JP2020159972A - 広帯域パルス光源装置、分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パルス伸長を行いつつも意図しない非線形光学効果が生じないようにし、分光測定を高精度且つ高速に行えるようにする。【解決手段】 広帯域パルス光を出射するパルス光源１からの広帯域パルス光は、第一のパルス伸長器２でパルス幅が伸長され、第二のパルス伸長器３でパルス幅がさらに伸長される。第一のパルス伸長器２は、第二のパルス伸長器３に比べて非線形光学効果が生じにくい伸長器であり、広帯域パルス光は、第一のパルス伸長器２によりパルスのピーク強度が低下した状態で第二のパルス伸長器３に入射する。このため、波長間の強度不均一化や時間波長一意性が崩れるのが防止される。【選択図】 図１

Description

この出願の発明は、広帯域のパルス光を出射する光源装置に関するものであり、また光源装置を使用した分光測定の技術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（パルスレーザ）である。近年、パルスレーザ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、パルスレーザ源からの光をファイバのような非線形素子に通し、自己位相変調や誘導ラマン散乱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 米国特許第７１８４１４４号公報

上述した広帯域パルス光は、波長域としては伸長されているが、パルス幅（時間幅）としては狭いままである。しかし、ファイバ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長することができ、この際、適切な分散特性を持つ素子を選択すると、パルス内の経過時間（時刻）と波長とが１対１に対応した状態でパルス伸長することができる。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長させた広帯域パルス光（以下、広帯域伸長パルス光という。）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、広帯域伸長パルス光をある検出器で受光した場合、検出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、検出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、広帯域伸長パルス光を試料に照射してその試料からの光を検出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、広帯域伸長パルス光は分光測定等の分野で特に有益と考えられる。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パルス光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長素子において生じ、波長間の強度均一性が著しく低下してしまったり、経過時間と波長との一意性（１対１の対応性）が崩れてしまったりすることが判明した。
この出願の発明は、この知見に基づくものであり、パルス伸長を行いつつも意図しない非線形光学効果が生じないようにした広帯域パルス光源装置を提供することを目的とし、またそのような広帯域パルス光源装置を使用することで分光測定を高精度且つ高速に行えるようにすることを目的としている。

上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、広帯域パルス光を出射するパルス光源と、パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅を伸長させる第一のパルス伸長器と、第一のパルス伸長器でパルス幅が伸長された広帯域パルス光のパルス幅をさらに伸長させる第二のパルス伸長器とを備えている。第一のパルス伸長器は、第二のパルス伸長器に対して広帯域パルス光を入射させた際に第二のパルス伸長器に非線形光学効果が生じる場合、同一の条件で広帯域パルス光を入射させた場合に非線形光学効果が生じない程度に広帯域パルス光のピーク強度を低下させるパルス伸長器である。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第一のパルス伸長器が線形素子であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第一のパルス伸長器が、自由空間で波長毎に異なった遅延を生じさせることによりパルス幅を伸長させる機器であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第一のパルス伸長器が、広帯域パルス光を空間的に波長分散させる分散素子と、一対の平板ミラーを反射面を向かい合わせて非平行に対向させた非平行ミラー対と、集光光学系と、取り出し光学系とを備えており、集光光学系は、分散素子が波長分散させた光を、非平行ミラー対のうちの一方の平板ミラーの反射面上の点に集光させる光学系であって、波長に応じて異なる角度で当該一点に集光させる光学系であり、取り出し光学系は、非平行ミラー対を形成する一対の平板ミラーに交互に反射して戻ってきた各波長の光を取り出して前記第二のパルス伸長器に入射させる光学系であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、集光光学系が、分散素子で波長分散させた光を平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズが平行光にした光を集光して前記一点に集光させる集光レンズとを含んでおり、取り出し光学系は、コリメータレンズと集光レンズとの間に配置されたビームスプリッタを含んでいるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタであり、このビームスプリッタと非平行ミラー対との間には、λ／４波長板が配置されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第一のパルス伸長器が、広帯域パルス光を空間的に波長分散させる分散素子と、集光光学系と、マルチモードファイバとを備えており、集光光学系は、分散素子が波長分散した広帯域パルス光を波長に応じて異なった角度でマルチモードファイバに入射させる光学系であり、第二のパルス伸長器は、マルチモードファイバの出射端からの光が入射する位置に配置されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、パルス光源が、パルスレーザ源と、パルスレーザ源からのレーザ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とする非線形素子とを備えたスーパーコンティニウム光源であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第二のパルス伸長器が、シングルモードファイバであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の広帯域パルス光源装置は、第二のパルス伸長器が、シングルモードのマルチコアファイバ又はシングルモードのバンドルファイバであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の分光測定装置は、上述した構成の広帯域パルス光源装置と、この広帯域パルス光源装置からの広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された検出器と、検出器からの出力に従って対象物の分光スペクトルを算出する演算手段とを備えている。この分光測定装置において、第一第二のパルス伸長器は、広帯域パルス光を１パルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるようにパルス幅を伸長するパルス伸長器である。
また、上記課題を解決するため、この出願の分光測定方法は、上述した構成の広帯域パルス光源装置からの広帯域パルス光を対象物に照射する照射工程と、照射工程において広帯域パルス光が照射された対象物からの光を検出器で検出する検出工程と、検出器からの出力に従って対象物の分光スペクトルを算出する演算処理工程とを備えている。この分光測定方法において、第一第二のパルス伸長器は、広帯域パルス光を１パルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるようにパルス幅を伸長するパルス伸長器である。

