JP2018006611A - 光増幅装置、及びこれを有するラマン散乱計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルスのスペクトル幅の広帯域化を低減し、十分な強度で広い範囲で波長掃引ができる光増幅装置を提供する。【解決手段】 複数の波長を含む波長範囲の光から抽出波長を有する光を抽出する第１のフィルタであって、前記抽出波長が可変な第１のフィルタ１５１と、第１のフィルタが抽出した光を増幅する第１の増幅部１５２と、第１の増幅部が増幅した光から前記抽出波長を有する光を抽出する第２のフィルタ１５３と、第２のフィルタが抽出した光を増幅する第２の増幅部１５４と、第２のフィルタが抽出した光を検出する検出部１５５と、検出部の検出結果に基づいて、第１の増幅部を制御する制御部１５６と、を有する光増幅装置。【選択図】 図１

Description

本発明は、光増幅装置、及びこれを有するラマン散乱計測装置に関する。

ラマン散乱原理を利用したラマン散乱計測装置として、誘導ラマン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＲＳ）計測装置が提案されている。

ＳＲＳ計測装置では、互いに周波数が異なる２つのパルス光を試料に集光照射する。以後、２つのパルス光のうち、光周波数が大きいパルス光をポンプ光、光周波数が小さいパルス光をストークス光と呼ぶ。ポンプ光とストークス光の光周波数の差が試料中の分子の固有振動周波数と一致すると、照射点にてポンプ光の強度が減少し、ストークス光の強度が増大する、ＳＲＳと呼ばれる現象が生じる。この強度変化を検出することで試料における分子の振動情報を反映した分子振動イメージングが可能となる。

このようなＳＲＳ計測装置において、特定の波長のみを用いて特定の分子振動を検出するだけでなく、広い振動数範囲での分子振動スペクトル（ラマンスペクトル）を検出することにより、試料の識別能の向上が期待できる。

特許文献１には、波長可変な光増幅手段を用いてポンプ光とストークス光の一方の波長を変更して波長掃引しながら計測を行うラマン散乱計測装置が記載されている。図８は、特許文献１に記載されている光増幅手段の構成を説明するブロック図である。光源７０１としてのＹｂファイバレーザから放出されたパルス光は、第１の波長可変パンドパスフィルタ７０２に導かれる。波長可変パンドパスフィルタ（ｔｕｎａｂｌｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ、以下「ＴＢＰＦ」という）とは、入射したパルス光から任意の波長の光を抽出するものであり、抽出する波長は外部から制御して変更することができる。

第１のＴＢＰＦ７０２から射出した抽出光は、第１のファイバアンプ７０３（以下、「第１のアンプ７０３」と呼ぶ）にて増幅される。このとき、ファイバアンプでは、抽出光が増幅されるだけでなく、ファイバアンプ内で発生した自然放出光（ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｇｈｔ、以下「ＡＳＥ光」という）も増幅される。したがって、第１のアンプ７０３からの射出光には、増幅された抽出光だけでなく、増幅された自然放出光も含まれる。

第１のアンプ７０３で増幅された光は、第１のＴＢＰＦ７０２の抽出波長と同じ波長の光を抽出する第２のＴＢＰＦ７０４を介して、第２のファイバアンプ７０５（以下、「第２のアンプ７０５」と呼ぶ）で再び増幅される。このような構成にすることにより、第２のＴＢＰＦ７０４によって、第１のアンプ７０３で増幅された光から第１のアンプ７０３で発生したＡＳＥ光を除去した後に、第２のアンプ７０５で光を増幅することができる。そのため、ＡＳＥ光の影響により波長掃引幅が狭くなることを低減できる。

特開２０１４−１７３９７３号公報

ファイバアンプに入射した光が伝搬するゲインファイバは、通常の光ファイバと比較して自己位相変調（ＳＰＭ）が生じやすい。同じ媒質中では、ＳＰＭの大きさは、光の強さとファイバ内を伝搬する長さの積に比例する。ＳＰＭが生じると、パルスのスペクトル幅が広くなり、その結果ＳＲＳ計測装置のスペクトル分解能が低下する。

図４に示したように、ファイバアンプによる光の増幅率は光の波長によって異なり、ゲイン域中央部で大きく、ゲイン域端部で小さい。したがって、特許文献１に記載のラマン散乱計測装置においても、第２のアンプ７０５に入射する光は、その波長がゲイン域中央部の波長の場合には強度が強く、ゲイン域端部の波長の場合には強度が弱い。

そのため、第１のアンプ７０３のゲイン域中央部の波長を有する光が第２のアンプ７０５に入射した場合に、ＳＰＭによりパルスのスペクトル幅が広くなる恐れがある。すなわち、特許文献１に記載の方法では、広い波長掃引幅を維持しながら、波長掃引幅の範囲内においてパルスのスペクトル幅を所望の範囲内にすることができない恐れがあり、高精度な計測を行うには十分でない場合があった。

本発明はかかる課題に鑑みてなされたもので、パルスのスペクトル幅の広帯域化を低減し、十分な強度で広い範囲で波長掃引ができる光増幅装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光増幅装置は、抽出波長を有する光を抽出する第１のフィルタであって、前記抽出波長が可変な第１のフィルタと、前記第１のフィルタが抽出した光を増幅する第１の増幅部と、前記第１の増幅部が増幅した光から前記抽出波長を有する光を抽出する第２のフィルタと、前記第２のフィルタが抽出した光を増幅する第２の増幅部と、前記第２のフィルタが抽出した光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記第１の増幅部を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

