WO2023112909A1 - タイムストレッチ光測定器およびタイムストレッチ分光法 - Google Patents

タイムストレッチ光測定器およびタイムストレッチ分光法 Download PDF

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WO2023112909A1
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light
time stretch
stretch
pulsed light
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PCT/JP2022/045797
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拓郎 井手口
豪大 影山
卓磨 中村
和樹 橋本
紘行 島田
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国立大学法人東京大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/10—Arrangements of light sources specially adapted for spectrometry or colorimetry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light

Definitions

  • This disclosure relates to optical measurement technology using time stretch.
  • Vibrational spectroscopy such as infrared spectroscopy and Raman spectroscopy are used to measure the structure and state of molecules.
  • Infrared spectroscopy is a spectroscopy technique that irradiates a substance with infrared rays and reveals the properties of the object (sample) to be measured (that is, the spectrum of infrared absorption or emission) in a label-free manner through the normal vibration of molecules.
  • MIR mid-infrared wavelength
  • FTIR Fastier-Transform Infrared Spectroscopy
  • High temporal resolution is required for the measurement of high-speed non-repeating phenomena such as single-cell analysis and irreversible biochemical reaction tracking by flow cytometry in biological and medical applications, and combustion measurement in industrial applications.
  • Infrared spectrum acquisition rates on the order of kHz to MHz have been achieved through the development of various spectroscopic methods based on the principle of FTIR, such as dual-comb spectroscopy, phase-controlled FTIR, and rapid scan FTIR.
  • the spectroscopy that sweeps the wavelength over time is more advantageous than the Fourier transform spectroscopy. This is because, when the number of spectral points is N, in Fourier transform spectroscopy, the noise in one spectrum is ⁇ N times as much as in wavelength-swept spectroscopy. ⁇ N times, the SN ratio is advantageous, and there is a margin in the SN ratio, so the speed can be increased.
  • Time-stretched spectroscopy is one method of wavelength-swept spectroscopy.
  • Time-stretch spectroscopy detects a time waveform in a state in which the pulse is temporally stretched by imparting large second-order dispersion to pulsed light having a broadband spectrum.
  • a spectrum can be obtained by a temporal waveform from the time-wavelength one-to-one correspondence.
  • the pulse repetition frequency corresponds to the acquisition rate, so spectroscopy can be performed at an ultra-high acquisition rate exceeding 10 MHz.
  • time stretch spectroscopy has been performed in the near-infrared region, especially in the 1.5 ⁇ m band (also simply called the communication wavelength band), which is the near-infrared communication wavelength band.
  • the elements required for time-stretched spectroscopy such as pulse stretchers, 10-GHz-class high-speed photodetectors, and femtosecond oscillators, were limited to the near-infrared region, where optical technology is mature. .
  • fibers are used to easily pulse stretch pulsed light. Since the stretch amount is proportional to the fiber length, it is necessary to use a long fiber in order to obtain a sufficient stretch amount. However, the loss of mid-infrared fibers that can be used in the mid-infrared region is larger than that of fibers in the communication wavelength band (infrared: 200 dB/km vs. near-infrared: 0.2 dB/km). is difficult to implement for simple pulse stretching.
  • Non-Patent Document 1 A fiber-free time-stretched infrared spectroscopy (TSIR) has been reported (Non-Patent Document 1).
  • FACED Free-Space Angular-Chirp-Enhanced Delay
  • FACED Free-Space Angular-Chirp-Enhanced Delay
  • fibers in the communication wavelength range can provide dispersion of several ns/nm. Amplification is also not easy. Therefore, it is not easy to generate time-stretched infrared pulses of sufficient intensity.
  • FACED compared to fiber-based systems, FACED requires a large number of free-space optical elements such as extra-large mirrors of the 30 cm class, so there are problems in terms of miniaturization, stability, and cost.
  • the present disclosure has been made in such a situation, and one exemplary purpose of certain aspects thereof is to provide a time-stretch optical measuring instrument that is miniaturized and/or reduced in cost.
  • One of the other exemplary purposes can increase the number of spectral points when applied to spectroscopy.
  • a certain aspect of the present disclosure relates to a time stretch optical measurement device.
  • the time stretch photometer performs optical measurements in the first wavelength band.
  • the time stretch optical measuring instrument includes a pulse stretcher capable of stretching a pulse in a second wavelength region different from the first wavelength region, and a wavelength from the first wavelength region to the second wavelength region or from the second wavelength region to the first wavelength region. and a wavelength converter for converting.
