JP2022107510A - ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置および方法 - Google Patents
ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置および方法 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置を提供する。【解決手段】ターゲット306によって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置300は、パルスレーザ光源302と、ローブ光学系304と、集められた光を第1の光線および第2の光線に分割する入力分割器308と、前記光線を受け取るための入力開口および前記光線を分散させる光学分散器320を備える第1の分光器316、第2の分光器332、および分散された第1の光線および第2の光線を受け取り、分散された第1の光線および第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を、光線の分散を逆行させ、光線を出力開口に集束させる第2の分光器の入力開口に選択的に提供する空間光変調器328を備える光学分光計と、出力開口から出る光線のスペクトル成分を測定する検出器素子338とを備える。【選択図】図3
Description
本開示は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置に関する。さらに、本開示は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法に関する。
過去数十年にわたりラマン分光法は、ターゲット材の特性を調べ特定するか、またはターゲット材を他の材料と区別するために広く用いられる分光学的方法として普及してきた。ラマン分光法は、さまざまな分野、例えば美術・考古学、化学(有機材料と無機材料との両方で)、地質学、生命科学、薬剤学、半導体等において広く用いられている。典型的に、ラマン分光法は、ターゲット材料内における光と化学結合との相互作用に基づく。前記相互作用があると、ターゲット材料の分子に関する歴然とした化学的指紋(化学構造、相、多形、結晶度、分子相互作用等に関する情報を含む)を提供するラマンスペクトルが発生する。典型的に、ラマン分光法は、光学構成部品、例えば光学分光計が関与するある範囲の種々の技法によって実行可能である。
しかし、ラマン分光法のための既存の技法は、いくつかの制約を伴う。第1に、既存の技法は、角度分散を用いる光学分光計において単一光子アバランシェダイオード(SPAD:single photon avalonche diode)アレイ検出器が使用されるとき、好ましくないパルス面傾斜を伴う。角度分散が大きくなるほど光パルスのパルス面の傾斜が大きくなる。このことが光学分光計の時間応答関数の幅を広くし、時間分解能を低下させる。さらに、近赤外(NIR)波長に最適化されているSPADアレイ検出器は、設計し製造するのに費用がかかり、従って既製品を入手することができない。第2に、1つの分光器とSPADアレイ検出器とを有する空間光変調(SLM:spatial light modulation)型分光計は本来、とても最適とは言えない。これは、そのような分光計においては異なる波長が同じ点に正確に集束され得ないという事実に起因する。第3に、2つの分光器を有する既存のSLM型分光計が、典型的に、単一の光伝播用チャンネルを有し、最適な波長分解能、スペクトル範囲および大きなスループットの組み合わせを得るにはあまり適していない。さらに、そのような分光計は、迷光減少と、単一パルスのダイナミックレンジの最大化(すなわち単一レーザパルスあたり最大のSPAD計数)とに関しても非効率的である。さらに、ラマン分光法のための既存の技法および装置は、強くかつ短寿命の光ルミネセンスと組み合わされた弱いラマン信号の検出にはあまり適していない。このことは、そのようなラマン信号のスペクトル成分を測定する際に、不正確な値をもたらす。
従って、上述の考察を考慮すると、ラマン分光法のための既存の装置および技法に伴う上記の課題を解決する必要が存在する。
本開示は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置を提供することを目的とする。本開示は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法を提供することも目的とする。本開示の目的は、先行技術における課題を少なくとも部分的に解決する方策を提供することである。
一側面において、本開示の実施形態は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置であって、
・ レーザ光線を放出するために使用されるパルスレーザ光源と;
・ プローブ光学系であって、
・ 前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くために使用される励起光学系;および
・ 前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めるために使用される集光光学系、
を備えるプローブ光学系と;
・ 光学分光計であって、
・ 前記集光光学系から受け取られた、前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割するために使用される入力分割器;
・ 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ受け取るための少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させるために使用される光分散器と、を備える第1の分光器;
・ 少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える第2の分光器;および
・ 前記第1の分光器の前記光分散器から、前記分散された第1の光線を第1の変調区域において、前記分散された第2の光線を第2の変調区域において受け取り、前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を前記第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供するように配置されたピクセルの2次元アレイを備える空間光変調器、
を備え、前記第2の分光器は、与えられた光線の分散を逆行させ前記与えられた光線を対応する出力開口に集束するために使用される光学分光計と;
・ 前記対応する出力開口から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定するために使用される時間分解検出器素子と、
を備え、
前記光学分光計は、前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させるために使用される少なくとも1つの遅延線をさらに備え、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
装置を提供する。
・ レーザ光線を放出するために使用されるパルスレーザ光源と;
・ プローブ光学系であって、
・ 前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くために使用される励起光学系;および
・ 前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めるために使用される集光光学系、
を備えるプローブ光学系と;
・ 光学分光計であって、
・ 前記集光光学系から受け取られた、前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割するために使用される入力分割器;
・ 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ受け取るための少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させるために使用される光分散器と、を備える第1の分光器;
・ 少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える第2の分光器;および
・ 前記第1の分光器の前記光分散器から、前記分散された第1の光線を第1の変調区域において、前記分散された第2の光線を第2の変調区域において受け取り、前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を前記第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供するように配置されたピクセルの2次元アレイを備える空間光変調器、
を備え、前記第2の分光器は、与えられた光線の分散を逆行させ前記与えられた光線を対応する出力開口に集束するために使用される光学分光計と;
・ 前記対応する出力開口から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定するために使用される時間分解検出器素子と、
を備え、
前記光学分光計は、前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させるために使用される少なくとも1つの遅延線をさらに備え、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
装置を提供する。
別の側面において、本開示の実施形態は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法であって、
・ パルスレーザ光源からレーザ光線を放出することと;
・ 励起光学系を用いて前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くことと;
・ 集光光学系を用いて前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めることと;
・ 前記集められた光線を前記集光光学系から受け取り、入力分割器を用いて前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割することと;
・ 第1の分光器を用いて前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線を空間光変調器の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取ることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器に選択的に提供することと;
・ 前記第2の分光器を用いて与えられた光線の分散を逆行させることと;
・ 時間分解検出器素子を用いて前記第2の分光器から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定することと、
を含み、
前記方法は、少なくとも1つの遅延線を用いて前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させることをさらに含み、前記少なくとも1つの遅延線は、少なくとも
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
方法を提供する。
・ パルスレーザ光源からレーザ光線を放出することと;
・ 励起光学系を用いて前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くことと;
・ 集光光学系を用いて前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めることと;
・ 前記集められた光線を前記集光光学系から受け取り、入力分割器を用いて前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割することと;
・ 第1の分光器を用いて前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線を空間光変調器の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取ることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器に選択的に提供することと;
・ 前記第2の分光器を用いて与えられた光線の分散を逆行させることと;
・ 時間分解検出器素子を用いて前記第2の分光器から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定することと、
を含み、
前記方法は、少なくとも1つの遅延線を用いて前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させることをさらに含み、前記少なくとも1つの遅延線は、少なくとも
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
方法を提供する。
