WO2020196688A1 - 広帯域パルス光源装置、分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents

広帯域パルス光源装置、分光測定装置及び分光測定方法 Download PDF

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WO2020196688A1
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light source
pulse
source device
wideband
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PCT/JP2020/013497
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彩 太田
寿一 長島
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ウシオ電機株式会社
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    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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    • G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
    • G—PHYSICS
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/3528—Non-linear optics for producing a supercontinuum

Definitions

  • the invention of this application relates to a light source device that emits wideband pulsed light, and also relates to a device or method for measuring the spectral characteristics of an object using wideband pulsed light.
  • a typical pulsed light source is a pulsed laser (pulse laser).
  • pulse laser pulse laser
  • SC light supercontinuum light
  • SC light is light obtained by passing light from a pulsed laser source through a non-linear element such as a fiber and widening the wavelength by a non-linear optical effect such as self-phase modulation or optical solitons.
  • the above-mentioned broadband pulsed light is significantly extended in the wavelength range, but the pulse width (time width) remains close to the input pulse used to generate the SC light.
  • the pulse width can also be extended by utilizing the group delay in a transmission element such as a fiber. At this time, if an element having an appropriate wavelength dispersion characteristic is selected, the pulse can be extended in a state where the time (elapsed time) in the pulse and the wavelength have a one-to-one correspondence.
  • the correspondence between time and wavelength in the wideband pulsed light (hereinafter referred to as wideband stretched pulsed light) pulse-stretched in this way can be effectively used for spectroscopic measurement.
  • the temporal change in the light intensity detected by the receiver corresponds to the light intensity of each wavelength, that is, the spectrum. Therefore, the temporal change of the output data of the receiver can be converted into a spectrum, and spectroscopic measurement can be performed without using a special dispersion element such as a diffraction grating.
  • the spectral characteristics (for example, spectral transmittance) of the object can be known by irradiating the object with broadband extended pulsed light, receiving the light from the object with a receiver, and measuring the temporal change thereof. You will be able to do it.
  • wideband extended pulsed light is particularly useful in fields such as spectroscopic measurement.
  • the output of the broadband pulse light source is increased to irradiate stronger light, an unintended nonlinear optical effect occurs in the pulse stretching element, and the uniqueness of time and wavelength (1 to 1). Correspondence) was found to collapse.
  • the invention of this application is based on this finding, and provides a wideband pulse light source device in which the uniqueness of time and wavelength is not lost even when the output is high while maintaining the uniqueness of time and wavelength. The purpose is to do.
  • the pulse width of the wide band pulse light source and the wide band pulse light from the wide band pulse light source is set to 1: 1 in time and wavelength of light in the pulse. It is equipped with an extension fiber module that is extended to correspond to the above.
  • the extension fiber module includes a multi-core fiber or a bundle fiber and a compensation fiber which is a single core fiber, and the compensation fiber is connected to the core of the multi-core fiber or the fiber of the bundle fiber, and is connected between the cores of the multi-core fiber or between the cores of the multi-core fiber. Compensates for variations in wavelength dispersion characteristics between bundled fibers.
  • the broadband pulse light source device may have a configuration in which the compensating fiber is connected to each of two or more cores of a multi-core fiber or two or more fibers of a bundle fiber. Further, in order to solve the above problems, the broadband pulse light source device may include a temperature control mechanism for adjusting the temperature of the compensation fiber. Further, in order to solve the above problems, this wideband pulse light source device is provided with a monitor mechanism for detecting a deviation in the timing of emission of the wideband pulsed light emitted from the compensation fiber, and the temperature control mechanism is the monitor mechanism. It may have a configuration in which the temperature is adjusted according to the width of the detected timing shift.
  • the temperature control mechanism may be a mechanism that operates when the width of the timing deviation of the emission of the wideband pulsed light emitted from the compensation fiber is equal to or greater than the threshold value. Further, in order to solve the above problems, the temperature control mechanism may be a mechanism that adjusts the temperature by a predetermined amount according to the width of the timing deviation of the emission of the wideband pulsed light emitted from the compensation fiber. Further, in order to solve the above problems, the broadband pulse light source device may have a configuration in which a length adjusting mechanism for adjusting the length of the compensation fiber is provided.
  • the extension fiber module includes a multi-core fiber and a compensation fiber which is a single-core fiber, and the multi-core fiber is a single-mode multi-core fiber. Can have a configuration. Further, in order to solve the above problems, in this wideband pulse light source device, the extension fiber module includes a bundle fiber and a compensation fiber which is a single core fiber, and the bundle fiber is a fiber bundled with a single mode fiber. It can have a configuration of being. Further, in order to solve the above problems, the compensation fiber may be a single mode fiber.
  • the spectroscopic measurement apparatus in order to solve the above problems, light from the broadband pulse light source device and an object irradiated with the broadband pulse light emitted from the broadband pulse light source device is incident. It is provided with a light receiver arranged at the position where the light source is to be used and a calculation means for performing a calculation for converting the output data from the light source into a spectrum. Further, in order to solve the above problems, the spectroscopic measurement method according to the invention of the present application includes a step of irradiating an object with broadband pulse light emitted from the broadband pulse light source device and light from the light-irradiated object. It is provided with a step of receiving light from the light receiver and a step of converting the output data from the light receiver into a spectrum by a calculation means.
  • the pulse-extended device can be used as a high-output light source device. It is possible to prevent an unintended non-linear optical effect from occurring. Then, since the variation in the wavelength dispersion characteristics of each core is compensated by the compensation fiber, the uniqueness of time vs. wavelength is accurately maintained when the divided and pulse-extended light is superposed.
  • the spectroscopic measurement device or the spectroscopic measurement method according to the invention of the present application since the wideband pulse light source device having the above effect is used, the spectroscopic measurement can be performed by the light having high time-to-wavelength uniqueness. Therefore, the accuracy of spectroscopic measurement is high. Further, there is no problem that the SN ratio is lowered in a specific wavelength range due to the dynamic range. Further, since the light can be irradiated with high energy efficiency, there is an advantage that even an object having a large amount of light absorption can be measured with a high transmitted light intensity.
  • the compensation fiber when the compensation fiber is connected to each of two or more cores of the multi-core fiber or two or more fibers of the bundle fiber, the deviation of the emission timing of the wideband pulsed light can be finely adjusted. Therefore, the above effect is further enhanced. Further, if the wideband pulse light source device is equipped with a temperature control mechanism for adjusting the temperature of the compensation fiber, it is possible to suppress the deviation of the emission timing of the wideband pulse light due to the variation in the wavelength dispersion characteristics of the compensation fiber by the temperature control. Therefore, the uniqueness of time vs. wavelength is maintained more accurately.
  • a monitor mechanism is provided to detect the timing shift of the emission of the broadband pulsed light emitted from the compensation fiber, and the temperature control mechanism adjusts the temperature according to the timing shift detected by the monitor mechanism. If this is the case, variations in wavelength dispersion characteristics that do not depend on temperature changes can be suppressed, and in this respect, the accuracy of time-to-wavelength uniqueness is further maintained higher. Further, if the temperature control mechanism is a mechanism that operates when the timing difference of the emission of the broadband pulsed light emitted from the compensation fiber is equal to or greater than the threshold value, the operation of the temperature control mechanism can be minimized. , A device having an excellent energy saving effect is provided.
  • the temperature control mechanism is a mechanism that adjusts the temperature by a predetermined amount according to the deviation of the emission timing of the wideband pulsed light emitted from the compensation fiber, the adjustment amount according to the deviation can be easily achieved. There is no problem of insufficient or excessive temperature control. Further, if a length adjusting mechanism for adjusting the length of the compensating fiber is provided, it becomes possible to suppress the variation in the wavelength dispersion characteristics at a higher speed than the method of adjusting the temperature.
  • FIG. 1 is a schematic view of the broadband pulse light source device of the first embodiment.
  • the wideband pulse light source device shown in FIG. 1 includes a wideband pulse light source 1 that emits wideband pulsed light, and an extended fiber module 2 that extends the pulse width of the wideband pulsed light emitted from the wideband pulsed light source 1.
  • the broadband pulse light source 1 a light source that outputs SC light is used.
  • the broadband pulse light source 1 includes a pulse laser source 11 and a non-linear element 12 into which light from the pulse laser source 11 is incident.
  • the pulse laser source 11 various sources can be used, and for example, a gain switch laser, a microchip laser, a fiber laser, or the like can be used. Since SC light is generated by the nonlinear optical effect, it is desirable that the pulse laser source 11 is an ultrashort pulse laser source.
  • Fiber is often used for the non-linear element 12.
  • a photonic crystal fiber or other fiber that causes non-linearity by inputting a pulse can be used as the non-linear element 12.
  • a wideband pulse light source is used for spectroscopic measurement as described later, a single mode is often used as the fiber mode from the viewpoint of measurement stability, but even in the multimode, sufficient non-linearity is exhibited and the measurement wavelength. It can be used as the nonlinear element 12 as long as the expected measurement stability can be obtained in the range.
  • the wideband pulse light source device of this embodiment is assumed to be used for light measurement such as spectroscopic analysis of a material, and therefore the emitted wideband pulse light is light in the near infrared region of about 900 nm to 1300 nm. ing.
  • the wide band means that the light has a continuous spectrum in a certain wavelength width, which means, for example, light having a continuous spectrum over a wavelength width of at least 10 nm, 50 nm or 100 nm.
  • the broadband pulse light source 1 is a light source that emits light having a continuous spectrum over a wavelength width of at least 10 nm, 50 nm, or 100 nm in the range of 900 nm to 1300 nm.
  • the extension fiber module 2 is a module that performs pulse extension by a fiber-based element.
  • the stretched fiber module 2 has a one-to-one correspondence between the time in the pulse and the wavelength of the light in the wideband pulsed light in which the pulse width is stretched at the time of pulse stretching.
  • FIG. 2 is a schematic view showing pulse elongation of wideband pulsed light by a fiber.
  • the ultrashort pulse laser light L1 When the pulsed laser source 11 oscillates, for example, the ultrashort pulse laser light L1, the ultrashort pulse laser light L1 is incident on the non-linear element 12 to generate a non-linear optical effect, and becomes SC light L2 which is a continuous spectrum in a certain wavelength region. And emit.
  • SC light L2 When the SC light L2 is passed through an extension fiber (normal dispersion fiber) 20 showing a negative dispersion value in the wavelength range, the pulse width is effectively extended. That is, as shown in FIG. 2, in the SC light L2, although it is an ultra-short pulse, light having the longest wavelength ⁇ 1 exists at the beginning of one pulse, and light having a gradually shorter wavelength exists over time. However, at the end of the pulse, there is light with the shortest wavelength ⁇ n .
  • the fiber 20 which is a normal dispersion fiber
  • the light having a shorter wavelength propagates later in the fiber 20, so that the time difference in one pulse is increased, and when the light is emitted from the fiber 20, the shorter wavelength Light will be further delayed compared to long wavelength light.
  • the emitted SC light L3 becomes light whose pulse width is extended while the uniqueness of time vs. wavelength is ensured. That is, as shown on the lower side of FIG. 2, the times t 1 to t n are pulse-extended in a state of having a one-to-one correspondence with the wavelengths ⁇ 1 to ⁇ n .
  • the light intensity is obtained by specifying the time, it will indicate the light intensity (spectrum) of the wavelength corresponding to the time.
  • spectroscopic measurements can be performed without using a special element such as a diffraction grating.
  • ⁇ / ⁇ t shown in FIG. 2 indicates the magnitude of the change in wavelength with respect to the change in time, and ⁇ indicates the wavelength resolution. Since ⁇ t depends on the detection speed (signal ejection cycle) of the receiver, it is necessary to make ⁇ / ⁇ t small (gradient) in order to increase the wavelength resolution. For this purpose, it is necessary to increase the amount of elongation.
  • the extension fiber 20 it is also possible to use an anomalous dispersion fiber.
