JP7185756B2 - 電磁場のアクロマティックな干渉重畳による干渉分光法 - Google Patents

電磁場のアクロマティックな干渉重畳による干渉分光法 Download PDF

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Description

本発明は、電磁場のアクロマティックな干渉重畳のための、具体的には二光束パス干渉計を利用する干渉計装置、及び干渉法に関する。さらに、本発明は、干渉計測装置、並びに干渉計装置及び干渉計測装置を利用する干渉計測方法に関する。本発明の用途としては、例えば、放射線と物質との相互作用を調査する分野において、例えば、サンプルのスペクトル応答、電磁場の空間分布を測定し且つ光学コンポーネントを試験するために利用可能である。
本明細書では、以下の先行技術を参照して、本発明の技術的背景及び関連技術を例示する。
１．Ｊ．Ｐ．Ｄａｋｉｎ、Ｈ．Ｏ．Ｅｄｗａｒｄｓ、Ｂ．Ｈ．Ｗｅｉｇｅｌ共著、Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ２９，１（１９９５年）
２．Ｈ．Ｒ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ、Ｌ．Ｇｅｎｚｅｌ、Ｊ．Ｋｕｈｌ共著、Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．１７，１（１９７６年）
３．Ｚ．Ｇｕａｎ、Ｍ．Ｌｅｗａｎｄｅｒ、Ｓ．Ｓｖａｎｂｅｒｇ共著、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １６，２６（２００８年）
４．Ｖ．Ｖ．Ｇｏｎｃｈａｒｏｖ、Ｇ．Ｅ．Ｈａｌｌ共著、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３７，１２（２０１２年）
５．Ｌ．Ｇｅｎｚｅｌ、Ｊ．Ｋｕｈｌ共著、Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １８，２（１９７８年）
６．Ｄ．Ｋｕｅｈｌ、Ｇ．Ｐ．Ｒ共著、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５０，３（１９７８年）
７．Ｈ．Ｂａｒ－Ｌｅｖ著、Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ７，２（１９６７年）
８．Ｄ．Ｌ．Ｂｅｄｕｈｎ、Ｒ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ共著、Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ４０，５（１９８６年）
９．Ｒ．Ｂｒａｃｅｗｅｌｌ著、Ｎａｔｕｒｅ，２７４，７８０（１９７８年）
１０．Ｐ．Ｇａｂｏｒ著、「Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｎｕｌｌｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ Ｐａｒｉｓ Ｓｕｄ－Ｐａｒｉｓ ＸＩ，Ｐａｒｉｓ（２００９年）
１１．Ｅ．Ｓｅｒａｂｙｎ、Ｍ．Ｃｏｌａｖｉｔａ共著、Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０，１０（２００１年）
１２．Ｊ．Ｇａｙ、Ｙ．Ｒａｂｂｉａ共著、Ｃ．Ｒ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｐａｒｉｓ ３２２，３（１９９６年）
１３．Ｄ．Ｍａｗｅｔ、Ｃ．Ｈａｎｏｔ、Ｃ．Ｌｅｎａｅｒｔｓ、Ｐ．Ｒｉａｕｄ、Ｄ．Ｄｅｆｒｅｅ、Ｄ．Ｖａｎｄｏｒｍａｅｌ、Ｊ．Ｌｏｉｃｑ、Ｋ．Ｆｌｅｕｒｙ、Ｊ．－Ｙ．Ｐｌｅｓｓｅｒｉａ、Ｊ．Ｓｕｒｄｅｊ、Ｓ．Ｈａｂｒａｋｅｎ共著、Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １５，２０（２００７年）
１４．Ｊ．Ｈａｙｄｅｎ、Ｓ．Ｈｕｇｇｅｒ、Ｆ．Ｆｕｃｈｓ、Ｂ．Ｌｅｎｄｌ共著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ，１２４，２９（２０１８年）
１５．Ｔ．Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ、Ｂ．Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ共著、Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．３５，３（１９８０年）
１６．Ｄ．Ｆｅｈｒｅｎｂａｃｈｅｒ、Ｐ．Ｓｕｌｚｅｒ、Ａ．Ｌｉｅｈｌ、Ｔ．Ｋａｌｎｅｒｅｒ、Ｃ．Ｒｉｅｋ、Ｄ．Ｖ．Ｓｅｌｅｔｓｋｙｉ、Ａ．Ｌｅｉｔｅｎｓｔｏｒｆｅｒ共著、Ｏｐｔｉｃａ ２，１０（２０１５年）
１７．Ｍ．Ｓｃｏｔｏｎｉ、Ａ．Ｒｏｓｓｉ、Ｄ．Ｂａｓｓｉ、Ｒ．Ｂｕｆｆａ、Ｓ．Ｉａｎｎｏｔｔａ、Ａ．Ｂｏｓｃｈｅｔｔｉ共著、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ ８２，３（２００６年）
１８．Ａ．Ｌｏｂｅｒａｕ、Ｗ．Ｋａｉｓｅｒ共著、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．５０，３（１９７８年）
１９．Ｔ．Ｕｄｅｍ、Ｒ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｔ．Ｈａｎｓｃｈ共著、Ｎａｔｕｒｅ ４１６，２３３（２００２年）
２０．Ｊ．Ｙｅ、Ｓ．Ｔ．Ｃｕｎｄｉｆｆ共著、Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００５年）
２１．Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉ著、Ｎａｔ．Ｐｈｏｔ．１，２（２００７年）
２２．Ｉ．Ｃｏｄｄｉｎｇｔｏｎ、Ｗ．Ｃ．Ｓｗａｎｎ、Ｎ．Ｒ．Ｎｅｗｂｕｒｙ共著、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３５，９（２０１０年）
２３．Ａ．Ａ．Ｌａｎｉｎ、Ａ．Ａ．Ｖｏｒｏｎｉｎ、Ａ．Ｂ．Ｆｅｄｏｔｏｖ、Ａ．Ｍ．Ｚｈｅｌｔｉｋｏｖ共著、Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．４（２０１４年）
２４．Ｉ．Ｐｕｐｅｚａ、Ｍ．Ｈｕｂｅｒ、Ｗ．Ｓｃｈｗｅｉｎｂｅｒｇｅｒ、Ｍ．Ｔｒｕｂｅｔｓｋｏｖ、Ｓ．Ａ．Ｈｕｓｓａｉｎ、Ｌ．Ｖａｍｏｓ、Ｏ．Ｐｒｏｎｉｎ、Ｆ．Ｈａｂｅｌ、Ｖ．Ｐｅｒｖａｋ、Ｎ．Ｋａｒｐｏｗｉｃｚ、Ｍ．Ｚｉｇｍａｎ、Ｆ．Ｋｒａｕｓｚ共著、２０１７ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ－Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，２０１７年），ｐａｐｅｒ ＣＨ－２．４