本開示の実施形態は、先行技術における上述の課題を実質的に取り除くかまたは少なくとも部分的に対処し、改善された波長分解能、改善されたスペクトル範囲およびスループット、改善された時間装置応答関数の時間分解能、迷光の最小化、パルス面傾斜の解消および単一レーザパルスのダイナミックレンジの最大化を装置が提供することを可能にする。
本開示のさらなる側面、利点、特徴および目的は、後に続く添付の請求項とともに解釈される図面ならびに例示的な実施形態の詳細な説明から明らかにされる。
本開示の特徴が、添付の請求項によって定義される本開示の範囲から逸脱することなくさまざまな組み合わせにおいて結合され得ることが理解されるだろう。
上記の発明の摘要ならびに以下の実施形態例の詳細な説明は、添付の図面と併せて読まれたとき、より良く理解される。本開示を例示する目的で、開示の解釈例が図面に示される。しかし、本開示は、本明細書に開示される特定の方法および手段に限定されない。さらに、当業者は、図面が一定の比率ではないことを理解するだろう。可能な場合にはどこでも、類似の要素は、同一の数によって示された。
次に、本開示の実施形態が、以下の図を参照して、例としてのみ説明される。
添付の図面において、下線を引かれた番号は、下線を引かれた番号が上に置かれた項目または下線を引かれた番号と隣り合う項目を表すために使用される。下線を引かれていない番号は、下線を引かれていない番号と項目とを結ぶ線によって特定される項目に関する。番号に下線が引かれておらず、関連する矢印を伴うとき、下線を引かれていない番号は、矢印が指す一般的な項目を特定するために用いられる。
以下の詳細な説明は、本開示の実施形態とそれらを実施することができる進め方を例示する。本開示を実行するいくつかのモードが開示されたが、当業者は、本開示を実行するかまたは実施するための他の実施形態も可能であることを認識するだろう。
一側面において、本開示の実施形態は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置であって、
・ レーザ光線を放出するために使用されるパルスレーザ光源と;
・ プローブ光学系であって、
・ 前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くために使用される励起光学系;および
・ 前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めるために使用される集光光学系、
を備えるプローブ光学系と;
・ 光学分光計であって、
・ 前記集光光学系から受け取られた、前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割するために使用される入力分割器;
・ 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ受け取るための少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させるために使用される光分散器と、を備える第1の分光器;
・ 少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える第2の分光器;および
・ 前記第1の分光器の前記光分散器から、前記分散された第1の光線を第1の変調区域において、前記分散された第2の光線を第2の変調区域において受け取り、前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を前記第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供するように配置されたピクセルの2次元アレイを備える空間変調器、
を備え、前記第2の分光器は、与えられた光線の分散を逆行させ前記与えられた光線を対応する出力開口に集束するために使用される光学分光計と;
・ 前記対応する出力開口から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定するために使用される時間分解検出器素子と、
を備え、
前記光学分光計は、前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させるために使用される少なくとも1つの遅延線をさらに備え、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
装置を提供する。
・ レーザ光線を放出するために使用されるパルスレーザ光源と;
・ プローブ光学系であって、
・ 前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くために使用される励起光学系;および
・ 前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めるために使用される集光光学系、
を備えるプローブ光学系と;
・ 光学分光計であって、
・ 前記集光光学系から受け取られた、前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割するために使用される入力分割器;
・ 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ受け取るための少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させるために使用される光分散器と、を備える第1の分光器;
・ 少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える第2の分光器;および
・ 前記第1の分光器の前記光分散器から、前記分散された第1の光線を第1の変調区域において、前記分散された第2の光線を第2の変調区域において受け取り、前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を前記第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供するように配置されたピクセルの2次元アレイを備える空間変調器、
を備え、前記第2の分光器は、与えられた光線の分散を逆行させ前記与えられた光線を対応する出力開口に集束するために使用される光学分光計と;
・ 前記対応する出力開口から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定するために使用される時間分解検出器素子と、
を備え、
前記光学分光計は、前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させるために使用される少なくとも1つの遅延線をさらに備え、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
装置を提供する。
別の側面において、本開示の実施形態は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法であって、
・ パルスレーザ光源からレーザ光線を放出することと;
・ 励起光学系を用いて前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くことと;
・ 集光光学系を用いて前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めることと;
・ 前記集められた光線を前記集光光学系から受け取り、入力分割器を用いて前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割することと;
・ 第1の分光器を用いて前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線を空間光変調器の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取ることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器に選択的に提供することと;
・ 前記第2の分光器を用いて与えられた光線の分散を逆行させることと;
・ 時間分解検出器素子を用いて前記第2の分光器から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定することと、
を含み、
前記方法は、少なくとも1つの遅延線を用いて前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させることをさらに含み、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
方法を提供する。
・ パルスレーザ光源からレーザ光線を放出することと;
・ 励起光学系を用いて前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くことと;
・ 集光光学系を用いて前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めることと;
・ 前記集められた光線を前記集光光学系から受け取り、入力分割器を用いて前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割することと;
・ 第1の分光器を用いて前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線を空間光変調器の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取ることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器に選択的に提供することと;
・ 前記第2の分光器を用いて与えられた光線の分散を逆行させることと;
・ 時間分解検出器素子を用いて前記第2の分光器から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定することと、
を含み、
前記方法は、少なくとも1つの遅延線を用いて前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させることをさらに含み、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子との間の光路、
の少なくとも一方に配置される、
方法を提供する。
本開示は、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための上述の装置および上述の方法を提供する。本装置においては、空間光変調器(SLM:spatial light modulator)および検出器素子(市販の1ピクセル単一光子アバランシェダイオード(SPAD)など)に基づく時間分解光学分光計が使用され、検出器素子は、時間分解検出器素子として用いられるように構成される。実際、時間分解検出器素子は、時系列で活動状態にするかまたは停止状態にすることができる検出器を指す。一例において、時間分解検出器素子は、ある期間動作状態にされる(すなわち光子を検出する)。この期間の開始時刻は、光のパルスを放出する時刻と同期する(開始時刻は典型的には設定に依存して数ナノ秒後である)ように設定される。こうすると、時間分解検出器素子は、ターゲットから散乱され放出された光を特定の期間測定するように構成することができる。前記分光計は、2つ以上の入力開口および同数の出力開口を有する。光学分光計は、ラマン散乱光のスペクトル成分の選択的な測定を逐次的な方法で促進する。このことは、開口において種々の光学遅延を用いることおよび光線を光学分光計内で最適な数のチャンネル(多重チャンネル)に分割することによって実行される。さらに、本装置においては、総パルス面傾斜を効果的に解消する減算的分散構成で2つの分光器が用いられる。第2の分光器は、第1の分光器によって作り出された角度分散およびパルス面傾斜を逆行させる。有利な点として、パルス面傾斜の解消は、装置の時間分解能の改善をもたらす。本装置は、波長分解能、スペクトル範囲および大きなスループットの最適な組み合わせを得るのに好適である。このことは、各チャンネルが異なる光路長と関連している多重チャンネル分光計を装置が使用するという事実によると考えられる。このことは、迷光を最大限減少させ、単一パルスのダイナミックレンジを最大化し、強くかつ短寿命の光ルミネセンスと結合した弱いラマン散乱光を効率的に検出するという点で有効である。その結果、ラマン散乱光のスペクトル成分は、簡便にかつ高精度で測定される。本装置は、従来不可能だった実験室および工業段階での測定を可能にする。
本開示全体にわたり、用語「スペクトル成分」は、ターゲットによって放出されるラマン散乱光のスペクトルの成分を指す。スペクトル成分は、限られた幅を有する1つ以上の波長帯からなる。ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するとは、そのスペクトル成分を含む1つ以上の波長帯だけに属する光子を効果的に検出することを意味する。
本開示全体にわたり、用語「ターゲット」とは、測定されたスペクトル成分に基づいて検討および/または特定されるべき被検物(すなわち分析物)を指す。ターゲットが固体状態(例えば粉体)、液体状態(例えばゲルまたはスラリー)、気体状態等の場合があることは理解されよう。特に、異なるターゲットではターゲットの分子組成または構造に基づいて異なるラマン散乱光のスペクトルが生み出される。このことが、ターゲットによって放出されるラマン散乱光のスペクトル成分を測定することによるターゲットの検討および/または特定を可能にする。
