JP4074271B2

JP4074271B2 - 時間分解分光装置

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Description

この発明は、光信号の分析に用いられる時間分解分光装置に関するものである。

近年、光通信や物理計測等の分野では、フェムト秒（１［ｆｓ］＝１０^−１５［ｓ］）〜ピコ秒（１［ｐｓ］＝１０^−１２［ｓ］）のオーダーの極短時間内で変動する光信号の利用が盛んに行われている。このように極めて短い時間内での光信号の変動は、時間分解能の高い測定装置、例えば、後記の特許文献１に記載の時間−２次元空間変換光学系のような時間分解分光装置を用いることによって観測することができる。

特許文献１に記載の時間−２次元空間変換光学系は、回折格子、１次元フーリエ変換光学系、時間−周波数変換フィルタ、及び１次元逆フーリエ変換光学系を有している。
この時間−２次元空間変換光学系を用いた光信号の観測は、以下のようにして行われる。

まず、平面波化された信号光を回折格子に斜めに入射させて、光波の伝播方向と空間的な位相分布とが回折格子への入射角度に等しい傾きを以って交差する回折光を得る。
次に、この回折光を１次元フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対してフーリエ変換することにより、信号光のスペクトル分布を空間分布として得る。

このようにして得たスペクトル分布を、このスペクトル分布が投影される位置に設置された時間−周波数変換フィルタによって、切り出す周波数成分の周波数が垂直方向に見て順次増加するようにフィルタリングする。
このフィルタリングされた光波を１次元逆フーリエ変換光学系によって水平方向成分に対して逆フーリエ変換することにより、水平方向には時間遅延の分布、垂直方向には切り出されたスペクトル成分の分布がそれぞれ対応する光波分布を得る。

そして、この光波分布において異なる時間遅延部分と交差する平面上に、この平面と波面が一致するようにして参照ＴＬパルス平面波を入射することで、前記の平面上に光波分布と参照ＴＬパルス平面波との干渉縞が発生する。
このようにして得た干渉縞のパターンは、光波分布における時間的な強度分布に対応するものであるので、このパターンを解析することで、計測すべき信号光の振幅情報及び位相情報を得る。
特許第３０１８１７３号公報（図１等）

ここで、良好な時間分解分光計測を行うためには、回折格子の回折効率を高くすることが求められる。このため、実際に時間−２次元空間変換光学系を運用する場合には、回折格子は、その法線を時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して４５°程度傾斜させて用いられる。
このように回折格子が時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させられると、１次元フーリエ変換光学系及び１次元逆フーリエ変換光学系からなる光学系において回折格子と共役となる共役面も、時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜することとなる。このため、干渉縞を撮影する撮像装置の撮像面も、共役面と共役となるように、時間−２次元空間変換光学系の光軸に対して傾斜させる必要がある。

しかしながら、ＣＣＤカメラ等の一般的な撮像装置は、その構成上、撮像面に対して斜め方向から入射する光線に対しては、シェーディング等が生じるためによい特性を示さないことが多いので、このように撮像面を光軸に対して傾斜させた場合には、撮像装置によって得られる干渉縞パターンの精度が低く、高精度な時間分解分光計測を行うことは困難であった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、時間分解分光計測を高精度に行うことができる時間分解分光装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明は、プローブ光を発生する光源と、該プローブ光をコリメートするビーム整形光学系と、該ビーム整形光学系を挟んで前記光源と反対側に配置され、前記プローブ光が斜めに入射するように配置された回折格子と、該回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系と、撮像面が前記共役面上に配置された撮像装置とを備え、該撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、前記回折格子は、前記プローブ光を、前記回折格子への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換する構成とされ、前記二次元変換光学系は、前記各一次回折光を、前記二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内で、それぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向に、スペクトル分布が生じるように変換する構成とされ、前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、前記二次元変換光学系が、正のパワーを有する第一レンズと、該第一レンズから出射された前記一次回折光を前記二次元変換光学系の前記光軸に交差する仮想平面内で前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換する二次元変換素子と、正のパワーを有し該二次元変換素子により得られた前記擬似二次元スペクトログラムを前記共役面に結像させる第二レンズとを有する縮小光学系からなり、前記撮像面が前記二次元変換光学系の光軸に対して傾斜するように、前記撮像装置が配置されている時間分解分光装置を提供する。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、二次元変換光学系によって共役面上に擬似二次元スペクトログラムが結像されて、共役面上に撮像面が配置された撮像装置によって、この二次元スペクトログラムが撮影される。
ここで、共役面上に擬似二次元スペクトログラムを結像させるために、二次元変換光学系及び撮像面は、以下のように配置される。
第一レンズは、前側焦点が回折格子上に位置するように配置され、第二レンズは、前側焦点が第一レンズの後側焦点と一致し、後側焦点が共役面上に位置するように配置される。

