JPH04230812A - 光学スペクロスコピー・システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学スペクトロスコピ
−（分光学）・システムに関し、とりわけ高感度のスペ
クトロスコピ−・システムに係る。

【０００２】

【従来の技術】光放射のスペクトル分析のために一般に
使用される光学スペクトロスコピ−・システムは、源か
ら出た放射中に存在する種々の波長の空間的分散を生じ
させるプリズムまたは格子を使用している。ラマンある
いはブリルアン・スペクトロスコピ−などのある場合、
例えば、極めて狭い帯域の単色光源（例えば、ＬＥＤ）
を特徴付ける場合には、非常に密接して隔てられた波長
（例えば、数ナノメ−タだけ異なる波長）を識別するこ
ととなる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】これらの応用に必要な
分解能を、空間的分散によつて得るためには、非常に複
雑で高価なシステムが使用されなければならなかつた。 例えば、フライタス（Ｊ．Ａ．　Ｆｒｅｉｔａｓ，Ｊｒ
．）、プレツア（Ｐ．Ｃ．　Ｐｕｒｅｚａ）　、アガル
バル（Ｉ．Ｄ．　Ａｇｇａｒｗａｌ）　およびシュトル
ム（Ｕ．　Ｓｔｒｏｍ）らにより第６回ハライド・ガラ
ス国際シンポジウム（６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｈａｌｉｄｅ　Ｇｌａ
ｓｓ）に提出された『フルオライド・ガラス光フアイバ
のマイクロ・ラマン研究　（Ｍｉｃｒｏ−Ｒａｍａｎ　
Ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ　ＦｌｕｏｒｉｄｅＧｌａｓｓ　
Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ）　』と題する論文に記
述されたシステムは、三重のスペクトロメ−タによつて
試料で分散された放射を集め分析する。他の同様に高価
なシステムは非常に高い焦点距離の対物鏡（レンズ）を
必要とし、これはシステムを更に手におえないものとす
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、複雑で
高価な光学機器に頼ることなく高い測定感度を与えるス
ペクトロスコピー方法および装置が提供される。

【０００５】本発明は、放射のパルスが、既知かつ制御
された特性で、放射中の種々の波長の時間的分散を生じ
させ得る回折素子に送られ、かような波長の情報がその
分散の評価より得られることを特徴とする、異なる波長
を含む光放射のスペクトル分析方法を提供する。

【０００６】本発明はまた、この方法を実施するための
装置であつて次記の各要素を含むことを特徴とするもの
を提供する： −それに沿い、前記分析されるべき放射のパルスが伝搬
し、かつ放射中に存在する波長の時間的分散を生じさせ
る回折素子； −回折素子から出てゆくパルスが受けた分散に関連した
情報を供給する、検出および分析手段；および−前記時
間的解析手段により供給された時間情報から、回折素子
の分散特性に相応し、処理システム内に格納された、デ
−タとの比較により、源のスペクトルに関する情報を得
るための処理システム。

【０００７】この回折素子は、高い分散を有する光フア
イバであることが効果的である。本発明は、添付図面を
参照した以下の既述からより良く理解されるであろう。

【０００８】本発明による装置を詳細に説明する前に、
本発明が基づいている原理を手短かに記述する。

【０００９】光ウエ−ブガイド、たとえば光フアイバ、
に送られた放射が分散を受けることは良く知られている
、即ち、放射中の種々の波長が異なる速度で伝搬し、一
定の線幅と実用上０に等しい持続時間で源から出たパル
スが、ある持続時間をとつて『広がる』ようになる。 分散は、基本的に三つの条件による：物質の分散、ガイ
ドによる分散（コアとクラッドとの間の屈折率の差によ
る）およびモ−ダル分散がそれらである：最後の条件は
、単一モ−ド光フアイバにはないことは明らかである。 全体としての分散は、フアイバの型を問わず図１に示す
行動を有し；実際のカ−ブ・スロ−プはフアイバの型に
依存する。

【００１０】ここで、フアイバから出てゆくパルスの到
着と消滅の瞬間を、検出器で検出し、これらを、既知の
波長と線幅の基準パルスの到着と消滅の瞬間と比較する
か、あるいはパルス内の引き続くピ−クを隔てる時間間
隔を測定することにより、パルス内に存在する種々の波
長に関する、フアイバ分散特性を始めとする情報を直ち
に得ることが出来る。

