JP2022089199A - 光測定用光源装置、分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この出願の発明は、この知見に基づくものであり、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光測定用光源装置を提供することを目的とし、そのような光源装置を使用することで精度の高い高速の分光測定が行えるようにすることを目的としている。
また、上記課題を解決するため、この出願の光測定用光源装置は、分割器が、アレイ導波路回折格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、この出願の光測定用光源装置は、分割器が、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に各ファイバの入射端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、この出願の光測定用光源装置は、複数のファイバが、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファイバであり、各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定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、この出願の光測定用光源装置は、パルス光源が、スーパーコンティニウム光である前記パルス光を出射する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、この出願の分光測定装置は、スペクトルが連続しているパルス光を出射するパルス光源と、パルス光源から出射されたパルス光を波長に応じて空間的に分割する分割器と、分割器が分割する波長の数に応じた数の複数のファイバとを備えている。各ファイバは、分割器が空間的に分割した各波長の光が入射する位置に各入射端が位置しているとともに、1パルス内の経過時間と波長とが1対1で対応するよう入射光の波長に応じて長さが異なるものである。そして、この分光測定装置は、各ファイバから出射された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特性を算出する演算手段とを備えている。
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、分割器が、アレイ導波路回折格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、この出願の分光測定装置は、分割器が、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に各ファイバの入射端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、この出願の分光測定装置は、複数のファイバが、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファイバであり、各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定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、この出願の分光測定装置は、パルス光源が、スーパーコンティニウム光である前記パルス光を出射する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、この出願の分光測定方法は、スペクトルが連続しているパルス光を波長に応じて空間的に分割器により分割する分割工程と、
分割工程において分割されたパルス光を、分割した波長の数に応じた数の複数のファイバにそれぞれ入射させて伝送させることで、1パルス内の経過時間と波長とが1対1で対応した状態とするパルス伸長工程と、
パルス伸長工程によりパルス幅が伸長されたパルス光を対象物に照射する照射工程と、
パルス伸長工程によりパルス幅が伸長された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特性を算出する演算工程と
を備えている。
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、分割器が、アレイ導波路回折格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、この出願の分光測定方法は、分割器が、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に各ファイバの入射端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、この出願の分光測定方法は、複数のファイバは、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファイバであり、各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定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、この出願の分光測定方法は、パルス光がスーパーコンティニウム光であるという構成を持ち得る。
また、分割器がアレイ導波路回折格子である場合、低損失であるためさらに高照度の光照射が可能であり、また各ファイバとの接続が容易で製作し易いという効果が得られる。
また、複数のファイバが、同じパターンで長さが異なる複数のファイバ組を構成していると、コストダウンが図られる。
また、この出願の分光測定装置や分光測定方法によれば、光源からの光が時間的に分割されて対象物に照射されるので、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、長さの異なる別々のファイバで波長毎に伝送する構成を採用しているので、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分光測定のようにハイパワーの光を照射する必要のある分光測定を高精度に行うことができ、高速且つ高信頼性の装置及び方法となる。
まず、光測定用光源装置の発明の実施形態について説明する。図1は、第一の実施形態の光測定用光源装置の概略図である。図1に示す光測定用光源装置は、パルス光源1と、パルス伸長ユニット2とを備えている。パルス伸長ユニット2は、パルス光源1からの光を1パルス内の経過時間と波長との関係が1対1になるようパルス光源1からの光をパルス伸長させるユニットである。