また、本発明の別の一側面としての光増幅装置は、抽出波長を有する光を抽出する第１のフィルタであって、前記抽出波長が可変な第１のフィルタと、前記第１のフィルタが抽出した光を増幅する第１の増幅部と、前記第１の増幅部が増幅した光から前記抽出波長を有する光を抽出する第２のフィルタと、前記第２のフィルタが抽出した光を増幅する第２の増幅部と、前記第１のフィルタの前記抽出波長に基づいて、前記第１の増幅部を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

本発明の一側面としての光増幅装置によれば、パルスのスペクトル幅の広帯域化を低減し、十分な強度で広い範囲で波長掃引ができる。

第一の実施形態の光増幅装置の構成を説明するブロック図。 第一の実施形態に係るラマン散乱計測装置の構成を説明する模式図。 （ａ）第二の実施形態の光増幅装置の構成を説明するブロック図。（ｂ）第二の実施形態に係るラマン散乱計測装置の構成を説明する模式図。 ファイバアンプの増幅率の波長依存性を示す図。 第一の実施形態の光増幅装置による光強度変化とパルスのスペクトルを示す図。 半値幅を説明する図。 従来の波長可変増幅による光強度変化とパルスのスペクトルを示す図。 従来の波長可変な光増幅装置の構成を説明するブロック図。

ラマン散乱計測装置において、高精度な計測を行うためには、パルスのスペクトル幅が狭く、十分な強度で広い波長範囲を掃引可能な光を生成することが求められる。

しかしながら、図４に示すように、ファイバアンプによる光の増幅率は、増幅する光の波長によって異なり、ゲイン域中央部で大きく、ゲイン域端部で小さい。そのため、例えば特許文献１のラマン散乱計測装置では、第１のアンプ７０３で増幅された光は、その波長がゲイン域中央部であれば強く、ゲイン域端部であれば小さい。それに対し、光の波長掃引幅を広くするためには、ゲイン域端部の波長の光が十分な光量で第２のアンプ７０５に入射することが求められる。すなわち、第１のアンプ７０３は、ゲイン端部の波長の光が十分な光量で第２のアンプ７０５に入射するように、第１のＴＢＰＦ７０２で抽出された光を増幅する必要がある。

一方、第２のアンプ７０５は、増幅波長域内におけるできるだけ広い波長範囲で出力が一定となるように、ゲインが飽和する状態で増幅を行うことが好ましい。その結果、ゲイン域端部の光が第２のアンプ７０５のゲインファイバの終端近くで飽和レベルに達するのに対し、強度が強いゲイン域中央部の波長の光はゲインファイバに入射して早い段階で飽和レベルに達する。そのため、ゲイン域中央部の波長の光は、ゲイン域端部の光と比較して、ゲインファイバの多くを大きな光強度で通過する。

一般に、ゲインファイバ中では通常の光ファイバに比べて遥かに自己位相変調（Ｓｅｌｆ Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ：ＳＰＭ）が生じやすい。ＳＰＭが生じるとスペクトル幅が広くなり、その結果ＳＲＳ計測装置のスペクトル分解能が低下する。同じ媒質中では、ＳＰＭの大きさは光の強さと通過する長さの積に比例するのでゲイン中央部の波長の光ではＳＰＭが生じやすい。

図７（ａ）に、特許文献１の第１のアンプ７０３の駆動電流を８００ｍＡとした場合の各波長における第２のアンプ７０５からの光の強度を示し、図７（ｂ）に３．５ｎｍ毎に取得したパルスのスペクトルを示す。なお、第１、第２のＴＢＰＦ７０２、７０４の抽出波長は１０１０ｎｍから１０６０ｎｍの範囲内で掃引した。

なお、以降の説明では、十分な強度が得られている波長範囲として、各波長における光の強度のスペクトルにおける半値幅ａ_ｎを用いる。また、パルスのスペクトルの幅として、各パルスのスペクトルにおける半値幅ｂ_ｎを用いる。半値幅ａ_ｎは、図６（ａ）に示したように、光増幅装置による光の強度変化をプロットした際に最も高い強度の１／２以上の強度となる波長幅であると定義する。また、半値幅ｂ_ｎは、図６（ｂ）に示したように、各パルスのスペクトルをプロットした際に、複数のパルスそれぞれのスペクトルの最も高い強度の１／２以上の強度となる波長幅であると定義する。

図７（ａ）から、十分な強度が得られている波長範囲は、半値幅ａ_２にして４６ｎｍと十分に広いことが分かる。しかし、図７（ｂ）に示すように、掃引波長の端部に比べ中央部のパルスはスペクトルの幅が広くなっており、その半値幅ｂ_２は最大で１．６ｎｍとなる。波長１０３０ｎｍのストークス光において、スペクトル幅における１．６ｎｍは、波数にして１５ｃｍ^−１の幅に相当するため、高分解能でラマンスペクトルを計測することができない。

ＳＰＭによるスペクトル幅の広帯域化を計測に支障がない程度に低減するために、第１のアンプ７０３による光の増幅率を小さくして、第２のアンプ７０５に入射する光の光量を小さくすることが考えられる。しかしながら、第１のアンプ７０３による光の増幅率を小さくすると、第２のアンプ７０５においてゲイン域端部の光が不足し、結果的に波長掃引幅が狭くなる恐れがある。