以下に説明する通り、この出願の広帯域パルス光源装置によれば、第一のパルス伸長器によって予備伸長された広帯域パルス光が第二のパルス伸長器に入射してさらにパルス伸長がされる。この際、第一のパルス伸長器は第二のパルス伸長器よりも非線形光学効果が生じにくいものであるため、ハイパワーの広帯域パルス光を出力させる際にも波長間で均一な強度の光としたり時間波長一意性が保持された光としたりするのが容易となる。このため、分光測定のような光測定に好適に利用できる光源装置が提供される。
また、この出願の分光測定装置又は分光測定方法によれば、パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅がパルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるように伸長された状態で当該広帯域パルス光が対象物に照射されて分光測定が行われるので、回折格子の掃引のような時間を要する動作は不要であり、高速の分光測定が行える。そして、時間波長一意性を確保したパルス伸長を行う際、第一のパルス伸長器で予備伸長をしてから第二のパルス伸長器でさらに伸長を行うので、高い照度で対象物に光を照射する場合にも時間波長一意性が崩れることがない。このため、吸収の多い対象物についての光測定のように、ハイパワーの光を照射する必要のある光測定を高精度に行うことができ、高速且つ高信頼性の分光測定装置及び分光測定方法となる。

第一の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。 広帯域パルス光のパルス伸長の原理について示した概略図である。 広帯域パルス光のパルス伸長において意図しない非線形光学効果が生じることを確認した実験の結果を示した図である。 第一の実施形態における第一のパルス伸長器の概略図である。 第二の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。 第三の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。 第四の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。 実施形態の分光測定装置の概略図である。 分光測定装置が備える測定プログラムの一例について主要部を概略的に示した図である。

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、広帯域パルス光源装置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パルス光源装置の概略図である。
図１に示す広帯域パルス光源装置は、広帯域パルス光を出射するパルス光源１を備えており、パルス光源１から出射される広帯域パルス光のパルス幅を伸長させて出力する装置となっている。そして、この装置の大きな特徴点は、パルス伸長のため、第一第二の二つのパルス伸長器２，３を備えていることである。即ち、パルス光源１からの広帯域パルス光Ｌ１のパルス幅を伸長させる第一のパルス伸長器２と、第一のパルス伸長器２でパルス幅が伸長された広帯域パルス光Ｌ２のパルス幅をさらに伸長させる第二のパルス伸長器３とを備えている。

まず、パルス光源１について説明すると、この実施形態では、パルス光源１はＳＣ光を出射するものとなっている。ＳＣ光源であるパルス光源１は、超短パルスレーザ源１１と、非線形素子１２とを備えている。
超短パルスレーザ源１１としては、ゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。また、非線形素子１２としては、ファイバ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やその他の非線形ファイバが非線形素子１２として使用できる。ファイバのモードとしてはシングルモードの場合が多いが、マルチモードであっても十分な非線形性を示すものであれば、非線形素子１２として使用できる。

この実施形態の広帯域パルス光源装置は、材料の分光分析等の光測定に利用されることを想定しており、したがって出力される広帯域パルス光は、９００〜１３００ｎｍの赤外域の光となっている。また、広帯域とは、ある波長幅において連続スペクトルであることを意味するが、例えばこれは少なくとも１０ｎｍ、５０ｎｍ又は１００ｎｍの波長幅に亘って連続スペクトルの光ということになる。つまり、この実施形態では、パルス光源１は、９００ｎｍから１３００ｎｍの範囲において少なくとも１０ｎｍ、５０ｎｍ又は１００ｎｍの波長幅に亘って連続したスペクトルの光を出射する光源となっている。尚、ＳＣ光源である場合の他、パルス光源１は、ＳＬＤ（Superluminescent Diode）光源のような他の広帯域パルス光源である場合もある。

次に、パルス伸長のための構成について説明する。
パルス光源１から出射される光は、波長帯域としては広がっているが、パルス幅としてはフェムト秒ないしピコ秒オーダーの超短パルスのままである。このままでは光測定用としては使用しづらいので、パルス伸長させる。この際に重要なことは、意図しない非線形光学効果が生じないようにすることである。この実施形態では広帯域パルス光はＳＣ光であり、ＳＣ光の生成の際に非線形光学効果を生じさせている。しかしながら、生成したＳＣ光においてさらに非線形光学効果が生じると、波長間での強度均一性が著しく低下したり、ＳＣ光において達成されていた時間波長一意性が損なわれてしまったりする問題が生じる。以下、この問題について説明する。

