JP2020061536A - 広帯域伸張パルス光源、分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents

広帯域伸張パルス光源、分光測定装置及び分光測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 経過時間と波長との一意性を保持しつつ高出力とした場合にも経過時間と波長との一意性が崩れることのない広帯域伸張パルス光源を提供する。【解決手段】 パルスレーザー源１１からの光Ｌ１を非線形素子１２がスーパーコンテニウム光に変換して広帯域パルス光Ｌ２として出力し、パルス伸張素子２に入射させる。マルチコアファイバーであるパルス伸張素子２は、各コア２１１でパルス伸張を行い、広帯域伸張パルス光Ｌ３を出力する。広帯域伸張パルス光Ｌ３において、パルス内の経過時間と波長とは１対１で対応しており、広帯域伸張パルス光ｌ３は分光測定用の光として用いられる。【選択図】 図１

Description

この出願の発明は、広帯域パルス源に関するものであり、また広帯域パルス光を利用して試料の分光特性を測定する装置や方法に関するものである。
パルス光源の典型的なものは、パルス発振のレーザー（パルスレーザー）である。近年、パルスレーザーの波長を広帯域化させる研究が盛んに行われており、その典型が、非線形光学効果を利用したスーパーコンティニウム光（以下、ＳＣ光という。）の生成である。ＳＣ光は、パルスレーザー源からの光をファイバーのような非線形素子に通し、自己位相変調や光ソリトンのような非線形光学効果により波長を広帯域化させることで得られる光である。
特開２０１３−２０５３９０号公報
上述した広帯域パルス光は、波長域としては伸張されているが、パルス幅（時間幅）としては狭いままである。しかし、光ファイバーのような伝送媒体における群遅延を利用するとパルス幅も伸張することができ、この際、適切な波長分散特性を持つ素子を選択すると、パルス内の経過時間と波長とが１対１に対応した状態でパルス伸張することができる。このようにパルス内の経過時間と波長とが１対１に対応した状態のパルス光は、チャープパルス光又は線形チャープパルス光と呼ばれることもある。
このようにパルス伸張させた広帯域パルス光（以下、広帯域伸張パルス光という。）における経過時間と波長との対応関係は、分光測定に効果的に利用することが可能である。つまり、広帯域伸張パルス光をある受光器で受光した場合、受光器が検出した光強度の時間的変化は、各波長の光強度即ちスペクトルに対応している。したがって、受光器の出力データの時間的変化をスペクトルに換算することができ、回折格子のような特別な分散素子を用いなくても分光測定が可能になる。つまり、広帯域伸張パルス光を試料に照射してその試料からの光を受光器で受光してその時間的変化を測定することで、その試料の分光特性（例えば分光透過率）を知ることができるようになる。
このように、広帯域伸張パルス光は分光測定等の分野で特に有益となっている。しかしながら、発明者の研究によると、より強い光を出力させるべく広帯域パルス源の出力を高くした場合、意図しない非線形光学効果がパルス伸張素子において生じ、経過時間と波長との一意性（１対１の対応性）が崩れてしまうことが判明した。
この出願の発明は、この知見に基づくものであり、経過時間と波長との一意性を保持しつつ高出力とした場合にも経過時間と波長との一意性が崩れることのない広帯域伸張パルス光源を提供することを目的としている。
上記課題を解決するため、この出願の請求項１記載の発明は、広帯域パルス光を出力する広帯域パルス源と、
広帯域パルス源からの広帯域パルス光のパルス幅を伸張するパルス伸張素子と
を備えており、
パルス伸張素子は、パルス内における経過時間と波長との関係が１対１になるように各コアにおいてパルス伸張を行うシングルモードのマルチコアファイバー又はバンドルファイバーであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記広帯域パルス源からの広帯域光を前記パルス伸張素子の各コアに導く導光手段を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項２の構成において、前記導光手段は、前記広帯域パルス源からの広帯域光を前記パルス伸張素子の各コアに導くファンインデバイスを含んでいるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１乃至３いずれいかの構成において、１台の前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光を分割して前記パルス伸張素子の各コアに入射させる分割素子を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項４の構成において、前記分割素子は、前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光が入射する位置に配置されたマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、前記パルス伸張素子の各コアに対して光学的に接続されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項４の構成において、前記分割素子は、前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光が入射する位置に配置された分岐ファイバー又はＰＬＣスプリッタであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記パルス伸張素子の各コアから出射する広帯域パルス光を同一の照射領域に重ねて照射する出射側光学系を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項１乃至７いずれかの構成において、前記広帯域パルス源は、スーパーコンティニウム光を出力するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、前記請求項８の構成において、前記広帯域パルス源は、パルスレーザー源と、パルスレーザー源からのパルスレーザー光に非線形光学効果を生じさせてスーパーコンティニウム光を生成して前記広帯域パルス光として出力する非線形素子とを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、前記請求項１乃至９の構成において、前記広帯域パルス源は、９００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長域において５０ｎｍ以上の帯域に亘るパルス光を出力するパルス源であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、前記請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源と、
この広帯域伸張パルス光源からの広帯域伸張パルス光が照射された試料からの光を受光する位置に配置された受光器と、
受光器からの出力データの時間的変化を、前記パルス伸張素子によって伸張されたパルスにおける時間と波長との関係に従ってスペクトルデータに変換する演算を行う演算手段と
を備えた分光測定装置であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、広帯域パルス光をシングルモードのマルチコアファイバー又はバンドルファイバーに入射させ、パルス内における経過時間と波長との関係が１対１になるように各コアにおいてパルス伸張を行うパルス伸張工程と、
パルス伸張された広帯域パルス光を試料に照射する照射工程と、
広帯域パルス光が照射された試料からの光を受光器で受光する受光工程と、
受光器からの出力データの時間的に変化を、伸張工程において伸張されたパルスにおける時間と波長との関係に従ってスペクトルデータに変換する演算を行う演算工程と
を含む分光測定方法であるという構成を有する。
以下に説明する通り、この出願の請求項１記載の発明によれば、パルス伸張素子における一つのコアへの入力パワーを小さくできるので、全体として高出力とした場合でも意図しない非線形光学効果がパルス伸張素子において生じず、フラットな分光特性の広帯域伸張パルス光が出力される。また、エネルギー効率が低下することはなく、本来必要な波長域において十分な強度の光が得られる。さらに、パルス安定性が損なわれる問題もない。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、広帯域パルス源からの広帯域パルス光をパルス伸張素子の各コアに導く導光手段を備えているので、広帯域パルス源の配置やパルス伸張素子の配置について自由度が高くなる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、１台の広帯域パルス源からの広帯域パルス光を分割してパルス伸張素子の各コアに入射させる分割素子を備えているので、パルス伸張素子に入射させる際の光の損失を小さくできる。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、分割素子がマイクロレンズアレイであるので、パルス伸張素子に入射させる際の損失をさらに小さくできる。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、分割素子は分岐ファイバー又はＰＬＣスプリッタであるので、コスト面のメリットがある。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、導光手段がファンインデバイスを含んでいるので、パルス伸張素子に入射させる際の損失をさらに小さくできる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、出射光学系を備えているので、同一の照射領域に重ねて広帯域伸張パルス光を照射するのが容易であり、意図しない非線形光学効果の発生を抑制した高照度の広帯域伸張パルス光の照射というメリットをより活かすことができる。
また、請求項８又は９記載の発明によれば、広帯域パルス源はスーパーコンティニウム光を出力するものであるので、時間対波長の一意性を確保してパルス伸張するのが容易となる。
また、請求項１０記載の発明によれば、９００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長域において５０ｎｍ以上の帯域に亘るパルス光が出力されるので、近赤外の分光測定用の光源として好適に使用でき、材料の分光分析用の光源として好適となる。
また、請求項１１又は１２記載の発明によれば、時間対波長の一意性が高く保持された光により分光測定が行えるため、分光測定の精度が高くなる。また、ダイナミックレンジの関係で特定の波長域においてＳＮ比が低下してしまう問題はなく、パルス安定性が損なわれることで測定の再現性が低下してしまう問題もない。さらに、エネルギー効率を高くして光を照射できることから、吸収の多い試料についても好適に分光測定することができる。