この時間分解分光装置においても、回折格子が二次元変換光学系の光軸に対して傾斜しているため、共役面も二次元変換光学系の光軸に対して傾斜している。このため、撮像面は、この撮像面を含む仮想平面（共役面）と回折格子を含む仮想平面との交線が、光軸に直交し第一レンズの後側焦点を通る基準平面上に位置するように配置される。言い換えれば、撮像面は、回折格子を含む仮想平面と基準平面との交線を通りかつ第二レンズの後側焦点を通る仮想平面上に位置している。
このことから、二次元変換光学系の光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度は、回折格子の傾斜角度だけでなく第二レンズの後側焦点の位置によっても異なり、第二レンズの後側焦点が第一レンズの後側焦点に近くなるほど、二次元変換光学系の光軸に対する撮像面の法線の傾斜角度が小さくなる。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、二次元変換光学系が縮小倍率を有しているので、二次元変換光学系が等倍率である場合に比べて、第一レンズの焦点距離と第二レンズの焦点距離との比が小さい。すなわち、この時間分解分光装置によれば、二次元変換光学系が等倍率である場合に比べて、第一レンズの後側焦点から第二レンズの後側焦点までの距離が短く、撮像面が第一レンズの後側焦点に近い。
これにより、この時間分解分光装置では、回折格子の傾斜角度を小さくすることなく、光軸に対して撮像面の法線のなす角度を小さくすることができ、回折格子の回折効率を低下させることなく、二次元変換光学系を通過した光束を、撮像面の法線に対してより小さい角度で、撮像面に入射させることができる。

また、本発明に係る時間分解分光装置は、前記ビーム整形光学系が、前記プローブ光を、前記回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形し、前記二次元変換光学系が、前記各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、前記二次元変換光学系の光軸と平行かつ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散させる回折格子アレイを有していてもよい。

前記のように、従来の時間分解分光装置は、フィルタによって一次回折光の断面のうちの一部を切り出すことによって擬似二次元スペクトログラムを得る構成とされているので、フィルタを通過しなかった光は利用されない。このため、プローブ光の利用効率が低く、プローブ光が弱い場合には明瞭な干渉縞パターンを得にくく、正確な分析を行うことが困難であった。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、プローブ光が、回折格子に入射する前の段階で、ビーム整形光学系によって回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形されるので、各一次回折光の集合も、スペクトル分布が生じる方向に延びる線状の断面の光束となる。このようなビーム整形光学系は、例えばシリンドリカルレンズを用いることによって構成することができる。
そして、各一次回折光の各波長成分は、二次元変換光学系の回折格子アレイによって、それぞれその波長に応じて、二次元変換光学系の光軸と平行かつスペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散されるので、これによって擬似二次元スペクトログラムが形成される。
このように、本発明に係る時間分解分光装置によれば、全てのプローブ光を利用して擬似二次元スペクトログラムが形成されるので、プローブ光の利用効率が高く、プローブ光が弱い場合にも明瞭な干渉縞パターンを得ることができる。

本発明に係る時間分解分光装置によれば、回折格子の傾斜角度を小さくすることなしに、撮像装置の撮像面の法線に対して従来よりも小さい角度で、撮像面に光束を入射させることができるので、回折格子の高い回折効率を維持したままで、シェーディング等の影響を低減して、撮像装置による干渉縞パターンの撮影を良好に行うことができ、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図１から図６を用いて説明する。
本実施形態に係る時間分解分光装置１は、試料によって変調された信号光（プローブ光）を分析することによって、フェムト秒〜ピコ秒のオーダーの極短時間内での試料の挙動を観察するものである。