  • the light on the long wavelength side that existed at the beginning of the pulse is delayed, and the light on the short wavelength side that existed at a later time is dispersed in a state of advancing, so that the time within one pulse The target relationship is reversed, and the light on the short wavelength side exists at the beginning of one pulse, and the pulse is extended in a state where the light on the longer wavelength side exists with the passage of time.
  • a fiber having a large absolute value of dispersion with normal dispersion or abnormal dispersion depending on the wavelength band is used. Since a general single-mode fiber used for communication or the like exhibits normal dispersion at a wavelength of 900 to 1300 nm, a normal dispersion fiber is used in this embodiment.
  • the extension fiber module 2 includes a multi-core fiber 21, and is a module in which the multi-core fiber 21 exerts a main pulse extension action.
  • the point of adopting the multi-core fiber 21 is based on the result of the inventor's research on the theme of increasing the output of the broadband pulse light source device. This point will be described below.
  • the first conceivable method for this method is to increase the power of the wideband pulsed light input to the stretching fiber. Based on this idea, the inventor conducted an experiment to increase the power of wideband pulsed light input to the stretching fiber. As a result, when the power of the input wideband pulsed light becomes larger than a certain limit, the wavelength characteristics of the output wideband extended pulsed light suddenly become non-uniform, and the spectrum becomes large and wavy. found. FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the results of an experiment confirming this point, and is a diagram showing the results of an experiment confirming an unintended nonlinear optical effect when a high-intensity wideband pulsed light is pulse-extended by a fiber. ..
  • the vertical axis is a logarithmic scale.
  • the spectral characteristics of the wideband extended pulsed light have a large wavy characteristic as shown in FIG. 3, it can be a big problem especially in the application of spectroscopic measurement. That is, due to the dynamic range of wavelengths, the SN ratio becomes extremely poor in a wavelength region where light is weak, and measurement may be substantially impossible in that wavelength region. It can also be a problem when it is necessary to irradiate light having a flat spectral distribution for reasons such as investigating the optical characteristics of a certain material. In addition, if light is generated in a wavelength range that is not originally required due to an unintended nonlinear optical effect, the input power will be used accordingly, resulting in reduced energy efficiency and sufficient intensity in the wavelength range that is originally required. Light will not be obtained.
  • the multi-core fiber 21 is adopted as the main extension fiber included in the extension fiber module 2. That is, according to the multi-core fiber 21, the power of the wideband pulsed light transmitted by one core 210 can be reduced, so that an unintended nonlinear optical effect is generated even when the wideband pulsed light source device has a high output as a whole. Can be prevented. Therefore, it becomes possible to perform spectroscopic measurement of a high SN ratio over a wide wavelength range with high efficiency.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a problem peculiar to pulse extension by a multi-core fiber.
  • the wideband pulsed light is divided into each core 210 and propagated, and the pulse is extended and emitted at each core 210.
  • the light emitted from each core 210 is superposed on the irradiation surface.
  • the power of the wideband pulsed light propagating in each core 210 is lower than that in the case of using a single core fiber. Therefore, an unintended nonlinear optical effect does not occur.
  • the multi-core fiber 21 although each core 210 is made of the same material, the wavelength dispersion characteristics are different, and therefore the pulse elongation situation is different among the cores. That is, as shown in FIG. 4, when the pulsed light extended and emitted by each core 210 is indicated by the pulse waveforms (time waveforms) P1 to P4, the timings of the pulsed lights P1 to P4 do not match and the width d. There is a deviation.
  • the time waveform of the output from the receiver 3 is at a certain time.
  • the wavelengths of the detected light do not match, and the light intensities of different wavelengths are mixed. Therefore, when such light is used for spectroscopic measurement, the accuracy of spectroscopic measurement is lowered.
  • the variation in wavelength dispersion characteristics between cores in such a multi-core fiber is caused by several factors.
  • the refractive index may differ slightly due to manufacturing factors.
  • the group delay of a light wave depends on the refractive index, so that the wavelength dispersion characteristic changes when the refractive index varies. In particular, when pulse extension is performed, the fiber becomes longer, so that the variation in wavelength dispersion characteristics tends to be remarkable.
  • wavelength dispersion characteristics also occur due to variations in core diameter.
  • the diameter of each core is the same by design, but there are slight variations in manufacturing.
  • group delay is also caused by the light wave propagating not only in the core but also in the clad so as to partially exude (structural dispersion).
  • the amount of seepage into the clad depends on the core diameter, and therefore, if the core diameter varies, the wavelength dispersion characteristics also vary.
  • the wavelength dispersion characteristics of the fiber also vary depending on the stress conditions generated by the external pressure applied to the fiber such as bending and twisting.
  • a fiber that can be stretched to the order of km is usually used in a wound state.
  • the stress situation differs between the core located inside and the core located outside during winding, and as a result, the wavelength dispersion characteristics also differ.
  • the inner core and the outer core may have different core diameters due to the difference in compression and tension, which also causes the wavelength dispersion characteristics to vary. Due to these factors, even if each core is made of the same material and has the same length as the specifications, the wavelength dispersion characteristics of each core are not constant, and as a result, the pulse elongation situation also varies.
  • the extension fiber module 2 is provided with the compensation fiber 22.
  • the compensating fiber 22 is connected to each core 210 of the multi-core fiber 21 to compensate for variations in wavelength dispersion characteristics between the cores of the multi-core fiber 21.
  • Each compensation fiber 22 is connected to each core 210 via a connector element 23.
  • a fan-out device can be used as the connector element 23.
  • a fan-out device having an appropriate configuration such as a melt-stretching type, a spatial optical type, or a planar waveguide type can be adopted as the connector element 23.
  • each compensation fiber 22 a single-core single-mode fiber of the same material is used in this embodiment. Since each compensation fiber 22 compensates for variations in the wavelength dispersion characteristics of each core of the multi-core fiber 21, it has a length that realizes compensation as described later.
  • the exit ends of the compensation fibers 22 are bundled and directed toward the irradiation surface, and the emitted broadband pulsed light is superimposed on the emission surface.
  • an appropriate emission side element may be provided on the emission side of each compensation fiber 22.
  • a bundle fiber, a fine-in device, or the like can be adopted.
  • a spatial optical element such as a lens may be provided so that light is irradiated so as to overlap the same irradiation region.
  • An appropriate connector element 24 is also arranged on the incident side of the multi-core fiber 21.
  • a configuration in which light is focused and incident on each core using a microlens array 241 can be adopted.
  • the light from the non-linear element 12 of the broadband pulse light source 1 is spread by the beam expander 242 and irradiated to the microlens array 241.
  • the microlens array 241 is an optical element in which a macro lens is arranged at a position corresponding to each core 210, and has a function of dividing and condensing light to be incident on each core 210.
  • each compensating fiber 22 has a length that realizes the purpose because it compensates for the variation in the wavelength dispersion characteristics between the cores of the multi-core fiber 21.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the length of each compensating fiber 22.
  • each core is 210a, 210b, 210c, 210d.
  • the four compensating fibers 22 are 22a, 22b, 22c, 22d.
  • each pulse of the wide band pulsed light after the pulse is extended in each core 210a to 210d is referred to as P1, P2, P3, P4.
  • the pulse of the wideband pulsed light before being extended is defined as P0.
  • the start of the pulse (the time when the longest wavelength ⁇ 1 exists) is t 1
  • the end of the pulse is t n .
  • the start of the pulse is t 11 , t 21 , t 31 , and t 41, and the end of the pulse is t 1n , t 2n , t 3n , and t 4n .
  • t 11 to t 41 all have the same time
  • t 1n to t 4n all have the same time.
  • t 11 to t 41 are deviated, and t 1n to t 4n are also deviated.
  • the variation in the wavelength dispersion characteristics is the variation in the group delay due to the difference in wavelength, it means the variation in the pulse width in each of the extended pulses P1 to P4.
  • the variation in the wavelength dispersion characteristics corresponds to the variation in the group delay due to the difference in the refractive index and structural factors, the amount of delay as a whole with respect to the pulse P0 before extension also differs. That is, not only the pulse width but also the pulse timing shifts.
  • the group delay is the smallest in the core 210a and the group delay is large in the core 210d, but this is only an example of the variation pattern of the wavelength dispersion characteristics, and the case where the group delay varies with other patterns. Of course there is.
  • each compensation fiber 22 is set to compensate for it. That is, the first compensating fiber 22a connected to the first core 210a has the longest length, the second compensating fiber 22b connected to the second core 210b has the next longest length, and the third The third compensating fiber 22c connected to the core 210c has the next longest length, and the fourth compensating fiber 22d connected to the fourth core 210d has the shortest length.
  • the difference in each length is selected according to the width of the pulse shift that is occurring.
  • each pulse when the compensation fibers 22a to 22d are emitted is emitted.
  • the pulse width and the pulse timing are the same.
  • the pulses P1 to P4 from the cores 210a to 210d of the multi-core fiber 21 are monitored by a measuring device such as an oscilloscope, and the compensation fibers 22 are connected according to the width d of each deviation. ..
  • each compensation fiber 22 is similarly observed with an oscilloscope to confirm whether or not the deviation width d is within the permissible value. If it is within the permissible value, the device is accepted and the shipment is OK. If it is not within the permissible value, the compensation fiber 22 is appropriately replaced and connected so that the deviation width d is within the permissible value. To do.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an allowable value of the deviation width of each pulse after compensation by the compensation fiber. Whether or not the deviation width of each pulse is within the permissible value is determined by using a measuring instrument such as an oscilloscope as described above, but the deviation width is sufficiently confirmed as in the center of the pulse. Perform based on the strong points. It may be performed at the beginning or end of the pulse, but since the intensity is weak at these timings, it is difficult to accurately confirm the width of the deviation. Therefore, the width of the deviation is specified by making a comparison at a sufficiently high intensity such as the center of the pulse (the center of the time width).
  • the pulse used as a reference when confirming the width of the deviation is P1, and the time at the center of the pulse P1 is t 1 m as shown in FIG. 6 (1).
  • the correspondence between time and wavelength for this pulse P1 is shown in FIG. 6 (2).
  • the wavelength corresponding to the time t 1 m is ⁇ m .
  • the pulse P2 propagates through a core having a larger variance than the pulse P1.
  • the pulse P2 is slightly delayed with respect to the pulse P1.
  • the width d of the deviation is the difference between t 1 m and t 2 m .
  • the width d of the deviation is a time dilation, but the wavelength deviation when the width d of the deviation exists, that is, the wavelength deviation observed at time t 1 m is defined as ⁇ .
  • the wavelength of ⁇ m-1 is observed at the time ⁇ t before t 1 m .
  • ⁇ t is the time resolution.
  • the wavelength of ⁇ m-1 is associated with the wavelength of the time immediately before t m1 .
  • the previous time is the photoelectric conversion intensity read at the previous timing in the signal ejection cycle in the receiver.
  • the width d of the deviation is large and the wavelength deviation ⁇ exceeds ⁇ m-1 , as shown in FIG. 6 (2), the intensity of light of the adjacent wavelength is included in the intensity of the wavelength of ⁇ m. (Or the intensity of light with a wavelength farther away) will be included. If ⁇ is less than or equal to the wavelength resolution ⁇ , the difference is the spectral intensity that cannot be decomposed originally, so the problem is small. However, if the wavelength resolution ⁇ is exceeded, the problem becomes apparent. Therefore, the width d of the deviation may be a width that is equal to or less than the wavelength resolution at the wavelength. The wavelength resolution or less means that the deviation width d is equal to or less than the adjacent wavelength when multiplied by ⁇ / ⁇ t.
  • the wideband pulsed light is divided by the multi-core fiber 21 and pulse-stretched, an unintended nonlinear optical effect is obtained at the time of pulse stretching while being a high-output light source device. Can be prevented. Therefore, it becomes possible to perform spectroscopic measurement of a high SN ratio over a wide wavelength range with high efficiency. Since the variation in the wavelength dispersion characteristics of each core is compensated by the compensation fiber 22, the uniqueness of time vs. wavelength is accurately maintained when the divided and pulse-extended light is superposed.