第一の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。 図１の広帯域伸張パルス光源の動作について示した概略図である。 第二の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。 第三の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。 第三の実施形態において用いられているマイクロレンズアレイの概略図であり、図５（１）は正面概略図、図５（２）は側面断面概略図である。 第四の実施形態の広帯域伸張パルス光源の主要部の概略図である。 第四の実施形態の変形例について示した概略図である。 出射する広帯域伸張パルス光の光路上に設けられる構成について示した概略図である。 実施形態の分光測定装置の概略図である。 分光測定ソフトウェアに含まれる測定プログラムの構成について示した概略図である。
次に、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
まず、広帯域伸張パルス光源の発明の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。図２は、図１に示す広帯域伸張パルス光源の動作について示した概略図である。図１及び図２に示す広帯域伸張パルス光源は、広帯域パルス光を出力する広帯域パルス源１と、広帯域パルス源１からの広帯域パルス光のパルス幅を伸張するパルス伸張素子２とを備えている。
広帯域パルス源１としては、この実施形態では、ＳＣ光を出力するものが使用されている。具体的には、広帯域パルス源１は、パルスレーザー源１１と、パルスレーザー源１１からの光が入射する非線形素子１２とを備えている。
パルスレーザー源１１としては、種々のものを用いることができるが、例えばゲインスイッチレーザー、マイクロチップレーザー、ファイバーレーザー等を用いることができる。非線形光学効果によりＳＣ光を生成するため、パルスレーザー源１１は超短パルスレーザー源であることが望ましい。
非線形素子１２には、ファイバーが使用される場合が多い。例えば、フォトニッククリスタルファイバーやその他の非線形ファイバーが非線形素子１２として使用できる。
尚、パルスレーザー源１１及び非線形素子１２から成る広帯域パルス源１から出力されるＳＣ光は、用途に応じて所望の帯域において広帯域化した光である。例えば、後述するように近赤外分光分析に用いられる場合、９００〜１３００ｎｍ程度の波長帯域の光であることが望ましい。また、「広帯域」とは、５０ｎｍ以上の波長幅に亘って光が連続していることを意味する。
パルス伸張素子２としては、この実施形態では、シングルモードのマルチコアファイバー２１が使用されている。コア２１１の数は２〜７個程度で良く、さらにそれ以上のコア数とすることもできる。材質としては、石英系、フッ素系等、波長帯域に応じて適宜の材質のマルチコアファイバー２１を選択することができる。
パルス伸張素子２は、波長分散（波長に依存した群速度分散）によってパルス幅を伸張させる素子である。波長分散には０分散、正常分散、異常分散があるが、パルス伸張素子２に入射する広帯域パルス光の波長帯域の全域において０分散とならない特性のものをパルス伸張素子２として使用することが好ましい。即ち、波長帯域の全域において正常分散又は異常分散であることが好ましい。
図２に示すように、パルスレーザー源１１はパルスレーザー光Ｌ１を発振する。パルスレーザー光Ｌ１は、非線形素子１２に入射し、非線形光学効果が生じてＳＣ光Ｌ２となって出射する。そして、ＳＣ光Ｌ２は、パルス伸張素子２としてのマルチコアファイバー２１に入射し、マルチコアファイバー２１を伝搬する過程でパルス伸張され、広帯域伸張パルス光Ｌ３となって出力される。
このような動作において、図２に示すように、広帯域伸張パルス光は、波長対時間の一意性が確保された状態でパルス伸張された光となっている。即ち、この例では、パルスの初期には長い波長の光が存在し、時間経過とともにより短い波長の光が存在する。したがって、時間を横軸にし、波長を縦軸にして表した場合、図２に示すように時間と波長とがほぼ反比例したような関係となる。パルス伸張のさせ方によっては逆の場合もあり得るが、いずれにしても、時間対波長が一意に対応しているので、時間を特定して光強度を求めれば、それは、その時間に対応する波長の光強度（スペクトル）を示すことになる。
尚、パルスレーザー源１１は、狭い波長帯域ではあるものの、１パルス内では、最初に長波長側の光が発振し、時間経過にとともにより短波長側の光が発振する特性のものが多い。この関係は、図２に示すように、非線形素子１２によって広帯域化されてＳＣ光Ｌ２となった際にも維持される場合が多く、パルスの初期には長波長側の光が存在し、時間経過とともにより短波長側の光が存在する特性の光となっている場合が多い。したがって、パルス伸張後の時間対波長の一意性を良好に維持するには、パルス伸張素子２の分散特性は異常分散よりは正常分散の方が好ましい。正常分散の場合、短波長側の光ほどより遅れて伝搬することになるので、広帯域パルス光における波長対時間の関係を維持したままパルス伸張が行えるからである。
尚、異常分散であっても、マルチコアファイバー２１の長さをより長くすれば、時間対波長の一意性を確保した状態でパルス伸張をすることが可能である。異常分散特性のマルチコアファイバーの場合、パルス伸張後は、パルスの初期に短い波長の光が存在し、時間経過とともにより長波長側の光が存在するという関係になる。但し、正常分散の場合の方が、マルチコアファイバー２１の長さが短くて済むので、損失を小さくできる等の優位性はある。