具体的には、図１及び図２に示すように、時間分解分光装置１は、パルス間隔がフェムト秒〜ピコ秒の超短パルス光を発生させる光源２と、光源２が発した超短パルス光を試料が設置されるステージＳｔに導く照射光学系３と、照射光学系３によってステージＳｔ上の試料に照射されて試料による変調を受けた超短パルス光（プローブ光）を整形する第一ビーム整形光学系４とを有している。
第一ビーム整形光学系４の後段には、第一ビーム整形光学系４によってコリメートされたプローブ光を分散させる回折格子５と、回折格子５による一次回折光をスペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換して回折格子５と共役となる共役面ＦＣ上にプローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系６と、撮像面７ａが共役面ＦＣ上に配置された撮像装置７とが設けられており、これによって共役面ＦＣ上に結像された擬似二次元スペクトログラムが撮像装置７によって撮影されるようになっている。

さらに、光源２と照射光学系３との間には、光源２が発した超短パルス光の一部を分岐させて参照光として取り出す第一ビームスプリッタ１２が設けられている。
この第一ビームスプリッタ１２の後段には、参照光を整形する第二ビーム整形光学系１３が設けられており、第二ビーム整形光学系１３の後段には、整形された参照光を二次元変換光学系６から出射したプローブ光と合波させる合波装置１４が設けられている。

以下、上記の各構成部材の具体的な構成について説明する。
光源２としては、例えば超短パルス光レーザー発振器等が用いられる。本実施形態では、光源２の発する信号光は、中心波長８００ｎｍ、波長幅±５ｎｍ、パルス幅１００フェムト秒の超短パルス光である。
照射光学系３は、光源２から入射した超短パルス光をポンプ光とプローブ光とに分岐させる第二ビームスプリッタ２１と、第二ビームスプリッタ２１とステージＳｔとの間でポンプ光に対して任意の時間遅延量をプローブ光に生じさせる時間遅延発生装置２２とを有している。第二ビームスプリッタ２１としては、例えばハーフミラーが用いられる。

この照明光学系３では、時間遅延発生装置２２によってポンプ光に対してプローブ光が遅延させられるので、ポンプ光によって試料が励起された後にプローブ光が試料に照射されて、励起された試料によってプローブ光が変調を受けるようになっている。
本実施形態では、時間遅延発生装置２２は、プローブ光を反射させるミラー２３と、ミラー２３を移動させるミラー駆動装置２４とを有しており、ミラー駆動装置２４によってミラー２３を移動させることで、プローブ光の光路長を変化させて、ポンプ光に対するプローブ光の時間遅延量を調整することができるようになっている。

また、この照射光学系３には、照射光学系３における上記各構成部材の配置に合わせて、これら構成部材にそれぞれ適切な光路長で超短パルス光やポンプ光、パルス光を導くミラー２６，２７，２８と、照射光学系３から第一ビーム整形光学系４までポンプ光及びパルス光を中継するミラー２９とが設けられている。

第一ビーム整形光学系４は、例えば、レンズ３１とレンズ３２とによって構成されるビームエキスパンダである。本実施形態では、レンズ３１の焦点距離は１０ｍｍ、レンズ３２の焦点距離は１００ｍｍとされている。すなわち、第一ビーム整形光学系４は、入射したプローブ光を約１０倍に拡大しかつコリメートして出射するようになっている。

回折格子５は、平板状のブラッグ型回折格子（透過型）であり、その法線Ｌ１が、照射光学系３の光軸ＡＸ１及び二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２に平行な平面上で光軸ＡＸ２に対して角度θをなすように配置されている。そして、この回折格子５には、傾斜方向に直交する格子溝が、傾斜方向に沿って等間隔にして複数本形成されている。
ここで、本実施の形態では、照射光学系３の光軸ＡＸ１と二次元変換光学系６の光軸ＡＸ２とが直交させられている。以下の説明では、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２との交点を含みかつ光軸ＡＸ２に直交する面を仮想平面Ｆ１とし、仮想平面Ｆ１上で光軸ＡＸ１に平行となる方向をＸ軸とし、仮想平面Ｆ１上でＸ軸に直交する方向をＹ軸とし、光軸ＡＸ２と平行な方向をＺ軸とする。また、光軸ＡＸ１と光軸ＡＸ２との交点を原点として、Ｘ軸及びＺ軸においてそれぞれプローブ光の進行方向を正方向とする。

