JP7070567B2 - 分光測定方法、分光測定装置及び広帯域パルス光源ユニット - Google Patents
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Description
図10は、従来の分光測定装置としてのフーリエ変換赤外分光光度計の概略図である。図10に示すように、FT-IRは、マイケルソン干渉計の構成を用いている。図10の例は、ある試料の分光吸光度を測定する例となっている。ランプのような広帯域の連続(非パルス)光源91からの光は、ハーフミラー92で分割される。分割された一方の光は固定ミラー93で反射され、他方の光は移動ミラー94で反射する。二つの光は、同一の光路に戻され、干渉する。干渉光は、試料S中を透過して、検出器95で検出される。
FT-IRは、回折格子を使用した分光測定装置に比べて計測時間が短く、高感度で高分解能であるというメリットを有する。また、広帯域同時測定も可能である。しかしながら、移動ミラー94の掃引(光軸方向の移動)の周期は、現存機種のうちの速いものでも10Hz程度であり、通常、数十回~数百回積算を行うため、測定には数秒~数十秒を要する。したがって、それより短い時間の発光の分光測定には、この方法は使用することができない。
この出願の発明は、このような従来技術の課題を考慮して為されたものであり、被測定光が非常に短い時間しか存在していない場合でも測定を行うことができる新しい分光測定技術を提供することを目的とする。
また、上記課題を解決するため、請求項2記載の発明は、前記請求項1の構成において、前記被測定光は、発光物体から発せられる光であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項3記載の発明は、前記請求項1又は2の構成において、前記広帯域パルス光は、パルス内で波長が時間的に連続して変化している光であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項4記載の発明は、前記請求項1乃至3いずれかの構成において、前記広帯域パルス光は、レーザー光源から発せられた光に非線形光学効果を生じさせて得られたスーパーコンティニウム光であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項5記載の発明は、前記請求項4の構成において、前記広帯域パルス光は、前記スーパーコンティニウム光をパルス伸張させた光であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項6記載の発明は、前記請求項1乃至5いずれかの構成において、前記検出器からの出力信号を取り込みユニットで取り込む方法であり、前記広帯域パルス光の繰り返し周期は取り込みユニットの取り込み周期以上であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項7記載の発明は、前記請求項6の構成において、前記取り込みユニットは、オシロスコープであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項8記載の発明は、前記請求項1乃至7いずれかの構成において、前記広帯域パルス光を前記被測定光と干渉させない状態で検出器に入射させ、当該検出器からの出力を前記干渉光の光強度と比較するという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項9記載の発明は、前記請求項1乃至8いずれかの構成において、前記広帯域パルス光における一つのパルスの長さは100ナノ秒以上であり、波長帯域幅は100ナノメートル以上であり、繰り返し周波数は10MHz以下であるという構成を有する。
パルス内で波長が時間的に変化している広帯域パルス光であってスペクトルが既知であ る広帯域パルス光を発する広帯域パルス光源ユニットと、
被測定光を広帯域パルス光源ユニットからの広帯域パルス光と干渉させる干渉光学系と、
干渉光学系により干渉させた光の強度を検出する検出器と、
検出器から出力される値の時間的変化であるインターフェログラムをフーリエ変換し、この結果を前記既知である広帯域パルス光のスペクトルで規格化することで被測定光の波長ごとの光強度を得る演算処理ユニットとを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項11記載の発明は、前記請求項10の構成において、前記広帯域パルス光源ユニットは、パルス内で波長が時間的に連続して変化している広帯域パルス光を発するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項12記載の発明は、前記請求項10又は11の構成において、前記広帯域パルス光源ユニットは、レーザー光源と、レーザー光源からのレーザー光に非線形光学効果を生じさせてスーパーコンティニウム光を前記広帯域パルス光として出力する非線形光学素子とを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項13記載の発明は、前記請求項12の構成において、前記広帯域パルス光源ユニットは、前記非線形光学素子から出力された前記スーパーコンティニウム光をパルス伸張させる伸張素子を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項14記載の発明は、前記請求項10乃至13いずれかの構成において、前記検出器からの出力信号を取り込む取り込みユニットを備えており、
前記広帯域パルス光源ユニットは、取り込みユニットの取り込み周期以上の繰り返し周期で前記広帯域パルス光を発するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項15記載の発明は、前記請求項14の構成において、前記取り込みユニットは、オシロスコープであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項16記載の発明は、前記請求項10乃至15いずれかの構成において、前記広帯域パルス光を前記被測定光と干渉させない状態で検出器に入射させる参照用光学系を備えており、
前記演算処理ユニットは、参照用光学系により前記広帯域パルス光が入射した検出器からの出力を前記干渉光の光強度と比較するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項17記載の発明は、前記請求項10乃至16いずれかの構成において、前記広帯域パルス光源ユニットは、一つのパルスの長さが100ナノ秒以上であり、波長帯域幅が100ナノメートル以上であり、繰り返し周波数が10MHz以下である前記広帯域パルス光を発するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項18記載の発明は、前記請求項10乃至17いずれかの構成において、前記広帯域パルス光における波長帯域内の既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させて波長とパルス内の時刻とを対応付ける際の目印とすることを可能にするマーカー素子を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項19記載の発明は、前記請求項18の構成において、前記演算処理ユニットは、前記マーカー素子が既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させた前記広帯域パルス光を検出した前記検出器又は別の検出器からの出力に基づいて当該特定波長の以外の波長とパルス内時刻との対応付けを行うことが可能であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項20記載の発明は、前記請求項18又は19の構成において、前記マーカー素子は、既知の特定波長の光の強度を変動させた前記広帯域パルス光が前記被測定光と干渉するよう前記広帯域パルス光源ユニットからの前記広帯域パルス光の光路上であって前記被測定光と干渉する前の光路上に配置されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項21記載の発明は、前記請求項18乃至20いずれかの構成において、前記マーカー素子は、前記既知の特定波長の光の強度を選択的に減衰させる素子であるという構成を有する。
パルス内で波長が時間的に変化している広帯域パルス光を発する広帯域パルス光源ユニットであって、
広帯域パルス光における波長帯域内の既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させて波長とパルス内の時刻とを対応付ける際の目印とすることを可能にするマーカー素子を備えており、
出力される広帯域パルス光は、マーカー素子が選択的に強度を変動させる光の波長のパルス内の時刻に基づいて他の時刻について波長との対応付けを行うことができる特性を有しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項23記載の発明は、前記請求項22の構成において、前記マーカー素子は、前記既知の特定波長の光の強度を選択的に減衰させる素子であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項24記載の発明は、前記請求項1乃至9いずれ かの構成において、前記広帯域パルス光のパルス幅は1μ秒より短いという構成を有する 。
また、上記課題を解決するため、請求項25記載の発明は、前記請求項10乃至21い ずれかの構成において、前記広帯域パルス光源ユニットは、パルス幅が1μ秒より短い前 記広帯域パルス光を発するものであるという構成を有する。
また、請求項2記載の方法によれば、発光が非常に短い時間の場合でも、測定を行うことができる。