  • the compensating fiber 22 is connected to each core 210, but depending on the occurrence of variation in wavelength dispersion characteristics, it may be sufficient to connect to only one core 210. In some cases, it is sufficient to connect only to the core 210 of the unit.
  • FIG. 7 is a schematic view of the broadband pulse light source device of the second embodiment.
  • the wideband pulse light source device of the second embodiment is different from the first embodiment in that it includes a temperature control mechanism 4 for adjusting the temperature of the compensation fiber 22.
  • the temperature control mechanism 4 is provided on each compensation fiber 22, and the temperature of each compensation fiber 22 can be controlled independently of each other.
  • Each temperature control mechanism 4 may use either a gas or a liquid as a heat medium.
  • a mechanism for arranging the compensating fiber 22 in a constant temperature bath filled with a heat medium such as water or purge gas and adjusting the temperature of the heat medium can be adopted.
  • the operation of each temperature control mechanism 4 is also optimized. That is, a monitor mechanism 5 for controlling the operation of each temperature control mechanism 4 is provided, and each temperature control mechanism 4 operates according to a signal from the monitor mechanism 5.
  • thermocontrol There are two main ways of thinking about temperature control. One is that when the temperature of the compensating fiber 22 changes, the refractive index changes and the wavelength dispersion characteristics change. As a result, the wavelength dispersion characteristics vary from those of the other compensating fibers 22, and the timing of the emitted wideband pulsed light shifts. In order to prevent this, the temperature of the compensating fiber 22 is detected and the temperature is adjusted to keep the temperature of the compensating fiber 22 constant. Another idea is that if the timing of the broadband pulsed light deviates regardless of the temperature of the compensating fiber 22, the temperature is adjusted so as to compensate for the deviation.
  • the former way of thinking also enables the emission of wideband pulsed light with good time-to-wavelength uniqueness, but in this embodiment, the latter way of thinking is adopted in order to further enhance the uniqueness of time-to-wavelength.
  • the former idea is that the wavelength dispersion characteristic becomes constant if the temperature is kept constant, but in the case of this idea, it cannot be dealt with when the wavelength dispersion characteristic changes regardless of the temperature. For example, if the material of the compensating fiber 22 itself changes with time and the wavelength dispersion characteristics change, it cannot be dealt with. According to the latter idea, it is possible to cope with such a change in wavelength dispersion characteristics. Therefore, in this embodiment, as the monitor mechanism 5, one that monitors the variation in the wavelength dispersion characteristics of each compensating fiber 22 is adopted.
  • the monitor mechanism 5 receives each wideband pulsed light after being pulse-extended by the multi-core fiber 21 and each compensation fiber 22.
  • each compensation fiber 22 is connected to the bundle fiber 26 via a relay fiber 25.
  • Each relay fiber 25 is branched in the middle, one for irradiation and the other for monitoring.
  • the power to branch for the monitor may be small, and 10% or less of the total may be sufficient.
  • the monitor receiver 51 is arranged at a position where the light emitted from the monitor branch end of each relay fiber 25 is received. As shown in FIG. 7, in this embodiment, a controller 50 that sends a control signal to each temperature control mechanism 4 is provided. Each monitor receiver 51 is connected to the controller 50 via an AD converter 52.
  • the controller 50 has a built-in processor, processes the detection data from each monitor receiver 51, and calculates the deviation width of each wideband pulsed light. Further, the controller 50 has a storage unit such as a memory, and the threshold value of the width of deviation is stored in the storage unit. Further, the storage unit stores in advance a reference value for calculating the temperature control amount when the threshold value is exceeded. The controller 50 is configured to calculate the temperature control amount according to the set reference value, send a control signal to the temperature control mechanism 4, and change the temperature by that amount.
  • FIG. 8 is a schematic view showing the control of the temperature control mechanism in the second embodiment.
  • a specific compensating fiber 22 is used as a reference, and the timing deviation of other emission pulses is monitored with the emission pulse from the compensating fiber 22 as a reference.
  • the compensation fiber 22 that serves as a reference is referred to as a reference fiber.
  • a deviation of the emission pulse P2 from the compensation fiber 22 with respect to the emission pulse P1 from the reference fiber 22 is observed.
  • the width d of the deviation at the center of the pulses P1 and P2 specified in the detection data is calculated.
  • the temperature control mechanism 4 may be controlled by the operator manually, but it can also be controlled by a program mounted on the controller 50 (hereinafter, referred to as a temperature control program).
  • FIG. 9 is a flowchart schematically showing an example of a temperature control program.
  • a reference value for eliminating the above deviation is stored in the storage unit of the controller 50.
  • the reference value is a reference value indicating how much the timing of the emission pulse shifts when the temperature is changed, and is experimentally obtained and stored in advance. Specifically, the refractive index decreases as the temperature rises, and the wavelength dispersion increases as the refractive index decreases. Therefore, the timing of the broadband pulsed light is delayed. On the contrary, as the temperature decreases, the refractive index increases and the wavelength dispersion decreases.
  • the timing of the wideband pulsed light is accelerated. Therefore, when a certain time is set to 0 and the timing of emitting the wideband extended pulse light is represented, it is roughly as shown in FIG. 8 (2).
  • the width ⁇ d of the timing deviation with respect to the temperature change ⁇ T can be experimentally investigated. In this embodiment, ⁇ d / ⁇ T is examined in advance for each compensation fiber 22, and this value is stored in the storage unit of the controller 50.
  • the temperature control mechanism 4 controls the temperature so that the temperature of the compensation fiber 22 rises or falls by the temperature control amount T.
  • the temperature control program is programmed and implemented in the controller 50 so that the temperature control mechanism 4 performs such temperature control.
  • the variation in the wavelength dispersion characteristics of each compensating fiber 22 is suppressed by the temperature adjustment, so that the wavelength dispersion characteristics change due to the change in the usage environment and the characteristic change of the fiber material itself. Even in this case, the timing deviation of each emitted wideband pulsed light is suppressed to a small extent. Therefore, the uniqueness of time vs. wavelength is high and stable, and the wideband pulse light source device with high reliability is obtained.
  • the threshold value of the deviation width d can be the same as the deviation width d in the first embodiment. That is, when grasping the deviation width d at the center of the pulse width (time width), the time width is equal to or less than the wavelength resolution at the wavelength corresponding to the time at the center. If this width is exceeded, the temperature is adjusted as described above.
  • the temperature of each compensating fiber 22 may be detected by a sensor and controlled so as to be constant. Even in this case, the variation in the wavelength dispersion characteristics due to the temperature change and the variation in the emission timing of the broadband pulsed light are suppressed, so that the accuracy of time-to-wavelength uniqueness is improved.
  • the temperature control mechanism 4 is provided for each compensating fiber 22, and the temperature is controlled independently of each compensating fiber 22. Therefore, fine temperature control is possible and variation in wavelength dispersion characteristics is finely suppressed. be able to. Therefore, the uniqueness of time vs. wavelength is maintained with higher accuracy.
  • the temperature control mechanism 4 may be a mechanism for collectively controlling the temperature of a plurality of compensation fibers 22. In this case, the effect that the change in the wavelength dispersion characteristic (variation with time) due to the temperature change can be suppressed for the plurality of compensating fibers 22 is brought about.
  • the point that the temperature control mechanism 4 operates when the width d of the timing shift of the emission of the broadband pulsed light exceeds the threshold value is that the operation of the temperature control mechanism 4 is the minimum necessary. It is meaningful to limit. This point has the effect of improving the energy saving performance of the device.
  • the point that the temperature control amount is calculated according to the reference value obtained in advance and the temperature control is performed has an effect that the temperature control does not become insufficient or excessive.
  • temperature control the temperature rise (heating) is continued and stopped when the deviation width d becomes below the threshold value, or the temperature continues to decrease (cooling) and the deviation width d is below the threshold value. There is also a method of stopping when the temperature becomes high, but this may cause a problem that the temperature control is temporarily insufficient or excessive. In the configuration of the above embodiment, there is no such problem.
  • FIG. 10 is a schematic view of the broadband pulse light source device of the third embodiment.
  • the extension fiber module 2 includes a multi-core fiber 21 and each compensation fiber 22, and each compensation fiber 22 compensates for variations in wavelength dispersion characteristics between the cores of the multi-core fiber 21. ing.
  • a temperature control mechanism 4 is attached to each compensation fiber 22, and a controller 50 for controlling each temperature control mechanism 4 is provided.
  • each compensation fiber 22 is arranged on the incident side of the multi-core fiber 21, and the arrangement position is opposite to that of the first and second embodiments. Since the wavelength dispersion is determined by the length of the entire transmission line, the effect is equivalent even with such an arrangement.
  • the fiber as the nonlinear element 12 in the broadband pulse light source 1 is a fiber having a branched emission end. The number of branches is equal to the number of cores in the multi-core fiber 21.
  • Each exit end of the fiber as the non-linear element 12 is connected to each core 210 of the multi-core fiber 21 via a connector element 27, a relay fiber 25, and another connector element 27.
  • each monitor mechanism 5 extracts light on the incident side of each compensation fiber 22. It is composed. That is, each monitor mechanism 5 extracts the light reflected and returned at the exit end of the multi-core fiber 21 to detect the timing of the pulse.
  • an optical circulator 53 is arranged as a branch element on each relay fiber 25.
  • a monitor fiber (reference numeral omitted) is connected to each optical circulator 53, and a monitor receiver 51 is arranged at a position facing the emission end of each monitor fiber.
  • Each monitor receiver 51 is similarly connected to the controller 50 via the AD converter 52.
  • each core 210 of the multi-core fiber 21 Most of the wideband pulsed light propagating in each core 210 of the multi-core fiber 21 is emitted from the emission end and is irradiated on the irradiation surface, but some light is reflected back at the emission end. This reflected light returns from each core of the multi-core fiber 21 through each compensation fiber 22, is taken out by an optical circulator 53 on each relay fiber 25, and is detected by each monitor receiver 51.
  • the detection data from each monitor receiver 51 is processed to calculate the deviation width d of the timing of each pulse, and if the deviation width d exceeds the threshold value, it is exceeded.
  • the temperature control mechanism 4 of the compensation fiber 22 operates. Therefore, the width d of the deviation is suppressed to the threshold value or less, and the wide band pulsed light in which the uniqueness of time vs. wavelength is maintained is emitted.
  • each monitor detects the light reflected and returned at the exit end of the multi-core fiber 21, so that the overall wavelength variance is doubled and therefore the shift width d is also doubled. Therefore, the calculated deviation width d is multiplied by 1/2 and compared with the threshold value, or the threshold value is doubled before comparison.
  • FIG. 11 is a schematic view of the broadband pulse light source device of the fourth embodiment.
  • the extension fiber module 2 includes a multi-core fiber 21 and each compensation fiber 22, and each compensation fiber 22 compensates for variations in wavelength dispersion characteristics between the cores of the multi-core fiber 21. ing.
  • each compensating fiber 22 is provided with a length adjusting mechanism 40.
  • the length adjusting mechanism 40 for example, a mechanism for adjusting the length by expanding and contracting the compensation fiber 22 by a piezo element can be adopted.
  • a monitor mechanism 5 for detecting a deviation in the emission timing of the wideband pulsed light emitted from each compensation fiber 22 is provided.
  • the deviation detected by the monitor mechanism 5 is input to the controller 50, and each length adjusting mechanism 40 is controlled according to the deviation of the controller. That is, when the width of the deviation exceeds the threshold value, the length adjusting mechanism 40 operates. Then, with respect to the compensation fiber 22 that is emitted at an earlier timing than a certain compensation fiber 22, the length adjusting mechanism 40 extends the compensation fiber 22 to lengthen the optical path length, and the compensation fiber 22 that is emitted at a later timing is provided. Shrinks to shorten the optical path length. By adjusting the optical path length, the wavelength dispersion becomes uniform as a whole, and each wideband pulsed light is emitted at a timing without deviation.