本実施形態では、回折格子５は、仮想平面Ｆ１をＹ軸回りに４５°回転させた仮想平面Ｆ１ａ上に配置されている。すなわち、傾斜角度θは４５°である。また、回折格子５は、仮想平面Ｆ１ａに沿ったＸ軸方向の寸法が約１４．１４ｍｍ、Ｙ軸方向の寸法が約１０ｍｍで、照射光学系３から法線Ｌ１に対して入射角４５°で入射されるプローブ光の中心波長域の光線の回折方向が光軸ＡＸ２に略一致するよう、格子定数は１７６７本／ｍｍに設定されている。これにより、回折格子５には、第一ビーム整形光学系４から入射角４５°でプローブ光が入射されて、このプローブ光が、ＺＸ平面に平行な平面上で二次元変換光学系６側に向けて（Ｚ軸の正方向に向けて）、高効率で分散されるようになっている。

この回折格子５に入射したプローブ光（信号光）は、回折格子５への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置（Ｘ軸方向の位置）及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換される。言い換えれば、プローブ光は、光波の伝播方向と空間的な位相分布とが傾きを以って交差する回折光に変換される。

二次元変換光学系６は、Ｘ軸方向に正のパワーを有し前側焦平面が仮想平面Ｆ１上に位置する第一シリンドリカルレンズ３６（フーリエ変換光学系）と、第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦平面Ｆ２上に配置されるフィルタ３７（時間ー周波数変換フィルタ）と、Ｘ軸方向に正のパワーを有し前側焦平面がフィルタ３７上に位置する第二シリンドリカルレンズ３８（逆フーリエ変換光学系）とを有している。
これら第一、第二シリンドリカルレンズ３６，３８は、縮小光学系を構成している。本実施形態では、第一シリンドリカルレンズ３６は、焦点距離ｆ_３６＝１００ｍｍであり、第二シリンドリカルレンズ３８は焦点距離ｆ_３８＝４０ｍｍである。すなわち、二次元変換光学系６の倍率Ｍは、０．４とされている。

第一シリンドリカルレンズ３６は、回折格子５によってＸ軸に平行な面上で分散された一次回折光をＺＸ平面に平行な平面上でコリメートして、後側焦平面Ｆ２上のフィルタ３７に入射させるものである。例えば、本実施形態では、一次回折光のうち、８０５ｎｍ、８００ｎｍ、７９５ｎｍの各波長域の光線は、第一シリンドリカルレンズ３６によって、図３に示すように、後側焦平面Ｆ２上の、Ｘ＝−１．２５ｍｍ、０ｍｍ、＋１．２４ｍｍとなる位置にそれぞれ入射させられる。

フィルタ３７は、図４に示すように、Ｘ軸及びＹ軸に対してそれぞれ傾斜する向きに延びるスリット３７ａを有しており、これによって一次回折光から、Ｘ軸及びＹ軸に対してそれぞれ傾斜する向きに延びる帯状の領域を切り出すようになっている。このようにして切り出された光束には、Ｙ軸方向に沿って順次波長分布が生じている。

第二シリンドリカルレンズ３８は、フィルタ３７によって切り出された光束をＸ軸方向に収束させて、断面がＹ軸方向に延びる帯状の光束に変換して、二次元変換光学系６において仮想平面Ｆ１ａと共役となる共役面ＦＣ上に投影するものである。
ここで、図２に示すように、共役面ＦＣは、第二シリンドリカルレンズ３８の後側焦平面Ｆ３を、仮想平面Ｆ１に対する仮想平面Ｆ１ａの回転方向とは逆向きにしてＹ軸回りに角度φ回転させたものである。すなわち、ＺＸ平面上での光軸ＡＸ２に対する共役面ＦＣの法線Ｌ２の傾斜角度はφである。