また、請求項3記載の方法又は請求項11記載の装置によれば、上記効果に加え、広帯域パルス光の波長の時間的変化が連続的であるので、測定が容易であり、波長の抜けのない分光測定が行える。
また、請求項4記載の方法又は請求項12記載の装置によれば、上記効果に加え、スーパーコンティニウム光により広帯域パルス光を得るので、波長が時間的に変化するパルス光をより広い帯域で得るのが容易となる。
また、請求項5記載の方法又は請求項13記載の装置によれば、上記効果に加え、パルス伸張素子によりパルス伸張するので、任意のパルス幅の広帯域パルス光を得て測定を容易に最適化することができる。
また、請求項6記載の方法又は請求項14記載の装置によれば、上記効果に加え、広帯域パルス光の繰り返し周期が取り込みユニットの取り込み周期以上であるので、干渉光が部分的に取り込まれなくなってしまう問題がない。
また、請求項7記載の方法又は請求項15記載の装置によれば、上記効果に加え、取り込みユニットがオシロスコープであるので、上記効果を得てインターフェログラムの観察が行える。
また、請求項8記載の方法又は請求項16記載の装置によれば、上記効果に加え、参照光と比較して干渉光から被測定光のスペクトルを得るので、広帯域パルス光のスペクトル強度が変動したとしてもその影響を受けずに精度の高い分光測定が行える。
また、請求項18記載の装置によれば、上記効果に加え、マーカー素子を備えているので、パルス内の時刻と波長との対応付けが容易であり、この点で精度の高い分光測定を容易に行うことができる。
また、請求項21記載の装置によれば、上記効果に加え、マーカー素子を使用しつつも低損失の分光測定が行える。
また、請求項22記載の装置によれば、広帯域パルス光源ユニットがマーカー素子を備えているので、パルス内の時刻と波長との対応付けを精度良く容易に行うことができる広帯域パルス光源が提供される。
また、請求項23記載の装置によれば、上記効果に加え、マーカー素子を使用しつつも広帯域パルス光の損失を低くすることができる。
この実施形態の分光測定方法は、広帯域パルス光L1を利用する。広帯域パルス光L1とは、パルス光ではあるものの、ある程度の帯域幅で波長が分布している光という意味である。特に、この実施形態では、広帯域パルス光L1は波長が時間的に変化する光となっている。
広帯域パルス光L1の生成について、図2を参照してより具体的に説明する。図2は、実施形態の分光測定方法における広帯域パルス光L1の生成について示した概略図である。
パルス伸張素子3としては、この実施形態では分散素子が使用される。分散素子としては同様に扱いの容易さ等から光ファイバが使用されており、負の分散スロープを有する光ファイバがパルス伸張素子3として使用される。図3は、パルス伸張素子として使用された光ファイバの分散特性を示す図である。
また、非線形光学素子2としての光ファイバについては、一般的なシングルモードファイバで足りるが、測定波長域において正常分散特性を示すものを使用することがチャープなSC光L3を生成する観点から好ましい。そして、SC光L3は、線形チャープな光であることがより好ましい。
図5に示すように、実施形態の分光測定装置は、広帯域パルス光L1を発する広帯域パルス光源ユニット10と、広帯域パルス光L1と被測定光L0とを干渉させる干渉光学系40と、広帯域パルス光L1と被測定光L0との干渉光を検出する検出器5と、検出器5からの出力信号を処理する演算処理ユニット6とを備えている。
レーザー光源1としては、高いピークパワーを得るため、フェムト秒レーザー光源又はピコ秒レーザー光源が好適に使用される。例えば、チタンサファイアレーザーやファイバレーザー等が使用できる。非線形光学素子2は、例えば10メートル程度のシングルモードファイバであり、パルス伸張素子3は市販のDCMである。
検出器5としては、近赤外域ではInGaAsのようなフォトダイオードを使用したものが採用され得る。検出器5としては応答性の高いものが好ましく、例えばALPHALAS社のUPD-30-VSG-Pが使用できる。
尚、検出器5と取り込みユニット70の間又は取り込みユニット70内には、不図示の増幅器が設けられている。さらに、取り込みユニット70と演算処理ユニット6との間又は演算処理ユニット6内には、不図示のAD変換器が設けられている。
また、取り込みユニット70は、検出器5に対して演算処理ユニット6とパラレルに設けられることもある。この場合には、検出器5からの出力信号は、取り込みユニット70を経ずに演算処理ユニット6に直接送られる。
非線形光学素子2としては、コーニング社製のSMF28のようなシングルモードファイバが使用され、パルス伸張素子3としては、(株)フジクラ製のDCM-G.652のようなDCMが使用される。
得られる広帯域パルス光L1のスペクトル幅は600nm(1000~1600nmの帯域)であり、パルス幅(時間幅)は700nm秒程度となる。この広帯域パルス光L1を利用することで、1000~16000nm程度の波長域において被測定光L0を分光測定が行える。
