JP5236579B2 - 時系列信号測定装置および時系列信号測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、時系列信号測定装置および時系列信号測定方法に関するものである。
近年のフェムト秒レーザ技術の実用化により、時系列信号は、光制御による高分解測定が可能になってきた。
その一般的な方法として、パルスレーザ光をビームスプリッタにより測定用パルスレーザ光および検出用パルスレーザ光の２つに分割し、測定用パルスレーザ光を繰返し現象の発生に使用し、検出用パルスレーザ光の光路長を動的に制御して検出器の作動に使用することにより、光路長に依存した時間分解で現象を測定するものが知られている（特許文献１参照）。
さらに最近では、レーザの制御技術が発達し、パルスレーザ光の繰返し周波数を高精度に制御できるようになってきた。このようなレーザを２台使用し、一方を繰り返し現象の発生に、他方を検出器の作動に使用し、その繰返し周波数の違いにより、相対的なタイミングを特許文献１のような動的な光路長制御の場合と同様に制御することができる手法が提案された（特許文献２参照）。この方法では、従来のような光路長を動的に制御するための遅延光学系が不要であるため、高速でタイミングを変化させることができるという利点がある。
その一般的な方法として、パルスレーザ光をビームスプリッタにより測定用パルスレーザ光および検出用パルスレーザ光の２つに分割し、測定用パルスレーザ光を繰返し現象の発生に使用し、検出用パルスレーザ光の光路長を動的に制御して検出器の作動に使用することにより、光路長に依存した時間分解で現象を測定するものが知られている（特許文献１参照）。
さらに最近では、レーザの制御技術が発達し、パルスレーザ光の繰返し周波数を高精度に制御できるようになってきた。このようなレーザを２台使用し、一方を繰り返し現象の発生に、他方を検出器の作動に使用し、その繰返し周波数の違いにより、相対的なタイミングを特許文献１のような動的な光路長制御の場合と同様に制御することができる手法が提案された（特許文献２参照）。この方法では、従来のような光路長を動的に制御するための遅延光学系が不要であるため、高速でタイミングを変化させることができるという利点がある。
しかしながら、２台のフェムト秒レーザを高精度で制御することはできても、フェムト秒レーザは高価なものであるため、実際の装置に２台のフェムト秒レーザを導入することはコスト的に困難である。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、１台のレーザ光源（例えばフェムト秒レーザ）を用いた場合であっても、高分解能とされた時系列信号を高精度に得ることができる時系列信号測定装置および時系列信号測定方法を提供することを目的とする。
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。
本発明の時系列信号測定装置は、繰り返し周波数を変化させてパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源と、該パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光とに分割するビームスプリッタと、前記測定用パルスレーザ光によって励起された光または該測定用パルスレーザ光とされた入射光が入射されるとともに、前記検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で前記入射光による信号を出力する検出手段と、前記ビームスプリッタと前記検出手段との間に設けられ、前記検出用パルスレーザ光が導光される検出側光路とを備え、前記検出手段からの各時刻における出力信号を時間分解信号として得ることによって前記入射光の時系列信号を測定する時系列信号測定装置であって、前記検出側光路の光路長は、前記検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されていることを特徴とする。