図７（ｃ）に、特許文献１の第１のアンプ７０３の駆動電流を２２０ｍＡとした場合の各波長における第２のアンプ７０５からの光の強度を示し、図７（ｄ）に３．５ｎｍ毎に取得したパルスのスペクトルを示す。なお、第１、第２のＴＢＰＦ７０２、７０４の抽出波長は１０１０ｎｍから１０６０ｎｍの範囲内で掃引した。

図７（ｄ）に示すように、掃引波長の範囲内の全域でパルスのスペクトルの半値幅ｂ_３は約０．４ｎｍとなり、十分にスペクトル幅の狭いパルス光が得られる。それに対し、図７（ｃ）に示すように、光の強度が強い範囲は半値幅ａ_３にして３４ｎｍであり、波長の掃引幅が狭い。

そこで、以降の実施形態では、光の波長に応じてファイバアンプに入射する光の強度を制御することにより、例えば、ファイバアンプに入射する光の強度が強いために、ＳＰＭによってパルスのスペクトル幅が広くなることを低減する。また、光の波長に応じてファイバアンプに入射する光の強度を制御することにより、例えば、ファイバアンプに入射するゲイン域端部の波長の光の強度が小さいために、増幅しても十分な強度の光が得られず、結果として波長掃引幅が狭くなることを低減する。

（第一の実施形態）
本実施形態の光増幅装置１５０の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光増幅装置１５０の構成を説明するブロック図である。光増幅装置１５０は、任意の波長の光を抽出し、抽出した光を増幅して出力する。

光増幅装置１５０は、第１のフィルタ１５１と、第１の増幅部１５２と、第２のフィルタ１５３と、第２の増幅部１５４と、検出部１５５と、制御部１５６と、を有する。

第１のフィルタ１５１は、複数の波長を含む波長域の光から任意の波長を有する光を抽出する光学フィルタで、抽出する波長を任意に変更することができる。以降、フィルタで抽出される光の波長を「抽出波長」と呼ぶ。

第１のフィルタ１５１が抽出した光（抽出光）は、第１の増幅部１５２に入射し、第１の増幅部１５２で増幅される。

その後、第１の増幅部１５２に増幅された抽出光は、第２のフィルタ１５３に入射する。第２のフィルタ１５３は、任意の波長を有する光を抽出する光学フィルタで、抽出する波長を任意に変更することができる。本実施形態では、第１のフィルタ１５１の抽出波長と第２のフィルタ１５３の抽出波長とが互いに一致するように制御されている。そのため、第２のフィルタ１５３では、第１のフィルタ１５１の抽出波長と同じ波長を有する光が抽出される。これにより、第１の増幅部１５２で抽出光を増幅させた際に、第１の増幅部１５２内で発生した自然放出光（ＡＳＥ光）を取り除くことができる。

第２のフィルタ１５３が抽出した抽出光は２つに分岐され、一方は第２の増幅部１５４に入射し、他方は検出部１５５に入射する。第２の増幅部１５４に入射した抽出光は、第２の増幅部１５４で増幅される。検出部１５５は、入射した抽出光の強度を検出する光検出器である。

制御部１５６は、検出部１５５の検出結果に基づいて、第１の増幅部１５２による抽出光の増幅率を制御する制御手段である。具体的には、制御部１５６は、検出部１５５の出力が一定になるように第１の増幅部１５２の駆動電流を制御する。このような構成にすることにより、第２の増幅部１５４に入射する抽出光の強度を制御して、波長掃引幅の狭帯域化、及び波長掃引時のパルスのスペクトル歪みを低減する。

制御部１５６は、第１の増幅部１５２の駆動電流を制御できるものであればよく、例えば、汎用のコンピュータ、又はボードコンピュータやＡＳＩＣのようなハードウェアを用いることができる。制御部１５６による処理は、メモリまたは記憶装置に格納されたプログラムをプロセッサが実行することにより実現されることが好ましい。一部の機能を論理回路などのハードウェアで代替することもできる。

以下に、本実施形態の光増幅装置１５０の詳細な構成について、図２（ａ）を参照して説明する。図２（ａ）は、光増幅装置１５０を用いたラマン散乱計測装置１００（以降、「計測装置１００」と呼ぶ）の構成を説明する模式図である。本実施形態の計測装置１００は、２つのパルス光１０、２０が試料５３に照射されることにより生じた誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）による強度変調を受けた光を計測するＳＲＳ計測装置である。

計測装置１００は、第１の光源１１、２光子吸収センサ１４、同期制御部１５、波長可変増幅部３０、第２の光源２１、光路長調整部２３、ビームスプリッタ１２、２２、ダイクロイックミラー１３、５０、ミラー２４、及び走査部（スキャナ）５１を有する。また、計測装置１００は、第１の光学系（照射光学系）５２、第２の光学系（検出光学系）５４、波長フィルタ５５、光検出器５６、ロックインアンプ５７、及びコンピュータ６０を有する。

第１の光源１１は、ストークス光となる第１のパルス光１０を出力する。本実施例では、第１の光源１１はモードロックＹｂファイバレーザ（ＹｂＦＬ）であり、第１のパルス光１０の中心波長は１０３０ｎｍ、繰り返し周波数は４０ＭＨｚ、スペクトル幅は約５０ｎｍである。

第２の光源２１は、ポンプ光となる第２のパルス光２０を出力する。第２の光源２１は、モードロックＥｒファイバレーザ（ＥｒＦＬ）と第２高調波発生器としての周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｙ ｐｏｌｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ、ＰＰＬＮ）とを有する。第２のパルス光２０の中心波長は７９０ｎｍ、繰り返し周波数は８０ＭＨｚ、スペクトル幅は０．４ｎｍである。

