WO2007034681A1

WO2007034681A1 - 分光方法及び分光装置

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Publication number: WO2007034681A1
Application number: PCT/JP2006/317683
Authority: WO
Inventors: Masafumi Ito; Norihiko Nishizawa; Masaru Hori; Toshio Goto; Hiroyuki Kano
Original assignee: National University Corporation Nagoya University; Nu Eco Engineering Co., Ltd.
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2006-09-06
Publication date: 2007-03-29
Also published as: US20110063609A1; JP5219171B2; US8351039B2; US20090122317A1; JP2012073262A; US7855788B2; JP4883806B2; JPWO2007034681A1; JP2012027041A

Abstract

【課題】試料の光吸収係数を高感度で測定する装置を実現する。【解決手段】リングダウン分光装置は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源１を用いる。パルス光は、第１光伝送路４、光切換スイッチ５を介して、ループ状の光ファイバー６に入力する。リングダウンパルス光は、光切換スイッチ５を介して、ホモダイン検波器４０に入力する。一方、第１光伝送路４を伝搬するパルス光は、光方向性結合器８、第１光スイッチ素子１２を介して、第２光伝送路２０を構成する各光伝送路に分岐入力される。この第２光伝送路２０を伝搬するパルス光が参照光として、ホモダイン検波器４０に入力して、同期検波される。第２光伝送路２０を構成する複数の光伝送路の光路長は、光ファイバー６の長さだけ、順次、異なると共に、それぞれの光伝送路は、光路長を微小変動させることができる。

Description

明細書

分光方法及び分光装置

技術分野

[0001] 本発明は、基板の表面に形成された薄膜又は基板等の表面に吸着されたィ匕学種を高感度で分析したり、試料の光吸収特性を測定する分光方法及び分光装置に関する。また、光ファイバ一を用いた分光方法及び分光装置に関する。

背景技術

[0002] 基板等の表面に形成された薄膜或いは基板等の表面吸着された化学種を分析する方法としては、赤外分光分析が幅広く用いられている。これは、各原子間結合等が赤外領域に特定の吸収波長（波数)を有して、ることに基づくものである。試料をそのまま、或いは溶液等にしてセルへの充填や岩塩板への挟み込みが可能な場合には、フーリエ変換型赤外分光 (FTIR)が常用されている。また、近年、透明基板の表面に形成した薄膜等を、透明基板側から赤外光を全反射させることにより、界面付近の当該薄膜におけるエバネッセント波の吸収を測定する全反射減衰法 (ATR)が用いられるようになった。 ATRによれば、 FTIR等の透過型分析に比較し、 30倍程度、感度が向上する。

[0003] 一方、キヤビティリングダウン分光 (CRD)が近年盛んに開発されてヽる。キヤビティリングダウン分光においては、少なくとも 2個のミラーによりキヤビティを形成し、そのキャビティ内に検査対象物質 (試料)を導入し、キヤビティ内の試料の光吸収により減衰するリングダウンノルス光を用いて試料を分光分析するものである。キヤビティリングダウン分光においては、主として光吸収による光強度の減衰における減衰定数を測定することで、試料の各波長における吸収係数を求め、試料の同定及び定量が行われる。また、下記特許文献 3、 4に示すように、キヤビティに代えてループファイバーにパルス光を循環させ、又は、端面で反射する直線ファイバーにパルス光を往復進行させて、パルス光のリングダウン特性を測定することで物質の吸収特性を得る方法が知られている。

特許文献 1：特開 2000— 338037号公報特許文献 2：特開 2001— 194299号公報

特許文献 3：特開 2004— 333337号公報

特許文献 4:USP6, 842, 548B2

特許文献 5 :USP7, 012, 696B2

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] ところが、連続して出力されるレーザ光を用いて CRD分析を行う際は、キヤビティ内でレーザを共振状態としたのちレーザ入力を遮断して、キヤビティからの出力（リングダウン光)を分析する方法が取られて!/、た。

一方、近年、極めてパルス幅の狭い、波長可変のソリトンパルス光源が開発されている。そこで本願発明者らは、この波長可変のソリトンパルス光源等を用いて、新たな CRD分光装置を完成するに至った。

[0005] また、従来のキヤビティリングダウン分光法で用いられて、るパルス光源は波長が 1 μ mから 2 μ mの生体分光を行う上で重要となる近赤外域で連続的に変化する光源及び光学系に対応していな力つた。従来の光源は nsオーダのパルス幅があり、ルスが重ならな、ためにも lcm以下のキヤビティ長にして小型化することができなヽという問題があった。例えば、 5nsの場合キヤビティ長は最短でも 15cmとなる力 500fs にすると 150 /z mとなる。このようにパルス幅は微小キヤビティ化、それによる高速応答現象の観測などに非常に有効となるが、このような広帯域な波長幅、キヤビティの微小化に対応していな力つた。

[0006] また、 CRDSの高 S/N化のため特許文献 1、特許文献 5に記載の光へテロダイン検出法を用いる方法が発明されているが、超音波変調器や偏光ビームスプリッタ、波長板など波長依存性が大きぐ 1 /z m力ら 2 mのような広帯域の波長幅に対応する素子はなぐ広い波長範囲で、高い S/Nでの測定が不可能であった。

[0007] また、上記の、ずれのリングダウン分光法にぉ、ても、リングダウンパルスの減衰特性力も試料の吸収特性を求めるものである。したがって、試料の吸収特性に非線形性があると、測定値に誤差が含まれることになり、吸収率の精度が向上しないという問題がある。また、測定精度を向上させるには、リングダウンパルスの測定系において、直線性の良ヽ広、ダイナミックレンジを必要とした。

また、測定系での光減衰が存在すると、試料の吸収率は、その測定系の減衰率よりも大きな吸収率でな、と測定できなヽと、う問題がある。

そこで、本発明者らは、試料と相互作用をする光の振幅を一定値にした状態で、試料の吸収特性を測定することで測定精度を向上させたリングダウン分光ができないかを検討し、本発明を完成させた。

[0008] また、上記のいずれのリングダウン分光法においても、用いられる光はパルスレーザ光であり、試料の波長吸収特性を求めるには、レーザの波長を変化させて、リングダウン分光する必要があった。

このため、光源には、波長可変パルスレーザを用いる必要があった。

本発明者らは、波長可変パルスレーザを用いることなぐリングダウン分光ができないかを検討し、本発明を完成させた。

[0009] 本発明の目的は、上記の課題を解決するために成されたものであり、第 1の目的は、新たな構成のキヤビティリングダウン分光方法及び分光装置を実現することである。また、第 2の目的は、試料と相互作用をする光のリングダウン光の減衰がない状態に光増幅素子の増幅率を設定して、この増幅率や減衰光量から試料の吸収特性を測定できるようにすることである。

また、第 3の目的は、波長可変ノルスレーザを用いることなくリングダウを実現することである。

また、第 4の目的は、測定精度を向上させることである。

課題を解決するための手段

[0010] 請求項 1に係る発明は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバ一と、光ファイバ一と光結合しパルス光を伝搬させる第 1光伝送路と、光ファイバ一を循環又は往復移動するリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光を検出して処理する処理装置と、複数本の光路長の異なる光伝送路から成り、第 1光伝送路に対して光分岐して、その分岐点から処理装置に入力するまでの光路長を、光ファイバ一の光路長単位で、切り替え制御できる第 2光伝送路とから成ることを特徴とする分光装置である。すなわち、本発明は、各リングダウンパルスが処理装置に到達する時刻と同一時刻に、パルス光が第 2伝送路を伝送して処理装置に到達するように、複数本の光伝送路を切り替えるようにしたことが特徴である。

[0011] また、請求項 2に係る発明は、第 2光伝送路は、 1つのパルス光に対して測定すベきリングダウンノルスの数だけの光路長の異なる伝送路で構成されていることを特徴とする請求項 1に記載の分光装置である。

測定対象とする全てのリングダウンノルスに同期させるために、その数の光路長の異なる伝送路が必要となる。

また、請求項 3に係る発明は、第 2光伝送路を構成する複数の光伝送路は、それぞれ、ピエゾチューブスキャナに巻かれた光ファイバ一力成ることを特徴とする請求項

1又は請求項 2に記載の分光装置である。

ピエゾチューブスキャナに光ファイバ一を巻いて光伝送路を構成することにより、ピェゾチューブスキャナを振動させて、実効的な光路長を振動させることで、リングダウンノルスと第 2光伝送路を伝搬したパルス光とを処理装置において同期検波させることがでさる。

[0012] また、請求項 4に係る発明は、パルス光は、パルスの幅が lps以下の短パルス光であることを特徴とする請求項 1乃至請求項 3の何れか 1項に記載の分光装置である。また、パルス幅が 500fs以下の極短パルス光を用いることも有効である。

また、請求項 5に係る発明は、フェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンパルス光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とする請求項 1乃至請求項 4の何れか 1項に記載の分光装置である。

また、請求項 6に係る発明は、広帯域スーパーコンティニュアム光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とする請求項 1乃至請求項 5の何れ力 1項に記載のキヤビティリングダウン分光装置である。

[0013] 請求項 7に係る発明は、所定波長であって、各パルスの幅が lps以下の極短光パルスのパルス列である信号光と、信号光から分岐された参照光とを用い、測定中に、当該参照光の光路長を順次長くして、信号光がキヤビティを通過したリングダウン光と参照光との干渉をホモダイン検波することを特徴とするキヤビティリングダウン分光分析方法である。各パルスの幅を 500fs以下としても良い。

[0014] また、請求項 8に係る発明はフェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンパルス光発生光源による極短光パルスのパルス列を用いることを特徴とする。また、請求項 9に係る発明は、光源として、広帯域スーパーコンティ-ュアム光発生光源による極短光パルスのパルス列を用いることを特徴とする。

[0015] 請求項 10に係る発明は、所定波長であって、各パルスの幅が lps以下の極短光パルス列を発生する光源と、前記光源の出力するパルス列を 2つ経路に分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段の第 1の光出力に接続される 2つの高反射ミラーを有し、当該 2つの高反射ミラーにより形成される光路に試料を配置可能としたキヤビティと、前記光分岐手段の第 2の光出力に接続され、光路長を可変とする可変長光路部と、前記キヤビティの光出力と前記可変長光路部の光出力の干渉を電気信号として出力するホモダイン検波手段とを有することを特徴とするキヤビティリングダウン分光分析装置である。各パノレスの幅は 500fs以下であっても良い。

[0016] また、請求項 11に係る発明は、前記可変長光路部には振動可能且つその位置を可変とする可動ミラーを有することを特徴とする。

[0017] 請求項 12に記載の発明は、光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバ一に光を伝搬させて、試料の吸収特性を測定する分光方法において、光ファイバ一に光を増幅する増幅素子を設けたことを特徴とする分光方法である。

また、請求項 13に記載の発明は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定した後に、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性から試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 12に記載の分光方法である。

[0018] また、請求項 14に記載の発明は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率力試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 12に記載の分光方法である。

[0019] 上記の 3つの方法において、上記の光ファイバ一はループ状に形成して、そのループ状の光ファイバ一に光を循環させるようにしても良いし、線状に形成して、その両端面を反射面にして光を往復移動させるようにしても良ヽ。

[0020] 光には、レーザや LED光源を用いることができる。レーザには、通常の半導体レーザ、その他の固体レーザ、気体レーザなど任意のレーザを用いることができる。波長可変レーザを用いることで、試料の波長吸収特性を測定することができる。また、広帯域スーパーコンティ-ュアム光レーザを用いると、受光素子で受光したリングダウン光の波長解析により、波長吸収特性を求めることができる。

[0021] 光は連続光でも、ステップ的に減少する光、パルス光でも良、。ステップ的に減少する光は、光源自体から出力される光を遮断することで実現しても、パルス出力することで実現しても良い。また、光源から出力される光に対する光ファイバ一の光結合をステップ的に減少させる方法、パルス的に結合を増加させる方法を用いることができる。光ファイバ一の光結合をステップ的に減少させる場合には、光ファイバ一に導入される光の振幅がステップ的に減少することを意味する。

