JP2024013431A - 量子吸収分光システム及び量子吸収分光方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子吸収分光において、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を算出する。【解決手段】回転ステージ１０５は、量子もつれ光子対の波長を結晶回転角θの変更により走査する。移動ミラー１１０及び駆動装置１１１は、シグナル光子とアイドラー光子との間の光路長差を掃引する。光検出器８１は、対象試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、シグナル光子の検出数に応じた信号を出力する。プロセッサ９１は、結晶回転角θの変更により波長を順次変化させる度に、量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように光路長差を掃引する場合と比べて光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は光路長差が固定された条件下で量子干渉信号を取得し、取得された量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出し、算出された干渉縞の振幅に基づいて、結晶回転角θに対応するアイドラー光子の波長における吸収分光特性を算出する。【選択図】図１４

Description

本開示は、量子吸収分光システム及び量子吸収分光方法に関する。

近年、量子計測、量子通信及び量子計算などの量子技術分野において、２つの光子が量子力学的な相関を有する「量子もつれ」が生じた光子対を利用して新規機能を実現する研究が進められている。以下、このような光子対を「量子もつれ光子対」と称し、量子もつれ光子対の吸収による分光を「量子吸収分光」と称する。国際公開第２０２１／１１７６３２号（特許文献１）は、本発明者らにより提案された量子吸収分光システム及び量子吸収分光方法を開示する。

国際公開第２０２１／１１７６３２号 特開２００４－５４１９１号公報

Y. Mukai, M. Arahata , T. Tashima , R. Okamoto, and S. Takeuchi, "Quantum Fourier-Transform Infrared Spectroscopy for Complex Transmittance Measurements", Physical Review Applied 15, 034019 (2021) Masaya Arahata, Yu Mukai, Bo Cao, Toshiyuki Tashima, Ryo Okamoto, and Shigeki Takeuchi, "Wavelength variable generation and detection of photon pairs in visible and mid-infrared regions via spontaneous parametric down conversion", Vol. 38, No. 6/June 2021/Journal of the Optical Society of America B Masaya Arahata, Yu Mukai, Toshiyuki Tashima, Ryo Okamoto, and Shigeki Takeuchi, "Wavelength-tunable broadband infrared quantum absorption spectroscopy in the mid-infrared region 2-5 um", 第４回ＩＦＱＭＳ要旨集, ２０２１年１２月３日 Yu Mukai, Ryo Okamoto, and Shigeki Takeuchi, "Quantum Fourier-transform infrared spectroscopy in the fingerprint region", Optics Express Vol. 30, No. 13, 22624-22636 （2022) Chiara Lindner, Sebastian Wolf, Jens Kiessling and Frank Kuhnemann, "Fourier transform infrared spectroscopy with visible light", Optics Express Vol. 28, No. 4, 4426-4432 (2020)

量子吸収分光においても、古典的な光学系が用いられる従来型の吸収分光と同様に、試料の吸収分光特性を計測可能な波長域を広くする要望と、計測時間を短くする要望とが存在する。本発明者らは、たとえば特許文献１に開示された量子吸収分光において広い波長域に亘る吸収分光特性を計測対象とする場合、計測時間が長くなり得る点に着目した（詳細は後述）。過度に長い計測時間は実用性の低下につながり得る。よって、広い波長域を対象とする量子吸収分光では計測時間の短縮に対する要望が特に顕著になる。

本開示は上記の課題を解決するためになされたものであり、本開示の目的の１つは、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測可能な技術を提供することである。

本開示の一態様において、量子吸収分光システムは、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を起こすように構成された量子光学系を備える。量子光学系は、非線形光学素子と、波長走査部と、光路掃引部とを含む。非線形光学素子は、ポンプ光の照射により、量子もつれ光子対を発生させる。波長走査部は、量子もつれ光子対の波長を制御パラメータの変更により走査するように構成されている。光路掃引部は、シグナル光子とアイドラー光子との間の光路長差を掃引するように構成されている。量子吸収分光システムは、さらに、光検出器と、プロセッサとを備える。光検出器は、対象試料がアイドラー光子の光路に配置された状態において、シグナル光子の検出数に応じた信号を出力する。プロセッサは、量子干渉を起こすように量子光学系を制御し、当該制御中に光検出器から取得される量子干渉信号に基づいて対象試料の吸収分光特性を算出する。プロセッサは、制御パラメータの変更により波長を順次変化させる度に、量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように光路長差を掃引する場合と比べて光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は光路長差が固定された条件下で量子干渉信号を取得する。プロセッサは、取得された量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出し、算出された干渉縞の振幅に基づいて、制御パラメータに対応するアイドラー光子の波長における吸収分光特性を算出する。

本開示によれば、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

本開示の実施の形態１に係る量子吸収分光システムの全体構成の一例を示す図である。 コントローラの代表的な構成例を示す図である。 量子吸収分光の原理を説明するための概念図である。 非線形光学結晶の回転を説明するための図である。 ファインモードの概要を説明するための概念図である。 ファインモードの全体処理手順を示すフローチャートである。 ファインモードにおける第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ファインモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 量子干渉信号の一例と、当該量子干渉信号から得られたフーリエスペクトルとを示す図である。 量子干渉信号の他の一例と、当該量子干渉信号から得られたフーリエスペクトルとを示す図である。 図９及び図１０に例示したフーリエスペクトルの解析結果をまとめた図である。 コースモードの概要を説明するための概念図である。 コースモードの全体処理手順を示すフローチャートである。 コースモードにおける第２の量子計測の処理手順の第１例を示すフローチャートである。 コースモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 非線形光学結晶の回転走査に伴う量子干渉信号のピークシフトを示す図である。 非線形光学結晶の角度と量子干渉信号のピーク位置との間の関係の一例を示す図である。 実施の形態１に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。 コースモードにおける第２の量子計測の処理手順の第２例を示すフローチャートである。 コースモードにより得られた透過スペクトルの一例を示す図である。 ファインモードの全体処理手順を示すフローチャートである。 ファインモードにおける第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 ファインモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 アイドラー波長２．７μｍ付近のファインモードによる計測結果の一例を示す図である。 アイドラー波長４．３μｍ付近のファインモードによる計測結果の一例を示す図である。 本開示の実施の形態１に係る量子吸収分光システムの全体構成の他の一例を示す図である。 ＡＴＲユニットの構成例を示す図である。 非線形光学結晶の結晶材料をまとめた図である。 実施の形態１の変形例１に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。 並進ステージによる擬似位相整合デバイスの平行移動の様子を示す図である。 擬似位相整合デバイスの平行移動に伴って発生するアイドラー光子の波長に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施の形態１の変形例１に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。 実施の形態１の変形例１に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例２に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。 非線形光学結晶の温度の制御に伴うアイドラー光子の波長の変化に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施の形態１の変形例２に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。 実施の形態１の変形例２に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態１の変形例３に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。 ポンプ光の波長の変化に伴うアイドラー光子の波長の変化に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。 実施の形態１の変形例３に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。 実施の形態１の変形例３に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。 分光器８２の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る量子干渉信号の解析手法を説明するための概念図である。 実施の形態２に係る明瞭度の算出手法を説明するための図である。 実施の形態２に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態２に係る演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。 実施の形態３に係る量子干渉信号の解析手法を説明するための概念図である。 実施の形態３に係る明瞭度の算出手法を説明するための図である。 実施の形態３に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。 実施の形態３に係る演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

[用語の説明］
本開示及びその実施の形態において、紫外域とは、１０ｎｍ～３６０ｎｍの波長域を意味する。可視域とは、３６０ｎｍ～１０５０ｎｍの波長域を意味する。近赤外域とは、１０５０ｎｍ～２μｍの波長域を意味する。中赤外域とは、２μｍ～５μｍの波長域を意味する。遠赤外域とは、５μｍ～２０μｍの波長域を意味する。超遠赤外域とは、２０μｍ～１ｍｍの波長域を意味する。赤外域とは、近赤外域、中赤外域、遠赤外域及び超遠赤外域を全て含み得る。

本開示及びその実施の形態において、ナノメートルオーダーには、１ｎｍから１０００ｎｍ（＝１μｍ）までの範囲が含まれる。マイクロメートルオーダーには、１μｍから１０００μｍ（＝１ｍｍ）までの範囲が含まれる。ミリメートルオーダーには、１ｍｍから１０ｍｍ（＝１ｃｍ）までの範囲が含まれる。

以下の実施の形態では、本開示に係る量子吸収分光システムにより赤外域（特に中赤外域）における試料の吸収分光特性を計測する構成について説明する。ただし、本開示に係る量子吸収分光システムにより計測可能な波長域は赤外域に限定されるものではなく、紫外域であってもよいし可視域であってもよい。

［実施の形態１］
＜システム構成＞
図１は、本開示の実施の形態１に係る量子吸収分光システムの全体構成の一例を示す図である。量子吸収分光システム１は、試料の赤外域における吸収分光特性（複素透過率スペクトル、透過スペクトル、吸収スペクトルなど）を計測するように構成されている。量子吸収分光システム１は、量子光学系１０と、光検出器８１と、コントローラ９０とを備える。

量子光学系１０は、ポンプ光からシグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を生じさせるように構成されている。図中、ポンプ光をＬｐで示す。シグナル光（シグナル光子からなる光）の光路をＬｓで示し、アイドラー光（アイドラー光子からなる光）の光路をＬｉで示す。このように、添字ｐ，ｓ，ｉは、それぞれ、ポンプ光、シグナル光及びアイドラー光に関連するパラメータであることを示す。たとえば、ポンプ光の波長を「ポンプ波長λｐ」と記載し、シグナル光子の波長を「シグナル波長λｓ」と記載し、アイドラー光子の波長を「アイドラー波長λｉ」と記載する。光路、角周波数などについても同様である。

量子光学系１０は、励起光源１０１と、レンズ１０２と、ダイクロイックミラー１０３と、非線形光学結晶１０４と、回転ステージ１０５と、ダイクロイックミラー１０６と、固定ミラー１０７と、レンズ１０８と、試料ホルダ１０９と、移動ミラー１１０と、駆動装置１１１と、レンズ１１２と、ロングパスフィルタ１１３と、アイリス１１４と、バンドバスフィルタ１１５と、並進ステージ１１６とを含む。

励起光源１０１は、非線形光学結晶１０４を励起するためのポンプ光を発する。ポンプ光は、可視域に含まれる連続波（ＣＷ：Continuous wave）のレーザ光である。本実施の形態では、波長５３２ｎｍの緑色のレーザ光を発する半導体レーザが励起光源１０１として採用されている。

レンズ１０２は、励起光源１０１とダイクロイックミラー１０３との間に配置されている。レンズ１０２は、励起光源１０１からのポンプ光を集光し、集光したポンプ光が非線形光学結晶１０４に焦点を結ぶように調整されている。

ダイクロイックミラー１０３は、レンズ１０２と非線形光学結晶１０４との間に配置されている。ダイクロイックミラー１０３は、シグナル光を透過する一方で、ポンプ光及びアイドラー光は反射する。ポンプ光は、ダイクロイックミラー１０３で反射して非線形光学結晶１０４に照射される。

非線形光学結晶１０４は、レンズ１０２により集光されたポンプ光からシグナル光とアイドラー光とを発生させる。より詳細には、非線形光学結晶１０４は、ポンプ光の自発パラメトリック下方変換（ＳＰＤＣ：Spontaneous Parametric Down-Conversion）によりシグナル光子とアイドラー光子との光子対を生成する。ポンプ光のＳＰＤＣにおいては、自発パラメトリック下方変換の前後でエネルギー保存則及び位相整合条件（波数ベクトルの保存則）が満たされる。本実施の形態において、非線形光学結晶１０４は、タイプＩのニオブ酸リチウム（ＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ_３）結晶（厚み０．５ｍｍ）である。この場合、シグナル光は可視光であり、アイドラー光は赤外光（近赤外光又は中赤外光）である（図１１参照）。

非線形光学結晶１０４は、本開示に係る「非線形光学素子」の一例である。本開示に係る「非線形光学素子」は、非線形光学結晶に限定されず、たとえばリング共振器であってもよいし、シリコン（Ｓｉ）及び／又は窒化シリコン（ＳｉＮ）などにより形成される光導波路であってもよい。また、量子もつれ光子対の発生にポンプ光のＳＰＤＣに代えて自発的四光波混合（ＳＦＷＭ：Spontaneous Four-Wave Mixing）を用いてもよい。リング共振器、光導波路等を「非線形光学素子」として採用する場合、ＳＦＷＭを好適に用いることができる。

回転ステージ１０５は、コントローラ９０からの制御指令に従って、ポンプ光に対して非線形光学結晶１０４を回転するように構成されている。ポンプ光の垂直入射方向を基準とした非線形光学結晶１０４の回転角度を「結晶回転角θ」と記載する。結晶回転角θは本開示に係る「制御パラメータ」の一例である。回転ステージ１０５は、結晶回転角θを所定の範囲内で結晶回転角θを少しずつ変化させることによって、ＳＰＤＣの位相整合条件（下記式（１）参照）を変更するように構成されている。回転ステージ１０５を用いた非線形光学結晶１０４の回転走査については図４にて詳細に説明する。

回転ステージ１０５は、本開示に係る「波長走査部」の一例である。本開示に係る「波長走査部」としては後述する変形例１～３に示すような他の構成も採用可能である。

ダイクロイックミラー１０６は、非線形光学結晶１０４と移動ミラー１１０との間、かつ、非線形光学結晶１０４と固定ミラー１０７との間に配置されている。本実施の形態において、ダイクロイックミラー１０６は、可視光を透過し、赤外光を反射する。可視域のシグナル光は、ポンプ光とともにダイクロイックミラー１０６を透過して固定ミラー１０７に向かう。一方、赤外域のアイドラー光は、ダイクロイックミラー１０６で反射して移動ミラー１１０に向かう。なお、ダイクロイックミラー１０６は、赤外光を透過し、可視光を反射するものであってもよい。