ビームスプリッタ１２は、第１のパルス光１０を分岐する。ビームスプリッタ１２で分岐された第１のパルス光１０の一方は波長可変増幅部３０に入射し、他方はダイクロイックミラー１３を透過して２光子吸収センサ１４に達する。

ビームスプリッタ２２は、第２のパルス光２０を分岐する。ビームスプリッタ２２で分岐された第２のパルス光２０の一方は光路長調整部２３に入射し、他方はミラー２４、ダイクロイックミラー１３で反射して２光子吸収センサ１４に達する。

２光子吸収センサ１４は、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０とが同時に入射すると、そうでない時に比べて大きな信号を出力する。この原理を利用して、同期制御部１５は、２光子吸収センサ１４の出力がある特定の強度を保つように第１の光源１１がパルス光を発振するタイミングを調節する。このような構成にすることにより、第１の光源１１の発振と第２の光源２１の発振とを同期させることができる。当該方式による２光源の発振の同期についてはは、ＷＯ２０１０／１４０６１４号公報に記載されている。

ビームスプリッタ１２を透過した第１のパルス光１０は、波長可変増幅部３０に入射する。波長可変増幅部３０は、入射した光に含まれる波長の内の特定の波長の光を抽出し、抽出した光を増幅する機能を有する。抽出する光の波長（抽出波長）は可変である。波長可変増幅部３０の詳細な構成については後述する。

波長可変増幅部３０を出た第１のパルス光１０は、ファイバコリメータ３６を経てダイクロイックミラー５０に入射し、その後スキャナ５１に向かう。

ビームスプリッタ２２を透過した第２のパルス光２０は、光路長調整部２３とダイクロイックミラー５０を経てスキャナ５１に向かう。光路長調整部２３は、４個のミラーにより構成され、ミラー同市の間隔を変化させることで第２の光源２１から試料５３までの第２のパルス光２０の光路長を調整する。光路長調整部２３によって第２のパルス光２０の光路長を調整し、第１のパルス光１０と第２のパルス光２０とが同時に試料５３に照射されるようにする。

ダイクロイックミラー５０は、第１のパルス光１０を反射させ第２のパルス光２０を透過させることにより、両光を合波してスキャナ５１に向かわせる。スキャナ５１は第１のパルス光１０及び第２のパルス光２０の進行方向を２次元的に偏向させる走査部で、コンピュータ６０により制御されている。スキャナ５１により進行方向が変わると、照射光学系５２としての集光レンズによって集光される第１のパルス光１０及び第２のパルス光２０の集光点の位置（集光点位置）が、試料５３上で２次元的に走査される。

第１のパルス光１０と第２のパルス光２０とが同時に試料５３上の同じ位置に照射されると、試料５３における集光点位置に存在する分子が第１、第２のパルス光１０、２０の光振動数の差に等しい固有振動数を有してればＳＲＳ現象が生じる。そのため、誘導ラマン損失によってポンプ光である第２のパルス光２０の強度が僅かに減少し、誘導ラマン利得によってストークス光である第１のパルス光１０の強度が僅かに増大する。

試料５３を透過した第１のパルス光１０及び第２のパルス光２０は、検出光学系５４を通過した後、波長フィルタ５５に入射する。波長フィルタ５５は、第１のパルス光１０を遮断し第２のパルス光２０を透過させる。そのため、第２のパルス光２０のみが波長フィルタ５５を透過して光検出器５６に入射する。光検出器５６は光電変換により第２のパルス光２０の強度に比例した電気信号を生成しロックインアンプ５７に出力する。

第１の光源１１の繰り返し周波数と第２の光源２１の繰り返し周波数との比は１：２であり、第２のパルス光２０は、１パルス毎に交互に第１のパルス光１０と同時あるいは単独で試料５３に照射されることが好ましい。ＳＲＳは両パルスが同時に試料に照射されないと生じないので、ＳＲＳによる第２のパルス光２０の強度の減少は１パルスおきに生じる。これにより光検出器５６で受光する第２のパルス光２０の強度は第１の光源１１の繰り返し周波数である４０ＭＨｚで変調される。

ロックインアンプ５７には参照信号として第１の光源１１の発振に同期した同期信号５８を与えておけば、ロックインアンプ５７は第２のパルス光２０の僅かな変調強度すなわち誘導ラマン損失を出力する。

誘導ラマン損失の大きさＩ_ＳＲＳは、下記の（１）式で表させる。
Ｉ_ＳＲＳ∝Ｉｍ（χ^（３））・Ｉ_Ｐ・Ｉ_Ｓ （１）

ここで、３次の非線形感受率χ^（３）の虚数部をＩｍ（χ^（３））、ポンプ光である第１のパルス光１０の試料５３における強度をＩ_Ｐ、ストークス光である第２のパルス光２０の試料５３における強度をＩ_Ｓとする。３次の非線形感受率χ^（３）の虚数部Ｉｍ（χ^（３））は第１、第２のパルス光１０、２０の振動数の差の関数であり、これを振動数差毎にプロットしたものがラマンスペクトルとなる。ラマンスペクトルは物質固有の形状を有するので、これを計測することで試料５３を構成する物質を特定することができる。（１）式より、第１のパルス光１０の波長を掃引しながら第２のパルス光２０の変調強度であるＩ_ＳＲＳを計測することにより、ラマンスペクトルを得ることができる。