[0022] パルス的に光結合させる場合には、短いパルス期間の間だけ、光結合させることを意味する。よって、光ファイバ一に入射する光の振幅は、ステップ減少関数、又はパルス関数となる。また、光源から出力される光の偏光方向を制御することで、光フアイバーを伝搬する光をステップ減少関数、パルス関数とすることができる。ステップ的に変化させる場合は、偏波方向を急峻にある方向から他の方向に変化させることであり、ノルス的に変化させる場合は、偏波方向を急峻にある方向に変化させて、元の偏波方向や他の偏波方向に変化させることを意味する。

[0023] 本発明は、試料と相互作用をさせる光ファイバ一に光を増幅する増幅素子を挿入したことが特徴である。請求項 13の発明は、試料を設置させずに測定系での損失を増幅素子で補償した状態にして、試料を設置してリングダウン光の減衰特性力ゝら試料の吸収率を測定するようにしたことが特徴である。請求項 14の発明は、試料を設置してリングダウン光を測定して、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を設定して、その増幅率力試料の吸収率を測定するようにしたことが特徴である。

[0024] また、請求項 15に記載の発明は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料と光とを相互作用させるための光ファイバ一と、光を増幅する増幅素子と、光ファイバ一を伝搬する光の強度を検出する検出素子と、検出素子により検出された前記光の強度に応じて、増幅素子の増幅率を制御して試料の吸収特性を演算する処理装置とから成る分光装置である。

本発明は、試料と相互作用させる光ファイバ一に光を増幅する増幅素子を設けて、その光ファイバ一を伝搬する光の強度に応じて、増幅素子の増幅率を設定して試料の吸収特性を測定するようにしたことが特徴である。

[0025] また、請求項 16に記載の発明は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定し、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性から試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置である。請求項 13の方法発明に対応する。

[0026] また、請求項 17に記載の発明は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、処理装置は、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を設定して、その増幅率から試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置である。請求項 14の方法発明に対応する。

[0027] また、請求項 18に記載の発明は、光は連続光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を光の振幅が所定値となるように制御し、この増幅率から試料の吸収特性を測定すること又はループ状の光ファイバキヤビティ内の損失を 0にしてから、試料を設置し、その減衰光量から吸収特性を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置である。

[0028] 光を連続光としても、試料の吸収特性を求めることができる。光ファイバ一を循環又は往復移動する光の振幅は、光の光ファイバ一への入射量と、試料の吸収による損失量とその他の光ファイバ一系の損失量とが、平衡状態になる値に収束する。試料が存在しなければその試料による吸収がないので、光ファイバ一を伝搬する光の振幅は、試料が存在する場合に比べて増加する。したがって、この差を用いて、光ファィバーを伝搬する光の振幅が所定値となるように、増幅率を制御することで、この増幅率力も試料の吸収特性を測定することができる。

同様に、試料が存在しないとき、光ファイバ一系の損失量が 0となるよう光の増幅量を設定しておき、試料が存在する場合の減衰光量から吸収特性を測定することができる。

[0029] 請求項 19に記載の発明は、光吸収特性を測定すべき試料と相互作用する光フアイバーにパルスレーザ光を導き、試料の光吸収によるリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光の減衰特性カゝら試料の吸収特性を測定することを特徴とする分光方法において、パルスレーザ光をスペクトルが広いレーザ光とし、光ファィバーを強分散光ファイバ一とし、リングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数カゝら波長吸収特性を測定することを特徴とする分光方法である。

上記の光ファイバ一はループ状に形成して、そのループ状の光ファイバ一に光を循環させるようにしても良いし、線状に形成して、その両端面を反射面にして光を往復移動させるようにしても良、。

[0030] レーザ光には、例えば、広帯域スーパーコンティニュームレーザ光を用いるのが良い。励起光源には、通常の半導体レーザ、その他の固体レーザ、気体レーザなど任意のレーザを用いることができる。本発明は、スペクトルが広いレーザ光を用い、強分散の光ファイバ一を用いて波長毎に位相速度が変化することを利用して、波長毎にリングダウンパルスの周期が異なることを利用したものである。広帯域スーパーコンティニュームレーザ光は、次のように得られる。長さ 5m程度の分散シフト高非線形フアイバーに超短パルス幅（例えば、ソリトン波レーザ光）レーザ光を入射させると、 1. 25 m〜l . 95 mの範囲で連続スペクトルを有した広帯域スーパーコンティ-ユームレ一ザ光が得られる。また、 200mの分散シフト高非線形ファイバーを用いると、 1. Ο μ mから 2. 2 μ mの範囲で連続スペクトルを有した広帯域スーパーコンティ-ユームレ一ザ光が得られる（西澤典彦、後藤俊夫，固体物理 Vol.39 Νο.10,(2004),ρρ665-678

) o

[0031] また、請求項 20に記載の発明は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料にレーザパルス光を導く強分散の光ファイバ一と、スペクトル幅の広ヽレーザパルス光を発生するレーザ装置と、光ファイバ一を循環又は往復移動するリングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、外部に出力し、このリングダウンパルス光の減衰特性にぉ、て、波長に対応した時刻列におけるノルス列のリングダウン減衰定数カゝら波長吸収特性を得る処理装置とを有することを特徴とする分光装置である。

レーザ光には、上記と同様に、例えば、広帯域スーパーコンティニュームレーザ光を用いるのが良い。

[0032] また、請求項 21に記載の発明は、光ファイバ一に光結合する第 1光伝送路と、その第 1光伝送路を光ファイバ一に光結合させる方向性光結合素子とを有し、その第 1光伝送路の一端にレーザ装置、他端にリングダウンパルス光を受光する処理装置の受光素子を設けたことを特徴とする請求項 20に記載の分光装置である。

[0033] また、請求項 22に記載の発明は、光ファイバ一において方向性光結合素子と異なる位置に配設された他の光結合素子により、リングダウンパルス光を第 1光伝送路と異なる第 2光伝送路に出力させ、この第 2光伝送路に処理装置の受光素子を接続したことを特徴とする請求項 20に記載の分光装置である。

この発明は、レーザ光の導入系統と、リングダウンパルス光の導出系統を別の系統にしたことを特徴とする。

発明の効果

[0034] 請求項 1の発明では、第 1光伝送路を伝搬するパルス光は一部分岐して、光フアイバーに入力する。この光ファイバ一において、試料による光吸収により、パルス光は順次減衰して、リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンパルス光は、光ファィバ一力順次、外部に出力されて、処理装置に入力する。一方、第 1光伝送路を伝搬するパルス光は、分岐した後、第 2光伝送路のうちの選択された一つの光伝送路を伝搬して処理装置に入力する。この時、処理装置においては、あるリングダウンパルス光と、元のパルス光とが同時に到達するようになる。これにより、リングダウンパルス光の同期検波が可能となる。第 2光伝送路を構成する光伝送路を変更すれば、その光伝送路の光路長に対応した時間だけ周回したリングダウンパルス光と元のパルス光とは同時に処理装置に入力し、そのリングダウンパルス光の同期検波が可能となる。

[0035] 請求項 2の発明では、第 2光伝送路を構成する各伝送路を、パルス光に同期して、順次、選択することにより、所定数のリングダウンパルス光を同期検波することができる。

請求項 3の発明では、第 2光伝送路を構成する光伝送路をピエゾチューブスキャナに卷かれた光ファイバ一で構成することで、ピエゾチューブスキャナを拡大縮小させて光ファイバ一を伸縮させて、電気的に光路長を変化させることができる。ピエゾチューブスキャナを電気的に径の大きさを振動させることにより、光路長をある長さを中心として、ある幅で振動させることができる。そして、その光路長の振動幅の中に、処理装置に到達するリングダウンパルス光と、元のパルス光とを同時に到達させるための光路長を存在させることができる。

[0036] 請求項 4の発明では、パルス光のパルス幅が lps以下の短パルス光を用いると、光ファイバ一長が短くても、同期検波による高感度のキヤビティリングダウン分光が可能となる。 500fs以下の極短パルス光を用いると更に望ましい。また、同期検波するパルスの幅が狭いことから、測定精度が向上し、装置の小型化も可能となる。このような系は、特に微量分析、例えば薄膜の定性及び定量分析、表面吸着の化学種の同定等に有効である。

請求項 5の発明も、請求項 4の発明と同様な効果を有する。

また、請求項 6の発明では、処理装置において波長分析することにより、試料の波長吸収特性を測定することができる。

[0037] パルス幅が lps以下の極短光パルスを用いると、キヤビティ長が極めて短いキヤビティにおいても、ホモダイン検波による高感度のキヤビティリングダウン分光分析が可能となる。このような系は、特に微量分析、例えば薄膜の定性及び定量分析、表面吸着の化学種の同定等に有効である（請求項 7〜11)。パルス幅が 500fs以下であつても良い。

[0038] 光パルス列を 2系統の光路に分岐し、一方をキヤビティに導き、他方を光路長を可変とする可動ミラーを有する光路に導き、当該可変光路長の光路の光パルス列とキャビティによるリングダウン光のパルス列の干渉をホモダイン検波する。可変側の光路長を順次長くし、リングダウン光の光路長と一致するパルスが存在するようにすることで、複数のパルスから、リングダウン光の強度を順に検出することができる。可動ミラ一を振動可能として、その上で可動ミラーを移動させれば、「リングダウン光の光路長と一致する」タイミングを多数設けることができ、初期調整が容易で、確実に各リングダウン光をホモダイン検波することが可能となる。

[0039] 請求項 12の方法発明及び請求項 15の装置発明では、試料に光を導く光ファイバ一に光を増幅する増幅素子を設けている。したがって、測定系の損失や試料の損失を補償した状態で試料の吸収率を測定することができる。したがって、精度の高い測定が可能となる。

[0040] また、請求項 13の方法発明及び請求項 16の装置発明では、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光としている。したがって、この光のリングダウン光の減衰特性を測定に用いることができる。増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定することにより、測定系の損失を補償し、その補償状態で試料の吸収率を測定して、るので、試料の吸収率の測定精度が向上する。すなわち、本発明では、まず、測定系の損失を補償した状態にして、試料のみの吸収力ゝら生じるリングダウン光の減衰特性を測定して、その減衰特性から試料の吸収特性を測定するものである。

[0041] また、請求項 14の方法発明及び請求項 17の装置発明では、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しな!、ように増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率力も試料の吸収率を測定することを特徴とする。

すなわち、試料の光吸収により光はリングダウンする力このリングダウンを生じないように増幅素子の増幅率をフィードバック制御し、この増幅率から試料の吸収係数を測定するものである。したがって、試料と相互作用する光は、常に、一定の振幅となるので、所定の光強度における吸収特性を求めることができる。すなわち、吸収特性の非線形特性を測定することができる。また、光の振幅を一定としていることから、測定値に誤差が少なぐ測定精度が向上する。

[0042] また、請求項 18に記載の発明は、光は連続光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を光の振幅が所定値となるように制御し、この増幅率又はリングダウン光の減衰光量から試料の吸収特性を測定している。この場合においても、測定系の損失を補償したり、試料の吸収率を光の強度を一定にして測定することが可能となり、測定精度が向上する。

[0043] 請求項 19の方法発明及び請求項 20の装置発明では、スペクトル幅が広いレーザ光を用い、光ファイバ一に強分散ファイバーを用いている。強分散光ファイバ一は、波長毎に位相速度が変化するので、リングダウンパルス光の周期が波長毎に変化することになる。したがって、リングダウンノルス光は、リングダウン回数が多くなるほど、光ファイバ一を伝搬する距離が長くなるので、パルスレーザ光の時間幅は広がる。このリングダウンパルス光列の減衰特性から、波長に対応した時刻列に対応するパルス列のリングダウン減衰係数を求め、各波長での減衰係数を求めることができる。これにより、一度に、波長吸収特性を得ることができ、試料の同定分析が可能となる。