図２は、広帯域パルス光のパルス伸長の原理について示した概略図である。ＳＣ光のような広帯域パルス光のパルス幅を伸長させる手段としては、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）のような特定の群遅延特性を有するファイバを利用する構成が採用され得る。例えば、ある波長範囲において連続スペクトルであるＳＣ光Ｌ１を当該波長範囲で正の分散特性を有する群遅延ファイバ９に通すと、パルス幅が効果的に伸長される。即ち、図２に示すように、ＳＣ光Ｌ１においては、超短パルスではあるものの、１パルスの初期に最も長い波長λ_１の光が存在し、時間が経過すると徐々に短い波長の光が存在し、パルスの終期には最も短い波長λ_ｎの光が存在する。この光を、正常分散の群遅延ファイバ９に通すと、正常分散の群遅延ファイバ９では、波長の短い光ほど遅れて伝搬するので、１パルス内の時間差が増長され、ファイバ９を出射する際には、短い波長の光は長い波長の光に比べてさらに遅れるようになる。この結果、出射するＳＣ光Ｌ２は、時間対波長の一意性が確保された状態でパルス幅が伸長された光となる。即ち、図２の下側に示すように、時刻ｔ_１〜ｔ_ｎは、波長λ_１〜λ_ｎに対してそれぞれ１対１で対応した状態でパルス伸長される。

尚、パルス伸長のための群遅延ファイバ９としては、異常分散ファイバを使用することも可能である。この場合は、ＳＣ光においてパルスの初期に存在していた長波長側の光が遅れ、後の時刻に存在していた短波長側の光が進む状態で分散するので、１パルス内での時間的関係が逆転し、１パルスの初期に短波長側の光が存在し、時間経過とともにより長波長側の光が存在する状態でパルス伸長されることになる。但し、正常分散の場合に比べると、パルス伸長のための伝搬距離をより長くすることが必要になる場合が多く、損失が大きくなり易い。したがって、この点で正常分散の方が好ましい。

このような群遅延ファイバを使用したパルス伸長において、ファイバに入射させる広帯域パルス光の強度を高くしていくと、非線形光学効果が生じる。図３は、広帯域パルス光のパルス伸長において意図しない非線形光学効果が生じることを確認した実験の結果を示した図である。図３において縦軸は対数目盛である。

図３に結果を示す実験では、中心波長１０６４ｎｍ、パルス幅２ナノ秒のマイクロチップレーザ光を非線形素子としてのフォトニッククリスタルファイバに入れてＳＣ光とし、長さ５ｋｍのシングルモードファイバを群遅延ファイバとして使用してパルス伸張させた。シングルモードファイバは、１１００〜１２００ｎｍの範囲で正常分散のファイバである。この際、シングルモードファイバへの入射ＳＣ光のエネルギーを、０．００９μＪ、０．０３８μＪ、０．１９μＪ、０．７９μＪと変化させた。

図３に示すように、ＳＣ光のエネルギーが０．１９μＪまでの場合には、１１００〜１２００ｎｍの波長範囲において出射光強度の大きなばらつきはないが、０．７９μＪの場合、出射光強度は波長に応じて激しく変動する。このような変動は、群遅延ファイバとしてのシングルモードファイバに入射して伝搬する過程でＳＣ光に意図しないさらなる非線形光学効果が生じたことを示すものである。このような非線形光学効果が生じると、新たな波長が別の時刻に生成されるため、波長間の強度均一性が著しく低下したり、時間波長一意性が崩れてしまったりする問題がある。時間波長一意性とは、１パルス内の経過時間（時刻）と波長との関係が１対１で対応しているということであり、経過時間を特定すると波長が特定されるということを意味する。尚、図３に結果を示す実験では、入射するＳＣ光のパルス幅は変わっていないので、ピーク値を変化させたということになる。

発明者は、このような知見に基づき、パルス伸長の構成として、上記のように第一第二のパルス伸長器３を備える構成を想到するに至った。即ち、実施形態の装置は、パルス伸長を二段階に分け、第一のパルス伸長器２において予備的に伸長させた後、第二のパルス伸長器３において必要なパルス幅にまで伸長させるという構成を採用する。
第一のパルス伸長器２において予備伸張を行う際に重要なことは、ある程度高い強度の広帯域パルス光が入射した場合にも意図しない非線形光学効果が生じないようにすることであり、且つパルス伸長させた光が第二のパルス伸長器３に入射する際には、第二のパルス伸長器３において意図しない非線形光学効果が生じないピーク強度になっているということである。

つまり、第一のパルス伸長器２と第二のパルス伸長器３について、それぞれ同じ群遅延ファイバを使用して単にパルス伸長を二段階に分ける構成では、第一のパルス伸長器２に高強度の広帯域パルス光が入射した段階で意図しない非線形光学効果が生じてしまうので、意味がない。言い換えれば、第一のパルス伸長器２は、第二のパルス伸長器３に比べて非線形光学効果が生じにくいものであることを要する。即ち、第二のパルス伸長器３に対して広帯域パルス光を入射させた際に第二のパルス伸長器３において非線形光学効果が生じる場合、第一のパルス伸長器２は、同一の条件で広帯域パルス光を入射させた場合に非線形光学効果が生じないパルス伸長器であるということである。第一のパルス伸長器２は、第二のパルス伸長器３に比べて非線形光学効果が発生する際の閾値が高いという言い方も可能である。閾値とは、例えば、パルスのピーク強度を高めていくと波長間の強度が不均一化する場合、その不均一化が生じる臨界的なピーク強度ということができる。

尚、この実施形態では、第二のパルス伸長器３としては、上述したのと同様の群遅延ファイバが使用されている。したがって、従前のパルス伸長器に対して第一のパルス伸長器２を追加した（挿入した）構成となっている。即ち、第一のパルス伸長器２がなくて第二のパルス伸長器３のみである場合に発生し得る非線形光学効果が、第一のパルス伸長器２がある場合には発生しない、という点に第一のパルス伸長器２の意義がある。