従来の分光技術において、精査中のプロセスに関連づけられる信号は、放射線源の強度（又は、場）の変化として発現する。これにより、検出可能な最小の信号には、２つの主要な制約が加わる。その第１は、信号の大きさが、過剰なソースノイズの縛りによって低下されることである。その第２は、比較的大きい信号の僅かな変化を解明するために、高ダイナミックレンジ検出を必要とすることである。
検出の前に、参照信号を光学的に減算すれば、求める信号変化が分離され、これらの制約の双方を緩和することができる。技術的には、これは、そのアームにおいて光の伝搬が精査中のプロセス毎に精密に異なる干渉計によって実現され得る［１］。理想的には、逆位相を有する両アームを結合する干渉計ポートにおいて、（ごく僅かな）差のみが相殺的干渉後に残る［２］。そうすることで、過剰なソースノイズが検出限界に与える影響は、大抵ショットノイズレベルにまで抑制され得る［３、４］。同時に、通常は桁違いに強力である参照信号の相殺は、検出器及びデジタル化電子機器のダイナミックレンジ要件を緩和する［５、６］。したがって、励起強度は、検出器の飽和限界をはるかに超えることが可能であって、検出されるサンプル応答の振幅が増強される。サンプル及び参照信号の連続測定は、不要になることから、測定時間及び系統的誤差が低減される［７、８］。これらの利点に加えて、光学的減算は、２つのサンプルの直接的な比較を、両者間の僅少差の可視性を高めることによって容易にする。
光学的ヌリングを広帯域周波数領域及び時間領域分光法（定義上は広帯域）に適応させるためには、スーパー－オクターブスペクトルの同時的相殺という課題に取り組まなければならない。観測天文学の分野では、アクロマティック位相シフトに対して幾つかのソリューションが開発されている［１０］。例えば、１対の鏡面対称潜望鏡は、幾何学的位相シフトを実装するために使用されることが可能であり［１１］、一方のアームにおける追加の焦点によって導入されるグイ位相シフトの活用が可能であり［１２］、且つ１対の直角フレネルロムは、アクロマティック４分の１波長板のように機能する［１３］。しかしながら、これらの概念は全て、技術的に複雑であるか、超短パルスの用途に不適であるかのいずれかである。
光学的ヌリングの１つの干渉法概念は、Ｈａｙｄｅｎらにより、液体サンプルのスペクトル吸収及び分散測定に関連して提案されている［１４］。しかしながら、この手法は、狭帯域可変レーザによる測定に限定されていて、超短パルスによる広帯域測定には不適である。
Ｊ．Ｐ．Ｄａｋｉｎ，Ｈ．Ｏ．Ｅｄｗａｒｄｓ， ａｎｄ Ｂ．Ｈ．Ｗｅｉｇｅｌ，Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ２９，１（１９９５）． Ｈ．Ｒ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ，Ｌ．Ｇｅｎｚｅｌ， ａｎｄ Ｊ．Ｋｕｈｌ，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．１７，１（１９７６）． Ｚ．Ｇｕａｎ，Ｍ．Ｌｅｗａｎｄｅｒ， ａｎｄ Ｓ．Ｓｖａｎｂｅｒｇ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １６，２６（２００８）． Ｖ．Ｖ．Ｇｏｎｃｈａｒｏｖ， ａｎｄ Ｇ．Ｅ．Ｈａｌｌ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３７，１２（２０１２）． Ｌ．Ｇｅｎｚｅｌ， ａｎｄ Ｊ．Ｋｕｈｌ，Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ １８，２（１９７８）． Ｄ．Ｋｕｅｈｌ， ａｎｄ Ｇ．Ｐ．Ｒ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５０，３（１９７８）． Ｈ．Ｂａｒ－Ｌｅｖ，Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ７，２（１９６７）． Ｄ．Ｌ．Ｂｅｄｕｈｎ， ａｎｄ Ｒ．Ｌ．Ｗｈｉｔｅ，Ａｐｐｌ．Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ４０，５（１９８６）． Ｒ．Ｂｒａｃｅｗｅｌｌ，Ｎａｔｕｒｅ，２７４，７８０（１９７８）． Ｐ．Ｇａｂｏｒ，"Ａ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｎｕｌｌｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，" Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅ Ｐａｒｉｓ Ｓｕｄ－Ｐａｒｉｓ ＸＩ，Ｐａｒｉｓ，（２００９）． Ｅ．Ｓｅｒａｂｙｎ， ａｎｄ Ｍ．Ｃｏｌａｖｉｔａ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４０，１０（２００１）． Ｊ．Ｇａｙ，Ｙ．Ｒａｂｂｉａ，Ｃ．Ｒ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．Ｐａｒｉｓ ３２２，３（１９９６）． Ｄ．Ｍａｗｅｔ，Ｃ．Ｈａｎｏｔ，Ｃ．Ｌｅｎａｅｒｔｓ，Ｐ．Ｒｉａｕｄ，Ｄ．Ｄｅｆｒｅｅ，Ｄ．Ｖａｎｄｏｒｍａｅｌ，Ｊ．Ｌｏｉｃｑ，Ｋ．Ｆｌｅｕｒｙ，Ｊ．－Ｙ．Ｐｌｅｓｓｅｒｉａ，Ｊ．Ｓｕｒｄｅｊ， ａｎｄ Ｓ．Ｈａｂｒａｋｅｎ，Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ １５，２０（２００７）． Ｊ．Ｈａｙｄｅｎ，Ｓ．Ｈｕｇｇｅｒ，Ｆ．Ｆｕｃｈｓ ａｎｄ Ｂ．Ｌｅｎｄｌ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ，１２４，２９（２０１８）． Ｔ．Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ， ａｎｄ Ｂ．Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ，Ｏｐｔ．Ｃｏｍｍｕｎ．３５，３（１９８０）． Ｄ．Ｆｅｈｒｅｎｂａｃｈｅｒ，Ｐ．Ｓｕｌｚｅｒ，Ａ．Ｌｉｅｈｌ，Ｔ．Ｋａｌｎｅｒｅｒ，Ｃ．Ｒｉｅｋ，Ｄ．Ｖ．Ｓｅｌｅｔｓｋｙｉ， ａｎｄ Ａ．Ｌｅｉｔｅｎｓｔｏｒｆｅｒ，Ｏｐｔｉｃａ ２，１０（２０１５）． Ｍ．Ｓｃｏｔｏｎｉ，Ａ．Ｒｏｓｓｉ，Ｄ．Ｂａｓｓｉ，Ｒ．Ｂｕｆｆａ，Ｓ．Ｉａｎｎｏｔｔａ， ａｎｄ Ａ．Ｂｏｓｃｈｅｔｔｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｂ ８２，３（２００６）． Ａ．Ｌｏｂｅｒａｕ， ａｎｄ Ｗ．Ｋａｉｓｅｒ，Ｒｅｖ．Ｍｏｄ．Ｐｈｙｓ．５０，３（１９７８）． Ｔ．Ｕｄｅｍ，Ｒ．Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ， ａｎｄ Ｔ．Ｈａｎｓｃｈ，Ｎａｔｕｒｅ ４１６，２３３（２００２）． Ｊ．Ｙｅ，Ｓ．Ｔ．Ｃｕｎｄｉｆｆ，Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｍｂ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２００５）． Ｍ．