JP3677246B2

JP3677246B2 - 光増幅型分光装置

Info

Publication number: JP3677246B2
Application number: JP2002046627A
Authority: JP
Inventors: 浩一石田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2005-07-27
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: JP2003247890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光量の少ない被測定光を増幅しながら波長分布に関して分光を行なう光増幅型分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光の性質を表すパラメーターの１つに波長分布がある。この波長分布を測定するには、光の波長の違いによる物質の屈折率が異なるという性質を用いたプリズム、回折格子による光の干渉を用いたグレーティングなどの分散型の分光装置が用いられている。これらの手法は共に、検出したい光をプリズムまたはグレーティングにより空間的に分離した後、スリットを用いて必要な光のみを得るまたは、空間的に分離した光をＣＣＤを用いて検出するものである。
【０００３】
また、光パラメトリック増幅を用いた波長測定装置としては、特開平６−２３５９５０号が知られている。これは、レーザ光源から、非線形光学特性を有する光学素子に励起光を照射して２本のパラメトリック発光を起こさせ、少なくとも一方の発生光の光軸に一致させて被測定光を光学素子に入射させ、パラメトリック増幅された被測定光の情報を持った２本のパラメトリック増幅光が、パラメトリック発生光の発生方向と近似する波長に応じた方向に出力することから、いずれか一方の増幅光の出射角を検出し、被測定光の波長分布を測定するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した分散型の分光装置では、プリズム、グレーティング等、装置内での光の損失のため、特に被測定光の強度が弱い場合には測定が困難であるという問題点があった。また、特開平６−２３５９５０号で開示されるような光パラメトリック増幅を用いた波長測定装置では、検出光を増幅して検出を行なうことができるが、被測定光の入射方向に強く増幅されるので、一度に広い波長範囲で、増幅かつ分光を行なうことが困難であった。そこで、本発明の目的は、上記した技術的課題を解決するためになされたものであり、一度に広い波長範囲で、増幅かつ分光を行なうことができる光増幅型分光装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成された光増幅型分光装置である。すなわち、本発明の光増幅型分光装置は、非線形光学特性を有する光学素子と、この光学素子に被測定光と比べて波長が短く、強度の強いポンプ光を照射してパラメトリック発生を起こさせるレーザー光源と、前記被測定光を前記ポンプ光と同じタイミングで、光軸を一致させて前記光学素子に入射させる光学手段とを備え、前記被測定光の波長に依存した出射角で放出されるパラメトリック増幅光を用いて分光を行う光増幅型分光装置において、前記被測定光の偏光方向を変えることによるパラメトリック増幅光の強度変化、または前記ポンプ光の偏光方向及び前記光学素子をポンプ光の光軸を回転軸として回転を行うことによるパラメトリック増幅光の強度変化を検出することを特徴とする。
本発明によれば、被測定光の光強度が弱い場合において、今まで分光装置内で損失してしまっていた光を増幅しながら分光測定ができる。また、円形状に光が広がっているので、例えば、ＣＣＤを用いて検出でき、再度光を集めることもできることから、必要としていない迷光の強度が強く、十分な分光ができなかった場合には、必要のない光を空間的に除去した後、再度分光を行うことが可能である。
さらに、本発明の光増幅型分光装置は、被測定光の偏光方向を変えることによるパラメトリック増幅光の強度変化、または、ポンプ光の偏光方向及び光学素子を光の入射角を中心とした、回転を行うことによるパラメトリック増幅光の強度変化を検出することにより、被測定光に関する偏光情報を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付してある。
図１は本発明の一実施例に係る光増幅型分光装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の光増幅型分光装置は、非線形光学特性を有する光学素子１０と、パラメトリック増幅を起こさせるレーザ光２０と、被測定光２１と、これらレーザ光２０と被測定光２１を受光し光軸を合わせるためのハーフミラー１３と、レーザ光２０及び被測定光２１を共軸上で光学素子１０に集光照射を行なうレンズ１１を備えている。さらに、被測定光２１がパラメトリック増幅により増幅され、被測定光２１の波長に依存する出射角を有して円形状に発生するパラメトリック増幅光２２により分光を行なう機構と光学素子１０を通過したレーザ光２０を取り除くプリズム１２を備えている。このように構成した光増幅型分光装置において、レーザー光２０及び被測定光２１は同じタイミングで光学素子１０に入射するようになっている。
【０００９】
本実施形態では、レーザ光２０及び被測定光２１を共軸にして、非線形光学特性を有する光学素子１０に入射させることにより、被測定光２１の波長に依存する出射角で円形状に発生するパラメトリック増幅光２２を得ている。
波長による検出角度は以下の原理に基づき算出される。
一軸性の非線形光学素子を用いた場合、常光線での屈折率ｎ_ｏ、異常光線での屈折率ｎ_ｅが存在する。これらの屈折率は、光の波長λにより異なる値をとる。常光線方向から異常光線方向にθ度異なった方向の屈折率ｎ^ｅ（θ）は、次の数式（１）となる。
【００１０】
【数１】