このような第一のパルス伸長器２の具体的な構成について、図４を参照して説明する。図４は、第一の実施形態における第一のパルス伸長器２の概略図である。
第一の実施形態では、第一のパルス伸長器２は、分散素子と、非平行ミラー対２２とを組み合わせた機器となっている。このパルス伸長器２は、光軸に対する角度が波長に応じて異なる角度になるようにする角分散モジュール２１と、角分散モジュール２１に対して接続された非平行ミラー対２２と、非平行ミラー対２２で折り返された各波長の光を取り出すビームスプリッタ２３と、ビームスプリッタ２３で取り出された各波長の光を第二のパルス伸長器３に入射させる入射光学系２４とを備えている。

図４に示すように、角分散モジュール２１は、分散素子として使用した回折光子２１１と、回折格子２１１で波長分散させた光を平行光にするコリメータレンズ２１２と、コリメータレンズ２１２で平行光にされた光を非平行ミラー対２２の入射点Ｐに結ばせる集光レンズ２１３とを含んでいる。取り出し用のビームスプリッタ２３は、コリメータレンズ２１２と集光レンズ２１３の間に配置されている。

回折格子２１１で分散した各波長の光は、集光レンズ２１３で集光されて非平行ミラー対２２の入射点Ｐに結ぶ。入射点Ｐに達する際の角度は、波長に応じて異なる角度であり、連続的に異なる角度である。非平行ミラー対２２は、僅かな角度αだけ傾けられた一対の平板ミラー２２１で構成されているため、図４に示すように、入射した各波長の光は、平板ミラー２２１に交互に反射しながら戻ってくる。この際、入射点Ｐに集光する際の集光角θ、傾き角α、入射点Ｐで見た非平行ミラー対２２の離間距離Ｄにより、飛び飛び波長ではあるものの波長λ_１〜λ_ｎの光は入射点Ｐの位置にちょうど戻ってくる。したがって、これらの光は、入射点Ｐで反射してビームスプリッタ２３に達し、ビームスプリッタ２３で一部が反射して取り出される。取り出された光は、入射光学系２４により第二のパルス伸長器３に入射する。

この際、図４から解るように、波長λ_１〜λ_ｎの光は、異なる入射角で入射点Ｐに入射するので、折り返して戻ってくるまでの光路長が波長に応じて異なることになる。つまり、ファイバにおける波長に応じた群遅延（群分散）と同様に、波長λ_１〜λ_ｎの光において時間分散が生じている。したがって、入射光学系２４により第二のパルス伸長器３に入射する広帯域パルス光は、パルス伸長された光となっている。

また、図４において、波長λ_１の光は、入射点Ｐに対する入射角が最も小さく、波長λ_ｎの光は入射角が最も大きい。このため、波長λ_１の光は最も光路長が短く、波長λ_ｎの光は最も光路長が長くなっている。したがって、回折格子２１１の姿勢を適宜選定し、波長λ_１が最も長波長となり、波長λ_ｎが最も短波長となるようにすれば、正常分散特性の群遅延ファイバと同様に、時間波長一意性が確保された状態でパルス伸長がされることになる。
そして、パルス伸長がされるということは、光のエネルギーが時間的に分散するということであり、パルスのピーク強度は低下する。即ち、回折格子２１１に入射した際に比べて、第二のパルス伸長器３に入射する際には、広帯域パルス光のピーク強度は低下している。

第二のパルス伸長器３は、前述したように群遅延ファイバが使用されている。例えば、石英系のシングルモードファイバを第二のパルス伸長器３として使用することができる。ファイバの長さは、最終的なパルス幅に応じて決められる。但し、パルス幅自体よりも、前述した時間対波長の傾き（図２に示すΔｔ／Δλ）として必要な値を達成するためにファイバの長さが選定される場合が多い。

次に、実施形態の広帯域パルス光源装置の動作について説明する。
超短パルスレーザ源１１から出射された超短パルス光は、非線形素子１２で広帯域化されて広帯域パルス光（ＳＣ光）Ｌ１となり、第一のパルス伸長器２に入射する。この光は、回折格子２１１で波長分散し、集光レンズ２１３で集光されて非平行ミラー対２２の入射点Ｐに波長に応じて異なる角度で入射する。各波長の光は、二枚の平板ミラー２２１に交互に反射しながら折り返し、入射点Ｐに戻る。この際、波長に応じて光路長が異なるので、入射点Ｐに戻る時刻は、波長により順次異なる時刻となる。即ち、パルス伸長がされた状態となる。パルス伸長された光Ｌ２は、ビームスプリッタ２３に反射して取り出され、入射光学系２４により第二のパルス伸長器３に入射する。
第二のパルス伸長器３は、ファイバの群遅延特性によりさらなるパルス伸長を行う。そして、所望の時間対波長の傾きに伸長された広帯域パルス光Ｌ３は、第二のパルス伸長器３から出射される。