  • the relationship between the amount of change in the length of each compensating fiber 22 and the width of the deviation is investigated in advance in the controller 50, and is stored in the storage unit in the controller 50 as a reference value.
  • the processor included in the controller 50 determines the length adjustment amount of each compensation fiber 22 according to this reference value, and operates each length adjustment mechanism 40.
  • the deviation of the emission timing of each wideband pulsed light is suppressed to the threshold value or less. Therefore, a wide band pulsed light having a high uniqueness of time vs. wavelength is emitted.
  • the wavelength dispersion amount can be adjusted with good responsiveness, so that the wavelength dispersion characteristic is improved. It is excellent in terms of high-speed operation that suppresses variations.
  • FIG. 12 is a schematic view of the spectroscopic measuring device of the embodiment.
  • the spectroscopic measurement apparatus shown in FIG. 12 includes a broadband pulse light source device 10, a receiver 7 arranged at a position where light from the object S irradiated with the broadband pulse light from the broadband pulse light source device 10 is received, and a receiver. It is provided with a calculation means 8 for processing the output from 7.
  • the device of the second embodiment described above is used, but it goes without saying that the device of the first embodiment or the devices of the third and fourth embodiments may be used.
  • the object S is arranged on the transparent receiving plate 6. Since the measurement wavelength band is in the near infrared region of about 900 nm to 1300 nm, the receiving plate 6 is made of a material having good transmittance in this band.
  • a receiver 7 is arranged on the light emitting side of the receiving plate 6.
  • a photodiode is used as the receiver 7.
  • a high-speed photodiode of about 1 GHz to 10 GHz can be preferably used.
  • a general-purpose PC equipped with a processor 81 and a storage 82 can be used.
  • Spectroscopic measurement software is installed in the storage 82, which is used in the measurement program 83 including a code for converting the temporal change of the output from the receiver 7 into a spectrum, and in calculating the spectrum.
  • Reference spectrum data 84 and the like are included.
  • An AD converter 71 is provided between the receiver 7 and the general-purpose PC, and the output of the receiver 7 is converted into digital data by the AD converter 71 and input to the general-purpose PC.
  • FIG. 13 is a schematic view showing the configuration of a measurement program included in the spectroscopic measurement software.
  • the example of FIG. 13 is an example of the configuration for measuring the absorption spectrum (spectral absorption rate).
  • the reference spectrum data 84 is a value for each wavelength that serves as a reference for calculating the absorption spectrum.
  • the reference spectrum data 84 is acquired by causing the light from the broadband pulse light source device 10 to enter the light receiver 7 without passing through the object S. That is, the light is directly incident on the receiver 7 without passing through the object S, the output of the receiver 7 is input to the general-purpose PC via the AD converter 71, and the value for each time resolution ⁇ t is acquired.
  • Each value is stored as the reference intensity of each time (t 1 , t 2 , t 3 , ..., Hereinafter referred to as the time in the pulse) for each ⁇ t in the pulse (V 1 , V 2 , V 3). , .
  • the relationship between the in-pulse time t 1 , t 2 , t 3 , ... And the wavelength has been investigated in advance, and the values of each in-pulse time V 1 , V 2 , V 3 , ... Are ⁇ 1 , respectively. It is treated as a value of ⁇ 2 , ⁇ 3 , ...
  • the output from the receiver 7 passes through the AD converter 71 and similarly, the time in each pulse t 1 , t 2 , t2, It is stored in the memory as a value (measured value) of t 3 , ... (v 1 , v 2 , v 3 , ).
  • Each measurement is compared to reference spectrum data 84 (v 1 / V 1 , v 2 / V 2 , v 3 / V 3 , ). Then, if necessary, the logarithm of the reciprocal is taken and used as the calculation result of the absorption spectrum.
  • the measurement program 83 is programmed to perform the above arithmetic processing.
  • the measurement program 83 is programmed to perform the above arithmetic processing.
  • the absorption spectrum is examined, but in reality, the ratio of the components of the object is analyzed or the object is identified by examining the absorption spectrum. Sometimes.
  • the broadband pulse light source device 10 is operated in a state where the object S is not arranged, the output data from the receiver 7 is processed, and the reference spectrum data 84 is acquired in advance. To do. Then, the object S is arranged on the receiving plate 7, and the broadband pulse light source device 10 is operated again. Then, the output data from the receiver 7 is input to the calculation means 8 via the AD converter 71, converted into a spectrum by the measurement program 83, and the absorption spectrum is calculated.
  • the wideband pulse light source device 10 in which an unintended nonlinear optical effect does not occur is used in the extended fiber module 2, the uniqueness of time to wavelength is highly maintained. Spectroscopic measurement can be performed with light. Therefore, the accuracy of spectroscopic measurement is high. Further, there is no problem that the SN ratio is lowered in a specific wavelength range due to the dynamic range. Further, since it is possible to irradiate light with high energy efficiency, there is an advantage that it is possible to measure an object having a large amount of light absorption with a high transmitted light intensity.
  • the compensating fiber 22 compensates for the variation in the wavelength dispersion characteristics between the cores of the multi-core fiber 21, the accuracy of time-to-wavelength uniqueness is further improved. Therefore, the accuracy of spectroscopic measurement is improved in this respect as well.
  • the spectroscopic measurement of the transmitted light from the object S is taken as an example, but the light receiver 7 is provided at a position where the reflected light from the object S is received, and the spectroscopic measurement of the reflected light from the object S is performed. It is also possible to do so, and the same effect can be obtained in this case as well.
  • the light from the object S can be transmitted light, reflected light, fluorescence, scattered light, or the like from the object S irradiated with light.
  • the broadband pulse light source device of each of the above-described embodiments can be applied not only to spectroscopic measurement but also to microscope technology such as a nonlinear optical microscope.