本開示全体にわたり、用語「パルスレーザ光源」は、光パルスの形で(すなわち非連続モードで)レーザ光線を放出するレーザ光源を指す。パルスレーザ光源は、可視域、近赤外(NIR)域または近紫外域にある波長を有するレーザ光線を放出するために使用されることは理解されよう。例において、パルスレーザ光源によって放出されるレーザ光線の中心波長は、532ナノメートルまたは775ナノメートルまたは1064ナノメートル等のことがある。任意選択として、パルスレーザ光源のパルス幅(すなわち半値幅(FWHM:full width at half maximum))は、5ピコ秒~200ピコ秒の範囲にある。例えば、与えられるパルス幅は、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190または195ピコ秒~10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100、105、110、115、120、125、130、135、140、145、150、155、160、165、170、175、180、185、190、195または200ピコ秒のことがある。
本開示全体にわたり、用語「プローブ光学系」は、レーザ光線をターゲットの方へ導くためのおよびターゲットによって散乱され放出された光線を集めるための光学的配置を指す。
任意選択として、励起光学系は、レーザ光線をターゲットと結合させるための少なくとも1つの第1の光学素子を備える。特に、励起光学系は、必要な波長のレーザ光線をターゲットの方へ導くために使用される。少なくとも1つの第1の光学素子の動作仕様および/または配置は、必要な波長および/または装置内の構成部品の配置に基づいて選択される。
任意選択として、励起光学系は、放出されたレーザ光線を、そのレーザ光線をターゲットの方へ導く前に、スペクトル的にきれいにするために使用されるバンドパスフィルタを備える。任意選択として、これについて、バンドパスフィルタは、放出されたレーザ光線の所望の波長だけがターゲットの方へ導かれることを可能にし、放出されたレーザ光線の望ましくない波長をターゲットに到達する前に減衰させるように構成される。例において、放出されたレーザ光線は、750ナノメートル~760ナノメートルの範囲にある波長を有することがある。放出されたレーザ光線の必要な波長が755ナノメートルのことがある。そのような場合、バンドパスフィルタは、放出されたレーザ光線の755ナノメートルに等しいもの以外のすべての波長を減衰させるように放出されたレーザ光線をスペクトル的にきれいにするために使用される。
任意選択として、集光光学系は、ターゲットによって散乱され放出された光線を光学分光計と結合するための少なくとも1つの第2の光学素子を備える。少なくとも1つの第2の光学素子の動作仕様および/または配置は、要件に従って選択される。
任意選択として、集光光学系は、ターゲットによって散乱され放出された光線中に存在する弾性的に散乱された光の量を減らすために使用される少なくとも1つのフィルタを備える。特に、ターゲットによって散乱され放出された光線は、弾性的に散乱された光と非弾性的に散乱された光との両方を含む。非弾性的に散乱された光は、「ラマン散乱光」と呼ばれる。弾性的に散乱された光の量は、非弾性的に散乱された光の量よりはるかに大きいことが周知である。本装置は、ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するので、弾性的に散乱された光は求められていない。求められていない弾性的に散乱された光は、ラマン散乱光のスペクトルと干渉する可能性が高い。従って、光線中に存在する弾性的に散乱された光は、弾性的に散乱された光が光学分光計に到達することを防ぐために集光光学系において少なくとも1つのフィルタを用いて低減される(すなわち抑制される)。任意選択として、この少なくとも1つのフィルタは、ターゲットによって散乱され放出された光線中に存在する弾性的に散乱された光の量を部分的にかまたは完全にかのどちらかで減らすために使用される。任意選択として、少なくとも1つの光学フィルタは、ローパスフィルタ、ハイパスフィルタまたはノッチフィルタのうち少なくとも1種類である。
任意選択として、励起光学系および/または集光光学系は、光ファイバを備える。励起光学系において使用されるとき、光ファイバは、レーザ光線をターゲットの方へ最小限の損失および電磁干渉で導く。集光光学系において使用されるとき、光ファイバは、少なくともターゲットによって放出されたラマン散乱光を集める。励起光学系および/または集光光学系において光ファイバを使用することは、装置を用いる点で柔軟性を促進することが理解されよう。光ファイバのタイプは、マルチモード光ファイバ、シングルモード光ファイバ、ステップインデックス光ファイバ、グラジエントインデックス光ファイバおよび微細構造光ファイバを含むことがあるがこれらに限定されるものではない。光ファイバの材料は、プラスチック、ガラス等のことがある。
本開示全体にわたり、用語「光学分光計」は、集められた光線を分離し、集められた光線の電磁スペクトルの特定の部分にわたる特性を測定するために用いられる機器を指す。光学分光計は、ターゲットの分光分析を可能にする。
本開示全体にわたり、用語「入力分割器」は、集められた光線を複数の光線(例えば第1の光線および第2の光線)に分割する(すなわち分裂させる)ために使用される光学素子を指す。任意選択として、入力分割器は、集められた光線を受け取るための入力開口と、第1の光線および第2の光線を第1の分光器に送るための、第1の分光器の入力開口と数が等しい複数の出力開口とを備える。集められた光線が入力分割器によって第3の光線、第4の光線、第5の光線等々などのさらなる光線に分割されることもあることが理解されよう。
任意選択として、第1の光線および第2の光線は、ターゲットによって放出されるラマン散乱光中に存在する範囲の波長の少なくとも一部を含む。与えられた光線がラマン散乱光中に存在する範囲の波長の少なくとも一部を含むとき、そのことは、与えられた光線がラマン散乱光中に存在する全範囲の波長の中から特定の範囲の波長、またはラマン散乱光中に存在する範囲の波長の全体を含むことを意味する。第1の光線および第2の光線は、ラマン散乱光中に存在する範囲の波長のうちの同じ部分または異なる部分を含むことがある。さらに、第1の光線および第2の光線は、ラマン散乱光中に存在する範囲の波長のうち等しい部分または等しくない部分を含むことがあり、その場合、与えられた部分中に存在する範囲の波長は、入力分割器のタイプおよび構成に依存する。
例において、775ナノメートル~1045ナノメートルの範囲の波長がラマン散乱光中に存在することがある。1つの場合には、第1の光線は、775ナノメートル~871ナノメートルの範囲にある波長を含むことがあり、一方、第2の光線は、871ナノメートル~967ナノメートルの範囲にある波長を含むことがあり、第3の光線は、967ナノメートル~1045ナノメートルの範囲にある波長を含むことがある。別の場合には、第1の光線および第2の光線は、両方が775ナノメートル~1045ナノメートルの範囲にある波長を含むことがある。さらに別の場合には、第1の光線は、775ナノメートル~967ナノメートルの範囲にある波長を含むことがあり、一方、第2の光線は、967ナノメートル~1045ナノメートルの範囲にある波長を含むことがある。また別の場合には、第1の光線および第2の光線は、両方が775ナノメートル~967ナノメートルの範囲にある波長を含むことがある。
任意選択として、入力分割器は、ファイバ束および/またはダイクロイックフィルタの配置を備える。用語「ファイバ束」は、少なくとも2本の光ファイバを単一ケーブル中に備える光ファイバアセンブリを指す。ファイバ束は、集められた光線(すなわち円入力光線)を集められた光線のものより小さな直径の光線のアレイに変換するために使用される。光線のアレイ中の各光線は、ファイバ束中の光ファイバに対応する。例において、ファイバ束は、4本の光ファイバを備える。別の例において、ファイバ束は、8本の光ファイバを備える。ダイクロイックフィルタは、特定の波長または特定の範囲の波長の光が透過される一方、他の波長の光が反射される専用のフィルタである。任意選択として、入力分割器は、レンズおよび/またはミラーの配置をさらに備える。
任意選択として、入力分割器は、エタンデュ(etendue)スプリット式入力分割器である。そのような入力分割器は、ファイバ束または他のタイプのエタンデュスプリット式導波路を備える。実体化例において、丸い入力ファイバの先端が丸い入力ファイバより小さな直径を有する複数の丸いファイバを備えるファイバ束の先端に物理的に接続されることがある。エタンデュスプリット式入力分割器は、入力(集められた光線である)のあまり多くを犠牲にすることなく相当なスペクトル分解能の実現を促進することが理解されよう。さらに、エタンデュスプリット式分割器のファイバ束は、ダイクロイックフィルタの配置のものと比較して構造が簡単でありコスト効率が良い。ただし、エタンデュスプリット式入力分割器は、集められた光線をスプリットする幾何形状に基づく挿入(集められた光線の)に起因するいくぶんかのスペクトル損失を被る傾向がある。これは、丸いファイバの端の間の幾何形状的な重なりに起因する。このことに加えて、光学分光計において集められた光線が複数のスペクトル帯に分割されると損失が起こる。そのような場合、入力スペクトルパワー(挿入に起因するスペクトル損失を減じた)は、第1の分光器の入力開口の間で均等に分割される。その場合、発生したスペクトルは、空間光変調器(SLM)の面内で互いに対してシフトする。この場合、発生したスペクトルの部分の一部がSLMによって利用され、部分の残りは失われる。例えば、第1の分光器中に3つの入力開口がある場合があり、従ってSLM面内で3つのスペクトルが互いに対してシフトする。この場合、合計9つの部分から、発生したスペクトルの3つの等しい部分がSLMによって利用され、6つの部分は失われる。そのような場合、SLMにおける分割損失は6/9(または2/3)に等しい。
あるいは、任意選択として、入力分割器は、スペクトル的にスプリットする入力分割器である。そのような入力分割器は、少なくとも1つのダイクロイックフィルタを備える。スペクトル的にスプリットする入力分割器は、第1の分光器のすべての入力開口において集められた光線の入力エタンデュを保存し、入力エタンデュに入力開口の数を乗じる。スペクトル的にスプリットする入力分割器においては、幾何形状的なスペクトル損失が起こらないことが理解されよう。ただし、スペクトル的にスプリットする入力分割器は、スペクトル分解能が低下する傾向がある。丸い入力ファイバがテーパー形でないとき、集められた光線の入力エタンデュは、エタンデュスプリット式入力分割器とスペクトル的にスプリットする入力分割器との両方で同じである。エタンデュスプリット式入力分割器とスペクトル的にスプリットする入力分割器との各々において、集められた光線の入力エタンデュの一部が失われる。特に、エタンデュスプリット式入力分割器は、ファイバ束において入力エタンデュの大部分を失い、スペクトル的にスプリットする入力分割器は、第1の分光器の入力スリットにおいて入力エタンデュの大部分を失う。
エタンデュスプリット式入力分割器およびスペクトル的にスプリットする入力分割器と関連する上述の限界を補償するために、エタンデュスプリット式入力分割器とスペクトル的にスプリットする入力分割器との組み合わせが本開示の入力分割器として任意選択的に使用される。
第1の分光器の入力開口の数は、入力分割器の出力開口の数に等しい。分散されるべき与えられた光線は、与えられた入力開口を通って第1の分光計に入る。第1の分光器の入力開口の数は、光学分光計中のチャンネルの数を定義する(に等しい)。第1の分光器の各チャンネルは、別々の光線を収容する。各チャンネルは、与えられた光線のすべての波長またはその波長の限定された部分だけを含むように構成される。各チャンネル中に存在する与えられた光線の波長の範囲は、入力分割器のタイプ(例えば、エタンデュスプリット式入力分割器およびスペクトル的にスプリットする入力分割器)および入力分割器の構成に依存する。任意選択として、与えられた光線は、ファイバ光学系または自由空間ビーム光学系のどちらかを利用することによって第1の分光器に入る。第1の分光器のすべてのチャンネルは、類似の光学系を使用するが、異なるチャンネルに関連する光線は、異なる空間範囲および/または角度範囲を占める。
用語「分光器」は、ラマン散乱光のスペクトル成分の測定を促進するために、ラマン散乱光によって作り出されるスペクトルを取得し記録するために用いられる光学装置を指す。用語「光分散器」は、与えられた光線をその構成スペクトル成分に分散させる(すなわち分離する)ために用いられる光学素子(第1の分光器中の)を指す。与えられた光線が光分散器を通るとき、光分散器は、与えられた光線をその構成波長または波長帯に分散させる。光分散器の例は、分散プリズム、回折格子、ファブリ-ペローエタロンを含むがこれらに限定されるものではない。分散器から出る光線の波長の変化で除した角度の変化は、角度分散と呼ばれる。与えられた光線の種々の波長または波長帯は、光分散器によって種々の角度で偏移し、従って与えられた光線あたりのスペクトルを作り出す。言い換えると、第1の分光器のチャンネル毎に、光分散器は、空間光変調器の個別の位置にスペクトルを発生させるように、与えられた光線をスペクトル的に分散させる。第1の例において、第1の分光器の光分散器は、第1の光線をλ1、λ2およびλ3帯を含む波長帯の連続体に角度分散させる。