Ｔｏｎｏｕｃｈｉ，Ｎａｔ．Ｐｈｏｔ．１，２（２００７）． Ｉ．Ｃｏｄｄｉｎｇｔｏｎ，Ｗ．Ｃ．Ｓｗａｎｎ， ａｎｄ Ｎ．Ｒ．Ｎｅｗｂｕｒｙ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．３５，９（２０１０）． Ａ．Ａ．Ｌａｎｉｎ，Ａ．Ａ．Ｖｏｒｏｎｉｎ，Ａ．Ｂ．Ｆｅｄｏｔｏｖ， ａｎｄ Ａ．Ｍ．Ｚｈｅｌｔｉｋｏｖ，Ｓｃｉ．Ｒｅｐ．４（２０１４）． Ｉ．Ｐｕｐｅｚａ，Ｍ．Ｈｕｂｅｒ，Ｗ．Ｓｃｈｗｅｉｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ｔｒｕｂｅｔｓｋｏｖ，Ｓ．Ａ．Ｈｕｓｓａｉｎ，Ｌ．Ｖａｍｏｓ，Ｏ．Ｐｒｏｎｉｎ，Ｆ．Ｈａｂｅｌ，Ｖ．Ｐｅｒｖａｋ，Ｎ．Ｋａｒｐｏｗｉｃｚ，Ｍ．Ｚｉｇｍａｎ， ａｎｄ Ｆ．Ｋｒａｕｓｚ ｉｎ ２０１７ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ－Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，２０１７），ｐａｐｅｒ ＣＨ－２．４．
本発明の目的は、電磁場のアクロマティックな干渉重畳を使用し且つ従来技術による制限及び欠点を回避することができる、改良された干渉計装置、改良された干渉法、改良された干渉計測装置及び／又は改良された干渉計測方法を提供することにある。具体的には、本干渉手法は、広帯域スペクトルを有する電磁場のアクロマティックな干渉重畳、具体的には減算及び／又は加算が、具体的には増大された消光ケイパビリティ、感度及び／又はＳＮＲによって可能であるべきものである。
これらの目的は、独立請求項記載の特徴を含む装置及び／又は方法によって解決される。本発明の効果的な実施形態及び用途は、従属請求項に規定されている。
本発明の第１の一般的態様によれば、上述の目的は、二光束パス干渉計を有する、電磁場のアクロマティックな干渉重畳用に構成される干渉計装置によって解決され、本干渉計装置は、ビームスプリッタデバイスと、ビームコンバイナデバイスと、を備える。ビームスプリッタデバイス（以下ビームスプリッタ、例えば透明板）は、入力ビームを、第１の干渉計アームに沿って伝搬する第１のビームと、第２の干渉計アームに沿って伝搬する第２のビームとに分割することができ、第１及び第２の干渉計アームは、同一の光路長を有する。ビームコンバイナデバイス（以下ビームコンバイナ、例えば透明板）は、第１及び第２のビームを建設的出力及び相殺的出力へと再結合することができる。相殺的出力（又は、差出力）は、第１及び第２の干渉計アームに沿って移動する電磁場の差を表し、建設的出力（又は、和出力）は、第１及び第２の干渉計アームに沿って移動する電磁場の和を表す。第１及び第２の干渉計アームは各々、個々の干渉計アームのビーム経路をビームスプリッタからビームコンバイナへ方向づける少なくとも１つの偏向ミラーを含む。
ビームスプリッタへ伝搬して第１のビームと第２のビームとに分割される入力ビーム、並びに第１及び第２のビームの各々は、フレネル反射によって偏向される。フレネル反射は、光学的に密な媒体又は光学的に薄い媒体のいずれかの反射面で発生する。フレネル反射は、非被覆表面で発生する。光学的に密な媒体からのフレネル反射の場合、電磁場は、例えば空気であるガス又は真空のような光学的に薄い媒体（屈折率がより低い媒体）を介して、透明板のような光学的に密な媒体（屈折率がより高い媒体）へ伝搬し、ここで反射が発生する。この場合、反射場は、入射場との位相差πを有する。この位相差πは、第１及び第２のビームの電磁放射線に含まれる全ての波長に有効である。光学的に密な媒体からのフレネル反射は、例えば、ビームスプリッタ又はビームコンバイナの外面において、又は偏向ミラーにおいて発生する。光学的に薄い媒体からのフレネル反射の場合、電磁場は、透明板のような光学的に密な媒体を介して、例えば空気であるガス又は真空のような光学的に薄い媒体へ伝搬し、ここで反射が発生する。この場合、反射場には、入射場との位相差がない。光学的に薄い媒体からのフレネル反射は、例えば、ビームスプリッタ又はビームコンバイナの内面において発生する。
本発明によれば、二光束パス干渉計は、第１の干渉計アームにおいて、第２の干渉計アームと比較して、光学的に密な媒体から１つの追加的なフレネル反射が提供されるように構成され、具体的には、ビームスプリッタ及びビームコンバイナの反射面がこのようにして配置される。相殺的ポートに対する２つの干渉計アームの寄与において、光学的に密な媒体からのもう１つのフレネル反射は、第１の干渉計アーム内で発生する。したがって、第１及び第２のビームの電磁場の伝搬は、相殺的ポートに対する２つの干渉計アームの寄与間に、波長非依存の位相差πをもたらす。これは、ビーム分割及びビーム結合がコーティング表面で実現され、よってコーティングが第２の表面からの位相シフト反射を防止することで波長非依存の位相差πが提供され得ない［１４］とは対照的である。
したがって、言い換えれば、ビームスプリッタ及びビームコンバイナの反射面は、第１及び第２の干渉計アーム内を伝搬する電磁場により経験される反射回数及び透過回数が相殺的ポートにおいて均衡され、第１及び第２のビームの電磁場の伝搬が、第１の干渉計アームにおいて光学的に密な媒体から１つの反射が追加されることによって相違し、よって、２つの干渉計アームの寄与間に波長非依存の位相差πが生じるように配置される。
電磁放射線の反射は、光学的に密な媒体からのフレネル反射が提供される場合に、ビームスプリッタ及びビームコンバイナの非被覆表面で発生する。
さらに、本発明によれば、第１の干渉計アームは、第１及び第２の干渉計アームにおける色分散とフレネル損失とを均衡させるように配置される透過均衡エレメントを含む。本発明による二光束パス干渉計は、マッハ－ツェンダ干渉計に類似するものであるが、第１及び第２の干渉計アーム内を伝搬する電磁場により経験される反射回数及び透過回数は、相殺的ポート内で均衡され、その結果、第２の干渉計アームにおいて、追加的な透明媒体が第２のビームによって通過される。効果的には、透過均衡エレメントは、これらの追加的な透明媒体の効果を補償する。好ましくは、透過均衡エレメントは、透明板を備える。好ましくは、透過均衡エレメントは、いかなる測定の間も動かされず、すなわち、これは、測定全体を通して一定の位置及び方向性を有する。
電磁場は、例えば、ＵＶ、ＶＩＳ及び／又はＩＲ範囲内の波長を有する光、又は、例えば１００μｍまでの波長を有する他の波長範囲内の放射線を含む。電磁場は、１オクターブの少なくとも１％から、例えば３、４又は５オクターブである数オクターブのような１オクターブ以上までの周波数間隔をスパンする広帯域スペクトルを有する。電磁場は、第１及び第２の干渉計アームの光路長を超えるコヒーレンス長を有するパルスレーザ光又は熱放射線を含み得る。