本発明の時系列信号測定装置は、繰り返し周波数を変化させてパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源と、該パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光とに分割するビームスプリッタと、前記測定用パルスレーザ光によって励起された光または該測定用パルスレーザ光とされた入射光が入射されるとともに、前記検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で前記入射光による信号を出力する検出手段と、前記ビームスプリッタと前記検出手段との間に設けられ、前記検出用パルスレーザ光が導光される検出側光路とを備え、前記検出手段からの各時刻における出力信号を時間分解信号として得ることによって前記入射光の時系列信号を測定する時系列信号測定装置であって、前記検出側光路の光路長は、前記検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されていることを特徴とする。
パルスレーザ光源によって繰り返し周波数が変化させられてパルスレーザ光が出射される。なお、パルスレーザ光源としては、好ましくは、フェムト秒レーザが用いられる。
パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタによって測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光に分割される。
測定用パルスレーザ光からの光は、測定対象物である試料を透過または反射した後に、入射光として検出手段へと入射する。なお、試料に照射する光は、測定用パルスレーザ光によって励起された励起光（例えばテラヘルツ光）や、測定用パルスレーザ光そのものが用いられる。
検出手段には、検出用パルスレーザ光が入射されるようになっている。検出手段は、検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で、入射光による信号を時間分解信号として出力する。
検出用パルスレーザ光は、ビームスプリッタから検出側光路を通って検出手段へと導かれる。この検出側光路の光路長は、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されている。上述のように、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光は、繰り返し周波数が変化させられていることから、入射光の繰り返し周波数とは異なる繰り返し周波数で出射された検出用パルスレーザ光を用いて入射光を得ることになる。このように、入射光と検出用パルスレーザ光との間で繰り返し周波数が異なるので、各時刻における入射光の時間分解信号の検出タイミング（位相）が順次ずれることになり、結果として入射光の時系列信号を得ることができる。
なお、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻の入射光としては、検出用パルスレーザ光の出射時刻の次時刻の入射光が好ましい。ただし、次時刻以降の入射光を用いても良い。
パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタによって測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光に分割される。
測定用パルスレーザ光からの光は、測定対象物である試料を透過または反射した後に、入射光として検出手段へと入射する。なお、試料に照射する光は、測定用パルスレーザ光によって励起された励起光（例えばテラヘルツ光）や、測定用パルスレーザ光そのものが用いられる。
検出手段には、検出用パルスレーザ光が入射されるようになっている。検出手段は、検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で、入射光による信号を時間分解信号として出力する。
検出用パルスレーザ光は、ビームスプリッタから検出側光路を通って検出手段へと導かれる。この検出側光路の光路長は、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されている。上述のように、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光は、繰り返し周波数が変化させられていることから、入射光の繰り返し周波数とは異なる繰り返し周波数で出射された検出用パルスレーザ光を用いて入射光を得ることになる。このように、入射光と検出用パルスレーザ光との間で繰り返し周波数が異なるので、各時刻における入射光の時間分解信号の検出タイミング（位相）が順次ずれることになり、結果として入射光の時系列信号を得ることができる。
なお、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻の入射光としては、検出用パルスレーザ光の出射時刻の次時刻の入射光が好ましい。ただし、次時刻以降の入射光を用いても良い。