900nmから1300nmの範囲とする点は、実施形態の光源装置は、この波長域における光測定を用途としているためである。少なくとも10nmの波長幅に亘って連続したスペクトルの光とは、典型的にはSC光である。したがって、この実施形態では、パルス光源1は、SC光源となっている。但し、SLD(Superluminescent Diode)光源のような他の広帯域パルス光源が使用される場合もある。
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。
より具体的な一例を示すと、1~20mまで1m刻みで長さが異なる20本のシングルモードファイバを伸長ファイバ41~4nとして使用することができる。
また、各伸長ファイバ41~4nは、同じもの(同じ特性のもの)が使用されているが、違う特性のものを使用しても良い。違う特性のものを使用する場合、その特性の差異に応じて長さの差異についても適宜選定する。
図4に示すようにアレイ導波路回折格子は、基板31上に各機能導波路32~36を形成することで構成されている。各機能導波路は、光路長が僅かずつ異なる多数のアレイ導波路32と、アレイ導波路32の両端(入射側と出射側)に接続されたスラブ導波路33,34と、入射側スラブ導波路33に光を入射させる入射側導波路35と、出射側スラブ導波路34から各波長の光を取り出す各出射側導波路36となっている。
このようなアレイ導波路回折格子は、例えばシリコン製の基板31を表面処理することで作製することができる。具体的には、シリコン製の基板31の表面に火炎堆積法によりクラッド層(SiO2層)を形成し、コア用のSiO2-GeO2層を同様に火炎堆積法により形成した後、フォトリソグラフィによりSiO2-GeO2層をパターン化して各導波路32~36を形成することにより作製される。各アレイ導波路32の線幅は、例えば5~6μm程度で良い。
アレイ導波路回折格子の各出射側導波路36には、伸長ファイバ41~4nがそれぞれ接続されている。したがって、伸長ファイバ41~4nには、上記のように波長に応じて空間的に分割された光が入射し、各波長の光が別々の伸長ファイバ41~4nで伝送されてそれぞれ異なった遅延時間が与えられる。
カプラ5は、光測定の目的に応じて所定の位置に配置される。超短パルスレーザ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となり、分割器3に入射する。そして、分割器3で波長に応じて空間的に分割され、各波長の光が各伸長ファイバ41~4nに入射される。各波長の光は、各伸長ファイバ41~4n中で遅延し、時間波長一意性が達成された状態で各伸長ファイバ41~4nから出射される。そして、出射された光は、カプラ5が指向する照射領域に照射される。
分割器3としては、図6(1)に示すように、一対の回折格子301を用いたものを採用し得る。一対の回折格子301で光を波長分散させ、マイクロレンズアレイ302を介して各伸長ファイバ41~4nに各波長の光を入射させる構成が採用できる。マイクロレンズアレイ302は各波長の光を集光して各伸長ファイバ41~4nのコアに入射させるマイクロレンズを配列した素子である。
いずれにしても、光を波長毎に分割器3で分け、波長毎に各伸長ファイバ41~4nで伝送してファイバ長の調整により時間波長一意性を達成すると、高強度の広帯域パルス光がパルス源1から出射される際にも、意図しない非線形光学効果が防止され、時間波長一意性が崩れてしまうことはない。
第二の実施形態の光測定用光源装置は、パルス伸長ユニット2の構成が第一の実施形態と異なっている。図7に示すように、第二の実施形態でも、パルス伸長ユニット2は、複数の伸長ファイバを備えている。これら伸長ファイバは、複数のファイバ組4G1~4Gnを構成するファイバ(以下、要素ファイバという。)41~4nを含んでいる。
また、マルチコアファイバ61~6nの代わりにバンドルファイバを使用することも可能である。上記の例では、5本のファイバを束ねたバンドルファイバを用意する。各バンドルファイバは、5メートル、10メートル、15メートルの長さとされ、同様にファイバ組4G2,4G3,4G4に対してそれぞれ接続される。
そして、パルス伸長ユニット2が、同一のパターンで異なる複数の要素ファイバ41~4nで構成された複数のファイバ組4G1~4Gnを含んでいるので、低コストとなる。
尚、図7に示す例では、分割器3に対して各ファイバ組4G1~4Gnが接続され、その後段に各マルチコアファイバ61~6nが接続されているが、この関係は逆であっても良い。即ち、分割器3に対して各マルチコアファイバ61~6nが接続され、その後段に各ファイバ組4G1~4Gnが接続されても良い。
図8は、第一の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、光測定用光源装置10と、光測定用光源装置10から出射された光を対象物Sに照射する照射光学系71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72と、検出器72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73とを備えている。
照射光学系71は、この実施形態では、ビームエキスパンダ711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。
演算手段73は、プロセッサ731や記憶部(ハードディスク、メモリ等)732を備えている。記憶部732には、検出器72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733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。
そして、対象物Sを経た光を検出器72に入射させた際、検出器72からの出力はAD変換器75を経て同様に各時刻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(必要に応じて各逆数の対数を取る)。上記のような演算処理をするよう、測定プログラム733はプログラミングされている。
尚、光源装置10の測定や検出器72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。
図10に示すように、第二の実施形態の分光測定装置では、光源装置10からの出射光を分岐させる分岐素子76が設けられている。分岐素子76としては、この実施形態では、ビームスプリッタが使用されている。