【００１１】分散は、フアイバを光通信の伝送媒体とし
て使用する場合のネガチブ・フアクタであつて、高い伝
送率を可能とするには最小限度にしなければならないこ
とは明らかであるが、本応用にとつては、高い分散は逆
に有利である。そして分散が高ければ高い程、感度がよ
り低くなり、ここから使用すべき装置がより廉価となる
。

【００１２】

【実施例】本発明による時間領域内で、光学スペクトロ
スコピ−を行う装置の例を、源から出た光の分析の場合
について図２に、ラマン・スペクトロスコピ−の場合に
ついて図３に示す。

【００１３】図２において、源１から出た分析されるべ
き光は、ミラ−２１によつて略示されるような基準源２
０から出た光と恐らく組み合わされたのち、、レンズ３
によつて略示される光学システムにより光フアイバ幹線
２に結合される。源１および２０は、在来の制御機器４
と関連しており、源の直接変調あるいは変調器２２によ
る変調のいずれかにより、予め定められた持続時間の光
パルスの発生を可能とされている。

【００１４】有利には、源２０の波長λＲ　が、パルス
が歪みを受けないように、そこでフアイバが零分散を有
するようにする。フアイバ２から出てゆく光は、レンズ
５によつて略示される他の光学システムによつて集めら
れ、検出器６に送られる。検出器６から出てゆく電気信
号は、時間的分析手段７、例えばサンプリング・オッシ
ロスコ−プに集められ、そこで基準パルスと源１から出
たパルスの到着の瞬間の間の差および後者の持続時間が
測定される。

【００１５】処理装置８は、フアイバ２の、源１から出
た試験される放射および基準源２０から出た放射の波長
を含む波長範囲に対しての特性（つまり、コアおよびク
ラッドの屈折率、開口数および遅れ）を格納したメモリ
を含み、分析手段７により供給された時間情報から源１
に関する情報（つまり、その線幅と、そこでその中心波
長）を得る。

【００１６】処理装置８は、分析手段７と制御機器４と
の同期を行うことができるものであることが有利である
。

【００１７】本発明の一実施例においては、源１は中心
発光波長６３０ｎｍおよび線幅数ｎｍの発光ダイオ−ド
（ＬＥＤ）で持続時間１ｎｓのパルスを発するように制
御されている。フアイバ幹線２は、３．１％のＧｅＯ２
　でド−プされた１Ｋｍの長さのモノモ−ド・シリカ・
フアイバであり、その分散特性は図１に正しく示されて
いる。かようなフアイバは、段階的な屈折率プロフアイ
ルを有し、源の中心波長で、それぞれ１．４６１および
１．４５７のコアおよびクラッド屈折率を有し、かつ開
口数０．１２を有するものである。このフアイバは、約
１５００ｎｍ　　で零分散を有し、６００から１０００
ｎｍの範囲での分散は、約３０８ｐｓ／ｋｍ．ｎｍから
、１０００ｎｍでの約６０ｐｓ／ｋｍ．ｎｍまで変化す
る（図１）。このフアイバの特性は添付の表（図６）に
掲載したが、そこでλは、波長をナノメ−タで表したも
のであり、ＮＡ（λ）は開口数、Ｔ（λ）は、１ｋｍ長
のフアイバ幹線に沿う通過時間をピコ秒で測定したもの
である。この源のスペクトル範囲において、フアイバ幹
線２により誘起された遅れは、数ナノ秒のオ−ダである
。 時間的分析装置７は、２０ｐｓの時間間隔を分解できる
サンプリング・オッシロスコ−プである。前記オッシロ
スコ−プは、２０ＧＨｚのフオトダイオ−ド６と関連し
て、源のスペクトル間隔における約０．１５ｎｍのオ−
ダの波長の分解能を可能とする。

【００１８】前記の例は、本発明による技術で達成され
た、高い分解能を明らかに示している。さらに、サンプ
リング・オッシロスコ−プは、引用した論文に開示され
たようなトリプル・モノクロメ−タより大幅に廉価で、
また高分解能の単一モノクロメ−タ・システムより煩わ
しくない。光フアイバ幹線は無視しうるコストである。 それゆえ、本発明は、限定されたコストの高感度測定装
置を供給するものであることが明らかである。