本実施形態では、スキャナ５１を駆動しながら試料５３に照射される第１のパルス光１０の波長を波長可変増幅部３０にて掃引することで、試料５３上の各位置のラマンスペクトル、いわゆるラマン分光イメージが得られる。これを用いてことにより、試料５３を構成する物質の分布を知ることができる。

なお、ロックインアンプ５７を用いたロックイン検出の構成は、上述の構成に限らない。例えば、第１の光源１１の繰り返し周波数と第２の光源２１の繰り返し周波数との比は１：２に限らず、一方のパルス光の繰り返し周波数を他方のパルス光の繰り返し周波数の整数分の１にすればよい。また、ポンプ光とストークス光との一方に予め強度変調を施しておき、ＳＲＳによる強度変化を変調することにより、他方の強度変調を施していない光の強度変化の変調分をロックインアンプにより高感度に検出する構成でもよい。

波長可変増幅部３０の構成と動作原理について、入射光の進行に沿って詳細に説明する。波長可変増幅部３０は、本実施形態の光増幅装置１５０を含む。ビームスプリッタ１２を透過した第１のパルス光１０は、波長可変増幅部３０に入射するとまず、偏光ビームスプリッタ３１（以下、「ＰＢＳ３１」と呼ぶ）に向かう。ビームスプリッタ１２を透過した第１のパルス光１０の偏光面は、第１の光源１１内又はＰＢＳ３１に到達するまでの光路中に２分の１波長板を設置調整することにより、ＰＢＳ３１に到達する時には紙面に平行になるように構成されている。また、ＰＢＳ３１は偏光面が紙面に平行な偏光が透過するよう設置されている。そのため、ビームスプリッタ１２を透過した第１のパルス光１０はＰＢＳ３１を透過し、その後、第１のフィルタ１５１としての波長可変バンドパスフィルタ７０に向かう。

波長可変バンドパスフィルタ７０は、抽出する光の波長が可変な光学フィルタであり、ミラー７２、ガルバノミラー７３、回折格子７４、偏光ビームスプリッタ７５（以下、「ＰＢＳ７５」と呼ぶ）、ファイバコリメータ７６、７７を有する。波長可変バンドパスフィルタ７０に入射した第１のパルス光１０は、ミラー７２で反射して、ガルバノミラー７３に入射する。ガルバノミラー７３は、コンピュータ６０からの制御で反射面の方位設定が可能である。ガルバノミラー７３の代わりに射出光の向きを変えることができる光学素子、例えばポリゴンミラー、リゾナントスキャナ、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーなどを利用してもよい。

ガルバノミラー７３で反射した第１のパルス光１０は、回折格子７４に入射する。回折格子７４は、刻線方向が紙面に垂直になるように配置されており、入射した光を光周波数に応じて紙面と平行な面内で異なる方向に分離する。回折格子７４から射出した第１のパルス光１０は、ガルバノミラー７３に再入射する際に波長毎に異なった角度で入射するため、ガルバノミラー７３から射出する際にも波長毎に異なった方向に向かう。

第１のパルス光１０はガルバノミラー７３を射出した後、ミラー７２に向かう。ガルバノミラー７３は紙面に垂直ではなく僅かに傾けて設置しているので、ミラー７２における紙面と垂直方向における位置が第１のパルス光１０の往路と復路とで僅かに異なっている。ミラー７２は、その上端の紙面と垂直方向における位置が、ミラー７２の配置位置における第１のパルス光１０の往路の高さと復路の高さの中間になるように設置されている。これにより、第１のパルス光１０は、往路ではミラー７２で反射するが、復路ではミラー７３で反射することなくミラー７３の近傍を通過してＰＢＳ７５に向かう。

本実施形態のＰＢＳ７５はバルク型であり、偏光面が紙面に平行な光が透過するよう設置されている。この時点での第１のパルス光１０はその偏光面が紙面に平行でありＰＢＳ７５を透過する。

ＰＢＳ７５を透過した第１のパルス光１０は、波長に応じて異なる進行方向を有した状態でファイバコリメータ７６に入射する。このうち一部の波長成分が抽出されてファイバコリメータ７６と接続しているシングルモードファイバを伝搬し、第１の波長可変バンドパスフィルタ７０から第１の増幅部１５２としての第１のファイバアンプ３２（以下、「第１のアンプ３２」と呼ぶ）に向かう。ファイバコリメータ７６の向きは、回折格子７４においてリトロー配置条件を満たして入射方向に逆進してきた波長成分が抽出されるように設置してある。したがって、コンピュータ６０からの制御によりガルバノミラー７３の反射面を連続的に動かせば、回折格子７４への入射角が変化してリトロー配置の条件を満たす波長が連続的に変わるので、抽出波長を変更して波長掃引を行うことが可能となる。

第１のアンプ３２は、ゲイン部材としてのＹｂ添加ファイバ（不図示）と、これへ注入する励起光を発する励起用半導体レーザ（不図示）と、を含む。励起光の強度は外部からの電気信号に応じて励起用半導体レーザの駆動電流を変える機能を有する制御部１５６としてのアンプ制御部４０によって制御することができる。なお、本実施形態では、制御部１５６としてのアンプ制御部４０と、コンピュータ６０とを別の構成としているが、コンピュータ６０がアンプ制御部４０を兼ねていてもよい。