分岐素子76は、光源装置10からの光路を、測定用光路と参照用光路に分割するものである。測定用光路には、第一の実施形態と同様、受け板74が配置され、受け板74上の対象物Sを透過した光を受光する位置に測定用検出器72が配置されている。
第二の実施形態の分光測定装置を使用した第二の実施形態の分光測定方法では、リアルタイムで基準スペクトルデータが取得されるので、定期的な基準スペクトルデータの取得は行われない。この点を除き、第一の実施形態と同様である。
尚、900~1300nmの波長範囲に含まれるある波長幅に亘って連続スペクトルであることは、材料分析等に特に有効な近赤外域での光測定用として好適なものにする意義がある。但し、分光測定はこの波長範囲以外も種々のものがあり、分光測定装置や分光測定方法としては、この波長範囲に限られるものではない。
10 光源装置
11 超短パルスレーザ
12 非線形素子
2 パルス伸長ユニット
3 分割器
41~4n 伸長ファイバ
4G1~4Gn ファイバ組
5 カプラ
61~6n マルチコアファイバ
71 照射光学系
72 検出器
73 演算手段
75 AD変換器
S 対象物
Claims (15)
- スペクトルが連続しており1パルス内の経過時間と波長とが1対1で対応しているパルス光を出力する光測定用光源装置であって、
少なくとも100nmの波長幅に亘ってスペクトルが連続しているパルス光を出射するパルス光源と、
パルス光源から出射されたパルス光を波長に応じて空間的に分割する分割器と、
分割器が分割する波長の数に応じた数の複数のファイバと
を備えており、
各ファイバは、分割器が空間的に分割した各波長の光が入射する位置に各入射端が位置しているとともに、入射する光の波長に応じて長さが異なるものであることを特徴とする光測定用光源装置。 - 前記分割器は、アレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項1に記載の光測定用光源装置。
- 前記分割器は、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に前記各ファイバの入射端が配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光測定用光源装置。
- 前記複数のファイバは、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファイバであり、
各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、
各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定されていることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の光測定用光源装置。 - 前記パルス光源は、スーパーコンティニウム光である前記パルス光を出射する光源であることを特徴とする請求項1乃至4いずれかに記載の光測定用光源装置。
- スペクトルが連続しているパルス光を出射するパルス光源と、
パルス光源から出射されたパルス光を波長に応じて空間的に分割する分割器と、
分割器が分割する波長の数に応じた数の複数のファイバと
を備えており、
各ファイバは、分割器が空間的に分割した各波長の光が入射する位置に各入射端が位置しているとともに、1パルス内の経過時間と波長とが1対1で対応するよう入射光の波長に応じて長さが異なるものであり、
各ファイバから出射された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特性を算出する演算手段と
を備えていることを特徴とする分光測定装置。 - 前記分割器は、アレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項6に記載の分光測定装置。
- 前記分割器は、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に前記各ファイバの入射端が配置されていることを特徴とする請求項6記載の分光測定装置。
- 前記複数のファイバは、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファ
イバであり、
各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、
各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定されていることを特徴とする請求項6乃至8いずれかに記載の分光測定装置。 - 前記パルス光源は、スーパーコンティニウム光である前記パルス光を出射する光源であることを特徴とする請求項6乃至9いずれかに記載の分光測定装置。
- スペクトルが連続しているパルス光を波長に応じて空間的に分割器により分割する分割工程と、
分割工程において分割されたパルス光を、分割した波長の数に応じた数の複数のファイバにそれぞれ入射させて伝送させることで、1パルス内の経過時間と波長とが1対1で対応した状態とするパルス伸長工程と、
パルス伸長工程によりパルス幅が伸長されたパルス光を対象物に照射する照射工程と、
パルス伸長工程によりパルス幅が伸長された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特性を算出する演算工程と
を備えていることを特徴とする分光測定方法。 - 前記分割器は、アレイ導波路回折格子であることを特徴とする請求項11に記載の分光測定方法。
- 前記分割器は、回折格子と、回折格子が分散させた光を波長に応じて異なる位置に集光する光学系とを備えており、各集光位置に前記各ファイバの入射端が配置されていることを特徴とする請求項11に記載の分光測定方法。
- 前記複数のファイバは、複数のファイバ組を構成する要素ファイバと、マルチコアファイバであり、
各ファイバ組は同じパターンで長さが異なる複数の要素ファイバで構成されており、
各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアとが接続されており、マルチコアファイバの数及び長さは、各要素ファイバのコアとマルチコアファイバの各コアから成る各伝送路の全長が互いに異なる長さになるよう選定されていることを特徴とする請求項11乃至13いずれかに記載の分光測定方法。 - 前記パルス光は、スーパーコンティニウム光であることを特徴とする請求項11乃至14いずれかに記載の分光測定方法。
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