【００１９】図３は、ラマン・スペクトロスコピ−測定
の場合の装置を示す。図２にも存在した要素は、その図
と同一の参照記号・番号で示されている。知られている
ように、ラマン・スペクトロスコピ−は、研究すべき物
質の試料に送られた単色の放射が、源の波長にある線だ
けでなく、さらに源の線に関して対称で、試験されるべ
き物質に典型的である範囲でそこから隔てられている一
対の線をも含む散乱放射を生じる事実を利用している。

【００２０】本発明のこの応用において、源１から出さ
れた光パルスは、分析すべき物質の試料１０に送られ、
前記試料により側方に散乱された光は、適当な光学シス
テム１１により集められ、有用なスペクトル部分を分離
する能力のあるフイルタ１２に送られる、より特定的に
は、このフイルタ１２は、この応用において基準放射の
機能を果たす、入射放射に対応するピ−クを減衰させる
ものである。散乱放射は、フアイバ２で集められ、前記
と同様にその出力がサンプリング・オッシロスコ−プ７
および処理装置８で処理される検出器６に送られる。

【００２１】源の波長より長い波長のスペクトルの部分
（対応する、源の線に関して対称であるアンチスト−ク
ス線より高い強度を有する、所謂スト−クス線）が、分
析に使用されると仮定すると、分析されるべきスぺクト
ルは、図４に示すように、源の波長に主なピ−クと、大
幅に小さい振幅のラマン散乱ピ−クとを含むものであり
、その第１のものは、源のピ−クに関して数ナノメ−タ
（波長５００ｎｍの試験放射の場合、例えば、５〜２０
ｎｍ）だけシフトしている。このシフトの存在は、試料
物質について特徴的なものである。前記と同一のフアイ
バと源が採用されたとすると、その第１の散乱ピ−クは
、主なピ−クに対して１．５〜６ｎｓの遅れで検出器に
達することとなり、その遅れは既述の装置で容易に検出
され得るものである。

【００２２】この装置は、適当なパルス周波数を使用す
ることにより、数多くの寧ろ速い事象（例えば、結晶生
成、成長、改良）の動力学の研究を、事象の間の散乱ピ
−クによつて受けた変化を評価することにより可能とす
る；若し在来のモノクロメ−タを使用すれば、これはコ
ストをさらに増大させ、またより低いスピ−ド限界を有
するアレ−検出器の採用を要するものとなる。

【００２３】非常に小さい時間分散（例えば、１００ピ
コ秒以下のオ−ダの）を評価する場合、非常に広帯域（
現在の技術の限界までの）の検出器を要するし、また非
常に弱い信号強度を検出する場合、装置を図５に示すよ
うに改良する事が出来る。

【００２４】ここで、図２および図３の検出器６および
時間分析装置７は、発生器１８より出る周期的に変化す
る周波数の信号（例えば、ランプ（ｒａｍｐ）信号）で
駆動される音・光偏向セル１７および、そこで個々の光
検出器が、その強度が検出すべき光信号を受けるための
時間に依存する出力信号を供給する光検出器アレ−１９
によつて置き換えられる；検出器は、例えばチャ−ジ・
カプルド・デバイス（ＣＣＤ）が使用できる。検出器ア
レ−１９は、セル１７から予め定められた距離Ｌの平面
に置かれる。

【００２５】この構成により、源１により発した信号中
、異なる瞬間にセル１７に到達する種々の波長λ１　、
λ２　．．．　λｎ　が、前記セルで、それらがセルに
到達する瞬間におけるセル駆動周波数の値に依存して、
異なるように偏向される。それゆえ、異なる周波数が、
アレ−中の異なる光検出器によつて集められる。好まし
くは、距離Ｌおよびセル駆動周波数の変分である範囲Δ
Ｆが、異なる周波数が全アレ−表面にわたり分布するよ
うに選ばれる。源１および基準源２０によるパルス発生
をセル駆動周波数の変分と妥当に同期させ、基準パルス
の到達するアレ−上の位置を、セル変調周波数範囲の極
周波数間の差ΔＦを考慮にいれて、検出することにより
、処理システム８は、二周波数間の差が、それにより前
記周波数が受入れられる検出器間の距離に比例するので
、アレ−の各点に存在する周波数を得ることが出来る。

