JP2013205390A - 吸収分光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速・高精度・高分解能な吸収分光計測装置を実現すること。
【解決手段】吸収分光計測装置は、ＳＣ光源１０、長尺光ファイバ２０、時間波形計測装置３０を有している。ＳＣ光源１０から出力されるＳＣ光（スーパーコンティニューム光）は、長尺光ファイバ２０に入力され、その波長分散によって時間幅が拡大されて出力される。そして、長尺光ファイバ２０から出力されたＳＣ光は試料４０に照射され、時間波形計測装置３０によって試料４０を透過したＳＣ光の時間波形が計測される。この時間波形とＳＣ光のスペクトルとの対応から、吸収分光計測を行う。ＳＣ光源１０には、パルス光からソリトンパルスを生成し、ソリトンパルスを非線形光学効果によってＳＣ光に変換して出力するものを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高速、広帯域、高感度、高分解能な吸収分光計測装置に関する。

吸光分光計測は、膜厚測定、プラズマモニター、濃度・成分測定などに重要な基本的計測技術である。これまで、吸光分光計測では、主に広帯域光源（スペクトル幅の広い光源）と、分光器とを用いている。また、波長可変光源と受光器を用いた計測も行われている。その方法では時間ドメインでのため高速で測定することができる。

他にも、パルス光を長尺な光ファイバに通し、光ファイバの分散特性によってパルス幅を拡大し、その光を試料に照射し、試料による吸収を受けた光の時間波形を計測することにより吸収分光計測を行う方法も知られている（非特許文献１〜３）。この方法は時間ドメインであるため高速に測定することができる。

また、他の技術として、波長帯域が数百ｎｍに及ぶ広帯域な光であるスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を生成する技術が知られている。そのスーパーコンティニューム光を生成する方法として、超短パルス光からソリトンパルスを生成し、ソリトンパルスを正常分散特性の高非線形光ファイバに導入することにより、ソリトンパルスをスーパーコンティニューム光に変換して生成する技術が知られている（特許文献１、２、非特許文献４〜６）。このような方法によって生成したスーパーコンティニューム光は、波長帯域および半値幅が数百ｎｍの非常に広帯域な光であり、また非常に平坦かつなめらかなスペクトル形状である。さらに雑音も低減され、微細構造も形成されていない。

非特許文献１〜３には、光源としてスーパーコンティニューム光を用いる旨の記載がある。しかし、そのスーパーコンティニューム光の生成方法は上記のようなソリトンパルスをスーパーコンティニューム光に変換する方法ではない。非特許文献１は時間幅の広いｎｓパルスとシングルモード光ファイバを用いてスーパーコンティニューム光を生成する方法であり、非特許文献３は、時間幅の広いｎｓパルスとフォトニック結晶ファイバを用いてスーパーコンティニューム光を生成する方法である。

特開２００８−２１６７１６号公報 特開２００９−１６９０４１号公報

C. F. Kaminski, R. S. Watt, A. D. Elder, J. H. Frank, J. Hult, Appl. Phy. B 92, 367-378(2008) S. T. Sanders, Appl. Phys. B 75, 799-802(2002) Y. Sych, R. Engelbrecht, B. Schmauss, D. Kozlov, T. Seeger, A. Leipertz, OPTICS EXPRESS No.22 Vol.18, 22762-22771(2010) J.Takayanagi, N. Nishizawa, Jpn. Appl. Phys., Vol.45, No.16, (2006), L441-L443 N. Nishizawa, J. Takayanagi, J. Opt. Soc. Am. B/Vol.24, No.8(2007) N. Nishizawa, Masaru Hori, Appl. Phys. Express 1 (2008) 022009

広帯域光源と分光器を用いた従来の吸光分光計測では、広帯域光源の単位スペクトル当たりの輝度が低く、感度が悪いため、測定に積算のための時間がかかった。また、高速・高感度な分光器も存在しなかった。さらに、分光器を用いると、測定波長範囲と分解能はトレードオフの関係にあるため、広い測定波長帯域と高い分解能とを両立させることはできなかった。また、波長可変光源と受光器を用いた従来の吸収分光計測では、波長可変光源のスペクトル幅よりも狭い吸収線を測定することができず、分解能の低さが問題である。

また、非特許文献１〜３に記載の吸収分光計測では、検出系の時間応答（時間分解能）は、周波数応答の逆数になる。たとえばデジタルオシロスコープの帯域が２０ＧＨｚならば、時間応答は５０ｐｓである。この時間応答よりも光のパルス幅が広いと、それは時間的なゆらぎの成分となる。したがって、検出系の時間応答が５０ｐｓである場合、スーパーコンティニューム光のパルス幅（時間幅）は５０ｐｓ以下である方が、より精度のよい計測を行うことができる。

しかし、非特許文献１では、ｎｓパルスを用いてスーパーコンティニューム光を生成しており、生成されるスーパーコンティニューム光のパルス幅は広い。そのため、上記のように時間的なゆらぎ成分が多く、測定誤差が大きくなってしまう。

また、非特許文献２では、超短パルスレーザーとゼロ分散波長がレーザー光の波長に近い高非線形ファイバを用いてスーパーコンティニューム光を生成しており、そのようなスーパーコンティニューム光は雑音が大きく、測定誤差が大きい。

また、非特許文献３では、波長１μｍの高出力短パルスから複数のソリトンの重ね合わせによってスーパーコンティニューム光を生成しており、その時間幅がかなり広がっている。したがって、時間的なゆらぎによって雑音が大きく、やはり測定誤差が大きい。

そこで本発明は、高速・高精度・高分解能・広帯域な吸収分光計測装置を実現することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、パルス光からソリトンパルスを生成し、ソリトンパルスを非線形光学効果によってスーパーコンティニューム光に変換して出力する光源と、光源からのスーパーコンティニューム光を入射させ、分散によりスーパーコンティニューム光のパルス幅を拡大させて出力する光ファイバと、光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光を試料に照射し、試料を透過した光の、あるいは試料によって反射された光の時間波形を測定する測定装置と、を有し、光源の出力するスーパーコンティニューム光の波長帯域は、光ファイバのゼロ分散波長以上の領域もしくはゼロ分散波長以下の領域にのみ存在する、ことを特徴とする吸収分光計測装置である。

光源におけるパルス光を生成する手段には、任意のレーザーを用いることができ、たとえばエルビウムドープファイバーレーザーやチタンサファイアレーザーなどを用いることができる。レーザーの波長、繰り返し周波数は任意であるが、パルス幅は１ｐｓ以下であることが望ましい。より望ましくは５００ｆｓ以下である。レーザーの波長により、光源の生成するスーパーコンティニューム光の波長帯域を制御することができる。また、光源におけるパルス光からソリトンパルスを生成する手段には、エルビウムなどの希土類元素ドープのファイバや、大口径フォトニック結晶ファイバなどを用いることができる。単一のパルスから単一のソリトンパルスを生成する手段であることが望ましい。また、光源におけるソリトンパルスからスーパーコンティニューム光を生成する手段には、高非線形ファイバなどを用いることができる。ソリトンパルスを生成する手段は、単一のパルスから単一のソリトンパルスを生成する手段であることが望ましく、スーパーコンティニューム光を生成する手段は、正常分散の特性を示す光ファイバによる非線形光学効果によって生成する手段であることが望ましい。より雑音の小さなスーパーコンティニューム光を生成することができ、より高精度な吸収分光計測が可能となる。

光源が出力するスーパーコンティニューム光の波長帯域幅は、１００ｎｍ以上であることが望ましい。広帯域に分光測定を行うことができる。より望ましくは２００〜２０００ｎｍである。また、時間幅は、測定装置の時間分解能以下であることが望ましい。スーパーコンティニューム光の時間的なゆらぎ成分が少なくなり、より高精度に吸収分光計測を行うことができる。

光ファイバは、分散の大きなものを用いることが望ましい。たとえばスーパーコンティニューム光の中心波長における分散が１７ｐｓ／（ｋｍ・ｎｍ）以上のものを用いることが望ましい。スーパーコンティニューム光のパルス幅を十分に拡大させるために必要な光ファイバの長さを短くすることができ、光ファイバによる光の損失を低減することができるからである。スーパーコンティニューム光のパルス幅は、なるべく広げた方が分解能の高い測定ができ望ましいが、広げすぎると前後のパルスと重なってしまう。そのため、パルスの繰り返し周波数の逆数以下のパルス幅とする必要がある。パルス幅は３０ｎｓ以上に拡大させることが望ましい。３０ｎｓよりも小さいと、分光測定において波長分解能が低くなって望ましくない。また、波長分解能向上のため、パルス幅は、３万倍以上に拡大させることが望ましい。

光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光の、パルス幅に対する波長帯域幅の比は、小さいほど波長分解能が高くなる。そのため、測定対象や測定装置の時間応答に応じて、パルス幅に対する波長帯域幅の比を設計する。具体的には、パルス幅に対する波長帯域幅の比を、測定装置の時間分解能に対する測定に必要な波長分解能の比以下の値に設計することで、高精度な吸収分光計測を行うことができる。測定に必要な波長分解能とは、たとえば試料の全体のスペクトル形状を測定したい場合には、各吸収スペクトルの間隔を分解できればよいので、吸収スペクトルの間隔が測定に必要な波長分解能である。また、吸収スペクトルの幅を測定したい場合には、その幅が測定に必要な波長分解能である。

光ファイバには、シングルモード光ファイバや分散シフトシングルモード光ファイバ、分散補償ファイバーなどを用いることができる。特に分散補償ファイバーは単位長さ当たりの分散量が大きく、短い長さで効率的にパルス幅を広げることができる。

スーパーコンティニューム光の波長帯域は、光ファイバのゼロ分散波長以上の領域もしくはゼロ分散波長以下の領域にのみ存在するようにする必要がある。ゼロ分散波長を含むと、ゼロ分散波長を中心として折り返しを生じ、スーパーコンティニューム光のスペクトルと時間波形とが１対１に対応しないため、分光計測の精度が悪化してしまうためである。スーパーコンティニューム光の波長帯域をこのような範囲とするためには、光源の生成するパルス光の波長などを制御することで波長帯域を制御する方法を用いてもよいし、光学フィルタによってゼロ分散波長よりも大きい波長、あるいは小さい波長をカットする方法を用いてもよい。

測定装置は、数パルス分の時間波形を計測して積算し平均化してもよい。積算することによりノイズの影響を低減することができ、より高精度・高分解能な吸収分光計測が可能である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、光源は、パルス光から単一のソリトンパルスを生成し、そのソリトンパルスを正常分散の特性を示す光ファイバにおける非線形効果によってスーパーコンティニューム光に変換する、ことを特徴とする吸収分光計測装置である。

請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、光ファイバから出力される前記スーパーコンティニューム光は、パルス幅に対する波長帯域幅の比が、測定装置の時間分解能に対する測定に必要な波長分解能の比以下であることを特徴とする吸収分光計測装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明において、光源の出力するスーパーコンティニューム光の時間幅は、測定装置の時間分解能以下である、ことを特徴とする吸収分光計測装置である。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載の発明において、光源は、パルス光を生成するファイバーレーザーと、パルス光を入射させ、ソリトンパルスを生成して出力する大口径フォトニック結晶ファイバと、ソリトンパルスを入射させ、ソリトンパルスをスーパーコンティニューム光に変換する高非線形ファイバと、を有することを特徴とする吸収分光計測装置である。

本発明によれば、スーパーコンティニューム光の時間波形の計測により吸収分光計測を行うため、高速に測定が可能である。また、ソリトンパルスを非線形光学効果によりスーパーコンティニューム光に変換したものを用いているため、時間波形の雑音によるゆらぎが少なく、高精度・高分解能な吸収分光計測を行うことができる。また、スーパーコンティニューム光を用いるため、広帯域な吸収分光計測が可能である。

本発明の吸収分光計測装置は、高精度・高分解能であるため、ガスなどの細い吸収線を有したスペクトルの測定に有効である。

実施例１の吸収分光計測装置の構成を示した図。 ＳＣ光源１０の出力するＳＣ光のスペクトルを示したグラフ。 ＳＣ光源１０の構成を示した図。 ＳＣ光の波長と時間との対応を示したグラフ。 長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光のスペクトルを示した図。 長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光の時間波形を示した図。 図６の時間波形の一部を拡大して示した図。 試料４０を透過したＳＣ光の時間波形の一部を拡大して示した図。 積算して平均化したＳＣ光の時間波形を示した図。 試料４０を透過したＳＣ光のスペクトルを光スペクトルアナライザによって測定した図。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１の吸収分光計測装置の構成を示した図である。実施例１の吸収分光計測装置は、ＳＣ光源１０と、長尺光ファイバ２０と、時間波形計測装置３０と、によって構成されている。また、図１には、各段階におけるスーパーコンティニューム光（ＳＣ光）の時間波形を上側に、スペクトルを下側に模式的に図示している。以下、装置の各構成について詳しく説明する。

［ＳＣ光源１０］
ＳＣ光源１０は、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を出力する光源である。ＳＣ光源１０が出力するＳＣ光のスペクトルは、図２に示すように、波長帯域が１３１０〜２０５０ｎｍまで広がり、半値幅がおよそ３５０ｎｍの広帯域な光である。一方、ＳＣ光の時間波形は、半値幅６．７ｐｓ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのパルス光である。なお、図２のスペクトルにおいて１８００〜１９５０ｎｍに吸収線が見られるが、これはＳＣ光源１０を構成するファイバに含まれる水によって吸収を受けたものと考えられる。

ＳＣ光源１０の出力するＳＣ光の波長帯域は上記範囲に限るものではないが、後述する理由により長尺光ファイバ２０の正常分散領域か異常分散領域の一方の領域にのみ、ＳＣ光の波長帯域が存在するようにする必要がある。そのような範囲であれば、波長帯域幅は任意である。ただし、波長帯域幅が広いほど広帯域に分光計測を行うことができ望ましく、１００ｎｍ以上の波長帯域幅であることが望ましい。より望ましくは２００〜２０００ｎｍである。また、時間幅は、時間波形計測装置３０の時間分解能以下とすることが望ましい。ＳＣ光の時間的なゆらぎ成分が少なくなり、より高精度に吸収分光計測を行うことができる。実施例１では、後述のように時間波形計測装置３０の時間分解能は５０ｐｓであり、ＳＣ光源１０の出力するＳＣ光の時間幅はこれよりも小さな６．７ｐｓとなっている。

図３は、ＳＣ光源１０の詳細な構成を示した図である。ＳＣ光源１０は、ファイバーレーザー１００と、大口径フォトニック結晶ファイバ１１０と、高非線形ファイバ１２０と、によって構成されている。ファイバーレーザー１００は、パルス幅１ｐｓ、パルスエネルギー１μＪ、繰り返し周波数２００ｋＨｚのパルス光を出力する。大口径フォトニック結晶ファイバ１１０は、ファイバーレーザー１００の出力するパルス光の単一のパルスを単一のソリトンパルスに変換する。大口径フォトニック結晶ファイバ１１０から出力された光はＬＰＦ（ローパスフィルタ）によって短波長側がカットされた後、正常分散の特性を示す高非線形ファイバ１２０に入力され、非線形光学効果によってソリトンパルスがＳＣ光に変換されて出力される。

なお、ファイバーレーザー１００には、ｐｓオーダー以下のパルス幅のパルス光を発生させる任意のレーザーを用いることができる。たとえば、リング型のエルビウムドープファイバーレーザーを用いることが可能である。レーザーの波長は任意であり、その波長によりＳＣ光源１０の出力するＳＣ光の波長帯域を設計することができる。パルス光のパルス幅は１ｐｓ以下が望ましく、５００ｆｓ以下がより望ましい。

また、ＳＣ光源１０ではソリトンパルスを生成する手段として大口径フォトニック結晶ファイバ１１０を用いたが、他の手段を用いてソリトンパルスを生成してもよい。たとえば、エルビウム等の希土類元素ドープのファイバーを用い、ＷＤＭ（波長分割多重装置）を用いて励起光を希土類元素ドープのファイバーに導入することで、ラマンソリトンパルスを生成する手段であってもよい。ソリトンパルスのパルス幅（半値幅）は５００ｆｓ以下が望ましく、２００ｆｓ以下がより望ましい。特に、パルス光の単一のパルスを単一のソリトンパルスに変換する手段であることが望ましい。

また、ＳＣ光源１０では、非線形光学効果によりソリトンパルスからＳＣ光を生成する手段として、高非線形ファイバ１２０を用いているが、非線形光学効果を生じさせるものであれば他の手段を用いてもよい。

［長尺光ファイバ２０］
長尺光ファイバ２０は、長さ１０ｋｍのシングルモード光ファイバであり、ゼロ分散波長は１３１０ｎｍである。長尺光ファイバ２０には、ＳＣ光源１０からのＳＣ光が入力され、分散によってＳＣ光のパルス幅（時間幅）が拡大されて出力される。長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光は、試料（ＣＨ₄ が封入されたガスセル）４０に照射される。

長尺光ファイバ２０には、通常のシングルモード光ファイバ以外にも、波長分散を有する任意の構造の光ファイバを用いることができる。たとえば、ゼロ分散波長が通常のシングルモード光ファイバとは異なる波長にシフトされた分散シフト・シングルモード光ファイバや、分散補償ファイバー（ＤＣＦ；Dispersion compensation fiber ）を用いることができる。特に、分散補償ファイバーは、単位長さ当たりの分散量が大きく、短いファイバーでも効率的にパルス幅を広げることができる。

長尺光ファイバ２０の長さは、実施例１では１０ｋｍとしたが、入力されるＳＣ光の時間幅を十分に拡大させる長さであればよい。長尺光ファイバ２０が長いほどＳＣ光の時間幅を拡大させることができ、分光測定の波長分解能を高くすることができるが、長すぎると長尺光ファイバ２０による光の損失が増大して望ましくない。

長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光の、パルス幅（時間幅）に対する波長帯域幅の比は、実施例１では５ｎｍ／ｎｓである。この比は小さいほど分光測定の波長分解能が高くなる。そこで、測定対象の測定に必要な波長分解能や時間波形計測装置３０の応答時間に応じて、パルス幅に対する波長帯域幅の比を設計する。この比は、長尺光ファイバ２０によってＳＣ光の時間幅をどれだけ拡大させるかを示す値でもある。

たとえば、ＣＨ₄ ガス全体の吸収スペクトル形状を計測したい場合、ＣＨ₄ ガスの吸収スペクトルの間隔は２ｎｍであるため、２ｎｍを分解できればよい。時間波形計測装置３０の応答時間（時間分解能）は後述のように５０ｐｓであるため、パルス幅に対する波長帯域幅の比は４０ｎｍ／ｎｓ以下にすればよい。したがって、長尺光ファイバ２０によってＳＣ光の時間幅を１２．５ｎｓ以上に拡大させればよい。

また、Ｈ₂ Ｏガス全体の吸収スペクトル形状を計測したい場合、Ｈ₂ Ｏガスの吸収スペクトルは多数あり、間隔が約０．１ｎｍである。そのため、０．１ｎｍを分解できればよい。この場合、パルス幅に対する波長帯域幅の比は２ｎｍ／ｎｓ以下とすればよい。したがって、長尺光ファイバ２０によってＳＣ光の時間幅を２５０ｎｓ以上に拡大させればよい。

また、ＣＨ₄ ガスの吸収スペクトルの幅を計測したい場合、吸収スペクトルの幅は３８ｐｍ程度であるため、パルス幅に対する波長帯域幅の比は０．７７ｎｍ／ｎｓ以下とする必要がある。したがって、長尺光ファイバ２０によってＳＣ光の時間幅を６５０ｎｓ以上に拡大させればよい。

このように、長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光のパルス幅（時間幅）に対する波長帯域幅の比は、時間波形計測装置３０の時間分解能に対する測定に必要な波長分解能の比以下の値に設計することで、精度のよい吸収分光計測を行うことが可能となる。

また、長尺光ファイバ２０には、分散が大きい特性を有したものを用いることが好ましい。光の時間幅を十分に拡大させるために必要な長尺光ファイバ２０の長さを短くすることができ、長尺光ファイバ２０による光の損失を減少させることができるためである。入射させるＳＣ光の中心波長における分散は１７ｐｓ／（ｋｍ・ｎｍ）以上のものを用いることが望ましい。

また、ＳＣ光源１０は出力するＳＣ光の波長帯域が１３１０ｎｍ以上であり、長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長１３１０ｎｍを含まない波長帯域となっている。つまり、ＳＣ光の波長帯域は、長尺光ファイバ２０の異常分散領域にのみ存在している。しかし、ＳＣ光源１０として長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長を含む波長帯域のＳＣ光を生成するものを用い、そのＳＣ光を光学フィルタに通すことで、ゼロ分散波長１３１０ｎｍより短波長側（あるいは長波長側）をカットすることで、ＳＣ光の波長帯域内に長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長が含まれないようにしてもよい。

逆に、ＳＣ光源１０は出力するＳＣ光の波長帯域を、長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長１３１０ｎｍ以下となるようにしてもよい。つまり、長尺光ファイバ２０の正常分散領域にのみ存在するようにしてもよい。

いずれにしろ、ＳＣ光の波長帯域は長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長を含む連続した帯域ではなく、長尺光ファイバ２０の正常分散領域か異常分散領域の一方にのみ存在している。ＳＣ光の波長帯域が長尺光ファイバ２０のゼロ分散波長を含む連続した帯域だと、図４（ａ）のように、ゼロ分散波長λ０を中心として折り返しが生じ、ＳＣ光のパルスの時間と波長とが１対１に対応せず、ＳＣ光のスペクトルと時間波形との対応が取れず分光測定することができない、あるいは測定精度を著しく低下させてしまう。一方、ＳＣ光の波長帯域が長尺光ファイバ２０の正常分散領域か異常分散領域の一方にのみ存在していると、図４（ｂ）、（ｃ）のように、ＳＣ光のパルスの時間と波長とが１対１に対応し、ＳＣ光のスペクトルと時間波形とを１対１に対応付けることができる。そのため、後述のようにＳＣ光の時間波形の測定により分光測定が可能となる。

［時間波形計測装置３０］
時間波形計測装置３０は、光の時間波形を測定する装置であり、光を受光して電気信号に変換するＰＩＮフォトダイオードと、ＰＩＮフォトダイオードによって変換された電気信号の時間波形を測定する高速オシロスコープで構成されている。この時間波形計測装置３０により、試料４０を透過した長尺光ファイバ２０からの光の時間波形を測定する。ＰＩＮフォトダイオードの帯域は４５ＧＨｚ（時間応答は約２２．２ｐｓ）であり、高速オシロスコープの帯域は２０ＧＨｚ（時間応答は５０ｐｓ）である。そのため、時間波形計測装置３０の時間応答は５０ｐｓである。

次に、実施例１の吸収分光計測装置を用いた吸収分光計測方法を説明する。

ＳＣ光源１０から出力されるＳＣ光は、長尺光ファイバ２０に入力され、その波長分散によってパルスの時間幅が拡大されて出力される。そして、長尺光ファイバ２０から出力されたＳＣ光は試料４０（ＣＨ₄ が封入されたガスセル）に照射され、時間波形計測装置３０によって試料４０を透過したＳＣ光の時間波形が計測される。この計測した時間波形とＳＣ光のスペクトルとの対応から、吸収分光計測を行う。

図５は、長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光のスペクトルを示した図であり、図６は、長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光の時間波形を示した図である。また、図７は、その時間波形の一部（図６の５〜２５ｎｓの範囲）を拡大した図である。

図５のように、長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光は、波長帯域が１３１０ｎｍから１８５０ｎｍで、半値幅がおよそ２５０ｎｍの広帯域な光であることがわかる。なお、図２と図５を比較すると、長尺光ファイバ２０に入力することで１８５０〜２０５０ｎｍの帯域の光強度が消滅しているが、これは長尺光ファイバ２０に含まれる水によって吸収されてしまったためと考えられる。

また、図６のように、長尺光ファイバ２０から出力されるＳＣ光の時間波形は、パルスの中心を０ｎｓとして、−２５〜４０ｎｓに広がっており、時間幅（半値幅）はおよそ４０ｎｓである。この時間波形において、時間の小さい側はＳＣ光の短波長側に対応し、時間の大きい側は長波長側に対応している。ＳＣ光の波長帯域が長尺光ファイバ２０の異常分散領域にあるので（図４（ｂ）参照）、波長が長いほど群速度が遅くなり、到達時間が遅れ、波長が短いほど群速度が速くなり、到達時間が速くなるためである。また、時間波形の時間と、ＳＣ光の波長とは１対１に対応している。したがって、時間波形計測装置３０において測定したＳＣ光の時間波形から、ＳＣ光のスペクトルを測定することができる。

図８は、時間波形計測装置３０によって測定したＳＣ光の時間波形の一部（図７と同一の範囲）を拡大して示した図である。図８は１パルス分の測定であり、測定時間は５μｓである。また、図９は、測定を１６回繰り返して積算し平均化したＳＣ光の時間波形の一部（図７と同一の範囲）である。この図８に示した時間波形の５〜２５ｎｓの範囲は、ＳＣ光の波長にして１６２０〜１７２０ｎｍの範囲である。

試料４０による吸収を受ける前のＳＣ光の時間波形（図７）と、試料４０による吸収を受けたＳＣ光の時間波形（図８、９）とを比較すると、図８、９には、試料４０（ＣＨ₄ ガス）による吸収によって、図８、９のＡの範囲に複数の細い吸収線が見られることがわかる。また、図９のように、測定を複数回繰り返して平均化することで、吸収線をより明確に測定することができることがわかる。

比較のため、試料４０を透過したＳＣ光のスペクトルを光スペクトルアナライザによって測定した。測定時間は５ｓである。図１０は、そのスペクトルを示した図である。図１０のように、試料４０による非常に細い吸収線が複数見られることがわかる。また、図１０のスペクトルには、１６６５ｎｍに大きな吸収が見られるが、この吸収は図９のＢの吸収に対応している。また、図１０における１６６５ｎｍの吸収の左側１６３０〜１６５０ｎｍの帯域に見られる複数の細い吸収線は、図、８、９のＡの範囲に見られる複数の細い吸収線に対応している。図１０と図８、９とを比較すると、実施例１による時間波形の計測による吸収分光計測であっても、光スペクトルアナライザによる測定に見られる試料４０の大きな吸収だけでなく、細い吸収線も測定できていることが確認できる。

また、長尺光ファイバ２０の長さを１０ｋｍから６ｋｍ、１６ｋｍに替えて測定を行ったところ、長くなるほど分散によりＳＣ光の時間幅が広がり、逆に光の損失は長くなるほど大きくなることが確認できた。この両者の兼ね合いから、１０ｋｍとすることが最もよい測定結果を得ることができた。