[0044] 請求項 21の装置発明では、一つの方向性光結合素子により、光ファイバ一へのパルスレーザ光の入射と、リングダウンパルスの光ファイバ一からの取り出しを実現したものである。よって、装置構成が簡単となる。

[0045] 請求項 22の装置発明では、光ファイバ一へのパルスレーザ光の入射と、リングダウンパルスの取り出しを、別々の方向性光結合素子で行うようにしているので、レーザ装置から出力されるノルスレーザ光が受光素子に入射することがないので、リングダゥンノルスの精度の高い検出が可能となる。

図面の簡単な説明

[0046] [図 1.A]本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第 1のグラフ図。

[図 1.B]本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第 2のグラフ図。

[図 1.C]本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第 3のグラフ図。

[図 1.D]本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第 4のグラフ図。

[図 1.E]本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第 5のグラフ図。

[図 2]本発明の具体的な一実施例に係るリングダウン分光装置の構成を示すブロック図。

[図 3]本発明の具体的な実施例 2に係るリングダウン分光装置の構成を示すブロック図。 [図 4]実施例 2の分光装置を用いて、遅延路を 3m、 30mとして、空気とメタノールの吸収率を測定した時の干渉波形を示す測定図。

圆 5]実施例 2の分光装置によりメタノールの吸収率を、濃度変化させて測定した時の吸収率のメタノール濃度に対する特性を示した測定図。

圆 6]本発明の具体的な実施例 3に係るキヤビティリングダウン分光分析装置 300の構成を示すブロック図。

圆 7]キヤビティ領域に試料を表面に付着させた基板を配置する 3つの方法を示す構成図。

[図 8]図 6に示す実施例 3の装置によって得られたレーザの干渉波形を示す特性図。

[図 9]実施例 3の装置において用いられるスーパーコンティ-ユーム光のスペクトルを示した特性図。

[図 10]実施例 3の装置において図 9に示すスペクトルを有するスーパーコンティ-ュ一ム光を用いた場合のレーザの干渉波形を示した特性図。

圆 11]本発明の具体的な実施例 4に係る装置を示した構成図。

圆 12]本発明の具体的な実施例 5に係る装置を示した構成図。

[図 13]実施例 5の装置において用いられた半導体光増幅器の電源への注入電流を変化させたときの半導体光増幅器の増幅率を計測した結果を示す特性図。

[図 14.A]実施例 5の装置にぉ、て半導体光増幅器を用いな、場合に、長、光遅延光路を用いることのできない理由を説明した特性図。

[図 14.B]実施例 5の装置において半導体光増幅器を挿入して光を増幅することで、光遅延光路長に対する干渉強度が改善されることを示した特性図。

[図 14.C]実施例 5の装置において半導体光増幅器を挿入して光を増幅することにより、吸収係数の測定精度を向上させるために使用可能な光遅延光路長が拡大できることを示した説明図。

圆 15]本発明の具体的な実施例 6に係る装置を示した構成図。

[図 16]実施例 6の装置によって得られたレーザの干渉波形を示す特性図。（a)は試料による吸収がない場合を示し、 (b)は試料による吸収が存在する場合を示す。圆 17]本発明の具体的な実施例 7に係る装置を示した構成図。 [図 18]本発明の具体的な実施例 8に係る装置を示した構成図。

[図 19]本発明の具体的な実施例 9に係る装置を示した構成図。

[図 20]本発明の具体的な実施例 12に係る装置を示した構成図。

[図 21]実施例 12の装置における動作を説明するためのリングダウンパルス波形を示した波形図。

[図 22]強分散特性を有した光ファイバ一における波長と伝搬遅延時間との関係を示した特'性図。

[図 23]本発明の具体的な実施例 13に係る装置を示した構成図。

[図 24]本発明の具体的な実施例 14に係る装置を示した構成図。

符号の説明

1：波長可変フェムト秒ソリトンノルス光源

2:lZ2波長板

3a:球レンズ

4:第 1光伝送路

5:光切換器

6:光ファイバ一

7:光増幅器

8:光方向性結合器

12:第 1光スィッチ素子

13:第 2光スィッチ素子

15：ピエゾチューブスキャナー

20:第 2光伝送路

200, 201, ···, 20η…第 2光伝送路の構成する光伝送路

30:ファイバカプラ

40:ホモダイン検波器

50:処理装置

301：波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源

302:1Ζ2波長板 303a, 303b:球レンズ

304:偏波保持ファイバ

305 :ビームスプリッタ

306 :偏光ビームスプリッタ

307: 1Z4波長板

308 :ガノレバノミラー

311、 312:高反射ミラー

321、 322:両凸レンズ

330:ファイバカプラ

331、 332、 331 '、 332'：光ファイノ

340:バランス型検出器

350 :AZD変換及びデジタル処理装置

410, 490…光ファイバ一

421…第 2偏光子

422…第 1偏光子

423…ファラデー回転子

412…第 1光伝送路

413…第 2光伝送路

415…光増幅素子

436， 437…方向性光結合素子

510, 590···光ファイノ一

521…第 2偏光子

522…第 1偏光子

523…ファラデー回転子

512…第 1光伝送路

513…第 2光伝送路

536, 537…方向性光結合素子発明を実施するための最良の形態 [0048] 以下、本発明の具体例を図面を参照しながら説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。まず、本願実施例における同期検波について説明する。

[0049] 実施の形態 1

まず、ループ状の光ファイバ一にノルス光が循環される。この光ファイバ一と試料とが相互作用し、試料による光吸収によりパルス光が順次、減衰し、リングダウンパルス光 (パルス列）が得られ、このリングダウンパルス光が外部の処理装置に入力される。ループ状の光ファイバ一の光路長を Lとおくと、各リングダウンパルス光の光路長の差は、 Lとなり、光の速度を cとおけば隣り合うリングダウンパルス光との時間間隔は L Zcとなる。即ち、図 1. Aに示す通り、処理装置に入力するパルス光は、光ファイバ一を循環せずに、直接、入射する透過光 S

1、 S

2、 S がある。また、処理装置 3、 S、…

4

には、透過光 Sの

1 時間 LZc後には、ループ状の光ファイバ一を一巡して光出力される 1回リングダウンパノレス光 L 力更に、そのパノレス光 L の時間 LZc後には、光ファ

11 11

ィバーを 2巡して光出力される 2回リングダウンパルス光 L 力順次、入力する。この

12

ように、時間 LZc間隔でリングダウンパルス光が、光ファイバ一力も順次、出力されて、処理装置に、順次、入力される。これは透過光 S、 S、 S及びそれらのリングダウン

2 3 4

パルス光についても同様であり、光ファイバ一の光路長 Lとパルス間隔 Tを調整する

P

ことで、 1つの透過光に続くリングダウンパルス光の組力次の透過光とは重ならないようにすることは容易である。以下、透過光 (試料による吸収がないパルス光）とリングダウンパルス光とを信号光と言う。

[0050] 一方、ループ状の光ファイバ一とは別の経路である第 2光伝送路を、パルス光は伝搬して処理装置に入力する。このパルス光を、以下、参照光 (reference )と言う。この参照光を用いて透過光を含むリングダウンパルス光が同期検波される。具体例としては、ホモダイン検波、差動検波など、信号光と参照光との相関に基づく検波方式を用いることができる。今、参照光の伝搬経路の光路長を、透過光の伝搬経路の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と透過光の同期検波は、透過光の振幅と参照光の振幅との積を振幅とするパルスとなる。この時の検波出力を Aとおく。次に、参照光の伝搬経路の光路長を 1回リングダウン光の伝搬経路の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光の同期検波は、参照光と信号光との積、すなわち、参照光の振幅が信号光の振幅で変調されたパルスとなる。この時の、検波出力は o; A (0 < α < 1)となる。以下同様に、参照光の光路長を η回リングダウンパルス光の光路長と完全に一致させたとすると、検波出力は α ^ηΑ (0< α < 1)となる。

[0051] しかし、参照光の伝搬経路の光路長を、透過光及び各回リングダウンパルス光の伝搬経路の光路長に完全に一致させることは必ずしも容易ではない。これはパルス幅の短い信号光を用いることから来る困難性ではある。そこで、参照光の伝搬経路に、その光路長を基準光路長に対して振動的に変化可能とするピエゾチューブスキャナに巻かれた光ファイバ一などのような光伝送路を設ける。すると、ピエゾチューブスキャナの振動により、参照光の隣り合うパルスは異なる光路長を経由することとなり、参照光のパルス間隔は、基準光路長でのパルス間隔に対して、光路長が長くなる方向に変動する過程では、パルス間隔は長くなり、逆に、光路長が短くなる方向に変動する過程では、パルス間隔は短くなる。この時、この光路長の振動振幅 aを、光ファイバ一の光路長 Lよりも短くすると、隣り合うリングダウンパルス光との時間間隔 LZcよりも、参照光のパルス間隔の変化によるパルス光の処理装置への入力時刻の変化 aZc を小さくすることができる。このようにして、所望のパルス周波数 (パルス間隔）を有する信号光を分岐した参照光の伝搬経路の光路長を、基準光路長に対して振動させることで、参照光の光路長を、透過光及び各回リングダウンパルス光の伝搬経路の光路長にほとんど完全に一致させることが容易に達成できる。

[0052] 図 1. B以下において、具体的な数値を例示して、本願実施例における 2つのパルス列の同期検波について説明する。信号光を、パルスが幅 100fs (l X 10— ¹³秒）、パルス間隔が 2 X 10— ⁸秒 (パルス周波数 50MHz)のパルス光とし、参照光が伝搬する第 2光伝送路のピエゾチューブスキャナーの振動周波数を 80Hzとする。また、第 2光伝送路の基準光路長において、参照光の光路長は信号光の光路長と一致するものとする。また、第 2光伝送路の振動振幅は、光路長にして ± 2mm振動するものとする

[0053] 光路長 Xの時間関数は、 x= 2sinl60 7u t+xとおける。 xは基準光路長である。

0 0

光路長の変化速度 v (mmZ秒）は、 v= 320 7u cosl60 7u tとなり、単振動の中心付近で考えると、 t = 0では v= 1000mmZ秒である。すると参照光のパルス間隔 2 X 1 0— ⁸秒の間に、光路長は 2 X 10— だけ変化する。これは第 2光伝送路を伝搬する参照光のパルス間隔が、 6. 67 X 10— ¹⁷秒長く又は短くなることを意味する。

[0054] すると、例えば、処理装置において、信号光と第 2光伝送路を通過した参照光とで、第 0番目のパルスが図 1. Bのように丁度パルス幅の 1 X 10— ¹³秒だけズレており、参照光のパルスの時刻の方が早ぐ参照光のパルス間隔が信号光のパルス間隔よりも 6. 67 X 10— ¹⁷禾少長!ヽとすると、 1 X 10— ¹³禾少 ÷ 6. 67 X 10— ¹⁷禾少 = 1500であるので、 15 00ノルス目で参照光のパルスと信号光のパルスが一致し、 3000ノレス目では信号光と参照光とで、丁度パルス幅の 1 X 10— ¹³秒だけズレ、参照光のパルスの時刻の方が遅くなる。信号光のパルス間隔は 2 X 10— ⁸秒であるので、第 0パルスと第 3000パルスの時間間隔は 6 X 10— ⁵秒である。なお、この間の光路長の長さの変化は 60 μ mである。

[0055] このような信号光と参照光とを干渉させて同期検波すると、図 1. Cのような出力が得られる。図 1. Bの状態の 3000パルスの間は信号光と参照光とに干渉が生じ、第 0 パルスで丁度 0、第 1500パルスで最大、第 3000パルスで丁度 0となるので、この間は図 1. Cの包絡線（点線で示した）の下側に 2999本のピークが得られる。この包絡線とその下側の 2999本のピークは、 6 X 10—⁵秒の間存在し、第 2光伝送路の光路長が元の長さに戻る 0. 025秒後までは存在しない。即ち、包絡線とその下側の 3000 本のピークは、 0. 025秒間隔で 6 X 10— ⁵秒の間存在し、それ以外の時刻では存在しない。