【００２６】異なる点、異なる瞬間で、異なる周波数を
受ける検出器アレ−を使用することにより、この独特の
センサの帯域幅の問題は除去される。アレ−中の検出器
として、その出力信号が入力信号の時間積分に比例する
、ＣＣＤなどを使用することにより、検出および分析シ
ステムに同一のパルス列を送り、個々の検出器の出力信
号をその列の終端で評価することが可能となる。そこで
、その強度が独特のパルスを送ることにより得られるも
のより大幅に高い、時間積分された信号を評価すること
が可能となり、また良い結果が、個々のスペクトル・ピ
−クの非常に低い強度に対してもまた、スペクトル分析
から得ることが可能となる。

【００２７】ホトダイオ−ドのアレ−を、セル１７の駆
動周波数の変化と同期してフアイバから出る信号を走査
するＣＣＤを使用して、単一のホトダイオ−ドで置き換
えることが出来るのは明らかである。ホトダイオ−ドの
運動は、プロセッサ８により制御される。

【００２８】図５に示した装置の変形において、音・光
セル１７は、所謂『ストリ−ク・カメラ』で置き換える
ことが出来る。ストリ−ク・カメラは、時間変化する振
幅を有するパルスの振幅を、ピコ秒のオ−ダの分解能で
分析する装置である；分析すべき光パルスのホトンは、
その強度が瞬間のパルス強度に比例し、電子が検出器の
異なる点によつて集められるように、周期的に変化する
電圧により制御される偏向板の間を通過するようにされ
た電子の流れに変換される。二つの点の間の距離は、そ
れぞれの電子の流れの発生瞬間の間の差に比例する。現
在の応用においては、装置に送られるパルスの振幅変動
性は、フアイバ中の通過の効果として時間的に拡がる光
パルスの中の異なる波長に対応する異なるピ−クの存在
に起因している。この検出器は、ホトルミネツセント・
スクリ−ンあるいはＣＣＤのアレ−であつて良い。その
動作は、時間分散を表す空間分散が得られるので、音・
光セルを使用する具体例のそれに等しい。

【００２９】上述のことは、非限定的な例示に限られて
おり、発明の範囲を逸脱することなく変更および改良が
可能である。既知の源を使用して、本発明がある分散要
素を特徴付けることに用いられ得ることも、また認識さ
れるべきである。

【００３０】以下の表は、光フアイバの特性を示す表で
、λは、波長をナノメ−タで表したものであり、ＮＡ（
λ）は開口数、Ｔ（λ）は、１ｋｍ長のフアイバ幹線に
沿う通過時間をピコ秒で測定したものである。

【００３１】

【表１】

【図面の簡単な説明】

【図１】　　光フアイバの分散のグラフである。

【図２】　　ある応用に適当な、本発明を実施するため
の装置の具体例を示す略図である。

【図３】　　その他の応用に適当な、本発明を実施する
ための装置の具体例を示す略図である。

【図４】　　図３に示した装置により、分析されるべき
スペクトルの例である。

【図５】　　図２に示した装置の変形具体例を示す略図
である。

【符号の説明】

１　　源 ２　　光フアイバ幹線 ３　　光学システム（レンズ） ４　　制御機器 ５　　光学システム（レンズ） ６　　検出器 ７　　時間的分析手段、例えばサンプリング・オッシロ
スコ−プ ８　　処理装置・システム（プロセッサ）１０　　分析
すべき物質の試料 １１　　適当な光学システム １２　　フイルタ １６　　検出システム １７　　音・光偏向セル １８　　発生器 １９　　検出器アレ− ２０　　基準源 ２１　　ミラ− ２２　　変調器