  • the broadband pulse light source 1 in addition to a light source that emits SC light, an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source, an SLD (Superluminescent diode) light source, or the like may be adopted. Since the ASE light source is light generated in the fiber, it has a high affinity with the fiber, and a wide band pulse light can be incident on the extended fiber module 2 with low loss, so that a high efficiency wide band pulse light source device can be configured. it can. Further, since the SLD light source also extracts light emitted from the narrow active layer, it can be incident on the extended fiber module 2 with low loss, and a high-efficiency wideband pulse light source device can be configured.
  • a bundle fiber may be used instead of the multi-core fiber 21.
  • the bundle fiber a structure in which a plurality of single-core single-mode fibers are bundled is adopted. Theoretically, a bundle of only two fibers is effective, but a bundle of about 2 to 7 fibers can be used.
  • the material may be quartz-based, fluorine-based, or the like, and a material having little loss in the wavelength band of wideband pulsed light is preferably used.
  • the bundling method may be fusion (fusion) as well as adhesion.
  • a fused branch fiber can be used in addition to the spatial optical type fine device.
  • a configuration is conceivable in which the exit end of the fiber as the nonlinear element 12 is branched into a plurality of pieces, and each fiber of the bundle fiber is connected to each of the branched and extended fibers.
  • Bundled fiber is cheaper to obtain than multi-core fiber, so it has a cost advantage.
  • the multi-core fiber is structurally more compact than the bundled fiber, and has the advantage of not being as bulky as the bundled fiber when looped.
  • the loss at the incident end face is often smaller in the multi-core fiber than in the bundle fiber, and the multi-core fiber is superior in terms of efficiency.
  • Wideband pulse light source 10 Wideband pulse light source device 2
  • Stretched fiber module 21 Multi-core fiber 210 Core 22 Compensation fiber 4
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Abstract

【課題】　時間と波長との一意性を保持しつつ高出力とした場合にも時間と波長との一意性が崩れることのない広帯域パルス光源装置を提供する。 【解決手段】　広帯域パルス光源１からの広帯域パルス光のパルス幅を、パルス内で時間と波長とが１対１で対応するように伸長させる伸長ファイバモジュール２は、マルチコアファイバ２１と、マルチコアファイバ２１のコア２１０に接続されたシングルコアの補償ファイバ２２とを備えている。補償ファイバ２２は、マルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償し、温度調節機構４によって温度調節される。

Description

広帯域パルス光源装置、分光測定装置及び分光測定方法
　この出願の発明は、広帯域パルス光を出射する光源装置に関するものであり、また広帯域パルス光を利用して対象物の分光特性を測定する装置や方法に関するものである。
　パルス光源の典型的なものは、パルス発振のレーザ（パルスレーザ）である。近年、パルスレーザの波長を広帯域化させる研究が盛んに行われており、その典型が、非線形光学効果を利用したスーパーコンティニウム光（以下、ＳＣ光という。）の生成である。ＳＣ光は、パルスレーザ源からの光をファイバのような非線形素子に通し、自己位相変調や光ソリトンのような非線形光学効果により波長を広帯域化させることで得られる光である。
特開２０１３－２０５３９０号公報
　上述した広帯域パルス光は、波長域としては大幅に伸長されているが、パルス幅（時間幅）としてはＳＣ光の生成に用いた入力パルスに近いパルス幅のままである。しかし、ファイバのような伝送素子における群遅延を利用するとパルス幅も伸長することができる。この際、適切な波長分散特性を持つ素子を選択すると、パルス内の時間（経過時間）と波長とが１対１に対応した状態でパルス伸長することができる。
　このようにパルス伸長させた広帯域パルス光（以下、広帯域伸長パルス光という。）における時間と波長との対応関係は、分光測定に効果的に利用することが可能である。広帯域伸長パルス光をある受光器で受光した場合、受光器が検出した光強度の時間的変化は、各波長の光強度即ちスペクトルに対応している。したがって、受光器の出力データの時間的変化をスペクトルに変換することができ、回折格子のような特別な分散素子を用いなくても分光測定が可能になる。つまり、広帯域伸長パルス光を対象物に照射してその対象物からの光を受光器で受光してその時間的変化を測定することで、その対象物の分光特性（例えば分光透過率）を知ることができるようになる。
　このように、広帯域伸長パルス光は分光測定等の分野で特に有益となっている。しかしながら、発明者の研究によると、より強い光を照射すべく広帯域パルス光源の出力を高くした場合、意図しない非線形光学効果がパルス伸長素子において生じ、時間と波長との一意性（１対１の対応性）が崩れてしまうことが判明した。
　この出願の発明は、この知見に基づくものであり、時間と波長との一意性を保持しつつ高出力とした場合にも時間と波長との一意性が崩れることのない広帯域パルス光源装置を提供することを目的としている。
　上記課題を解決するため、この出願の発明に係る広帯域パルス光源装置は、広帯域パルス光源と、広帯域パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅を、パルス内において時間と光の波長とが１対１で対応するように伸長させる伸長ファイバモジュールとを備えている。伸長ファイバモジュールは、マルチコアファイバ又はバンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、補償ファイバは、マルチコアファイバのコア又はバンドルファイバのファイバに接続されており、マルチコアファイバのコア間又はバンドルファイバのファイバ間の波長分散特性のばらつきを補償する。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、補償ファイバが、マルチコアファイバの二個以上のコア又はバンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されているという構成を持ち得る。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備え得る。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するモニタ機構が設けられており、温度調節機構がこのモニタ機構が検出したタイミングのずれの幅に応じて温度調節を行う機構であるという構成を持ち得る。
　また、上記課題を解決するため、温度調節機構は、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅がしきい値以上の場合に動作する機構であり得る。
　また、上記課題を解決するため、温度調節機構は、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅に応じて予め定めた量の温度調節を行う機構であり得る。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられているという構成を持ち得る。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、伸長ファイバモジュールが、マルチコアファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、マルチコアファイバは、シングルモードのマルチコアファイバであるという構成を持ち得る。
　また、上記課題を解決するため、この広帯域パルス光源装置は、伸長ファイバモジュールが、バンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、バンドルファイバは、シングルモードファイバをバンドルしたファイバであるという構成を持ち得る。
　また、上記課題を解決するため、補償ファイバは、シングルモードファイバであり得る。
　また、上記課題を解決するため、この出願の発明に係る分光測定装置は、上記広帯域パルス光源装置と、上記広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された受光器と、受光器からの出力データをスペクトルに変換する演算を行う演算手段とを備えている。
　また、上記課題を解決するため、この出願の発明に係る分光測定方法は、上記広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光を対象物に照射するステップと、光照射された対象物からの光を受光器で受光するステップと、受光器からの出力データを演算手段によりスペクトルに変換するステップとを備えている。
　以下に説明する通り、この出願の発明に係る広帯域パルス光源装置によれば、広帯域パルス光がマルチコアファイバ又はバンドルファイバにより分割されてパルス伸長されるため、高出力の光源装置としつつもパルス伸長の際に意図しない非線形光学効果が生じるのを防止することができる。そして、各コアの波長分散特性のばらつきが補償ファイバによって補償されるので、分割されてパルス伸長された光が重ね合わされた際、時間対波長の一意性が精度良く保持される。
　また、この出願の発明に係る分光測定装置又は分光測定方法によれば、上記効果を有する広帯域パルス光源装置を使用するので、時間対波長の一意性が高く保持された光により分光測定が行える。このため、分光測定の精度が高くなる。また、ダイナミックレンジの関係で特定の波長域においてＳＮ比が低下してしまう問題はない。さらに、エネルギー効率を高くして光を照射できることから、光吸収の多い対象物についても透過光強度を高くして測定することができるメリットもある。
　また、補償ファイバがマルチコアファイバの二個以上のコア又はバンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されていると、広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを細かく調節することができる。このため、上記効果がさらに高くなる。
　また、広帯域パルス光源装置が補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備えていると、補償ファイバの波長分散特性のばらつきに起因した広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを温度調節によって抑え込むことができるので、時間対波長の一意性がさらに精度良く保持される。
　また、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するするモニタ機構が設けられており、温度調節機構がこのモニタ機構が検出したタイミングのずれに応じて温度調節を行う機構であると、温度変化によらない波長分散特性のばらつきも抑え込むことができ、この点で時間対波長の一意性の精度がさらに高く保持される。
　また、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれがしきい値以上の場合に動作する機構であると、温度調節機構の動作を必要最小限とすることができ、省エネルギー効果に優れた装置が提供される。
　また、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれに応じて予め定めた量の温度調節を行う機構であると、ずれに応じた調整量が容易に達成され、温度調節が不足したり過剰になってしまったりする問題が生じない。
　また、補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられていると、波長分散特性のばらつきの抑え込みを温度調節により行う方法に比べ高速に行うことができるようになる。
第一の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。 ファイバによる広帯域パルス光のパルス伸長について示した概略図である。 高強度の広帯域パルス光をファイバによりパルス伸長させた場合の意図しない非線形光学効果について確認した実験の結果を示した図である。 マルチコアファイバによるパルス伸長特有の課題について示した概略図である。 各補償ファイバの長さについて示した概略図である。 補償ファイバによる補償後の各パルスのずれの幅の許容値について示した概略図である。 第二の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。 第二の実施形態における温度調節機構の制御について示した概略図である。 温度調節プログラムの一例を概略的に示したフローチャートである。 第三の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。 第四の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。 実施形態の分光測定装置の概略図である。 分光測定ソフトウェアに含まれる測定プログラムの構成について示した概略図である。