実施形態の広帯域伸張パルス光源において、パルス伸張素子２としてマルチコアファイバー２１を使用する点は、広帯域伸張パルス光源の高出力化をテーマとした発明者の研究の成果に基づいている。以下、この点について説明する。
この実施形態では、パルス伸張素子２としてファイバーを使用しているが、いずれの素子を使用したとしても、何らかの損失が避けられない。特にファイバーを使用した場合、伸張量を多くするにはファイバーを長くすることが必要で、ファイバーを長くすると、その分だけ損失も多くなる。
したがって、広帯域伸張パルス光の出力を高くするには、パルス伸張素子２における損失を補償することが必要である。この方法としてまず考えられるのは、パルス伸張素子２に入力する広帯域パルス光のパワーを大きくすることである。発明者は、このような考えに基づき、パルス伸張素子２に入力する広帯域パルス光のパワーを大きくする実験を行った。この結果、入力される広帯域パルス光のパワーがある限度以上大きくなると、出力される広帯域伸張パルス光の波長特性が急に不均一になり、スペクトル（波長を横軸にした強度分布）が大きく波を打ったような状態となることが判明した。
入力パワーを上げていった際に当初はそれに応じて出力も少しずつ大きくなるが、ある限度を境に急激にこのような不均一化が生じるので、この現象は、パルス伸張素子２において、意図しない非線形光学効果が生じたことによるものであると推測される。この点は、入力パワーが小さい場合には実質的に存在していなかった波長域においてある程度強度の光が存在するようになることからも、裏付けられる。
広帯域伸張パルス光の分光特性が大きく波打つような特性であると、用途によっては大きな問題となり得る。例えば、広帯域伸張パルス光が、後述するような分光測定に用いられる場合、波長のダイナミックレンジの関係で、光が弱い波長域についてはＳＮ比が極端に悪くなり、その波長域では実質的に測定不能となり得る。また、ある材料の光特性を調べる等の理由でフラットな分光分布の光を照射する必要がある場合も、問題となり得る。
また、意図しない非線形光学効果により、本来必要ではない波長域において光が生成されると、その分で入力パワーが使われてしまうので、エネルギー効率が低下し、本来必要な波長域において十分な強度の光が得られないことになる。
さらに、発明者の研究によると、パルス伸張素子２としてのファイバーに大きなパワーで広帯域パルス光を入射させると、パルス安定性が損なわれる問題があることも判明した。ここでのパルス安定性とは、パルス間で分光特性や出力強度が一定であるという安定性である。パルス伸張素子２としてのファイバーに大きなパワーで広帯域パルス光を入射させると、パルスによって分光特性が変化してしまったり、入力は一定であるのに出力がばらついてしまったりする現象が確認された。
実施形態において、パルス伸張素子２としてマルチコアファイバー２１を採用している点は、このような問題を考慮したことによる。即ち、マルチコアファイバー２１を採用することで一つのコアあたりの入力パワーを小さくし、全体として高出力の広帯域伸張パルス光源とした場合でも、意図しない非線形光学効果がパルス伸張素子２において生じない構造としたものである。
この意味で、マルチコアファイバー２１におけるコア数は２であれば足りる。実用的にはコア数は２〜７程度で良いが、８個以上とする場合もある。
このように、実施形態の広帯域伸張パルス光源によれば、パルス伸張素子２としてマルチコアファイバー２１を使用しているので、全体として高出力の広帯域伸張パルス光源とした場合でも、意図しない非線形光学効果がパルス伸張素子２において生じず、フラットな分光特性の広帯域伸張パルス光が出力される。また、エネルギー効率が低下することはなく、本来必要な波長域において十分な強度の光が得られる。さらに、パルス安定性が損なわれる問題もない。このような各優位性のため、実施形態の広帯域伸張パルス光源は、分光測定用その他の用途の光源として適している。
次に、第二の実施形態の広帯域伸張パルス光源について説明する。図３は、第二の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。
第二の実施形態では、図３に示すように、パルス伸張素子２としてバンドルファイバー２２が使用されている。他の構成は、第一の実施形態と同様である。
バンドルファイバー２２としては、シングルモードファイバーを複数本束ねた構造のものが採用される。理論的には２本のみのファイバーを束ねたものでも効果があるが、２〜７本程度束ねたものが使用できる。材質としては、石英系、フッ素系等で良く、広帯域パルス光の波長帯域において損失が少ないものが好適に使用される。バンドルの方法としては、接着による場合の他、溶融（融着）であっても良い。
第二の実施形態においても、パルスレーザー源１１からの光は非線形素子１２によってＳＣ光（広帯域パルス光）となり、パルス伸張素子２としてのバンドルファイバー２２に入力される。そして、各バンドルファイバー２２のコアを伝搬する過程で波長分散によりパルス伸張がされた後、出力される。
そして、広帯域パルス源１からのＳＣ光は、各バンドルファイバー２２のコアに分割されてパルス伸張されるので、１個のコアあたりのエネルギーは小さくなる。このため、意図しない非線形光学効果は発生せず、時間対波長の一意性が崩れたり、不要な波長域での光生成により効率が低下してしまったり、パルス安定性が損なわれてしまったりすることはない。