固定ミラー１０７は、たとえば凹面鏡であって、各々ダイクロイックミラー１０６を透過したポンプ光及びシグナル光を反射する。ポンプ光の反射光及びシグナル光の反射光は、ダイクロイックミラー１０６を再び透過して非線形光学結晶１０４に戻る。ポンプ光は、非線形光学結晶１０４を通過するが、ダイクロイックミラー１０３で反射する。一方、シグナル光は、非線形光学結晶１０４を通過し、ダイクロイックミラー１０３も透過する。

レンズ１０８は、ダイクロイックミラー１０６と試料ホルダ１０９との間に配置されている。レンズ１０８は、ダイクロイックミラー１０６で反射したアイドラー光を平行光にする。

試料ホルダ１０９は、非線形光学結晶１０４と移動ミラー１１０との間に配置されている。試料ホルダ１０９は試料（図中、ＳＰで示す）を保持する。後述する各種の量子計測結果は、可視域から中赤外域までの波長域で高い透過率を示すガラス（より具体的には、厚み１ｍｍのＵＶ溶融石英（ultraviolet fused silica））を試料として用いたものである。試料ホルダ１０９の材料には、アイドラー光（この例では赤外光）に対して透明な材料が用いられている。アイドラー光は、試料に照射され、その透過光が移動ミラー１１０に向かう。

移動ミラー１１０は、たとえば平面鏡であって、試料を透過したアイドラー光を反射する。反射したアイドラー光は、ダイクロイックミラー１０６でさらに反射して非線形光学結晶１０４に戻る。アイドラー光は、非線形光学結晶１０４を通過するものの、ダイクロイックミラー１０３で反射して除去される。したがって、アイドラー光が光検出器８１に到達することはない。

駆動装置１１１は、コントローラ９０からの制御指令に従って、アイドラー光の伝搬方向に沿って移動ミラー１１０を移動させるように構成されている。駆動装置１１１は、たとえば、コントローラ９０からの制御指令に従って機械的に変位するモータ駆動装置（サーボモータ、ステッピングモータなど）を含む。駆動装置１１１は、コントローラ９０からの印加電圧に応じて変位する圧電素子（ピエゾ素子）を含んでもよい。

以下、シグナル光路長とアイドラー光路長との間の光路長差をΔＬで表す。駆動装置１１１は、移動ミラー１１０を走査することによって、シグナル光路長とアイドラー光路長とが一致するΔＬ＝０の位置を含む所定の範囲内で光路長差ΔＬを変化させることができるように構成されている。光路長差ΔＬは移動ミラー１１０の変位量の２倍に等しい。

レンズ１１２は、ダイクロイックミラー１０３と光検出器８１との間に配置されている。レンズ１１２は、ダイクロイックミラー１０３を透過したシグナル光を集光し、集光したシグナル光を光検出器８１に出力する。

ロングパスフィルタ１１３、アイリス１１４及びバンドバスフィルタ１１５は、ダイクロイックミラー１０３で反射されずに光検出器８１に向かうポンプ光（及び背景光）を除去する。バンドバスフィルタ１１５は、バンドバスフィルタ１１５の位置を調整するための並進ステージ１１６上に配置されている。

なお、図１に示す量子光学系１０では、マイケルソン（Michelson）干渉計に類似した量子干渉計が採用されている。しかし、本開示に係る量子光学系は、複数の非線形光学素子を含むマッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計に類似した構成を有してもよい。

光検出器８１は、シリコンベースの光検出器であって、可視域（及び近赤外域の一部）に高い感度を有する。実施の形態１において、光検出器８１は、シングルピクセル型の受光素子（図示せず）を含む。具体的に、光検出器８１は、たとえば、ＰＩＮフォトダイオード又はＡＰＤ（avalanche photodiode）などのフォトダイオードを含む。光検出器８１は、光電管（phototube）、光電子増倍管（ＰＭＴ：photomultiplier tube）又は超伝導光子検出器（ＳＳＰＤ：superconducting single photon detector）などを含んでもよい。ただし、光検出器８１がマルチピクセル型の受光素子を含む構成も除外されない。光検出器８１は、シグナル光を導波するための光ファイバ（マルチモードファイバ）に光学的に結合されていてもよい。光検出器８１は、シグナル光を検出し、その検出信号をコントローラ９０に出力する。シグナル光の検出信号の強度は、光検出器８１によるシグナル光子の検出数に正比例する。

コントローラ９０は、量子吸収分光システム１内の各機器（励起光源１０１、回転ステージ１０５、駆動装置１１１及び並進ステージ１１６）を制御する。また、コントローラ９０は、光検出器８１からのシグナル光の検出信号（後述する量子干渉信号）に基づいて試料の赤外吸収分光特性を算出するための各種演算処理を実行する。

図２は、コントローラ９０の代表的な構成例を示す図である。コントローラ９０は、プロセッサ９１と、メモリ９２と、入力機器９３と、出力機器９４と、通信インターフェース（ＩＦ）９５とを含む。メモリ９２は、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）９２２と、フラッシュメモリ９２３とを含む。コントローラ９０の構成要素はバス等の信号線によって互いに接続されている。なお、コントローラ９０は機能ごとに２以上に分割して構成されていてもよい。

プロセッサ９１は、典型的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）であって、各種演算処理を実行する。プロセッサ９１による演算処理については後に詳細に説明する。メモリ９２は、プロセッサ９１により実行されるコンピュータプログラム（オペレーティングシステム、アプリケーションプログラムなど）と、そのコンピュータプログラムで使用されるデータ（マップ、テーブル、数式、パラメータなど）とを記憶する。また、メモリ９２は、プロセッサ９１による演算処理結果を一時的に格納する。入力機器９３は、ユーザ（研究者、技術者、オペレータなどの測定者）の入力操作を受け付ける。入力機器９３はキーボード、マウスなどである。出力機器９４は様々な情報をユーザに出力する。出力機器９４は、たとえばディスプレイである。通信ＩＦ９５は、量子吸収分光システム１内の各機器と通信可能に接続されている。通信ＩＦ９５は外部機器（図示しないサーバなど）と通信可能であってもよい。

＜原理＞
≪量子吸収分光の原理≫
図３は、量子吸収分光の原理を説明するための概念図である。ここでは理解を容易にするため、ポンプ光の光路中に２つの非線形光学結晶が配置された構成を例に説明する。２つの非線形光学結晶を第１の結晶１０４Ａ及び第２の結晶１０４Ｂと記載する。図１に示した量子光学系１０の構成は、非線形光学結晶１０４が第１の結晶１０４Ａ及び第２の結晶１０４Ｂの両方を兼ねた構成である。

励起光源１０１からのポンプ光を第１の結晶１０４Ａに照射すると、第１の結晶１０４ＡにおけるＳＰＤＣにより、エネルギーが相対的に大きい１つの光子が、エネルギー保存則及び位相整合条件を満たしつつ、エネルギーがより小さい２つの光子に分かれる。図３に示す例では、１つの可視光子（ポンプ光子）から、１つの可視光子（シグナル光子）と１つ赤外光子（アイドラー光子）との量子もつれ光子対が発生する。第２の結晶１０４Ｂへのポンプ光の照射によっても同様に、１つの可視光子と１つ赤外光子との量子もつれ光子対が発生する。

第１の結晶１０４Ａにより量子もつれ光子対が発生する事象（第１の物理過程）と、第２の結晶１０４Ｂにより量子もつれ光子対が発生する事象（第２の物理過程）との間で量子干渉が起こる。より詳細には、第１の物理過程を表す確率振幅と第２の物理過程を表す確率振幅とを足し合わせた場合に、上記２つの確率振幅が同位相であれば第１の物理過程と第２の物理過程とが強め合う一方で、上記２つの確率振幅が逆位相であれば第１の物理過程と第２の物理過程とが打ち消し合う（量子干渉効果）。以下では、第１の物理過程と第２の物理過程とが打ち消し合う干渉（破壊的干渉）を例に説明する。ただし、量子光学系１０は建設的干渉を起こすように構成されていてもよい。また、量子光学系１０は、３回以上の物理過程の間で量子干渉を起こしてもよい。

光検出器８１は、量子もつれ光子対のうちの可視光子（シグナル光）の進行方向に配置されている。試料がアイドラー光路に配置されていない場合、第１の物理過程と第２の物理過程との見分けが付かず、第１の物理過程と第２の物理過程とが量子干渉を起こし、この例では打ち消し合う。この場合、第２の結晶１０４Ｂよりも後段では、量子もつれ光子対が発生していないように観測される。つまり、シグナル光が光検出器８１により検出されることはない。これに対し、試料がアイドラー光路に配置されている場合には、アイドラー光子が試料に吸収される。そうすると、第１の物理過程と第２の物理過程との見分けが付くことになり、第１の物理過程と第２の物理過程との間の量子干渉が不完全になる。その結果、シグナル光子が光検出器８１により検出される。

このように、量子吸収分光においては、量子もつれ光子対のうちの一方の可視光子（シグナル光子）を光検出器８１により検出することによって、もう一方の赤外光子（アイドラー光子）が試料により吸収されたと判定することが可能である。

図１に示すようなマイケルソン型の量子干渉計において、単位時間当たりのシグナル光子の検出数は下記式（２）のように表される。以下、このパラメータを「検出光子数Ｐ_ｓ」（signal counts）と記載する。シグナル周波数をωｓで表し、アイドラー周波数をωｉで表す。シグナル光路とアイドラー光路との間の光の遅延時間をΔｔで表す。二光子場振幅（two-photon field amplitude）をＦ（ωｉ）で表す。試料の複素透過率（複素透過振幅）をτで表す。時間に依存しない位相をΘで表す。

≪非線形光学結晶の回転≫
図４は、非線形光学結晶１０４の回転を説明するための図である。前述のように、結晶回転角θは、ポンプ光の垂直入射方向を基準とする非線形光学結晶１０４の回転角度である。非線形光学結晶１０４の光軸をＯＡで示す。非線形光学結晶１０４の面法線をＳＮで示す。非線形光学結晶１０４のカット角をφで示す。カット角φは非線形光学結晶１０４の仕様から既知である。後述する量子計測に使用した非線形光学結晶１０４のカット角φは５７．９°であった。ポンプ光の伝搬方向と非線形光学結晶１０４の光軸ＯＡとがなす角を内部角度θ’と記載する。

非特許文献２に詳細に記載されているように、結晶回転角θと内部角度θ’とは相互に変換可能である。結晶回転角θと内部角度θ’との間に成り立つ関係式（非特許文献２の式（４）～式（７）参照）と、ＳＰＤＣにおけるエネルギー保存則及び位相整合条件（非特許文献２の式（１）～式（３）参照）とから、結晶回転角θ（又は内部角度θ’）を設定すると、アイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓも一意的に定まるとの関係が導かれる。つまり、結晶回転角θからアイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓを算出できる（後述する図１１参照）。

以上のように構成された量子吸収分光システム１は以下の３つの制御モードを有する。
１．Ｑ－ＦＴＩＲ（quantum Fourier-transform infrared spectroscopy）モード
２．コース（coarse）モード
３．ファイン（fine）モード

ユーザは、入力機器９３に対する操作によって３つの制御モードを使い分けることができる。以下、各制御モードの特徴を明確にするため、上記の順に説明する。ファインモードは本開示に係る「第１のモード」に相当し、コースモードは本開示に係る「第２のモード」に相当する。なお、以下に記載する数値は理解を助けるための例示的なものであり、限定的な解釈に使用されるべきではない。

＜Ｑ－ＦＴＩＲモード＞
≪Ｑ－ＦＴＩＲモードの概要≫
図５は、Ｑ－ＦＴＩＲモードの概要を説明するための概念図である。この例では、移動ミラー１１０の変位範囲Ｄを１．２５ｍｍ（光路長差の掃引範囲Ｗ＝２．５ｍｍ）とする。移動ミラーの変位ステップδｄを１００ｎｍ（移動ミラー１１０の変位１回当たりの光路長差の掃引ステップδＬ＝２００ｎｍ）とする。

まず、回転ステージ１０５の制御により、結晶回転角θが開始角度θ（０）（たとえばθ（０）＝－１０°）に設定される。そして、光路長差ΔＬが－１．２５ｍｍ（左端）から１．２５ｍｍ（右端）までの全範囲で変化するように移動ミラー１１０が変位される。たとえば、ΔＬ＝－１．２５ｍｍに設定された状態で検出光子数Ｐ_ｓが取得される。続いて、移動ミラー１１０を変位ステップδｄ＝１００ｎｍだけ変位させ、それにより光路長差ΔＬを掃引ステップδＬ＝２００ｎｍだけ増加させて検出光子数Ｐ_ｓが再び取得される。このように、ΔＬ＝１．２５ｍｍに達するまで、光路長差ΔＬを掃引ステップδＬずつ掃引しながら検出光子数Ｐ_ｓが取得される。次に、結晶回転角θをθ（０）からθ（１）（たとえばθ（１）＝－９°）に変化させてから同様に光路長差ΔＬが掃引される。その後も結晶回転角θが終了角度（たとえば３０°）に達するまでの間、結晶回転角θの変化（この例では１°ずつの増加）により量子もつれ光子対の波長を走査しながら同様の光路長差ΔＬの掃引が繰り返し実施される。

なお、図中の黒いマーカーは、サンプリング（移動ミラー１１０の変位及び検出光子数Ｐ_ｓの取得）の実行位置を示す。後述するように、実際のサンプリング回数は図示できないほど多い。図５の上図にはサンプリングの実行位置の一部のみが模式的に図示されている。

以下では、量子干渉信号のうち検出光子数Ｐ_ｓが変動して量子干渉縞（フリンジ構造）が現れる部分を「エンベロープ」という。Ｑ－ＦＴＩＲモードでは、量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように光路長差ΔＬが掃引される。