回折格子５からは、Ｘ軸方向の入射位置に応じて異なる時間遅延をもって一次回折光が発せられているので、共役面ＦＣには、各一次回折光が、Ｘ軸方向の異なる位置に、それぞれ時間差をもって入射する。これにより、共役面ＦＣ上には、図５に示すような、Ｘ軸方向に時間の分布が生じ、Ｙ軸方向に波長分布が生じた擬似二次元スペクトログラムＳが形成される。

撮像装置７としては、例えば受光素子を平面上でマトリックス状に配置した構成の撮像面７ａを有するＣＣＤカメラ等が用いられる。この撮像装置７は、撮像面７ａが共役面ＦＣ上に位置するようにして配置されている。

第一ビームスプリッタ１２は、例えばハーフミラーによって構成されるものである。
第二ビーム整形光学系１３は、例えば、レンズ４６とレンズ４７とによって構成されるビームエキスパンダである。また、第一ビームスプリッタ１２は、レンズ４７から出射された参照光を合波装置１４まで中継するミラー４８を有している。
本実施形態では、レンズ４６の焦点距離は１０ｍｍ、レンズ４７の焦点距離は１００ｍｍとされている。すなわち、第二ビーム整形光学系１３は、第一ビーム整形光学系４と同じく、入射したプローブ光を約１０倍に拡大しかつコリメートして出射するようになっている。

合波装置１４は、二次元変換光学系６内でのプローブ光の光路上から外れた位置に、この光路に対して傾斜させて設けられるミラー５１を有している。
このミラー５１には、第二ビーム整形光学系１３から、プローブ光の光路に対して傾斜する方向より参照光が入射されるようになっている。したがって、ミラー５１は、プローブ光を通過させつつ、参照光をプローブ光と平行になるようにＺ軸の正方向に向けて反射して撮像装置７に入射させるようになっている。

本実施形態では、ミラー５１は、二次元変換光学系６の第一シリンドリカルレンズ３６と第二シリンドリカルレンズ３８との間に設けられており、ミラー５１で反射された参照光が第二シリンドリカルレンズ３８を通じて撮像面７ａに照射されるようになっている。そして、ミラー５１と第二ビーム整形光学系１３との間には、第二シリンドリカルレンズ３８とともに縮小光学系を構成する集光シリンドリカルレンズ５２が設けられていて、参照光がプローブ光と同じ倍率で縮小されて撮像面７ａに照射されるようになっている。この集光シリンドリカルレンズ５２は、Ｚ軸方向に正のパワーを有しており、参照光をＺ軸方向に縮小するものである。

このようにして擬似二次元スペクトログラムＳが投影される撮像面７ａ上に参照光が照射されることで、撮像面７ａには擬似二次元スペクトログラムＳと参照光との干渉縞パターンが生じる。この干渉縞パターンにおいて各部の縞の有無や縞の周期（縞間の間隔）に基づいて、プローブ光の時間分解分光計測を行うことができる。

この時間分解分光装置１において、擬似二次元スペクトログラムＳを撮像面７ａ上に投影するために、二次元変換光学系６及び撮像面７ａは、以下のように配置される。
図６に示すように、第一シリンドリカルレンズ３６は、前側焦点が回折格子５上に位置するように配置され、第二シリンドリカルレンズ３８は、前側焦点が第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦点Ｒ１と一致し、後側焦点が撮像面７ａ上（共役面ＦＣ上）に位置するように配置される。

この時間分解分光装置１においても、回折格子５が光軸ＡＸ２に対して傾斜しているので、回折格子５の共役面ＦＣは、回折格子５を含む仮想平面Ｆ１ａと共役面ＦＣとの交線Ｕが、光軸ＡＸ２に直交し第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦点Ｒ１を通る基準平面ＦＳ（後側焦平面Ｆ２）上に位置するように配置される。言い換えれば、共役面ＦＣは、回折格子５を含む仮想平面Ｆ１ａと基準平面ＦＳとの交線Ｕを通りかつ第二シリンドリカルレンズ３８の後側焦点Ｒ２を通る。