上述した第一の実施形態の説明において、広帯域パルス光L1のスペクトルは既知であるとした。これは、広帯域パルス光L1のスペクトルを予め測定し、演算処理ユニット6において定数として設定しておくということである。これでも良いのであるが、被測定光L0を測定している際のリアルタイムのスペクトルではない。広帯域パルス光L1のスペクトルが安定していて変化がないのであれば問題はないが、変化があり得るのであれば、リアルタイムのスペクトルで規格化すべきである。
例えば、前述したように波長が短いほど遅い時刻に位置する広帯域パルス光L1の場合であるとすると、第二の検出器51からの出力の時間的変化において、最初に顕著な出力時の減衰が見られた時刻をt1とし、次に出力の顕著な低下が見られた時刻をt2とすると、時刻t1はλ1が検出された時刻であり、t2はλ2が検出された時刻ということになる(λ1>λ2)。
図8に示すように、第三の実施形態においても、広帯域パルス光L1をビームスプリッタ41で二つに分け、その一方を被測定光L0と干渉させ、他方を規格化用の光として第二の検出器51に入射させている。この第三の実施形態では、第二の実施形態のノッチフィルタ81,82に代えて標準ガスセル83がマーカー素子として使用されている。
標準ガスセルは、良く知られた吸収スペクトルを持つガスがセルに封入された構造のものである。ガス種固有の鋭い吸収スペクトルを有するため、各種波長校正用に使用されている。図9に、標準ガスセルの吸収スペクトルの一例を示す。この例は、米国のWavelength Reference社のアセチレン標準ガスセル(200Torr、長さ3cm)の例である。セルの入射側と出射側の双方にファイバを接続した構造の標準ガスセルも市販されており、実施形態における広帯域パルス光源ユニット10の出射側に接続するのも容易である。
また、マーカー素子81,82,83は、ビームスプリッタ41で分割された他方(被測定光L0と干渉しない方)の広帯域パルス光L1の光路上に設けられていても良い。この場合、既知の特定波長の光やその外側の帯域の光も被測定光L0と干渉するので、その帯域の測定結果も必要な場合には好適な構成となる。
また、パルス伸張素子3を使用しなくてもSC光のままで十分に長いパルス幅の場合もあり、パルス伸張素子3を使用することは必須ではない。但し、より広いパルス幅にしたり、任意のパルス幅に伸張したりすることができるという点で、パルス伸張素子3の使用には意義がある。
L1 広帯域パルス光
L2 レーザー光
L3 スーパーコンティニウム光
10 広帯域パルス光源ユニット
1 レーザー光源
2 非線形光学素子
3 パルス伸張素子
40 干渉光学系
400 参照用光学系
4 ハーフミラー
41 ビームスプリッタ
5 検出器
51 検出器
6 演算処理ユニット
61 信号処理プログラム
62 記憶部
63 プロセッサ
70 取り込みユニット
7 オシロスコープ
81 マーカー素子としてのノッチフィルタ
82 マーカー素子としてのノッチフィルタ
83 マーカー素子としての標準ガスセル
Claims (25)
- パルス内で波長が時間的に変化している広帯域パルス光であってスペクトルが既知であ る広帯域パルス光を物体に照射することなく物体から出た被測定光を、当該広帯域パルス光と干渉させ、発生した干渉光の強度を検出器で検出し、検出器から出力される値の時間的変化であるインターフェログラムをフーリエ変換し、この結果を前記既知である広帯域 パルス光のスペクトルで規格化することで被測定光の波長ごとの光強度を得ることを特徴とする分光測定方法。
- 前記被測定光は、発光物体から発せられる光であることを特徴とする請求項1記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光は、パルス内で波長が時間的に連続して変化している光であることを特徴とする請求項1又は2記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光は、レーザー光源から発せられた光に非線形光学効果を生じさせて得られたスーパーコンティニウム光であることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光は、前記スーパーコンティニウム光をパルス伸張させた光であることを特徴とする請求項4記載の分光測定方法。
- 前記検出器からの出力信号を取り込みユニットで取り込む方法であり、前記広帯域パルス光の繰り返し周期は取り込みユニットの取り込み周期以上であることを特徴とする請求項1乃至5いずれかに記載の分光測定方法。
- 前記取り込みユニットは、オシロスコープであることを特徴とする請求項6記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光を前記被測定光と干渉させない状態で検出器に入射させ、当該検出器からの出力を前記干渉光の光強度と比較することを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光における一つのパルスの長さは100ナノ秒以上であり、波長帯域幅は100ナノメートル以上であり、繰り返し周波数は10MHz以下であることを特徴とする請求項1乃至8いずれかに記載の分光測定方法。