  • time stretch spectroscopy Another aspect of the present disclosure is time stretch spectroscopy.
  • pulse stretching is performed in a wavelength range different from the measurement wavelength range used in spectrometry.
  • the number of spectral points can be increased when used for spectroscopy.
  • FIG. 1 is a block diagram of a time stretch spectrometer according to an embodiment
  • FIG. 1 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration example of the time stretch spectrometer of FIG. 2
  • FIG. 4 is a diagram showing measurement results of a spectrum in the 1.5 ⁇ m band obtained by wavelength conversion using a PPLN waveguide
  • FIG. 5(a) shows the output signal of the photodetector
  • FIG. 5(b) shows the spectrum calculated by the processor.
  • FIGS. 6(a)-(c) are diagrams showing corrected spectra.
  • FIG. 10 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Embodiment 2;
  • FIG. 10 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Embodiment 2;
  • FIG. 8 is a diagram showing a specific configuration example of the time stretch spectrometer of FIG. 7;
  • FIG. 4 is a diagram showing a 3.4 ⁇ m band spectrum generated by wavelength conversion;
  • FIG. 10(a) shows the waveform of the output signal of the photodetector, and
  • FIG. 10(b) shows the waveform after 1000 times integration without sampling (upper stage) and with sampling (lower stage).
  • FIG. 11 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Embodiment 3;
  • FIG. 21 is a block diagram of a time stretch spectroscope according to Modification 9;
  • FIG. 21 is a block diagram of a time stretch spectrometer according to modification 10;
  • a time stretch optical measurement device performs optical measurement in a first wavelength band.
  • the time stretch optical measuring instrument includes a pulse stretcher capable of stretching a pulse in a second wavelength region different from the first wavelength region, and a wavelength from the first wavelength region to the second wavelength region or from the second wavelength region to the first wavelength region. and a wavelength converter for converting.
  • pulse stretching can be performed in a second wavelength band that is different from the first wavelength band and can be used by a small or inexpensive pulse stretcher.
  • the time-stretching optical measuring instrument can be miniaturized or cost-reduced.
  • the time stretch photometer may further include a pulsed light source that generates pulsed light in the first wavelength band and a photodetector that is sensitive to the second wavelength band.
  • the wavelength converter converts the light generated as a result of irradiating the object to be measured with the pulsed light into light in the second wavelength region, the pulse stretcher stretches the output light of the wavelength converter, and the photodetector: The output of the pulse stretcher may be detected.
  • This configuration is advantageous when the photodetector in the second wavelength band is available with higher performance than the photodetector in the first wavelength band.
  • the time stretch photometer may further include a pulsed light source that generates pulsed light in the second wavelength band, and a photodetector that is sensitive to the first wavelength band.
  • a pulse stretcher may stretch the pulsed light.
  • the wavelength converter may convert the output of the pulse stretcher to light in the first wavelength band.
  • the photodetector may detect light generated as a result of illuminating the object under measurement with the output of the wavelength converter.
  • This configuration is advantageous when the light source of the second wavelength band is more advantageous than the pulsed light source of the first wavelength band from the viewpoint of cost, size, or performance.
  • the time stretch photometer may further include a pulsed light source that generates pulsed light in the second wavelength band, and a photodetector that is sensitive to the second wavelength band.
  • a pulse stretcher may stretch the pulsed light.
  • the wavelength converter converts the output of the pulse stretcher into light in the first wavelength band, and converts the light generated as a result of irradiating the object to be measured with the light in the first wavelength band into light in the second wavelength band.
  • the photodetector may detect light in the second wavelength band.
  • the light source of the second wavelength band is more advantageous than the pulsed light source of the first wavelength band from the viewpoint of cost, size, or performance, and the photodetector of the second wavelength band is more advantageous than the photodetector of the first wavelength band.
  • This configuration is advantageous if higher performance photodetectors are available.
  • the second wavelength band may be the near-infrared band (1-2 ⁇ m band).
  • the communication wavelength band 1.5 ⁇ m band
  • an inexpensive and proven communication fiber can be used as a pulse stretcher.
  • photodetectors with high sensitivity, high dynamic range, and wide sensitivity wavelength range are available.
  • fiber-based femtosecond lasers which are simpler than optical parametric oscillators, are available in the telecommunication wavelength range.
  • the first wavelength band may be the mid-infrared wavelength band.