このことから、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φは、回折格子５の傾斜角度θだけでなく、第二シリンドリカルレンズ３８の後側焦点Ｒ２の位置によっても異なり、第二シリンドリカルレンズ３８の後側焦点Ｒ２が第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦点Ｒ１に近くなるほど、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φが小さくなる。
すなわち、二次元変換光学系６の倍率が小さくなるほど、光軸ＡＸ２に対する撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φが小さくなる。

以下、上記した撮像面７ａの法線Ｌ２の傾斜角度φと二次元変換光学系６の倍率との関係を、数式を用いて説明する。
回折格子５を含む仮想平面Ｆ１ａと共役面ＦＣとの交線Ｕは、ＺＸ平面上で基準平面ＦＳと第一シリンドリカルレンズ３６の後側焦点Ｒ１とを結ぶ半直線ＵＲ１上に位置している。
このことから、次式（１）の関係が得られる。

ここで、式（１）において、ｆ_３６は第一シリンドリカルレンズ３６の焦点距離であり、ｆ_３８は第二シリンドリカルレンズ３８の焦点距離である。
そして、式（１）から次式（２）が得られる。

式（２）は、二次元変換光学系６の倍率Ｍの定義（Ｍ＝ｆ_３８／ｆ_３６）から、次式（３）のように変形することができる。

式（３）より、二次元変換光学系６の倍率Ｍの値に応じて回折格子５の傾斜角度θと撮像面７ａの傾斜角度φとの大小関係が定まることが分かる。具体的には、Ｍ＞１のときはφ＞θとなり、Ｍ＜１のときはφ＜θとなる。
以上のことから、二次元変換光学系６が縮小倍率を有する場合には、撮像面７ａの傾斜角度φが、回折格子５の傾斜角度θに比べて小さくなる。

本実施形態では、二次元変換光学系６の倍率が０．４、回折格子５の傾斜角度θが４５°とされているので、撮像面７ａの傾斜角度φは２１．８°となる。
ここで、回折格子５と撮像面７ａ間の倍率について説明する。図６に示すように回折格子５内でＺＸ平面と平行となる座標軸Ｘ_５を定義する。また、撮像面７ａ上でＺＸ平面と平行となる座標軸Ｘ_ｉを定義する。
二次元変換光学系６において、Ｘ_５軸とＸ_ｉ軸との間での倍率はＭｃｏｓθ／ｃｏｓφで与えられる（Ｙ軸方向の倍率は１である）。従って、回折格子５上に形成される光束のＸ_５軸方向の寸法αは１４．１４ｍｍであり、撮像装置７の撮像面７ａ上に結像される擬似二次元スペクトログラムＳのＸ_ｉ軸方向の寸法βは４．３１ｍｍとなる。

以上述べたように、この時間分解分光装置１では、撮像面７ａの傾斜角度φを回折格子５の傾斜角度θに比べて小さくすることができる。すなわち、回折格子５の傾斜角度を小さくせずに高い回折効率を保ったまま、光軸ＡＸ２に対して撮像面７ａの法線Ｌ２のなす角度φを小さくして、リレー光学系１１を通過した光束を、撮像面７ａの法線Ｌ２に対してより小さい角度で、撮像面７ａに入射させることができる。

通常のＣＣＤカメラでは、光線の入射角を２５°以下程度に抑えることができれば、シェーディング等による性能低下を十分に抑えることができる。本実施形態では、前記のように、回折格子５の傾斜角度θは４５°としながらも、撮像面７ａの傾斜各度φは２１．８°と、２５度以下に抑えることができるので、シェーディング等による撮像装置７の性能低下を十分に抑えることができる。
このように、この時間分解分光装置１では、撮像装置７による干渉縞パターンの撮影を良好に行うことができ、時間分解分光計測を高精度に行うことができる。

［第二実施形態］
以下、本発明の第二実施形態について、図７及び図８を用いて説明する。
図７に示すように、本実施形態に係る時間分解分光装置６１は、第一実施形態に示した時間分解分光装置１において、第一ビーム整形光学系４及び二次変換光学系６の代わりに、第一ビーム整形光学系６４及び二次変換光学系６６を設けたことを主たる特徴とするものである。以下、第一実施形態の時間分解分光装置１と同様または同一の部材については同じ符号を用いて示し、詳細な説明を省略する。