このような実施形態の広帯域パルス光源装置によれば、第一のパルス伸長器２によって予備伸長された広帯域パルス光が第二のパルス伸長器３に入射してさらにパルス伸長がされ、この際、第一のパルス伸長器２は第二のパルス伸長器３よりも非線形光学効果が生じにくいものであるため、ハイパワーの広帯域パルス光を出力させる際にも波長間で均一な強度の光としたり時間波長一意性が保持された光としたりするのが容易となる。このため、分光測定のような光測定に好適に利用できる光源装置が提供される。
このような第一の実施形態の装置は、第一のパルス伸長器２として、線形素子ないしは線形の光学機器を採用したことによると言える。したがって、線形素子ないしは線形の光学機器であれば、他の素子ないし機器を使用しても良い。ここで、線形素子ないしは線形の光学機器とは、広帯域パルス光を入力しても非線形光学効果を生じない素子ないし光学機器をいう。

図４に示す第一のパルス伸長器２は、自由空間で波長毎に異なった遅延を生じさせることによりパルス幅を伸長させる機器ということができる。このように自由空間での伝搬において波長毎に遅延に差異を生じさせる構成は、一般に非線形光学効果を生じさせないので、第一のパルス伸長器の構成として好適である。
尚、コリメータレンズ２１２及び集光レンズ２１３は集光光学系を構成しているが、この他、ミラーによって集光する光学系が採用されることもあり得る。

次に、第二の実施形態の広帯域パルス光源装置について説明する。図５は、第二の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。第二の実施形態では、第一のパルス伸長器２の構成が異なっており、図５にはこの構成が示されている。
図５に示す例の第一のパルス伸長器２は、図４に示すものとほぼ同様であるが、偏光ビームスプリッタ２５を使用して広帯域パルス光を取り出す構成となっている。即ち、コリメータレンズ２１２と集光レンズ２１３の間には、偏光ビームスプリッタ２５が配置されている。

また、コリメータレンズ２１２と偏光ビームスプリッタ２５との間には、偏光板２５１が配置されている。そして、偏光ビームスプリッタ２５と集光レンズ２１３の間には、λ／４波長板２５２が配置されている。
偏光板２５１は、偏光ビームスプリッタ２５の特性に従って配置される。例えば、偏光ビームスプリッタ２５として、ｐ偏光反射、ｓ偏光透過のものが採用されている場合、偏光板２５１は、入射する広帯域パルス光が偏光ビームスプリッタ２５のｓ偏光の方向の直線偏光光になる姿勢で配置される。

第二の実施形態では、回折格子２１１により波長分散した広帯域パルス光は、偏光板２５１によってｐ偏光になった後、偏光ビームスプリッタ２５を通過する。この光は、λ／４波長板２５２により円偏光となり、集光レンズ２１３により非平行ミラー対２２の入射点Ｐに集光する。そして、同様に一対の平板ミラー２２１に交互に反射しながら折り返し、入射点Ｐ、集光レンズ２１３を経由してλ／４波長板２５２に達する。円偏光であるため、この光は、λ／４波長板２５２により再び直線偏光光になる。この光は、ｐ偏光の直線偏光光になるため、偏光ビームスプリッタ２５に反射して取り出され、入射光学系２４により第二のパルス伸長器３に入射する。

この実施形態においても、第二のパルス伸長器３に入射する広帯域パルス光は予備伸長がされているので、ピーク強度が低くなっている。そして、第一のパルス伸長器２において意図しない非線形光学効果が生じないので、波長間の強度不均一化や時間波長一意性の低下といった問題は生じない。
そして、この実施形態では、偏光ビームスプリッタ２５を採用するとともに偏光制御をしているので、図４の例に比べて取り出しの際の損失が抑えられている。このため、より効率の良い広帯域パルス光源装置となる。

尚、この例において、λ／４波長板２５２は、広帯域パルス光の偏光制御用であるため、広帯域用のものが使用される。
また、パルス源１によっては直線偏光光を出射する場合があり得るので、その場合には偏光板２５１が不要な場合もあるし、λ／２波長板等により偏光ビームスプリッタ２５に応じて偏光方向を変える構成が採用されることもある。これらの構成では、さらに損失が少なくなるので、好適である。

図６は、第三の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。第三の実施形態も、第一のパルス伸長器２の構成が上記各実施形態と異なっており、この部分の構成が図６に示されている。この実施形態では、第一のパルス伸長器２は、分散素子とマルチモードファイバとを組み合わせた例となっている。
図６に示すように、この実施形態では、第一のパルス伸長器２は、パルス光源１からの広帯域パルス光を波長分散させる分散素子と、分散素子が波長分散させた光を伝送するマルチモードファイバ２７２と、分散素子が波長分散させた光をマルチモードファイバ２７２の入射端に集光する集光レンズ２７３とを備えている。
分散素子としては、二つの回折格子２７１が使用されている。集光レンズ２７３は、マルチモードファイバ２７２に対して、各波長の光が互いに異なる角度で入射させるためものである。

図６に示すように、マルチモードファイバ２７２では、断面積の大きなコア中で各波長の光が反射しながら伝搬する。この際、大きな入射角で入射した波長λ_１の光はコア中での反射回数が少なく、入射角が小さくなるにつれて反射回数が多くなる。最も小さな入射角で入射する波長λ_ｎの光は、最も反射回数が多くなる。反射回数の数が多くなるについて光路長も長くなるから、波長λ_１の光は最も光路長が短く、波長λ_ｎの光は最も光路長が長くなる。
このため、マルチモードファイバ２７２の出射端から出射する各波長λ_１〜λ_ｎの光は、波長λ_１が最も遅れの少ない光であり、波長λ_ｎの光が最も遅れの多い光となる。即ち、パルス伸長が達成された状態となる。