[0056] これを「巨視的」に見ると、幅 6 X 10— ⁵秒の極めて鋭いピークが 0. 0125秒間隔で生じることになる（図 1. D)。以上は、パルスの波形が図 1. Bのような方形波状でなくても、また、単振動の中心力も可なり広い範囲においても同様に言える。

また、図 1. Bの第 1500パルスと前後のパルスの干渉の差については、例えば 1. 6 3 /z mの波長では 1パルスに 18. 4波存在し、 2 π Z80の位相差と小さい。すると包絡線のピーク付近の複数組の信号光と参照光の干渉は、包絡線のピークの強度に略等しい強度を生じるので、信号光と参照光とで、パルスの位相が完全に一致するように調整する必要もない。また、第 2光伝送路を構成する各光伝送路の基準光路長を各リングダウンパルス光の光路長に正確に一致させる必要はなぐ両者には、およそ光路長の振動幅（上記例では、 ± 2mm)以下の誤差があっても良い。すなわち、光路長が振動する範囲において、リングダウンパルス光の光路長と参照光の光路長とが一致すれば良い。

[0057] したがって、第 2光伝送路の第 0番目の光伝送路の基準光路長は、図 1. Aの透過光 S、 S、 S、 S、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致さ

1 2 3 4

せれば良い。同様に、第 2光伝送路の第 1番目の光伝送路の基準光路長は、図 1. Aの 1回リングダウンパルス光 L 、…の光路長に対して、光路長の振動

11、L

21、L

31、L

41

振幅分の誤差をもって一致させれば良い。同様に、第 2光伝送路の第 2番目の光伝送路の基準光路長は、図 1. Aの 2回リングダウンパルス光 L

12、L

22、L

32、L 、…の光 42 路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させれば良い。同様に、第

2光伝送路の第 n番目の光伝送路の基準光路長は、図 1. Aの n回リングダウン光 L

In

、L

2n、L

3n、L 、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させ 4n

れば良い。このように第 2光伝送路を構成する各光伝送路の光路長を設計すると、図 1. Eのように、透過光と第 0番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、 1回リングダウンパルス光と第 1番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、 2回リングダウンパルス光と第 2番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、 · ··、 n回リングダウンパルス光との第 n番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波は、それぞれ、複数個の幅 6 X 10— ⁵秒の極めて鋭いパルス群となる。

実施例 1

[0058] 図 2は本発明の具体的な一実施例に係るループ状の長さ 150m位の光ファイバ一を用、たリングダウン分光装置 100の構成を示すブロック図である。分光装置 100は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源 1、 1Z2波長板 2、球レンズ 3a、光ファイバから成る第 1光伝送路 4を有している。この第 1光伝送路 4は、光切換スィッチ 5を介して、ループ状の光ファイバ一 6と結合している。ループ状の光ファイバ一 6には、光ファィバー 6を伝搬するノルス光と相互作用をする試料 10が結合している。また、この光ファイバー 6には、試料 10の光吸収によるリングダウンパルス光の減衰定数を適性にするために、光増幅器 7が設けられている。この光増幅器 7は、なくとも良いが、これを用いて、リングダウンパルス光を適性に増幅することで、精度及び感度の高い試料の光吸収特性を測定することが可能となる。第 1光伝送路 4はファイバーカップラ 30を介して、ホモダイン検波器 40に接続されている。ホモダイン検波器 40の出力する同期検波信号（図 1. E)は、デジタル処理装置 50により AZD変換されて、リングダウンパルス光の減衰定数が演算されて、試料の吸収特性が測定される。

[0059] 一方、第 1光伝送路 4には、光方向性結合器 8が設けられており、その分岐端子には、第 1光スィッチ素子 12が接続されている。第 1光スィッチ素子 12は、第 1光伝送路 4から分岐されるパルス光を n+ 1本の基準光路長が異なる光伝送路に選択的に分岐させる素子である。 n+ 1本のピエゾチューブスキャナー 15に巻かれた光フアイバーから成る光伝送路 200, 201, 202, · ··, 20ηが設けられており、これらは電気信号によるピエゾ効果により実効的に光路長が変化する伝送路である。具体的には、振幅を 2mmとした。これらの n+ 1本の光伝送路の集合が第 2光伝送路 20である。これらの第 2光伝送路 20のそれぞれは、第 2光スィッチ素子 13を介してファイバーカツプラー 30に入力している。

[0060] 波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源 1としては、 Erドープファイバを用いたフェムト秒パルスレーザを使用する。パルス幅は 10〜500fsが好ましい。本実施例ではパルス幅を 100fs、パルス間隔を 20ns (パルス周波数 50MHz)とした。また、波長としては 1630nmの光ソリトンを用いた。もちろん lps程度のパルス光であっても良い。

[0061] 光伝送路 200, 201, · ··, 20ηの各基準光路長は、光方向性結合器 8とファイバーカップラー 30間の第 1光伝送路 4の実効的な光路長 L +Lとし、光ファイバ

1 2 一 6の一周の長さを Lすると、 L +L +nL (n=0, 1, 2· ··)に設定されている。すなわち、隣

1 2

接する伝送路の基準光路長は、光ファイバ一 6の一周の長さ Lだけ異なっている。

[0062] 以上説明した図 2の構成で、透過光の検波する場合に、第 1光スィッチ素子 12と第 2光スィッチ素子 13と切換制御して、第 0番目の光伝送路 200を選択する。 1回リングダウンパルス光を同期検波する場合には、第 1番目の光伝送路 201を選択する。同様に、 n回リングダウンパルス光を同期検波する場合には、第 n番目の光伝送路 20η を選択する。このように各光伝送路を切換制御して、且つ、各光伝送路の光路長を実効的に振動させることで、図 1. Εのような同期検波波形を得ることができる。そして、その同期検波波形から各組の強度比を算出する。そして、各リングダウン回数に対する振幅の減衰特性から減衰定数が測定される。本実施例はホモダイン検波と同様の原理により高感度検出することが可能である。実際、 ATR法に比して 500倍の感度 (最低検出量が 1Z500)を得ることができた。

[0063] 〔変形例〕

上記実施例では、第 1光伝送路 4を光ファイバ一 6へのパルス光の入射用の伝送路と、光ファイバ一 6からリングダウンパルス光を取り出す出力用の伝送路と共用させている。しかし、出力用の光伝送路を別に設けて、光ファイバ一 6の光切換スィッチ 5との位置とは別の位置で光方向性結合器を介して、この出力用の光伝送路に、リングダウンパルス光を出力させるようにしても良い。この出力用の光伝送路と、第 2光伝送路 20は、共に、ホモダイン検波器 40に入力する力このホモダイン検波器 40までのリングダウンパルス光の光路長と、第 2光伝送路 20を伝搬する参照光の光路長とが上記した関係になるように設定すれば良、。

[0064] 上記実施例では、光ファイバ一 6をループ状に構成しているが、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバ一を光切換スィッチ 5により第 1光伝送路 4と結合させる。そして、光ファイバ一の両端を鏡面として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバ一を往復進行するリングダウンパルス光を外部に出力して、そのパルス光の光路長と、光路長が実効的に等しい第 2光伝送路を伝搬する参照光との間で、同期検波するようにしても良い原理は、上記と同様である。

[0065] また、本発明では、光ファイバ一 6の長さを長くすることで、パルス光のパルス幅をそれほど狭くすることはない。

本発明を適用する光源としては、スーパーコンティ-ュアム光源を用いても良い。ス一パーコンティニューム光源力も特定波長の情報を得るには、各干渉波形 (パルス）を高速フーリエ変換し、各パルスの特定波長の強度を求め、それらの減衰時定数から求めればよい。

実施例 2 [0066] 実施例 2の装置を図 3に示す。実施例 1の装置を示す図 2における素子と同一機能を有する素子には、同一符号を付した。波長 1.55 mの fsレーザ光源 1を用い、図 2 の光ファイバ一 6に相当するループ状の光ファイバ（キヤビティに相当）の長さを 3mとした。 fsレーザ光源 1からのレーザは、光方向性結合器 8により第 1光伝送路 4と光フアイバ遅延線路 210— 213側へとに分岐される。光ファイバ遅延線路側に分岐されたレーザは光方向性結合器 54を介して微小幅だけ変位する駆動ミラー 53に入力し、そのミラー 53で反射したレーザが光方向性結合器 54を介して、光ファイバ遅延線路 210— 213に入射する。駆動ミラー 53は、実施例 1のピエゾチューブスキャナー 1 5と同一機能を有しており、レーザの光路長を微小幅で振動させる。光ファイバ遅延線路 210— 213ίま、それぞれ、 3、 30, 60、 180mの光路長を持つファイノく力ら構成されている。光スィッチ 12、 13で切り替えて、任意の一つの光ファイバ遅延線路が選択されるようになつている。光ファイバ遅延線路 210〜213を伝搬したレーザと、光フアイバ 6から出力されるリングダウン光との干渉波形は、ノンス型ホモダイン検波器 40で検出される。図 2ではループ状の光ファイバ 6への結合に光スィッチ 5を用いていたが、本実施例では、可変レシオ力ブラ 51を用いた。試料測定用のヘッド部 52には光ファイバコア近くまで研磨して作製した物を用いた。このヘッド 52は光ファイバ 6 内を伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光と試料とが相互作用することで、試料の吸収測定を可能とする。

[0067] 図 4に 3mの光ファイバ遅延線路と 30mの光ファイバ遅延線路における干渉波形を示す。試料には純水とメタノールを用いた。 3m、 30mでもメタノールの方が干渉強度が低くなり、純水より大きな吸収があることが分かる。光ファイバ遅延線路を 30mとして、メタノール濃度を変化させて干渉強度を力導出された吸収率の変化を図 5に示す。試料のメタノールはヘッド部 52に 10 L滴下して測定した。ここで用いたヘッド部 52の実効光路長は約 lmmであったので計算からはメタノールのような吸収係数が 2cm"¹ (波長 1.55 μ mにおいて）と比較的大きい試料の場合、 21Lの極微量の試料で十分な測定が可能であることが分力る。

[0068] また、メタノールは吸収係数が比較的大きいため、キヤビティに相当する光ファイバの 10倍の光路長である 30mの光ファイバ遅延線路でも大きな吸収係数が測定できた。メタノールの場合、計算からは約 2kmの光ファイバ遅延線路で 3ppm、 2fLのエタノールの測定が可能となる。

[0069] さらに吸収係数が小さな試料の場合も大きな吸光度が観測されないため、感度を上げるためにさらに長い光ファイバ遅延線路での測定が必要となる。

このような測定を光路長が異なる光ファイバ遅延線路を切り替えて測定することにより、濃度の高い試料力非常に濃度の小さい試料まで測定が可能となり、波長可変ソリトンノルス光源を用いれば吸収係数の測定が約 1 /z m力も約 2 mの波長範囲にわたって測定が可能となる。

[0070] 実施の形態 2

キヤビティを形成する 2つのミラー間の光路を Lとおくと、ノレス状の各リングダウン光は光路長の差が 2Lとなり、光の速度を cとおけば隣り合うリングダウン光との時間間隔は 2LZcである。即ち、図 1. Aに示す通り、キヤビティから出力される光パルスは、ミラー間で反射されない透過光 S、 S、 S、 S、…がある。また、透過光 Sの時間 2L

1 2 3 4 1

Zc後には、 2つのミラーで 1度ずつ反射されて光出力される 1回リングダウン光 L が

11

、更にその時間 2LZc後には、 2つのミラーで 2度ずつ反射されて光出力される 2回リングダウン光 L 力と順に、時間 2LZc間隔でリングダウン光が出力される。これは

