、以下のように式(1)で表される。
ここで、fsはプローブ光の周波数、φsは初期位相を示す。
ここで、frはリファレンス光の周波数、φrは初期位相を示す。
干渉信号導出部150によって再び2分岐されたレーザパルス、すなわち第1の干渉信号と第2の干渉信号は、それぞれ以下のように式(3),(4)と表される。
+E2exp(-t/2τ0)sin(2πfrt+φr+π/2) 式(3)
E1exp{-(1/2)(1/τ0+σ*n*c)t}sin(2πfst+φs+π/2)
+E2exp(-t/2τ0)sin(2πfrt+φr) 式(4)
また、式(3)で表される第1の干渉信号は、式(1)で表される漏れ光に、式(2)で表される漏れ光を干渉させたもの、式(4)で表される第2の干渉信号は、式(2)で表される漏れ光に、式(1)で表される漏れ光を干渉させたものと考えることができる。
干渉信号強度検知部162は、検出した第1および第2の干渉信号の光周波数コムの同一モード毎の電気信号の差分を導出して数値化する。この数値化された第1および第2の干渉信号の差分は、干渉信号の光強度Ibに比例し、式(5)のように表される。
従来のレーザ光源を用いた場合では、周波数シフト量fbの揺らぎなどの影響により、式(5)から導出される光強度Ibの精度にばらつきが生じてしまうが、本実施の形態においては、CEOロックされた光周波数コム光源を用いることによって、式(5)から高精度に光強度Ibを導出できる。
さらに、式(5)に示すように、光キャビティ内の光の減衰寿命を決定する物質固有の減衰係数である(σ*n*c)の値が、従来のCRDS法よりも1/2となっており、光キャビティ内の光の減衰時間を引き延ばしていることが分かる。
図2の(b)、(c)から明らかなように、(b)で示される測定結果の方が漏れ光の光強度の減衰時間を引き延ばしており、高感度な精密分光測定であることが分かる。
したがって、従来のCRDS法では測定感度が悪化してしまうような減衰係数の大きい、すなわち光キャビティ内の光の減衰寿命が短くなってしまう物質に対しても、減衰係数による測定感度への影響を軽減することができ、CEOロックされた光周波数コム光源を利用した多波長同時吸収分光による精密分光測定を可能にする。
図3は、本発明の第2実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置の構成を示す図である。本実施の多波長同時吸収分光装置は、第1の実施の形態において説明した多波長同時吸収分光装置10の干渉信号導出部および干渉信号調整部に遅延機構や光路切替機構などを含んだ光学構成を構成要素として加え、さらに、測定感度特性を向上させるために光学機構などを制御する機能を有するコンピュータを備えるものである。
図3に示すように、本実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置20は、CEOロックした光周波数コム光源部110と、分岐部120と、プローブ光抽出部130と、リファレンス光抽出部140と、干渉信号導出部250と、干渉信号調整部260とから構成されている。
また、干渉信号調整部260は、可変ND(Neutral Density)フィルタ261−1a,261−1bと光路切替機構261−2a,261−2b(例えば、フリッパー)と光検出器261−3とからなる光強度調整部261と、光バンドパスフィルタ262−1a,262−1bと光周波数コムモード分離部(光学素子と光検出器)262−2a,262−2bと電気信号バンドパスフィルタ262−3a,262−3bとからなる干渉信号分光部262と、コンピュータによって機能を実現する干渉信号強度検知部263とから構成される。
コンピュータ263は、光周波数コムモード分離部262−2a,262−2bの光検出器から、同一周波数の光周波数コムごとに電気信号の差分をとり、数値化する。
干渉信号のSNRを最大にするため、はじめに光路切替機構261−1a,261−2bを使用して、ビームスプリッタ254で2分岐したレーザ強度測定を行う。
その後、計測感度特性制御部263−2を使用して遅延機構251を自動調整して干渉信号解析部263−1で算出した信号を最大化する。
続いて、図3の光学構成の場合には可変NDフィルタ261−1a,261−1bを、図4の光学構成の場合には1/2波長板361−1a,361−1bを調整し、光検出器261−3で検出される強度比を均等に自動調整する。
図5は、本発明の第3の実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置の構成を示す図である。本実施の形態にかかる多波長同時吸収分光装置は、第2の実施の形態において説明した多波長同時吸収分光装置の構成において、レーザ光を合波して再分岐する手段に偏光ビームスプリッタを利用して干渉信号を導出することとしたものである。
コンピュータ263に入力された電気信号は2入力ポートの同一周波数の光周波数コムごとに電気信号の差分をとり、それを数値化する。
したがって、減衰時間を引き延ばし、かつ、SNRの向上による高感度な吸収分光による精密測定が実現できる。
Claims (5)
- キャリアエンベロープオフセット(CEO)ロックされた光周波数コム光源部と、
この光周波数コム光源から出力されるレーザ光を2つのレーザ光へ分岐する分岐部と、
この分岐部によって分岐されたレーザ光のうち一方のレーザ光をプローブ光として測定対象物を設置するキャビティに入射してこのプローブ光の出力波形を抽出するプローブ光抽出部と、
前記分岐部によって分岐されたレーザ光のうち他方のレーザ光をリファレンス光として周波数をシフトし、この周波数をシフトした前記リファレンス光を前記測定対象物を設置するキャビティと同じ構成でかつ真空状態のキャビティに入射して前記リファレンス光の出力波形を抽出するリファレンス光抽出部と、
前記プローブ光抽出部によって抽出されたプローブ光と前記リファレンス光抽出部によって抽出されたリファレンス光を干渉させる干渉信号導出部と、
この干渉信号導出部によって測定された干渉信号を分光して前記干渉信号の光周波数コムのモード毎の光強度を導出する干渉信号調整部と
を備えることを特徴とする多波長同時吸収分光装置。 - 請求項1に記載の多波長同時吸収分光装置において、
前記リファレンス光抽出部は、
前記リファレンス光を所定の周波数だけ位相変調することでリファレンス光における光周波数コムの各周波数を所定の周波数だけ周波数シフトする周波数シフタ部と、
前記プローブ光抽出部のキャビティと同一のキャビティリングタイムを持つキャビティ部と
を備えることを特徴とする多波長同時吸収分光装置。 - 請求項1に記載の多波長同時吸収分光装置において、
前記干渉信号導出部は、前記プローブ光抽出部によって出力されたプローブ光と前記リファレンス光抽出部によって出力されたリファレンス光を合波した後に、第1の干渉信号と第2の干渉信号とに再分岐することを特徴とする多波長同時吸収分光装置。 - 請求項3に記載の多波長同時吸収分光装置において、
前記干渉信号調整部は、
前記第1および第2の干渉信号を光周波数コムのモード毎に分光する干渉信号分光部と、
この干渉信号分光部によって光周波数コムのモード毎に分光された前記第1および第2の干渉信号同士の差分を検出する干渉信号強度検知部と
を備えることを特徴とする多波長同時吸収分光装置。 - キャリアエンベロープオフセット(CEO)ロックされた光周波数コム光源を使用した多波長同時吸収分光方法であって、
CEOロックされた光周波数コム光源から出力されるレーザ光を2つのレーザ光へ分岐する分岐ステップと、
この分岐ステップによって分岐されたレーザ光のうち一方のレーザ光をプローブ光として測定対象物を設置するキャビティに入射してプローブ光の出力波形を抽出するプローブ光抽出ステップと、