第一ビーム整形光学系６４は、照射光学系３から入射するプローブ光を、回折格子５の傾斜方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる線状の断面の光束に整形するようになっている。
本実施形態では、第一ビーム整形光学系６４は、焦点距離１００ｍｍの球面レンズ７１と焦点距離５０ｍｍの球面レンズ７２とからなる、倍率０．５の縮小光学系を有している。そして、この縮小光学系と回折格子５との間には、Ｚ軸方向に正のパワーを有する第三シリンドリカルレンズ７３と、前側焦平面が第三シリンドリカルレンズ７３の後側焦平面上に位置する第四シリンドリカルレンズ７４とが設けられている。これら第三、第四シリンドリカルレンズ７３，７４は、倍率１０の拡大光学系を構成しており、プローブ光の幅（Ｚ軸方向の寸法）をＹ軸方向の寸法の１０倍に拡大している。

すなわち、第一ビーム整形光学系６４は、球面レンズ７１，７２によって一旦縮小されたプローブ光を第三、第四シリンドリカルレンズ７３，７４によって回折格子５の傾斜方向（Ｚ軸方向）にのみ拡大するので、プローブ光は、第一ビーム整形光学系６４に入射した時点よりもＹ軸方向の寸法が縮小された状態で、Ｚ軸方向の寸法のみが拡大される。
そして、このようにして回折格子５の傾斜方向に延びる線状の断面の光束に整形されたプローブ光は、回折格子５によって分散されて、各一次回折光の集合が、スペクトル分布の生じる方向（Ｘ軸方向）に延びる線状の断面の光束となる。

二次元変換光学系６６は、第一実施形態で示した二次元変換光学系６において、第一シリンドリカルレンズ３６の代わりに焦点距離Ｆ_７６の第一球面レンズ７６が設置され、フィルタ３７の代わりに回折格子アレイ７７（二次元変換素子）が設置され、第二シリンドリカルレンズ３８の代わりに焦点距離Ｆ_７８の第二球面レンズ７８が設置されたことを主たる特徴とするものである。この二次元変換光学系６６においても、倍率Ｍ＝ｆ_７８／ｆ_７６）＜１である。
ここで、本実施形態では、合波装置１４の代わりに、合波装置１４において集光シリンドリカルレンズ５２の代わりに集光球面レンズ５２ａが設けられた合波装置１４ａが用いられる。

第一球面レンズ７６は、回折格子５によってＸ軸に平行な面上で分散された一次回折光をコリメートして、後側焦平面Ｆ２上の回折格子アレイ７７に入射させるものである。

回折格子アレイ７７は、各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、ＹＺ平面上の異なる方向に分散させるようになっている。
具体的には、回折格子アレイ７７は、図８に示すように、格子溝がＹ軸方向に複数設けられかつそれぞれ格子定数が異なる複数の回折格子７７ａ，７７ｂ，７７ｃ，…を、Ｘ軸方向に沿って格子定数の大きさの順番に配列したものである。これにより、回折格子５によってＸ軸に沿ったスペクトル分布を有する各一次回折光は、それぞれ波長に応じて異なる格子定数の回折格子に入射して、それぞれＹＺ平面上の異なる方向に分散される。

例えば、一次回折光のうち中心波長８０５ｎｍの光線はＹＺ平面上でＺ軸に対して−７．１°方向に回折させられ、波長が短くなるほど回折角度がＹＺ平面上の正方向に移動し、中心波長８００ｎｍの光線はＹＺ平面上で０°方向に回折させられ（すなわち直進する）、中心波長７９５ｎｍの光線はＹＺ平面上でＺ軸に対して＋７．１°方向に回折させられる。

ここで、回折格子アレイ７７の波長成分の分解能は、回折格子の配列数を多くすることによって高められる。本実施形態では、各一次回折光の波長域は７９５ｎｍ〜８０５ｎｍであるので、回折格子アレイ７７は、対応する波長域が１ｎｍ刻みで異なる１０個の回折格子を配列している。