12

透過光 S、 S、 Sについても同様であり、 2つのミラー間の光路 Lとパルス間隔 Tを調

2 3 4 p 整することで、 1つの透過光に続くリングダウン光の組力次の透過光とは重ならないようにすることは容易である。

[0071] 一方、別経路を経由して参照光 (reference)力信号光であるリングダウン光の組を従えた透過光のパルスとホモダイン検波される。今、参照光の光路長を透過光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、参照光のパルスと同一となる。この時の検波出力を Aとおく。次に、参照光の光路長を 1回リングダウン光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、また参照光のパルスと同一となる。この時の、検波出力は α Α (0く αく 1)となる。以下同様に、参照光の光路長を η回リングダウン光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、また参照光のパルスと同一となって、検波出力は ο; ^ηΑ (0< _αく 1)となる。 [0072] しかし、参照光の光路長を、透過光、各回リングダウン光の光路長に完全に一致させることは必ずしも容易ではな、。これはパルス幅の短、信号光を用いることから来る困難性ではある。そこで、参照光の光路に振動可能な可動ミラーを設ける。すると、可動ミラーの振動により、参照光の隣り合うパルスは異なる光路長を経由することとなり、ミラーにより反射された参照光のパルス間隔は、反射前よりも長く又は短くなる。この時、この可動ミラーの振幅 aを、キヤビティを形成する 2つのミラー間の光路よりも短くすると、隣り合うリングダウン光との時間間隔 2LZcよりも、参照光のパルス間隔の変化によるパルスの時刻の変化 2aZcを小さくすることができる。こうして、所望のパルス周波数 (パルス間隔)を有する信号光を分岐した参照光の光路長を、振動可能な可動ミラーにより振動させることで、参照光の光路長を、透過光、各回リングダウン光の光路長にほとんど完全に一致させることが容易に達成できる。

[0073] 本実施の形態においても、原理は実施の形態 1で示したのと同様に、図 1. B以下において、具体的な数値を例示して、本願実施例における 2つのパルス列の干渉にっヽて説明する。信号光を、パルスが幅 lOOfs (1 X 10— ¹³秒）、パルス間隔が 2 X 10— ⁸ 秒 (パルス周波数 50MHz)とし、参照光の途中に置いた振動可能なミラーの振動周波数を 20Hzとおく。また、当該ミラーの振動中心において、参照光の光路長は信号光の光路長と一致するものとする。またミラーはその位置から ±4mm振動するものとする。

[0074] ミラーの位置を振動中心を時刻 t秒においてとして X (mm)とし、 t=0で x=0とすると、 x = 4sin40 7c tとおける。ミラーの速度 v (mmZ秒）は、 v= 160 π cos40 π tとなり、 =0で = 500!111117秒。するとパルス間隔が 2 X 10— ⁸秒の参照光の 2つのパルスが到達する間にミラーは 1 X 10—⁸m移動するので、光路差は 2 X 10—⁸mとなる。これはミラーで反射された参照光のパルス間隔が、反射前に比べて 6. 67 X 10— ¹⁷秒長く又は短くなることを意味する。

[0075] すると、例えば、信号光と反射後の参照光とで、第 0番目のパルスが図 1. Bのように丁度パルス幅の 1 X 10— ¹³秒だけズレており、反射後の参照光側のパルスの時刻の方が早ぐ反射後の参照光側のパルス間隔が信号光のパルス間隔よりも 6. 67 X 10"¹⁷ 禾少長ヽとすると、 1 X 10 ¹³禾少 ÷ 6. 67 X 10 ¹⁷禾少 = 1500であるので、 1500ノレス目で反射後の参照光側のパルスと信号光のパルスが一致し、 3000パルス目では信号光と反射後の参照光とで、丁度パルス幅の 1 X 10— ¹³秒だけズレ、反射後の参照光側のパルスの時刻の方が遅くなる。信号光のパルス間隔は 2 X 10— ⁸秒であるので、第 0 パルスと第 3000パルスの時間間隔は 6 X 10— ⁵秒である。

[0076] このような信号光と反射後の参照光とを干渉させてホモダイン検波すると、図 1. C のような出力が得られる。図 1. Bの状態の 3000パルスの間は信号光と反射後の参照光とに干渉が生じ、第 0パルスで丁度 0、第 1500パルスで最大、第 3000パルスで丁度 0なので、この間は図 1. Cの包絡線（点線で示した）の下側に 2999本のピークが得られる。この包絡線とその下側の 2999本のピークは、 6 X 10— ⁵秒の間存在し、ミラーが元の位置に戻る 0. 05秒後までは存在しない。即ち、包絡線とその下側の 300 0本のピークは、 0. 05秒間隔で 6 X 10— ⁵秒の間存在し、それ以外の時刻では存在しない。

[0077] これを「巨視的」に見ると、幅 6 X 10— ⁵秒の極めて鋭いピークが 0. 05秒間隔で生じることになる（図 1. D)。以上は、パルスの波形が図 1. Bのような方形波状でなくても当然に同様に生じる。また、図 1. Bの第 1500パルスと前後のパルスの干渉の差については、例えば 1. 63 mの波長では 1パルスに 18. 4波存在し、 2 π Ζ80の位相差と小さい。すると包絡線のピーク付近の複数組の信号光と反射後の参照光の干渉は、包絡線のピークの強度に略等しい強度を生じるので、信号光と参照光の反射光とで、パルスの位相が完全に一致するように調整する必要もない。また、ミラーの振動中心の位置についても、そこで反射される参照光の光路長が、信号光の光路長と完全に一致するよう調整する必要もない。即ち、ミラーの振動する範囲に、反射される参照光の光路長として、信号光の光路長と完全に一致する位置があれば良い。よつて、ミラーの振動周波数及び振幅に対し、十分高いパルス周波数のパルス列を参照光の経路に導くことで、信号光とのホモダイン検波を容易に行うことができる。

[0078] このように、光路長がほとんど一致して、れば良!、のであるから、振動するミラーを光路の方向に移動させても、「振動中に光路長が一致」する箇所が複数箇所存在しさえすればホモダイン検波が容易にできる。すると、振動するミラーの振動中心が、図 1. Αの透過光 S、 S、 S、 S、…の光路長に参照光の光路長が一致する位置、図 1. Aの 1回リングダウン光 L 、L 、L 、L 、…の光路長に参照光の光路長が一致

11 21 31 41

する位置、図 1. Aの 2回リングダウン光 L 、L 長に参照光の光

12 22、L

32、L 、…の光路

42

路長が一致する位置、 · ··、図 1. Aの n回リングダウン光 L

In、 L

2n、 L

3n、 L 、…の光路 4n

長に参照光の光路長が一致する位置、と移動させるならば、図 1. Eのように、透過光との干渉、 1回リングダウン光との干渉、 2回リングダウン光との干渉、 · ··、 n回リングダゥン光との干渉を、各々複数個の幅 6 X 10— ⁵秒の極めて鋭いピークとして検出することがでさる。

実施例 3

[0079] 図 6は本発明の具体的な一実施例に係るキヤビティリングダウン分光分析装置 300 の構成を示すブロック図である。キヤビティリングダウン分光分析装置 300は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源 301、 1Z2波長板 302、球レンズ 303a、偏波保持ファイノく 304、球レンズ 303b、ビームスプリッタ（光分岐手段） 305、偏光ビームスプリツタ 306、 1Z4波長板 307、位置を可変とすると共に振動させるガルバノミラー 308を有する。シグナル光 (信号光）は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源 301、 1/2 波長板 302、球レンズ 303a、偏波保持ファイバ 304及び球レンズ 303bを経て、ビームスプリッタ 305からキヤビティを形成する高反射ミラー 311及び 312に導かれ、リングダウン光が両凸レンズ 321に至る。同時に、リファレンス光 (参照光）は、同様にビ一ムスプリッタ 305に達した後、偏光ビームスプリッタ 306及び 1Z4波長板 307を経て、位置を可変とすると共に振動可能なガルバノミラー 308にて反射されて、 1Z4波長板を経て偏光ビームスプリッタ 306から両凸レンズ 322に至る。両凸レンズ 321に至ったシグナル光は光ファイバ 331を介し、両凸レンズ 321に至ったレファレンス光は光ファイバ 332を介し、いずれもファイバカプラ 330に導かれ、光ファイバ 331，及び 332，を介してバランス型検出器 340 (ホモダイン検波手段）に導かれる。ノランス型検出器 340の出力する電気信号を AZD変換及びデジタル処理装置 350にて解析する。

[0080] キヤビティリングダウン分光分析装置 300の波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源 3 01としては、 Erドープファイバを用いたフェムト秒パルスレーザを使用する。パルス幅は 10〜500fsが好ましい。本実施例ではパルス幅を 100fs、パルス間隔を 20ns (パルス周波数 50MHz)とした。また、波長としては 1630nmの光ソリトンを用いた。

[0081] ガルバノミラー 308は、 20Hzにて全幅 8mm、紙面内上下方向に振動させる。その上で、ガルバノミラー 308を紙面内下方向に 300mm移動可能としている。

[0082] 高反射ミラー 311及び 312により形成されるキヤビティ領域は、キヤビティ長を 35m m、 46mmとなるようにした。高反射ミラー 311及び 312はいずれも反射率が 99. 8% 以上のものを用いた。以上の図 6の構成で図 1. Eのような波形を検出し、各組の強度比を算出する。また、信号光の透過光の出力される時刻と、各 n回リングダウン光の出力される時刻と時間差を別途計算しする。こうして、透過光と各 n回リングダウン光の時間差に対して透過光に対する各 n回リングダウン光の強度をプロットし、時定数カゝらキヤビティに配置されたサンプルの吸収係数を求めた。

[0083] 図 6の構成で得られた実際の波形データを図 8に示す。この波形は包落線を取る前の干渉波形であるが、光検出器の応答速度が 1kHzと遅いため、図 1. Eで 6 X 10— ⁵ 秒のパルス幅で示したパルス列が一つの大きな干渉パルス波形として観測されている。さらに高速応答の光検出器を用、たバランス型ホモダイン検波器を用、れば図 1 . Eのような波形で測定される。

[0084] 本実施例はホモダイン検波と同様の原理により高感度検出することが可能である。

実際、 ATR法に比して 500倍の感度 (最低検出量が 1Z500)を得ることができた。

[0085] 図 7は、キヤビティ領域に試料を表面に付着させた基板を配置する 3つの方法を示す構成図である。

第 1は、図 7. Aのように、赤外光を、試料 (Obj)を表面に付着させた基板 (Sub)をも透過させるものである。この場合、基板は使用する赤外光に対して透明度の高いものを用いることが必要であり、且つ吸収係数及び基板厚さを容易に調整できる必要がある。

第 2は、図 7. Bのように、赤外光を、試料 (Obj)を表面に付着させた基板 (Sub)との界面で反射させるものである。この場合、基板は使用する赤外光に対して反射率の高、ものを用いることが必要である。基板厚さにつ、ては調整する必要は無、。第 3は、図 7. Cのように、底面が等脚台形状の角柱型プリズム (Priz)の、等脚台形状の底面の底辺に対応する側面 Aに試料を付着させ、等脚台形状の底面の側辺に対応する側面 Bカゝら赤外光を導入して、角柱型プリズムの側面 Aと、そこに付着させた試料との界面で反射させ、側面 Bと対となる等脚台形状の底面の側辺に対応する側面 C力も透過させるものである。これは反射点近傍の試料 (Obj)によるエバネッセント波の吸収を利用するものである。尚、更には、図 3. Cにおいて、高反射ミラー 11 を側面 Bに、高反射ミラー 312を側面 Cに設けて、プリズム (Priz)内のみをキヤビティとして用いても良い。