さらに、本発明の時系列信号測定装置では、前記パルスレーザ光源は、所定周期にて繰り返し周波数を変化させることを特徴とする。
所定周期にて繰り返し周波数を変化させることにより、同一繰り返し周波数のパルスレーザ光を周期毎に出射させることができる。これにより、同一条件の入射光および検出用パルスレーザ光の組合せを周期毎に作り出すことができるので、入射光の同一位相の検出信号を周期毎に複数回得ることができる。この同一位相の検出信号を重畳させることにより、計測精度を向上させることができる。
さらに、本発明の時系列信号測定装置では、前記検出側光路には、光路長を設定するための光ファイバが設けられていることを特徴とする。
光ファイバの長さを調節することによって検出用パルスレーザ光の光路長を所望長に設定することができる。光ファイバの長さの調節は極めて簡便にできるので、装置の製作が容易となる。また、長い光路長が必要な場合であっても、光ファイバであれば巻回して束ねた状態で設置することができるので、場所をとらずに済むという利点がある。
光ファイバの長さとしては、例えば、パルスレーザの繰り返し周波数が５０ＭＨｚ程度の場合には、９ｍ程度となる。
なお、光ファイバを用いない場合には、例えば、ミラーを用いた光学系を構成し、光路長を適宜設定することとしても良い。
光ファイバの長さとしては、例えば、パルスレーザの繰り返し周波数が５０ＭＨｚ程度の場合には、９ｍ程度となる。
なお、光ファイバを用いない場合には、例えば、ミラーを用いた光学系を構成し、光路長を適宜設定することとしても良い。
さらに、本発明の時系列信号測定装置では、前記パルスレーザ光源は、一の時刻におけるパルスレーザ光の繰り返し周波数から得られる繰り返し周期と、次時刻におけるパルスレーザ光の繰り返し周波数から得られる繰り返し周期との差分が、各時刻間において一定となるように、パルスレーザ光の繰り返し周波数を変化させることを特徴とする。
隣り合う一の時刻と次時刻とのパルスレーザ光の繰り返し周期の差分を一定とすることにより、入射光に対する検出用パルスレーザ光のずれ時間が一定となり、検出手段によって得られる時系列信号の時間間隔（位相）が一定となるので、精度の良い計測が可能となる。なお、パルスレーザ光の繰り返し周期は、繰り返し周波数の逆数となる。
また、本発明の時系列信号測定方法は、繰り返し周波数を変化させてパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源と、該パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光とに分割するビームスプリッタと、前記測定用パルスレーザ光によって励起された光または該測定用パルスレーザ光とされた入射光が入射されるとともに、前記検出用パルスレーザ光が入射されたタイミングで前記入射光による信号を出力する検出手段と、前記ビームスプリッタと前記検出手段との間に設けられ、前記検出用パルスレーザ光が導光される検出側光路とを備え、前記検出手段からの各時刻における出力信号を時間分解信号として得ることによって前記入射光の時系列信号を測定する時系列信号測定方法であって、前記検出側光路の光路長は、前記検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されていることを特徴とする。
パルスレーザ光源によって繰り返し周波数が変化させられてパルスレーザ光が出射される。なお、パルスレーザ光源としては、好ましくは、フェムト秒レーザが用いられる。
パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタによって測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光に分割される。
測定用パルスレーザ光からの光は、測定対象物である試料を透過または反射した後に、入射光として検出手段へと入射する。なお、試料に照射する光は、測定用パルスレーザ光によって励起された励起光（例えばテラヘルツ光）や、測定用パルスレーザ光そのものが用いられる。
検出手段には、検出用パルスレーザ光が入射されるようになっている。検出手段は、検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で、入射光による信号を時間分解信号として出力する。