≪Ｑ－ＦＴＩＲモードの処理フロー≫
図６は、Ｑ－ＦＴＩＲモードの全体処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、たとえば、入力機器９３がユーザ操作（開始ボタンの押下操作など）を受け付けた場合にメインルーチンから呼び出されて実行される。各ステップは、コントローラ９０内に配置された、１以上のプロセッサ９１を含む電気回路（circuitry）により実行される。各ステップは典型的にはソフトウェア処理により実現されるが、一部又は全部のステップがハードウェア処理により実現されてもよい。他のフローチャートについても同様である。以下、ステップを「Ｓ」と略す。

Ｓ１１において、コントローラ９０は、アイドラー光路に配置された試料ホルダ１０９に試料が設置されていない状態での「第１の量子計測」を実行する。第１の量子計測については適宜省略可能である。ユーザが事前に実行した第１の量子計測の結果をコントローラ９０のメモリ９２に格納しておいてもよい。量子吸収分光システム１の製造業者が第１の量子計測を出荷前に実行し、その結果をメモリ９２に格納しておいてもよい。

Ｓ１２において、コントローラ９０は、試料ホルダ１０９に試料が設置された状態での「第２の量子計測」を実行する。なお、試料は通常、ユーザにより設置される。しかし、試料を搬送するフィード装置（図示せず）を設けることで自動化することも可能である。第１の量子計測と第２の量子計測との順序を入れ替えてもよい。

Ｓ１３において、コントローラ９０は、第１及び第２の量子計測の結果に基づいて、試料の赤外吸収分光特性を算出するための演算処理を実行する。この演算処理については図８にて説明する。

第１の量子計測と第２の量子計測とは試料の設置の有無が異なる以外は同等である。そのため、以下では第２の量子計測について代表的に説明する。

図７は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ１２１において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４を回転させる範囲（結晶回転角θの走査範囲）を設定する。結晶回転角θの走査範囲は、結晶回転角θ（又は内部角度θ’）とアイドラー波長λｉとの対応関係（図１１参照）に基づき、試料の赤外吸収分光特性を計測しようとする波長（アイドラー波長λｉ）に応じて設定できる。結晶回転角θの走査範囲は、発生させようとする量子もつれ光子対の波長域に応じて、たとえばユーザの手動操作により設定されてもよい。図５の例では、結晶回転角θが－１０°から３０°まで１°ずつ変化するように結晶回転角θの走査範囲が設定される。ただし、結晶回転角θが等間隔（等しいステップ）で変化することは例示に過ぎず、結晶回転角θの変化量は変化の度に異なってもよい。最初の処理時には結晶回転角θは予め定められた開始角度θ（０）に設定される。

Ｓ１２２において、コントローラ９０は、ポンプ光の出力を開始するように励起光源１０１を制御する。

Ｓ１２３，Ｓ１２４において、コントローラ９０は、移動ミラー１１０が変位するように駆動装置１１１を制御することで、広い掃引範囲Ｗの全体に対して掃引ステップδＬで光路長差ΔＬを変化させる。コントローラ９０は、たとえば、マイクロメートルオーダー又はミリメートルオーダーの掃引範囲Ｗに対してナノメートルオーダーの掃引ステップδＬでの掃引を実行する。具体的な処理手順を説明すると、コントローラ９０は、移動ミラー１１０が前回の位置から変位ステップδｗだけ変位するように、移動ミラー１１０に設けられた駆動装置１１１を制御する。これにより、光路長差ΔＬが掃引ステップδＬ（＝２δｗ）だけ変化する。そして、コントローラ９０は、光検出器８１から検出光子数Ｐ_ｓを取得する（Ｓ１２３）。全掃引範囲Ｗに対する掃引が終了していない場合（Ｓ１２４においてＮＯ）、コントローラ９０は、処理をＳ１２３に戻し、再び光路長差ΔＬを掃引ステップδＬだけ変化させて検出光子数Ｐ_ｓを取得する。全掃引範囲Ｗに対する掃引が終了すると（Ｓ１２４においてＹＥＳ）、設定された結晶回転角θに対応する量子干渉信号（図９及び図１０参照）が取得される。コントローラ９０は、処理をＳ１２５に進める。

なお、一般に、光検出結果の積算により信号雑音比を向上させることができる。そのため、コントローラ９０は、光路長差ΔＬの掃引（移動ミラー１１０の変位）を規定の回数だけ繰り返してもよい。ただし、コントローラ９０は１回しか掃引を行わなくてもよい。

Ｓ１２５において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４がＳ１２１にて定められた角度だけ回転するように、すなわち、結晶回転角θがθ（ｎ）からθ（ｎ＋１）（ｎ：０又は自然数）に変化するように、回転ステージ１０５を制御する。

Ｓ１２６において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４の回転走査終了条件が成立したかどうかを判定する。結晶回転角θが終了角度に達していない場合（Ｓ１２６においてＮＯ）、コントローラは、処理をＳ１２３に戻す。これにより、非線形光学結晶１０４がさらに回転した状態で光路長差ΔＬが再び掃引される。結晶回転角θが終了角度に達すると（Ｓ１２６においてＹＥＳ）、コントローラは、処理をＳ１２７に進め、ポンプ光の出力を停止するように励起光源１０１を制御する。

図８は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、第２の量子計測に続いて自動的に実行されてもよいし、ユーザによる手動操作（解析開始ボタンの押下操作など）に応答して実行されてもよい。後述する他の演算処理についても同様である。

Ｑ－ＦＴＩＲモードでは、第１及び第２の量子計測により取得された量子干渉信号の各々に対してフーリエ変換が行われる。上記式（１）において、光の遅延時間Δｔを光路長差ΔＬに変換し、かつ角周波数ωを波数ｋに変換すると、下記式（３）が導かれる。

Ｓ１３１において、コントローラ９０は、第２の量子計測により得られた量子干渉信号のフーリエ変換により、フーリエスペクトルの振幅Ａ_ｓ（ｋ）を算出する（下記式（４）参照）。

Ｓ１３２において、コントローラ９０は、Ｓ１３１の処理と同様に、第１の量子計測により得られた量子干渉信号のフーリエ変換により、フーリエスペクトルの振幅Ａ_ｓ ^０（ｋ）を算出する。

Ｓ１３３において、コントローラ９０は、下記式（５）に示すように上記２つの振幅の比を取ることによって、試料の複素透過率スペクトルτ_ｋ ^’＊（ｋ）を算出する。コントローラ９０は、複素透過率スペクトルの絶対値の２乗により、試料の透過スペクトルＴ（ｋ）を算出してもよい。

このように、Ｑ－ＦＴＩＲモードでは、試料のあり／なしの２通りのフーリエスペクトルの振幅比に基づいて、試料の赤外吸収分光特性が算出される。試料の赤外吸収分光特性は、試料の複素透過率スペクトルτ（ｋ）及び透過スペクトルＴ（ｋ）を含み得る。

≪Ｑ－ＦＴＩＲモードの計測結果≫
図９は、量子干渉信号の一例と、当該量子干渉信号から得られたフーリエスペクトルとを示す図である。図１０は、量子干渉信号の他の一例と、当該量子干渉信号から得られたフーリエスペクトルとを示す図である。上図において、横軸は光路長差ΔＬを表し、縦軸は検出光子数Ｐ_ｓを表す。右上に光路長差ΔＬ＝０付近における量子干渉信号の拡大図を示す。下図において、横軸は波長（＝アイドラー波長λｉ）を表し、縦軸はフーリエスペクトルの強度（振幅Ａ）を表す。この例では、光路長差の掃引範囲Ｗを２００μｍに設定し、光路長差の掃引ステップδＬを１００ｎｍに設定した。移動ミラー１１０の各位置における光積算時間は３００ｍｓであった。

図９に示す量子計測時の結晶回転角θでは、非線形光学結晶１０４により波長７１２ｎｍのシグナル光子が発生するとともに、波長２１０４ｎｍのアイドラー光子が発生する。量子干渉信号のフーリエ変換により得られたフーリエスペクトルのピーク波長（すなわち、試料であるガラスを透過した波長）は２．１μｍであった。フーリエスペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）は５１ｎｍであった。図１０に示す量子計測時の結晶回転角θでは、シグナル波長λｓ＝６００ｎｍであり、アイドラー光子波長λｉ＝４６９６ｎｍであった。フーリエスペクトルのピーク波長は４．７μｍであり、フーリエスペクトルの半値幅は３４４ｎｍであった。このように、中赤外域の両端に位置する波長（２．１μｍ及び４．７μｍ）において、量子吸収分光システム１により実際に測定された波長はアイドラー光子の発生波長とよく一致していた。

図１１は、図９及び図１０に例示したフーリエスペクトルの解析結果をまとめた図である。横軸は内部角度θ’を表す。左側の縦軸はアイドラー波長λｉを表し、右側の縦軸はシグナル波長λｓを表す。黒線は理論曲線を示す（非特許文献２の式（１）～式（７）参照）。白丸はフーリエスペクトルから得られた実測値を示す。

図１１より、回転ステージ１０５を用いて非線形光学結晶１０４を回転させることによって、２μｍから５μｍまでの中赤外域の全域に亘ってアイドラー光子を発生可能であることが分かる。すなわち、非線形光学結晶１０４の回転によってアイドラー光子の発生波長域を拡張し、それにより非常に広い波長域に亘って試料の赤外吸収特性を計測することが可能になる。それに加えて、そのときのシグナル光子は可視域の波長を有するため、可視域に高い感度を有するシリコンベースの光検出器８１を好適に用いることができる。さらに、中赤外域の全域に亘って実測値が理論曲線上に乗っていた。これは、中赤外域の全域に及ぶ広い波長域に亘って赤外吸収分光に成功していることを示している。

≪量子計測時間≫
一般に、ＦＴＩＲ等により得られるフーリエスペクトルの波数分解能は、光路長差の掃引範囲Ｗの逆数により決定される（Δｋ＝１／Ｗ）。したがって、フーリエスペクトルの波数分解能を高くする（Δｋを小さくする）には光路長差の掃引範囲Ｗを広くしなければならない。

なお、光路長差の掃引範囲Ｗと、サンプリング回数Ｎと、光路長差の掃引ステップδＬとはＷ＝Ｎ×δＬとの関係にある。掃引ステップδＬは計測対象の波長域（アイドラー波長λｉ）に応じて定まり、任意に設定できるものではない。よって、光路長差の掃引範囲Ｗを広くする場合、サンプリング回数Ｎの増加を避けられない。

このように、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおいて試料の赤外吸収分光特性を高精度に計測するには、高い波数分解能でフーリエスペクトルを取得することが要求される。そのためには原理的に、光路長差の掃引範囲Ｗを十分に長く設定することを要する。それに加えて、光路長差の掃引ステップδＬも十分に細かく設定される。掃引ステップδＬ１は、たとえばアイドラー波長λｉの１０分の１程度である。それに伴って必然的に量子計測時間が長くなる。

図５を再び参照して具体的な数値を挙げて説明すると、要求される波数分解能が４ｃｍ^－１である場合、光路長差の掃引範囲Ｗ＝２．５ｍｍに設定される。アイドラー波長λｉが約２μｍである場合、光路長差の掃引ステップδＬ＝２００ｎｍに設定される。この場合、サンプリング回数Ｎ＝Ｗ／δＬ＝２．５ｍｍ／２００ｎｍ＝１．２５×１０^４である。つまり、結晶回転角θ＝開始角度θ（０）において１万回以上のサンプリング（移動ミラー１１０の変位及び検出光子数Ｐ_ｓの取得）が実施される。続く結晶回転角θ＝θ（１）でも同様に１万回以上のサンプリングが実施される。結晶回転角θをある程度（たとえば数十°）変化させる場合、数十万回のサンプリングが繰り返されることになり、長時間（たとえば数時間）を要し得る。そこで、本実施の形態に係る量子吸収分光システム１には、量子計測時間を短縮して実用性を向上すべく、コースモードが設けられている。

＜コースモード＞
≪コースモードの概要≫
図１２は、コースモードの概要を説明するための概念図である。コースモードの一例では、第１スイープ及び第２スイープによる２段階での光路長差の掃引が実行される。

結晶回転角θが開始角度θ（０）に設定された状態で最初に第１スイープが実行される。第１スイープの目的は、量子干渉信号のピーク位置の特定である。より詳細には、試料が試料ホルダ１０９に設置されていない場合の量子干渉信号のピーク位置は、量子吸収分光システム１の仕様から既知である。試料を試料ホルダ１０９に設置すると、量子干渉信号のピーク位置が試料の基礎データ（屈折率及び厚み）に応じてシフトする。このシフト量を求めることが第１スイープの目的である。第１スイープでは、広い掃引範囲Ｗ１に対して大きな掃引ステップδＬ１が設定される。

第１スイープにおける光路長差の掃引範囲Ｗ１は、試料の屈折率及び厚みに応じて設定され得る。より詳細には、通常、試料の厚みは容易に測定できる。試料の屈折率が既知である場合、試料の光路長（＝屈折率×厚み）の値を掃引範囲Ｗ１を設定し得る。たとえ試料の屈折率が未知である場合でも多くの物質の屈折率は約１～３である。したがって、最大で試料の厚みの３倍程度に掃引範囲Ｗ１を設定すればよい。

第１スイープにおける光路長差の掃引ステップδＬ１を過度に細かく設定することは要求されない。掃引ステップδＬ１は、アイドラー波長λｉに近い値に設定され得る。たとえば、アイドラー波長λｉの４分の１程度に掃引ステップδＬ１を設定すればよい（δＬ１＝λｉ／４）。