[0086] 本発明を適用する光源としては、図 9に示すようなスペクトルを持つスーパーコンティ-ユーム光を用いてもよ、。この光源を用い図 6と同様な構成で得られた干渉波形を図 10に示す。このような干渉波形力特定波長の吸収係数を求めるには、各干渉波形 (パルス）を高速フーリエ変換し、各パルスの特定波長の強度を求め、それらの減衰時定数から求めればょヽ。

[0087] 実施の形態 3

本発明を具体的な実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

実施例 4

[0088] 図 11に示すように、ループ状の光ファイバ一 410に対して、光を導入する第 1光伝送路 412が、方向性光結合素子 436により光結合している。また、このループ状の光ファイバー 410の伝送路中に試料 440が挿入されている。試料 440は、光ファイバ一 410を切断して、端面を対向させ、端面間の空間に設けられている。試料 440を光が通過するように構成されている。また、光ファイバ一 410には、光増幅素子 415が設けられている。第 1光伝送路 412は、光ファイバ一で構成されており、その光ファイバ一の一端には連続レーザ光を出力できるレーザ装置 430が接続されており、他端には検出素子 432、検出素子 432で受光されたリングダウンパルス光が減衰しないように、光増幅素子 415の増幅率を制御し、その増幅率から試料の吸収特性を演算する処理装置 434が設けられてヽる。

[0089] また、第 1光伝送路 412には、ループ状の光ファイバ一 410と第 1光伝送路 412とを光結合させる方向性光結合素子 436が設けられている。また、方向性光結合素子 4 36のレーザ光入射側前方には、第 2偏光子 421が設けられ、検出素子 432のレーザ光入射側前方には、第 1偏光子 422が設けられている。偏光制御素子であるファラデ一回転子 423が、方向性光結合素子 436のレーザ光入射側前方に設けられている。第 2偏光子 421は、例えば、 S偏光成分のみを出力する素子である。ファラデー回転子 423は、処理装置 434からの制御信号により、伝送路方向に磁場を印加して、偏光を 90度回転し、例えば、 S偏光力 P偏光に変化させる素子である。方向性光結合素子 436は、 P偏光のみをその進行方向にのみ光フィバー 410に分岐する素子である。また、第 1偏光子 422は、所定方向に偏光した光、例えば、 P偏光のみを通過させる素子である。

[0090] レーザ装置 430から出力された連続レーザ光は、第 2偏光子 421に入射し、 S偏光成分のみが第 1光伝送路 412に出力される。この S偏光の連続レーザ光は、磁場が印加されていないファラデー回転子 423を通過して、方向性光結合素子 436に入射する。しかし、方向性光結合素子 436は P偏光のみを光ファイバ一 410に分岐するので、この状態では、光ファイバ一 410にはレーザ光は出力されない。方向性光結合素子 436を通過した S偏光の連続レーザ光は、第 1偏光子 422に入射するが、第 1偏光子 422は P偏光のみを通過させるので、この S偏光の連続レーザ光は、検出素子 4 32には入射しない。よって、レーザ装置 430から出力された連続レーザ光が検出素子 432に入射することがなぐ検出素子 432でのリングダウンパルス光の受光を妨げることがない。

[0091] 処理装置 434の出力するパルス制御信号により、ファラデー回転子 423にパルス磁場が印加されると、この印加期間だけ、ファラデー回転子 423を通過するレーザ光は、 S偏光力も P偏光に 90度位相が回転する。すなわち、ファラデー回転子 423の出力では、パルス P偏光が得られ、その期間外は連続した S偏光となる。このパルス P偏光レーザ光が方向性光結合素子 436に入射して、光ファイバ一 410に分岐されて、光ファイバ一 410を図面上時計回りに循環する。循環する毎に、試料で光吸収が発生し、パルス P偏光レーザ光の振幅が順次減少する。すなわち、 P偏光リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンパルス光は、循環する毎に、方向性光結合素子 436を介して一部の光が第 1光伝送路 412側に分岐される。 P偏光であるので、方向性光結合素子 436により第 1光伝送路 412側に一部分岐されて、第 1偏光子 422 に入射する。第 1偏光子 422は、 P偏光のみ通過させるので、このリングダウンパルス光は、検出素子 432に入射する。

[0092] 処理装置 434は、この検出素子 432で検出されたリングダウンパルス光の振幅が減衰しないように、光増幅素子 415の増幅率を制御する。したがって、試料の吸収率と増幅率とが等しくなると、試料 440での減衰量だけ、増幅素子で予め増幅されるので、試料を通過するパルス光は、減衰しないようにすることができる。すなわち、パルス光列の振幅が変化しないようにすることができる。この時、光増幅素子 415の増幅率は、試料の吸収率の時間変動に追随できれば十分である。この測定を連続レーザ光の波長を変化させて、実行することで、試料の波長吸収特性を得ることができ、試料の原子、分子構造を特定することが可能となる。この場合には、試料に入射する光の振幅を一定にした状態で吸収係数を測定することができるので、非線形効果を排除することができ、正確に、光強度に対する吸収係数を測定することができる。逆に言えば、レーザ光の強度を変化させながら、上記の測定をすれば、試料の吸収係数の非線形特性を求めることも可能となる。

[0093] また、測定系自体の減衰があるので、現実には、試料が存在しな!ヽ場合のパルス P 偏光レーザ光のリングダウン光を測定して、そのリングダウン光が減衰しな、ように、上記と同様に、増幅素子の増幅率を制御して、その増幅率から測定系の減衰量を測定することができる。この測定系の減衰量で、上記のように測定した試料の吸収率を補正することで、試料の真正な吸収率を求めることが可能となる。したがって、極めて正確な吸収率の測定が実現される。

[0094] ノルス P偏光レーザ光のリングダウン特性は、横軸をリングダウン回数、縦軸をリングダウンパルス光の振幅として、測定する。この特性において、増幅素子の増幅率を微小量だけ制御して、リングダウンパルス光の振幅が減衰しないように、増幅率をフィードバック制御すれば良、。

[0095] また、上記の実施例において、方向性光結合素子 436は、一般に良く知られたものである。この方向性結合素子により、レーザ光のリングダウンパルス光を光ファイバ一 410から検出素子 432へ取り出すことができる。また、結合率を変化させることで、光ファイバー 410を循環する光の強度を調整することができる。これにより、検出素子 4 32で受光される光の減衰幅を調整できるので、同一のダイナミックレンジにより減衰係数を測定することが可能となり、精度を向上させることができる。

[0096] 上記の実施例では、レーザ装置 430を連続発振レーザとしている力これをパルス発振レーザとし、第 1偏光子 422、第 2偏光子 421、ファラデー回転子 423を無くしても良い。この場合には、パルスレーザ光を第 1光伝送路 412から方向性光結合素子 4 36を介して、光ファイバ一 410に入射させることができる。

実施例 5

[0097] 本実施例は、実施例 2の図 3に示す装置において光ファイバ 6に半導体光増幅器を設けたものである。その装置の構成を図 12に示す。図 12において光伝送路 412、ループ状の光ファイバ一 410、試料 440の挿入位置、検出素子 432、処理装置 434 の構成は実施例 4と同じである。レーザ装置 430にはパルスレーザを用い、第 1偏光子 422、第 2偏光子 421、ファラデー回転子 423は用いない。

[0098] この実施例では、パルスレーザとして波長 1. 55 μ mの半導体レーザ 430を用い電流変調によりパルス発振させた。リングダウンパルス光を高 S/Nで取得するために、ノランス型ホモダイン検波器 440を用いた。そのため、実施例 4とは異なり、図 3に示す実施例 2の装置のように、パルスレーザを 1 X 2の光方向性結合器 408でパルスレ一ザの光を 2分岐し、一方は、実施例 4と同様に第 1光伝送路 404を介してループ状の光ファイバ一 410に可変レシオカプラ 450を介して導入される力他方はホモダイン検波用の参照信号として光ファイバ遅延線路 460— 463に導入される。

[0099] 試料 440の挿入位置には、光ファイバの側面をコア近傍まで研磨し、ファイバ内の光のエバネッセント波又は近接場光が試料と相互作用するヘッド 452が挿入されている。このヘッド 452が設けられている光ファイバ一 410から周回して可変レシオカプラ 450を介して、試料と相互作用（吸収を受けた）した信号光は 2 X 1の光方向性結合器 470に導入される。参照信号は 1 X 4光スィッチ 472を通して 4種類の長さの異なる光ファイバ遅延線路のどれか一本を通って 4 X 1光スィッチ 473を介して、 2 X 1 の光方向性結合器 470に入射する。光方向性結合器 470に導入された信号光と参照光はちょうど参照光側の光路長がループ状の光路の整数倍近傍になったときに干渉する。そのため参照光側に微小変位用駆動ミラー 453が挿入され、ミラー 453を駆動することで、ホモダイン検波器には干渉波形が導入され、高い S/Nで検波される。他の構成は図 3と同様である。

[0100] ループ状の光ファイバ一 410には増幅素子 415が挿入されており、本実施例では半導体増幅器 (SOA ) 415を用いた。この増幅素子 415は SOAに限定されるものではなぐ Erなど希土類を用いた光ファイバ一アンプなどを用いても良い。 fsレーザのような先頭出力の高いレーザを用いた場合は、 SOAでは増幅が困難なため、光フアイバーアンプが適している。

[0101] SOA電源への注入電流を変化させたときの SOAの増幅率を計測した結果を図 13 に示す。この図 13からわ力るように SOAを用いることで、信号を 16dB程度増幅できる。この SOAの増幅率を OdB (増幅率 1)として、光ファイバ一の遅延光路長を 30m、 60m、 180mと変化させたときの信号強度は図 14. Aのようになる。図 14. Aの黒丸はヘッドに試料がなにも無い場合の光路長に対する干渉強度である。光ファイバのヘッドや SOAや光コネクタなどの挿入損失により、大きく減衰している。この状態で 20 %のメタノールをヘッドに 10 μ L滴下して、光ファイバ一内の光からもれ出るエバネッセント波カ^タノールの吸収を受けた場合干渉強度は図 14. Αの三角印のように吸収分だけ干渉強度が弱くなる。ホモダイン検波器のノイズレベルが点線のレベルとした場合、光遅延光路長 60m以上では信号がノイズに埋もれ、高感度な計測が不可能となる。

[0102] 一方、 SOAの増幅率を調整して、ループ状ファイバ内の損失を補正した場合、図 1 4. Bのように、ヘッドに試料が無いときの干渉強度は SOAの増幅率を 1としたときの三角印から黒丸となり、光遅延線路の光路長を長くしても干渉強度が変化しないように補正することができる。この状態で試料がヘッドに存在するときはその吸収を受けて、干渉強度は図 14. Cの三角印のようになる。この場合図 14. Bの三角印と異なり 6 Om以上でも干渉強度がノイズレベル以下とならな、。本実施例では最長の光遅延線路の光路長を 180mとしているが、数 km以上の光遅延線路でも測定が可能であり、非常に吸光度の小さな試料を測定できる。

実施例 6

[0103] 次に図 15に CWレーザを用いる実施例を示す。実施例 5で示した図 12と同様の装置構成で、レーザ装置のみ CW発振の半導体レーザに変えることで、同様な測定が可能となる。光遅延光路長を変えた時の干渉強度はパルス発振と同様に適当に増幅率を調整することで、 3mの光路長でも 180mの光路長でも図 16(a)のような干渉力 Sミラーを駆動することでホモダイン検波器により観測される。この状態でヘッド部に吸収がある試料が存在すると、図 16(b)のような干渉波形が得られ、これらの干渉の減衰率から吸収特性を高感度に測定できる。この場合図 16(b)のような吸収を受けた干渉波形を適当に増幅率を上げて、図 16(a)と同じ干渉強度とし、このときの増幅率から、吸収特性を求めても良い。