  • the pulse stretcher may be a fiber.
  • the fibers may in particular be single mode fibers, multimode fibers or fiber Bragg gratings or combinations thereof.
  • the wavelength converter may include a wavelength conversion element and a second light source that generates continuous light or pulsed light of a third wavelength that is the difference between the first wavelength band and the second wavelength band.
  • the wavelength converter may include a wavelength conversion element and convert the first wavelength band into the second wavelength band by second harmonic generation.
  • the wavelength converter may include an optical parametric oscillator.
  • FIG. 1 is a block diagram of a time stretch spectroscope 100 according to an embodiment.
  • the time-stretch spectrometer 100 measures the spectrum of the sample 2, which is the object to be measured, in the first wavelength region ⁇ 1 by time-stretch spectroscopy.
  • the first wavelength range ⁇ 1 is, for example, the mid-infrared range (MIR). That is, the incident light 10 with which the sample 2 is irradiated has the first wavelength region ⁇ 1, and the light 12 (transmitted light or reflected light, hereinafter referred to as measurement light) generated as a result of the light 10 acting on the sample 2 is also It is the first wavelength region ⁇ 1.
  • MIR mid-infrared range
  • This time stretch spectroscope 100 performs pulse stretching in a second wavelength region ⁇ 2 different from the first wavelength region ⁇ 1 used in optical measurement.
  • This time stretch spectrometer 100 includes a pulse light source 110 , a photodetector 120 and a pulse stretcher/wavelength converter 150 .
  • a pulsed light source 110 generates pulsed light 14 containing a broadband spectrum.
  • the wavelength of the pulsed light 14 is not particularly limited, but may be either the first wavelength region ⁇ 1 or the second wavelength region ⁇ 2.
  • the photodetector 120 is incident on the stretch pulsed light 16 in which time and wavelength are in one-to-one correspondence.
  • the photodetector 120 measures the time waveform of the intensity of the stretch pulsed light 16 .
  • the stretch pulsed light 16 has a wavelength ⁇ s at its leading edge and a wavelength ⁇ e at its trailing edge, between which the wavelength gradually changes (chirp). ⁇ s> ⁇ e or ⁇ s ⁇ e.
  • the stretch pulsed light 16 may also be in the first wavelength region ⁇ 1 or in the second wavelength region ⁇ 2.
  • the pulse stretcher/wavelength converter 150 receives the pulsed light 14 from the pulsed light source 110 and generates incident light 10 .
  • a pulse stretcher/wavelength converter 150 receives the measurement light 12 and generates a stretch pulse light 16 .
  • the pulse stretcher/wavelength converter 150 includes a pulse stretcher 130 and a wavelength converter 140 .
  • the pulse stretcher 130 is configured to stretch the pulsed light 18 of the second wavelength range ⁇ 2 different from the first wavelength range ⁇ 1 on the time axis to generate the stretched pulsed light 20 .
  • a wavelength band that can be used by an inexpensive and/or small pulse stretcher 130 can be selected as the second wavelength band ⁇ 2.
  • the second wavelength band ⁇ 2 can be a near-infrared band (1 to 2 ⁇ m band), for example, a communication wavelength band (1.5 ⁇ m band).
  • the wavelength converter 140 is configured to convert light in the first wavelength band ⁇ 1 into light in the second wavelength band ⁇ 2 and/or convert light in the second wavelength band ⁇ 2 into light in the first wavelength band ⁇ 1. be.
  • a pulse stretcher 130 and a wavelength converter 140 are provided on the first path 102 from the pulsed light source 110 to the sample 2 or the second path 104 from the sample 2 to the photodetector 120, respectively.
  • pulse stretching may be performed in the second pass 104 (Embodiment 1 described later), and in this case the pulse stretcher 130 is inserted in the second pass 104 .
  • pulse stretching may be performed in the first pass 102 (embodiments 2 and 3 to be described later), in which case the pulse stretcher 130 is inserted in the first pass 102 .
  • the above is the basic configuration of the time stretch spectrometer 100.
  • the pulse stretch in the first wavelength region ⁇ 1, which is the measurement wavelength region, when there is no compact or inexpensive pulse stretcher, the pulse stretch can be performed using a small or inexpensive pulse stretcher other than the first wavelength region ⁇ 1.
  • the time stretch spectroscope 100 can be miniaturized or reduced in cost by performing in the second wavelength region ⁇ 2 in which the pulse stretcher 130 can be used.