本開示全体にわたり、用語「空間光変調器」は、そこに入射する光の強度および/または位相を空間的に変化する方法で変調するために用いられる電子的にプログラム可能な(すなわちアドレス可能な)装置を指す。任意選択として、SLMは、反射タイプSLMである。反射タイプSLMは、例えば、デジタルマイクロミラー装置(DMD:digital micromirror device)として実体化される。特に、DMDと関連するスペクトルおよび傾斜角のいくつかの顕著に異なる実際的な配向がある。さらに、DMD中のマイクロミラーが、例えば、オン状態傾斜配向およびオフ状態傾斜配向において傾けられる多くの異なる方法があってよい。あるいは、任意選択として、SLMは、透過タイプSLMである。透過タイプSLMは、例えば、液晶ディスプレイ(LCD)として実体化される。いくつかの実体化において、透過タイプSLMより反射タイプSLMの使用が好ましい。
特に、SLMは、第1の分光器(特定的に第1の分光器の出力において)と第2の分光器(特定的に第2の分光器の入力において)との間に配置される。SLMおよび第1の分光器は、第1の分光器の各入力開口に対応する発生したスペクトルをSLMの別々の重複しない変調区域に集束するように構成される。詳しくは、SLMは、そのピクセルの2次元アレイの異なる変調区域において異なる分散された光線を受け取る。任意選択として、第1の分光器の光分散器に対するSLMの配置が、分散された第1および第2の光線を別々の変調区域において受けることを可能にする。第1の例を参照して、分散された第1の光線の波長帯λ1、λ2およびλ3は、SLMの第1の変調区域において受け取られることがある。第1の変調区域は、第2の変調区域と異なる。
任意選択として、空間光変調器の与えられた変調区域は、少なくとも2つのピクセルを備え、第2の分光器の対応する入力開口への与えられた光線を遮断するかまたは透過するかのどちらかのために与えられたピクセルが使用され、さらに、本装置は、空間光変調器の与えられた変調区域の少なくとも2つのピクセルを制御するように構成されたコントローラを備える。典型的に、SLMの与えられた変調区域は、数千ピクセルを備える。与えられたピクセルは、それに衝突する与えられた光線が第2の分光器の対応する入力開口に透過されるときオンであり、与えられたピクセルは、それに衝突する与えられた光線が第2の分光器の対応する入力開口に透過されないときオフであることが理解されるべきである。第2の分光器のいかなる入力開口にも導かれない光線のスペクトル成分は、測定されない。第1の例を参照して、SLMは、波長帯λ1を有する光線を透過し、波長帯λ2およびλ3を有するその他の光線を遮断するように構成されることがある。従って、第2の分光器は、波長帯λ1を有する光線を第2の分光器の出力開口に、および最終的に時間分解的に検出するように構成された検出器素子に導き先を変更する。
任意選択として、与えられたピクセルが与えられた光線を遮断するために使用されるとき、SLMは、遮断された光線をビームダンプに透過するように構成される。用語「ビームダンプ」は、遮断された光線中の光子のエネルギーを吸収するように設計された装置を指し、ビームブロック、ビームストップまたはビームトラップと呼ばれることもある。
用語「コントローラ」は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらのものの組み合わせを指す。任意選択として、コントローラは、SLMの与えられた変調区域の少なくとも2つのピクセルを制御するように通信可能にSLMと結合される。詳しくは、コントローラは、SLMの2次元アレイピクセルのすべてを制御するように構成される。コントローラの例は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、中央演算処理装置(CPU)を含むことがあるがこれらに限定されるものではない。
「分散された第1の光線および分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供する」によって、
・ 分散された第1の光線の一部または全部は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線は、第2の分光器の第2の入力開口に提供されないか;
・ 分散された第2の光線の一部または全部は、第2の分光器の第2の入力開口に提供され、一方、分散された第1の光線は、第2の分光器の第1の入力開口に提供されないか;または
・ 分散された第1の光線の一部または全部は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線の一部または全部は、第2の分光器の第2の入力開口に提供される、
ことが意味される。
・ 分散された第1の光線の一部または全部は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線は、第2の分光器の第2の入力開口に提供されないか;
・ 分散された第2の光線の一部または全部は、第2の分光器の第2の入力開口に提供され、一方、分散された第1の光線は、第2の分光器の第1の入力開口に提供されないか;または
・ 分散された第1の光線の一部または全部は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線の一部または全部は、第2の分光器の第2の入力開口に提供される、
ことが意味される。
例において、2000個のピクセルの2次元アレイを備える空間光変調器がある場合があり、その場合、第1の変調区域は、1000個のピクセルを備えることがあり、第2の変調区域は、1000個のピクセルを備えることがある。1つの場合において、分散された第1の光線の全部は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線は、第2の分光器の第2の入力開口に提供されない。その場合、第1の変調区域の1000個のピクセルは、オンであり、第2の変調区域の1000個のピクセルは、オフである。別の場合において、分散された第2の光線の半分は、第2の分光器の第2の入力開口に提供され、一方、分散された第1の光線は、第2の分光器の第1の入力開口に提供されない。その場合、第2の変調区域の500個のピクセルは、オンであり、第2の変調区域の500個のピクセルはオフであり、第1の変調区域の1000個のピクセルは、オフである。さらに別の場合において、分散された第1の光線の半分は、第2の分光器の第1の入力開口に提供され、一方、分散された第2の光線の全部は、第2の分光器の第2の入力開口に提供される。その場合、第1の変調区域の500個のピクセルは、オンであり、第1の変調区域の500個のピクセルは、オフであり、第2の変調区域の1000個のピクセルは、オンである。
任意選択として、あらゆる瞬間において、少なくとも1つのスペクトル帯が、前記スペクトル帯に属する、分散された与えられた光線を受けるSLMの与えられた変調区域の少なくとも1つのピクセルにおいてオンに切り替えることにより、光学分光計によって測定されるように選択される。言い換えると、分散された第1の光線および分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部の選択的な提供は、必要に応じて動的に行うことができる。いくつかの実体化において、SLMは、そこに入射する複数の分散された光線の中から1本の光線だけを第2の分光器に透過し、一方、他の分散された光線を遮断するように構成される。他の実現例において、SLMは、そこに入射する複数の分散された光線の中から2本以上の光線を第2の分光器に透過し、一方、他の分散された光線を遮断するように構成される。
第2の分光器は、SLMの与えられた変調区域から与えられた分散された光線を集め、与えられた分散された光線の角度分散を逆行させるために使用される。角度分散を逆行させる際に第2の分光器の光学系を用いると、角度分散によって生み出されるパルス面傾斜解消を促進することが理解されよう。これらの光学系の配置および/または構成は、角度分散の逆行を可能にする。これらの光学系は、光学分散器、ミラー、プリズム、レンズおよび類似物などの1つ以上の光学素子として実体化される。
任意選択として、与えられたピクセルが第2の分光器の対応する入力開口への与えられた光線を遮断するために使用されるとき(すなわち与えられたピクセルがオフであるとき)、与えられた光線が第2の分光器の光学系に到達しないので、与えられた光線の分散は逆行させられず、与えられた光線は、第2の分光器の対応する出力開口に集束されない。そのような場合、与えられた光線のスペクトル成分は、測定されない。あるいは、任意選択として、与えられたピクセルが第2の分光器の対応する入力開口への与えられた光線を透過するために使用されるとき(すなわち与えられたピクセルがオンであるとき)、与えられた光線が第2の分光器の光学系と相互作用するので、与えられた光線の分散は逆行させられ、与えられた光線は、第2の分光器の対応する出力開口に集束される。そのような場合、与えられた光線のスペクトル成分は、測定される。
特に、光学分散器によって実体化される角度分散は、比例パルス面傾斜と関連し、そのことは、好ましくない。第1の分光器および第2の分光器が上述の減算的分散構成において有利に実体化されるとき、第2の分光器は、パルス面傾斜を効果的に解消する。その結果、時間装置応答関数の時間分解能は、狭くなる(従って改善される)。
光学分光計は、与えられた光線のスペクトル成分を要件に従って選択的に測定することを促進する。SLMは、第1の分光器および第2の分光器と組み合わされて、光学分光計中の高速かつ柔軟なフィルタとして作用することも理解されよう。このことは、SLMのピクセルが与えられた光線の少なくとも一部を遮断するかまたは透過するために独立に使用されるという事実によると考えることができる。このことは、SLMによって行われる光フィルタリング動作と考えることができる。そのような場合、一度に1つの波長帯を掃引することによって完結したラマンスペクトルを得ることができるだろう。あるいは、必要に応じてそのような波長帯の任意の組み合わせにより検出器へと透過するかまたは遮断することを容易に可能にすることができるだろう。SLMは、従来のダブルモノクロメータの一般化と考えることができる。有利な点として、そのようなSLMは、角度分散によって引き起こされた余分なパルス面傾斜を補償する。
光学分光計の全体的なスペクトル分解能は、第1の分光器の光学スペクトル分解能とSLMのサンプリング分解能とによって決定される。
時間分解検出器素子は、第2の分光器の出力開口に配置される。動作時、時間分解検出器素子は、第2の分光器の出力開口から発する(すなわち、から出る)光線を検出する。時間分解検出器素子は、与えられた光線のスペクトル成分を測定するために、与えられた光線を比例電気信号に変換する。
任意選択として、時間分解検出器素子は、単一光子アバランシェダイオードを備える。用語「単一光子アバランシェダイオード」は、与えられた光線の強度を与えられた光線中の単一光子レベルまで下りて検出することができる固体状態光検出器を指す。単一光子アバランシェダイオード(SPAD)は、第2の分光器の対応する出力開口から発する与えられた光線中のあらゆる単一光子を検出することができる。さらに、SPADは、各光子の到着時刻を得るためにも用いることができる。
あるいは、任意選択として、時間分解検出器素子は、単一光子アバランシェダイオードのアレイを用いて実体化される。この場合、時間分解検出器素子のための検出器素子として複数のSPADが使用される。
任意選択として、コントローラは、通信可能に検出器と結合される。任意選択として、この点について、コントローラは、与えられた光線の一部または全部の透過および/または遮断に関する情報を検出器素子に通知するように構成される。このことは、検出器素子はそれが検出し分析するものとされている光線について既に知らされているので、任意選択として、検出器素子の動作をSLMと同期させることを促進する。実際は、コントローラと検出器素子との組み合わせが時間分解検出器素子を形成する。
ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための時間分解検出器素子の動作は、後でさらに詳細に説明される。
任意選択として、第2の分光器は、第1の分光器である。任意選択として、この点について、本装置は、第1の分光器と第2の分光器との両方の機能を果たす単一の分光器を備える。そのような場合、単一の分光器の構造は、第1の分光器の光学系に加えて、与えられた光線の分散を逆行させ、第1の分光器の光学系によって作り出されたパルス面傾斜を解消させる、光学素子の配置(例えばミラー、レンズ等の配置など)も与えられた光線の光路に存在するようなものである。
任意選択として、本装置は、第2の分光器の第1の出力開口および第2の出力開口からそれぞれ集束された第1の光線と第2の光線とを組み合わせるために使用される出力結合器をさらに備える。任意選択として、この点について、検出器素子は、出力結合器から、第1の光線と第2の光線との両方を含む組み合わされた光線を受け取る。出力結合器は、入力分割器の効果を逆行させる。スペクトル分解は、SLMにおける入力スリットイメージ(例えばDMDとして実体化される)によって実行されるので、第2の分光器に別個の出力開口を加えることは、任意選択である。