前記分岐ステップによって分岐されたレーザ光のうち他方のレーザ光をリファレンス光として周波数をシフトし、この周波数をシフトしたリファレンス光を前記測定対象物を設置するキャビティと同じ構成でかつ真空状態のキャビティに入射してリファレンス光の出力波形を抽出するリファレンス光抽出ステップと、
前記プローブ光抽出ステップによって抽出されたプローブ光と前記リファレンス光抽出ステップによって抽出されたリファレンス光とから干渉信号の波形を導出する干渉信号測定ステップと、
この干渉信号測定ステップによって測定された干渉信号の信号対雑音比を調整する干渉信号調整ステップと
を有することを特徴とする多波長同時吸収分光方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009150148A JP5475341B2 (ja) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009150148A JP5475341B2 (ja) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011007571A true JP2011007571A (ja) | 2011-01-13 |
JP5475341B2 JP5475341B2 (ja) | 2014-04-16 |
Family
ID=43564425
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009150148A Active JP5475341B2 (ja) | 2009-06-24 | 2009-06-24 | 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5475341B2 (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012099228A1 (en) | 2011-01-18 | 2012-07-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Signal processing circuit and ultrasonic diagnostic apparatus |
WO2015045266A1 (ja) * | 2013-09-24 | 2015-04-02 | 国立大学法人東京農工大学 | 測定装置 |
KR101632269B1 (ko) * | 2015-01-19 | 2016-06-21 | 한국표준과학연구원 | 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법 |
CN105842193A (zh) * | 2016-04-05 | 2016-08-10 | 上海理工大学 | 光梳自适应外腔增强光谱检测系统和方法 |
CN110411650A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-05 | 中国科学院微电子研究所 | 基于光频梳的真空测量方法及装置 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006138752A (ja) * | 2004-11-12 | 2006-06-01 | Picarro Inc | 高性能キャビティを使用する分光法において均一且つ安定な温度を維持する装置及び方法 |
JP2007513351A (ja) * | 2003-12-03 | 2007-05-24 | タイガー・オプティクス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー | キャビティリングダウン分光法を用いた微量ガスの分析装置及び分析方法 |
JP2008209342A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置及び干渉信号測定方法、可変波長光発生装置及び可変波長光発生方法並びに干渉信号測定装置及び干渉信号測定方法 |
WO2009000079A1 (en) * | 2007-06-26 | 2008-12-31 | Universite Laval | Referencing of the beating spectra of frequency combs |
JP2009025245A (ja) * | 2007-07-23 | 2009-02-05 | Optical Comb Inc | 光干渉観測装置 |
JP2009116242A (ja) * | 2007-11-09 | 2009-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光周波数コム安定化光源 |
-
2009
- 2009-06-24 JP JP2009150148A patent/JP5475341B2/ja active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007513351A (ja) * | 2003-12-03 | 2007-05-24 | タイガー・オプティクス・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー | キャビティリングダウン分光法を用いた微量ガスの分析装置及び分析方法 |
JP2006138752A (ja) * | 2004-11-12 | 2006-06-01 | Picarro Inc | 高性能キャビティを使用する分光法において均一且つ安定な温度を維持する装置及び方法 |
JP2008209342A (ja) * | 2007-02-28 | 2008-09-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | オプティカル・コヒーレンス・トモグラフィー装置及び干渉信号測定方法、可変波長光発生装置及び可変波長光発生方法並びに干渉信号測定装置及び干渉信号測定方法 |
WO2009000079A1 (en) * | 2007-06-26 | 2008-12-31 | Universite Laval | Referencing of the beating spectra of frequency combs |
JP2009025245A (ja) * | 2007-07-23 | 2009-02-05 | Optical Comb Inc | 光干渉観測装置 |
JP2009116242A (ja) * | 2007-11-09 | 2009-05-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光周波数コム安定化光源 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
JPN6014002187; M. J. THORPE and J. YE: '"Cavity-enhanced direct frequency comb spectroscopy"' Applied Physics B 第91巻、第3-4号, 200806, p.397-414, Springer-Verlag * |
JPN6014002189; Michael J. Thorpe, David Balslev-Clausen, Matthew S. Kirchner, and Jun Ye: '"Cavity-enhanced optical frequency comb spectroscopy: application to human breath analysis"' OPTICS EXPRESS 第16巻、第4号, 20080218, p.2387-2397, OSA * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012099228A1 (en) | 2011-01-18 | 2012-07-26 | Canon Kabushiki Kaisha | Signal processing circuit and ultrasonic diagnostic apparatus |