効果的には、マッハ－ツェンダ様の干渉計は、帯域幅（例えば、９５０ｎｍ～２１００ｎｍ）と強度抑制（４×１０－４）との前例のない組合せによって提供される。太陽系外惑星を直接観察するために開発されたより複雑なアプローチ［９］と比較すると、アクロマティックなヌリングという発明概念は、光学的密度がより低い媒体からより高い媒体への境界、且つこの逆の境界からのフレネル反射の組合せにのみ依存する。差分分子フィンガープリンティングの実際の試験において、発明者らは、瞬時応答から、ごく僅かなフィンガープリント情報を運ぶ、衝撃的なχ（１）励起に対する分子サンプルの共振応答を空間的に分離した。一方の干渉計アーム内のメタンガスサンプルを用いて、発明者らは、広帯域の衝撃励起からコヒーレントな分子振動放射を空間的に分離している。これにより、検出感度は、ソース強度の変動の影響をほとんど受けなくなり、直接的な透過ジオメトリよりも検出可能濃度が２桁向上する。この新規概念は、時間領域及び周波数領域の分光法を含む、高い検出感度及びダイナミックレンジを必要とする検出用途に役立つ。
２つの干渉計アーム間の位相シフトは、一方のビームを他方のビームより遅延させることにより実現され得る。取得される位相シフトΔφは、次式：
Figure 0007185756000001
 で与えられる。ここで、Δｌは、光路長の差であり、λは、波長である。広帯域の相殺的干渉の場合、干渉し合う電磁場間の波長非依存の位相シフトπが提供される。しかしながら、式（１）が示すように、相互的遅延に起因する位相シフトは、常に波長依存になる。これに反して、本発明は、波長非依存の位相シフトを用いる。
本発明の第２の一般的態様によれば、上述の目的は、本発明の第１の一般的態様による干渉計装置と、入力ビームを生成するように配置される放射線源と、相殺的出力を検出するように配置される第１の検出デバイスとを備える、干渉計測装置によって解決される。放射線源は、例えば、第１及び第２の干渉計アームの光路長を超えるコヒーレンス長を有するパルスレーザ又は熱放射線源、例えばコヒーレンス長を増加させる空間フィルタと組み合わされる熱源、を備えてもよい。
本発明の第３の一般的態様によれば、上述の目的は、本発明の第１の一般的態様による干渉計装置、及び／又は本発明の第２の一般的態様による干渉計測装置を利用する干渉計測方法であって、第１及び第２の干渉計アームのうちの一方に調査されるべきサンプルを配置するステップと、第１及び第２の干渉計アームのうちの他方に参照サンプルを配置するステップと、入力ビームを生成してサンプル及び参照サンプルを照射するステップと、ビームコンバイナの建設的出力及び相殺的出力のうちの少なくとも一方を検出するステップと、を含む干渉計測方法によって解決される。本干渉計測方法は、第１及び第２のビームの電磁場のアクロマティックな干渉の減算、及び／又は第１及び第２のビームの電磁場のアクロマティックな干渉の加算を含み得る。
本発明による干渉計測方法は、例えば線形的又は非線形的相互作用である放射線と物質との任意の相互作用を含んでもよい。具体的には、本干渉計測方法は、吸収（又は、透過）を測定することと、放射線吸収後の共振のおさまりを検出することと、光学コンポーネントの反射率又はコンポーネントの幾何学的形状を調査すること、を含んでもよい。サンプルは、透過測定又は反射測定のために干渉計内に配置され得る（この場合、干渉計アームを折り畳むために追加の偏向ミラーが使用される）。サンプルは、例えばセルである容器内に配置されることもあれば、容器なしで配置されることもある。参照サンプルには、サンプルに類似する検査対象が含まれるが、調査されるべきコンポーネントはない。
好ましくは、ビームスプリッタ及びビームコンバイナは、部分的なビームの空間的分離が可能であるようにその第１及び第２の表面で反射されるビームの変位を提供する厚さを有する。したがって、本発明の好ましい一実施形態によれば、第１及び第２の干渉計アームのうちの少なくとも一方には、逆位相を有さない電磁場を抑制するための少なくとも１つの空間フィルタが配置される。ビームスプリッタ及びビームコンバイナの第１及び第２の表面から反射されるビームの空間的分離を可能にする厚さは、ビームスプリッタ及びビームコンバイナのビームサイズ、入射角及び屈折率に依存して選択される。ある例の場合、ビームスプリッタ及びビームコンバイナは、少なくとも０．１ｍｍ、特に好ましくは少なくとも３ｍｍ且つ／又は最大１０ｍｍ、特に好ましくは最大５ｍｍ、の厚さを有する。
好ましくは、ビームスプリッタ及びビームコンバイナは、例えば、セレン化亜鉛、化学蒸着ダイヤモンド、ホウケイ酸クラウンガラス、ＵＶグレード溶融シリカ及び高抵抗フロートゾーンシリコンで製造される平坦な透明板である。
あるいは、又は追加的に、ビームスプリッタ及びビームコンバイナの少なくとも反射面には、第１及び第２の干渉計アームのうちの少なくとも一方における電磁場の抑制も可能にする、フレネル反射には使用されない少なくとも１つの反射防止コーティングが配置され得る。
本発明の好ましい一実施形態によれば、光学的に密な媒体からの追加的なフレネル反射は、ビームスプリッタにおいて提供される。
本発明の効果的な一代替実施形態によれば、光学的に密な媒体からの追加的なフレネル反射は、ビームコンバイナにおいて提供される。
本発明のさらに好ましい一実施形態によれば、例えば光路長、ミラー位置及びミラー配向のうちの少なくとも１つを制御することにより、双方のアームがサンプルとの相互作用によって引き起こされる結果に至るまで同一であるように干渉計を制御するための安定化デバイスが配置され得る。安定化デバイスは、少なくとも１つの光学コンポーネントに、具体的には干渉計の偏向ミラーに作用する。効果的には、安定化デバイスは、本発明の装置の長期の安定的動作を促進する。好ましくは、安定化デバイスは、建設的出力と結合されるフィードバックループ制御を含む。
本発明のさらに好ましい一実施形態により、二光束パス干渉計が減圧環境内に配置される場合、例えば空気又は他のガスによる干渉計アーム内のビーム伝搬の歪みは、抑制されることが可能である。
本発明のさらなる効果的な一実施形態によれば、第１及び第２の干渉計アームは、それらが空間内で互いに交差するように、複数の偏向ミラーを伴って構成されることが可能である。干渉計におけるビームの折り畳みは、サンプル照射位置における第１及び第２の干渉計アームの距離を減少させるという利点を有し、よって、第１及び第２のビームが同時に伝搬されるように、サンプル照射位置には、例えば測定されるべきサンプルと参照サンプルとを異なるコンパートメント内に含む共通の単一容器である、単一の測定対象を配置することができる。
本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、入力ビーム、相殺的出力及び建設的出力のうちの少なくとも１つには、少なくとも１つの位相設定エレメントが配置され得る。位相設定エレメントは、例えば、１つ以上のチャープミラー或いは追加の分散性材料を備えてもよい。位相設定エレメントは、例えば、半値全幅を最小化するため、又はパルスの終わりに急激な強度低下を提供するために、サンプルの照射位置における入力ビームのパルス圧縮、及び／又は検出器デバイスにおける時間的パルス形状の形成を可能にする。あるいは、又は追加的に、第１及び第２の干渉計アームには、電磁場の横断プロファイルを形成するように、結像光学系が配置され得る。好ましくは、結像光学系は、入力ビーム、相殺的出力及び建設的出力のうちの少なくとも１つの電磁場の横断プロファイルを形成するように配置される。特に好ましくは、結像光学系は、入力ビームを干渉計に、例えばサンプルの照射位置に集束させるように配置される。効果的には、これは、調査対象である放射線と物質との非線形的相互作用の局所的強度及び大きさの増加を可能にする。