検出用パルスレーザ光は、ビームスプリッタから検出側光路を通って検出手段へと導かれる。この検出側光路の光路長は、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されている。上述のように、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光は、繰り返し周波数が変化させられていることから、入射光の繰り返し周波数とは異なる繰り返し周波数で出射された検出用パルスレーザ光を用いて入射光を得ることになる。このように、入射光と検出用パルスレーザ光との間で繰り返し周波数が異なるので、各時刻における入射光の時間分解信号の検出タイミング（位相）が順次ずれることになり、結果として入射光の時系列信号を得ることができる。
なお、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻の入射光としては、検出用パルスレーザ光の出射時刻の次時刻の入射光が好ましい。ただし、次時刻以降の入射光を用いても良い。
パルスレーザ光源から出射されたパルスレーザ光は、ビームスプリッタによって測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光に分割される。
測定用パルスレーザ光からの光は、測定対象物である試料を透過または反射した後に、入射光として検出手段へと入射する。なお、試料に照射する光は、測定用パルスレーザ光によって励起された励起光（例えばテラヘルツ光）や、測定用パルスレーザ光そのものが用いられる。
検出手段には、検出用パルスレーザ光が入射されるようになっている。検出手段は、検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で、入射光による信号を時間分解信号として出力する。
検出用パルスレーザ光は、ビームスプリッタから検出側光路を通って検出手段へと導かれる。この検出側光路の光路長は、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されている。上述のように、パルスレーザ光源から出射されるパルスレーザ光は、繰り返し周波数が変化させられていることから、入射光の繰り返し周波数とは異なる繰り返し周波数で出射された検出用パルスレーザ光を用いて入射光を得ることになる。このように、入射光と検出用パルスレーザ光との間で繰り返し周波数が異なるので、各時刻における入射光の時間分解信号の検出タイミング（位相）が順次ずれることになり、結果として入射光の時系列信号を得ることができる。
なお、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻の入射光としては、検出用パルスレーザ光の出射時刻の次時刻の入射光が好ましい。ただし、次時刻以降の入射光を用いても良い。
本発明によれば、パルスレーザ光の繰り返し周波数を変化させた上で、検出側光路の光路長を適宜設定し、検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るようにしたので、１台のパルスレーザ光源であっても、特許文献１のような光路長を動的に制御するための遅延光学系を用いずに、高分解とされた入射光の時系列信号を得ることができる。
本発明にかかる時系列信号測定装置および時系列信号測定方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本実施形態にかかる時系列信号測定装置が示されている。レーザ光源として、１台のフェムト秒レーザ１が用いられる。フェムト秒レーザ１は、出射するパルスレーザ光の繰り返し周波数を変化させることができるようになっている。
フェムト秒レーザ１の出射側には、ビームスプリッタ３が設けられている。ビームスプリッタ３により、測定用パルスレーザ光Ｌ１と、検出用パルスレーザ光Ｌ２とに分割される。
図１には、本実施形態にかかる時系列信号測定装置が示されている。レーザ光源として、１台のフェムト秒レーザ１が用いられる。フェムト秒レーザ１は、出射するパルスレーザ光の繰り返し周波数を変化させることができるようになっている。
フェムト秒レーザ１の出射側には、ビームスプリッタ３が設けられている。ビームスプリッタ３により、測定用パルスレーザ光Ｌ１と、検出用パルスレーザ光Ｌ２とに分割される。
測定用パルスレーザ光Ｌ１は、レンズ５を透過した後、パルス光放射手段７へと導かれる。パルス光放射手段７は、半球よりも全球に近い（即ち半球よりも球形部が延長された）形状とされた超半球の光学部材となっている。この超半球とされたパルス光放射手段７の平面部上に光伝導素子が設けられている。光伝導素子に測定用パルスレーザ光Ｌ１が照射されたときに瞬間的に電流が流れ、遠赤外電磁波パルス光であるテラヘルツ光Ｐ１を放射する。