本開示全体にわたり、用語「遅延線」は、本装置中の少なくとも1本の遅延線の配置に応じて、与えられた光線の少なくとも一部を遅延させるために用いられる少なくとも1本の光ファイバを指す。任意選択として、少なくとも1本の遅延線は、数メートルの長さを有する。少なくとも1本の遅延線は、光学分光計のさまざまなチャンネルを通って進行する光線の間に相対的な時間遅延を導入する。相次ぐチャンネルの間の遅延の量が検出器素子(例えば単一SPAD)の有用なホールドオフ時間に等しいことが理解されよう。複数のSPADを使用する場合においても、少なくとも1本の遅延線を使用することによって相次ぐチャンネルの間のナノ秒遅延が意図的に加えられる。そのような場合、各チャンネルのラマン信号は、それ自体からの迷光成分を有するだけであり、他のチャンネルからのものはない。従って、少なくとも1本の遅延線は、本装置内の迷光の最小化を可能にする。
本明細書において、用語「迷光」は、望ましくない光を指す。望ましくないことに迷光が検出器素子に到達した場合、そのことは、与えられた光線のスペクトル成分を正確に測定することを妨げるだろう。いくつかの場合、SLMがDMDとして実体化されるとき、DMDは、ミラー縁部における回折に起因して、およびDMDのマイクロミラーからのおよびDMDのマイクロミラー下の機構由来の散乱に起因して、不可避的に迷光を生じる。さらに、DMDがミラー縁部における回折に起因して迷光を生じるとき、オン状態のマイクロミラーの区域が2次元ブレーズド格子として作用する。マイクロミラーステップサイズに対するそこに入射する光の波長の比に依存して、ゼロを上回る1以上の回折次数が無視することができない強度を有する。また、オフ状態マイクロミラーの区域も回折が起こり得る2次元格子を形成する。
実際には、SLMの変調コントラストは理想的でないことがあり、望まれない波長において検出器素子に到達する迷光があり得る。第1の例を参照して、SLMは、波長帯λ1を有する光線だけを透過するように構成されるが、SLMを出、第2の分光器に、および最終的には検出器素子に到達する、波長帯λ2およびλ3の波長を有する遮断された光線に関連する迷光があり得る。波長帯λ2およびλ3に対応する迷光は、無視することができない振幅を有し、従って与えられた光線のスペクトル成分の測定に干渉することがある。迷光のそのような望ましくない効果を減らすために、少なくとも1つの遅延線は、本装置において有利に使用される。さらに、任意選択として、本装置は、入力分割器と第1の分光器との間の光路中に少なくとも1つのダイクロイックフィルタをさらに備える。少なくとも1つのダイクロイックフィルタは、本装置中の迷光の最小化も促進し、それによって、ラマン散乱光のスペクトル成分の測定の正確さを改善する。
入力分割器と第1の分光器との間の光路に配置されている少なくとも1つの遅延線は、少なくとも1つの「入力遅延線」であると理解されることがあるが、第2の分光器と検出器素子との間の光路に配置されている少なくとも1つの遅延線は、少なくとも1つの「出力遅延線」であると理解されることがあることが理解されよう。本装置は、少なくとも1つの入力遅延線および/または少なくとも1つの出力遅延線を備える。
句「第1の光線または第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させる」によって、
・ 少なくとも1つの遅延線は、第1の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第2の光線を遅延させないか;
・ 少なくとも1つの遅延線は、第2の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第1の光線を遅延させないか;または、
・ 少なくとも1つの遅延線は、第1の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第2の光線の一部または全部も遅延させ、第1の光線に対応する遅延は、第2の光線に対応する遅延と異なる、
ことが意味される。
・ 少なくとも1つの遅延線は、第1の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第2の光線を遅延させないか;
・ 少なくとも1つの遅延線は、第2の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第1の光線を遅延させないか;または、
・ 少なくとも1つの遅延線は、第1の光線の一部または全部を遅延させ、一方、第2の光線の一部または全部も遅延させ、第1の光線に対応する遅延は、第2の光線に対応する遅延と異なる、
ことが意味される。
上記の場合のそれぞれにおいて、第1の光線の少なくとも一部と第2の光線の少なくとも一部との間に相対的な時間遅延が導入される。
任意選択として、少なくとも1つの遅延線は、入力分割器と第1の分光器との間の光路に配置され、少なくとも1つの遅延線は、第1の光線および第2の光線の少なくとも一方を入力分割器から第1の分光器の第1の入力開口および第2の入力開口へそれぞれ運ぶために使用される固定された光ファイバまたはファイバ束を備え、
・ 第1の光線および第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 第1の光線の少なくとも一部および第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する。
・ 第1の光線および第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 第1の光線の少なくとも一部および第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する。
そのような場合、光学分光計の入力側において第1の光線と第2の光線との間に相対的な時間遅延が導入される。その結果、第1の光線の少なくとも一部と第2の光線の少なくとも一部とは、異なる瞬間に第1の分光器に入り、相対的な時間遅延を有して第1の分光器、SLMおよび第2の分光器を通って進行する。
実施形態において、SLMの動作は、少なくとも1つの遅延線によって導入された遅延に従って同期される。言い換えると、第1の光線と第2の光線とは、第1の分光器に入るためにそれらのそれぞれの入力遅延線において提供される遅延に従って互いに前後して伝播する。SLMは、第1の光線および/または第2の光線が異なる瞬間に第2の分光器に透過されることを可能にする。第1の光線と第2の光線との一方だけが与えられた瞬間に透過され、他方の光線が遮断されたとき、遮断された光線に関連する迷光が、遮断された光線に対応する遅延に従って第2の分光器に入るために不可避的に透過される。その結果、検出器素子において異なる瞬間に透過された光線と迷光とが受け取られる。検出器素子は、時間分解型なので、透過された光線は、測定のために考慮されるだろうが、遮断された光線に関連する迷光は、廃棄することができ測定のために考慮されなくてよいことが理解されよう。このことは、ラマン散乱光のスペクトル成分の測定の正確さの改善を可能にする。
任意選択として、少なくとも1つの遅延線は、第2の分光器と検出器素子との間の光路に配置され、少なくとも1つの遅延線は、第1の光線および第2の光線を第2の分光器の第1の出力開口および第2の出力開口から検出器素子にそれぞれ運ぶために使用される固定された光ファイバまたはファイバ束を備え、
・ 第1の光線および第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 第1の光線の少なくとも一部および第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する。
・ 第1の光線および第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 第1の光線の少なくとも一部および第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する。
そのような場合、光学分光計の出力側において第1の光線と第2の光線との間に相対的な時間遅延が導入される。その結果、第1の光線と第2の光線とは、時間分解検出器素子において異なる瞬間に受け取られる。この場合、第1の光線と第2の光線とは、第1の分光器、SLMおよび第2の分光器を通っていかなる相対的な時間遅延もなく進むが、時間分解検出器素子において異なる瞬間に入射する。時間分解検出器素子は、異なる瞬間に検出された光線を効率的に分解することができ、それによって、ラマン散乱光のスペクトル成分の測定精度を改善する。
本装置中の少なくとも1つの遅延線を使用することによって、第1の光線と第2の光線との間のパルス間遅延(すなわちパルスの間の相対的な時間遅延)が提供されることが理解されよう。このパルス間遅延は、検出器素子が第1の光線または第2の光線の一方中の光子を検出することができる状態であった後に、それ自体を再び活動状態にすることを可能にするのに十分なほど長くなければならない。言い換えると、パルス間遅延が検出器素子の不感時間(例えばSPAD不感時間)より短く、検出器素子が第1の光線または第2の光線の一方中の光子によって既に起動されている場合に、検出器素子が第1の光線または第2の光線の他方中にあり得るいかなる光子によって再び起動されても、これらの光子は検出されない。
典型的に、SPADの不感時間の最小値は、数十ナノ秒のオーダーである。このことは、少なくとも1つの遅延線の長さが、与えられた光線の必要な遅延を提供するために、少なくとも数メートルの光ファイバでなければならないことを意味する。与えられた遅延線の長さは、与えられた遅延線によって提供される遅延に直接関連する。例において、少なくとも1つの遅延線は、X1メートル、X2メートルおよびX3メートルであり、Y1ナノ秒、Y2ナノ秒およびY3ナノ秒の対応する遅延を有することがある。例えば、X1がX2未満であり、X2がX3未満であると、Y1はY2未満であり、Y2はY3未満である。別の例において、少なくとも1つの遅延線は、ゼロの長さを有することがある。このことは、少なくとも1つの遅延線と関連するいかなる遅延もないことを意味する。例えば、実施形態において、Y1はゼロナノ秒であってよく、Y2は10ナノ秒~30ナノ秒までであってよく、Y3は40ナノ秒~60ナノ秒までであってよい。Y2は10、15、20、25ナノ秒~20、25、30ナノ秒までであってよく、Y3は40、45、50、55ナノ秒~50、55、60ナノ秒までであってよい。1メートルの典型的なシリカガラスファイバーを通る光パルスの伝搬時間は、大体3、4、5ナノ秒~5、6、7ナノ秒までである。従って、この例において、X3は大体10メートル~14メートルまでであってよく、X2は大体4メートル~8メートルまでであってよく、X1は、名目0メートルであってよい。X3は、大体10、11、12メートル~12、13、14メートルまでであってよく、X2は大体4、5、6メートル~6、7、8メートルまでであってよい。
任意選択として、固定された光ファイバまたはファイバ束(少なくとも1つの遅延線を実体化するために用いられる)は、複数の光ファイバを備える。ファイバ束が光線再成形機能を遅延線効果と統合することを促進することが理解されよう。このことは、各分光計チャンネルに対して異なる長さのファイバ束を用いることによって実行される。本明細書において説明されるものなどの遅延線を有する実際のSLM系光学分光計において、遅延した光線は、光学分光計を通って1つずつ進行する。与えられた光線内のパルスの時間長さは、数十ピコ秒のオーダーである(ただし、光線の光ルミネセンステールは任意の長さであってよい)。
任意選択として、検出器素子は、ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するために時間ゲート制御検出を使用する。本明細書において、用語「時間ゲート制御検出」は、ラマン散乱光のスペクトル成分の測定のためにラマン信号(ラマン散乱光のスペクトル成分を含む)と(好ましくない)ノイズ信号(例えば光ルミネセンス信号、蛍光信号、迷光信号等)との間を効率的に区別するために時間ゲート制御技法を用いる検出を指す。時間ゲート制御技法においては、検出器素子によって検出された光信号の時刻記録は、時刻記録のうちでラマン信号および同時に発生する可能性があるノイズ信号を含む部分だけが測定を目的として分離され、ノイズ信号だけを含む部分は分離されない方法で分離される。検出器素子が、任意選択として、ゲート制御動作モードまたは非ゲート制御動作モードのどちらかで使用されることは理解されよう。次に、時間ゲート制御検出がさらに詳細に説明される。検出器がゲート制御動作モードとして使用されるとき、それは時間分解検出器として働く。
任意選択として、ピクセル切り替え時間(ΔtPS)は、6マイクロ秒~20マイクロ秒の範囲にある。マイクロミラーピクセル切り替え時間は、測定状況が信号帯(ラマン信号とノイズ信号との両方を含む)とベースライン帯(ノイズ信号だけを含む)との間の速い切り替えを求めるとき重要な要因である。下記において、デューティサイクルおよび信号対ノイズ比(SNR:signal-to-noise ratio)計算のために残留蛍光モデルが使用される。そのような場合、ベースライン帯は、残留蛍光だけを含むとみなされる。
任意選択として、(単一の)測定サイクルのデューティサイクルは、数学的に