本発明の干渉計測装置の好ましい一実施形態によれば、建設的出力を検出するように第２の検出デバイスが配置され得る。効果的には、第２の検出デバイスは、干渉計を安定させるための安定化デバイスと組み合わされ得る。
以下、本発明のさらなる利点及び詳細について、概略的に示される添付の図面を参照して説明する。
本発明の干渉計装置及び／又は本発明の干渉計測装置の一実施形態を示す。 本発明の干渉計装置及び／又は本発明の干渉計測装置の一実施形態を示す。 本発明の干渉計装置及び／又は本発明の干渉計測装置の一実施形態を示す。 本発明の干渉計装置及び／又は本発明の干渉計測装置の一実施形態を示す。 本発明の干渉計測装置の一実施形態を示す。 図５のセットアップによって得られた実験結果を示す。 図５のセットアップによって得られた実験結果を示す。 図５のセットアップによって得られた実験結果を示す。
図１は、広帯域レーザ源１０１と、補助レーザ１０２と、ワイヤグリッド偏光子１０３と、偏向ミラー１０４と、透明板１０５と、空間フィルタ１０６と、補償板（透過均衡エレメント）１０７と、４分の１波長板１０８と、偏光ビームスプリッタ１０９と、平衡検波器１１０と、偏向ミラー１０４をシフトするための圧電トランスデューサ１１１と、電子ロック機器１１２とを備える、本発明の干渉計装置の一実施形態１００を示す。１１３は、ビームコンバイナ１０５の相殺的出力を検出するための、分光計又は時間分解分光法用デバイスのような検出器デバイスである。図２は、図１の干渉計装置１００におけるビーム経路の詳細を示し、２０１は、ビームスプリッタ１０５の第１の反射であり、２０１ａは、ビームスプリッタ１０５の第２の反射であり、２０２は、ビームスプリッタ１０５の透過であり、２０２ａはビームスプリッタ１０５の第３の反射であり、２０２ｂはビームコンバイナ１０５の第１の反射である。反射、具体的にはビームコンバイナ１０５の第１の反射２０１及びビームコンバイナ１０５の第２の反射、の選択に起因して、干渉計アームＡ１及び干渉計アームＡ２からの寄与間の位相差πが相殺的出力に導入される。空間フィルタ１０６により、ビームスプリッタ及びビームコンバイナ１０５における他の反射は、遮断される。干渉計装置１００の動作のさらなる詳細については、図５を参照して説明する。
図３は、図１及び２の実施形態に対して光学コンポーネントがミラー配置にされている、本発明の干渉計装置１００の一代替実施形態を示す。コンポーネント１０４、１０５、１０６、１０７、１１１及び１１３は、図１と同じパーツを指す。ガスセルＧＣは、干渉計測装置の構成を示すために略示されている。
図４は、干渉計アームＡ１及びＡ１が交差している、本発明の干渉計装置の別の代替実施形態１００を示す。コンポーネント１０４、１０５、１０６、１０７及び１１１は、図１と同じパーツを指す。４０１は、２つのコンパートメントを有するサンプルセルである。
図５ａは、マッハ－ツェンダ様の干渉計を示す。干渉計に入る光は、ビームスプリッタの第１の表面で一部が反射され、且つ一部が透過される。反射された部分は、補償板（透過均衡エレメント）を通過して、ビームコンバイナの第１の表面から一部が反射される。透過された部分は、ビームコンバイナの第２の表面から一部が反射される。干渉計の（相殺的出力を提供する）相殺的ポートは、診断（検出器デバイス）へ送信されるのに対して、（建設的出力を提供する）建設的ポートは、例えば補助レーザ（ＣＷレーザ）からＨａｎｓｃｈ－Ｃｏｕｌｌｉａｕｄエラー信号を生成すべく、安定化のために使用される。干渉計を介して、エルビウムファイバ発振器から生成される、９５０ｎｍ～２１００ｎｍをスパンする例えば１１ｆｓパルスが伝搬される。ＢＰは、帯域通過フィルタであり、１５５０ｎｍにおいて、ＦＷＨＭ＝１２ｎｍである。ＰＢＳは、偏光ビームスプリッタである。ＬＰは、９５０ｎｍロングパスフィルタである。図５ｂは、干渉計アーム１におけるビームプロファイルを示し、図５ｃは、干渉計アーム２におけるビームプロファイルを示す。
図５ａには、実験セットアップがより詳細に描かれている。２つの重要な変更を除けば、このセットアップは、マッハ－ツェンダ干渉計と同一である。マッハ－ツェンダ干渉計において、干渉計アーム間のアクロマティックな位相差πは、より低い屈折率を有する媒体への境界から反射される場合には位相の変化を受けないという光波の基本的な特性によって引き起こされる。しかしながら、従来のマッハ－ツェンダ干渉計の相殺的ポートへ伝搬する光は、一方のアームにおいて３回反射され、もう一方のアームにおいて２回透過され且つ１回反射される。広帯域放射の場合、屈折率の変動は、不完全な相殺に繋がる。発明者らは、従来のマッハ－ツェンダ干渉計のこの欠点を、各アームにおいて同数の反射及び透過を相殺的に組み合わせることにより回避する。結果的に生じるアーム２内の追加的な材料通過は、アーム１内のビームコンバイナの２倍の厚さのウィンドウ（透過均衡エレメント）を追加することによって補償される。図５ａの干渉計の上部出力では、光がアーム２内のビームスプリッタの第１の表面から、且つアーム１内のビームコンバイナの第２の表面から反射されることから、干渉光が逆位相を有する。図５ｂ及び図５ｃは、各々、他方のアームがブロックされている間、且つ空間フィルタリング後に相殺的ポートにおいて記録された、アーム１及びアーム２のビームプロファイルを示す。
干渉計は、ビームの分割及び結合用に、厚さ３ｍｍのプレーンなホウケイ酸クラウンガラス（Ｎ－ＢＫ７）ウィンドウを使用する。基板の厚さ及び材料は、望ましくない多重反射を空間的にフィルタリングするために、第１及び第２の表面からの反射間に合理的な空間的分離を提供するように選択された。ウィンドウへの入射角は、６０゜であって、ｓ偏光に対して、相殺的ポートに入るパワーを最大化する最適な分割比２０：８０に近い約１８％の反射率を提供する。干渉計の鏡面対称性に起因して、入射光の小さいビームポインティング変動は、消光に影響しない。
光路差（ＯＰＤ）を安定させるために、アーム１の長さは、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）に作用するフィードバックループを介して制御される。Ｈａｎｓｃｈ－Ｃｏｕｌｌｉａｏｕｄエラー信号［１５］は、メインレーザのビーム経路をビーム高さがオフセットされて正確に辿る補助レーザを用いて生成される。補助レーザの入力偏光は、線形的であって伝搬平面に対し４５゜回転され、よって、両方のアームは、アーム１が２回透過され且つアーム２が２回反射される建設的ポートにおいて偏光変化を捕捉する。
テスト実験は、５６ＭＨｚで動作する市販のエルビウムファイバ発振器から生成されたスーパー－オクターブスペクトルを用いて実行された。高非線形ファイバ（ＨＮＦ）（詳細は、［１６］参照）において、発振器からの９０ｆｓパルスがスペクトル拡大され、平均出力１７５ｍＷで９５０ｎｍ～２１００ｎｍ間のスペクトルをスパンする１１ｆｓパルスへ時間圧縮された。
アクロマティックなヌリングには、アーム長さが等しいことの他に、干渉計内部の光学コンポーネントのアラインメントが極めて重要である。理想的には、全ての光学コンポーネントは、互いに平行であるべきであり、且つ基板厚さは、ビームポインティング、強度及び分散の不均衡並びに部分最適空間オーバーラップによる影響を最小限に抑えるように整合すべきである。