具体例として、試料が厚み１ｍｍ、屈折率１．５のガラスである場合、掃引範囲Ｗ１は、最大で、たとえば１．５ｍｍに設定され得る。アイドラー波長λｉが約２μｍである場合、たとえば、掃引ステップδＬ１＝５００ｎｍに設定される。この場合、第１スイープにおけるサンプリング回数Ｎ１は、Ｎ１＝Ｗ１／δＬ１＝１．５ｍｍ／５００ｎｍ＝３０００回だけでよい。このように少ないサンプリング回数であっても量子干渉信号のピーク位置を特定可能である。

実際には図１８及び図１９にて説明するように、厚みも屈折率も既知の試料に対してはピーク位置のシフト量の概略値が事前に分かっている。したがって、図１２に示すように掃引範囲Ｗ１をより狭い範囲に絞り込むことができる。たとえば、掃引範囲Ｗ１＝５０μｍであり、掃引ステップδＬ１＝５００ｎｍである場合、第１スイープにおけるサンプリング回数Ｎ１は、Ｎ１＝Ｗ１／δＬ１＝５０μｍ／５００ｎｍ＝１００回だけでよい。

次に第２スイープが実行される。第２スイープの目的は、第１スイープにより特定されたピーク位置付近の精密計測である。第２スイープでは、狭い掃引範囲Ｗ２に対して小さな掃引ステップδＬ２が設定される。

第２スイープの掃引範囲Ｗ２は、量子干渉信号のピークを含む程度には広いが、第１スイープの掃引範囲Ｗ１よりも十分に狭い範囲である。より具体的には、量子干渉信号のピーク位置付近に現れる干渉縞の１～２波長分の距離を掃引範囲Ｗ２を設定し得る。

第２スイープの掃引ステップδＬ２は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける掃引ステップδＬと同様に、たとえばアイドラー波長λｉの１０分の１程度である（δＬ１＝λｉ／１０）。

具体例として、掃引範囲Ｗ２＝４μｍに設定される。アイドラー波長λｉが約２μｍである場合、掃引ステップδＬ２＝２００ｎｍに設定される。この場合、第２スイープにおけるサンプリング回数Ｎ２は、Ｎ２＝Ｗ２／δＬ２＝４μｍ／２００ｎｍ＝２０回だけでよい。したがって、非線形光学結晶１０４を回転走査した場合の第２スイープの合計サンプリング回数も少数（たとえば１０００回程度）で済む。

以下で詳細に説明するように、試料の赤外吸収分光特性（透過スペクトル）を算出するのに必要なパラメータは量子干渉信号の振幅Ａであり、より特定的には検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎである。検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎは、量子干渉信号のピーク位置近傍から求まる。そのため、量子干渉信号のピーク位置を特定するための第１スイープが導入される。そして、続く第２スイープでは、Ｑ－ＦＴＩＲモードのように量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように光路長差を掃引する場合と比べて光路長差の掃引範囲が限定され、第１スイープにより特定されたピーク位置付近が精密に掃引される。他方、ピーク位置から離れた位置では掃引が省略される。よって、コースモードによれば、量子計測時間を大幅に（たとえば数分間に）短縮できる。

≪コースモードの処理フロー≫
図１３は、コースモードの全体処理手順を示すフローチャートである。コースモードにおける処理の全体の流れは、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける処理の全体の流れ（図６参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

図１４は、コースモードにおける第２の量子計測の処理手順の第１例を示すフローチャートである。Ｑ－ＦＴＩＲモードと同様に、結晶回転角θの走査範囲がユーザ操作等により設定される（Ｓ２２０１）。コントローラ９０は、ポンプ光の出力を開始するように励起光源１０１を制御する（Ｓ２２０２）。

Ｓ２２０３，Ｓ２２０４において、コントローラ９０は、図１２にて説明したように、第２スイープと比べて相対的に広く設定された掃引範囲Ｗ１に対して相対的に大きな掃引ステップδＬ１で第１スイープを実行する。より具体的には、コントローラ９０は、光路長差ΔＬが前回値から掃引ステップδＬ１だけ変化するように、移動ミラー１１０に設けられた駆動装置１１１を制御する。そして、コントローラ９０は、光検出器８１から検出光子数Ｐ_ｓを取得する（Ｓ２２０３）。全掃引範囲Ｗ１に対する掃引が終了するまでの間（Ｓ２２０４においてＮＯ）、コントローラ９０は、処理をＳ２２０３に戻し、光路長差ΔＬの掃引と検出光子数Ｐ_ｓの取得とを再び実施する。全掃引範囲Ｗ１に対する掃引が終了すると（Ｓ２２０４においてＹＥＳ）、コントローラ９０は、処理をＳ２２０５に進める。

Ｓ２２０５において、コントローラ９０は、第１スイープにより得られた粗い量子干渉信号（図１２の上図参照）のピーク位置を特定する。図９及び図１０に示した量子干渉信号の波形形状から分かるように、検出光子数Ｐ_ｓは、ピーク位置から離れた位置では略一定であり、エンベロープの範囲内に限って変動する。そのため、コントローラ９０は、検出光子数Ｐ_ｓの変動が生じた光路長差ΔＬの範囲からピーク位置を特定できる。たとえば、コントローラ９０は、検出光子数Ｐ_ｓが略一定の範囲における検出光子数Ｐ_ｓの値を基準値とし、その基準値に対する差が所定量よりも大きくなる範囲を検出光子数Ｐ_ｓの変動範囲として抽出する。そして、コントローラ９０は、検出光子数Ｐ_ｓの変動範囲の中間位置を量子干渉信号のピーク位置として特定できる。

あるいは、より厳密な手法を採用してもよい。ΔＬ＝ｃΔｔとの関係式を用いて上記式（２）を書き換えると、下記式（６）及び式（７）が得られる。式（６）及び式（７）は量子干渉信号の包絡関数を示す。このような包絡関数を利用したカーブフィティングにより量子干渉信号のエンベロープを求め、エンベロープからピーク位置を特定してもよい。なお、二光子場振幅をＦ’（Ω）で表す。位相シフトをφｉ’（Ω）で表す。Ωは離調であり、ωｓ＝ωｓ０－Ω（ωｓ０：中心周波数）及びωｉ＝ωｉ０＋Ω（ωｉ０：中心周波数）との関係を満たす。

Ｓ２２０６，Ｓ２２０７において、コントローラ９０は、量子干渉信号のピーク位置を含む狭い掃引範囲Ｗ２に対して相対的に小さな掃引ステップδＬ２で第２スイープを実行する。より具体的には、コントローラ９０は、光路長差ΔＬが前回値から掃引ステップδＬ２だけ変化するように移動ミラー１１０の駆動装置１１１を制御する。そして、コントローラ９０は光検出器８１から検出光子数Ｐ_ｓを取得する（Ｓ２２０６）。全掃引範囲Ｗ２に対する掃引が終了するまでの間（Ｓ２２０７においてＮＯ）、コントローラ９０は処理をＳ２２０６に戻し、光路長差ΔＬの掃引と検出光子数Ｐ_ｓの取得とを再び実施する。全掃引範囲Ｗ２に対する掃引が終了すると（Ｓ２２０７においてＹＥＳ）、コントローラ９０は処理をＳ２２０８に進める。

Ｓ２２０８において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４が次の角度になるまで回転するように回転ステージ１０５を制御する。

Ｓ２２０９において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４の回転走査終了条件が成立したかどうかを判定する。結晶回転角θが終了角度に達していない場合（Ｓ２２０９においてＮＯ）、コントローラは処理をＳ２２０３に戻す。これにより、非線形光学結晶１０４がさらに回転した状態で、第１スイープと、それに続く第２スイープとが実行される。結晶回転角θが終了角度に達すると（Ｓ２２０９においてＹＥＳ）、コントローラは処理をＳ２２１０に進め、ポンプ光の出力を停止するように励起光源１０１を制御する。

図１５は、コースモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ２３１において、コントローラ９０は、結晶回転角θごとに、第１及び第２の量子計測における第２スイープにより得られた量子干渉信号から検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎを取得する。

Ｓ２３２において、コントローラ９０は、結晶回転角θごとに、下記式（８）に従って、第２の量子計測における検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎから量子干渉の明瞭度（visibility）Ｖを算出する。

Ｓ２３３において、コントローラ９０は、上記式（８）と同様の式に従って、第１の量子計測における検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎから明瞭度Ｖｒｅｆを算出する。なお、第１の量子計測が事前に実行されていてＶｒｅｆが既知の場合には当該処理をスキップできる。

Ｓ２３４において、コントローラ９０は、結晶回転角θごとに、Ｖ／Ｖｒｅｆ＝Ｔとの関係式に基づいて、明瞭度Ｖから透過率Ｔを算出する。これにより、各結晶回転角θにおける透過率Ｔ（透過率Ｔの結晶回転角θに対する依存性）が得られる。

Ｓ２３５において、コントローラ９０は、結晶回転角θとアイドラー波長λｉとの対応関係（図１１参照）を用いて結晶回転角θをアイドラー波長λｉに換算することで、透過スペクトルＴ（λｉ）を作成する。コントローラ９０は、作成した透過スペクトルＴ（λｉ）をメモリ９２に格納したり出力機器９４に出力（たとえばディスプレイに表示）したりしてもよい。

≪２つのモードの対比≫
前述のとおり、Ｑ－ＦＴＩＲモードでは量子干渉信号がフーリエ変換され、フーリエスペクトルの振幅比に基づいて試料の赤外吸収分光特性が算出される（上記式（３）～式（５）参照）。この場合、フーリエスペクトルの波数分解能を向上させるためには光路長差の掃引範囲Ｗを十分に長く設定することが要求される。その結果、量子計測時間が長くなり得る。

これに対し、コースモードおいては上記式（８）に従い、量子干渉信号に現れる干渉縞（より具体的には検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎ）から直接的に量子干渉の明瞭度Ｖが算出される。すなわち、量子干渉信号のフーリエスペクトルは使用されない。そのため、光路長差の掃引範囲が狭いことに起因する精度低下が引き起こされることはない。したがって、第２スイープの掃引範囲Ｗ２を十分に狭く設定することが可能であり、それにより量子計測時間を短縮できる。さらに、ピーク位置近傍では第２スイープによる精密な掃引が行われるので、量子干渉信号に現れる干渉縞が高精度に計測される。よって、コーススキャンによれば、試料の赤外吸収分光特性の計測精度の低下を抑制しつつ、量子計測時間を大幅に短縮できる。

≪ピークシフト≫
第１スイープによって量子干渉信号のピーク位置が特定され、そのピーク位置に基づいて第２スイープの掃引範囲Ｗ２が決定されると説明した。しかしながら、第２スイープの掃引範囲Ｗ２の決定に第１スイープは必須ではない。量子干渉信号のピーク位置は、非線形光学結晶１０４の回転走査に伴ってシフトする（ピークシフト）。また、量子干渉信号のピーク位置は、試料の基礎データ（具体的には屈折率、厚みなど）に応じても変化し得る。これらの情報に基づいて量子干渉信号のピーク位置を推定可能である。

図１６は、非線形光学結晶１０４の回転走査に伴う量子干渉信号のピークシフトを示す図である。横軸は光路長差ΔＬを表す。縦軸は検出光子数Ｐ_ｓを表す。この例では、非線形光学結晶１０４をθ＝０°から３２°に回転した場合に量子干渉信号のピーク位置が約２．８ｍｍシフトすることが分かる。

図１７は、結晶回転角θと量子干渉信号のピーク位置との間の関係の一例を示す図である。横軸は結晶回転角θを表す。縦軸は、量子干渉信号のピーク位置のシフト量（結晶回転角θ＝０°におけるピーク位置を基準とした場合の変化量）を表す。図１７に示すように、ピーク位置のシフト量は、結晶回転角θが増加するに従って単調に増加する。このような対応関係を事前に求めておくことによって、第２スイープの掃引範囲Ｗ２を事前に決定できる。第２スイープの掃引範囲Ｗ２は、たとえばマップ（テーブルであってもよいし、関数であってもよい）の形式でまとめることができる。

図１８は、実施の形態１に係る第２スイープの掃引範囲Ｗ２に関するマップの概念図である。マップＭＰ０は、この例では、試料の基礎データ（この例では屈折率と厚みとの組合せ）ごとに、結晶回転角θと第２スイープの掃引範囲Ｗ２との間の対応関係を含む。マップＭＰ０は、結晶回転角θと、アイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓとの間の対応関係（図１１に示される関係）をさらに含んでもよい。このようなマップを事前に準備しておくことにより、第１スイープを省略できる。マップＭＰ０は、量子吸収分光システム１の製造業者が出荷前に準備してコントローラ９０のメモリ９２に格納しておいてもよい。あるいは、ユーザ自身がマップＭＰ０を準備してメモリ９２に格納してもよい。なお、マップＭＰ０は、本開示に係る「第１の対応関係」及び「第２の対応関係」の両方に相当する。「第１の対応関係」と「第２の対応関係」とは別々に規定されていてもよい。

図１９は、コースモードにおける第２の量子計測の処理手順の第２例を示すフローチャートである。Ｓ２２１１において、コントローラ９０は、試料の基礎データ（屈折率及び厚み）の入力を受け付ける。これらの基礎データは、入力機器９３に対するユーザ操作によって入力されてもよいし、通信ＩＦ９５を介して外部から取得されてもよい。試料を設置しない場合には媒質（通常は空気）のデータを設定すればよい。

Ｓ２２１２において、コントローラ９０は、ポンプ光の出力を開始するように励起光源１０１を制御する。

Ｓ２２１３において、コントローラ９０は、図１８に示したマップＭＰ０を参照することによって、Ｓ２２１１にて入力された試料の屈折率及び厚み、並びに現在の結晶回転角θに対応する第２スイープの掃引範囲Ｗ２を決定する。

Ｓ２２１４，Ｓ２２１５において、コントローラ９０は、Ｓ２２１３にて決定された狭い掃引範囲Ｗ２に対して小さな掃引ステップδＬ２で第２スイープを実行する。これらの処理及び続くＳ２２１６～Ｓ２２１８の処理については、第１例のＳ２２０６～Ｓ２２１０の処理（図１４参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