尚、第一の実施形態と比較すると、マルチコアファイバーに比べてバンドルファイバーの方が安価に入手できるので、コスト上の優位性がある。他方、バンドルファイバーに比べてマルチコアファイバーは構造的にコンパクトになり、ループさせた際にもバンドルファイバーほどはかさばらないというメリットがある。また、入射端面における損失（コアに入射しない光の量）も、バンドルファイバーに比べるとマルチコアファイバーの方が少なくなる場合が多く、効率の点でもマルチコアファイバーの方が優れている。
次に、第三の形態の広帯域伸張パルス光源について説明する。図４は、第三の実施形態の広帯域伸張パルス光源の概略図である。
第三の実施形態の広帯域伸張パルス光源は、広帯域パルス源１からの広帯域パルス光をパルス伸張素子２の各コアに導く導光手段と、広帯域パルス源からの広帯域パルス光を分割して各コアに入射させる分割素子とを備えている。この実施形態では、導光手段及び分割素子を兼用するものとして、マイクロレンズアレイ３が採用されている。
図５は、第三の実施形態において用いられているマイクロレンズアレイの概略図であり、図５（１）は正面概略図、図５（２）は側面断面概略図である。
図５（１）に示すように、マイクロレンズアレイ３は、マイクロレンズ３１を複数個配列した光学素子である。この実施形態では、パルス伸張素子２としてマルチコアファイバー２１が使用されており、マイクロレンズ３１の個数や配列位置は、マルチコアファイバー２１におけるコア２１１の個数、配置位置にそれぞれ一致している。尚、各マイクロレンズ３１は、透明なプレート３２上に形成されており、透明なプレート３２に対して接着されるか、又は切削加工、成型等の方法により一体に形成される。
各マイクロレンズ３１は、マルチコアファイバー２１の各コア２１１に光学的に結合している。即ち、各マイクロレンズ３１を出射した光が、対応するコアに到達するよう各マイクロレンズ３１は配置されている。この実施形態では、各マイクロレンズ３１は集光レンズとなっており、広帯域パルス光Ｌ２を集光して各コア２１１に入射させるようになっている。広帯域パルス源１から出力される広帯域パルス光Ｌ２のビーム径は、マイクロレンズアレイ３全体の大きさよりも少し小さい。図５（１）に、広帯域パルス光Ｌ２のビーム径を破線で示す。広帯域パルス光Ｌ２のビームは、マイクロレンズアレイ３で分割され、それぞれマイクロレンズ３１で集光され導光されて各コア２１１に入射する。
この実施形態でも、広帯域パルス光Ｌ２は、各コア２１１に分割されてパルス伸張がされるので、意図しない非線形光学効果は発生せず、時間対波長の一意性が崩れたり、不要な波長域での光生成により効率が低下してしまったり、パルス安定性が損なわれてしまったりすることはない。そして、この実施形態では、導光手段及び分割素子としてマイクロレンズアレイ３が採用されているので、パルス伸張素子２に入射させる際の光の損失が少なくなる。即ち、図５（１）に示すように、広帯域パルス光の損失は、各マイクロレンズ３１の間の隙間部分におけるのみであり、マルチコアファイバー２１やバンドルファイバー２２に比べると、光の損失は少なくなる。
次に、第四の実施形態の広帯域伸張パルス光源について説明する。図６は、第四の実施形態の広帯域伸張パルス光源の主要部の概略図である。
第四の実施形態の広帯域伸張パルス光源は、導光手段及び分割素子を兼用するものとして、分岐ファイバー４を採用している。「分岐ファイバー」の用語は、この明細書では、光ファイバーカプラのような分岐構造を持つファイバーの総称である。
分岐ファイバー４の入射側は、シングルコアのファイバーであり、出射側が複数に分岐している。この実施形態でも、パルス伸張素子２としてマルチコアファイバー２１が使用されており、分岐ファイバー４の分岐の数は、マルチコアファイバー２１のコア数に一致している。但し、マルチコアファイバー２１のコア数は、分岐ファイバー４の分岐の数よりも多くて、使用しないコアがあっても特に問題はない。
また、この実施形態では、分岐ファイバー４とマルチコアファイバー２１との接続のため、ファンインデバイス５を設けている。ファンインデバイス５としては、この実施形態では平面光導波路型のもの（以下、平面光導波路型Ｆｉという。）５１を採用している。即ち、この実施形態では、分岐ファイバー４の分岐している出射側の端部は同一平面上に並べられており、これに対して平面光導波路型Ｆｉ５１が接続されている。平面光導波路型Ｆｉ５１としては、基板上に石英のようなガラス材料又はＰＭＭＡのような高分子材料で導波路を形成した構造のものが採用できる。尚、平面光導波路型Ｆｉ５１とマルチコアファイバー２１との間に、連結素子が配置されることもある。連結素子は、平面光導波路型Ｆｉ５１の平面上に並ぶ各導波路を、マルチコアファイバー２１の入射端面において二次元に並ぶ各コアに連結する素子である。
この第四の実施形態においても、広帯域パルス光は、各コアに分割されてパルス伸張がされるので、意図しない非線形光学効果は発生せず、時間対波長の一意性が崩れたり、不要な波長域での光生成により効率が低下してしまったり、パルス安定性が損なわれてしまったりすることはない。そして、この実施形態では、導光手段及び分割素子として分岐ファイバー４が採用されているので、パルス伸張素子２に入射させる際の光の損失が少なくなる。
尚、図６に示すように、分岐ファイバー４の手前の光路上に集光レンズ４０を配置し、広帯域パルス光を集光してから分岐ファイバー４に入射させると、さらに損失が少なくなるので、好適である。
この他、分岐ファイバー４に代えて、ＰＬＣスプリッタ（光導波路スプリッタ）を使用することも可能である。分岐ファイバー４やＰＬＣスプリッタは、通信用のものを転用することができ、コスト面のメリットがある。