WO2015045266A1 (ja) * | 2013-09-24 | 2015-04-02 | 国立大学法人東京農工大学 | 測定装置 |
KR101632269B1 (ko) * | 2015-01-19 | 2016-06-21 | 한국표준과학연구원 | 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법 |
WO2016117796A3 (ko) * | 2015-01-19 | 2017-05-18 | 한국표준과학연구원 | 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 장치 및 광주파수 및 강도 변조 레이저 흡수 분광 방법 |
CN105842193A (zh) * | 2016-04-05 | 2016-08-10 | 上海理工大学 | 光梳自适应外腔增强光谱检测系统和方法 |
CN110411650A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-11-05 | 中国科学院微电子研究所 | 基于光频梳的真空测量方法及装置 |
CN110411650B (zh) * | 2019-07-31 | 2021-06-04 | 中国科学院微电子研究所 | 基于光频梳的真空测量方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP5475341B2 (ja) | 2014-04-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5647116B2 (ja) | 周波数コムを有する同期方式の干渉計 | |
US8693004B2 (en) | Dual-etalon cavity ring-down frequency-comb spectroscopy with broad band light source | |
Martin-Mateos et al. | Dual-comb architecture for fast spectroscopic measurements and spectral characterization | |
JP5250736B2 (ja) | 光周波数コムのビートスペクトルの基準付け | |
US9784673B2 (en) | Laser spectroscopic sensor using orbital angular momentum | |
JP3498141B2 (ja) | 光パルス評価方法、光パルス評価装置、及び光通信システム | |
JP6386655B2 (ja) | テラヘルツ波発生装置及びそれを用いた分光装置 | |
JP5475341B2 (ja) | 多波長同時吸収分光装置および多波長同時吸収分光方法 | |
CN113281278B (zh) | 一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置及测量方法 | |
JP6470343B2 (ja) | ポンプ・プローブ分光法におけるパルス管理装置 | |
CN104236725B (zh) | 一种精确测量激光波长的装置及方法 | |
US9304058B2 (en) | Measuring modal content of multi-moded fibers | |
Davis et al. | Experimental single-photon pulse characterization by electro-optic shearing interferometry | |
Urabe et al. | Multiheterodyne interference spectroscopy using a probing optical frequency comb and a reference single-frequency laser | |
CN214893682U (zh) | 一种快速超高分辨瞬态吸收光谱测量装置 | |
CN114739922A (zh) | 一种多光频梳动态光谱检测系统和方法 | |
Mazur et al. | Dual-comb swept wavelength interferometry | |
US20180003560A1 (en) | Methods and apparatus for multi-probe photonic time-stretch spectral measurements | |
Martín-Mateos et al. | Optical communication components characterization using electro-optic dual-combs | |
Long et al. | Direct frequency comb saturation spectroscopy with an ultradense tooth spacing of 100 Hz | |
Zhang et al. | Temporal focusing based ultrafast high-resolution spectroscopy | |
Ren et al. | Fast high-resolution spectral sensing with a single frequency comb | |
Roussel et al. | Extension of existing pulse analysis methods to high-repetition rate operation: Studies of the time-stretch strategy | |
JP2013160651A (ja) | ライン分光測定装置 | |
JP2010133859A (ja) | 電磁波処理装置及び電磁波処理方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20111108 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20111109 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20111109 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20130111 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20130312 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130513 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140204 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140206 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5475341 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |