JP2014238308A

JP2014238308A - 分光装置、検出装置、光源装置、反応装置及び測定装置

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Publication number: JP2014238308A
Application number: JP2013120520A
Authority: JP
Inventors: 隆助川; Takashi Sukegawa; 小林　洋平; Yohei Kobayashi; 洋平小林; 陽小澤; Akira Ozawa; 護遠藤; Mamoru Endo; 五神　真; Makoto Ikami; 真五神
Original assignee: Canon Inc; University of Tokyo NUC
Current assignee: Canon Inc; University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2033-06-07
Also published as: US20140363338A1; EP2829855A1; US9594253B2; JP6192006B2

Abstract

【課題】分光装置の小型化、高分解能化及び高効率化を実現するのに有利な技術を提供する。
【解決手段】所定の波長を含む光を分光する分光装置であって、前記光が入射するスリット１１０と、前記スリットからの光をコリメートする第１光学系１２０と、前記第１光学系からの光を回折する透過型回折素子１３０と、前記透過型回折素子で回折された光を反射する第１ミラーと、前記第１ミラーで反射され、前記透過型回折素子で回折された光を反射する第２ミラーとを含み、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間において前記透過型回折素子を介して光を往復させるように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、分光装置、検出装置、光源装置、反応装置及び測定装置に関する。

分光装置の性能は波長分解能（λ／Δλ）の大きさで代表され、特に高分解能分光装置では、１０万を超える分解能が求められている。回折素子（回折格子）を用いた分光装置の理論的な限界分解能は、各波長の光にどれだけの光路差をつけられるかで一意的に決まる。従って、分光装置において、高い分解能を実現するためには、大型の回折素子が必要となる。例えば、現在では、高繰り返しフェムト秒レーザや高出力チタンサファイヤフェムト秒レーザの発展に伴い、１５０ｍｍを越える大型、且つ、高効率の透過型回折素子が入手可能である。但し、分光装置の実際の分解能は、分光装置の入射サイズ、結像倍率、光学収差、検出器の分解能にも制約され、また、回折素子を大型化すると収差も生じやすくなるため、回折素子の単純な大型化によって高い分解能を実現することは難しい。このような分光装置に関する技術については、従来から幾つか提案されている（特許文献１乃至５参照）。

一方、近年では、時間的に等間隔な光パルス列を出力する光コム光源が注目されている。これらのパルスは、高い位相関係を有し、互いに干渉するため、そのスペクトルは、正確に一定周波数ずつ離れている光が等間隔で配列された櫛状（コム）の構造を有する。このような櫛状のスペクトル構造は、一般に、縦モードと呼ばれている。縦モードは僅かに波長が異なるため、空間的に縦モードを分離するためには、分光装置を用いればよい。

特開２００９−１２１９８６号公報特開２００６−１６２５０９号公報特開平１−２９２２２１号公報特開２０１１−２５７１４０号公報特開昭５９−１６５０１７号公報

しかしながら、縦モードを実際に分離するためには、非常に高い分解能を有する分光装置が必要となり、また、分離した縦モードを更に光源として使用可能とする分光装置を実現することは極めて困難である。例えば、一般的に入手可能な光コム光源の縦モード間隔は、光周波数で１ＧＨｚ程度であり、このような光コム光源の縦モードを分離するためには、光周波数が３００ＴＨｚであることから、少なくとも３０万を越える分解能の分光装置が必要となる。かかる分解能を実現するためには、３００ｍｍを越える反射型回折素子を用いて分光装置を構成しなければならないため、分光装置の大型化を招くことなる。

一方、縦モードを分離する（取り出す）ことが可能となれば、連続波光源や任意の波形の光を生成可能な光源を実現することができる。従って、分光装置の絶対効率（分光装置へのインプット（入射光の光量）とアウトプット（所定の分解能で分光された光の光量）との比）が非常に重要となる。但し、従来の分光装置において、一般的に検出精度の観点から信号とノイズの比率改善を重視され、出力の絶対値が重視されることは稀であり、分光装置の絶対効率を向上させるための技術（構成など）はあまり知られていない。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、分光装置の小型化、高分解能化及び高効率化を実現するのに有利な技術を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての分光装置は、所定の波長を含む光を分光する分光装置であって、前記光が入射するスリットと、前記スリットからの光をコリメートする第１光学系と、前記第１光学系からの光を回折する透過型回折素子と、前記透過型回折素子で回折された光を反射する第１ミラーと、前記第１ミラーで反射され、前記透過型回折素子で回折された光を反射する第２ミラーとを含み、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間において前記透過型回折素子を介して光を往復させる第２光学系と、を有し、前記透過型回折素子に入射する光の入射角度と前記透過型回折素子から射出する光の射出角度とが等しくなるように、前記第１光学系と前記透過型回折素子が配置され、前記透過型回折素子で回折されて前記第１ミラーに向かう光の光路と、前記第１ミラーで反射されて前記透過型回折素子に向かう光の光路とが、１つの第１平面に存在し、且つ、前記第１平面内で互いに重なり合わないように、前記第１ミラーが配置され、前記透過型回折素子で回折されて前記第２ミラーに向かう光の光路と、前記第２ミラーで反射されて前記透過型回折素子に向かう光の光路とが、１つの第２平面に存在し、且つ、前記第２平面内で互いに重なり合わないように、前記第２ミラーが配置されていることを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、分光装置の小型化、高分解能化及び高効率化を実現するのに有利な技術を提供することができる。

本発明の一側面としての検出装置の構成を示す概略図である。図１に示す検出装置の第１ミラーと第２ミラーとの間を往復する光の光路を説明するための図である。図１に示す検出装置の第１ミラーと第２ミラーとの間を往復する光の光路を説明するための図である。図１に示す検出装置の透過型回折素子をリトロー配置とする必要性や利点を説明するための図である。図１に示す検出装置で検出されるフリンジの一例を示す図である。図１に示す検出装置における透過型回折素子での回折回数と分解能との関係を示す図である。本発明の一側面としての光源装置の構成を示す概略図である。本発明の一側面としての光源装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一側面としての検出装置１００の構成を示す概略図である。検出装置１００は、スリット１１０と、第１光学系１２０と、透過型回折素子１３０と、第２光学系１４０と、結像光学系１５０と、検出器１６０とを有する。検出装置１００において、スリット１１０、第１光学系１２０、透過型回折素子１３０及び第２光学系１４０は、後述するように、検出対象である光源から射出される所定の波長を含む光を分光する分光装置を構成する。

図１を参照するに、光源から射出された光は、例えば、６μｍのモードフィールド径を有するシングルモードファイバーを介して、検出装置１００に導かれる。本実施形態では、シングルモードファイバーの射出口がスリット、即ち、光源からの光が入射するスリット１１０（スリット状の開口部や光透過部が設けられた部材）として機能する。シングルモードファイバーからの光（スリット１１０からの光）は、第１光学系１２０に入射する。

第１光学系１２０は、シリンドリカルレンズ１２２と、アクロマチックシリンドリカルレンズ１２４とを含み、スリット１１０からの光をコリメートするコリメート光学系である。シリンドリカルレンズ１２２は、光の進行方向に直交する断面において非対称な（即ち、直交する２方向に異なる）拡大率を有する。第１光学系１２０により、スリット１１０からの光を、透過型回折素子１３０の格子の繰り返し方向に第１倍率で拡大し、透過型回折素子１３０の格子の繰り返し方向に直交する方向に第１倍率よりも小さい第２倍率で拡大されるとともにコリメートされる。アクロマチックシリンドリカルレンズ１２４は、例えば、分散が低い材料からなるレンズ及び分散が高い材料からなるレンズの２種類のレンズを組み合わせて構成され、結像収差を低減する機能を有する。

本実施形態では、スリット１１０からの光は、第１光学系１２０を介して、縦（透過型回折素子１３０の格子の繰り返し方向に直交する方向）１ｍｍ、幅（透過型回折素子１３０の格子の繰り返し方向）２５ｍｍの光にコリメートされる。また、第１光学系１２０は、透過型回折素子１３０に対して、コリメートされた光を斜めに入射させる。

透過型回折素子１３０は、第１光学系１２０からの光を回折する回折格子である。透過型回折素子１３０は、例えば、９０％以上の回折効率を有し、格子の繰り返し方向のサイズが１８０ｍｍである回折格子で構成される。本実施形態では、透過型回折素子１３０には、第１光学系１２０からの光が、ｍλ＝２ｄ・ｓｉｎαで表される式から得られる角度（入射角度）αで入射される。ここで、λは所定の波長、ｄは透過型回折素子１３０の格子ピッチ、ｍは１以上の整数（次数）である。上述の式は、透過型回折素子１３０に入射する光の入射角度と透過型回折素子１３０から射出する光の射出角度とが等しくなるように、第１光学系１２０と透過型回折素子１３０が配置されていることを意味する。換言すれば、透過型回折素子１３０は、リトロー配置となっている。

第２光学系１４０は、透過型回折素子１３０で回折された光を反射する第１ミラー１４２と、第１ミラー１４２で反射され、更に、透過型回折素子１３０で回折された光を反射する第２ミラー１４４とを含む。第２光学系１４０は、第１ミラー１４２と第２ミラー１４４との間において透過型回折素子１３０を介して光を往復させる（即ち、第１光学系１２０からの光を透過型回折素子１３０で何度も回折させるための）光学系である。

第１ミラー１４２及び第２ミラー１４４は、検出対象である光源からの光に対して高い反射率を有する平面ミラーで構成される。ここで、透過型回折素子１３０で回折されて第１ミラー１４２に向かう光の光路を第１光路、第１ミラー１４２で反射されて透過型回折素子１３０に向かう光の光路を第２光路とする。この場合、第１ミラー１４２は、第１光路と第２光路とが、１つの第１平面に存在し、且つ、かかる第１平面内で互いに重なり合わないように、配置される。また、透過型回折素子１３０で回折されて第２ミラー１４４に向かう光の光路を第３光路、第２ミラー１４４で反射されて透過型回折素子１３０に向かう光路を第４光路とする。この場合、第２ミラー１４４は、第３光路と第４光路とが、１つの第２平面に存在し、且つ、かかる第２平面内で互いに重なり合わないように、配置される。

結像光学系１５０は、アクロマチックシリンドリカルレンズ１５２と、シリンドリカルレンズ１５４とを含み、透過型回折素子１３０で回折されずに透過する０次光（透過回折光）を、検出器１６０（の検出面）に結像する。アクロマチックシリンドリカルレンズ１５２及びシリンドリカルレンズ１５４のそれぞれは、例えば、アクロマチックシリンドリカルレンズ１２４及びシリンドリカルレンズ１２２と同様な構成を有し、当業界で周知のいかなる構成をも適用することが可能である。

検出器１６０は、例えば、２次元的に配列された複数の画素を有するＣＣＤセンサで構成され、透過型回折素子１３０を透過する０次光、即ち、結像光学系１５０によって結像された０次光の強度を検出する。

検出装置１００では、第１光学系１２０でコリメートされた光を、第２光学系１４０（第１ミラー１４２及び第２ミラー１４４）によって、透過型回折素子１３０で何度も回折させる。これにより、透過型回折素子１３０で光を回折するたびに、透過型回折素子１３０を透過する０次光が取り出される。そして、かかる０次光を、結像光学系１５０を介して、検出器１６０に集光（分光）し、その強度を検出器１６０で検出する。

図２及び図３を参照して、第１ミラー１４２と第２ミラー１４４との間を往復する光の光路について説明する。図２及び図３は、それぞれ、透過型回折素子１３０、第１ミラー１４２及び第２ミラー１４４の近傍を示すＸＹ平面図及びＸＺ平面図である。

図２及び図３を参照するに、第１光学系１２０でコリメートされた光は、第２ミラー１４４の上部を通過して透過型回折素子１３０に入射する。この際、透過型回折素子１３０が垂直に配置されているため、第１光学系１２０からの光は、上述したように、透過型回折素子１３０に対して斜めに、即ち、Ｚ方向に角度を有する（打ち下げられた）状態で入射する。透過型回折素子１３０に入射した光は、透過型回折素子上の点Ｐ_Ａで回折され、１次回折光が第１ミラー１４２に入射し、第１ミラー上の点Ｐ_Ｂで反射される。この際、１次回折光が第１ミラー１４２に対して打ち下げられた状態で入射するため、第１ミラー上の点Ｐ_Ｂで反射された光も透過型回折素子１３０に対して打ち下げられた状態で入射する。従って、第１ミラー上の点Ｐ_Ｂで反射された光は、透過型回折素子上の点Ｐ_Ａとは異なる（Ｚ方向に変位した）点Ｐ_Ｃに入射する。そして、透過型回折素子１３０に入射した光は、透過型回折素子上の点Ｐ_Ｃで回折され、１次回折光が第２ミラー１４４に入射し、第２ミラー上の点Ｐ_Ｄで反射される。この際、１次回折光が第２ミラー１４４に対して打ち下げられた状態で入射するため、第２ミラー上の点Ｐ_Ｄで反射された光も透過型回折素子１３０に対して打ち下げられた状態で入射する。従って、第２ミラー上の点Ｐ_Ｄで反射された光は、透過型回折素子上の点Ｐ_Ｃとは異なる（Ｚ方向に変位した）点Ｐ_Ｅに入射する。これを繰り返すことで、第１光学系１２０からの光は、点Ｐ_Ａ、点Ｐ_Ｂ、点Ｐ_Ｃ、点Ｐ_Ｄ、点Ｐ_Ｅ、点Ｐ_Ｆ、点Ｐ_Ｇ、・・・の順に、Ｚ方向に変位しながら進む。

一方、透過型回折素子１３０で回折されずに透過する０次光が、透過型回折素子１３０での回折回数に応じて、０次光ＴＬ_０、ＴＬ_１、ＴＬ_２、ＴＬ_３、・・・として現れ、結像光学系１５０を介して、検出器１６０で検出される。なお、０次光ＴＬ_０、ＴＬ_１、ＴＬ_２、ＴＬ_３、・・・の添え字は、「透過型回折素子１３０で回折された回数」を表している。従って、透過型回折素子１３０での回折のたびに、透過型回折素子１３０を透過する０次光ＴＬ_０、ＴＬ_１、ＴＬ_２、ＴＬ_３、・・・がＺ方向に分離されていることがわかる。また、透過型回折素子１３０を透過する０次光ＴＬ_０、ＴＬ_１、ＴＬ_２、ＴＬ_３、・・・は、互いに平行であるが、その間隔は、透過型回折素子１３０、第１ミラー１４２及び第２ミラー１４４の位置関係で決まり、必ずしも等間隔であるとは限らない。０次光ＴＬ_０、ＴＬ_１、ＴＬ_２、ＴＬ_３、・・・の間隔を等間隔にしたい場合には、透過型回折素子１３０と第１ミラー１４２との間の距離と、透過型回折素子１３０と第２ミラー１４４との間の距離を等しくすればよい。

上述したように、本実施形態では、透過型回折素子１３０をリトロー配置として用いている。以下、透過型回折素子１３０をリトロー配置とする必要性や利点について説明する。

透過型回折素子１３０の回折効率は、リトロー配置のときに最大となる。従って、透過型回折素子１３０を用いた分光装置の効率を最大にするためには、透過型回折素子１３０をリトロー配置にすることが必要となる。本実施形態では、第１光学系１２０からの光が透過型回折素子１３０を何度も通過するため、透過型回折素子１３０をリトロー配置とすることが肝要となる。

また、透過型回折素子１３０は、実際には、温度変化などの影響を受けて歪んでいる。このような透過型回折素子１３０の歪みは、３０万以上の高い分解能を有する分光装置を実現する上では無視することができない。但し、透過型回折素子１３０をリトロー配置にした際には、透過型回折素子１３０の歪みに対する敏感度が最も低下するため、透過型回折素子１３０に特別な配慮をすることなく用いることができる。

また、透過型回折素子１３０に入射する光の入射角度と透過型回折素子１３０から射出する光の射出角度とが等しいため、図４（ａ）に示すように、透過型回折素子１３０を透過する光と透過型回折素子１３０で反射する光とが同一方向に射出される。これにより、透過型回折素子１３０からの光を１つの結像光学系１５０で結像させることができる。一方、透過型回折素子１３０に入射する光の入射角度と透過型回折素子１３０から射出する光の射出角度とが異なると、図４（ｂ）に示すように、透過型回折素子１３０を透過する光と透過型回折素子１３０で反射する光とが異なる方向に射出される。従って、透過型回折素子１３０からの光を１つの結像光学系１５０で結像させることができず、２つの結像光学系（透過型回折素子１３０を透過する光を結像する結像光学系及び透過型回折素子１３０で反射する光を結像する結像光学系）が必要となってしまう。

繰り返し周波数が２．５ＧＨｚのモード同期レーザからの光を検出装置１００に入射すると、図５に示すようなフリンジが検出される。図５では、検出器１６０の画素番号を横軸に採用し、検出器１６０で検出される強度を縦軸に採用している。ここでは、シリンドリカルレンズ１２２及び１５４のそれぞれの焦点距離を１５ｍｍ及び５０ｍｍ、アクロマチックシリンドリカルレンズ１２４及び１５２の焦点距離を２５０ｍｍとする。また、透過型回折素子１３０のサイズ及びピッチを１８０ｍｍ×４０ｍｍ及び１７４０ｇ／ｍｍとする。図５を参照するに、透過型回折素子１３０での回折回数Ｎｇが増加するにつれて、フリンジの間隔が広がる、即ち、空間分解能が向上していることがわかる。また、透過型回折素子１３０での回折回数Ｎｇと分解能Ｒとの関係を図６に示す。図６では、透過型回折素子１３０での回折回数Ｎｇを横軸に採用し、分解能Ｒを縦軸に採用している。図６を参照するに、透過型回折素子１３０での回折回数Ｎｇが５回となると、分解能Ｒが３５万を超えていることがわかる。

このように、本実施形態によれば、波長１μｍの分光を行う場合、透過型回折素子１３０での回折回数を５回以上にすることで、１ＧＨｚ以下の縦モードを分離及び検出することができる。また、分光効率も３０％以上、評価サイズも１ｍ×０．５ｍ未満であり、同等の性能を有する反射型回折素子を用いた分光装置と比較して、小型化及び高効率化している。

また、検出対象の光源を、検出器１６０で空間的に分離可能な縦モード間隔を有する光コム光源とすることで、検出装置１００は、光コム光源からの光の波長ごと（即ち、各縦モード）の強度を検出することができる。また、この場合、光コム光源の各縦モードの光の波長を高精度に検出することができるため、かかる波長を基準として分光装置を校正することができる。例えば、検出装置１００に対して、対象光と光コム光源からの光の両方を入射すると、検出器１６０において、対象光と光コム光源の縦モードの光の両方が分光される。従って、対象光の検出器上での位置を光コム光源の縦モードの光の位置と比較することで、対象光の波長を高精度に求めることができる。

＜第２の実施形態＞
スリット１１０、第１光学系１２０、透過型回折素子１３０及び第２光学系１４０で構成される分光装置と、光コム光源とを組み合わせることで光源装置を構成することが可能である。

図７は、本発明の一側面としての光源装置２００の構成を示す概略図である。光源装置２００は、光コム光源２１０と、スリット１１０と、第１光学系１２０と、透過型回折素子１３０と、第２光学系１４０と、結像光学系２２０と、取出部２３０とを有する。光源装置２００は、光コム光源２１０の各縦モードの光を分離し、１つの縦モードの光、或いは、複数の縦モードの光を取り出して光源として用いる。

光コム光源２１０は、１ＧＨｚ以上の高繰り返しモード同期レーザで構成され、本実施形態では、空間的に分離可能な縦モード間隔を有する光、例えば、図７の左上に示すようなスペクトルの光を射出する。

光コム光源２１０からの光は、シングルモードファイバーの射出口、即ち、スリット１１０を介して、第１光学系１２０に入射する。第１光学系１２０に入射した光は、上述したように、コリメートされ、第１ミラー１４２と第２ミラー１４４との間において透過型回折素子１３０を介して往復する。

結像光学系２２０は、アクロマチックシリンドリカルレンズ２２２と、シリンドリカルレンズ２２４とを含み、第２光学系１４０での往復を繰り返すことで第１ミラー１４２に入射しなくなる縦モードの光を結像する。

取出部２３０は、結像光学系２２０の結像面に配置され、結像光学系２２０によって結像された縦モードの光を取り出す機能を有する。取出部２３０は、本実施形態では、光コム光源２１０からの光に含まれる複数の縦モードの光のうち所定の波長に対応する縦モードの光が結像光学系２２０によって結像される位置に配置されたシングルモードファイバー（光ファイバー）で構成されている。但し、取出部２３０は、光コム光源２１０からの光に含まれる複数の縦モードの光のそれぞれが結像光学系２２０によって結像される複数の位置に配置された複数のシングルモードファイバーで構成されていてもよい。

このような構成によって、光源装置２００は、光コム光源２１０の各縦モードの光を分離し、図７の左下に示すように、１つ又は複数の縦モードの光を取り出すことが可能である。従って、光源装置２００は、かかる縦モードの光を２次光源とし、周波数が特定された連続波（ＣＷ）光源を構成している。なお、取り出す１つ又は複数の縦モードの光を変更することで、様々な波長の連続波光源を構成することも可能である。

第１の実施形態では、透過型回折素子１３０を透過する０次光を用いる例について説明した。但し、最も強い光を取り出すためには、図７に示すような配置にすればよい。具体的には、所定の分散が得られる回折回数を経た光に干渉しないように第１ミラー１４２を配置し、第１ミラー１４２で全反射せずに通過した光（即ち、第１ミラー１４２に入射しなくなる光）を結像光学系で結像させればよい。そして、その結像光学系の結像位置に所定の縦モードの光を取り出すシングルモードファイバーを配置することで、特定の１つの縦モードの光、或いは、特定の複数の縦モードの光を含む光源を構成することが可能となる。

光源装置２００は、対象物で吸収される光の波長を高精度に測定する光波長測定装置などの測定装置に適用することができる。原子や分子は、特定の波長の光を吸収する性質を有する。この吸収波長を正確に測定するためには、波長が高精度に校正された光を対象物に照射し、その光の波長を走査しながら吸収が最も強くなる波長を検知することが必要となる。従って、対象物で吸収される光の波長の測定には、光コム光源から１つの縦モードの光を取り出して光源とする光源装置２００が好適である。このような測定装置は、光源装置３００からの光を対象物に照射する光学系と、対象物の温度分布や速度分布を制御する装置（例えば、イオントラップや冷却装置）と、対象物を適切な環境に維持する容器（例えば、真空チャンバー、放電ガスセル）とを有する。また、かかる測定装置は、対象物に照射された光のうち対象物で吸収された光に関する情報を測定する測定部を有する。このような測定部は、例えば、吸収によって生じるイオンの量を測定する装置、吸収によって減少した光の強度を測定する装置、吸収によって生じる蛍光強度を測定する装置などを含む。更に、かかる測定装置は、光コム光源の光周波数を変更する装置（例えば、光コム光源の共振器長や励起光強度を変化させる装置）を有する。

また、光源装置２００は、射出される光の波長を安定化させる光コム発生装置（光源）にも適用することができる。光コム光源は、縦モードの光が等間隔に並んだレーザ光源であるが、その縦モードの光の波長には、時間的に僅かな揺らぎが生じている場合がある。このような揺らぎを抑えるためには、光コム光源から１つの縦モードの光を取り出し、かかる光の波長が一定となるように光コム光源を制御（調整）すればよい。また、取り出した１つの縦モードの光の波長が一定になるようにするためには、共振器を用いればよい。共振器は、共振器を構成する２つのミラーの間隔によって共鳴する波長が決まる。従って、２つのミラーの間隔が安定化された共振器によって、取り出した１つの縦モードの光が、その共振器の共鳴条件を常に満たすように、光コム光源を制御すればよい。このような光コム発生装置は、共振器の長さが変化しない共振器と、光源装置２００で取り出した光を、共振器に適した強度に調整する調整部（例えば、光増幅器、光減衰器）と、共振器の共鳴条件が満たされているかどうかを検出する検出部とを有する。かかる検出部は、共振器の透過光の強度を測定する装置、共振器の反射光の強度を測定する装置、共振器の反射光の空間モードを測定する装置、共振器の反射光の偏光を測定する装置などを含む。更に、光コム発生装置は、共振器の共鳴条件が常に満たされるように、光コム光源の光周波数を、例えば、光コム光源の共振器長や励起光強度を変化させることによってフィードバック制御する制御部を有する。

＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の一側面としての光源装置３００の構成を示す概略図である。光源装置３００は、光コム光源２１０と、スリット１１０と、第１光学系１２０と、透過型回折素子１３０と、第２光学系１４０と、結像光学系２２０と、取出部２３０と、変調部３１０と、合成部３２０とを有する。光源装置３００は、光コム光源２１０の各縦モードの光を分離し、各縦モードの光を変調して合成することで、任意の波形の光を生成する。

光コム光源２１０は、１ＧＨｚ以上の高繰り返しモード同期レーザで構成され、本実施形態では、空間的に分離可能な縦モード間隔を有する光を、例えば、図７の左上に示すような形状で射出する。

取出部２３０は、本実施形態では、光コム光源２１０からの光に含まれる複数の縦モードの光のそれぞれを取り出すために、複数の縦モードの光のそれぞれに対応する複数のシングルモードファイバーで構成されていている。
変調部３１０は、取出部２３０で取り出された複数の縦モードの光のそれぞれを変調する。具体的には、変調部３１０は、合成部３２０で合成された光の形状が予め定めたれた形状となるように、取出部２３０で取り出された複数の縦モードの光のそれぞれの強度及び位相を変更する。

合成部３２０は、変調部３１０で変調された複数の縦モードの光を合成する機能を有する。合成部３２０は、本実施形態では、変調部３１０で変調された複数の縦モードの光のそれぞれを反射する第３ミラー３２２と、第３ミラー３２２で反射された複数の縦モードの光が合成された光を分離するサーキュレーター３２４とを含む。

第３ミラー３２２は、変調部３１０で変調された複数の縦モードの光のそれぞれが第３ミラー３２２に入射するまでの光路に戻るように、変調部３１０で変調された複数の縦モードの光のそれぞれを反射する。また、サーキュレーター３２４は、光コム光源２１０とスリット１１０との間に配置され、第３ミラー３２２で反射された複数の縦モードが合成された光を分離する。このような経路を経ることによって、変調部３１０で変調された複数の縦モードの光のそれぞれは、空間分離過程と逆の過程を経ることになり、再び空間的に合成されることになる。従って、合成部３２０は、空間分離過程で与えられた光路差を再び与えられる構成であればよい。例えば、第３ミラー３２２やサーキュレーター３２４の代わりに、取出部２３０からスリット１１０までの光路を変調部３１０の後段に配置してもよい。

このような構成によって、光源装置３００は、光コム光源２１０の各縦モードの光を分離し、各縦モードの光を変調して合成することで、図８の左中段に示すように、任意の波形の光を生成することができる。従って、光源装置３００は、かかる任意の波形の光を２次光源とし、様々な波形の光を射出することができる。

第１の実施形態では、透過型回折素子１３０を透過する０次光を用いる例について説明した。但し、最も強い光を取り出すためには、図８に示すような配置にすればよい。具体的には、所定の分散が得られる回折回数を経た光に干渉しないように第１ミラー１４２を配置し、第１ミラー１４２で全反射せずに通過した光（即ち、第１ミラー１４２に入射しなくなる光）を結像光学系で結像させればよい。そして、その結像光学系の結像位置に各縦モードの光を取り出す複数のシングルモードファイバーを配置し、それぞれの縦モードの光の強度や位相を調整して合成することで任意の波形の光を生成することができる。

光源装置３００は、例えば、光誘起反応制御装置などの反応装置に適用することができる。原子や分子に光（光電場）を照射すると、光により様々な反応（光誘起反応）を生じさせることができる。かかる反応は、光の波形に依存し、その波形を適切に制御（整形）することで、反応を制御することができる（コヒーレントコントロール）。具体的には、吸収や分子振動の励起効率を自在に変化させたり、或いは、光誘起の化学反応を制御したりすることで、効率よく生成物を生成することが可能となる。このような反応装置は、光源装置３００からの光を効率的に対象物に照射する光学系と、光の照射による反応を生じさせるのに適した環境を維持する容器と、対象物の反応速度及び反応状態の少なくとも一方を測定する測定部とを有する。上述した容器は、例えば、冷却チャンバー、加熱チャンバー、真空チャンバーなどを含む。また、上述した測定部は、例えば、反応生成物の量を測定する装置、反応による光（光電場）の強度の変化を測定する装置などを含む。また、かかる反応装置は、測定部の測定結果に基づいて、目標とする反応が生じるように、各縦モードの光の変調量（強度や位相の調整量）をフィードバック制御する制御部を更に有してもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