CMC=(ΔtMC-nPCΔtPS)/ΔtMC=1-nPCΔtPS/ΔtMC (1)
と表され、ここで、CMCは、測定サイクルのデューティサイクルまたは1つの完結した測定のデューティサイクルを表し、ΔtMCは、1測定サイクルの長さを表し、nPCは、複数の異なるSLMピクセル構成を表す。用語「デューティサイクル」は、1つの周期のうち、測定サイクルまたは完結した測定に関連する光信号が活動状態である割合を指す。デューティサイクルは、1測定サイクルの長さ(ΔtMCと呼ばれる)に対する光信号が活動状態である(時間)長さの比として表されることがある。光信号は、SLMのピクセルの切り替え時にだけ非活動状態であり(切り替える間、ピクセルは検出器素子の方へ光信号を透過しないので)、この長さは、nPCΔtPSとして与えられる。
CMC=(ΔtMC-nPCΔtPS)/ΔtMC=1-nPCΔtPS/ΔtMC (1)
と表され、ここで、CMCは、測定サイクルのデューティサイクルまたは1つの完結した測定のデューティサイクルを表し、ΔtMCは、1測定サイクルの長さを表し、nPCは、複数の異なるSLMピクセル構成を表す。用語「デューティサイクル」は、1つの周期のうち、測定サイクルまたは完結した測定に関連する光信号が活動状態である割合を指す。デューティサイクルは、1測定サイクルの長さ(ΔtMCと呼ばれる)に対する光信号が活動状態である(時間)長さの比として表されることがある。光信号は、SLMのピクセルの切り替え時にだけ非活動状態であり(切り替える間、ピクセルは検出器素子の方へ光信号を透過しないので)、この長さは、nPCΔtPSとして与えられる。
任意選択として、完結した測定は、(単一の)測定サイクルからなる複数のサイクル反復(nCRと表される)を含む。SNR推定において必要な因子である、数ベースライン点(nbl)は、式nPC=nbl+1によってサイクル中のピクセル構成の数に関連付けられ、各SLMピクセル構成において費やされる時間は同じである。
任意選択として、1測定サイクル間にスペクトル帯のそれぞれにおいて費やされるデューティ時間は、(ΔtMC/nPC)-ΔtPSと表される。従って、完結した測定サイクルの間に各スペクトル帯において費やされる合計時間は、nCR((ΔtMC/nPC)-ΔtPS)として計算される。レーザ繰り返し率がfEXとして与えられると、スペクトル帯あたりのパルスの数(Nと表される)は、
N=fEXnCR((ΔtMC/nPC)-ΔtPS) (2)
と表される。
N=fEXnCR((ΔtMC/nPC)-ΔtPS) (2)
と表される。
任意選択として、測定における唯一のオーバーヘッドは、ΔtPSに由来すると考えると、測定の長さは、
ΔT=nCRΔtMC (3)
と表される。
式(1)、(2)および(3)を用いると、スペクトル帯あたりのパルスの数は、
ΔT=nCRΔtMC (3)
と表される。
式(1)、(2)および(3)を用いると、スペクトル帯あたりのパルスの数は、
N=fEXCMCΔT/nPC (4)
と表すことができる。
と表すことができる。
式(4)は、種々の装置の単位時間SNR推定値の計算を可能にすることが理解されよう。
時間ゲート制御検出においては、すべてのタイムビンが発光パルスの検出器への到着よりわずかに先行する別個のゲート遅延設定を用いてバックグラウンド信号を測定することが慣例的である。そのようなバックグラウンドは、試料のパルスレーザ励起と時間的に相関しない日光、生物発光および熱放射を含むがこれらに限定されるものではないあらゆるバックグラウンド光からなる。任意選択として、バックグラウンド信号は、残留蛍光モデルによって与えられる残留蛍光信号である。バックグラウンド信号のこれらの測定は、各測定サイクルにおいて混ざり合い、従って完結した測定サイクルを著しく長くする。本開示においては、別個のバックグラウンド測定は行われないが、本装置中で長い使用可能な時間からデジタルへの変換器(TDC)範囲を有するTDCを使用するという理由により、バックグラウンド信号は当然利用可能であると考えられる。
任意選択として、検出器素子は、時間分解モードにおいて、
・ 特定の波長範囲内の光子検出確率(PDP:photon detection probability)の最大化、
・ タイミングジッタ(すなわち、時間応答の近似的ガウシアン部分)の最小化、
・ 拡散尾長(すなわち、時間応答の指数部分)の最小化、
・ 特定の温度における暗計数率(DCR:dark count rate)の最小化、
・ 装置の光学系の残部に応じたその活動状態にある区域のサイズの最適化、
・ 必要なゲート制御速度(特に、ゲート制御の立ち上り時間)、
・ 必要なアフターパルス発生確率(想定される検出率における)、および
・ アバランシェ後の不感時間、
の少なくとも1つのために最適化される。
・ 特定の波長範囲内の光子検出確率(PDP:photon detection probability)の最大化、
・ タイミングジッタ(すなわち、時間応答の近似的ガウシアン部分)の最小化、
・ 拡散尾長(すなわち、時間応答の指数部分)の最小化、
・ 特定の温度における暗計数率(DCR:dark count rate)の最小化、
・ 装置の光学系の残部に応じたその活動状態にある区域のサイズの最適化、
・ 必要なゲート制御速度(特に、ゲート制御の立ち上り時間)、
・ 必要なアフターパルス発生確率(想定される検出率における)、および
・ アバランシェ後の不感時間、
の少なくとも1つのために最適化される。
任意選択として、これに関し、検出器素子は、SPADまたはガイガーモードアバランシェフォトダイオードとして実体化される。
任意選択として、SPADモジュールは、バイアス電圧設定、熱電冷却の少なくとも一方のためのエレクトロニクスを備える。バイアス電圧のバイアス設定が高いほどPDPおよびDCRが高く、タイミングジッタが小さいことが理解されよう。
典型的に、相補型金属酸化膜半導体-SPAD(CMOS-SPAD)アレイを動作させるとき、すべてのSPADは、同時にゲートをオンおよびオフにする。その結果、ホールドオフ時間(ΔtHO)がレーザパルス繰り返し周期より長いとき、有効繰り返し率は1/ΔtHOに減少する。しかし、本装置において、検出器素子は、任意選択として単一SPADである。単一SPADの特定の動作モードは、CMOS-SPADアレイのものと異なる。単一SPADを動作させる(TDCとともに)とき、ホールドオフタイム(ΔtHO)は、有効繰り返し率に悪影響を及ぼすことなく容易にレーザパルス繰り返し周期より長くすることができるだろう。
任意選択として、ゲート制御動作モードにおいて、検出器素子はゲートオン窓の間のみ感光性である。そのような場合、ゲートオフ窓の間に、検出器素子は使用不能となり、吸収された光子は、アバランシェを始動しない。任意選択として、低い繰り返し率を有するパルスレーザ源を使用するとき、検出器素子にとってゲート制御動作モードが好ましい。このことは、そのような場合、ゲート制御動作モードが暗計数の効率的な排除(それによってDCRを最小にする)およびバックグラウンド光の排除(それによってバックグラウンド信号を最小限にする)を提供するという事実に起因する。
任意選択として、ゲート制御動作モードは、レーザ繰り返し周期TLに対するホールドオフ時間ΔtHOによって区別される定性的に異なる2種類のゲート制御モードを含む。一方のゲート制御モードにおいて、ホールドオフ時間は最小限であり、検出器素子において受け取られるすべてのパルスは、ラマン信号に寄与することができる可能性があるだろう。そのような場合、クエンチ時間(ΔtQ)に追加されるホールドオフ時間は、ΔtQ≪TLのとき各パルスを計数することができるので存在しない。他方のゲート制御モードにおいて、ホールドオフ時間はかなり長く、いくつかのラマン信号計数が失われることがある。言い換えると、計数されていないパルスがあり得る。そのような場合、ゲート制御時間(ΔtG)とホールドオフ時間との和は、レーザ繰り返し周期の大体2倍、すなわちΔtG+ΔtHO≒2TL以上である。
本開示は、上記で説明された方法にも関する。上述の第1の側面に関して上記で開示されたさまざまな実施形態および変化形は、必要な変更を加えた上で本方法に適用される。
任意選択として、本方法は、第1の光線および第2の光線を第1の期間および第2の期間それぞれ遅延させることをさらに含む。任意選択として、第1の期間と第2の期間とは等しい。例において、第1の期間と第2の期間とは30ナノ秒に等しいことがある。あるいは、任意選択として、第1の期間と第2の期間とは等しくない。
任意選択として、第1の期間は第2の期間より短い。例において、第1の期間は40ナノ秒に等しいことがあるが、第2の期間は60ナノ秒である。あるいは、任意選択として、第2の期間は第1の期間より短い。例において、第2の期間は25ナノ秒のことがあるが、第1の期間は45ナノ秒に等しいことがある。
任意選択として、第1の期間または第2の期間のどちらかはゼロに等しい。この点について、第1の期間または第2の期間のどちらにも遅延がない。第1の時間と第2の時間とは、SPADの不感時間の最小値より大きい値を有し、それによって検出器素子は、第1の光線の光子と第2の光線の光子との検出の間にそれ自体を再び活動状態にすることができるだろうことが理解されよう。
任意選択として、本方法は、ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための時間ゲート制御検出を使用することをさらに含む。
図1を参照すると、ターゲット102によって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための、本開示の実施形態による装置100の構造のブロック図が例示される。装置100は、パルスレーザ光源104、プローブ光学系106、光学分光計108および検出器素子110を備える。プローブ光学系106は、励起光学系112および集光光学系114を備える。光学分光計108は、入力分割器116、第1の分光器118、第2の分光器120および空間光変調器122と、少なくとも1つの遅延線(遅延線124として表される)と、を備える。第1の分光器118は、少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と光分散器126とを備える。第2の分光器120は、光分散器と、少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える。検出器素子110は、時間分解検出器として構成される。
図2を参照すると、ターゲット202によって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための、本開示の別の実施形態による装置200の構造のブロック図が例示される。装置200は、パルスレーザ光源204、プローブ光学系206、光学分光計208および検出器素子210を備える。プローブ光学系206は、励起光学系212および集光光学系214を備える。励起光学系212は、バンドパスフィルタ216および光ファイバ218を備える。集光光学系214は、少なくとも1つのフィルタ220および光ファイバ222を備える。光学分光計208は、入力分割器224、第1の分光器226、第2の分光器228および空間光変調器230と、少なくとも1つの遅延線(遅延線232として表される)と、を備える。第1の分光器226は、少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、光分散器234と、を備える。第2の分光器228は、光分散器と、少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える。装置200は、出力結合器236およびコントローラ238をさらに備える。
図1および図2は、分かりやすくするために装置100および200の簡略化された構造物をそれぞれ含み、それらの構造物は、本出願における請求項の範囲を過度に限定するものではないことが当業者によって理解され得る。当業者は、本開示の実施形態の多数の変化形、代替形および改変形を認識する。
図3を参照すると、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための、本開示の実施形態による装置300の概略図が例示される。パルスレーザ光源302がレーザ光線を放出する。プローブ光学系304がレーザ光線をターゲット306の方へ導く。ターゲット306によって散乱され放出された光線であって、破線矢印として表される前記光線がプローブ光学系304によって集められる。プローブ光学系304から受け取った、集められた光線を 入力分割器308が3本の光線に分割し、各光線は、入力分割器308と第1の分光器316との間の光路に配置されたそれぞれの遅延線310、312および314を通る。遅延線310の長さは遅延線312の長さより大きく、遅延線312の長さは遅延線314の長さより大きい。従って、遅延線310は遅延線312より多くの遅延を導入するが、遅延線312は遅延線314より多くの遅延を導入する。遅延線312中の光線は第1の分光器316の入力開口318において受け取られることが示される。光分散器320がこの光線を2つの波長帯322および324(波長帯322は波形平行線部分、波長帯324は斜め平行線部分として表される)に角度分散させる。2つの波長帯322および324は、空間光変調器328の変調区域326において受け取られることが示される。本明細書において、空間光変調器328は波長帯322を透過し、波長帯324はビームダンプ330に受け取られる。従って、波長帯322だけが第2の分光器332の対応する入力開口に到達する。第2の分光器332の光学系334は波長帯322の分散を逆行させ、この波長帯の光線を第2の分光器332の出力開口336に集束する。出力開口336から発する光線は検出器素子338に到達し、そこで光線のスペクトル成分が測定される。さらに、第2の分光器332と検出器素子338との間の光路における3本の遅延線は第2の分光器332の異なる出力開口から発する光線に異なる時間遅延を提供する。