ファイバアンプは、ゲインファイバに入射する励起用レーザ光の強度によって、入射光の増幅率が変化する。そのため、アンプ制御部４０は、励起用半導体レーザの光強度を変更させ、これにより第１のアンプ３２の増幅率を変更することができる。第１のアンプ３２の駆動電流を増加させると、半導体レーザの出力が向上するため、結果として増幅率も向上する。増幅率を低下させたければ、半導体レーザの駆動電流を低下させればよい。

第１のアンプ３２では、抽出波長成分が増幅されて射出されるだけでなく、Ｙｂ添加ファイバ内で発生したＡＳＥ光も射出される。ＡＳＥ光を含む光をそのまま後段の第２の増幅部１５４としての第２のファイバアンプ３５（以下、「第２のアンプ３５」と呼ぶ）に入射すると、上述したようにＡＳＥ光の影響で波長掃引の幅が狭くなる。そこで本実施形態では、波長掃引の幅の狭帯域化を低減するため、第２のアンプ３５に光を入射する前に第２のフィルタ１５３によりＡＳＥ光を除去している。

具体的には、第１のアンプ３２で増幅された第１のパルス光１０は、ファイバコリメータ３３から射出しＰＢＳ３１に再度入射する。ここで、ファイバコリメータ７６、第１のアンプ３２、ファイバコリメータ３３及びそれらを結ぶ光ファイバのそれぞれは、偏波面保存タイプである。ファイバコリメータ３３から射出された第１のパルス光１０の偏光面が紙面に垂直になるように、ファイバコリメータ３３の偏光軸の向きが調整されている。そのため、第１のパルス光１０はＰＢＳ３１で反射して第２のフィルタ１５３としての波長可変バンドパスフィルタ７０に向かう。

本実施形態では、波長可変バンドパスフィルタ７０が第１のフィルタ１５１と第２のフィルタ１５３とを兼ねており、波長可変バンドパスフィルタ７０を第１のパルス光１０が２回通過する。このような構成にすることにより、第１のフィルタ１５１の抽出波長と第２のフィルタ１５３の抽出波長とを容易に一致させたまま変化させることができる。

波長可変バンドパスフィルタ７０に再入射した第１のパルス光１０は、１回目の通過時と同様に、ミラー７２、ガルバノミラー７３、回折格子７４を経て、再度ガルバノミラー７３で反射され、ＰＢＳ７５に到達する。この時、第１のパルス光１０は、その偏光面が紙面に垂直なのでＰＢＳ７５で反射してファイバコリメータ７７に至る。

ファイバコリメータ７７の向きは、ファイバコリメータ７６と同様に回折格子７４においてリトロー配置条件を満たして入射方向に逆進してきた波長成分が抽出されるように設置してある。その結果、第１のフィルタ１５１及び第２のフィルタ１５３としての波長可変バンドパスフィルタ７０で、同一の波長成分を抽出し、Ｙｂ添加ファイバのゲイン域に渡って広く存在していた第１のアンプ３２で生じたＡＳＥ光の大部分を取り除くことができる。

ファイバコリメータ７７を出た第１のパルス光１０は、ビームスプリッタ３４で分岐される。ビームスプリッタ３４で分岐された第１のパルス光１０の一方は第２の増幅部１５４としての第２のアンプ３５に入射し、他方はファイバコリメータ３７及び色フィルタ３８を介して検出器１５５としての光検出器３９に入射する。

高精度な計測を行うために、波長掃引幅を広くするためには、抽出波長がゲイン域端部の波長でも強い光が得られるように強い増幅を行うことが好ましい。しかし、上述したように、増幅率が大きいゲイン中央部の波長成分を抽出する場合は、そのままではファイバアンプへの入射光が強くなりすぎて、ＳＰＭが生じてスペクトル幅が広くなりスペクトル歪みが発生する恐れがある。そのため、本実施形態では、抽出波長毎に第１のアンプ３２の増幅率を変更し、ゲイン中央部の波長の光が入射した場合の第１のアンプ３２の増幅率を相対的に小さくする。

そのために、本実施形態では、ファイバコリメータ７７を出て第２のアンプ３５に向かう第１のパルス光１０の一部をビームスプリッタ３４で分割して取り出し、ファイバコリメータ３７及び色フィルタ３８を介して光検出器３９に入射させる。色フィルタ３８は、光検出器３９の波長感度特性の補正するため必要に応じ挿入することが好ましい。

アンプ制御部４０は、光検出器３９の検出結果に基づいて、第１のアンプ３２の駆動電流を制御する制御部である。具体的には、アンプ制御部４０は、光検出器３９の出力が基準値で一定になるように、第１のアンプ３２の励起光用半導体レーザの駆動電流を制御することにより、第１のアンプ３２へ注入する励起光の強度を電気的に制御する。

本実施形態では、波長可変バンドパスフィルタ７０が第１のフィルタ１５１と第２のフィルタ１５３とを兼ねている。そのため、図２（ａ）ではＰＢＳ７５を用いて波長可変バンドパスフィルタ７０からの抽出光が第１のアンプ３２へ向かう光路と第２のアンプ３５へ向かう光路とを分けているが、抽出光の光路を分ける構成はこれに限らない。