図６ａは、１５５０ｎｍ及び１０μｍの中心波長における、干渉計内の２つの異なる光学素子の不整合に関してシミュレーションされた消光比の減少を示す。図６ｂは、様々な入力パルス持続時間でのビームスプリッタ及びビームコンバイナの基板厚さの差に依存するシミュレーションされた消光比の減少を示す。斜線部分は、メーカ指定の一般的な厚さ公差である。
より詳細には、図６ａは、再結合後の両アームの空間的重なりに対する角度ミスアラインメントの影響の計算値を示し、これは、消光比の低下へと直に移行する。発明者らの計算によれば、いずれの光学素子の不整合も、消光比に対して同じ定量的影響を与える。図示されている値は、実験アーム長３０ｃｍに対応する。アラインメント感度は、アーム長さが長いほど向上する。市販の電動キネマティックマウント（１μｒａｄ）の精度を以てすれば、空間的オーバーラップのみが考慮される場合、原則として、中心波長１５５０ｎｍで６×１０－６、及び中心波長１０μｍで６×１０－７の消光比が達成可能である。アラインメントに加えて、消光比は、基板厚さの精度が限定的であることにより、分散効果に影響される。図６ｂは、パルス持続時間が長くなると、基板厚さの不整合による影響が減少することを示している。オレンジ色の斜線部分は、メーカが典型的に指定する厚さ公差に対応する。厚さ不整合の最悪の組合せ（アーム２及びアーム１間で０．９ｍｍ）について考慮される場合、１０ｆｓ入力パルスの消光比は、２×１０－４に制限される。
図７ａは、ＰＺＴを用いて光路差がゼロを挟んで走査される場合に、フォトダイオードで測定された消光比を示す。黄色い斜線部分には、ニュートラルフィルタが適用された。図７ｂは、自走する干渉計及びＨａｎｓｃｈ－Ｃｏｕｉｌｌａｕｄエラー信号を介してロックされた干渉計の、フォトダイオードで測定された消光比を示す。挿入図は、周波数分解信号及びスペクトラムアナライザのノイズフロアを示す。図７ｃは、スペクトル分解された建設的干渉及び相殺的干渉を示す。定周波数における相殺的干渉スペクトルの変調は、ビームスプリッタ／コンバイナの厚さに対応し、基板内の複数の反射の不完全な空間フィルタリングによって説明されることが可能である。破線曲線は、４０ｎｍステップの積分により計算された、下部スペクトルと上部スペクトルとの消光比を示す。
試験では、ゼロをまたいでＯＰＤを走査するためにＰＺＴへ鋸歯状電圧を印加しながら、フォトダイオード（ＰＤ）を用いて相殺的ポートにおける信号を記録することにより、干渉計のパフォーマンスが特徴づけられた。ＰＤの線形応答を保証するために、ＯＰＤ＝０を始点に、校正されたニュートラルフィルタが適用された。測定された電圧を消光比に変換するためには、建設的干渉の電圧が計算されなければならなかった。理想的には、干渉場Ｅ１及びＥ２は、同一であって、次式が成り立つ。
Figure 0007185756000002
 ここで、Ｉｃｏｎは、理想的な建設的干渉の強度であり、Ｉ１は、一方のアームの強度である。
発明者らは、一方のアームの強度に対応する電圧を測定し、相殺的干渉の間に記録された信号をこの値の４倍で割った。図７ａは、結果として生じた消光比及びＰＺＴ電圧を示す。消光比は、最小値４．２×１０－４に達している。この値は、手動アライメントの限定的精度を考慮した計算値と十分に一致している。ＯＰＤの変更は、２つの干渉計アーム間の波長依存位相差をもたらすことから、相殺的干渉用に設計されたポートにおいて広帯域の建設的干渉が達成され得ないことは、注目に値する。これは、ＰＤ信号の最大値が１未満である理由を説明している。図７ｂは、干渉計の相殺的ポートにおけるロックされたＰＤ信号と自走するＰＤ信号との比較を３０秒の時間スケールで示している。ロック状態において、消光比の二乗平均平方根（ＲＭＳ）の値は、６．１×１０－４である。走査された消光比とロックされた消光比との不一致は、干渉計内の２つのアームにおける異なる空気変動が原因である可能性が高い。図７ｂの挿入図は、５０ｋＨｚまでの、ロック状態及び自走状態における相殺的ポート内の周波数分解変動を示している。５０ｋＨｚを超えると、いずれの信号も無線周波数（ＲＦ）アナライザのノイズレベルに達する。５０Ｈｚにおける共通ピークは、電源周波数に起因する可能性があるのに対して、３０Ｈｚにおける共通ピークは、測定デバイスからのアーティファクトである。数ｋＨｚまでは、安定化スキームが全ての変動をＲＦアナライザのノイズレベルに低減する。３０ｋＨｚにおける著しい特徴は、ロックによって完全には除去され得ない。
消光の波長依存性を調査するために、安定化された信号が、光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）へ接続されるシングルモードファイバに集束された。図７ｃには、相殺的干渉及び理想的な建設的干渉の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）が描かれている（建設的干渉のＰＳＤは、単一アームからのＰＳＤの４倍として定義される）。波長分解消光比は、ＰＳＤを４０ｎｍ刻みで積分し、且つ相殺的ＰＳＤを建設的ＰＳＤで割ることによって計算される。積分は、ＯＳＡの不十分なスペクトル分解能から生じる２つの信号の変調が一致しないことによる極値を回避する。スペクトル分解された消光比のＲＭＳ値６．２×１０－４は、ＰＤで決定されるスペクトル積分された消光比のそれと非常によく一致する。この消光比及び一方のアームにおける平均電力３．５ｍＷの場合、ショットノイズ電力の計算値２×１０－４ｍＷは、相殺的ポートにおける電力の４０分の１未満である。
図８ａは、２２５ｍｂａｒメタンの放射線源のスペクトル範囲に含まれるメタンの共振を示す。差信号において、メタン分子の共振応答は、コヒーレント放射として発現する。黒い破線は、ＰＮＮＬデータベースからのスペクトル吸収率に基づいて計算された参照曲線である。図８ｂは、メタン圧力を下げるためのブロックされた参照アームで測定された３つの主要な共振を示す。外側の斜線領域は、平均値を中心とする１５の参照測定値の標準偏差である。内側の斜線領域は、干渉計出力をＯＳＡへ接続するシングルモードファイバの出力において測定された積分絶対強度ノイズである。黒い破線は、ＰＮＮＬデータを用いて計算されたＬＯＤである。図８ｃは、メタン圧力を下げるために、サンプルアーム及び参照アームに相殺的に干渉することによって測定された同じ共振を示す。外側の斜線領域は、平均値を中心とする、メタンなしの相殺的干渉の１５の参照測定値の標準偏差である。内側の斜線領域は、消光比により減少された積分絶対強度である。黒い破線は、ＰＮＮＬデータを用いて計算されたＬＯＤである。
広帯域分光法の感度を高めるための広帯域干渉ヌリングの可能性を実証するために、発明者らは、メタン吸収分光法を実行した。この目的に沿って、発明者らは、干渉計の各アーム内へ同一のガスセルＧＣを配置した。気密セルＧＣは、長さ８ｃｍのビーム経路を囲む２つの１ｍｍ溶融シリカウィンドウで構成されていた。一方のガスセルＧＣ（サンプル）は、メタンで満たされ、もう一方（参照サンプル）は、周囲空気で満たされて参照として使用された。