尚、この実施形態でも、第二のパルス伸長器３としてはシングルモードファイバが使用されるが、シングルモードファイバはマルチモードファイバに比べてコア径が小さいので、間にレンズ２７４が配置される。レンズ２７４は、マルチモードファイバ２７２の出射端から出射した広帯域パルス光を再度集光して第二のパルス伸長器３としてのシングルモードファイバのコアに入射させる。

この例では、第一のパルス伸長器２はファイバを含んでいるが、非線形光学効果が生じにくいマルチモードファイバ２７２を採用しているので、波長間の均一性低下を抑制したり時間波長一意性が崩れるのを防止したりしながらパルス伸長をするのが容易である。
尚、マルチモードファイバの場合、モード間遅延時間差が存在しており、同一の波長での光であってもモード間の遅延時間差によって１パルス内の存在時刻がばらついてくる可能性がある。この問題は、ファイバが長くなってくると顕在化するので、マルチモードファイバ２７２の長さは、モード間遅延時間差が時間波長一意性に影響を与えない長さとすることが望ましい。例えば、マルチモードファイバ２７２の長さは１００ｍ以下とすることが好ましい。

上記以外にも、第一のパルス伸長器２として使用できる構成は考えられる。例えば、複数の回折格子を使用して波長分散をする際、波長に応じて光路差ができるようにし、それによってパルス伸長をする構成が考えられる。また、複数のプリズムを並べてそれらを通過させながら光を折り返す光学系において、波長に応じて光路差ができるようにした構成も考えられる。このような光学系も、線形な光学機器であるといえるので、同様に第一のパルス伸長器２として使用できる。

次に、第四の実施形態の広帯域パルス光源装置について説明する。図７は、第四の実施形態の広帯域パルス光源装置の主要部の概略図である。第四の実施形態では、第二のパルス伸長器３として、シングルモードのマルチコアファイバが使用されている。第一のパルス伸長器２は、図５に示す第二の実施形態のものと同様のものが使用されている。

図７に示すように、第一のパルス伸長器２とマルチコアファイバである第二のパルス伸長器３とを接続する接続素子３１が設けられている。接続素子３１としては、この実施形態ではアレイ導波路が使用されている。アレイ導波路は、基板上に導波路を形成した構造のものである。アレイ導波路は、各導波路の入射端が第一のパルス伸長器２における入射光学系２４の各波長λ_１〜λ_ｎの光の集光位置に位置するよう配置される。アレイ導波路の出射端は立体化され、マルチコアファイバの各コアに接続されている。したがって、このアレイ導波路は、導波路型のファンインデバイスということができる。

この実施形態では、第二のパルス伸長器３がマルチコアファイバであるので、意図しない非線形光学効果の発生がさらに抑制される。即ち、マルチコアファイバを使用すると、各波長λ_１〜λ_ｎの光が各コアに分かれて伝送されるので、１コアあたりのパワーが小さくなる。このため、意図しない非線形光学効果の発生がさらに抑制される。

尚、マルチコアファイバの群分散特性は使用波長範囲において正常分散であることが好ましいが、異常分散であっても実施可能である。また、マルチコアファイバは、シングルモードのマルチコアファイバであることが好ましい。これは、前述したモード間遅延時間差の問題を避けるためである。
また、第一のパルス伸長器２とマルチコアファイバとの接続については、レンズを使用した空間型のデバイスを使用することもできる。例えば、マルチコアファイバのコアの位置に対応して各アレイレンズが配置されたアレイレンズユニットを使用して各コアに各波長λ_１〜λ_ｎの光を入射させる構成が考えられる。

尚、マルチコアファイバのコア数は、数個から十数個程度であることが多いので、λ_１〜λ_ｎの波長の数よりもコア数の方が少ない場合がある。この場合は、連続する複数の波長の光を１個のコアに入射させてまとめて伝送する構成が採用される。
また、第二のパルス伸長器３として、バンドルファイバを使用することもできる。バンドルファイバとしては、シングルモードファイバをバンドルしたものであることが好ましい。同様に、モード間遅延時間差の問題を避けるためである。

次に、分光測定装置及び分光測定方法の実施形態について説明する。図８は、実施形態の分光測定装置の概略図である。図８に示す分光測定装置は、広帯域パルス光源装置１０と、広帯域パルス光源装置１０から出射された広帯域パルス光を対象物Ｓに照射する照射光学系４と、光照射された対象物Ｓからの光が入射する位置に配置された検出器５と、検出器５からの出力に従って対象物Ｓの分光スペクトルを算出する演算手段６とを備えている。

広帯域パルス光源装置（以下、単に光源装置という。）１０としては、上記いずれかの実施形態のものが採用されている。照射光学系４は、この実施形態では、ビームエキスパンダ４１を含んでいる。光源装置１０からの光は、時間伸長された広帯域パルス光ではあるものの、超短パルスレーザ源１１からの光であり、ビーム径が小さいことを考慮したものである。この他、ガルバノミラーのようなスキャン機構を設け、ビームスキャンにより広い照射領域をカバーする場合もある。

この実施形態では、対象物Ｓの吸収スペクトルを測定することを想定しており、したがって検出器５は、対象物Ｓからの透過光が入射する位置に設けられている。対象物Ｓを配置する透明な受け板８が設けられている。照射光学系４は上側から光照射するようになっており、検出器５は受け板８の下方に配置されている。