例えば、図２（ｂ）に示したように、回折格子７４及びガルバノミラー７３で反射した第１のパルス光１０を、ファイバコリメータ７８を介して光ファイバに導入してもよい。光ファイバに導入された第１のパルス光１０の偏光軸は、波長可変バンドパスフィルタ７０による１回目のフィルタリングの後と、波長可変バンドパスフィルタ７０による２回目のフィルタリングの後とで異なるように構成されている。そのため、第１のパルス光１０は、１回目のフィルタリングの後は、偏光ビームスプリッタ７９（以下、「ＰＢＳ７９」と呼ぶ）によって第１のアンプ３２に向かい、２回目のフィルタリングの後はＰＢＳ７９によってビームスプリッタ３４に向かう。なお、１回目のフィルタリング後の第１のパルス光１０の偏光軸と２回目のフィルタリング後の第１のパルス光１０の偏光軸とは、互いに直交していることが好ましい。

図２（ｂ）に示した構成では、空間伝搬していた第１のパルス光１０を同一のファイバコリメータ７８により光ファイバに導入してから、抽出光の光路を分ける。そのため、異なるファイバコリメータを用いる構成よりも、ファイバコリメータを配置する位置のずれによって、１回目のフィルタリングの抽出波長と２回目のフィルタリングの抽出波長とが異なるものになってしまう恐れが小さくなる。

アンプ制御部４０による第１のアンプ３２の駆動電流の制御方法について説明する。アンプ制御部４０は、あらかじめ光検出器３９の出力の基準値を有している。基準値は、以下のようにして取得する。

まず、波長可変バンドパスフィルタ７０の抽出波長を、第２のアンプ３５からの光が最もＳＰＭによるスペクトル歪みが起きやすい波長、すなわちゲイン域中央部の波長に設定する。その状態で、第２のアンプ３５の出力光のスペクトル形状を観測しながら、第１のアンプ３２の駆動電流を大きいところから徐々に小さくしていく。その過程で、スペクトルの幅が所望の値以下になりスペクトル歪みが生じていないとみなせるようになった時の光検出器３９の出力を基準値として設定する。

波長可変増幅部３０による波長掃引時には、光検出器３９の出力がこの基準値になるように、第１のアンプ３２の駆動電流をフィードバック制御する。こうすることで、波長掃引全域においてＳＰＭによるスペクトル歪みを低減することができる。

図５（ａ）に、本実施形態の計測装置１００において波長可変バンドパスフィルタ７０の抽出波長を掃引した時の第２のアンプ３５からの射出光の光強度変化を示し、図５（ｂ）に３．５ｎｍ刻みで取得したスペクトル形状を示す。この際、波長可変バンドパスフィルタ７０の抽出波長は、１０１０ｎｍから１０６０ｎｍの範囲で掃引する。

図５（ａ）に示すように、光強度が強い範囲とみなせる半値幅ａ_１は４６ｎｍであり、図７（ａ）に示した駆動電流を最大設定で波長掃引した時と半値幅が同程度である。また、図５（ｂ）に示すように、スペクトルの幅としての半値幅ｂ_１は、図７（ｄ）の駆動電流を小さくして波長掃引した場合のスペクトルの幅と同程度である。

このように計測装置１００によれば、パルスのスペクトル幅の広帯域化を低減し、十分な強度で広い範囲で波長掃引ができる。

（第二の実施形態）
本実施形態の光増幅装置３５０について、図３（ａ）を参照して説明する。図３（ａ）は、光増幅装置３５０の構成を説明するブロック図である。第一の実施形態では検出部１５５の検出結果に基づいて第１の増幅部１５２の駆動電流を制御していたが、本実施形態では検出部１５５を用いず、予め取得しておいた関係情報に基づいて制御部３５６が第１の増幅部１５２の駆動電流を制御する。なお、第一の実施形態と同様の構成については、同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。

光増幅装置３５０は、第１のフィルタ１５１と、第１の増幅部１５２と、第２のフィルタ１５３と、第２の増幅部１５４と、制御部３５６と、を有する。

第一の実施形態と同様に、第１のフィルタ１５１で抽出された任意の抽出波長の光が第１の増幅部で増幅され、第２のフィルタ１５３に入射する。第２のフィルタ１５３では第１のフィルタ１５１の抽出波長と同じ波長の光が抽出され、その光が第２の増幅部１５４で再び増幅される。

制御部３５６は、第１の増幅部１５２に駆動電流を制御することにより、第２の増幅部１５４に入射する光の強度を抽出波長ごとに調整する。この際、制御部３５６は、予め取得しておいた、抽出波長と第１の増幅部１５２の駆動電流との関係情報に基づいて第１の増幅部１５２に駆動電流を制御する。

ここからは、本実施形態のラマン散乱計測装置３００（以下、「計測装置３００」と呼ぶ）の構成を、図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ｂ）は、計測装置３００の構成を説明する模式図である。なお、第一の実施形態と同様の構成については、図３（ｂ）において同じ付番を付し、詳細な説明は省略する。

計測装置３００は、波長可変増幅部３０として光増幅装置３５０を用いる。すなわち、計測装置３００は、光増幅装置３５０を有するＳＲＳ計測装置である。本実施形態では、第１のアンプ３２の励起用半導体レーザの駆動電流は、実施例１とは異なりコンピュータ６０によって制御される。すなわち、コンピュータ６０が制御部３５６の機能を有する。コンピュータ６０は、抽出波長と第１のアンプ３２の駆動電流との関係情報を有しており、その関係情報に基づいて第１のアンプ３２の励起用半導体レーザの駆動電流を制御する。抽出波長と第１のアンプ３２の駆動電流との関係情報とは、具体的には、波長可変バンドパスフィルタ７０の抽出波長毎に適した第１のアンプ３２駆動電流を記録したルックアップテーブル等である。コンピュータ６０が、ガルバノミラー７３の反射面の方位を設定して抽出波長を変更するとともに、ルックアップテーブルを基に第１のアンプ３２の励起用半導体レーザの駆動電流がその抽出波長に適した値になるように制御する。