本発明は、このセル配置に限定されない。概して、放射線と物質との相互作用の分析、又は放射線と物質との相互作用に基づくサンプルの特徴づけには、調査されるべき光学コンポーネントのような他のサンプル容器又は他のサンプル、例えばワークピース、が提供され得る。
図８ａは、サンプルセル内に２２５ｍｂａｒのメタンを含む干渉構成において測定された、ソースのスペクトル範囲内のメタンの２ν３振動倍音バンドにおける共振［１７］を示す。分子振動へ伝達されるエネルギーのごく一部まで、メタンサンプルの瞬間応答は、励起と同じであり、よってこれは、参照アーム内の励起パルスに相殺的に干渉する。したがって、差分ポート内の信号は、主としてメタン分子から放出される単離された共振応答を含む［１８］。比較のために、図８ａは、測定データとよく一致している、パシフィックノースウェスト国立研究所（ＰＮＮＬ）のデータベースからのスペクトル吸光度に基づく参照曲線を示す。ＰＮＮＬデータベースからの吸光度は、Ｉ０（λ）（１－Ｔ（λ））に変換され、ここで、Ｉ０（λ）は、参照アームに含まれる強度であり、Ｔ（λ）は、サンプルの透過率である。正式には、この式は、測定された差信号に対応する。
検出限界を決定するために、メタン濃度の低下について、１６４２ｎｍ～１６５０ｎｍ間の３つの主要なメタン共振が観察された。図８ｂは、参照アームがブロックされていた直接透過ジオメトリの結果を示す。ここで、瞬間的且つ位相シフトされた共振サンプル応答の干渉は、共振周波数におけるＰＳＤの空乏（すなわち、古典的分光法における「吸収」）として発現する。図８ｃは、干渉構成の結果を示す。分子応答は、ここでは、共振周波数からのコヒーレントな放射線の空間的に分離された放射として現れる。双方の構成におけるピーク高さを比較すると、吸収されたほぼ全ての放射線は、分子によるコヒーレント放射線として再放射されることが分かる。測定された線形状の、（これらの実験条件下で予測される）フォークトプロファイルからの偏差は、ＯＳＡの限定された分解能によって説明され得る。
双方の場合の検出限界（ＬＯＤ）を決定するために、発明者らは、各構成における感度を制限するファクタを調べた。発明者らは、メタンを含まない１５の参照測定の標準偏差を計算することにより、各々単一の測定値の測定の不確かさを推定した。これらの値をＬＯＤの下限として、発明者らは、各々直接透過ジオメトリに対して３ｍｂａｒ、及び干渉構成に対して０．０４ｍｂａｒという値を決定した。実験的に決定された値は、各々５ｍｂａｒ及び０．５ｍｂａｒであるが、その理由は、この場合のＬＯＤがメタン圧力の制御における限定的精度によってより低く縛られることにある。
観察された変動の源を特徴づけるために、発明者らは、ＯＳＡへのファイバ接続の前後でレーザの相対強度ノイズ（ＲＩＮ）を測定した。測定は、１Ｈｚ～１ＭＨｚの積分されたＲＩＮ ＲＭＳをファイバ前で０．２５％、ファイバ後で０．７９％明らかにしている。ファイバ後の増加された値は、ファイバ結合時に強度変動へ変換されるビームポインティング変動によって説明され得る。図８ｂは、直接透過ジオメトリにおいて、強度変動がノイズの主たる源であることを示している。干渉構成では、ＲＩＮが消光比の２倍だけ低減され、これにより、ノイズの主たる源として干渉計の変動が優勢となる。
結論として、発明者らは、深い干渉ヌリング及び広い帯域幅と、マッハ－ツェンダ様の干渉計との前例のない組合せを示した。発明者らは、検出可能な最小濃度を制限する過度の強度ノイズの強力な抑制に起因する、吸収分光法の２桁の感度向上を実証した。将来的には、光学系の品質（表面、平行度、厚さ）を最適化し、高精度の電動キネマティックマウントをアラインメントに使用し、且つ空気変動を回避するためにシステムを真空内で作動させることにより、ＬＯＤは、ショットノイズの限界まで押し上げられることが可能である。
本発明によるこの試験は、本新規概念の多種多様な用途に対する適合性を実証している。吸収分光法は、提示された感度向上から直接利益を得ることができる。例えば、周波数コム分光法［１９、２０］との組合せは、感度とスペクトル分解能との前例のない組合せを約束する。別の例は、時間分解検出［２１、２２、２３、２４］との組合せであり、当該組合せの衝撃励起からの空間的且つ時間的分離による、分子フィンガープリントの完全なバックグラウンドフリー検出を約束する。
以下、本発明の単一の特徴として、又は任意の組合せで実装され得る、本発明の構成に関する一般的な設計上の考慮事項を要約する。
－干渉計は、ビーム分割及びビーム結合用に厚さ３ｍｍのプレーンなＮＢＫ７ウィンドウを用いる（図５（ａ））
－基板の厚さ及び材料は、ｓ偏光入力ビームに対する約２０％の反射率、及び６０゜の入射角（ＡＯＩ）、並びに望ましくない反射を空間フィルタリングするための第１及び第２の表面からの反射間の妥当な空間的分離を有するように選択された
－ソースは、例えば、５６ＭＨｚの繰返し率及び１５５０ｎｍを中心とする３００ｍＷの平均出力を有する市販のエルビウムファイバ発振器である
－市販のレーザシステムの出力は、高非線形ファイバ（詳細は、［２８］参照）内で、９５０ｎｍ～２１００ｎｍをスパンする１１ｆｓパルスまで圧縮される
－干渉計の上部ポートに入る光は、アーム１におけるビームスプリッタの第１の表面から反射され、且つアーム２におけるビームコンバイナの第２の表面から反射される
－アーム１内の光は、アーム２における第２の表面からの反射に起因する追加的な物質の通過を補償するために、厚さ６ｍｍのＮＢＫ７ウィンドウを通過する
－干渉計の上部ポートにおいて、アーム２及びアーム１からの光は、アーム１では、ビームスプリッタからの反射が光学的に密度のより低い物質（空気）と光学的に密度のより高い物質（ＮＢＫ７）との境界で発生して、位相の変化πを生じさせることに起因して、相殺的に干渉する
－これに対して、アーム２では、ビームコンバイナからの反射が光学的に密度のより高い物質（ＮＢＫ７）と光学的に密度のより低い物質（空気）との境界で発生して、位相の変化が発生しない
－干渉計の下部ポートにおいて、アーム２及びアーム１からの光は、アーム２では光が２回透過され且つアーム１では光が各々ビームスプリッタ及びビームコンバイナの第１の表面から反射されることに起因して、建設的に干渉する
⇒両アーム間の位相差は、２πである
－調和した反射は、エタロン効果を回避するために、各ウィンドウ後に垂直かみそり刃で空間フィルタリングされる
－干渉計は、双方のアームが同じ光路長を有する場合にのみ広帯域干渉を示す
－これは、圧電トランスデューサ（ＰＺＴ）でアーム１の長さを制御するアクティブなフィードバックループを介して保証される
－フィードバックループのためのＨａｎｓｃｈ－Ｃｏｕｉｌｌａｕｄ［２９］エラー信号は、エルビウム発振器のビーム経路をオフセットされたビーム高さで正確に辿る独立した補助レーザ（ｃｗレーザ、１５５０ｎｍで２０ｍＷ）から生成される
－補助レーザの入力偏光は、双方のアームが、アーム２における２回の透過及びアーム１における２回の反射の後、建設的ポートにおいて異なる偏光で終わるように、４５゜である
－広帯域干渉にとっては、等しいアーム長の他に、干渉計内の光学コンポーネントのアラインメントが非常に重要である
－理想的には、干渉計の全ての光学コンポーネントが互いに平行であるべきである