パルス光放射手段７から放射されたテラヘルツ光Ｐ１は、計測対象物となる図示しない試料を透過または反射した後に、入射光Ｐ２として検出器９へと入射する。検出器９は、パルス光放射手段７と同様に、超半球とされた光学部材の平面部上に光伝導素子が設けられた構造となっている。検出器９の光電動素子に検出用パルスレーザ光Ｌ２が照射されたときに瞬間的に導電性となり、この時間内に光伝導素子へと入射した入射光Ｐ２の電場強度を電流として出力することができる。
検出用パルスレーザ光Ｌ２は、レンズ１１を透過した後、光路長設定手段となる光ファイバ１３へと導かれる。光ファイバ１３の長さは、後述するように、所望の長さに設定されている。光ファイバ１３は、図示されているように、巻回した状態（場合によってはさらに束ねた状態）で設置されている。光ファイバ１３から出射された検出用パルスレーザ光Ｌ２は、レンズ１５を透過した後、検出器９へと入射する。
ビームスプリッタ３（位置Ａ）からパルス光放射手段７（位置Ｂ）を経て検出器９の光伝導素子（位置Ｃ）までの経路が、測定側光路とされる。一方、ビームスプリッタ３（位置Ａ）から光ファイバ１３を経由して検出器９の光伝導素子（位置Ｃ）までの経路が、検出側光路とされる。測定側光路の光路長と、検出側光路の光路長との光路差を光ファイバ１３によって適切に設定することにより、本発明による測定が実現される。
図２には、フェムト秒レーザ１から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数が示されている。同図において、横軸は時間ｔ、縦軸はパルスレーザ光の繰り返し周波数ｆである。同図に示されているように、時刻ｔ０にて繰り返し周波数ｆ１とされたパルスレーザ光が出射され、次に時刻ｔ１にて繰り返し周波数ｆ２とされたパルスレーザ光が出射される。繰り返し周波数ｆは、時刻ｔ２，ｔ３，・・・と時刻が経過するにつれて単調増加する（ｆ３，ｆ４，・・・）ようになっており、一周期Ｔ分だけ経過した後に、再び最小の繰り返し周波数ｆ１に戻り、再度単調増加するようになっている。このように、三角波形状の波形となるように周期Ｔにて繰り返し周波数ｆを変化させている。
同図に示すように、時刻ｔ０と時刻ｔ１との時間差は１／ｆ１となり、時刻ｔ１と時刻ｔ２との時間差は１／ｆ２となる。このように、出射時刻が隣り合うパルスレーザ光の間隔（繰り返し周期）を順次変化させることができるので（例えば、１／ｆ１＞１／ｆ２＞１／ｆ３）、各時刻における入射光の検出タイミング（位相）が順次ずれることになり、入射光Ｐ２の時系列信号を得ることができる。すなわち、この時間差を適宜設定することにより、入射波Ｐ２の時間分解能を制御することができる。
次に、図３を用いて、入射光Ｐ２の時系列信号を得る方法について説明する。
同図は、横軸が時間ｔとなっており、各グラフにおいて共通となっている。
最上段のグラフは、縦軸がフェムト秒レーザ１の繰り返し周波数となっており、図２を拡大表示したものとなっている。
上から二段目のグラフは、ビームスプリッタ３にてパルスレーザ光が分割される位置Ａ（図１参照）におけるタイミングが示されている。ビームスプリッタ３は、フェムト秒レーザ１の近傍に設置されているので、パルスレーザ光の出射タイミングとほぼ同時刻となっている。
上から三段目のグラフは、測定用パルスレーザ光Ｌ１がパルス光放射手段７の光伝導素子に入射する位置Ｂ（図１参照）におけるタイミングが示されている。位置Ａ及び位置Ｂの各パルスを結ぶ破線によって、位置Ａから位置Ｂまでの光路長による時間遅れが示されている。
上から四段目のグラフは、入射光Ｐ２が検出器９の光伝導素子に入射する位置Ｃにおけるタイミングを示している。位置Ｂ及び位置Ｃ（入射光）の各パルスを結ぶ破線によって、位置Ｂから位置Ｃまでの光路長による時間遅れが示されている。なお、入射光Ｐ２は、パルス光放射手段７によってテラヘルツ光（ＴＨｚ光）に変換された波形となっている。
上から五段目（最下段）のグラフは、検出用パルスレーザ光Ｌ２が検出器９の光伝導素子に入射する位置Ｃにおけるタイミングを示している。位置Ａのタイミングと位置Ｃ（検出光）のパルスとを結ぶ破線によって、位置Ａから光ファイバ１３を経て検出器９の光伝導素子に到達する光路長（検出側光路長）による時間遅れが示されている。
同図は、横軸が時間ｔとなっており、各グラフにおいて共通となっている。