【００１１】
パラメトリック増幅では、シグナル光λ_１、ｋ_１、アイドラ光λ_２、ｋ_２、ポンプ光λ_３、
ｋ_３と呼ばれる３つの光の相互作用により光増幅が起こる。それぞれのλ及びｋは光の波長、波数ベクトルを示しており、添え字は１がシグナル光、２がアイドラ光、３がポンプ光を表している。パラメトリック増幅が起こる場合には、次の条件の条件が満たされる。
【００１２】
【数２】

【数３】

【００１３】
ここで、ｋはベクトル量であり、式（３）の条件を図で表すと、図２のようになる。また、波数ベクトルｋは、ｎを屈折率とすると次の数式（４）と示される。
【００１４】
【数４】

【００１５】
一般的に、パラメトリック増幅は波長可変のレーザを作成する場合に用いられる。その場合には、式（１）乃至（４）を満たし、かつ波数ベクトルｋ_１、ｋ_２、ｋ_３の方向が同じとなるように、光の入射方向と光学素子１０の結晶方向を合わせた条件で発生する強い増幅光を利用している。
【００１６】
本発明においては、ポンプ光であるレーザ光２０が異常光線方向に偏光成分を持ち、シグナル光である被測定光２１及びアイドラ光が常光線方向に偏光成分を持つ場合を考えている。レーザ光２０の入射方向は、非線形光学特性を有する光学素子１０に対し、ある結晶方向と一致するので、被測定光２１のパラメトリック増幅は、式（１）乃至（４）から計算できることになる。被測定光２１によるパラメトリック増幅光２２のレーザ光２０に対する出射角度の違いγは、次の数式（５）で与えられる。
【００１７】
【数５】