≪コースモードの計測結果≫
図２０は、コースモードにより得られた透過スペクトルの一例を示す図である。下の横軸は、中赤外域の全域に及ぶアイドラー波長λｉを表す。上の横軸は、下の横軸に対応するシグナル波長λｓを表す。縦軸は透過率Ｔを表す。量子吸収分光システム１による計測結果を黒丸で示す。比較のため、従来型のフーリエ変換赤外分光装置（ＦＴＩＲ装置）による計測結果も併せて示されている（白い四角及び実線参照）。

図２０より、本実施の形態に係る量子吸収分光システム１により得られた透過スペクトルが、従来型のＦＴＩＲ装置により得られた透過スペクトルとよく一致していることが分かる。アイドラー波長２．７μｍ付近及び４．３μｍ付近における透過率Ｔの落ち込みは、試料（ガラス）中の不純物のＯＨ伸縮振動による吸収に由来すると考えられる。

＜ファインモード＞
≪ファインモードの概要≫
コースモードによれば、量子計測時間を大幅に短縮できる。一方、量子計測時間を一定程度短縮しつつ、試料の赤外吸収分光特性をより高精度に計測したい場合がある。そのような場合に、Ｑ－ＦＴＩＲモードとの比較において非線形光学結晶１０４の回転走査範囲が狭く、かつ、量子干渉信号のフーリエスペクトルを取得するファインモードを使用できる。たとえばコースモードにより得られた結果をより詳細に解析したい場合にファインモードを選択できる。一例として、図２０に示したアイドラー波長２．７μｍ付近及び４．３μｍ付近における透過率Ｔの落ち込みの解析にファインモードを使用できる。

≪ファインモードの処理フロー≫
図２１は、ファインモードの全体処理手順を示すフローチャートである。ファインモードにおける処理の全体の流れは、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける処理の全体の流れ（図６参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

図２２は、ファインモードにおける第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ３２１において、コントローラ９０は、コースモードにより得られた結果に基づいて、非線形光学結晶１０４の回転走査範囲を設定する。コントローラ９０は、たとえば、図２０に示した透過率Ｔの落ち込みに対応するアイドラー波長を発生可能な回転走査範囲を設定し得る。

ファインモードにおける回転走査範囲は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける回転走査範囲よりも狭く、ピンポイント（局所的）であることが好ましい。前述のＱ－ＦＴＩＲモードの例では結晶回転角θの範囲が－３０°から１０°までの４０°に設定されるのに対し、ファインモードにおける結晶回転角θの範囲は４°である（図２４及び図２５参照）。

コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４の回転走査範囲の候補を出力機器９４（ディスプレイなど）から出力してもよい。ユーザが当該候補に同意する場合、コントローラ９０は、当該候補を非線形光学結晶１０４の回転走査範囲として設定する。一方、ユーザが当該候補に非同意の場合、コントローラ９０は、ユーザによる回転走査範囲の変更操作を受け付ける。

以降のＳ３２２～Ｓ３２７の処理は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおけるＳ１２２～Ｓ１２７の処理（図７参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

図２３は、ファインモードにおける演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。ファインモードにおける演算処理は、Ｑ－ＦＴＩＲモードにおける演算処理（図８参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

≪ファインモードの計測結果≫
図２４は、アイドラー波長２．７μｍ付近のファインモードによる計測結果の一例を示す図である。図２５は、アイドラー波長４．３μｍ付近のファインモードによる計測結果の一例を示す図である。図２４の上図には、結晶回転角θ＝８°，９°，１０°，１１°における４つのフーリエスペクトルが示されている。図２５の上図には、結晶回転角θ＝２３°，２４°，２６°，２７°における４つのフーリエスペクトルが示されている。図２４及び図２５の下図には、フーリエスペクトルから算出される透過スペクトル（４つのフーリエスペクトルから算出された４つの透過スペクトルが合成されたもの）が示されている。フーリエスペクトルは試料非設置時に取得されたものである。透過スペクトルは試料（ガラス）設置時に取得されたものである。光路長差の掃引範囲Ｗ＝２．４ｍｍに設定し、光路長差の掃引ステップδＬ＝２００ｎｍに設定した。各ステップにおける光積算時間は５０ｍｓであった。

図２４及び図２５より、アイドラー波長４．３μｍ付近及び波長４．３μｍ付近のいずれにおいても、ファインモードにより得られた透過スペクトルと、従来型のＦＴＩＲ装置により得られた透過スペクトルとがよく一致していることが分かる。ファインモードにおける波数分解能は十分に高いため（具体的には８．３３ｃｍ^－１）、Ｑ－ＦＴＩＲモードと同様に透過スペクトルを高精度に計測できる。一方で、ファインモードでは、Ｑ－ＦＴＩＲモードと比べて非線形光学結晶１０４の回転走査範囲が狭い（この例では１０分の１）ことから、量子計測時間を短縮できる。

＜小括＞
以上のように、実施の形態１においては、非線形光学結晶１０４の回転走査により中赤外域の全域に亘るアイドラー光子を発生させることができる。Ｑ－ＦＴＩＲモードでは、広い掃引範囲の全体に対して多数回のサンプリングが実施される。これにより、試料の赤外吸収分光特性を高精度に計測できる。

コースモードでは、広い掃引範囲Ｗ１に対する大きな掃引ステップδＬ１での掃引（第１スイープ）により、又は事前に準備された対応関係（マップＭＰ０）を用いて、量子干渉信号のピーク位置を特定した上で、そのピーク位置を含む狭い掃引範囲Ｗ２が小さな掃引ステップδＬ２での掃引される（第２スイープ）。これにより、量子計測時間を大幅に短縮できる。よって、実施の形態１によれば、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

ファインモードでは、Ｑ－ＦＴＩＲモードと同様に、広い掃引範囲の全体に対して多数回のサンプリングが実施される。しかし、ファインモードでは、非線形光学結晶１０４の回転走査範囲がコースモードの結果に基づいてピンポイントに限定されている。これにより、量子計測時間が過度に長くならないようにつつ、試料の赤外吸収分光特性を高精度に計測できる。

なお、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１がＱ－ＦＴＩＲモード、コースモード及びファインモードの３つのモードを有すると説明した。しかし、Ｑ－ＦＴＩＲモード及びファインモードは必須ではなく、量子吸収分光システム１はコースモードのみを有していてもよい。あるいは、量子吸収分光システム１は、コースモードに加えて、Ｑ－ＦＴＩＲモード及びファインモードのうちの一方のモードのみを有していてもよい。

＜他の実施例＞
≪ＡＴＲユニット≫
図２６は、本開示の実施の形態１に係る量子吸収分光システムの全体構成の他の一例を示す図である。量子吸収分光システム１Ａは、量子光学系１０に代えて量子光学系１０Ａを備える点において、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１（図１参照）と異なる。量子光学系１０Ａは、ダイクロイックミラー１１７及び固定ミラー１１８を含む点、シグナル光路に固定ミラー１０７に代えて移動ミラー１１９及び駆動装置１２０を含む点、試料ホルダ１０９に代えて全反射測定（ＡＴＲ：Attenuated Total Reflection）ユニット１２１を含む点、並びにアイドラー光路に移動ミラー１１０及び駆動装置１１１に代えて固定ミラー１２２を含む点において、量子光学系１０と異なる。

ダイクロイックミラー１１７は、ダイクロイックミラー１０６を透過したポンプ光及びシグナル光のうち、ポンプ光を反射する一方で、シグナル光を透過する。ポンプ光は、固定ミラー１１８により反射されて非線形光学結晶１０４に戻る。シグナル光は、駆動装置１２０が設けられた移動ミラー１１９により反射されて非線形光学結晶１０４に戻る。

図２７は、ＡＴＲユニット１２１の構成例を示す図である。ＡＴＲユニット１２１は、レンズ１２１Ａと、プリズム１２１Ｂと、レンズ１２１Ｃとを含む。レンズ１２１Ａ、プリズム１２１Ｂ及びレンズ１２１Ｃは、アイドラー光子の伝搬方向に沿ってこの順に配置されている。ＡＴＲユニット１２１は、レンズ１２１Ａ，１２１Ｃに代えて又は加えて光軸調整用のミラーを含んでもよい。

プリズム１２１Ｂは、高屈折率を有し、試料表面に接触するように配置されている。レンズ１２１Ａからプリズム１２１Ｂの内部に入射したアイドラー光子は、プリズム１２１Ｂと試料との界面で全反射する。この際、試料側に滲み出すアイドラー光子（エバネッセント波）が試料表面に吸収されるため、全反射光を検出することで試料表面の赤外吸収分光特性を測定できる。なお、ＡＴＲユニット１２１は後述する実施の形態２，３にも適用可能である。

（ａ）アイドラー光路に配置された移動ミラー１１０の変位により光路長差ΔＬを掃引する場合（図１参照）、移動ミラー１１０の変位に伴ってアイドラー光の光軸が周期的に変化し得る。移動ミラー１１０が変位しても常にアイドラー光の光軸が適切な位置に維持されるように量子光学系１０を構築することは容易ではない。（ｂ）また、ＡＴＲユニット１２１は、プリズム１２１Ｂを含むため大型化し得る。装置サイズの制約がある中で、試料と移動ミラー１１０との機械的な接触を避けつつ移動ミラー１１０の往復運動が可能なスペースを試料の後段に確保することが困難であり得る。（ｃ）さらに、試料表面が微視的にざらついている場合、典型的な透過法では、アイドラー光子が試料表面で散乱及び／又は反射されることで複数のモードが発生し得る。その結果、信号強度が低下したりノイズが増大したりし得る。

（ａ）これに対し、量子吸収分光システム１Ａにおいては、シグナル光路に配置された移動ミラー１１９の変位により光路長差ΔＬが掃引され、アイドラー光の光軸が時間的に変化しないため、量子光学系１０Ａの構築の難易度を低くすることができる。（ｂ）また、試料と移動ミラー１１９との機械的接触も起こり得ないので、スペース確保の課題も回避できる。（ｃ）さらに、プリズム１２１Ｂが試料表面に接触するように構成されているため、たとえ微小な凹凸が試料表面に存在していたとしても信号強度の低下及び／又はノイズの増大も抑制できる。

（ｄ）それに加えて、アイドラー光が試料を透過する場合、試料の屈折率及び厚みに応じてアイドラー光子の光路長が変わる。そのため、前述のように、試料の屈折率及び厚みに応じて第１スイープにおける光路長差の掃引範囲Ｗ１が設定される。試料の屈折率及び厚み（特に屈折率）が未知の場合、掃引範囲Ｗ１が適切な範囲に設定されなかったり、掃引範囲Ｗ１を適切な範囲に設定するのに試行錯誤を要したりする可能性がある。これに対し、ＡＴＲユニット１２１においては、試料の屈折率及び厚みに拘わらずアイドラー光子の光路長が一定である。したがって、掃引範囲Ｗ１の設定変更が不要であり、掃引範囲Ｗ１を予め固定することが可能になる。よって、第１及び第２の量子計測の実行手順をより単純化できる。

≪非線形光学結晶≫
図２８は、非線形光学結晶１０４の結晶材料をまとめた図である。非線形光学結晶１０４の結晶材料としては、ＬｉＮｂＯ_３に限らず、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、銀チオガレート（ＡｇＧａＳ_２）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）なども採用可能である。

ただし、図２８に示される各種材料は例示であり、非線形光学結晶１０４として採用可能な結晶材料がこれらに限定されないことを確認的に記載する。また、本明細書において化合物が化学量論的組成式によって表現されている場合、その化学量論的組成式は代表例に過ぎない。組成比は非化学量論的であってもよい。たとえば、ニオブ酸リチウムが「ＬｉＮｂＯ_３」と表現されている場合、特に断りのない限り、ニオブ酸リチウムは「Ｌｉ／Ｎｂ／Ｏ＝１／１／３」の組成比に限定されず、任意の組成比でＬｉ、Ｎｂ及びＯを含み得る。他の化合物についても同様である。

［実施の形態１の変形例１］
実施の形態１の変形例１においては、擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi-Phase-Matched）デバイスを用いて量子もつれ光子対の波長を走査する構成について説明する。

図２９は、実施の形態１の変形例１に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム２は、量子光学系１０に代えて量子光学系２０を含む点において、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１（図１参照）と異なる。量子光学系２０は、非線形光学結晶１０４に代えてＱＰＭデバイス２１を含む点、及び回転ステージ１０５に代えて並進ステージ２２を含む点において、量子光学系１０と異なる。

ＱＰＭデバイス２１はファンアウト型の素子である。すなわち、ＱＰＭデバイス２１の非線形光学結晶（ＱＰＭ結晶）は、扇型（放射状）に変化する分極反転周期（poling period）を有する（図３０参照）。ＱＰＭ結晶の材料は、たとえば、マグネシウム添加定比タンタル酸リチウム（Mg doped stoichiometric lithium tantalate）（Ｍｇ：ＳＬＴ）である。

並進ステージ２２は、コントローラ９０からの制御指令に従って、ポンプ光の伝搬方向に対して垂直な方向にＱＰＭデバイス２１を平行移動する（並進させる）ように構成されている。ＱＰＭデバイス２１の移動方向は、ポンプ光の伝搬方向に対して厳密に垂直でなくてもよく、ポンプ光の伝搬方向に対して交わる方向であればよい。

図３０は、並進ステージ２２によるＱＰＭデバイス２１の平行移動の様子を示す図である。なお、ＱＰＭデバイス２１はレンズ及びフィルタを含み得るが（特許文献１の図７参照）、図面が煩雑になるのを防ぐため、図３０にはＱＰＭ結晶のみが図示されている。