最上段のグラフは、縦軸がフェムト秒レーザ１の繰り返し周波数となっており、図２を拡大表示したものとなっている。
上から二段目のグラフは、ビームスプリッタ３にてパルスレーザ光が分割される位置Ａ（図１参照）におけるタイミングが示されている。ビームスプリッタ３は、フェムト秒レーザ１の近傍に設置されているので、パルスレーザ光の出射タイミングとほぼ同時刻となっている。
上から三段目のグラフは、測定用パルスレーザ光Ｌ１がパルス光放射手段７の光伝導素子に入射する位置Ｂ（図１参照）におけるタイミングが示されている。位置Ａ及び位置Ｂの各パルスを結ぶ破線によって、位置Ａから位置Ｂまでの光路長による時間遅れが示されている。
上から四段目のグラフは、入射光Ｐ２が検出器９の光伝導素子に入射する位置Ｃにおけるタイミングを示している。位置Ｂ及び位置Ｃ（入射光）の各パルスを結ぶ破線によって、位置Ｂから位置Ｃまでの光路長による時間遅れが示されている。なお、入射光Ｐ２は、パルス光放射手段７によってテラヘルツ光（ＴＨｚ光）に変換された波形となっている。
上から五段目（最下段）のグラフは、検出用パルスレーザ光Ｌ２が検出器９の光伝導素子に入射する位置Ｃにおけるタイミングを示している。位置Ａのタイミングと位置Ｃ（検出光）のパルスとを結ぶ破線によって、位置Ａから光ファイバ１３を経て検出器９の光伝導素子に到達する光路長（検出側光路長）による時間遅れが示されている。
位置Ｃ（入射光）におけるグラフと位置Ｃ（検出光）におけるグラフを比較すると分かるように、位置Ｃ（検出光）のタイミングは、光路長を調整する光ファイバ１３によって、異なる時刻にて出射された入射光を検出するように設定されている。より詳細に説明すると、検出用パルスレーザ光Ｌ２が出射された時刻、即ちフェムト秒レーザ１にてパルスレーザ光が出射された時刻（位置Ａにおける時刻とほぼ同等）とは異なる時刻で出射された入射光Ｐ２を得るように設定されている。例えば、時刻ｔ０で出射された検出用パルスレーザ光Ｌ２は、時刻ｔ１を少し過ぎた時刻ｔ０’で検出器９の光伝導素子に到達する。この時刻ｔ０’では、検出用パルスレーザ光Ｌ２が出射された時刻ｔ０の次の時刻ｔ１にて出射された測定用パルスレーザ光Ｌ１によって形成された入射光Ｐ２が検出器９の光伝導素子に到達している。このようにして、時刻ｔ０にて出射された検出用パルスレーザ光Ｌ２によって次時刻である時刻ｔ１にて出射された入射光Ｐ２の時間分解信号を検出することができるようになっている。以降の時刻についても同様に、時刻ｔ１，ｔ２，・・・に出射された検出用パルスレーザ光Ｌ２によって次時刻である時刻ｔ２，ｔ３，・・・に出射された入射光Ｐ２の時間分解信号を検出するようになっている。
位置Ｃ（検出光）のグラフの下方には、入射光Ｐ２が示されており、同一形状の入射光Ｐ２に対する各時刻における計測値を総合することにより、一つの入射光Ｐ２に対して複数の時間分解信号が得られることが示されている。そして、図２に示したように、周期Ｔにて繰り返し周波数を変化させることにより、各時刻における時間分解信号を重畳することによって、計測精度を上げることができる。
光ファイバ１３の長さは、本実施形態では、次時刻の入射光Ｐ２を得ることができるように、測定側光路（位置Ａ→位置Ｂ→位置Ｃ）と検出側光路（位置Ａ→光ファイバ１３→位置Ｃ）との光路差を設定する。具体的には、パルスレーザ光の繰り返し周波数をｆ１からｆｎまで変化させる場合には、１／ｆｎに相当する光路長差を形成するように光ファイバ１３の長さを設定する。例えば、ｆｎを５０ＭＨｚとした場合には、光ファイバ１３の屈折率を１．５とすると、下式のとおり９ｍ程度となる。
３×１０８×１．５／（５０×１０６）＝９（ｍ）
ただし、所定の誤差を許容するために、１／ｆｎ＋α（ここで、αは５ｐｓ程度）に相当する光路長とすることが好ましい。
なお、繰り返し周波数ｆｎに対応した光ファイバ１３の長さに変えて、ｆ１からｆｎ−１までの周波数から任意に選定した周波数に対応した光ファイバ１３の長さを用いても良い。どの繰り返し周波数を選定するかは、計測する入射光Ｐ２のどの位相を中心として測定すべきかを考慮して決定すると良い。
３×１０８×１．５／（５０×１０６）＝９（ｍ）
ただし、所定の誤差を許容するために、１／ｆｎ＋α（ここで、αは５ｐｓ程度）に相当する光路長とすることが好ましい。
なお、繰り返し周波数ｆｎに対応した光ファイバ１３の長さに変えて、ｆ１からｆｎ−１までの周波数から任意に選定した周波数に対応した光ファイバ１３の長さを用いても良い。どの繰り返し周波数を選定するかは、計測する入射光Ｐ２のどの位相を中心として測定すべきかを考慮して決定すると良い。