　次に、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
　まず、広帯域パルス光源装置の発明の実施形態について説明する。図１は、第一の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。
　図１に示す広帯域パルス光源装置は、広帯域パルス光を出射する広帯域パルス光源１と、広帯域パルス光源１から出射される広帯域パルス光のパルス幅を伸長する伸長ファイバモジュール２とを備えている。
　広帯域パルス光源１としては、この実施形態では、ＳＣ光を出力するものが使用されている。具体的には、広帯域パルス光源１は、パルスレーザ源１１と、パルスレーザ源１１からの光が入射する非線形素子１２とを備えている。
　パルスレーザ源１１としては、種々のものを用いることができるが、例えばゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。非線形光学効果によりＳＣ光を生成するため、パルスレーザ源１１は超短パルスレーザ源であることが望ましい。
　非線形素子１２には、ファイバが使用される場合が多い。例えば、フォトニッククリスタルファイバやその他パルスを入力して非線形が生じるファイバであれば非線形素子１２として使用できる。広帯域パルス光源が後述のように分光測定に用いられる場合、ファイバのモードとしては測定安定性の観点からシングルモードを用いる場合が多いが、マルチモードであっても十分な非線形性を示し、測定波長範囲において期待する測定安定性が得られるものであれば、非線形素子１２として使用できる。
　この実施形態の広帯域パルス光源装置は、材料の分光分析等の光測定に利用されることを想定しており、したがって出射される広帯域パルス光は、９００ｎｍ～１３００ｎｍ程度の近赤外域の光となっている。また、広帯域とは、ある波長幅において連続スペクトルであることを意味するが、これは例えば少なくとも１０ｎｍ、５０ｎｍ又は１００ｎｍの波長幅に亘って連続スペクトルの光ということになる。つまり、この実施形態では、広帯域パルス光源１は、９００ｎｍから１３００ｎｍの範囲において少なくとも１０ｎｍ、５０ｎｍ又は１００ｎｍの波長幅に亘って連続したスペクトルの光を出射する光源となっている。
　伸長ファイバモジュール２は、ファイバ系の素子によってパルス伸長を行うモジュールである。伸長ファイバモジュール２は、パルス伸長の際、パルス幅が伸長された広帯域パルス光においてパルス内の時間と光の波長とが１対１に対応するようにしている。図２は、ファイバによる広帯域パルス光のパルス伸長について示した概略図である。
　パルスレーザ源１１が例えば超短パルスレーザ光Ｌ１を発振すると、超短パルスレーザ光Ｌ１は、非線形素子１２に入射して非線形光学効果が生じ、ある波長域で連続スペクトルであるＳＣ光Ｌ２となって出射する。このＳＣ光Ｌ２を当該波長範囲で負の分散値を示す伸長用のファイバ（正常分散ファイバ）２０に通すと、パルス幅が効果的に伸長される。
　即ち、図２に示すように、ＳＣ光Ｌ２においては、超短パルスではあるものの、１パルスの初期に最も長い波長λ１の光が存在し、時間が経過すると徐々に短い波長の光が存在し、パルスの終期には最も短い波長λｎの光が存在する。この光を、正常分散ファイバでるファイバ２０に通すと、ファイバ２０では、波長の短い光ほど遅れて伝搬するので、１パルス内の時間差が増長され、ファイバ２０を出射する際には、短い波長の光は長い波長の光に比べてさらに遅れるようになる。この結果、出射するＳＣ光Ｌ３は、時間対波長の一意性が確保された状態でパルス幅が伸長された光となる。即ち、図２の下側に示すように、時刻ｔ１～ｔｎは、波長λ１～λｎに対してそれぞれ１対１で対応した状態でパルス伸長される。
　したがって、時間を特定して光強度を求めれば、それは、その時間に対応する波長の光強度（スペクトル）を示すことになる。これは、回折格子のような特別な素子を使用しなくても分光測定が行えるできることを意味する。尚、図２に示すΔλ／Δｔは、時間の変化に対する波長の変化の大きさを示し、Δλは波長分解能を表している。Δｔは受光器の検出速度（信号払い出し周期）に依存しており、従って波長分解能を高くするには、Δλ／Δｔを小さく（勾配を緩やかに）する必要がある。このためには、伸長量を多くする必要がある。
　尚、伸長用のファイバ２０としては、異常分散ファイバを使用することも可能である。この場合は、ＳＣ光においてパルスの初期に存在していた長波長側の光が遅れ、後の時刻に存在していた短波長側の光が進む状態で分散するので、１パルス内での時間的関係が逆転し、１パルスの初期に短波長側の光が存在し、時間経過とともにより長波長側の光が存在する状態でパルス伸長されることになる。上述の通り、波長帯域によって正常分散または異常分散で分散の絶対値が大きいファイバを用いる。
　通信などで使用される一般的なシングルモードファイバは波長９００～１３００ｎｍにおいて正常分散を示すため、この実施形態では正常分散ファイバを用いている。
　実施形態の広帯域パルス光源装置において、伸長ファイバモジュール２は、マルチコアファイバ２１を備えており、マルチコアファイバ２１によってメインのパルス伸長作用を発揮させるモジュールとなっている。マルチコアファイバ２１を採用する点は、広帯域パルス光源装置の高出力化をテーマとした発明者の研究の成果に基づいている。以下、この点について説明する。
　ファイバを使用したパルス伸長において、ファイバには何らかの損失があり、パルス伸長の際に損失が生じるのが避けられない。特に、前述したように波長分解能を高くするには伸長量を多くする必要があるが、伸長量はファイバ長に依存しており、伸長量を多くするにはファイバを長くする必要がある。しかし、ファイバを長くすると、損失が大きくなってしまい、出力の低下、効率の低下を招く。
　したがって、高分解能の広帯域パルス光を高出力で出射するには、伸長用のファイバにおける損失を補償することが必要になってくる。この方法としてまず考えられるのは、伸長用のファイバに入力させる広帯域パルス光のパワーを大きくすることである。発明者は、このような考えに基づき、伸長用のファイバに入力する広帯域パルス光のパワーを大きくする実験を行った。この結果、入力される広帯域パルス光のパワーがある限度以上大きくなると、出力される広帯域伸長パルス光の波長特性が急に不均一になり、スペクトルが大きく波を打ったような状態となることが判明した。図３は、この点を確認した実験の結果を示す図であり、高強度の広帯域パルス光をファイバによりパルス伸長させた場合の意図しない非線形光学効果について確認した実験の結果を示した図である。図３において縦軸は対数目盛である。
　図３に結果を示す実験では、中心波長１０６４ｎｍ、パルス幅２ナノ秒のマイクロチップレーザ光を非線形素子としてのフォトニッククリスタルファイバに入れてＳＣ光とし、長さ５ｋｍのシングルモードファイバを使用してパルス伸長させた。シングルモードファイバは、１１００ｎｍ～１２００ｎｍの範囲で正常分散のファイバである。この際、シングルモードファイバへの入射ＳＣ光のエネルギーを、０．００９μＪ、０．０３８μＪ、０．１９μＪ、０．７９μＪと変化させた。
　図３に示すように、ＳＣ光のエネルギーが０．１９μＪまでの場合には、１１００ｎｍ～１２００ｎｍの波長範囲において出射光強度の大きなばらつきはないが、０．７９μＪの場合、出射光強度は波長に応じて激しく変動する。このような変動は、伸長用のシングルモードファイバに入射して伝搬する過程でＳＣ光に意図しないさらなる非線形光学効果が生じたことを示すものである。このような非線形光学効果が生じると、新たな波長が別の時刻に生成されるため、時間波長一意性が崩れてしまう。尚、図３に結果を示す実験では、入射するＳＣ光のパルス幅は変わっていないので、ピーク値を変化させたということになる。
　広帯域伸長パルス光の分光特性が図３に示すように大きく波打つような特性であると、特に分光測定の用途では大きな問題となり得る。即ち、波長のダイナミックレンジの関係で、光が弱い波長域についてはＳＮ比が極端に悪くなり、その波長域では実質的に測定不能となり得る。また、ある材料の光特性を調べる等の理由でフラットな分光分布の光を照射する必要がある場合も、問題となり得る。
　また、意図しない非線形光学効果により、本来必要ではない波長域において光が生成されると、その分で入力パワーが使われてしまうので、エネルギー効率が低下し、本来必要な波長域において十分な強度の光が得られないことになる。
　この実施形態では、上記の点を考慮し、伸長ファイバモジュール２が備えるメインの伸長用のファイバとしてマルチコアファイバ２１を採用している。即ち、マルチコアファイバ２１によれば、一つのコア２１０が伝送する広帯域パルス光のパワーを小さくすることができるので、全体として高出力の広帯域パルス光源装置とした場合でも、意図しない非線形光学効果の発生を防止することができる。このため、広い波長域に亘って高ＳＮ比の分光測定を高効率で行うことができるようになる。
　パルス伸長のためにマルチコアファイバ２１を採用することは上記のように有益であるが、発明者の研究によると、マルチコアファイバ特有の課題が発生することが判ってきた。以下、この点について説明する。図４は、マルチコアファイバによるパルス伸長特有の課題について示した概略図である。
　広帯域パルス光は、各コア２１０に分割されて伝搬し、各コア２１０でパルス伸長されて出射する。各コア２１０から出射した光は、照射面で重ね合わされる。このようにすると、各コア２１０で伝搬する広帯域パルス光のパワーはシングルコアのファイバを使用する場合に比べて低くなる。このため、意図しない非線形光学効果が発生しない。
　しかしながら、発明者の研究によると、マルチコアファイバ２１において、各コア２１０は同一の材料ではあるものの、波長分散特性にばらつきがあり、このため、コア間においてパルス伸長の状況がばらついてしまう。即ち、図４に示すように、各コア２１０で伸長されて出射するパルス光をパルス波形（時間波形）Ｐ１～Ｐ４で示すと、パルス光Ｐ１～Ｐ４は出射するタイミングが一致せず、幅ｄのずれが発生する。
　このようにずれが発生した各パルス光Ｐ１～Ｐ４を合波して受光器３で受光した場合、図２及び図４から解るように、受光器３からの出力の時間波形において、ある時刻で検出している光の波長は一致せず、異なる波長の光強度が混ざったものとなってしまう。このため、このような光を分光測定に利用すると、分光測定の精度が低下してしまう。
　このようなマルチコアファイバにおけるコア間の波長分散特性のばらつきは、幾つかの要因で生じる。一つには、コア間の屈折率のばらつきである。各コアは同一の材料で形成されているが、製造時の要因から屈折率が僅かに異なる場合がある。周知のように光波の群遅延は屈折率に依存するため、屈折率がばらつくと波長分散特性が変化する。特に、パルス伸長を行う場合にはファイバがより長くなるので、波長分散特性のばらつきが顕著になり易い。
　波長分散特性のばらつきは、コア径のばらつきによっても生じる。各コアの径は設計上は同一であるが、製造上の僅かなばらつきが存在する。周知のように、群遅延は、光波がコアだけでなくクラッドにも一部染み出すようにして伝搬することにも起因する（構造的分散）。クラッドへの染み出し量はコア径に依存し、したがってコア径がばらつくと波長分散特性もばらついてしまう。
　さらに、ファイバの波長分散特性は、曲げやねじりといった外的圧力がファイバに加えられていてそれによって生じる応力の状況によってもばらつく。伸長用としてはｋｍオーダー程度まで長くなり得るファイバは、巻回された状態で通常は使用される。この場合、巻回の際に内側に位置するコアと外側に位置するコアとでは応力の状況が異なり、この結果、波長分散特性も異なってくる。さらに、内側のコアと外側のコアとでは圧縮と引っ張りの違いによりコア径も異なってくる場合があり、これによっても波長分散特性がばらつく。
　このような要因のため、各コアが仕様としては同じ材料であり同じ長さであったとしても、各コアの波長分散特性は一定ではなく、この結果、パルス伸長の状況もばらついてしまう。
　この実施形態では、このようなマルチコアファイバ２１を使用した際の問題を解決するため、伸長ファイバモジュール２が補償ファイバ２２を備える構成が採用されている。補償ファイバ２２は、マルチコアファイバ２１の各コア２１０に対して接続されており、マルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償償するものとなっている。
　各補償ファイバ２２は、コネクタ素子２３を介して各コア２１０に接続されている。コネクタ素子２３としては、ファンアウトデバイスを使用することができる。溶融延伸型、空間光学型、平面導波路型等の適宜の構成のファンアウトデバイスをコネクタ素子２３として採用することができる。
　各補償ファイバ２２としては、この実施形態では、同じ材質のシングルコアのシングルモードファイバが使用されている。各補償ファイバ２２は、マルチコアファイバ２１の各コアの波長分散特性のばらつきを補償するものであるため、後述するように補償を実現する長さを有している。尚、各補償ファイバ２２の出射端はバンドルされて照射面に向けられており、出射する各広帯域パルス光は、出射面において重ね合わされる。この他、各補償ファイバ２２の出射側には適宜の出射側素子が設けられることもある。出射側素子としては、バンドルファイバやファインインデバイス等が採用され得る。また、光が同一の照射領域に重なって照射されるようにするレンズ等の空間光学素子が設けられることもある。
　尚、マルチコアファイバ２１の入射側についても、適宜のコネクタ素子２４が配置される。例えば、図１に示すように、マイクロレンズアレイ２４１を使用して各コアに光を集光して入射させる構成が採用され得る。広帯域パルス光源１の非線形素子１２からの光をビームエキスパンダ２４２で広げ、マイクロレンズアレイ２４１に照射する。マイクロレンズアレイ２４１は、各コア２１０に対応する位置にマクロレンズを配置した光学素子であり、光を分割して且つ集光して各コア２１０に入射させる機能を有する。
　このような第一の実施形態の構成において、各補償ファイバ２２は、マルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償するものであるため、その目的を実現する長さを有する。以下、この点について図５を参照して説明する。図５は、各補償ファイバ２２の長さについて示した概略図である。
　図５に示すように、コア数を４とし、各コアを２１０ａ，２１０ｂ，２１０ｃ，２１０ｄとする。また、四本の補償ファイバ２２を２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとする。また、各コア２１０ａ～２１０ｄでパルス伸長された後の広帯域パルス光の各パルスをＰ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４とする。尚、伸長される前の広帯域パルス光のパルスをＰ０とする。また、伸長前のパルスＰ０において、パルスの始期（最も長い波長λ１が存在する時刻）をｔ１とし、パルスの終期（最も短い波長λｎの光が存在する時刻）をｔｎとする。同様に、各パルスＰ１～Ｐ４において、パルスの始期をｔ１１，ｔ２１，ｔ３１，ｔ４１とし、パルスの終期をｔ１ｎ，ｔ２ｎ，ｔ３ｎ，ｔ４ｎとする。
　マルチコアファイバ２１の各コア２１０ａ～２１０ｄにより、波長に応じて群遅延が発生するから、伸長前のパルスＰ０の始期ｔ１は、伸長後の各パルスＰ１～Ｐ４においてｔ１１～ｔ４１のように遅延し、終期ｔｎは、ｔ１ｎ～ｔ４ｎのように遅延する。この際、各コア２１０ａ～２１０ｄの波長分散特性にばらつきが全くなければ、ｔ１１～ｔ４１はみな同一の時刻となり、ｔ１ｎ～ｔ４ｎはみな同一の時刻となる。しかしながら、波長分散特性がばらついているため、図４及び図５に示すように、ｔ１１～ｔ４１はずれており、ｔ１ｎ～ｔ４ｎもずれている。