ＱＰＭデバイス２１（ＱＰＭ結晶）の図中、上側の端面を第１端Ｅ１と記載し、下側の端面を第２端Ｅ２と記載する。第１端Ｅ１を基準とした、第１端Ｅ１と第２端Ｅ２とを結ぶ方向へのＱＰＭデバイス２１の移動量をΔＸと記載する。移動量ΔＸは、本開示に係る「制御パラメータ」の一例である。第１端Ｅ１と第２端Ｅ２との間の長さが５ｍｍである場合、並進ステージ２２は、所定の移動ステップでΔＸを０から５ｍｍまで変化させることができる。

ＱＰＭ結晶の分極反転周期Λは、第１端Ｅ１において最小値Λｍｉｎであり、第２端Ｅ２において最大値Λｍａｘである。並進ステージ２２を用いてＱＰＭデバイス２１を平行移動させることによって、ポンプ光の光路におけるＱＰＭ結晶の分極反転周期Λが変化する。これにより、分極反転周期ΛをΛｍｉｎからΛｍａｘまでの範囲内で変化させることができる。位相整合条件は下記式（９）のように表される。

図３１は、ＱＰＭデバイス２１の平行移動に伴って発生するアイドラー光子の波長λｉに関するシミュレーション結果の一例を示す図である。横軸は、ポンプ光の光路における分極反転周期Λを表す。縦軸はアイドラー波長λｉを表す。ここではポンプ波長λｐ＝５３２ｎｍであり、分極反転周期の最小値Λｍｉｎ＝８μｍであり、分極反転周期の最大値Λｍａｘ＝１３．５μｍであると想定した。図３１に示すように、ＱＰＭデバイス２１の平行移動によって中赤外域の全域よりも広い１μｍから５μｍまでの波長域に亘ってアイドラー光子を発生させることができる。

図３２は、実施の形態１の変形例１に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。マップＭＰ１は、試料の基礎データ（屈折率と厚みとの組合せ）ごとに、ＱＰＭデバイス２１の移動量ΔＸと第２スイープの掃引範囲Ｗ２との間の対応関係を含む。マップＭＰ１は、ＱＰＭデバイス２１の移動量ΔＸと、アイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓとの間の対応関係をさらに含んでもよい。

図３３は、実施の形態１の変形例１に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ４２１，Ｓ４２２の処理は、実施の形態１におけるＳ２２１１，Ｓ２２１２の処理（図１９参照）と同等である。

Ｓ４２３において、コントローラ９０は、マップＭＰ１を参照することによって、ＱＰＭデバイス２１の現在の移動量ΔＸ（ｎ）に対応する第２スイープの掃引範囲Ｗ２を決定する。続くＳ４２４，Ｓ４２５の処理は、実施の形態１におけるＳ２２１４，Ｓ２２１５の処理（図１９参照）と同等である。

Ｓ４２６において、コントローラ９０は、ＱＰＭデバイス２１が現在の移動量ΔＸ（ｎ）から次の移動量ΔＸ（ｎ＋１）に変化するように並進ステージ２２を制御する。Ｓ４２７以降の処理もＳ２２１７以降の処理と同等である。よって、説明は繰り返さない。

図３３ではコースモードにおいて第１スイープを省略する例を説明したが、コントローラ９０は第１スイープを実行してもよい。また、本変形例でもコントローラ９０はファインモードを有する。続く変形例２，３でも同様である。

以上のように、実施の形態１の変形例１においては、ＱＰＭデバイス２１を平行移動走査する（ＱＰＭデバイス２１に対するポンプ光の照射位置を変化させる）ことによって、中赤外域の全域に亘るアイドラー光子を発生させることができる。変形例１によれば、実施の形態１と同様に、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

実施の形態１のように非線形光学結晶１０４を回転走査する場合、ポンプ光、シグナル光及びアイドラー光の各光路に変化が生じ得る。これに対し、ＱＰＭデバイス２１の平行移動走査では、そのような光路変化を抑制できる。さらに、一般に、並進ステージは、回転ステージと比べて、位置の制御性が高く、かつサイズも小さい。したがって、変形例１によれば、高精度かつコンパクトな量子吸収分光システム２を提供できる。

なお、図示しないが、実施の形態１においても、非線形光学結晶１０４に代えてＱＰＭデバイスを採用してもよい。つまり、ＱＰＭデバイスと回転ステージ１０５とを組み合わせてもよい。この場合、分極反転周期が光路に沿って変化するチャープ型の素子を用いることが好ましい。

［実施の形態１の変形例２］
実施の形態１の変形例２においては、非線形光学結晶の温度走査によって量子もつれ光子対の波長を走査する構成について説明する。

図３４は、実施の形態１の変形例２に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム３は、量子光学系１０に代えて量子光学系３０を含む点において、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１（図１参照）と異なる。量子光学系３０は、回転ステージ１０５に代えて温度制御装置３１を含む点において、量子光学系１０と異なる。

温度制御装置３１は、非線形光学結晶１０４の温度（以下、「結晶温度Ｔ」と記載する）を検出する温度センサ（図示せず）を含む。結晶温度Ｔは、本開示に係る「制御パラメータ」の一例である。温度制御装置３１は、コントローラ９０からの制御指令に従って、結晶温度Ｔを制御するように構成されている。温度制御装置３１は、たとえば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）ヒータなどの加熱装置３１１を含む。温度制御装置３１は、加熱装置３１１に代えて又は加えて、ペルチェ素子などの冷却装置（図示せず）を含んでもよい。非線形光学結晶１０４の屈折率が温度依存性を示すため、結晶温度Ｔの制御によって位相整合条件（下記式（１０）参照）を変化させることができる。

図３５は、結晶温度Ｔの制御に伴うアイドラー波長λｉの変化に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。横軸は結晶温度Ｔを表す。縦軸はアイドラー波長λｉを表す。ここではポンプ波長λｐ＝５３２ｎｍであり、分極反転周期Λ＝１０μｍであると想定した。図３５に示すように、非線形光学結晶１０４の温度制御（加熱／冷却）によってもアイドラー光子の波長域を変化させることができる。

図３６は、実施の形態１の変形例２に係る第２スイープの掃引範囲に関するマップの概念図である。マップＭＰ２は、試料の基礎データ（屈折率と厚みとの組合せ）ごとに、結晶温度Ｔと第２スイープの掃引範囲Ｗ２との間の対応関係を含む。マップＭＰ２は、結晶温度Ｔと、アイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓとの間の対応関係をさらに含んでもよい。

図３７は、実施の形態１の変形例２に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ５２１，Ｓ５２２の処理は、実施の形態１におけるＳ２２１１，Ｓ２２１２の処理（図１９参照）と同等である。

Ｓ５２３において、コントローラ９０は、マップＭＰ２を参照することによって、現在の結晶温度Ｔ（ｎ）に対応する第２スイープの掃引範囲Ｗ２を決定する。なお、結晶温度Ｔの変化に伴う量子干渉信号のピークシフトは小さい。そのため、本変形例では結晶温度Ｔに拘わらず第２スイープの掃引範囲Ｗ２を固定してもよい。Ｓ５２４，Ｓ５４５の処理もＳ２２１４，Ｓ２２１５の処理と同等である。

Ｓ５２６において、コントローラ９０は、結晶温度Ｔが現在の設定値Ｔ（ｎ）から次の設定値Ｔ（ｎ＋１）に変化するように温度制御装置３１を制御する。Ｓ５２７以降の処理もＳ２２１７以降の処理と同等である。よって、説明は繰り返さない。

以上のように、実施の形態１の変形例２においては、非線形光学結晶１０４の温度走査によって、中赤外域の一部におけるアイドラー光子を発生させることができる。変形例２によれば、一定程度の広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

一般に、機械的な機構は、電気的・電子的な機構と比べて故障し易い傾向にある。温度制御装置３１は、非線形光学素子の回転又は並進のための機械的な機構を含まないため、故障しにくい。また、温度制御装置３１の典型的な構成要素（ＰＴＣヒータ、ペルチェ素子など）は小型である。したがって、変形例２によれば、堅牢かつコンパクトな量子吸収分光システム３を提供できる。

なお、量子吸収分光システム３に適用可能な非線形光学結素子は、バルク型の非線形光学結晶１０４に限定されない。量子吸収分光システム３は、リング共振器、光導波路、又はＱＰＭデバイスを含んでもよい。ＱＰＭデバイスは、ファンアウト型の素子であってもよいし、チャープ型の素子であってもよい。

［実施の形態１の変形例３］
実施の形態１の変形例３においては、励起光源から発せられるポンプ光の波長走査によって量子もつれ光子対の波長を走査する構成について説明する。

図３８は、実施の形態１の変形例３に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム４は、量子光学系１０に代えて量子光学系４０を含む点において、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１（図１参照）と異なる。量子光学系４０は、励起光源１０１に代えて波長可変励起光源４１を含む点において、量子光学系１０と異なる。

波長可変励起光源４１は、コントローラ９０からの制御指令に従って、少なくとも可視域においてポンプ波長λｐを可変に構成されている。この例では、波長可変励起光源４１は、ポンプ波長λｐを４５０ｎｍから５７０ｎｍまでの範囲で変化させることができる。ポンプ波長λｐの変化させることによって、エネルギー保存則及び位相整合条件（下記式（１１）参照）を変化させることができる。波長可変励起光源４１は、たとえば各種の半導体レーザであるが、他の方式のレーザ（色素レーザなど）であってもよい。ポンプ波長λｐは、本開示に係る「制御パラメータ」の一例である。

図３９は、ポンプ波長λｐの変化に伴うアイドラー波長λｉの変化に関するシミュレーション結果の一例を示す図である。横軸はポンプ波長λｐを表す。縦軸はアイドラー波長λｉを表す。ここでは結晶温度Ｔ＝２０℃であり、分極反転周期Λ＝１０μｍであると想定した。図３９に示すように、ポンプ波長λｐの変化によっても、中赤外域の全域よりも広い１μｍから５μｍまでの波長域に亘ってアイドラー光子を発生させることができる。

図４０は、実施の形態１の変形例３に係る第２スイープの掃引範囲Ｗ２に関するマップの概念図である。マップＭＰ３は、試料の基礎データ（屈折率と厚みとの組合せ）ごとに、ポンプ波長λｐと第２スイープの掃引範囲Ｗ２との間の対応関係を含む。マップＭＰ３は、ポンプ波長λｐと、アイドラー波長λｉ及びシグナル波長λｓとの間の対応関係をさらに含んでもよい。

図４１は、実施の形態１の変形例３に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ６２１，Ｓ６２２の処理は、実施の形態１におけるＳ２２１１，Ｓ２２１２の処理（図１９参照）と同等である。

Ｓ６２３において、コントローラ９０は、マップＭＰ３を参照することによって、ポンプ光の現在の波長λｐ（ｎ）に対応する第２スイープの掃引範囲Ｗ２を決定する。なお、ポンプ波長λｐの変化に伴う量子干渉信号のピークシフトは小さい。そのため、本変形例でもポンプ波長λｐに拘わらず第２スイープの掃引範囲Ｗ２を固定してもよい。Ｓ６２４，Ｓ６２５の処理もＳ２２１４，Ｓ２２１５の処理と同等である。

Ｓ６２６において、コントローラ９０は、ポンプ波長λｐが現在の設定値λｐ（ｎ）から次の設定値λｐ（ｎ＋１）に変化するように波長可変励起光源４１を制御する。Ｓ６２７以降の処理もＳ２２１７以降の処理と同等である。よって、説明は繰り返さない。

以上のように、実施の形態１の変形例３においては、ポンプ波長λｐ（非線形光学結晶１０４の励起波長）の走査によって、中赤外域の全域に亘るアイドラー光子を発生させることができる。よって、変形例３によれば、実施の形態１と同様に、広い波長域に亘って高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

また、波長可変励起光源４１の構成によっては、図３９に示したように非常に広い波長域に亘ってアイドラー光子を発生させることが可能であり、さらに多波長励起も可能である。したがって、変形例３によれば、広波長域での計測に特に好適な量子吸収分光システム４を提供できる。

なお、量子吸収分光システム４に適用可能な非線形光学結素子は、バルク型の非線形光学結晶１０４に限定されず、リング共振器、光導波路、又はファンアウト型若しくはチャープ型のＱＰＭデバイス（いずれも図示せず）であってもよい。

非線形光学結晶１０４の回転走査（実施の形態１）と、ＱＰＭデバイス２１の平行移動走査（変形例１）と、非線形光学結晶１０４の温度走査（変形例２）と、ポンプ光の波長走査（変形例３）とは適宜組み合わせることができる。たとえば、非線形光学結晶１０４の回転走査に対して、非線形光学結晶１０４の温度走査を組み合わせてもよいし、ポンプ光の波長走査を組み合わせてもよいし、両方（合計３つの手法）を組み合わせてもよい。同様に、ＱＰＭデバイス２１の平行移動走査に対して、ＱＰＭデバイス２１の温度走査を組み合わせてもよいし、ポンプ光の波長走査を組み合わせてもよいし、両方を組み合わせてもよい。非線形光学結晶１０４の温度走査とポンプ光の波長走査とを組み合わせてもよい。

［実施の形態２］
実施の形態２においては、移動ミラー１１０のステップ的な変位を実行せず、量子計測中の光路長差ΔＬを固定するシステム構成について説明する。

図４２は、実施の形態２に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム５は、シングルピクセル型の光検出器８１に代えて分光器８２を備える点において、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１（図１参照）と異なる。

図４３は、分光器８２の構成例を示す図である。分光器８２は、分散光学素子８２１と、受光素子８２２とを含む。

分散光学素子８２１は、この例では回折格子である。分散光学素子８２１は、シグナル光を波長に応じて異なる方向に分散（波長分解）する。分散光学素子８２１は、他の種類の素子（プリズムなど）であってもよい。