第二球面レンズ７８は、回折格子アレイ７７によって分散された光束を、その断面形状を維持したまま収束させて、二次元変換光学系６６において仮想平面Ｆ１ａと共役となる共役面ＦＣ上に投影するものである。これによって、共役面ＦＣ上には、プローブ光の擬似二次元スペクトログラムＳが結像される。
本実施形態では、第一、第二球面レンズ７６，７８は、それぞれ焦点距離ｆ＝４０ｍｍとされている。また、共役面ＦＣ上に形成される擬似二次元スペクトログラムＳのＹ軸方向の寸法は１４．１４ｍｍ、ＺＸ平面に平行な方向の寸法は１０ｍｍである。

このように構成される時間分解分光装置６１では、フィルタ等によってプローブ光中の一部の光線をカットすることなしに、全ての光線を用いて擬似二次元スペクトログラムＳが形成されるので、プローブ光の利用効率が高く、プローブ光が弱い場合にも明瞭な干渉縞パターンを得ることができる。

本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示すブロック図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置の第一シリンドリカルレンズの後側焦平面における回折光の分布の様子を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置のフィルタの形状を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置によって得られる擬似二次元スペクトル像を示す図である。本発明の第一実施形態に係る時間分解分光装置のリレー光学系の構成を示す平面図である。本発明の第二実施形態に係る時間分解分光装置の概略構成を示す斜視図である。本発明の第二実施形態に係る時間分解分光装置の回折格子アレイの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１，６１時間分解分光装置
４，６４第一ビーム整形光学系
５回折格子
６，６６二次元変換光学系
７撮像装置
３６第一シリンドリカルレンズ
３７フィルタ（二次元変換素子）
３８第二シリンドリカルレンズ
７６第一球面レンズ
７７回折格子アレイ（二次元変換素子）
７８第二球面レンズ
ＦＣ共役面
Ｐ干渉縞パターン
Ｓ擬似二次元スペクトログラム

Claims

プローブ光を発生する光源と、
該プローブ光をコリメートするビーム整形光学系と、
該ビーム整形光学系を挟んで前記光源と反対側に配置され、前記プローブ光が斜めに入射するように配置された回折格子と、
該回折格子と共役となる共役面上に前記プローブ光の擬似二次元スペクトログラムを結像させる二次元変換光学系と、
撮像面が前記共役面上に配置された撮像装置とを備え、
該撮像装置によって前記擬似二次元スペクトログラムと参照光との干渉縞パターンを撮影して、該干渉縞パターンに基づいて前記プローブ光のスペクトル解析を行う時間分解分光装置であって、
前記回折格子は、前記プローブ光を、前記回折格子への入射位置に応じて分散によるスペクトル分布が生じる方向での位置及び時間遅延量が異なる一次回折光の集合に変換する構成とされ、
前記二次元変換光学系は、前記各一次回折光を、前記二次元変換光学系の光軸に交差する仮想平面内で、それぞれ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向に、スペクトル分布が生じるように変換する構成とされ、
前記二次元変換光学系の光軸に対して、前記回折格子は傾いて配置されており、
前記二次元変換光学系が、正のパワーを有する第一レンズと、
該第一レンズから出射された前記一次回折光を前記二次元変換光学系の前記光軸に交差する仮想平面内で前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する方向にスペクトル分布が生じるように変換する二次元変換素子と、
正のパワーを有し該二次元変換素子により得られた前記擬似二次元スペクトログラムを前記共役面に結像させる第二レンズとを有する縮小光学系からなり、
前記撮像面が前記二次元変換光学系の光軸に対して傾斜するように、前記撮像装置が配置されている時間分解分光装置。
前記ビーム整形光学系が、前記プローブ光を、前記回折格子の傾斜方向に沿って延びる線状の断面の光束に整形し、
前記二次元変換光学系が、前記各一次回折光中の各波長成分を、それぞれその波長に応じて、前記二次元変換光学系の光軸と平行かつ前記スペクトル分布が生じる方向とは交差する面上で異なる方向に分散させる回折格子アレイを有する請求項１記載の時間分解分光装置。