実施例１の吸収分光計測装置による分光測定の波長分解能は、時間波形計測装置３０の時間分解能と、照射するＳＣ光の時間幅（長尺光ファイバ２０によりＳＣ光の時間幅をどれだけ拡張したか）に依存する。時間波形計測装置３０では、ＰＩＮフォトダイオードの帯域が４５ＧＨｚであり、高速オシロスコープの帯域が２０ＧＨｚであるため、時間分解能は５０ｐｓである。また、ＳＣ光の時間幅がおよそ５５ｎｓであるのに対し、波長帯域幅はおよそ５００ｎｍである。したがって、実施例１の吸収分光計測装置による分光測定では、４５０ｐｍ程度の波長分解能が得られる。これは、分光器を用いた分光測定の波長分解能と同等またはそれ以上のオーダーであり、実施例１の吸収分光計測装置は高い波長分解能で分光測定可能であることがわかる。

また、パルス間隔は５μｓであるから、１回当たりの測定時間は５μｓであり、光スペクトルアナライザを用いた場合の測定時間は５ｓである。したがって、実施例１の吸収分光計測装置による分光測定は、光スペクトルアナライザによる測定の百万分の１の時間で測定することが可能である。

また、ＳＣ光として、ソリトンパルスを非線形光学効果により変換して生成したものを用いているため、雑音によるゆらぎが少なく、高精度に分光測定を行うことができる。また、波長帯域の広いＳＣ光を用いるため、広帯域に分光測定を行うことができる。

以上のように、実施例１の吸収分光計測装置を用いると、高速・高精度・高分解能・広帯域な分光測定を行うことができる。

なお、実施例１では試料４０の透過光の吸収分光計測を行っているが、試料４０による反射光の吸収分光計測を行うことも可能である。

また、本明細書中におけるパルス幅（時間幅）や波長帯域幅は、いずれも半値幅を示すものである。

本発明によると、高速で高分解能な吸収分光計測を行うことができるので、ガスなどの細い吸収線を有した吸収スペクトルを測定するのに有効である。たとえば、ガソリンの燃焼室内の気体成分などの時間変化を計測することができる。

１０：ＳＣ光源
２０：長尺光ファイバ
３０：時間波形計測装置
４０：試料
１００：ファイバーレーザー
１１０：大口径フォトニック結晶ファイバ
１２０：高非線形ファイバ

Claims (5)

1. パルス光からソリトンパルスを生成し、ソリトンパルスを非線形光学効果によってスーパーコンティニューム光に変換して出力する光源と、
   前記光源からのスーパーコンティニューム光を入射させ、分散によりスーパーコンティニューム光のパルス幅を拡大させて出力する光ファイバと、
   前記光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光を試料に照射し、前記試料を透過した光の、あるいは前記試料によって反射された光の時間波形を測定する測定装置と、
   を有し、
   前記光源の出力するスーパーコンティニューム光の波長帯域は、前記光ファイバのゼロ分散波長以上の領域もしくはゼロ分散波長以下の領域にのみ存在する、
   ことを特徴とする吸収分光計測装置。
2. 前記光源は、パルス光から単一のソリトンパルスを生成し、そのソリトンパルスを正常分散の特性を示す光ファイバにおける非線形効果によってスーパーコンティニューム光に変換する、ことを特徴とする請求項１に記載の吸収分光計測装置。
3. 前記光ファイバから出力される前記スーパーコンティニューム光は、パルス幅に対する波長帯域幅の比が、前記測定装置の時間分解能に対する測定に必要な波長分解能の比以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吸収分光計測装置。
4. 前記光源の出力するスーパーコンティニューム光の時間幅は、前記測定装置の時間分解能以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の吸収分光計測装置。
5. 前記光源は、
   パルス光を生成するファイバーレーザーと、
   前記パルス光を入射させ、ソリトンパルスを生成して出力する大口径フォトニック結晶ファイバと、
   前記ソリトンパルスを入射させ、前記ソリトンパルスをスーパーコンティニューム光に変換する高非線形ファイバと、
   を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の吸収分光計測装置。

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