受光素子８２２は、アレイ状に配列した複数のピクセルを含むマルチピクセル型の素子である。具体的には、受光素子８２２は、ＣＣＤ(Charged-Coupled Device）イメージセンサ又はＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）イメージセンサなどである。受光素子８２２は、ピクセルごとに異なる波長のシグナル光の光強度を検出するように構成されている。

図４４は、実施の形態２に係る量子干渉信号の解析手法を説明するための概念図である。図４４の上側に、実施の形態１に係る量子吸収分光システム１を用いて、ＱーＦＴＩＲモードにおける光路長差ΔＬの掃引により取得された量子干渉信号を示す。横軸は光路長差ΔＬを表し、縦軸は検出光子数Ｐ_ｓを表す。前述のように横軸の光路長差ΔＬはΔＬ＝ｃΔｔとの関係式を用いて遅延時間Δｔに変換可能であるため、この量子干渉信号は時間領域における量子干渉信号であると言える。

他方、図４４の下側に、実施の形態２に係る量子吸収分光システム５を用いて、光路長差ΔＬを固定した状態で取得された量子干渉信号を示す。左側の量子干渉信号はΔＬ＝０に対応し、中央の量子干渉信号はΔＬ＝１００μｍに対応し、右側の量子干渉信号はΔＬ＝２００μｍに対応する。横軸は、分光器８２による波長分解後に検出されたシグナル波長λｓを表す。縦軸は光強度を表す。下側の３図に示される量子干渉信号は、波長領域における量子干渉信号である。

下側の３図より、ΔＬ＝０の場合には波長領域における量子干渉信号に干渉縞（フリンジ構造）が観察されないのに対し、ΔＬ＝１００μｍ又は２００μｍの場合には干渉縞が観察されることが分かる。さらに、ΔＬ＝２００μｍの場合には、ΔＬ＝１００μｍの場合と比べて、干渉縞の間隔が狭いことも分かる。このように、分光器８２を用いて計測される波長領域における量子干渉信号には、光路長差ΔＬが大きいほど、より間隔が狭くて明瞭な干渉縞が現れる。光路長差ΔＬをある程度大きな値（この例ではΔＬ＝２００μｍ以上）になるように移動ミラー１１０を変位させ、その位置に移動ミラー１１０を固定することによって、明瞭な干渉縞が現れた波長領域における量子干渉信号を取得できる。なお、光路長差ΔＬを固定することは、光路長差ΔＬの掃引範囲を限定する一態様であるとも言える。

図４５は、実施の形態２に係る明瞭度の算出手法を説明するための図である。ここでも比較のため、上側に時間領域における量子干渉信号を示し、下側に波長領域における量子干渉信号を示す。

波長領域における量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅Ａは、時間領域における量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅Ａと同じ情報を与える。したがって、移動ミラー１１０の変位により光路長差ΔＬを掃引しながら取得された量子干渉信号の振幅Ａと同様に、光路長差ΔＬをある程度大きな値に固定した状態で分光器８２を用いて取得された量子干渉信号の振幅Ａからも量子干渉の明瞭度Ｖを算出できる。具体的には下記式（１２）を用いることができる（Ａ＝Ｉ_ｍａｘ－Ｉ_ｍｉｎ）。そして、実施の形態１と同様に、試料が設置されていない第１の量子計測と試料が設置された第２の量子計測との間での明瞭度Ｖの比に基づいて、試料の透過率Ｔを算出できる。

このように、実施の形態２に係る量子吸収分光システム５は、光路長差ΔＬを掃引しなくても、波長領域における量子干渉信号に現れる干渉縞に基づいて量子干渉の明瞭度Ｖを算出できる。これは、サンプリングの繰り返しが不要な「ワンショット計測」が実現されることを示している。よって、量子計測時間をさらに短縮できる。

また、移動ミラー１１０の駆動装置１１１は、明瞭な干渉縞を観察するために光路長差ΔＬをある程度大きな値（たとえば数百μｍ）に設定できさえすればよい。駆動装置１１１はマイクロメートルオーダーで移動ミラー１１０を制御できれば十分であり、ナノメートルオーダーの制御は要求されない。したがって、駆動装置１１１に粗動のみが可能な安価な装置を採用できる。よって、量子吸収分光システム５の部材コストを低減できる。

図４６は、実施の形態２に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。コントローラ９０は、試料の基礎データ（屈折率及び厚み）の入力を受け付ける（Ｓ７２１）。コントローラ９０は、ポンプ光の出力を開始するように励起光源１０１を制御する（Ｓ７２２）。

Ｓ７２３において、コントローラ９０は、予め準備されたマップ（図示せず）を参照して、結晶回転角θから光路長差ΔＬを決定する。当該マップにおいて、光路長差ΔＬは、波長領域における量子干渉信号に明瞭な干渉縞が観察されるように決定されている。マップはＳ７２１にて入力される屈折率及び厚みも含むものであることが望ましい。

Ｓ７２４において、コントローラ９０は、Ｓ７２４にて決定された光路長差ΔＬが生じる位置に移動ミラー１１０が移動するように駆動装置１１１を制御する。移動ミラー１１０は、その位置に固定される。すなわち、コントローラ９０は第２スイープは実行しない。当然ながら、時間領域における量子干渉信号のピーク位置を特定するための掃引（第１スイープ）も不要である。そして、コントローラ９０は、波長領域における量子干渉信号を分光器８２から取得する（Ｓ７２５）。

Ｓ７２６において、コントローラ９０は、結晶回転角θが次の角度に変化するように回転ステージ１０５を制御する。

Ｓ７２７において、コントローラ９０は、非線形光学結晶１０４の回転走査終了条件が成立したかどうかを判定する。結晶回転角θが終了角度に達していない場合（Ｓ７２７においてＮＯ）、コントローラは、処理をＳ７２３に戻す。これにより、結晶回転角θがさらに次の角度に変化した状態で波長領域における量子干渉信号が取得される。結晶回転角θが終了角度に達すると（Ｓ７２７においてＹＥＳ）、コントローラは、処理をＳ７２８に進め、ポンプ光の出力を停止するように励起光源１０１を制御する。

図４７は、実施の形態２に係る演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、検出光子数の最大値Ｐ_ｓ ^ｍａｘ及び最小値Ｐ_ｓ ^ｍｉｎに代えて干渉縞の最大値Ｉｍａｘ及びＩｍｉｎを用いる点を除けば、コースモードにおける演算処理（図１５参照）と同等であるため、詳細は説明は繰り返さない。

以上のように、実施の形態２においても実施の形態１と同様に、非線形光学結晶１０４の回転走査により中赤外域の全域に亘るアイドラー光子を発生させることができる。さらに、実施の形態２では、シグナル光路長とアイドラー光路長とが一致するΔＬ＝０の位置から移動ミラー１１０を一定程度ずらした（デチューンした）状態で、分光器８２を用いた波長分解により波長領域における量子干渉信号が取得される。そして、波長領域における量子干渉信号に現れる干渉縞の最大値Ｉｍａｘ及び最小値Ｉｍｉｎに基づいて、量子干渉の明瞭度Ｖ，Ｖｒｅｆが算出される。これにより、光路長差ΔＬの掃引を省略できるため、量子計測時間がさらに短縮される。よって、実施の形態２によれば、広い波長域に亘って一層高速に試料の吸収分光特性を計測できる。

実施の形態２では、非線形光学結晶１０４の回転走査と分光器８２による波長分解とを組み合わせる構成について説明した。しかし、分光器８２による波長分解と組み合わせ可能な量子もつれ光子対の波長走査は、非線形光学結晶１０４の回転走査に限定されない。ＱＰＭデバイス２１の平行移動走査（変形例１）と分光器８２による波長分解とを組み合わせてもよい。非線形光学結晶１０４の温度走査（変形例２）と分光器８２による波長分解とを組み合わせてもよい。ポンプ光の波長走査（変形例３）と分光器８２による波長分解とを組み合わせてもよい。

［実施の形態３］
実施の形態３においては、移動ミラー１１０を変位させず、かつ、分光器８２も使用しないシステム構成について説明する。

図４８は、実施の形態３に係る量子吸収分光システムの全体構成を示す図である。量子吸収分光システム６は、量子光学系１０に代えて量子光学系６０を含む点、及び分光器８２に代えて光検出器８３を含む点において、実施の形態２に係る量子吸収分光システム５（図４２参照）と異なる。量子光学系６０は、移動ミラー１１０の駆動装置１１１に加えて移動ミラー１１０の調整機構６１を含む点において、量子光学系１０と異なる。

光検出器８３は、アレイ状に配列した複数のピクセルを含むマルチピクセル型の受光素子を含む。光検出器８３は、たとえばＣＣＤイメージセンサ又はＣＭＯＳイメージセンサである。実施の形態２と異なり、光検出器８３は、回折格子などの分散光学素子８２１（図４３参照）は含まない。

調整機構６１は、コントローラ９０からの制御指令に従って、アイドラー光の伝搬方向に対する移動ミラー１１０の角度を調整可能に構成されている。調整機構６１は、たとえば、１軸チルト又は２軸チルトが可能な傾斜回転ステージである。調整機構６１は、ユーザにより調整される手動ステージであってもよい。

図４９は、実施の形態３に係る量子干渉信号の解析手法を説明するための概念図である。ここでも理解を容易にするため比較例から説明する。比較例に係る量子光学系は、非線形光学結晶１０４と固定ミラー１０７との間でポンプ光の往路と復路とが完全に重なり合うように調整されている。シグナル光の往路と復路とも同様に、非線形光学結晶１０４と固定ミラー１０７との間で完全に重なり合う。アイドラー光の往路と復路とは、非線形光学結晶１０４と移動ミラー１１０との間で完全に重なり合う。

この場合、シグナル光子とアイドラー光子との量子干渉の結果、光検出器８３により検出されるシグナル光の強度は、光検出器８３の受光面に並ぶ複数のピクセル間でおおよそ等しい。言い換えると、光検出器８３の受光面におけるシグナル光強度の空間プロファイルは一様である。移動ミラー１１０を掃引すると、シグナル光強度の空間プロファイルは、全体的に増大したり減少したりするものの一様のままである。

これに対し、実施の形態３に係る量子光学系６０は、アイドラー光の往路と復路とが僅かにずれるように調整されている。一方、ポンプ光及びシグナル光については、往路と復路とが完全に重なり合っている。この場合にもシグナル光子とアイドラー光子との量子干渉が起こり、光検出器８３の受光面におけるシグナル光強度の空間プロファイルに干渉縞（フリンジ構造）が観察される。なお、シグナル光路とアイドラー光路との間の光路長差ΔＬをゼロ近傍に設定することが望ましい。アイドラー光に代えて又は加えてシグナル光の往路と復路とが僅かにずれるように調整されていてもよい。

図５０は、実施の形態３に係る明瞭度の算出手法を説明するための図である。横軸は、光検出器８３の受光面に並ぶ複数のピクセルの位置（基準位置からの各ピクセルの距離）を表す。縦軸は光強度を表す。このような空間的な干渉縞の最大値Ｉｍａｘ及び最小値Ｉｍｉｎからも上記式（１２）に従って量子干渉の明瞭度Ｖを算出できる。そして、実施の形態１，２と同様に、試料が設置されていない第１の量子計測と試料が設置された第２の量子計測との間での明瞭度Ｖの比に基づいて、試料の透過率Ｔを算出できる。したがって、光路長差ΔＬを掃引しなくてよいし、分光器８２を設ける必要もない。

図５１は、実施の形態３に係る第２の量子計測の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ８２６において、コントローラ９０は、シグナル光強度の空間プロファイルに現れる空間的な干渉縞を取得する。他の処理は、実施の形態２に係る第２の量子計測の対応する処理（図４６参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

図５２は、実施の形態３に係る演算処理の処理手順の一例を示すフローチャートである。Ｓ８３１において、コントローラ９０は、光検出器８３の各ピクセルにより検出されたシグナル光強度に基づいて、空間的な干渉縞の最大値Ｉｍａｘ及びＩｍｉｎを取得する。Ｓ８３２以降の処理は、実施の形態２に係る演算処理の対応する処理（図４７参照）と同等であるため、説明は繰り返さない。

以上のように、実施の形態３においても実施の形態１，２と同様に、非線形光学結晶１０４の回転走査により中赤外域の全域に亘るアイドラー光子を発生させることができる。さらに、実施の形態３では、シグナル光路長とアイドラー光路長とが一致するΔＬ＝０の位置から移動ミラー１１０を一定程度ずらした（デチューンした）状態、かつ、アイドラー光の往路と復路とが僅かにずれるように調整された状態で、マルチピクセル型の光検出器８３によりシグナル光強度の空間プロファイルが取得される。そして、シグナル光強度の空間プロファイルに現れる空間的な干渉縞の最大値Ｉｍａｘ及び最小値Ｉｍｉｎに基づいて、量子干渉の明瞭度Ｖ，Ｖｒｅｆが算出される。これにより、光路長差ΔＬの掃引を省略できるため、量子計測時間がさらに短縮される。よって、実施の形態３によれば、広い波長域に亘って一層高速に試料の吸収分光特性を計測できる。さらに、分光器８２も設置しなくてよいため、安価かつコンパクトな量子吸収分光システム６を提供できる。

実施の形態３では、非線形光学結晶１０４の回転走査によって広い波長域のアイドラー光を発生させる構成について説明した。しかし、ＱＰＭデバイス２１の平行移動走査（変形例１）、非線形光学結晶１０４の温度走査（変形例２）又はポンプ光の波長走査（変形例３）によって広い波長域のアイドラー光を発生させてもよい。つまり、実施の形態３と実施の形態１の変形例１～３とは適宜組み合わせることができる。