図７は、第四の実施形態の変形例について示した概略図である。図７に示す例では、分岐ファイバー４とマルチコアファイバー２１との接続用に、空間光学型のファンインデバイス（以下、空間光学型Ｆｉという。）５２を使用している。空間光学型Ｆｉ５２では、各ファイバー（分岐ファイバー４の出射側）４１とマルチコアファイバー２１の各コアとをレンズ５２１が空間光学的に接続している。即ち、各ファイバー４１から出射する広帯域パルス光は、レンズ５２１により集光され、対応するコア２１１に入射する。図７では、一枚のレンズ５２１で各ファイバー４１と各コア２１１とを接続しているが、マイクロレンズアレイのように複数のレンズで接続する場合もある。
分岐ファイバー４とマルチコアファイバー２１とを接続するファンインデバイスとしては、この他、ファイバーバンドル型ファインデバイスや、溶融延伸型ファインデバイス等を採用することも可能である。ファイバーバンドル型ファインインデバイスを使用する場合、分岐ファイバー４の各出射側ファイバーを細径としておき、これに対して屈折率接合樹脂を介在させながらマルチコアファイバー２１の各コアを接続した構造を有する。溶融延伸型では、分岐ファイバー４の出射側の各ファイバーを束ねて溶融延伸し、マルチコアファイバー２１と同等のコア配置になるようにしてマルチコアファイバー２１と接続した構造とされる。
尚、上記のような分岐ファイバー４を使用する各実施形態において、マルチコアファイバー２１ではなくバンドルファイバーをパルス伸張素子２として使用することも可能である。この場合、分岐ファイバー４の各出射側のファイバーと、バンドルファイバーの各ファイバーとがコネクタで接続される。場合によっては、分岐ファイバー４の各出射側のファイバーをそのまま延長してパルス伸張素子２としてのバンドルファイバーとしても良い。
また、上述した各例のファンインデバイスは、分岐ファイバー４とともに使用される場合の他、単独又は他の素子とともに使用される場合もある。例えば、ファンインデバイスの入力側として設けられた各ファイバーをバンドルし、これに対して広帯域パルス源１からの光を入射させるだけの構造とする場合もあり得る。また、バンドルしたファンインデバイスの入力側の各ファイバーに対し、マイクロレンズアレイ３のような光学素子を介して広帯域パルス光を入射させる構造もあり得る。
上記各実施形態は、パルス伸張素子２に広帯域パルス光を入射させる構成についてそれぞれ特徴点を有するものであったが、出射する広帯域伸張パルス光の光路上に設けられる構成についても最適化することが可能である。以下、この点について図８を参照して説明する。図８は、出射する広帯域伸張パルス光の光路上に設けられる構成について示した概略図である。
上述した通り、各実施形態の広帯域伸張パルス光源は、並列に配置された複数のコアでパルス伸張をするので、コア１個あたりのエネルギーを小さくできる。この構成は、各コアから出射される広帯域伸張パルス光が同一の照射領域に重ねて照射されるようにするこことで、より有意義なものとなる。つまり、高出力の１個の広帯域パルス源１を採用し、途中のパルス伸張においては光を分割しつつも、最終的に照射する際には光が重畳される。このため、意図しない非線形光学効果の発生を抑制しつつ、高出力の広帯域パルス源１を採用した高照度の広帯域伸張パルス光の照射が可能となる。
同一の照射領域に重ねて広帯域伸張パルス光が照射されるようにするには、パルス伸張素子２として用いたファイバー（マルチコアファイバー２１又はバンドルファイバー２２）の出射端を、照射領域に接近させて配置すれば良い。ただ、ある程度照射距離を取りたい場合や、構造上、出射端を照射領域の付近に配置できない場合もある。このような場合には、同一の照射領域に重ねて広帯域伸張パルス光が照射されるようにする出射光学系６が配置されると好適である。
出射光学系６の例としては、図８（１）に示すように、パルス伸張素子２の各コアから出射した広帯域伸張パルス光を平行光にして照射領域Ｒに照射するコリメータレンズ６１を配置する構成や、図８（２）に示すように集光して照射領域Ｒに照射する集光レンズ６２を配置する構成を採用し得る。また、図８（３）に示すように、出射光学系６としてマイクロレンズアレイ６３を採用し、各マイクロレンズによる照射パターンにずれがないようにして照射領域Ｒに一致させる構成も採用できる。
このような出射光学系６を配置すると、適宜の大きさの照射領域Ｒに広帯域伸張パルス光を重ねて照射したり、適宜の照射距離で広帯域伸張パルス光を重ねて照射したりすることが可能となるので、意図しない非線形光学効果の発生を抑制した高照度の広帯域伸張パルス光の照射というメリットをより活かすことができる。
上記各実施形態において、広帯域パルス源１はＳＣ光を広帯域パルス光として出力するものであったが、ＳＣ光ではない広帯域パルス光を出力するものであっても良い。例えば、ＳＣ光源ではないものの短パルスで広帯域の光を出力する光源を広帯域パルス源１として用い、そのパルスを伸張させても良い。
但し、ＳＣ光はレーザーとしての性質を残しているので、パルス伸張素子２により時間対波長の一意性を確保しつつパルス伸張するのが容易であり、この点で好ましい。尚、ＳＣ光源を広帯域パルス源１として使用する場合、非線形素子１２としてはファイバー以外の素子を使用することもあり得る。
また、上記各実施形態において、パルス伸張素子２の手前の光路上に配置された導光手段はいずれも分割素子に兼用されるものであったが、単に導光のみを行う手段であっても良い。例えば、ミラーを使用した光学系で光を導き、パルス伸張素子２としてのマルチコアファイバー２１又はバンドルファイバー２２に入射させる構成であっても良く、この光学系中にビーム径を変更するレンズを配置しても良い。いずれにしても、導光手段を設けておくと、広帯域パルス源の配置やパルス伸張素子の配置について自由度が高くなる。