図3は、分かりやすくするために装置300の簡略化された概略図を含み、それらの概略図は、本出願における請求項の範囲を過度に限定するものではないことが当業者によって理解され得る。当業者は、本開示の実施形態の多数の変化形、代替形および改変形を認識する。例において、入力分割器308は、集められた光線をあらゆる数の光線に(例えば2本の光線に)分割し得る。別の例において、空間光変調器328によって波長帯322の一部だけが透過されることがある。
図4を参照すると、光学分光計402の中でパルス面傾斜解消が本開示の実施形態によってどのように起こるかが例示される。光学分光計402は、第1の分光器404、第2の分光器406および空間光変調器408を備えることが示される。光線が第1の分光器404の入力開口410において光学分光計402に入り、第2の分光器406の出力開口412において光学分光計402から出ることが示される。第1の分光器404の光分散器414が光線を、光線のパルス面を直線パルス面X1から傾斜パルス面X2に変化させるように角度分散させる。この光線は空間光変調器408を通って第2の分光器406に進む。第2の分光器406の光学系416は、第1の分光器404において生み出された角度分散および傾斜パルス面X2を逆行させることによって、パルス面傾斜解消を行う。その結果、傾斜したパルス面X2は、光線が光学分光計402から出る前に直線パルス面X1に変えられる。
図5Aおよび5Bを参照すると、本開示の実施形態によって、図5Aはエタンデュスプリット式入力分割器を例示し、一方、図5Bはスペクトルスプリット式入力分割器を例示する。
図5Aにおいて、光ファイバ502、504および506の直径が第1の分光器(図示せず)の入力スリットの幅510より大きいので、入力光ファイバ束508中の光ファイバ502、504および506(ドットパターンで表される)と関連する入力エタンデュの一部が失われる(幾何形状的なスペクトル損失として)。
図5Bにおいて、入力光ファイバ先端512、514および516の直径が光学分光計(図示せず)の入力スリットの幅518より大きいので、スペクトル的にスプリットする入力分割器のそれぞれの入力光ファイバ先端512、514および516の3つのイメージの配置と関連する入力エタンデュの一部が失われる(幾何形状的なスペクトル損失として)。入力光ファイバ先端512、514および516の配置は、入力光ファイバ束520の端において終了する。
図6を参照すると、本開示の実施形態によるスペクトルスプリット式入力分割器とエタンデュスプリット式入力分割器との組み合わせ例が例示される。この図では、入力光ファイバ先端602、604および606の配置を用いて入力光ファイバ束600においてスペクトルスプリットが起こる。その後、入力光ファイバ先端602、604および606の各々に対応する3つの光ファイバ束がエタンデュスプリットのために使用される。スペクトルスプリットは、入力エタンデュを束の数だけ増やす。
図7を参照すると、光学分光計が理想的な条件において用いられる、本開示の実施形態によるシナリオ例が例示される。この図において、光学分光計は、第1の分光器702、第2の分光器704および空間光変調器(SLM)706を備える。第1の分光器702は第1の分光器702の入力開口710から来る光パルス708を波長帯λ1(破線パルスで表される)、λ2(実線パルスで表される)およびλ3(点破線パルスで表される)の連続体に分散させる。この図において、SLM706は、波長帯λ1だけを第2の分光器704の入力開口に透過し、他の波長帯λ2およびλ3を遮断するように構成される。第2の分光器704は、波長帯λ1を第2の分光器704の出力開口712に導く。
図8を参照すると、本開示の実施形態による、かつ図7に表された簡略化された理想的な状況への訂正としての、不可避的なSLM由来の迷光の存在が明示的に考慮されるシナリオ例が例示される。この図において、光学分光計は、第1の分光器802、第2の分光器804および空間光変調器(SLM)806を備える。時刻t1において、第1の分光器802の入力開口810から光パルス808(長鎖線で表される)が第1の分光器802に入る。時刻t2において、第1の分光器802は、光パルス808を波長帯λ1(破線パルスで表される)、λ2(実線パルスで表される)およびλ3(点破線パルスで表される)の連続体に分散させる。波長帯λ1、λ2およびλ3に対応する光パルスが異なる変調区域においてSLM806に入射する。SLM806は、波長帯λ1に対応する変調区域に入射するパルスだけを透過するように構成され、従って時刻t3において、波長帯λ1に対応する光パルスはほとんど減少せずにSLM806を通って透過する。しかし、非理想的条件に起因して、他の波長帯λ2およびλ3のパルスの一部も迷光として第2の分光器804に入るようにSLM806を通って透過される。時刻t4において、第2の分光器804は、波長帯λ1と、波長帯λ2およびλ3に関連する迷光と、の角度分散を逆行させ、波長帯λ1を迷光とともに第2の分光器804の出力開口812に集束させる。
図9Aおよび9Bを参照すると、遅延線と迷光条件とを有する光学分光計が用いられる、本開示の異なる実施形態によるシナリオ例が例示される。図9Aおよび9Bにおいて、光学分光計は、第1の分光器902、第2の分光器904、空間光変調器(SLM)906と3つの遅延線908A、908Bおよび908Cとを備える。3つの遅延線908A、908Bおよび908Cの長さは、そこにおけるループの数によって示され、ループの数が大きいほど与えられた遅延線によって導入される遅延が大きい。ループがない場合、与えられた遅延線によって遅延が導入されない。遅延線908A、908Bおよび908Cは、波長帯λ1(破線パルスで表される)、λ2(実線パルスで表される)およびλ3(点破線パルスで表される)を有する3本の光線を搬送する3本の光ファイバとしてそれぞれ実体化される。時刻t1において、波長帯λ1、λ2およびλ3に対応する光線は、第1の分光器902に入るために遅延線908A、908Bおよび908Cにおいて得られる遅延に従い、前後してそれぞれ伝播する。
図9Aでは、時刻t2において、各光パルスは、SLM906の方へ伝搬する。この図において、SLM906は、波長帯λ1に対応する光パルスだけを透過するように構成される。時刻t3において、意図的に透過された波長帯λ1と波長帯λ2およびλ3に関連する迷光パルスとが第2の分光器904に入る。時刻t4において、すべての光パルスは、パルス列として第2の分光器904から出る。出力開口910より後に配置された検出器素子(図示せず)は時間分解型なので、波長帯λ2およびλ3の望まれない迷光パルスは容易に廃棄される。波長帯λ1に対応する光パルスのスペクトル成分は、検出器素子によって正確に測定される。
図9Bにおいて、波長帯λ1のパルスと波長帯λ2のパルスとの間のパルス間遅延は、δ2と表される。波長帯λ2のパルスと波長帯λ3のパルスとの間のパルス間遅延は、δ3と表される。時刻t2において、各光パルスは、SLM906の方へ伝搬する。この図において、SLM906は、波長帯λ1および波長帯λ3に対応する光パルスを透過するように構成される。時刻t3において、意図的に透過された波長帯λ1およびλ3が波長帯λ2に関連する迷光パルスとともに第2の分光器904に入る。時刻t4において、すべての光パルスがパルス列として第2の分光器904から出る。出力開口910の後に配置されている検出器素子(図示せず)が時間分解型なので、波長帯λ2の周りの望まれない迷光パルスは廃棄される。パルス間遅延δ3は、検出器素子が波長帯λ3中の光子を検出した後に波長帯λ1中の光子を検出することができるようにそれ自体を再び活動状態にすることができるほど十分に長い。波長帯λ1およびλ3に対応する光パルスのスペクトル成分は、検出器素子によって正確に測定される。
図9Aおよび9Bは、単に分かりやすくするために、光線の個々のパルスを利用する簡略化された例示を表し、そのことが本出願における請求項の範囲を過度に限定するべきでないことが当業者によって理解され得る。当業者は、本開示の実施形態の多くの変化形、代替形および改変形を認識する。例において、空間光変調器906は、反射タイプ空間光変調器のことがある。
図10aおよび10bを参照すると、本開示の実施形態によるデジタルマイクロミラー装置中のマイクロミラーのミラー傾斜軸の配向例が例示される。
図10Aにおいて、複数のマイクロミラーを備えるデジタルマイクロミラー装置中のマイクロミラー1004のミラー傾斜軸1002はスペクトル1006の配向に垂直であり、スペクトル1006はマイクロミラー1004に対して斜めのスペクトル配向を有することが示される。図10Bにおいて、複数のマイクロミラーを備えるデジタルマイクロミラー装置中のマイクロミラー1010のミラー傾斜軸1008はスペクトル1012の配向に平行であり、スペクトル1012は斜めのスペクトル配向を有することが示される。
図11Aおよび11Bを参照すると、本開示の実施形態により、図11Aはデジタルマイクロミラー装置1102中の斜めのスペクトル配向例を例示し、一方、図11Bは出力光ファイバ1104の端部に重ねられたマイクロミラー列のイメージを例示する。
図11Aにおいて、デジタルマイクロミラー装置1102のマイクロミラーの2つの列が異なるスペクトル位置に示される。マイクロミラーの第1の列C1および第2の列C2は、デジタルマイクロミラー装置1102の表面における波長λ1およびλ2の単色スペクトル線にそれぞれ対応する。スペクトル線の幅(×軸の方向の)は、M1xwSIと表され、ここで、wSIは、第1の分光器の入力スリットの幅を表す。デジタルマイクロミラー装置1102の空間方向の(y軸の方向の)スペクトル線の高さは、M1yDIFと表され、これは、出力光ファイバ1104の高さ、すなわちM2Y
-1DOFとも一致する。この図において、DIFは入力光ファイバの直径であり、DOFは、出力光ファイバ1104の直径である。
図11Bにおいて、波長λ1の場合、用いられるマイクロミラー列C1は、その対応する入力スリットイメージ(デジタルマイクロミラー装置1102上の斜め平行線矩形部分として表される)の中心にある。あるいは、波長λ2の場合、用いられるマイクロミラー列C2は、その対応する入力スリットイメージ(デジタルマイクロミラー装置1102上の平行鎖線矩形部分として表される)の一方の縁部に近い。
図12を参照すると、本開示の実施形態により、デューティサイクルおよび信号対ノイズ比計算において用いられるスペクトルサンプリング方式が例示される。簡略化されたゲート制御ラマン信号(ピークとして表される)が残留蛍光モデル(残留蛍光を示す破線のボックスとして表される)とともに示される。残留蛍光(『F』と標示される)だけを含む2つのベースライン点ならびにラマン信号と残留蛍光との両方を含む1つの信号点が示される。この信号点は、『F+R』と標示される。
図13Aおよび13Bを参照すると、本開示の種々の実施形態により、単一光子アバランシェダイオードがゲート制御動作モードで用いられるシナリオ例1300および1302が例示される。シナリオ1300および1302は、ゲート制御動作モードのうちで定性的に異なる2つのゲート制御モードを例示する。
図13Aでは、レーザ繰り返し周期TLに対するホールドオフ時間ΔtHOは、検出器素子(図示せず)において受け取られたすべての光のパルスがラマン信号に寄与する可能性があるように最小限である。従って、クエンチ時間(ΔtQ)がTLよりはるかに小さいので、受け取られた各パルスは計数することができる。パルスレーザ光源によって放出された11パルスあたり4カウントのアバランシェ(ラマン信号に寄与する)を有する、受け取られたラマン信号が図示される。これらのアバランシェは、ゲート制御時間ΔtGに起こったため、光生成されるかまたは暗のことがある。
図13Bでは、レーザ繰り返し周期TLに対するホールドオフ時間ΔtHOは、検出器素子(図示せず)において受け取られた光のパルスがラマン信号にほとんど寄与しないほどにかなり長い。従って、受け取られた各パルスは、計数されない。パルスレーザ光源によって放出された11パルスあたり3カウントのアバランシェ(ラマン信号に寄与する)を有する、受け取られたラマン信号が図示される。「A」の印を付けられた破線アバランシェは、非常に長いホールドオフ時間の間に発生したため検出されなかった潜在的なパルスカウントを示す。