このように、本実施形態によれば、フェムト秒レーザ１から出射されるパルスレーザ光の繰り返し周波数が変化させられていることから、入射光Ｐ２の繰り返し周波数とは異なる繰り返し周波数で出射された検出用パルスレーザ光Ｌ２を用いて入射光Ｐ２の時間分解信号を得ることができる。このように、入射光Ｐ２と検出用パルス光Ｌ２との間で繰り返し周波数が各検出時刻で異なるので、各検出時刻における入射光Ｐ２の時間分解信号の位相が順次ずれることになり、入射光Ｐ２の時系列信号を得ることができる。
すなわち、繰り返し周波数を変化させることによって、１台のフェムト秒レーザ１を用いるだけで、高分解能とされた時系列信号を得ることができる。
すなわち、繰り返し周波数を変化させることによって、１台のフェムト秒レーザ１を用いるだけで、高分解能とされた時系列信号を得ることができる。
また、所定周期Ｔにて繰り返し周波数を変化させ、入射光Ｐ２の同一位相の時間分解信号を周期毎に複数回得ることができることとしたので。この同一位相の検出信号を重畳させることにより、計測精度を向上させることができる。
また、検出用パルスレーザ光Ｌ２の光路長の設定を、光ファイバ１３を用いて行うこととしたので、極めて簡便に光路長の設定を行うことができ、装置の製作が容易となる。長い光路長が必要な場合であっても、光ファイバ１３であれば巻回して束ねた状態で設置することができるので、場所をとらずに済むという利点がある。
なお、本実施形態では、次時刻の入射光Ｐ２を測定するように光ファイバ１３の長さを設定することとしたが、本発明は、次時刻の入射光Ｐ２に限定されるものでない。例えば２つ以上離れた入射光Ｐ２を測定することによっても本実施形態と同様に高分解能とされた時系列信号を測定できるので、この様な場合には、２つ以上離れた入射光Ｐ２を測定するように光ファイバ１３の長さを設定する。ただし、より隣接した時刻の入射光を得るようにした方が、光ファイバの長さを短くできる。
また、本実施形態では、光ファイバ１３を用いて光路差を調整することとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ミラーを用いた光学系を構成し、光路長を適宜設定することとしても良い。
また、本実施形態では、図２に示したように、パルスレーザ光の繰り返し周波数を直線的に単調増加させることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、得られる時間分解信号の時間間隔（位相差）を一定となるように調整した繰り返し周波数を変化させてもよい。
具体的には、下式に示すように繰り返し周波数を変化させれば良い。
ｆＮ＋１＝１（１／ｆＮ−Δｔ）
ここで、Δｔは、隣り合う時間分解信号間の時間差であり、一定値となる。
このように、隣り合う一の時刻と次時刻とのパルスレーザ光の繰り返し周期の差分Δｔを一定とすることにより、入射光に対する検出用パルスレーザ光のずれ時間が一定となり、検出器９によって得られる時間分解信号の時間間隔Δｔが一定となるので、精度の良い計測が可能となる。
具体的には、下式に示すように繰り返し周波数を変化させれば良い。
ｆＮ＋１＝１（１／ｆＮ−Δｔ）
ここで、Δｔは、隣り合う時間分解信号間の時間差であり、一定値となる。
このように、隣り合う一の時刻と次時刻とのパルスレーザ光の繰り返し周期の差分Δｔを一定とすることにより、入射光に対する検出用パルスレーザ光のずれ時間が一定となり、検出器９によって得られる時間分解信号の時間間隔Δｔが一定となるので、精度の良い計測が可能となる。
また、本実施形態では、パルスレーザ光の繰り返し周波数が増加するように変化させることとしたが、本発明はこれに限定されず、繰り返し周波数が減少するように変化させても良い。
また、本実施形態では、パルス光放射手段７から放射されたテラヘルツ光Ｐ１を、試料を測定する光として用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、パルス光放射手段によって変換された他の波長の光を入射光として用いても良いし、パルス光放射手段７を用いずに測定用パルスレーザ光をそのまま用いても良い。
１ フェムト秒レーザ（レーザ光源）
３ ビームスプリッタ
７ パルス光放射手段
９ 検出器（検出手段）
１３ 光ファイバ
Ｌ１ 測定用パルスレーザ光
Ｌ２ 検出用パルスレーザ光
Ｐ１ テラヘルツ光
Ｐ２ 入射光
３ ビームスプリッタ
７ パルス光放射手段
９ 検出器（検出手段）
１３ 光ファイバ