演算手段６としては、この実施形態では汎用ＰＣが使用されている。検出器５と演算手段６の間にはＡＤ変換器７が設けられており、検出器５の出力はＡＤ変換器７を介して演算手段６に入力される。
演算手段６は、プロセッサ６１や記憶部（ハードディスク、メモリ等）６２を備えている。記憶部６２には、検出器５からの出力データを処理して吸収スペクトルを算出する測定プログラム６３やその他の必要なプログラムがインストールされている。

この実施形態においては、時間波長一意性を確保した伸長パルス光を照射する光源装置１０を使用しているので、測定プログラム６３もそれに応じて最適化されている。図９は、分光測定装置が備える測定プログラム６３の一例について主要部を概略的に示した図である。

図９の例は、測定プログラム６３が吸収スペクトル（分光吸収率）を測定するプログラムの例となっている。吸収スペクトルの算出に際しては、基準スペクトルデータが使用される。基準スペクトルデータは、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は、光源装置１０からの光を対象物Ｓを経ない状態で検出器５に入射させることで取得する。即ち、対象物Ｓを経ないで光を検出器５に直接入射させ、検出器５の出力をＡＤ変換器７経由で演算手段６に入力させ、時間分解能Δｔごとの値を取得する。各値は、Δｔごとの各時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・・の基準強度として記憶される（Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，・・・）。時間分解能Δｔとは、検出器５の応答速度（信号払い出し周期）によって決まる量であり、信号を出力する時間間隔を意味する。

各時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・・での基準強度Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，・・・は、対応する各波長λ_１，λ_２，λ_３，・・・の強度（スペクトル）である。１パルス内の時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・・と波長との関係が予め調べられており、各時刻の値Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３，・・・が各λ_１，λ_２，λ_３，・・・の値であると取り扱われる。
そして、対象物Ｓを経た光を検出器５に入射させた際、検出器５からの出力はＡＤ変換器７を経て同様に各時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，・・・の値（測定値）としてメモリに記憶される（ｖ_１，ｖ_２，ｖ_３，・・・）。各測定値は、基準スペクトルデータと比較される（ｖ_１／Ｖ_１，ｖ_２／Ｖ_２，ｖ_３／Ｖ_３，・・・）。そして、必要に応じて各逆数の対数を取り、吸収スペクトルの算出結果とする。上記のような演算処理をするよう、測定プログラム６３はプログラミングされている。

次に、上記分光測定装置の動作について説明する。以下の説明は、分光測定方法の実施形態の説明でもある。実施形態の分光測定装置を使用して分光測定する場合、対象物Ｓを配置しない状態で光源装置１０を動作させる。
前述したように、超短パルスレーザ源１１からの超短パルス光は、非線形素子１２により広帯域パルス光となり、第一のパルス伸長器２に入射してパルス伸長がされる。そして、この光は第二のパルス伸長器３に入射してさらにパルス伸長がされ、所望の時間対波長の傾きに伸長される。第二のパルス伸長器３から出射した広帯域パルス光は、検出器５に直接入射する。検出器５からの出力データはＡＤ変換器７を経由して演算手段６に入力され、演算手段６は上述の演算処理をして予め基準スペクトルデータを取得する。

次に、対象物Ｓを受け板８に配置して光源装置１０を再び動作させる。同様に第一第二のパルス伸長素子２，３によりパルス伸長された広帯域パルス光は、対象物Ｓに照射される。そして、対象物Ｓからの光（本実施例においては対象物Ｓの透過光）は検出器５に入射し、検出器５からの出力データがＡＤ変換器７を介して演算手段６に入力される。演算手段６は入力されたデータに基づき、上述の測定プログラム６３により分光スペクトル（本実施例においては対象物Ｓの吸収スペクトル）を算出する。

上記の例では対象物Ｓからの透過光を利用する吸収スペクトルの測定であったが、対象物Ｓからの反射光を検出器５に入射させて反射スペクトル（分光反射率）を測定する場合もある。さらには、対象物Ｓのレイリー散乱やラマン散乱などの散乱スペクトルについて分光特性を測定する場合もある。したがって、対象物Ｓからの光は、光照射された対象物Ｓからの透過光、反射光、散乱光などであり得る。
尚、光源装置１０の測定や検出器５の感度特性が経時的に変化する場合、基準スペクトルを取得する測定（対象物Ｓを配置しない状態での測定）を行い、基準スペクトルを更新する校正作業が定期的に行われる。

このような実施形態の分光測定装置及び分光測定方法によれば、パルス光源１からの広帯域パルス光のパルス幅を１パルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるように伸長して対象物Ｓに照射して分光測定するので、回折格子の掃引のような時間を要する動作は不要であり、高速の分光測定が行える。そして、時間波長一意性を確保したパルス伸長を行う際、第一のパルス伸長器２で予備伸長をしてから第二のパルス伸長器３で伸長を行うので、高い照度で対象物Ｓに光を照射する場合にも時間波長一意性が崩れることがない。また、波長間の強度が不均一になることもないので、ダイナミンクレンジの関係で測定可能な波長範囲が制限されてしまう問題も生じない。このため、吸収の多い対象物Ｓについての光測定のようにハイパワーの光を照射する必要のある光測定を必要な波長範囲において高精度に行うことができ、高速且つ高信頼性の分光測定装置及び分光測定方法となる。