尚、１台の広帯域パルス源１からの広帯域パルス光を分割して各コアに入射させる場合の他、広帯域パルス源１を複数台設けることもあり得る。例えば、パルス伸張素子２におけるコア数に一致した台数の広帯域パルス源１を設け、それぞれの出力光を各コアに入射させても良く、コア数よりも少ない複数の広帯域パルス源１を設け、出力光を適宜分割して各コアに入射させても良い。
上記各実施形態において、波長帯域については、９００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長域において５０ｎｍ以上の帯域に亘る伸張パルス光が出力されるようにしておくと、後述するような近赤外分光測定用に好適に使用することができ、材料の分光分析用の光源として好適となる。波長帯域の選択については、適宜の波長を中心波長とするパルスレーザー源１１を選択し、適宜の波長帯に広帯域化させる非線形素子１２を選択することで実現できる。
次に、分光測定装置、分光測定方法の各発明の実施形態について説明する。図９は、実施形態の分光測定装置の概略図である。
図９に示す分光測定装置は、広帯域伸張パルス光源１０と、広帯域伸張パルス光源１０からの広帯域伸張パルス光が照射された試料Ｓからの光を受光位置に配置された受光器７と、受光器７からの出力を処理する演算手段８とを備えている。
広帯域伸張パルス光源１０には、上述したいずれかの実施形態のものが使用される。この実施形態では、試料Ｓの透過光を分光測定することが想定されているため、試料Ｓは透明な受け板９上に配置される。測定波長帯域は９００〜１３００ｎｍ程度の近赤外域となっているため、受け板９は、この帯域において良好な透過率を有する材質のものが使用される。
受け板９の光出射側に、受光器７が配置されている。受光器７としては、フォトダイオードが使用される。１〜１０ＧＨｚ程度の高速フォトダイオードが好適に使用できる。
演算手段８としては、プロセッサ８１及びストレージ８２を備えた汎用ＰＣが使用できる。ストレージ８２には、分光測定ソフトウェアがインストールされており、これには、受光器７からの出力の時間的変化をスペクトルに変換するコードを含む測定プログラム８２１や、スペクトルの算出の際に使用される基準スペクトルデータ８２２等が含まれている。尚、受光器７と汎用ＰＣとの間にはＡＤ変換器８３が設けられており、受光器７の出力は、ＡＤ変換器８３によりデジタルデータに変換されて汎用ＰＣに入力される。
図１０は、分光測定ソフトウェアに含まれる測定プログラムの構成について示した概略図である。図１０の例は、吸収スペクトル（分光吸収率）を測定するための構成の例となっている。基準スペクトルデータ８２２は、吸収スペクトルを算出するための基準となる波長毎の値である。基準スペクトルデータ８２２は、広帯域伸張パルス光源１０からの光を試料を経ない状態で受光器７に入射させることで取得する。即ち、試料を経ないで光を受光器７に直接入射させ、受光器７の出力をＡＤ変換器８３経由で汎用ＰＣに入力させ、時間分解能Δｔごとの値を取得する。各値は、パルス内のΔｔごとの各時刻（ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・，以下、パルス内時刻という。）の基準強度として記憶される（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・）。
各パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・での基準強度Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・は、対応する各波長λ１，λ２，λ３，・・・の強度（スペクトル）である。パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・と波長との関係が予め調べられており、各パルス内時刻の値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・が各λ１，λ２，λ３，・・・の値であると取り扱われる。
そして、試料を経た光を受光器７に入射させた際、受光器７からの出力はＡＤ変換器８３を経て同様に各パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・の値（測定値）としてメモリに記憶される（ｖ１，ｖ２，ｖ３，・・・）。各測定値は、基準スペクトルデータ８２２と比較され（ｖ１／Ｖ１，ｖ２／Ｖ２，ｖ３／Ｖ３，・・・）、その結果が吸収スペクトルとなる（厳密には１００％から除算した各値）。
上記のような演算処理をするよう、測定プログラム８２１はプログラミングされている。尚、図１０の例では、吸収スペクトルを調べるだけのようになっているが、実際には、吸収スペクトルを調べることで、試料の成分の比率を分析したり、試料を同定したりすることもある。
このような分光測定装置又は分光測定方法によれば、光源として上記いずれかの実施形態の広帯域伸張パルス光源１０を使用しているので、時間対波長の一意性が高く保持された光により分光測定が行える。このため、分光測定の精度が高くなる。また、ダイナミックレンジの関係で特定の波長域においてＳＮ比が低下してしまう問題はなく、パルス安定性が損なわれることで測定の再現性が低下してしまう問題もない。さらに、エネルギー効率を高くして光を照射できることから、吸収の多い試料についても透過光強度を高くして測定することができるメリットもある。尚、上記説明では透過光の分光測定を例にしたが、反射光を受光する位置に受光器７を設け、反射光の分光測定を行うようにすることも可能であり、この場合も同様の効果が得られる。