実施例 7

[0104] 実施形態 3

次に、本発明の具体的な実施例である実施例 7について説明する。図 17において、第 1光伝送路 412、ループ状の光ファイバ一 410、試料 440の挿入位置、検出素子 432、処理装置 434の構成は、実施例 4と同一である。レーザ装置 430にはパルスレーザを用い、第 1偏光子 422、第 2偏光子 421、ファラデー回転子 423は用いない

[0105] この実施例では、光ファイバ一 410に対するレーザ光の入力系統と、レーザ光の出力系統とを分離した例である。入力系統は、光を透過も反射もさせない終端子 424が第 1光伝送路の終端に接続されている。新たに設けられたレーザ光の出力系統として、光ファイバ一 410に光結合する第 2の方向性光結合素子 437、第 2の方向性光結合素子 437によって光ファイバ一 410と結合する第 2光伝送路 413、終端子 425 が設けられている。そして、第 2光伝送路 413の一端に検出素子 432を接続している

[0106] 本実施例では、レーザ装置 430から出力されるパルスレーザ光が第 1光伝送路を伝搬し、方向性光結合素子 436を介して光ファイバ一 410に分岐し、光ファイバ一 4 10を循環する。光ファイバ一 410を循環するリングダウンノルス光は、第 2の方向性光結合素子 437、第 2光伝送路 413を介して、検出素子 432に入射する。この検出素子 432に入射したパルスレーザ光の振幅が減衰しないように、光増幅素子 437の増幅率が、処理装置 434によりフィードバック制御される。そして、その増幅素子の増幅率力も試料の吸収係数が演算される。この場合には、入力系統と出力系統とが分離されているので、出力系統である第 2光伝送路 413には、偏光子や、偏光性の方向性結合素子を用いる必要がな、。

実施例 8

[0107] 上記実施例では、光ファイバ一 410をループ状に構成している力図 18に示すように、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバ一 490を方向性光結合素子 436により第 1光伝送路 412と結合させる。そして、光ファイバ一 490 の両端は鏡面 442、 443として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバ一 490を往復進行するパルス光を検出素子 43 2側に出力することができる。この時、方向性光結合素子 436の機能により、光フアイバー 490を試料 440側に伝搬するリングダウンパルス光のみを第 1光伝送路 412に出力させて、検出素子 432に入射させることができる。

実施例 9

[0108] 本実施例は、図 19に示すように、実施例 7の構成において、第 1偏光子 422、第 2 偏光子 421、偏光制御素子であるファラデー回転子 423を排除し、方向性光結合素子 436に代えて、光結合制御素子であるピエゾ駆動結合率可変力ブラ 436を設けたことが特徴である。他の構成は、実施例 7と同一である。ピエゾ駆動結合率可変カブラ 436は、電気光学効果を用いて結合率を制御する素子であり、電圧を印加することで、光結合率を制御できる素子である。ピエゾ駆動結合率可変力ブラ 436にパルス電圧を印加して、パルス的に結合率を高くすることで、光ファイバ一 410には、パルス光を入射させることができる。このノルス光のリングダウン特性が受光素子 432により検出されることは、実施例 7と同一である。

また、光結合制御素子としては、ピエゾ駆動結合率可変力ブラに代えて、光スイツチとしても良い。すなわち、第 1光伝送路 412から光ファイバ一 410への接続と遮断とを高速で行える光スィッチ素子で構成しても、パルス光又はステップ減少光を光ファバー 410に入射させることができる。

実施例 10

[0109] 全実施例において、次のようにした実施例が考えられる。試料 440を設置しない状態で、リングダウン光の減衰がな!、ように光増幅素子の増幅率をフィードバック制御する。次に、試料 440を設置して、リングダウン光の減衰特性を測定し、この特性から減衰定数を測定する。この場合には、リングダウン光の減衰特性には、測定系による減衰は排除されているので、試料だけの吸収係数を正確に求めることができる。実施例 11

[0110] 上記の実施例 4—実施例 10の実施例において、光ファイバ一 410, 490を伝搬する光をパルス光に代えて、ステップ減少する光としても良い。この場合には、実施例 4 においては、処理装置 434の出力する連続制御信号により、ファラデー回転子 423 に連続磁場が印加される。この結果、第 2偏光子 421から出力される S偏光の連続レ一ザ光は、ファラデー回転子 423により、 P偏光に変換される。 P偏光レーザ光が方向性光結合素子 436を介して、光ファイバ一 410, 490に入射する。次に、連続制御信号を遮断して、ファラデー回転子 423への磁場の印加を停止する。すると、ファラデ一回転子 423の出力は、 S偏光の連続レーザ光となり、この光は光ファイバ一 410 、 490には入射しない。したがって、光ファイバ一 410、 490においては、 P偏光レーザ光の振幅がステップ的に減少することになる。このステップ減少する光のリングダウン光を検出して、その光が減衰しないように、増幅素子 415の増幅率をフィードバック制御する。この増幅率に基づ、て試料の吸収率を測定することができる。

[0111] また、実施例 7、 8においては、レーザ装置 430を連続レーザとして、第 1光伝送路 412にシャッターを設けて、このシャッターにより急峻にレーザ光の伝搬を遮断するようにしても良い。また、レーザの発振自体を急峻に停止させるようにしても良い。このようにしてもステップ減少するレーザ光を光ファイバ一 10, 100に伝搬させることができる。実施例 9においては、初期状態において、ピエゾ駆動結合率可変力ブラ 436により、第 1光伝送路 412と光ファイバ一 410との結合率を大きくしておき、光ファイバ一 410, 490に連続レーザ光を入射させる。次に、ピエゾ駆動結合率可変力ブラ 436を制御して、第 1光伝送路 412と光ファイバ一 410との結合率をステップ的に減少させる。すると、光ファイバ一 410, 490への連続レーザ光の入射がステップ的に遮断されること〖こなる。このステップ減少する光のリングダウン光を検出して、その光が減衰しな、ように増幅素子 415の増幅率をフィードバック制御する。この増幅率に基づヽて試料の吸収率を測定することができる。

[0112] また、実施例 4乃至 10の全実施例において、方向性光結合素子 436に代えて、光スィッチを用いても良い。すなわち、第 1光伝送路 412と、光ファイバ一 410, 490とを、光の伝搬方向に結合させるモードと、光ファイバ一 410, 490を閉じた状態にするモードと、光ファイバ一 410, 490を伝搬した光を第 1光伝送路 412の下流側に伝搬させるモードとを切り替えることができる光スィッチを用いても良い。リングダウンパルス光の周期に同期して、スィッチ端子を切り替える光スィッチ素子としても良い。

[0113] また、増幅率は試料 440が存在しない場合の増幅素子 415の増幅率に固定しておき、試料 440が存在する場合の検出素子 432で測定される減衰光量カゝら試料 440の吸収測定を測定することもできる。

[0114] また、図 17に示す実施例 7において、連続レーザ光を光ファイバ一 410に導入しても良い。連続レーザ光を用いた場合には、試料 440が存在しない場合の増幅素子 4 15の増幅率は小さぐ試料 440が存在する場合にはそれによる光吸収のために増幅素子 415の増幅率は大きくなる。この増幅率の差により試料 40の吸収特性を測定することがでさる。

[0115] 上記したように、試料を通過するレーザ光の振幅が減衰しないようにフィードバック制御する場合には、レーザ光の強度が所定値の場合における試料の光吸収係数を測定することができ、測定精度を向上させることができる。また、レーザ光は光フアイバーや光学系での損失が無視できるレベルまで増幅されるので、 SZN比を向上させて試料だけの損失を精度良く測定することができる。

[0116] 実施形態 4

実施例 12

[0117] 図 20に示すように、ループ状の光ファイバ一 510に対して、光を導入する第 1光伝送路 512が、方向性光結合素子 536により光結合している。また、このループ状の光ファイバー 510の伝送路中に試料 540が挿入されている。試料 540は、光ファイバ一 510を切断して、端面を対向させ、端面間の空間に設けられている。試料 540を光が通過するように構成されている。第 1光伝送路 512は、光ファイバ一で構成されており、その光ファイバ一の一端には広帯域スーパーコンティ-ユーム光レーザ装置 530が接続されており、他端には受光素子 532、受光素子 532で受光されたリングダウンパルス光から減衰係数を演算する処理装置 534が設けられている。請求項の処理装置は、受光素子 532と処理装置 534とで構成されている。広帯域スーパーコンティ-ューム光レーザ装置 530は、光ファイバ一の非線形性やラマン増幅を用いて、広帯域スーパーコンティ-ユームレーザ光を出力する装置である。広帯域スーパーコンティニュームレーザ光については、例えば、西澤典彦、後藤俊夫，固体物理 Vol.39 No.l 0,(2004),pp665-678により周知である。

[0118] また、第 1光伝送路 512には、ループ状の光ファイバ一 510と第 1光伝送路 512とを光結合させる方向性光結合素子 536が設けられて、る。方向性光結合素子 536は、第 1光伝送路 512を伝搬した光を進行方向にのみ光フィバー 510に分岐し、光ファィバー 510を伝搬した光を進行方向にのみ第 1光伝送路 512に分岐する素子である。第 1光伝送路 512からパルスレーザ光が光ファイバ一 510に導入されると、パルスレーザ光は光ファイバ一 510を循環し、試料 540を通過する毎に、その振幅が、順次、減少し、リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンノルス光力方向性光結合素子 536を介して、光ファイバ一 510から第 1光伝送路 512へ出力される。

[0119] このリングダウンパルス光のリングダウン減衰係数を、受光素子 532、処理装置 534 で測定することで、試料の減衰係数を測定することが可能となる。この測定をレーザ光の各波長に対して実行することで、試料の波長吸収特性を得ることができ、試料の原子、分子構造を特定することが可能となる。

[0120] 光ファイバ一 510をシングルモード高分散ファイバ一とした場合の波長と lm当たりの伝搬遅延時間との関係を図 22の SMFで示す。波長が 1. 33 /z m力ら 1. 94 m に変化すると、伝搬遅延時間は 13psZmだけ変化する。したがって、光ファイバ一 5 10の長さを lkmとすると、波長が 1. 33 111カら1. 94 /z mに変化すると、遅延時間は 13nsだけ変化することになる。すなわち、波長 1. 33 /ζ πι〜1. 94 /z mの広帯域ス一バコンティ-ユーム光を用いると、 1回のリングダウンパノレス毎に、パノレス幅は、 13η sだけ広くなる。例えば、パルスレーザ光に波長 1. 33 /ζ πι〜1. 94 /z mの広帯域ス一バコンティ-ユームでフェムト秒レーザ光（lOOfs (1 X 10 sec))を用いると、 1回目のリングダウンパルスの幅は 13nsとなり、 2回目のリングダウンパノレスの幅は 26ns となり、 3回目のリングダパルスの幅は 39nsとなる。こられのリングダウンパルスを図示すると図 21のようになる。

[0121] このフェムト秒レーザ光のパルス周期を 3kHzとすると、 1周期の間に 100回のリングダウンパルスを許容することができる。 100回のリングダウンがあっても、パルス幅は 1 . 3 μ sとなり、隣接するリングダンゥパルスの間隔が 3. 3 μ sであるので、それらが重なることはない。受光素子 32で受光した図 21に示すようなリングダウンパルスを微小時間間隔でサンプリングして、その値を一端記憶する。なお、図 21に示す 1パルスレ一ザ光についてのリングダンゥパルスを一度にサンプリングできないのであれば、 3k Hzでパルスレーザ光は繰り返されているので、同一波形のリングダウンパルスが 3k Hzで繰り返されるとして、この繰り返し波形をサンプリングして、 1周期当たりのリングダウンパルス波形を得るようにしても良ヽ。

[0122] そして、図 21に示す、 1パルスレーザ光当たりのリングダウンパルスが得られれば、図 21に示す時刻と、波長とは一定の関係にあるので、時刻から波長を決定することができる。例えば、図 22に示す特性を直線、 y= k (x— X ) +yと仮定する。ただし、