Claims

所定の波長を含む光を分光する分光装置であって、
前記光が入射するスリットと、
前記スリットからの光をコリメートする第１光学系と、
前記第１光学系からの光を回折する透過型回折素子と、
前記透過型回折素子で回折された光を反射する第１ミラーと、前記第１ミラーで反射され、前記透過型回折素子で回折された光を反射する第２ミラーとを含み、前記第１ミラーと前記第２ミラーとの間において前記透過型回折素子を介して光を往復させる第２光学系と、を有し、
前記透過型回折素子に入射する光の入射角度と前記透過型回折素子から射出する光の射出角度とが等しくなるように、前記第１光学系と前記透過型回折素子が配置され、
前記透過型回折素子で回折されて前記第１ミラーに向かう光の光路と、前記第１ミラーで反射されて前記透過型回折素子に向かう光の光路とが、１つの第１平面に存在し、且つ、前記第１平面内で互いに重なり合わないように、前記第１ミラーが配置され、
前記透過型回折素子で回折されて前記第２ミラーに向かう光の光路と、前記第２ミラーで反射されて前記透過型回折素子に向かう光の光路とが、１つの第２平面に存在し、且つ、前記第２平面内で互いに重なり合わないように、前記第２ミラーが配置されていることを特徴とする分光装置。
前記第１光学系は、前記スリットからの光を、前記透過型回折素子の格子の繰り返し方向に第１倍率で拡大し、前記繰り返し方向に直交する方向に前記第１倍率よりも小さい第２倍率で拡大することを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
請求項１又は２に記載の分光装置と、
前記透過型回折素子を透過する透過回折光の強度を検出する複数の画素を含む検出器と、
前記透過回折光を前記複数の画素に結像する結像光学系と、
を有することを特徴とする検出装置。
前記複数の画素は、２次元的に配列されていることを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
前記所定の波長を含む光は、前記検出器で空間的に分離可能な縦モード間隔を有する光コム光源からの光であり、
前記検出器は、前記光コム光源からの光の波長ごとの強度を検出することを特徴とする請求項３又は４に記載の検出装置。
請求項１又は２に記載の分光装置と、
前記所定の波長を含み、空間的に分離可能な縦モード間隔を有する光を射出する光コム光源と、
前記第２光学系での往復を繰り返すことで前記第１ミラーに入射しなくなる縦モードの光を結像する結像光学系と、
前記結像光学系の結像面に配置され、前記結像光学系によって結像された縦モードの光を取り出す取出部と、
を有することを特徴とする光源装置。
前記取出部は、前記光コム光源からの光に含まれる複数の縦モードの光のうち前記所定の波長に対応する縦モードの光が前記結像光学系によって結像される位置に配置された光ファイバーを含むことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
前記取出部は、前記光コム光源からの光に含まれる複数の縦モードの光のそれぞれが前記結像光学系によって結像される複数の位置に配置された複数の光ファイバーを含むことを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
前記取出部は、前記光コム光源からの光に含まれる複数の縦モードの光のそれぞれを取り出し、
前記取出部で取り出された複数の縦モードの光のそれぞれを変調する変調部と、
前記変調部で変調された複数の縦モードの光を合成する合成部と、を更に有することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
前記変調部は、前記合成部で合成された光の形状が予め定めたれた形状となるように、前記取出部で取り出された複数の縦モードの光のそれぞれを変調することを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
前記合成部は、
前記変調部で変調された複数の縦モードの光のそれぞれを反射する第３ミラーと、
前記第３ミラーで反射された複数の縦モードが合成された光を分離するサーキュレーターと、
を含み、
前記第３ミラーは、前記変調部で変調された複数の縦モードの光のそれぞれが前記第３ミラーに入射するまでの光路に戻るように、前記変調部で変調された複数の縦モードの光のそれぞれを反射し、
前記サーキュレーターは、前記光コム光源と前記スリットとの間に配置されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の光源装置。
請求項９乃至１１のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出される光を対象物に照射する光学系と、
前記光学系からの光の照射による前記対象物の反応速度及び反応状態の少なくとも一方を測定する測定部と、を有することを特徴とする反応装置。
請求項７に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出される光を対象物に照射する光学系と、
前記光学系から前記対象物に照射された光のうち前記対象物で吸収された光に関する情報を測定する測定部と、を有することを特徴とする測定装置。
請求項６乃至８のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置で得られる１つ又は複数の縦モードの波長が一定となるように、前記光コム光源から射出される光の強度を調整する調整部と、
を有することを特徴とする光源装置。