ルックアップテーブルには、例えば、複数の抽出波長と、各抽出波長において第２のアンプ３５の出力光のスペクトル形状を観測しながら駆動電流を小さくしていき、スペクトル歪みが生じなくなった時の電流値とが記録されている。なお、ルックアップテーブルは、波長可変バンドパスフィルタ７０や第１のアンプ３２の特性が変わる度に作り直すことが好ましい。

ルックアップテーブル等の抽出波長と第１のアンプ３２の駆動電流との関係情報は、制御部３５６の記憶部に記憶されていてもよいし、外付けの記憶媒体に記憶されていてもよい。制御部３５６は、クラウドや外部の記憶媒体等に格納されている情報を、及び有線又は無線のインターネットで取得してもよい。

本実施形態の光増幅装置３５０によれば、パルスのスペクトル幅の広帯域化を低減し、十分な強度で広い範囲で波長掃引ができる。

また、第一の実施形態で用いるような第２のアンプ３５に向かう第１のパルス光１０の一部を分割してその強度を検出する構成が不要になるため、小型化に貢献できる。

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ず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の各実施形態では、第１のフィルタ１５１及び第２のフィルタ１５３として、同一の波長可変バンドパスフィルタ７０を用いているが、第１のフィルタ１５１と第２のフィルタ１５３とが異なるフィルタであってもよい。

また、上述の各実施形態では、試料５３を透過した前方散乱光を光検出器５６で検出しているが、これに限らず、試料５３からの後方散乱光を検出する構成にしてもよい。また、前方散乱光を検出する構成と、後方散乱光を検出する構成と、の両方を有している構成でもよい。

さらに、上述の各実施形態では、第１の光源１１からのストークス光が波長可変増幅部３０を通過することにより、ストークス光の波長を変更しながら計測を行っている。しかし、これに限らず、第２の光源２１からのポンプ光が波長可変増幅部３０を経由する構成にし、ポンプ光の波長を可変にしてもよい。光検出器５６で検出する光は、ストークス光であってもポンプ光であってもよいが、波長が変化しない光にすることが好ましい。

上述の各実施形態では、第１のパルス光と第２のパルス光とが試料に照射されることにより発生した誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）により強度変調された光を検出するＳＲＳ計測装置を記載している。しかし、各実施形態の光増幅装置は、ＳＲＳ計測装置に限らず、例えば、コヒーレント反ストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＣＡＲＳ）された光を検出する計測装置等にも使用できる。

１５１ 第１のフィルタ
１５２ 第１の増幅部
１５３ 第２のフィルタ
１５４ 第２の増幅部
１５５ 検出部
１５６ 制御部

Claims (11)

1. 抽出波長を有する光を抽出する第１のフィルタであって、前記抽出波長が可変な第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタが抽出した光を増幅する第１の増幅部と、
   前記第１の増幅部が増幅した光から前記抽出波長を有する光を抽出する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタが抽出した光を増幅する第２の増幅部と、
   前記第２のフィルタが抽出した光を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて、前記第１の増幅部を制御する制御部と、を有する
   ことを特徴とする光増幅装置。
2. 前記検出部は、前記第２のフィルタが抽出した光の一部の強度を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光増幅装置。
3. 前記制御部は、前記第一のフィルタの前記抽出波長が変更された場合に前記検出部で検出される光の強度の変化が低減されるように前記第１の増幅部を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光増幅装置。
4. 抽出波長を有する光を抽出する第１のフィルタであって、前記抽出波長が可変な第１のフィルタと、
   前記第１のフィルタが抽出した光を増幅する第１の増幅部と、
   前記第１の増幅部が増幅した光から前記抽出波長を有する光を抽出する第２のフィルタと、
   前記第２のフィルタが抽出した光を増幅する第２の増幅部と、
   前記第１のフィルタの前記抽出波長に基づいて、前記第１の増幅部を制御する制御部と、を有する
   ことを特徴とする光増幅装置。
5. 前記制御部は、前記第１のフィルタの前記抽出波長、及び前記第１のフィルタの前記抽出波長と前記第１の増幅部の駆動電流との関係情報に基づいて、前記駆動電流を制御する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光増幅装置。
6. 前記制御部は、前記第１の増幅部の駆動電流を制御する
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光増幅装置。
7. 前記第１のフィルタと前記第２のフィルタとは、同一のフィルタである
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光増幅装置。
8. 前記制御部は、前記第１の増幅部の駆動電流を制御することにより、前記第１の増幅部に注入する励起光の強度を制御する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光増幅装置。
9. 前記第１の増幅部及び前記第２の増幅部の少なくとも一方は、ファイバアンプである
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光増幅装置。
10. 第１の光を射出する光増幅装置と、
    前記光増幅装置からの第１の光と、前記第１の光と異なる波長を有する第２の光とを試料に照射する照射光学系と、
    前記第１の光と前記第２の光とが前記試料に照射されることによりラマン散乱された光を検出する光検出器と、を有し、
    前記光増幅装置は、請求項１から９のいずれか一項に記載の光増幅装置を有する
    ことを特徴とするラマン散乱計測装置。
11. 前記光検出器は、前記ラマン散乱された光として、前記第１の光と前記第２の光とが前記試料に照射されることにより発生した誘導ラマン散乱により強度変調された光を検出する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のラマン散乱計測装置。

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