尚、広帯域伸張パルス光源は、上述した分光測定の他、非線形光学顕微鏡のような顕微鏡技術にも応用が可能である。
また、広帯域パルス源１としては、ＳＣ光を出射するものの他、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源などが採用されることもあり得る。ＡＳＥ光源は、ファイバー内で発生する光なので、ファイバー素子であるパルス伸張素子２との親和性が高く、低損失でパルス伸張素子２に広帯域パルス光を入射させることができ、高効率の広帯域伸張パルス光源を構成することができる。また、ＳＬＤ光源も、狭い活性層での発光を取り出すので広帯域パルス伸張素子２に低損失で入射させることができ、高効率の広帯域伸張パルス光源を構成することができる。
１ 広帯域パルス源
２ パルス伸張素子
２１ マルチコアファイバー
２２ バンドルファイバー
３ マイクロレンズアレイ
３１ マイクロレンズ
４ 分岐ファイバー
４０ 集光レンズ
５ ファンインデバイス
５１ 光導波路型Ｆｉ
５２ 空間光学型Ｆｉ
６ 出射側光学系
６１ コリメータレンズ
６２ 集光レンズ
６３ マイクロレンズアレイ
７ 受光器
８ 演算手段
９ 受け板
１０ 広帯域伸張パルス光源

Claims (12)

  1. 広帯域パルス光を出力する広帯域パルス源と、
    広帯域パルス源からの広帯域パルス光のパルス幅を伸張するパルス伸張素子と
    を備えており、
    パルス伸張素子は、パルス内における経過時間と波長との関係が１対１になるように各コアにおいてパルス伸張を行うシングルモードのマルチコアファイバー又はバンドルファイバーであることを特徴とする広帯域伸張パルス光源。
  2. 前記広帯域パルス源からの広帯域光を前記パルス伸張素子の各コアに導く導光手段を備えていることを特徴とする請求項１記載の広帯域伸張パルス光源。
  3. 前記導光手段は、前記広帯域パルス源からの広帯域光を前記パルス伸張素子の各コアに導くファンインデバイスを含んでいることを特徴とする請求項２記載の広帯域伸張パルス光源。
  4. １台の前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光を分割して前記パルス伸張素子の各コアに入射させる分割素子を備えていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源。
  5. 前記分割素子は、前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光が入射する位置に配置されたマイクロレンズアレイであって、マイクロレンズアレイの各マイクロレンズは、前記パルス伸張素子の各コアに対して光学的に接続されていることを特徴とする請求項４記載の広帯域伸張パルス光源。
  6. 前記分割素子は、前記広帯域パルス源からの広帯域パルス光が入射する位置に配置された分岐ファイバー又はＰＬＣスプリッタであることを特徴とする請求項４記載の広帯域パルス伸張光源。
  7. 前記パルス伸張素子の各コアから出射する広帯域パルス光を同一の照射領域に重ねて照射する出射側光学系を備えていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源。
  8. 前記広帯域パルス源は、スーパーコンティニウム光を出力するものであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源。
  9. 前記広帯域パルス源は、パルスレーザー源と、パルスレーザー源からのパルスレーザー光に非線形光学効果を生じさせてスーパーコンティニウム光を生成して前記広帯域パルス光として出力する非線形素子とを備えていることを特徴とする請求項８記載の広帯域伸張パルス光源。
  10. 前記広帯域パルス源は、９００ｎｍ以上１３００ｎｍ以下の波長域において５０ｎｍ以上の帯域に亘るパルス光を出力するパルス源であることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源。
  11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域伸張パルス光源と、
    この広帯域伸張パルス光源からの広帯域伸張パルス光が照射された試料からの光を受光する位置に配置された受光器と、
    受光器からの出力データの時間的変化を、前記パルス伸張素子によって伸張されたパルスにおける時間と波長との関係に従ってスペクトルデータに変換する演算を行う演算手段と
    を備えていることを特徴とする分光測定装置。
  12. 広帯域パルス光をシングルモードのマルチコアファイバー又はバンドルファイバーに入射させ、パルス内における経過時間と波長との関係が１対１になるように各コアにおいてパルス伸張を行うパルス伸張工程と、
    パルス伸張された広帯域パルス光を試料に照射する照射工程と、
    広帯域パルス光が照射された試料からの光を受光器で受光する受光工程と、
    受光器からの出力データの時間的に変化を、伸張工程において伸張されたパルスにおける時間と波長との関係に従ってスペクトルデータに変換する演算を行う演算工程と
    を含むことを特徴とする分光測定方法。
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