　波長分散特性のばらつきというのは、波長の違いによる群遅延のばらつきであるから、伸長後の各パルスＰ１～Ｐ４におけるパルス幅のばらつきということになる。しかし、波長分散特性のばらつきは、屈折率の相違や構造的要因による群遅延のばらつきに相当しているから、伸長前のパルスＰ０に対する全体としての遅延量も異なってくる。つまり、パルス幅のみならずパルスのタイミングもずれる。
　尚、図４の例では、コア２１０ａにおいて最も群遅延が少なく、コア２１０ｄにおいて群遅延が多くなっているが、これは波長分散特性のばらつきのパターンの単なる一例であり、他のパターンでばらつく場合も勿論ある。
　このように波長分散特性がばらついている結果、各パルスＰ１～Ｐ４のタイミングがずれている場合、各補償ファイバ２２がそれを補償する長さとされる。即ち、第一のコア２１０ａに接続された第一の補償ファイバ２２ａは最も長い長さとされ、第二のコア２１０ｂに接続された第二の補償ファイバ２２ｂは次に長い長さとされ、第三のコア２１０ｃに接続された第三の補償ファイバ２２ｃはその次にの長い長さとされ、第四のコア２１０ｄに接続された第四の補償ファイバ２２ｄは、最も短い長さとされる。各長さの相違は、生じているパルスのずれの幅に応じて選定される。
　このように長さが最適化されて各補償ファイバ２２ａ～２２ｄが接続されると、波長分散特性のばらつきが補償され、図５に示すように各補償ファイバ２２ａ～２２ｄを出射した際の各パルスＰ１’～Ｐ４’は、パルス幅やパルスのタイミングが一致したものとなる。
　実際には、装置の製造の際、マルチコアファイバ２１の各コア２１０ａ～２１０ｄからのパルスＰ１～Ｐ４をオシロスコープ等の測定機器でモニタし、各ずれの幅ｄに応じて各補償ファイバ２２を接続する。そして、各補償ファイバ２２を出射したパルス光Ｐ１’～Ｐ４’を同様にオシロスコープで観察し、ずれの幅ｄが許容値に入っているかどうか確認する。許容値に入っていれば、その装置は合格であり出荷ＯＫとされ、許容値に入っていなければ、補償ファイバ２２を適宜交換して接続し、ずれの幅ｄが許容値内となるようにする。
　上記ずれの幅の許容値について、図６を参照して説明する。図６は、補償ファイバによる補償後の各パルスのずれの幅の許容値について示した概略図である。
　各パルスのずれの幅が許容値内であるかどうかの判断は、上記のようにオシロスコープ等の測定機器を使用して行うが、ずれの幅の確認については、パルスの中央のような十分に強度がある箇所を基準にして行う。パルスの始期又は終期で行っても良いが、これらのタイミングでは強度が弱いので、ずれの幅の確認を精度良く行うことは難しい。したがって、例えばパルスの中央（時間幅の中央）のような十分に高い強度のところで比較をしてずれの幅を特定する。
　ずれの幅を確認する際の基準とするパルスをＰ１とし、図６（１）に示すようにパルスＰ１の中央の時刻をｔ１ｍとする。このパルスＰ１についての時間と波長との対応関係を図６（２）に示す。対応関係において、時刻ｔ１ｍに対応する波長はλｍであるとする。
　いま、パルスＰ２は、パルスＰ１よりも分散の大きなコアを伝搬したとする。この場合、パルスＰ２はパルスＰ１に対して少し遅れる。パルスＰ２の中央の時刻をｔ２ｍとすると、ずれの幅ｄは、ｔ１ｍとｔ２ｍの差となる。そして、ずれの幅ｄは時間のずれであるが、ずれの幅ｄが存在している場合の波長のずれ、即ち時刻ｔ１ｍで観測される波長のずれをδλとする。
　この場合、パルスＰ１において、ｔ１ｍよりもΔｔ前の時刻には、λｍ－１の波長が観測される。ここでのΔｔは時間分解能である。λｍ－１の波長は、ｔｍ１よりも一つ前の時刻の波長として対応付けがされている。一つ前の時刻とは、受光器における信号払い出し周期において一つ前のタイミングで読み出された光電変換強度ということである。
　もし、ずれの幅ｄが大きく、図６（２）に示すように、波長のずれδλがλｍ－１を超えてしまうと、λｍの波長の強度の中に隣の波長の光の強度（又はそれ以上離れた波長の光の強度）を含んでしまうことになる。δλが波長分解能Δλ以下であれば、元々分解できないスペクトル強度の違いであるので、問題は小さい。しかし、波長分解能Δλを超えてしまうと、問題が顕在化する。したがって、ずれの幅ｄは、当該波長における波長分解能以下となる幅であれば良いということになる。波長分解能以下とは、そのずれの幅ｄにΔλ／Δｔを乗算した場合に隣りの波長以上になってしまうような幅以下ということである。
　このように、実施形態の広帯域パルス光源装置によれば、広帯域パルス光がマルチコアファイバ２１により分割されてパルス伸長されるため、高出力の光源装置としつつもパルス伸長の際に意図しない非線形光学効果を防止することができる。このため、広い波長域に亘って高ＳＮ比の分光測定を高効率で行うことができるようになる。そして、各コアの波長分散特性のばらつきが補償ファイバ２２によって補償されるので、分割してパルス伸長した光が重ね合わされた際、時間対波長の一意性が精度良く保持される。
　上記構成では、補償ファイバ２２は各コア２１０に対して接続されたが、波長分散特性のばらつきの発生状況によっては一つのコア２１０のみに対して接続されれば足りる場合もあり、二以上の一部のコア２１０のみに対して接続されれば足りる場合もある。
　次に、第二の実施形態の広帯域パルス光源装置について説明する。図７は、第二の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。
　第二の実施形態の広帯域パルス光源装置が第一の実施形態と異なるのは、補償ファイバ２２の温度を調節する温度調節機構４を備えている点である。この実施形態では、温度調節機構４は、各補償ファイバ２２に設けられており、各補償ファイバ２２を互い独立して温度調節できるものとなっている。
　各温度調節機構４は、熱媒として気体を使用するもの、液体を使用するもののいずれでも良い。例えば、水又はパージガス等の熱媒を充填した恒温槽内に補償ファイバ２２を配置し、熱媒を温度調節する機構を採用することができる。
　この実施形態では、各温度調節機構４の動作についても最適化されている。即ち、各温度調節機構４の動作を制御するためのモニタ機構５が設けられており、このモニタ機構５からの信号に従って各温度調節機構４は動作するようになっている。
　温度調節の考え方としては、大きく分けて二つの考え方がある。一つは、補償ファイバ２２に温度変化が生じると、屈折率が変化し、波長分散特性が変化する。この結果、他の補償ファイバ２２との間で波長分散特性のばらつきが生じ、出射する広帯域パルス光のタイミングがずれる。これを防止するため、補償ファイバ２２の温度を検出して温度調節し、補償ファイバ２２の温度を一定に保つ。もう一つの考え方は、補償ファイバ２２の温度によらず、広帯域パルス光のタイミングがずれたら、そのずれを補償するように温度調節するという考え方である。
　前者の考え方でも時間対波長の一意性の良い広帯域パルス光の出射が可能であるが、この実施形態では、時間対波長の一意性をより高めるため、後者の考え方を採用している。前者の考え方は、温度を一定にすれば波長分散特性は一定になるという考え方であるが、この考え方の場合、温度によらず波長分散特性が変化した場合に対応できない。例えば、補償ファイバ２２の材料自体に経時的な変化が生じ、波長分散特性が変化した場合、対応できない。後者の考え方によると、このような波長分散特性の変化にも対応できる。このため、この実施形態では、モニタ機構５としては、各補償ファイバ２２による波長分散特性のばらつきをモニタするものが採用されている。
　具体的に説明すると、モニタ機構５は、マルチコアファイバ２１及び各補償ファイバ２２によりパルス伸長された後の各広帯域パルス光を受光するものとなっている。図７に示すように、この実施形態では、各補償ファイバ２２は中継ファイバ２５を介してバンドルファイバ２６に接続されている。各中継ファイバ２５は、途中で分岐しており、一方が照射用、他方がモニタ用となっている。モニタ用として分岐させるパワーは少しで良く、全体の１０％以下で良い。
　各中継ファイバ２５のモニタ用の分岐端から出射する光を受光する位置に、モニタ用受光器５１が配置されている。図７に示すように、この実施形態では、各温度調節機構４に対して制御信号を送るコントローラ５０が設けられている。各モニタ用受光器５１は、ＡＤ変換器５２を介してコントローラ５０に接続されている。
　コントローラ５０は、プロセッサを内蔵しており、各モニタ用受光器５１からの検出データを処理し、各広帯域パルス光のずれの幅を算出する。また、コントローラ５０は、メモリのような記憶部を有しており、記憶部にはずれの幅のしきい値が記憶されている。さらに、記憶部には、しきい値を超えた場合に温度調節量を算出するための基準値が予め記憶されている。コントローラ５０は、設定された基準値に従って温度調節量を算出し、温度調節機構４に対して制御信号を送り、その量だけ温度を変化させるよう構成されている。
　次に、上記コントローラ５０による制御について説明する。図８は、第二の実施形態における温度調節機構の制御について示した概略図である。
　実際の温度調節では、ある特定の補償ファイバ２２を基準とし、この補償ファイバ２２からの出射パルスを基準として他の出射パルスのタイミングのずれをモニタする。以下、この基準となる補償ファイバ２２を基準ファイバという。
　図８（１）に示すように、基準ファイバ２２からの出射パルスＰ１に対してある補償ファイバ２２からの出射パルスＰ２のずれが観測される。このずれについて、検出データで特定されるパルスＰ１，Ｐ２の中心のずれの幅ｄが算出される。この幅ｄが最小（ｄ＝０）になるように、温度調節機構４が制御される。
　温度調節機構４の制御は、作業者がマニュアル作業で行っても良いが、コントローラ５０に実装したプログラム（以下、温度調節プログラムという。）により行うことも可能である。図９は、温度調節プログラムの一例を概略的に示したフローチャートである。
　コントローラ５０の記憶部には、上記ずれを解消するための基準値が記憶されている。基準値は、どの程度温度を変化させると出射パルスのタイミングがどの程度ずれるかという基準値であり、予め実験的に求められて記憶されている。
　具体的に説明すると、温度が上昇すると屈折率は小さくなり、屈折率が小さくなると波長分散は多くなる。したがって、広帯域パルス光のタイミングは遅れる。逆に、温度が低下すると屈折率は大きくなり、波長分散は少なくなる。このため、広帯域パルス光のタイミングは早くなる。したがって、ある時刻を０として広帯域伸長パルス光の出射のタイミングを表すと、概略的には図８（２）に示すようなものとなる。
　温度変化ΔＴに対するタイミングのずれの幅Δｄは、実験的に調べることが可能である。この実施形態では、各補償ファイバ２２についてΔｄ／ΔＴが予め調べられており、この値がコントローラ５０の記憶部に記憶されている。
　図９に示すように、温度調節プログラムは、ずれの幅ｄがしきい値を超えた場合、そのずれの幅ｄを解消するための温度調節量Ｔを算出する。即ち、Ｔ＝－ｄ／（Δｄ／ΔＴ）を算出し、温度調節量Ｔをずれの幅ｄを観測した補償ファイバ２２の温度調節機構４に送る。温度調節機構４は、温度調節量Ｔだけ補償ファイバ２２の温度が上昇又は下降するよう温度調節する。このような温度調節を温度調節機構４が行うよう、温度調節プログラムはプログラミングされコントラーラ５０に実装されている。
　上記の制御例は、ずれの幅ｄがしきい値を超えた場合には温度調節を行う例であったが、ＰＩＤ制御等のようなフィードバック制御をしても良い。即ち、ｄ＝０になるようにするフィードバック制御を行い、即時性を高めても良い。
　第二の実施形態に広帯域パルス光源装置によれば、各補償ファイバ２２の波長分散特性のばらつきが温度調節によって抑え込まれるので、使用環境の変化、ファイバ材料自体の特性変化により波長分散特性が変化した場合にも、出射される各広帯域パルス光のタイミングのずれは小さく抑え込まれる。このため、時間対波長の一意性が高く安定して保持され、信頼性の高い広帯域パルス光源装置となる。
　上記温度調節において、ずれの幅ｄのしきい値は、第一の実施形態におけるずれの幅ｄと同じようにすることができる。即ち、パルス幅（時間幅）の中心でずれの幅ｄを把握する場合、その中心の時間に対応した波長における波長分解能以下となる時間幅ということになる。この幅を超えた場合、上記のような温度調節をする。
　尚、温度調節機構４の制御としては、各補償ファイバ２２の温度をセンサで検出し、これが一定になるように制御を行っても良い。この場合でも、温度変化による波長分散特性のばらつき、広帯域パルス光の出射のタイミングのばらつきが抑え込まれるため、時間対波長の一意性の精度が高められる。
　上記第二の実施形態では、温度調節機構４が各補償ファイバ２２について設けられており、各々独立して温度調節がされるので、きめ細かい温度調節が可能になり、波長分散特性のばらつきをきめ細かく抑え込むことができる。このため、時間対波長の一意性がより高い精度で保持される。尚、温度調節機構４は、複数の補償ファイバ２２についてまとめて温度調節を行う機構であっても良い。この場合は、それら複数の補償ファイバ２２について、温度変化による波長分散特性の変化（経時的ばらつき）を抑え込むことができるという効果がもたらされる。
　また、上記第二の実施形態において、広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅ｄがしきい値を超えた場合に温度調節機構４が動作する点は、温度調節機構４の動作を必要最小限する意義がある。この点は、装置の省エネルギー性能を高める効果がある。
　予め求められた基準値に従って温度調節量を算出して温度調節を行う点には、温度調節が不足したり過剰になったりしないという効果がある。温度調節については、温度の上昇（加熱）を継続し、ずれの幅ｄがしきい値以下になったら停止するとか、温度の低下（冷却）を継続し、ずれの幅ｄがしきい値以下になったら停止するといったやり方もあるが、このようにすると、一時的に温度調節が不足したり過剰になったりする問題が生じ得る。上記実施形態の構成では、そのような問題はない。
　次に、第三の実施形態の広帯域パルス光源装置について説明する。図１０は、第三の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。
　第三の実施形態においても、伸長ファイバモジュール２はマルチコアファイバ２１と各補償ファイバ２２とを備えており、各補償ファイバ２２はマルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償するものとなっている。そして、各補償ファイバ２２には温度調節機構４が付設されており、各温度調節機構４を制御するコントローラ５０が設けられている。
　図１０に示すように、第三の実施形態では、マルチコアファイバ２１の入射側に各補償ファイバ２２が配置されており、第一第二の実施形態とは配置位置が逆となっている。波長分散は、全体の伝送路の長さで決まるので、このような配置であっても効果としては等価である。尚、広帯域パルス光源１内の非線形素子１２としてのファイバは、出射端が分岐したファイバとなっている。分岐の数は、マルチコアファイバ２１のコア数に等しい。非線形素子１２としてのファイバの各出射端は、コネクタ素子２７、中継ファイバ２５及び別のコネクタ素子２７を介してマルチコアファイバ２１の各コア２１０にそれぞれ接続されている。
　この実施形態でも伸長ファイバモジュール２におけるパルス伸長の状況を監視するモニタ機構５が設けられているが、図１０に示すように、各モニタ機構５は、各補償ファイバ２２の入射側において光を取り出す構成となっている。即ち、各モニタ機構５は、マルチコアファイバ２１の出射端で反射して戻ってきた光を取り出してパルスのタイミングを検出するものとなっている。
　具体的には、図１０に示すように、各中継ファイバ２５上には、分岐素子として光サーキュレータ５３が配置されている。各光サーキュレータ５３には、モニタ用ファイバ（符号省略）が接続されており、各モニタ用ファイバの出射端を臨む位置には、モニタ用受光器５１が配置されている。各モニタ用受光器５１は、同様にＡＤ変換器５２を介してコントローラ５０に接続されている。