図14Aおよび14Bを参照すると、本開示の実施形態による、ターゲットによって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法のステップが例示される。ステップ1402において、パルスレーザ光源からレーザ光線が放出される。ステップ1404において、レーザ光線は、励起光学系を用いてターゲットの方へ導かれる。ステップ1406において、ターゲットによって散乱され放出された光線は、集光光学系を用いて集められる。ステップ1408において、集められた光線は、集光光学系から受け取られ、集められた光線は、入力分割器を用いて少なくとも第1の光線および第2の光線に分割される。ステップ1410において、第1の光線および第2の光線は、第1の分光器を用いて角度分散される。ステップ1412において、分散された第1の光線および分散された第2の光線は、空間光変調器の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取られる。ステップ1414において、分散された第1の光線および分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部が第2の分光器に選択的に提供される。ステップ1416において、与えられた光線の分散は、第2の分光器を用いて逆行させられる。ステップ1418において、第2の分光器から発する与えられた光線のスペクトル成分は、検出器素子を用いて測定される。ステップ1420において、第1の光線または第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部は、少なくとも1つの遅延線を用いて遅延させられる。少なくとも1つの遅延線は、入力分割器と第1の分光器との間の光路と、第2の分光器と検出器素子との間の光路との、少なくとも一方に配置される。
ステップ1402、1404、1406、1408、1410、1412、1414、1416、1418および1420は、例示にすぎず、本出願における請求の範囲から逸脱することなく1つ以上のステップが追加されるか、1つ以上のステップが削除されるかまたは1つ以上のステップが異なる配列で提供される他の代替形も提供され得る。
上記で説明された本開示の実施形態への改変は、添付の請求項によって定義される本開示の範囲から逸脱することなく可能である。「を備える」、「を含む」、「を組み込む」、「を有する」、「である」などの表現は、本開示が排他的でない方法で、すなわち明示的に説明されていない項目、構成要素または要素も存在することが可能であると解釈されることを意図することを説明し主張するために用いられる。単数形への参照は、複数形に関するとも解釈されるべきである。
Claims (17)
- ターゲット(102、202、306)によって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための装置(100、200、300)であって、
・ レーザ光線を放出するために使用されるパルスレーザ光源(104、204、302)と;
・ プローブ光学系であって、
・ 前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くために使用される励起光学系(112、212);および
・ 前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めるために使用される集光光学系(114、214)
を備えるプローブ光学系(106、206、304)と;
・ 光学分光計であって、
・ 前記集光光学系から受け取られた、前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割するために使用される入力分割器(116、224、308);
・ 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ受け取るための少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させるために使用される光分散器(126、234、320、414)と、を備える第1の分光器(118、226、316、404、702、802、902);
・ 少なくとも第1の入力開口および第2の入力開口と、少なくとも第1の出力開口および第2の出力開口と、を備える第2の分光器(120、228、332、406、704、804、904);および
・ 前記第1の分光器の前記光分散器から、前記分散された第1の光線を第1の変調区域において、前記分散された第2の光線を第2の変調区域において受け取り、前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を前記第2の分光器の対応する入力開口に選択的に提供するように配置されたピクセルの2次元アレイを備える空間光変調器(122、230、328、408、706、806、906)、
を備え、前記第2の分光器は、与えられた光線の分散を逆行させ前記与えられた光線を対応する出力開口に集束するために使用される光学分光計(108、208、402)と;
・ 前記対応する出力開口から放射される前記所定の光線のスペクトル成分を測定するために使用される時間分解検出器素子(110、210、338)と、
を備え、
前記光学分光計は、前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させるために使用される少なくとも1つの遅延線(124、232、310、312、314、908A、908 B、908 C)をさらに備え、前記少なくとも1つの遅延線は、
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子(110、210、338)との間の光路
の少なくとも一方に配置される
装置(100、200、300)。 - 前記第2の分光器(120、228、332、406、704、804、904)の前記第1の出力開口および前記第2の出力開口からそれぞれ集められた前記第1の光線と前記第2の光線とを結合するために使用される出力結合器(236)をさらに備える、請求項1に記載の装置(100、200、300)。
- 前記励起光学系(112、212)は、前記レーザ光線を前記ターゲット(102、202、306)の方へ導く前に前記放出されたレーザ光線をスペクトル的に清浄化するために使用されるバンドパスフィルタ(216)を備える、請求項1または2の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記集光光学系(114、214)は、前記ターゲット(102、202、306)によって散乱され放出された光線中に存在する弾性散乱された光の量を減らすために使用される少なくとも1つのフィルタ(220)を備える、請求項1~3の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記励起光学系(112、212)および/または集光光学系(114、214)は、光ファイバ(218、222、502、504、506)を備える、請求項1~4の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記入力分割器(116、224、308)は、ファイバ束(508、520、600)および/またはダイクロイックフィルタの配置を備える、請求項1~5の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記少なくとも1つの遅延線は、前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路に配置され、前記少なくとも1つの遅延線は、前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方を前記入力分割器から前記第1の分光器の前記第1の入力開口および前記第2の入力開口までそれぞれ運ぶために使用される、固定された光ファイバまたはファイバ束を備え、
・ 前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 前記第1の光線の少なくとも一部および前記第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する、請求項1~6の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。 - 前記少なくとも1つの遅延線(124、232、310、312、314、908A、908B、908C)は、前記第2の分光器(120、228、332、406、704、804、904)と前記時間分解検出器素子(110、210、338)との間の光路に配置され、前記少なくとも1つの遅延線は、前記第1の光線および前記第2の光線を前記第2の分光器の前記第1の出力開口および前記第2の出力開口から前記時間分解検出器素子(110、210、338)まで運ぶために使用される、固定された光ファイバ(218、222、502、504、506)またはファイバ束(508、520、600)をそれぞれ備え、
・ 前記第1の光線および前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部における遅延、または
・ 前記第1の光線の少なくとも一部および前記第2の光線の少なくとも一部における異なる遅延、
の何れか一方を有する、請求項1~7の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。 - 前記空間光変調器(122、230、328、408、706、806、906)の与えられた変調区域は、少なくとも2つのピクセルを備え、与えられたピクセルは、前記第2の分光器の対応する入力開口(120、228、332、406、704、804、904)への与えられた光線を遮断するかまたは透過するかのどちらかのために使用され、さらに、前記装置は、前記空間光変調器の前記与えられた変調区域の前記少なくとも2つのピクセルを制御するように構成されたコントローラ(238)を備える、請求項1~8の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記第2の分光器(120、228、332、406、704、804、904)は、前記第1の分光器(118、226、316、404、702、802、902)である、請求項1~9の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記第1の光線および前記第2の光線は、前記ターゲット(102、202、306)によって放出されたラマン散乱光中に存在する波長の範囲の少なくとも一部を含む、請求項1~10の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記時間分解検出器素子(110、210、338)は、前記ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するために時間ゲート制御検出を使用する、請求項1~11の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- 前記時間分解検出器素子(110、210、338)は、単一光子アバランシェダイオードである、請求項1~12の何れか一項に記載の装置(100、200、300)。
- ターゲット(102、202、306)によって放出されたラマン散乱光のスペクトル成分を測定するための方法であって、
・ パルスレーザ光源(104、204、302)からレーザ光線を放出することと;
・ 励起光学系(112、212)を用いて前記レーザ光線を前記ターゲットの方へ導くことと;
・ 集光光学系(114、214)を用いて前記ターゲットによって散乱され放出された光線を集めることと;
・ 前記集められた光線を前記集光光学系から受け取り、入力分割器(116、224、308)を用いて前記集められた光線を少なくとも第1の光線および第2の光線に分割することと;
・ 第1の分光器(118、226、316、404、702、802、902)を用いて前記第1の光線および前記第2の光線を角度分散させることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線を空間光変調器(122、230、328、408、706、806、906)の第1の変調区域および第2の変調区域においてそれぞれ受け取ることと;
・ 前記分散された第1の光線および前記分散された第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を第2の分光器(120、228、332、406、704、804、904)に選択的に提供することと;
・ 前記第2の分光器を用いて与えられた光線の分散を逆行させることと;
・ 時間分解検出器素子(110、210、338)を用いて前記第2の分光器から発する前記与えられた光線のスペクトル成分を測定することと、
を含み、
前記方法は、少なくとも1つの遅延線(124、232、310、312、314、908A、908B、908C)を用いて前記第1の光線または前記第2の光線の少なくとも一方の少なくとも一部を遅延させることをさらに含み、前記少なくとも1つの遅延線は、少なくとも
・ 前記入力分割器と前記第1の分光器との間の光路、および
・ 前記第2の分光器と前記時間分解検出器素子(110、210、338)との間の光路、
の一方に配置される、
方法。 - 前記第1の光線および前記第2の光線をそれぞれ第1の期間および第2の期間遅延させることをさらに含む、請求項14に記載の方法。
- 前記第1の期間は、前記第2の期間より短い、請求項15に記載の方法。
- 前記ラマン散乱光のスペクトル成分を測定するために時間ゲート制御検出を使用することをさらに含む、請求項14~16の何れか一項に記載の方法。
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