－これは、相殺的ポートにおける２つのアームの強度が均衡され、且つ全てのＮＢＫ７ウィンドウに対するＡＯＩが等しいことに起因して分散効果が同じであることを保証する
－全ての光学コンポーネントが平行である場合、２つのアーム内のビーム経路が正確にミラーリングされ、よって２つのアームの空間的オーバーラップが影響を受けないことから、ビームポインティングの不安定性による変動も最小限に抑えられる。
先の明細書本文、図面及び特許請求の範囲において開示される本発明の特徴は、本発明をその様々な実施形態において認識する上で、個々に、並びに組合せ又は部分的組合せの双方において重要であり得る。本発明は、これまでに述べた好ましい実施形態に限定されない。むしろ、同じく本発明概念を使用し、よって保護の範囲に含まれる複数の変形及び派生が可能である。さらに、本発明は、従属請求項に記載の主題及び特徴についても、それらが関係する特徴及び請求項とは独立して保護を主張するものである。

Claims (19)

  1. 二光束パス干渉計を有する、電磁場のアクロマティックな干渉重畳用に構成される干渉計装置であって、
    入力ビームを、少なくとも１つの偏向ミラーを含む第１の干渉計アーム（Ａ１）に沿って伝搬する第１のビームと、少なくとも１つの偏向ミラーを含む第２の干渉計アーム（Ａ２）に沿って伝搬する第２のビームとに分割するように配置されるビームスプリッタであって、前記第１及び第２の干渉計アームは、同一の光路長を有する、ビームスプリッタと、
    前記第１及び第２のビームを建設的出力及び相殺的出力に再結合するように配置されるビームコンバイナと、を備え、
    前記ビームスプリッタ及び前記ビームコンバイナの反射表面は、前記第１の干渉計アームにおいて、前記第２の干渉計アームと比較して、光学的に密な媒体内に１つの追加的なフレネル反射が提供され、前記第１及び第２のビームの前記電磁場の伝搬が、前記ビームコンバイナにより再結合されると、前記相殺的出力に対する前記第１及び第２の干渉計アームの寄与間に波長非依存の位相差πをもたらすように配置され、且つ、
    前記第１の干渉計アームは、前記第１及び第２の干渉計アームにおける色分散とフレネル損失とを均衡させるように配置される透過均衡エレメントを含み、
    前記透過均衡エレメントは、当該干渉計装置を利用する干渉計測の全体を通して一定の位置及び方向性を有し、
    前記入力ビームは、干渉計測の全体を通して、１オクターブの少なくとも１％の周波数間隔をスパンする広帯域スペクトルを有する、
    干渉計装置。
  2. 前記第１及び第２の干渉計アームのうちの少なくとも一方において、逆位相を有さない電磁場の前記伝搬を抑制するように配置される、少なくとも１つの空間フィルタをさらに含む、請求項１に記載の干渉計装置。
  3. フレネル反射に使用されない前記ビームスプリッタ及び前記ビームコンバイナの反射表面のうちの少なくとも１つに、少なくとも１つの反射防止コーティングが施されている、請求項１又は２に記載の干渉計装置。
  4. 前記光学的に密な媒体における前記追加的なフレネル反射は、前記ビームスプリッタにおいて提供される、請求項１～３のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  5. 前記光学的に密な媒体における前記追加的なフレネル反射は、前記ビームコンバイナにおいて提供される、請求項１～３のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  6. 前記光路長、ミラー位置、ミラー配向、ビームスプリッタ位置、ビームスプリッタ配向、ビームコンバイナ位置、ビームコンバイナ配向、及び透過均衡エレメント配向のうちの少なくとも１つを制御するように配置される安定化デバイスをさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  7. 前記安定化デバイスは、前記建設的出力及び前記相殺的出力の一方と結合されるフィードバックループ制御を含む、請求項６に記載の干渉計装置。
  8. 前記二光束パス干渉計は、減圧環境内に配置される、請求項１～７のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  9. 前記透過均衡エレメントは、透明板を備える、請求項１～８のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  10. 前記第１及び第２の干渉計アームは、空間内で互いに交差する、請求項１～９のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  11. 前記入力ビーム、前記相殺的出力及び前記建設的出力のうちの少なくとも１つに配置される少なくとも１つの位相設定エレメントをさらに含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  12. 前記第１及び第２の干渉計アームにおける前記電磁場の横断プロファイルを形成するように配置される結像光学系をさらに含む、請求項１～１１のいずれか一項に記載の干渉計装置。
  13. 前記結像光学系は、前記入力ビーム、前記相殺的出力及び前記建設的出力のうちの少なくとも１つの前記電磁場の前記横断プロファイルを形成するように配置される、請求項１２に記載の干渉計装置。
  14. 干渉計測装置であって、
    請求項１～１３のいずれか一項に記載の干渉計装置と、
    前記入力ビームを生成するように配置される放射線源と、
    前記相殺的出力を検出するように配置される第１の検出デバイスと、を備える干渉計測装置。
  15. 前記放射線源は、前記第１及び第２の干渉計アームの前記光路長を超えるコヒーレンス長を有するパルスレーザ又は熱放射線源を備える、請求項１４に記載の干渉計測装置。
  16. 前記建設的出力を検出するように配置される第２の検出デバイスをさらに含む、請求項１４～１５のいずれか一項に記載の干渉計測装置。
  17. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の干渉計装置、又は請求項１４～１６のいずれか一項に記載の干渉計測装置を利用する干渉計測方法であって、
    前記第１及び第２の干渉計アームのうちの一方に調査されるべきサンプルを配置するステップと、
    前記第１及び第２の干渉計アームのうちの他方に参照サンプルを配置するステップと、
    前記入力ビームを生成して前記サンプル及び前記参照サンプルを照射するステップと、
    前記ビームコンバイナの前記建設的出力及び前記相殺的出力のうちの少なくとも一方を検出するステップと、を含み、
    前記透過均衡エレメントは、干渉計測の全体を通して一定の位置及び方向性を有し、
    前記入力ビームは、干渉計測の全体を通して、１オクターブの少なくとも１％の周波数間隔をスパンする広帯域スペクトルを有する、
    干渉計測方法。
  18. 前記電磁場のアクロマティックな干渉の減算を含む、請求項１７に記載の干渉計測方法。
  19. 前記電磁場のアクロマティックな干渉の加算を含む、請求項１７又は１８に記載の干渉計測方法。
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