- パルス内で波長が時間的に変化している広帯域パルス光であってスペクトルが既知であ る広帯域パルス光を発する広帯域パルス光源ユニットと、
被測定光を広帯域パルス光源ユニットからの広帯域パルス光と干渉させる干渉光学系と、
干渉光学系により干渉させた光の強度を検出する検出器と、
検出器から出力される値の時間的変化であるインターフェログラムをフーリエ変換し、この結果を前記既知である広帯域パルス光のスペクトルで規格化することで被測定光の波長ごとの光強度を得る演算処理ユニットとを備えていることを特徴とする分光測定装置。 - 前記広帯域パルス光源ユニットは、パルス内で波長が時間的に連続して変化している広帯域パルス光を発するものであることを特徴とする請求項10記載の分光測定装置。
- 前記広帯域パルス光源ユニットは、レーザー光源と、レーザー光源からのレーザー光に非線形光学効果を生じさせてスーパーコンティニウム光を前記広帯域パルス光として出力する非線形光学素子とを備えていることを特徴とする請求項10又は11記載の分光測定装置。
- 前記広帯域パルス光源ユニットは、前記非線形光学素子から出力された前記スーパーコンティニウム光をパルス伸張させる伸張素子を備えていることを特徴とする請求項12記載の分光測定装置。
- 前記検出器からの出力信号を取り込む取り込みユニットを備えており、
前記広帯域パルス光源ユニットは、取り込みユニットの取り込み周期以上の繰り返し周期で前記広帯域パルス光を発するものであることを特徴とする請求項10乃至13いずれかに記載の分光測定装置。 - 前記取り込みユニットは、オシロスコープであることを特徴とする請求項14記載の分光測定装置。
- 前記広帯域パルス光を前記被測定光と干渉させない状態で検出器に入射させる参照用光学系を備えており、
前記演算処理ユニットは、参照用光学系により前記広帯域パルス光が入射した検出器からの出力を前記干渉光の光強度と比較するものであることを特徴とする請求項10乃至15いずれかに記載の分光測定装置。 - 前記広帯域パルス光源ユニットは、一つのパルスの長さが100ナノ秒以上であり、波長帯域幅が100ナノメートル以上であり、繰り返し周波数が10MHz以下である前記広帯域パルス光を発するものであることを特徴とする請求項10乃至16いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記広帯域パルス光における波長帯域内の既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させて波長とパルス内の時刻とを対応付ける際の目印とすることを可能にするマーカー素子を備えていることを特徴とする請求項10乃至17いずれかに記載の分光測定装置。
- 前記演算処理ユニットは、前記マーカー素子が既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させた前記広帯域パルス光を検出した前記検出器又は別の検出器からの出力に基づいて当該特定波長の以外の波長とパルス内の時刻との対応付けを行うことが可能であることを特徴とする請求項18記載の分光測定装置。
- 前記マーカー素子は、既知の特定波長の光の強度を変動させた前記広帯域パルス光が前記被測定光と干渉するよう前記広帯域パルス光源ユニットからの前記広帯域パルス光の光路上であって前記被測定光と干渉する前の光路上に配置されていることを特徴とする請求項18又は19記載の分光測定装置。
- 前記マーカー素子は、前記既知の特定波長の光の強度を選択的に減衰させる素子であることを特徴とする請求項18乃至20いずれかに記載の分光測定装置。
- パルス内で波長が時間的に変化している広帯域パルス光を発する広帯域パルス光源ユニットであって、
広帯域パルス光における波長帯域内の既知の特定波長の光の強度を選択的に変動させて波長とパルス内の時刻とを対応付ける際の目印とすることを可能にするマーカー素子を備えており、
出力される広帯域パルス光は、マーカー素子が選択的に強度を変動させる光の波長のパルス内の時刻に基づいて他の時刻について波長との対応付けを行うことができる特性を有していることを特徴とする広帯域パルス光源ユニット。 - 前記マーカー素子は、前記既知の特定波長の光の強度を選択的に減衰させる素子であることを特徴とする請求項22記載の広帯域パルス光源ユニット。
- 前記広帯域パルス光のパルス幅は1μ秒より短いことを特徴とする請求項1乃至9いず れかに記載の分光測定方法。
- 前記広帯域パルス光源ユニットは、パルス幅が1μ秒より短い前記広帯域パルス光を発 するものであることを特徴とする請求項10乃至21いずれかに記載の分光測定装置。
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