［付記］
最後に本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
量子吸収分光システムであって、
シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を起こすように構成された量子光学系を備え、
前記量子光学系は、
ポンプ光の照射により、前記量子もつれ光子対を発生させる非線形光学素子と、
制御パラメータの変更により、前記量子もつれ光子対の波長を走査するように構成された波長走査部と、
前記シグナル光子と前記アイドラー光子との間の光路長差を掃引するように構成された光路掃引部とを含み、
前記量子吸収分光システムは、さらに、
対象試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、前記シグナル光子の検出数に応じた信号を出力する光検出器と、
前記量子干渉を起こすように前記量子光学系を制御し、当該制御中に前記光検出器から取得される量子干渉信号に基づいて前記対象試料の吸収分光特性を算出するプロセッサとを備え、
前記プロセッサは、
前記制御パラメータの変更により前記波長を順次変化させる度に、前記量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように前記光路長差を掃引する場合と比べて前記光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は前記光路長差が固定された条件下で前記量子干渉信号を取得し、
取得された量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出し、
算出された干渉縞の振幅に基づいて、前記制御パラメータに対応する前記アイドラー光子の波長における前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム。

（付記２）
前記光検出器は、波長分解することなく前記シグナル光子を検出するように構成され、
前記プロセッサは、
前記波長を順次変化させる度に、前記量子干渉信号の前記エンベロープ全体の時間領域よりも狭く、かつ、前記量子干渉信号のピーク位置を含む特定の時間領域で前記量子干渉信号が選択的に取得されるように、前記光路長差の掃引範囲を限定し、
前記特定の時間領域における量子干渉信号に現れる前記干渉縞の振幅を算出する、付記１又は２に記載の量子吸収分光システム。

（付記３）
前記制御パラメータと前記光路長差の掃引範囲との間の第１の対応関係が格納されたメモリをさらに備え、
前記プロセッサは、前記第１の対応関係を参照することによって、前記制御パラメータに応じて前記光路長差の掃引範囲を限定する、付記２に記載の量子吸収分光システム。

（付記４）
試料の屈折率及び厚みと前記光路長差の掃引範囲との間の第２の対応関係が格納されたメモリをさらに備え、
前記プロセッサは、前記第２の対応関係を参照することによって、前記対象試料の屈折率及び厚みに応じて前記光路長差の掃引範囲を限定する、付記２又は３に記載の量子吸収分光システム。

（付記５）
前記プロセッサは、
第１のステップ幅で前記光路長差を掃引することによって前記特定の時間領域を決定し、
前記第１のステップ幅よりも小さな第２のステップ幅で前記光路長差を掃引することによって、前記特定の時間領域における量子干渉信号を選択的に取得する、付記２～４のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記６）
前記プロセッサは、第１及び第２のモードを有し、
前記第１のモードは、前記量子干渉信号のフーリエ変換により得られるフーリエスペクトルの振幅に基づいて、前記対象試料の吸収分光特性を算出するモードであり、
前記第２のモードは、前記量子干渉信号に現れる前記干渉縞の振幅に基づいて、前記対象試料の吸収分光特性を算出するモードであり、
前記プロセッサは、前記第２のモードでは、前記第１のモードと比べて、前記光路長差の掃引範囲を限定する、付記１～５のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記７）
前記光検出器は、
前記シグナル光子を波長分解する分散光学素子と、
前記分散光学素子により波長分解された光を検出するマルチピクセル型受光素子とを含み、
前記プロセッサは、
前記波長を順次変化させる度に、前記光路長差が固定された条件下で波長領域における量子干渉信号を取得し、
前記波長領域における量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出する、付記１に記載の量子吸収分光システム。

（付記８）
前記光検出器は、波長分解することなく前記シグナル光子を検出するマルチピクセル型受光素子を含み、
前記プロセッサは、
前記波長を順次変化させる度に、前記光路長差が固定された条件下で前記マルチピクセル型受光素子におけるシグナル光子の光強度の空間プロファイルを前記量子干渉信号として取得し、
前記空間プロファイルに現れる干渉縞の振幅を算出する、付記１に記載の量子吸収分光システム。

（付記９）
前記波長走査部は、前記非線形光学素子を回転させるように構成された回転機構を含み、
前記プロセッサは、前記ポンプ光の入射方向に対して前記非線形光学素子の光軸がなす角度を前記制御パラメータとして制御する、付記１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記１０）
前記非線形光学素子は、ファンアウト型の擬似位相整合素子であり、
前記波長走査部は、前記ポンプ光の伝搬方向に交わる方向に前記擬似位相整合素子を平行移動させる移動機構を含み、
前記プロセッサは、前記移動機構による前記擬似位相整合素子の移動距離を前記制御パラメータとして制御する、付記１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記１１）
前記波長走査部は、前記非線形光学素子の温度を走査するように構成された温度制御装置を含み、
前記プロセッサは、前記非線形光学素子の温度を前記制御パラメータとして制御する、付記１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記１２）
前記波長走査部は、前記ポンプ光の波長を可変に構成された光源を含み、
前記プロセッサは、前記ポンプ光の波長を前記制御パラメータとして制御する、付記１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記１３）
前記量子光学系は、前記対象試料の全反射測定が可能に構成された全反射測定装置をさらに含む、付記１～１２のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。

（付記１４）
量子光学系を用いた量子吸収分光方法であって、
前記量子光学系は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を起こし、制御パラメータの変更により前記量子もつれ光子対の波長を走査するように構成されるとともに、前記シグナル光子と前記アイドラー光子との間の光路長差を掃引するように構成され、
前記量子吸収分光方法は、
試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、前記制御パラメータの変更により前記波長を順次変化させるステップと、
前記波長を順次変化させる度に、前記シグナル光子の検出数に応じた量子干渉信号を光検出器から取得するステップとを含み、
前記取得するステップは、前記量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように前記光路長差を掃引する場合と比べて前記光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は前記光路長差が固定された条件下で前記量子干渉信号を取得するステップを含み、
前記量子吸収分光方法は、さらに、
前記量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出するステップと、
前記干渉縞の振幅に基づいて、前記制御パラメータに対応する前記アイドラー光子の波長における前記試料の吸収分光特性を算出するステップとを含む、量子吸収分光方法。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１，１Ａ，２～６ 量子吸収分光システム、１０，１０Ａ，２０，３０，４０，６０ 量子光学系、１０１ 励起光源、１０２ レンズ、１０３ ダイクロイックミラー、１０４ 非線形光学結晶、１０５ 回転ステージ、１０６ ダイクロイックミラー、１０７ 固定ミラー、１０８ レンズ、１０９ 試料ホルダ、１１０ 移動ミラー、１１１ 駆動装置、１１２ レンズ、１１３ ロングパスフィルタ、１１４ アイリス、１１５ バンドバスフィルタ、１１６ 並進ステージ、１１７ ダイクロイックミラー、１１８ ミラー、１１９ 固定ミラー、１２０ 駆動装置、１２１ ＡＴＲユニット、１２１Ａ レンズ、１２１Ｂ プリズム、１２１Ｃ レンズ、１２２ 固定ミラー、２１ ＱＰＭデバイス、２２ 並進ステージ、３１ 温度制御装置、３１１ 加熱装置、４１ 波長可変励起光源、６１ 調整機構、８１ 光検出器、８２ 分光器、８２１ 分散光学素子、８２２ 受光素子、８３ 光検出器、９０ コントローラ、９１ プロセッサ、９２ メモリ、９２１ ＲＯＭ、９２２ ＲＡＭ、９２３ フラッシュメモリ、９３ 入力機器、９４ 出力機器、９５ 通信ＩＦ。

Claims (14)

1. 量子吸収分光システムであって、
   シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を起こすように構成された量子光学系を備え、
   前記量子光学系は、
   ポンプ光の照射により、前記量子もつれ光子対を発生させる非線形光学素子と、
   前記量子もつれ光子対の波長を制御パラメータの変更により走査するように構成された波長走査部と、
   前記シグナル光子と前記アイドラー光子との間の光路長差を掃引するように構成された光路掃引部とを含み、
   前記量子吸収分光システムは、さらに、
   対象試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、前記シグナル光子の検出数に応じた信号を出力する光検出器と、
   前記量子干渉を起こすように前記量子光学系を制御し、当該制御中に前記光検出器から取得される量子干渉信号に基づいて前記対象試料の吸収分光特性を算出するように構成されたプロセッサとを備え、
   前記プロセッサは、
   前記制御パラメータの変更により前記波長を順次変化させる度に、前記量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように前記光路長差を掃引する場合と比べて前記光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は前記光路長差が固定された条件下で前記量子干渉信号を取得し、
   取得された量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出し、
   算出された干渉縞の振幅に基づいて、前記制御パラメータに対応する前記アイドラー光子の波長における前記吸収分光特性を算出する、量子吸収分光システム。
2. 前記光検出器は、波長分解することなく前記シグナル光子を検出するように構成され、
   前記プロセッサは、
   前記波長を順次変化させる度に、前記量子干渉信号の前記エンベロープ全体の時間領域よりも狭く、かつ、前記量子干渉信号のピーク位置を含む特定の時間領域で前記量子干渉信号が選択的に取得されるように、前記光路長差の掃引範囲を限定し、
   前記特定の時間領域における量子干渉信号に現れる前記干渉縞の振幅を算出する、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
3. 前記制御パラメータと前記光路長差の掃引範囲との間の第１の対応関係が格納されたメモリをさらに備え、
   前記プロセッサは、前記第１の対応関係を参照することによって、前記制御パラメータに応じて前記光路長差の掃引範囲を限定する、請求項２に記載の量子吸収分光システム。
4. 試料の屈折率及び厚みと前記光路長差の掃引範囲との間の第２の対応関係が格納されたメモリをさらに備え、
   前記プロセッサは、前記第２の対応関係を参照することによって、前記対象試料の屈折率及び厚みに応じて前記光路長差の掃引範囲を限定する、請求項２に記載の量子吸収分光システム。
5. 前記プロセッサは、
   第１のステップ幅で前記光路長差を掃引することによって前記特定の時間領域を決定し、
   前記第１のステップ幅よりも小さな第２のステップ幅で前記光路長差を掃引することによって、前記特定の時間領域における量子干渉信号を選択的に取得する、請求項２に記載の量子吸収分光システム。
6. 前記プロセッサは、第１及び第２のモードを有し、
   前記第１のモードは、前記量子干渉信号のフーリエ変換により得られるフーリエスペクトルの振幅に基づいて、前記対象試料の吸収分光特性を算出するモードであり、
   前記第２のモードは、前記量子干渉信号に現れる前記干渉縞の振幅に基づいて、前記対象試料の吸収分光特性を算出するモードであり、
   前記プロセッサは、前記第２のモードでは、前記第１のモードと比べて、前記光路長差の掃引範囲を限定する、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
7. 前記光検出器は、
   前記シグナル光子を波長分解する分散光学素子と、
   前記分散光学素子により波長分解された光を検出するマルチピクセル型受光素子とを含み、
   前記プロセッサは、
   前記波長を順次変化させる度に、前記光路長差が固定された条件下で波長領域における量子干渉信号を取得し、
   前記波長領域における量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出する、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
8. 前記光検出器は、波長分解することなく前記シグナル光子を検出するマルチピクセル型受光素子を含み、
   前記プロセッサは、
   前記波長を順次変化させる度に、前記光路長差が固定された条件下で前記マルチピクセル型受光素子におけるシグナル光子の光強度の空間プロファイルを前記量子干渉信号として取得し、
   前記空間プロファイルに現れる干渉縞の振幅を算出する、請求項１に記載の量子吸収分光システム。
9. 前記波長走査部は、前記非線形光学素子を回転させるように構成された回転機構を含み、
   前記プロセッサは、前記ポンプ光の入射方向に対して前記非線形光学素子の光軸がなす角度を前記制御パラメータとして制御する、請求項１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
10. 前記非線形光学素子は、ファンアウト型の擬似位相整合素子であり、
    前記波長走査部は、前記ポンプ光の伝搬方向に交わる方向に前記擬似位相整合素子を平行移動させる移動機構を含み、
    前記プロセッサは、前記移動機構による前記擬似位相整合素子の移動距離を前記制御パラメータとして制御する、請求項１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
11. 前記波長走査部は、前記非線形光学素子の温度を走査するように構成された温度制御装置を含み、
    前記プロセッサは、前記非線形光学素子の温度を前記制御パラメータとして制御する、請求項１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
12. 前記波長走査部は、前記ポンプ光の波長を可変に構成された光源を含み、
    前記プロセッサは、前記ポンプ光の波長を前記制御パラメータとして制御する、請求項１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
13. 前記量子光学系は、前記対象試料の全反射測定が可能に構成された全反射測定装置をさらに含む、請求項１～８のいずれか１項に記載の量子吸収分光システム。
14. 量子光学系を用いた量子吸収分光方法であって、
    前記量子光学系は、シグナル光子とアイドラー光子との量子もつれ光子対が発生する複数の物理過程の間で量子干渉を起こし、制御パラメータの変更により前記量子もつれ光子対の波長を走査するように構成されるとともに、前記シグナル光子と前記アイドラー光子との間の光路長差を掃引するように構成され、
    前記量子吸収分光方法は、
    試料が前記アイドラー光子の光路に配置された状態において、前記制御パラメータの変更により前記波長を走査するステップと、
    前記波長を順次変化させる度に、前記シグナル光子の検出数に応じた量子干渉信号を光検出器から取得するステップとを含み、
    前記取得するステップは、前記量子干渉信号のエンベロープ全体が取得されるように前記光路長差を掃引する場合と比べて前記光路長差の掃引範囲が限定された条件下、又は前記光路長差が固定された条件下で前記量子干渉信号を取得するステップを含み、
    前記量子吸収分光方法は、さらに、
    前記量子干渉信号に現れる干渉縞の振幅を算出するステップと、
    前記干渉縞の振幅に基づいて、前記制御パラメータに対応する前記アイドラー光子の波長における前記試料の吸収分光特性を算出するステップとを含む、量子吸収分光方法。
    

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