　マルチコアファイバ２１の各コア２１０中を伝搬した各広帯域パルス光は、殆どの光が出射端から出射して照射面に照射されるものの、一部の光は出射端で反射して戻る。この反射光は、マルチコアファイバ２１の各コアから各補償ファイバ２２を通って戻り、各中継ファイバ２５上の光サーキュレータ５３で取り出されて各モニタ用受光器５１で検出される。
　この実施形態においても、各モニタ用受光器５１からの検出データが処理されて各パルスのタイミングのずれの幅ｄが算出され、ずれの幅ｄがしきい値を超えている場合、超えている補償ファイバ２２の温度調節機構４が動作する。このため、ずれの幅ｄがしきい値以下に抑え込まれ、時間対波長の一意性が高く保持された広帯域パルス光が出射される。
　この実施形態では、各モニタは、マルチコアファイバ２１の出射端で反射して戻ってきた光を検出するので、全体の波長分散は倍になり、したがってずれの幅ｄも倍になる。このため、算出したずれの幅ｄを１／２倍してしきい値と比較するか、しきい値を２倍にしてから比較する。
　次に、第四の実施形態の広帯域パルス光源装置について説明する。図１１は、第四の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。
　第四の実施形態においても、伸長ファイバモジュール２はマルチコアファイバ２１と各補償ファイバ２２とを備えており、各補償ファイバ２２はマルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償するものとなっている。
　この実施形態では、各補償ファイバ２２には長さ調整機構４０が設けられている。長さ調整機構４０としては、例えばピエゾ素子によって補償ファイバ２２を伸縮させて長さを調整する機構が採用できる。
　この実施形態においても、各補償ファイバ２２から出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するするモニタ機構５が設けられている。モニタ機構５が検出したずれはコントローラ５０に入力され、コントローラはずれに従って各長さ調整機構４０を制御するようになっている。即ち、ずれの幅がしきい値を超えている場合、長さ調整機構４０が動作する。そして、ある補償ファイバ２２を基準とし、それよりも早いタイミングで出射している補償ファイバ２２については長さ調整機構４０により伸ばして光路長を長くし、遅いタイミングで出射している補償ファイバ２２については縮めて光路長を短くする。光路長の調節により、波長分散が全体として均一になり、ずれのないタイミングで各広帯域パルス光が出射する。
　この場合にも、コントローラ５０には、各補償ファイバ２２の長さ変化量とずれの幅との関係が予め調べられ、基準値としてコントローラ５０内の記憶部に記憶されている。コントローラ５０に含まれるプロセッサは、この基準値に従って各補償ファイバ２２の長さ調整量を決定し、各長さ調整機構４０を動作させる。
　この実施形態においても、各広帯域パルス光の出射のタイミングのずれがしきい値以下に抑え込まれる。このため、時間対波長の一意性が高く保持された広帯域パルス光が出射される。
　尚、温度調節機構４を使用する場合と比べると、長さ調整機構４０（機構的な光路長の調整）による場合、波長分散量の調整を応答性良く行うことができるため、波長分散特性のばらつきを抑え込む動作の高速性という点で優れたものになる。
　次に、このような広帯域パルス光源装置を使用する分光測定装置及び分光測定方法の各発明の実施形態について説明する。図１２は、実施形態の分光測定装置の概略図である。
　図１２に示す分光測定装置は、広帯域パルス光源装置１０と、広帯域パルス光源装置１０からの広帯域パルス光が照射された対象物Ｓからの光の受光位置に配置された受光器７と、受光器７からの出力を処理する演算手段８とを備えている。
　広帯域パルス光源装置１０には、上述した第二の実施形態のものが使用されているが、第一の実施形態のものや第三、第四の実施形態のものでも良いことは勿論である。この実施形態では、対象物Ｓの透過光を分光測定することが想定されているため、対象物Ｓは透明な受け板６上に配置される。測定波長帯域は９００ｎｍ～１３００ｎｍ程度の近赤外域となっているため、受け板６は、この帯域において良好な透過率を有する材質のものが使用される。
　受け板６の光出射側に、受光器７が配置されている。受光器７としては、フォトダイオードが使用される。１ＧＨｚ～１０ＧＨｚ程度の高速フォトダイオードが好適に使用できる。
　演算手段８としては、プロセッサ８１及びストレージ８２を備えた汎用ＰＣが使用できる。ストレージ８２には、分光測定ソフトウェアがインストールされており、これには、受光器７からの出力の時間的変化をスペクトルに変換するコードを含む測定プログラム８３や、スペクトルの算出の際に使用される基準スペクトルデータ８４等が含まれている。尚、受光器７と汎用ＰＣとの間にはＡＤ変換器７１が設けられており、受光器７の出力は、ＡＤ変換器７１によりデジタルデータに変換されて汎用ＰＣに入力される。
　図１３は、分光測定ソフトウェアに含まれる測定プログラムの構成について示した概略図である。図１３の例は、吸収スペクトル（分光吸収率）を測定するための構成の例となっている。基準スペクトルデータ８４は、吸収スペクトルを算出するための基準となる波長毎の値である。基準スペクトルデータ８４は、広帯域パルス光源装置１０からの光を対象物Ｓを経ない状態で受光器７に入射させることで取得する。即ち、対象物Ｓを経ないで光を受光器７に直接入射させ、受光器７の出力をＡＤ変換器７１経由で汎用ＰＣに入力させ、時間分解能Δｔごとの値を取得する。各値は、パルス内のΔｔごとの各時刻（ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・，以下、パルス内時刻という。）の基準強度として記憶される（Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・）。
　各パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・での基準強度Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・は、対応する各波長λ１，λ２，λ３，・・・の強度（スペクトル）である。パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・と波長との関係が予め調べられており、各パルス内時刻の値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・が各λ１，λ２，λ３，・・・の値であると取り扱われる。
　そして、対象物を経た光、すなわち対象物からの透過光を受光器７に入射させた際、受光器７からの出力はＡＤ変換器７１を経て同様に各パルス内時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・の値（測定値）としてメモリに記憶される（ｖ１，ｖ２，ｖ３，・・・）。各測定値は、基準スペクトルデータ８４と比較される（ｖ１／Ｖ１，ｖ２／Ｖ２，ｖ３／Ｖ３，・・・）。そして、必要に応じて逆数の対数を取り、吸収スペクトルの算出結果とする。
　上記のような演算処理をするよう、測定プログラム８３はプログラミングされている。尚、図１３の例では、吸収スペクトルを調べるだけのようになっているが、実際には、吸収スペクトルを調べることで、対象物の成分の比率を分析したり、対象物を同定したりすることもある。
　次に、上記分光測定装置の動作について説明する。以下の説明は、分光測定方法の実施形態の説明でもある。実施形態の分光測定装置を使用して分光測定する場合、対象物Ｓを配置しない状態で広帯域パルス光源装置１０を動作させ、受光器７からの出力データを処理して予め基準スペクトルデータ８４を取得する。その上で、対象物Ｓを受け板７に配置し、広帯域パルス光源装置１０を再び動作させる。そして、受光器７からの出力データをＡＤ変換器７１を介して演算手段８に入力し、測定プログラム８３によりスペクトルに変換して吸収スペクトルを算出する。
　このような分光測定装置又は分光測定方法によれば、伸長ファイバモジュール２において意図しない非線形光学効果が生じない広帯域パルス光源装置１０を使用しているので、時間対波長の一意性が高く保持された光により分光測定が行える。このため、分光測定の精度が高くなる。また、ダイナミックレンジの関係で特定の波長域においてＳＮ比が低下してしまう問題はない。さらに、エネルギー効率を高くして光を照射できることから、光吸収の多い対象物についても透過光強度を高くして測定することができるメリットもある。
　また、伸長ファイバモジュール２においてマルチコアファイバ２１のコア間の波長分散特性のばらつきを補償ファイバ２２が補償しているので、時間対波長の一意性の精度がさらに高くなっている。このため、この点でも分光測定の精度が高められている。
　尚、上記説明では対象物Ｓからの透過光の分光測定を例にしたが、対象物Ｓからの反射光を受光する位置に受光器７を設け、対象物Ｓからの反射光の分光測定を行うようにすることも可能であり、この場合も同様の効果が得られる。さらに、広帯域パルス光が照射された対象物Ｓからの散乱光又は蛍光を捉えて分光測定する場合もあり得る。したがって、対象物Ｓからの光は、光照射された対象物Ｓからの透過光、反射光、蛍光、散乱光などであり得る。
　上述した各実施形態の広帯域パルス光源装置は、分光測定の他、非線形光学顕微鏡のような顕微鏡技術にも応用が可能である。また、広帯域パルス光源１としては、ＳＣ光を出射するものの他、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源などが採用されることもあり得る。ＡＳＥ光源は、ファイバ内で発生する光なので、ファイバとの親和性が高く、低損失で伸長ファイバモジュール２に広帯域パルス光を入射させることができ、高効率の広帯域パルス光源装置を構成することができる。また、ＳＬＤ光源も、狭い活性層での発光を取り出すので伸長ファイバモジュール２に低損失で入射させることができ、高効率の広帯域パルス光源装置を構成することができる。
　上記各実施形態において、マルチコアファイバ２１に代えてバンドルファイバを使用しても良い。バンドルファイバとしては、シングルコアのシングルモードファイバを複数本束ねた構造のものが採用される。理論的には２本のみのファイバを束ねたものでも効果があるが、２～７本程度束ねたものが使用できる。材質としては、石英系、フッ素系等で良く、広帯域パルス光の波長帯域において損失が少ないものが好適に使用される。バンドルの方法としては、接着による場合の他、溶融（融着）であっても良い。
　非線形素子１２としてのファイバとの接続については、空間光学型のファインデバイスの他、溶融分岐ファイバを使用することができる。例えば、非線形素子１２としてのファイバの出射端を複数に分岐させ、分岐して延びる各ファイバに対してバンドルファイバの各ファイバを接続する構成が考えられる。
　尚、マルチコアファイバに比べてバンドルファイバの方が安価に入手できるので、コスト上の優位性がある。他方、バンドルファイバに比べてマルチコアファイバは構造的にコンパクトになり、ループさせた際にもバンドルファイバほどはかさばらないというメリットがある。また、入射端面における損失（コアに入射しない光の量）も、バンドルファイバに比べるとマルチコアファイバの方が少なくなる場合が多く、効率の点でもマルチコアファイバの方が優れている。
１　広帯域パルス光源
１０　広帯域パルス光源装置
２　伸長ファイバモジュール
２１　マルチコアファイバ
２１０　コア
２２　補償ファイバ
４　温度調節機構
５　モニタ機構
５０　コントローラ
５１　モニタ用受光器
６　受け板
７　受光器
８　演算手段
Ｓ　対象物

Claims (12)

  1. 　広帯域パルス光源と、
    　広帯域パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅を、パルス内において時間と光の波長とが１対１で対応するように伸長させる伸長ファイバモジュールと
    を備えた広帯域パルス光源装置であって、
    　伸長ファイバモジュールは、マルチコアファイバ又はバンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、
    　補償ファイバは、マルチコアファイバのコア又はバンドルファイバのファイバに接続されており、マルチコアファイバのコア間又はバンドルファイバのファイバ間の波長分散特性のばらつきを補償することを特徴とする広帯域パルス光源装置。
  2. 　前記補償ファイバは、前記マルチコアファイバの二個以上のコア又は前記バンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されていることを特徴とする請求項１記載の広帯域パルス光源装置。
  3. 　前記補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の広帯域パルス光源装置。
  4. 　前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するするモニタ機構が設けられており、
    　前記温度調節機構は、このモニタ機構が検出したタイミングのずれの幅に応じて温度調節を行う機構であることを特徴とする請求項３記載の広帯域パルス光源装置。
  5. 　前記温度調節機構は、前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅がしきい値以上の場合に動作する機構であることを特徴とする請求項４記載の広帯域パルス光源装置。
  6. 　前記温度調節機構は、前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅に応じて予め定めた量の温度調節を行う機構であることを特徴とする請求項４又は５記載の広帯域パルス光源装置。
  7. 　前記補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の広帯域パルス光源装置。
  8. 　前記伸長ファイバモジュールは、マルチコアファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、マルチコアファイバは、シングルモードのマルチコアファイバであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
  9. 　前記伸長ファイバモジュールは、バンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、バンドルファイバは、シングルモードファイバをバンドルしたファイバであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
  10. 　前記補償ファイバは、シングルモードファイバであることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
  11. 　請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域パルス光源装置と、
    　この広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された受光器と、
    　受光器からの出力データをスペクトルに変換する演算を行う演算手段と
    を備えていることを特徴とする分光測定装置。
  12. 　請求項１乃至１０いずれかに記載の広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光を対象物に照射するステップと、
    　光照射された対象物からの光を受光器で受光するステップと、
    　受光器からの出力データを演算手段によりスペクトルに変換するステップとを備えていることを特徴とする分光測定方法。
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