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光放射のパルスが、既知かつ制御され
   た特性で、放射中の種々の波長の時間的分散を生じさせ
   得る回折素子（２）に送られ、かような波長の情報がそ
   の分散の評価より得られることを特徴とする、異なる波
   長を含む光放射のスペクトル分析方法
2. 【請求項２】　　回折素子から出てゆくパルスの検出器
   （６）上の存在期間が分散を評価するために決定される
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】　　既知特性の基準放射のパルスもまた、
   試験を受ける放射のパルスとともに回折素子（２）に送
   られ、試験を受ける放射の波長の情報が、基準放射のパ
   ルスと試験を受ける放射のパルスとの回折素子（２）に
   おける通過時間の差より得られることを特徴とする請求
   項２に記載の方法。
4. 【請求項４】　　回折素子から発生したパルスが、空間
   的分散をも受け、かつかような波長の情報が、検出器（
   １９）上で空間的に分散したパルスの位置の評価より得
   られることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】　　既知特性の基準放射のパルスもまた、
   試験を受ける放射のパルスとともに回折素子に送られ、
   かつ試験を受ける放射の波長の情報が、基準放射と試験
   を受ける放射のパルスの検出器（１９）上への到着点の
   相対位置より得られることを特徴とする請求項４に記載
   の方法。
6. 【請求項６】　　分析すべき放射のパルス列が、回折素
   子に送られ、回折素子から発生するパルスが、時間積分
   された出力信号を供給する検出器によつて集められ、か
   つ積分された出力信号がパルス列の終端で評価されるこ
   とを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
7. 【請求項７】　　前記回折素子が高い色分散を有する光
   フアイバであることを特徴とする前記請求項のいずれか
   に記載の方法。
8. 【請求項８】　　源（１）が放射のパルスを出し、それ
   が検出器（６；１９）に送られる光放射のスペクトル分
   析のための装置であつて次記の各要素を含むことを特徴
   とするもの： −それに沿い、前記放射のパルスが伝搬し、かつ放射中
   に存在する波長の時間分散を生じる回折素子（２）；−
   前記検出器を含み、回折素子から出てゆくパルスを受け
   、回折素子に沿う伝搬の故に、パルスが受けた分散に関
   連した情報を供給する、検出および分析手段（６、７；
   １６）； −前記検出および解析手段（６、７）の出力信号から、
   源のスペクトル上の情報を、回折素子（２）の分散特性
   に相応し、その中に格納された、デ−タと比較すること
   により抽出するように適応した処理システム（８）。
9. 【請求項９】　　前記回折素子（２）が、高分散光フア
   イバであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 【請求項１０】　　前記検出および解析手段（６、７）
    が、検出器（６）の出力に接続され、回折素子（２）か
    ら出てくるパルスの検出器（６）上の存在期間を決定す
    るための時間的分析手段（７）を含むことを特徴とする
    請求項８または９に記載の装置。
11. 【請求項１１】　　前記時間的分析手段（７）が、源の
    制御装置（４）と、検出器（６）から出てくる信号を、
    予め定めた瞬間に限って受けるように同期されているこ
    とを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 【請求項１２】　　さらに、試験を受ける放射のパルス
    と組み合わされる基準放射のパルスの源（２０）を含み
    、時間的分析手段（７）が、基準放射と試験を受ける放
    射の同時パルスのフアイバ内通過時間の間の差を分析す
    るように適応させられていることを特徴とする前記請求
    項８〜１１のいずれかに記載の装置。
13. 【請求項１３】　　検出および分析手段（１６）が、フ
    アイバ（２）から出てくるパルスを受け、それを空間的
    分散に従わせるための手段（１７、１８）を含み、処理
    システム（８）が、そこで種々の波長が検出器（１９）
    に到達する位置から、スペクトル上の情報を得るように
    構成されていることを特徴とする請求項８または９に記
    載の装置。
14. 【請求項１４】　　前記変換手段（１７、１８）が、可
    変周波数で駆動される、音・光セルを含むことを特徴と
    する請求項１３に記載の装置。
15. 【請求項１５】　　前記変換手段（１７、１８）が、ス
    トリ−ク・カメラを含むことを特徴とする請求項１３に
    記載の装置。
16. 【請求項１６】　　前記検出器（１９）が、入力信号の
    時間積分に比例した出力信号を供給するように構成され
    ていることを特徴とする前記請求項１３〜１５のいずれ
    かに記載の装置。