0 0

Xは波長、 X はこの特性の中心波長で 1. 64 111、は遅延時間、₇は波長 X にお

0 0 0 ける遅延時間である。さらに、説明を簡単にするために、 y =0とする。図 21の波形

0

は、 y =0とし、 X力らの最大波長変位を Δ χ(0. 3 /z m)とするとき、 Δ χ当たり、 6. 5

0 0

nsの遅延時間で表されている。したがって、 1回のリングダウンに関して、 k=6. 5ns / Δ χ= 21. 67nsZ mであり、 y =k (x— x )であ。 2回目のリングダウンパノレスに

1 0

関しては、 y = 2k(x-x )、 3回目のリングダウンパノレスに関しては、 y = 3k (x—x

2 0 3 0

)である。ただし、 yは、各リングダウンノルスの中心、すなわち、中心波長 X における

0 各リングダウンパルスの時刻を基準とした遅延時間である。

[0123] 図 21のリングダウンパルス波形が得られれば、上記の関係から時刻列 y y - - -y

1 , 2 , η に対応した波長 χを求めることができる。そして、この波長 Xに関して、時刻列 y y

1， ,

•••y におけるパルスの値の減衰特性から、リングダウンパルスの減衰率 αを演算する。これを各波長 Xに関して求めれば、波長に関する減衰率 α (X)を求めることができる。実際には、図 22の波長伝搬遅延時間特性が直線ではないので、この曲線を用いて図 21の時刻と波長との関係を求めることになる。

[0124] 上記のように、光ファイバ一 10の長さを lkmとすれば、リングダウンパルスのパルス幅が最小でも 13ns、 10回目のリングダウンパルスで 130nsとなる。したがって、パルス幅が十分に広くなるので、波形のサンプリングが容易となり、波長分解能も高くなる。また、光ファイバ一 10の長さを 100mとしても、リングダウンパルスのパルス幅が最小で 1. 3ns、 10回目のリングダウンパルスで 13nsとなり、図 21の波形をサンプリングすることは可會である。

[0125] ノルスレーザ光の繰り返し周期は、光ファイバ一 10の長さと関連する。全長 lkmとすると、 3. 3 /z s毎に、リングダウンパルスが出力されるので、パルスレーザ光の繰り返し周波数 1kHz (周期 1 X 10— ³sec )とすると、 1パルス周期の間に 300回のリングダゥンパルスを許容することができる。また、光ファイバ一 10の全長を 100mとすると、 0 . 33 /z s毎にリングダウンパルスが出力されるので、 1パルス周期の間に 100回のリングダウンパルスを許容するのであれば、パルス周期を 30kHzとする必要がある。

[0126] また、測定系自体の減衰があるので、現実には、試料が存在しな!ヽ場合のパルスレ一ザ光のリングダウン特性を基準特性として測定してぉヽて、試料を測定した場合のパルス光レーザのリングダウン特性の基準特性に対する偏差の減衰特性を用いて、試料の吸収係数を測定することになる。この吸収係数は、横軸をリングダウン回数、縦軸をリングダウンパルスの振幅としたときの指数関数の減衰係数カゝら演算すれば良い。また、レーザ光の波長を変化させて、同様にリングダウン特性の減衰係数を測定することで、波長吸収特性が得られる。この特性は、吸収係数の絶対値が不明であっても、波長特性として相対的な吸収特性が得られれば、試料を同定することができる。

[0127] また、上記の実施例 12において、方向性光結合素子 536は、一般に良く知られたものである。この方向性結合素子により、レーザ光のリングダウンパルスを受光素子 5 32へ取り出すことができる。また、結合率を変化させることで、光ファイバ一 510を循環する光の強度を調整することができる。これにより、受光素子 532で受光される光の減衰幅を調整できるので、同一のダイナミックレンジにより減衰係数を測定することが可能となり、精度を向上させることができる。

実施例 13

[0128] 次に、本発明の具体的な実施例である実施例 13について説明する。図 23において、第 1光伝送路 512、ループ状の光ファイバ一 510、試料 540の挿入位置、レーザ装置 530、受光素子 532、処理装置 534の構成は、実施例 12と同一である。

この実施例 13では、光ファイバ一 510に対するレーザ光の入力系統と、レーザ光の出力系統とを分離した例である。入力系統は、実施例 12と、ほぼ、同様であるが、第 1光伝送路 512の終端には、光を透過も反射もさせない終端子 524が用いられている点が異なる。新たに設けられたレーザ光の出力系統として、光ファイバ一 510に光結合する第 2の方向性光結合素子 537、第 2の方向性光結合素子 537によって光ファイバー 510と結合する第 2光伝送路 513、終端子 525が設けられている。そして、第 2光伝送路 513の一端に受光素子 532を接続している。

[0129] 本実施例では、パルスレーザ光を光ファイバ一 510に導く方法は、実施例 12と同一である。光ファイバ一 510を循環するリングダウンパルス光は、第 2の方向性光結合素子 537、第 2光伝送路 513を介して、受光素子 532に入射する。この場合には、入力系統と出力系統とが分離されているので、出力系統である第 2光伝送路 513には、偏光子や、偏光性の方向性結合素子を用いる必要がない。

実施例 14

[0130] 上記実施例 13では、光ファイバ一 510をループ状に構成している力図 24に示すように、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバ一 590を方向性光結合素子 536により第 1光伝送路 512と結合させる。そして、光ファイバ一 5 90の両端は鏡面 542、 543として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバ一 590を往復進行するパルスレーザ光を受光素子 532側に出力することができる。この時、方向性光結合素子 536の機能により、光ファイバ一 590を試料 540側に伝搬するリングダウンパルス光のみを第 1光伝送路 512に出力させて、受光素子 532に入射させることができる。その他の構成は、実施例 12と同様である。

産業上の利用可能性本発明は、極薄膜、極微量の試料の同定等の分析に適しており、プラズマ処理された微量の物質、或、は微量の DNA等の分析に適して、る。

また、本発明は、光吸収が小さな液体、気体、 DNA、タンパクなどの生体物質、有機物質、無機物質、薄膜などの分光分析に有効である。また、ある発明は、レーザ光源の波長を可変することなぐリングダウンパルス波形力波長吸収特性を得ることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 試料の光吸収特性を測定する分光装置において、

光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバ一と、

前記光ファイバ一と光結合しパルス光を伝搬させる第 1光伝送路と、

前記光ファイバ一を循環又は往復移動するリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光を検出して処理する処理装置と、

複数本の光路長の異なる光伝送路から成り、前記第 1光伝送路に対して光分岐して、その分岐点から前記処理装置に入力するまでの光路長を、前記光ファイバ一の光路長単位で、切り替え制御できる第 2光伝送路とから

成ることを特徴とする分光装置。

[2] 前記第 2光伝送路は、 1つのパルス光に対して測定すべきリングダウンパルスの数だけの光路長の異なる伝送路で構成されて、ることを特徴とする請求項 1に記載の分光装置。

[3] 前記第 2光伝送路を構成する複数の光伝送路は、それぞれ、ピエゾチューブスキヤナに卷かれていることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の分光装置。

[4] 前記パルス光は、パルスの幅が lps以下の短パルス光であることを特徴とする請求項 1乃至請求項 3の何れか 1項に記載の分光装置。

[5] フェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンノルス光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とする請求項 1乃至請求項 4の何れか 1項に記載の分光装置

[6] 広帯域スーパーコンティ-ュアム光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とする請求項 1乃至請求項 5の何れか 1項に記載のキヤビティリングダウン分光装置。

[7] 所定波長であって、各パルスの幅が lps以下の極短光パルスのパルス列である信号光と、

信号光から分岐された参照光とを用い、

測定中に、当該参照光の光路長を順次長くして、信号光がキヤビティを通過したリングダウン光と参照光との干渉をホモダイン検波することを特徴とするキヤビティリングダウン分光分析方法。

[8] フェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンパルス光発生光源による極短光ノルスのパルス列を用いることを特徴とする請求項 7に記載のキヤビティリングダウン分光分析方法。

[9] 広帯域スーパーコンティ-ュアム光発生光源による極短光パルスのパルス列を用いることを特徴とする請求項 7に記載のキヤビティリングダウン分光分析方法。

[10] 所定波長であって、各パルスの幅が lps以下の極短光パルス列を発生する光源と、前記光源の出力するパルス列を 2つ経路に分岐する光分岐手段と、

前記光分岐手段の第 1の光出力に接続される 2つの高反射ミラーを有し、当該 2つの高反射ミラーにより形成される光路に試料を配置可能としたキヤビティと、

前記光分岐手段の第 2の光出力に接続され、光路長が可変である可変長光路部と、前記キヤビティの光出力と前記可変長光路部の光出力の干渉を電気信号として出力するホモダイン検波手段と

を有することを特徴とするキヤビティリングダウン分光分析装置。

[11] 前記可変長光路部には振動可能且つその位置を可変とする可動ミラーを有することを特徴とする請求項 10に記載のキヤビティリングダウン分光分析装置。

[12] 光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバ一に光を伝搬させて、試料の吸収特性を測定する分光方法にぉ、て、

前記光ファイバ一に前記光を増幅する増幅素子を設けたことを特徴とする分光方法。

[13] 前記光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、前記増幅素子の増幅率を、試料を設置しな、時の前記光のリングダウン光が減衰しな、増幅率に設定した後に、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性から試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 12に記載の分光方法。

[14] 前記光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しな!、ように前記増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率力も試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 12に記載の分光方法。

[15] 試料の光吸収特性を測定する分光装置において、

光吸収特性を測定すべき試料と光とを相互作用させるための光ファイバ一と、前記光を増幅する増幅素子と、

前記光ファイバ一を伝搬する前記光の強度を検出する検出素子と、

前記検出素子により検出された前記光の強度に応じて、前記増幅素子の増幅率を制御して試料の吸収特性を演算する処理装置と

から成る分光装置。

[16] 前記光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、前記処理装置は、前記増幅素子の増幅率を、試料を設置しな!、時の前記光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定し、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性力試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置。

[17] 前記光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、前記処理装置は、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しなヽように前記増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率力試料の吸収率を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置。

[18] 前記光は連続光であり、前記処理装置は、前記増幅素子の増幅率を前記光の振幅が所定値となるように制御し、この増幅率又はその減衰光量力前記試料の吸収特性を測定することを特徴とする請求項 15に記載の分光装置。

[19] 光吸収特性を測定すべき試料と相互作用する光ファイバ一にパルスレーザ光を導き、試料の光吸収によるリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光の減衰特性から試料の吸収特性を測定することを特徴とする分光方法において前記パルスレーザ光をスペクトルが広ヽレーザ光とし、前記光ファイバ一を強分散光ファイバ一とし、前記リングダウンノルス光のパルス幅を順次広くして、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数カゝら波長吸収特性を測定することを特徴とする分光方法。

[20] 試料の光吸収特性を測定する分光装置にお!、て、

光吸収特性を測定すべき試料にレーザパルス光を導く強分散の光ファイバ一と、スペクトル幅の広いレーザパルス光を発生するレーザ装置と、

前記光ファイバ一を循環又は往復移動するリングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、外部に出力し、このリングダウンパルス光の減衰特性において、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数カゝら波長吸収特性を得る処理装置と

を有することを特徴とする分光装置。

[21] 前記光ファイバ一に光結合する第 1光伝送路と、その第 1光伝送路を前記光フアイバーに光結合させる方向性光結合素子とを有し、その第 1光伝送路の一端に前記レ一ザ装置、他端に前記リングダウンパルス光を受光する前記処理装置の受光素子を設けたことを特徴とする請求項 20に記載の分光装置。

[22] 前記光ファイバ一において前記方向性光結合素子と異なる位置に配設された他の光結合素子により、前記リングダウンパルス光を前記第 1光伝送路と異なる第 2光伝送路に出力させ、この第 2光伝送路に前記処理装置の受光素子を接続したことを特徴とする請求項 20に記載の分光装置。