尚、上記構成の他、光源装置１０からの光を測定用と参照用とにビームスプリッタ等で分割し、対象物Ｓを経た光を検出器５で検出するとともに対象物Ｓを経ないでそのまま光が入射する参照用の検出器を設けた構成が採用されることもある。この構成では、基準スペクトルデータがリアルタイムで取得されるので、別途の校正作業が不要であり、測定の効率が高くなるという長所がある。

広帯域パルス光源装置の用途として、上述した分光測定以外にも、各種の光測定が挙げられる。例えば、顕微鏡のように対象物に光照射して観察する用途も光測定の一種であるといえるし、光照射して距離を計測するような場合も光測定の一種であるといえる。本願発明の光測定用光源装置は、このような各種の光測定に利用することができる。

１ パルス光源
１０ 光源装置
１１ 超短パルスレーザ
１２ 非線形素子
２ 第一のパルス伸長器
２１ 角分散モジュール
２１１ 回折格子
２１２ コリメータレンズ
２１３ 集光レンズ
２２ 非平行ミラー対
２２１ 平板ミラー
２３ ビームスプリッタ
２４ 入射光学系
３ 第二のパルス伸長器
４ 照射光学系
５ 検出器
６ 演算手段
７ ＡＤ変換器
Ｓ 対象物

Claims (12)

1. 広帯域パルス光を出射するパルス光源と、
   パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅を伸長させる第一のパルス伸長器と、
   第一のパルス伸長器でパルス幅が伸長された広帯域パルス光のパルス幅をさらに伸長させる第二のパルス伸長器とを備えており、
   第一のパルス伸長器は、第二のパルス伸長器に対して広帯域パルス光を入射させた際に第二のパルス伸長器に非線形光学効果が生じる場合、同一の条件で広帯域パルス光を入射させた場合に非線形光学効果が生じない程度に広帯域パルス光のピーク強度を低下させるパルス伸長器であることを特徴とする広帯域パルス光源装置。
2. 前記第一のパルス伸長器は、線形素子であることを特徴とする請求項１記載の広帯域パルス光源装置。
3. 前記第一のパルス伸長器は、自由空間で波長毎に異なった遅延を生じさせることによりパルス幅を伸長させる機器であることを特徴とする請求項２記載の広帯域パルス光源装置。
4. 前記第一のパルス伸長器は、前記広帯域パルス光を空間的に波長分散させる分散素子と、一対の平板ミラーを反射面を向かい合わせて非平行に対向させた非平行ミラー対と、集光光学系と、取り出し光学系とを備えており、
   集光光学系は、分散素子が波長分散させた光を、非平行ミラー対のうちの一方の平板ミラーの反射面上の点に集光させる光学系であって、波長に応じて異なる角度で当該一点に集光させる光学系であり、
   取り出し光学系は、非平行ミラー対を形成する一対の平板ミラーに交互に反射して戻ってきた各波長の光を取り出して前記第二のパルス伸長器に入射させる光学系であることを特徴とする請求項３記載の広帯域パルス光源装置。
5. 前記集光光学系は、前記分散素子で波長分散させた光を平行光にするコリメータレンズと、コリメータレンズが平行光にした光を集光して前記一点に集光させる集光レンズとを含んでおり、
   前記取り出し光学系は、コリメータレンズと集光レンズとの間に配置されたビームスプリッタを含んでいることを特徴とする請求項４に記載の広帯域パルス光源装置。
6. 前記ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタであり、前記ビームスプリッタと前記非平行ミラー対との間には、λ／４波長板が配置されていることを特徴とする請求項５記載の広帯域パルス光源装置。
7. 前記第一のパルス伸長器は、前記広帯域パルス光を空間的に波長分散させる分散素子と、集光光学系と、マルチモードファイバとを備えており、
   集光光学系は、分散素子が波長分散した前記広帯域パルス光を波長に応じて異なった角度でマルチモードファイバに入射させる光学系であり、
   前記第二のパルス伸長器は、マルチモードファイバの出射端からの光が入射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１記載の広帯域パルス光源装置。
8. 前記パルス光源は、パルスレーザ源と、パルスレーザ源からのレーザ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とする非線形素子とを備えたスーパーコンティニウム光源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パルス光源装置。
9. 第二のパルス伸長器は、シングルモードファイバであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
10. 前記第二のパルス伸長器は、シングルモードのマルチコアファイバ又はシングルモードのバンドルファイバであることを特徴とする請求項１乃至８いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
11. 前記請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域パルス光源装置と、
    この広帯域パルス光源装置からの広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された検出器と、
    検出器からの出力に従って対象物の分光スペクトルを算出する演算手段と
    を備えており、
    前記第一第二のパルス伸長器は、前記広帯域パルス光を１パルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるようにパルス幅を伸長するパルス伸長器であることを特徴とする分光測定装置。
12. 前記請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域パルス光源装置からの広帯域パルス光を対象物に照射する照射工程と、
    照射工程において広帯域パルス光が照射された対象物からの光を検出器で検出する検出工程と、
    検出器からの出力に従って対象物の分光スペクトルを算出する演算処理工程と
    を備えており、
    前記第一第二のパルス伸長器は、前記広帯域パルス光を１パルス内の経過時間と波長との関係が１対１になるようにパルス幅を伸長するパルス伸長器であることを特徴とする分光測定方法。
    

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