【００１８】
以上のことから、本発明に係る分光装置の分光特性が求められる。
【００１９】
パラメトリック増幅光２２のレーザ光２０に対する出射角度の違いγは、光学素子１０の結晶軸に対する被測定光２１及びレーザ光２０の入射角θにより、異なる値をとるため、結晶軸方向を変えることにより測定波長範囲を選定することができる。また、上記出射角度の違いγは、非線形光学特性を有する光学素子１０の屈折率やレーザ光２０の波長の違いによっても異なる値をとるため、測定波長範囲を選定することができることを示している。
【００２０】
また、式（５）は、レーザ光２０、被測定光２１の偏光方向の違いにより異なった式となるため、被測定光２１の偏光解析が可能となる。
【００２１】
【実施例】
本発明の実施例を図３を用いて説明する。図３は本実施例を具体的な機器で構成した射視図である。本実施例では、非線形光学特性を有する光学素子として、光学軸を３０度にカットしたＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶４０を使用し、これをレーザ光２０、被測定光２１に対し入射角度を変えられるように回転ステージ３１を設置してある。尚、非線形光学特性を有する光学素子４０はＢＢＯ結晶に限られず、ＫＨ_２ＰＯ_４（ＫＤＰ）、ＬｉＮｂＯ_３など、パラメトリック発生を起こすものであれば使用可能である。使用する光学素子によって分光が可能な波長範囲は異なるので、被測定波長領域から選定することになる。レーザ装置にはチタンサファイアレーザ３０を用いている。被測定光２１は、ハーフミラー１３を用いてレーザ光２０と共軸上に合わせられ、光学レンズ１１を用いてＢＢＯ結晶４０に集光照射される。
【００２２】
本実施例では、レーザ光源３０は、チタンサファイアレーザの第二高調波（波長、４００ｎｍ）を使用した。レーザ光２０及び被測定光２１はＢＢＯ結晶４０に対し垂直に入射している。レーザ光２０は回転ステージ３１の回転軸に垂直な偏光をもち、被測定光２１は回転ステージ３１の回転軸に平行な偏光をしている。ＢＢＯ結晶４０を通過した後のレーザ光２０は、プリズム１２を用いて光を除去している。
【００２３】
被測定光２１として、５５０ｎｍ、５７０ｎｍの光を入射したところ、被測定光２１によるパラメトリック増幅光２２は、レーザ光２０に対して出射角度γ＝３．１８度の方向に円形状に放出された５５０ｎｍ光が観測され、出射角度γ＝３．１１度の方向に円形状に放出された５７０ｎｍの光が観測された。
【００２４】
次いで、回転ステージ３１を用いてＢＢＯ結晶４０を回転させ、結晶軸２９度の方向からレーザ光２０及び被測定光２１が入射するようにした場合、被測定光２１によるパラメトリック増幅光２２は、レーザ光２０に対して、５５０ｎｍの光は出射角度γ＝２．７０度に変化し、５７０ｎｍの光はγ＝２．５３度に出射角度がそれぞれ変化した。
尚、被測定光２１が偏光情報を含んでいる場合、ＢＢＯ結晶４０に入射する被測定光２１の偏光方向を回転させることにより、偏光情報を含んだパラメトリック増幅光を得ることができる。また、レーザ光２０の偏光方向を変化させ、あるいはＢＢＯ結晶４０を回転させ、相対的に被測定光２１光の偏光方向をＢＢＯ結晶４０に対し変化させてもよいことは勿論である。
【００２５】
図４は図３の装置を用いて観測を行なった、エタノール溶液中に溶解したローダミンＢの蛍光スペクトルを示している。ローダミンＢを溶解したエタノール溶液中にレーザ光を照射し、得られた蛍光をレンズを用いて集光し、ＢＢＯ結晶４０に照射をした。被測定光２１は光学軸に対し３０度で、かつ、レーザ光２０と同じタイミングで入射を行なった。図４は、被測定光２１及びレーザ光２０が、ＢＢＯ結晶４０を透過し３０ｃｍ進んだ位置を中心として、レーザ光２０の進行方向に垂直な平面内の円の半径位置における増幅光２２の光強度をプロットしたものである。増幅光２２には、シグナル光、アイドラ光が含まれているので、図４の測定では、アイドラ光を除去するフィルターを通過させた後、検出をおこなった。
【００２６】
エタノール溶液中に溶解したローダミンＢでは、５９０ｎｍ近傍をピークトップに持つ線幅の広い蛍光スペクトルが発生する。５９０ｎｍの波長の光は１．５８ｃｍの位置に検出されると考えられる。図４に示すように、本実施例では、１．５８ｃｍを中心としたローダミンＢの蛍光スペクトルが観測されている。図４の測定では、５２０ｎｍの波長の光が１．７ｃｍに、７２０ｎｍの波長の光が１．３ｃｍの位置に検出されると考えられる。
【００２７】
図５は図４と同様の実験条件において、検出光としてアイドラ光を用いた結果である。測定は、シグナル光を除去するフィルターを通過させた後、検出をおこなった。５９０ｎｍの光を被測定光として入射した場合に発生するアイドラ光は、３．４ｃｍの位置に検出されると考えられることから、中心から３ｃｍの位置に観測されている光は、ローダミンＢの蛍光を基にして、図３の分光装置により発生したアイドラ光である。図５の測定では、５４０ｎｍの波長の光に伴って発生するアイドラ光が４．５ｃｍの位置に、７４０ｎｍの波長の光に伴って発生するアイドラ光が１．５ｃｍの位置に検出されると考えられる。
【００２８】
このようにして、被測定光を本発明の光増幅型分光装置を用いることにより分光しながら、光を増幅することが可能である。
また、レーザ光２０がパルスレーザであり、かつ被測定光２１光もパルスレーザを光源としたパルス光である場合、レーザ光２０に光遅延回路を設けることりより、レーザパルスの重なった時のみパラメトリック増幅が発生することを利用して時間分解測定を行なうことができる。
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００２９】
【発明の効果】
本発明にかかる光増幅型分光装置によれば、入射した光の波長に依存した出射角で放出される円形状のパラメトリック増幅光を用いて光を増幅しながら分光を行なうことが可能となる。また、パラメトリック増幅光の出射角が、非線形光学特性を有する光学素子材料に対する被測定光およびポンプ光の入射角度に依存することを利用して、被測定光の測定波長領域を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施態様に係る光増幅型分光装置の構成を示すブロッフ図である。
【図２】パラメトリック発光がおこる波数ベクトルの条件を示した図である。
【図３】本実施例を具体的な機器で構成した射視図である。
【図４】本実施例の分光装置を用いて測定したローダミンＢの蛍光スペクトルを示す図である。
【図５】本実施例の分光装置において、測定光としてアイドラ光を用いた場合に、測定されるローダミンＢの蛍光スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１０：非線形光学素子
１１：光学レンズ
１２：プリズム
１３：ハーフミラー
２０：レーザ光
２１：被測定光
２２：パラメトリック増幅光
３０：回転ステージ
３１：レーザ装置
４０：ＢＢＯ結晶

Claims

非線形光学特性を有する光学素子と、この光学素子に被測定光と比べて波長が短く、強度の強いポンプ光を照射してパラメトリック発生を起こさせるレーザー光源と、前記被測定光を前記ポンプ光と同じタイミングで、光軸を一致させて前記光学素子に入射させる光学手段とを備え、前記被測定光の波長に依存した出射角で放出されるパラメトリック増幅光を用いて分光を行う光増幅型分光装置において、
前記被測定光の偏光方向を変えることによるパラメトリック増幅光の強度変化、または前記ポンプ光の偏光方向及び前記光学素子をポンプ光の光軸を回転軸として回転を行うことによるパラメトリック増幅光の強度変化を検出することを特徴とする光増幅型分光装置。