Ｌ１ 測定用パルスレーザ光
Ｌ２ 検出用パルスレーザ光
Ｐ１ テラヘルツ光
Ｐ２ 入射光
Claims (5)
- 繰り返し周波数を変化させてパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源と、
該パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光とに分割するビームスプリッタと、
前記測定用パルスレーザ光によって励起された光または該測定用パルスレーザ光とされた入射光が入射されるとともに、前記検出用パルスレーザ光が入射されている時間内で前記入射光による信号を出力する検出手段と、
前記ビームスプリッタと前記検出手段との間に設けられ、前記検出用パルスレーザ光が導光される検出側光路と、
を備え、
前記検出手段からの各時刻における出力信号を時間分解信号として得ることによって前記入射光の時系列信号を測定する時系列信号測定装置であって、
前記検出側光路の光路長は、前記検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されていることを特徴とする時系列信号測定装置。 - 前記パルスレーザ光源は、所定周期にて繰り返し周波数を変化させることを特徴とする請求項１に記載の時系列信号測定装置。
- 前記検出側光路には、光路長を設定するための光ファイバが設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の時系列信号測定装置。
- 前記パルスレーザ光源は、一の時刻におけるパルスレーザ光の繰り返し周波数から得られる繰り返し周期と、次時刻におけるパルスレーザ光の繰り返し周波数から得られる繰り返し周期との差分が、各時刻間において一定となるように、パルスレーザ光の繰り返し周波数を変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の時系列信号測定装置。
- 繰り返し周波数を変化させてパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源と、
該パルスレーザ光源からのパルスレーザ光を測定用パルスレーザ光と検出用パルスレーザ光とに分割するビームスプリッタと、
前記測定用パルスレーザ光によって励起された光または該測定用パルスレーザ光とされた入射光が入射されるとともに、前記検出用パルスレーザ光が入射されたタイミングで前記入射光による信号を出力する検出手段と、
前記ビームスプリッタと前記検出手段との間に設けられ、前記検出用パルスレーザ光が導光される検出側光路と、
を備え、
前記検出手段からの各時刻における出力信号を時間分解信号として得ることによって前記入射光の時系列信号を測定する時系列信号測定方法であって、
前記検出側光路の光路長は、前記検出用パルスレーザ光が出射された時刻とは異なる時刻で出射された入射光を得るように設定されていることを特徴とする時系列信号測定方法。
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| JP2009142214A JP5236579B2 (ja) | 2009-06-15 | 2009-06-15 | 時系列信号測定装置および時系列信号測定方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN111537444A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-14 | 南京航空航天大学 | 一种重复频率虚拟调控的激光超声无损检测方法及系统 |
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| JP4237363B2 (ja) * | 1999-11-10 | 2009-03-11 | 日本分光株式会社 | 赤外分光装置 |
| JP5168684B2 (ja) * | 2007-09-26 | 2013-03-21 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 時間分解分光システム，時間分解分光方法及びテラヘルツ波発生システム |
-
2009
- 2009-06-15 JP JP2009142214A patent/JP5236579B2/ja active Active
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