  • the present disclosure extends to various devices and methods grasped as the block diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to any particular configuration.
  • more specific configuration examples and embodiments will be described not to narrow the scope of the present disclosure, but to help understand and clarify the essence and operation of the present disclosure and the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram of the time stretch spectrometer 200 according to Embodiment 1.
  • the first wavelength range ⁇ 1 is the mid-infrared range
  • the second wavelength range ⁇ 2 is the near-infrared range, eg, the communication wavelength band. That is, the relationship of ⁇ 1> ⁇ 2 holds.
  • the sample 2 is irradiated with pulsed light in the infrared (first wavelength region) before stretching, and the spectrum absorbed by the sample 2 is obtained in the near-infrared communication wavelength region.
  • the light is converted into light of (second wavelength region ⁇ 2), pulse-stretched with a near-infrared optical fiber, and then detected with a high-speed near-infrared detector.
  • This Upconversion Time Stretch Infrared Spectroscopy (Upconversion TSIR).
  • the time stretch spectrometer 200 includes a pulse light source 210 , a photodetector 220 , a pulse stretcher 230 , a wavelength converter 240 and a processing device 250 .
  • the time-stretching spectrometer 200 for up-conversion time-stretching infrared spectroscopy time-stretches the measurement light.
  • a pulse stretcher 230 is therefore inserted in the path 204 between the sample 2 and the photodetector 220 .
  • the pulsed light source 210 generates the pulsed light 14 in the first wavelength region ⁇ 1. This pulsed light 14 passes through the first path 202 and irradiates the sample 2 as the incident light 10 . Also, the photodetector 220 is sensitive to the second wavelength region ⁇ 2.
  • the measurement light 12 from the sample 2 becomes the incident light 22 to the wavelength converter 240 .
  • the wavelength converter 240 converts the incident light 22 into light 24 in the second wavelength range ⁇ 2.
  • wavelength converter 240 includes nonlinear optical element 242 and CW (Continuous Wave) light source 244 .
  • a CW light source 244 produces visible or near-infrared CW monochromatic light 26 .
  • a nonlinear optical element 242 generates a difference frequency between the CW monochromatic light 26 and the measurement light 12 (22).
  • the CW monochromatic light 26 has a wavelength ⁇ 3 of near-infrared light of 1 ⁇ m. You can choose outside light.
  • the light 24 in the second wavelength region ⁇ 2 is incident on the pulse stretcher 230 as pulsed light 18 .
  • the pulse stretcher 230 temporally stretches the pulsed light 18 of the second wavelength ⁇ 2 to generate the stretched pulsed light 20 .
  • the photodetector 220 detects the intensity waveform of the stretch pulsed light 20 (16) in the second wavelength region ⁇ 2.
  • a processor 250 processes the electrical signal produced by the photodetector 220 and computes the spectrum of the sample 2 .
  • the configuration of the time stretch spectrometer 200 is as described above.
  • ⁇ 1> ⁇ 2 and the wavelength of the light is up-converted in the wavelength converter 240 .
  • FIG. 3 is a diagram showing a specific configuration example (200A) of the time stretch spectroscope 200 of FIG.
  • the pulsed light source 210 includes an optical parametric oscillator 212 that generates femtosecond pulsed light, an aspherical lens 214 , an InF 3 (indium fluoride) fiber 216 and a collimator 218 .
  • the InF 3 fiber is a single-mode fiber and transmits only the fundamental mode of the fiber out of the femtosecond pulsed light generated by the optical parametric oscillator 212 .
  • Sample 2 is the gas enclosed in the gas cell.
  • the measurement light output from the sample 2 passes through the quarter-wave plate 260 , the half-wave plate 262 and the polarizer 264 and enters the YAG dichroic mirror 266 .
  • the YAG dichroic mirror 266 coaxially multiplexes the measurement light emitted from the sample 2 and the CW light generated by the CW light source 244 .
  • the combined two-wavelength light is focused on the nonlinear optical element 242 by the ZnSe lens 268 .
  • the CW light source 244 includes a 1.064 ⁇ m distributed reflector (DBR) semiconductor laser 280, an isolator 282, a Yb-doped fiber amplifier 284, an isolator 286, a half-wave plate 288, a 1 ⁇ m band long-pass filter 290, a lens 292, 294 included.
  • DBR distributed reflector
  • a PPLN (periodically poled lithium niobate) waveguide 242 is a nonlinear optical element that generates a difference frequency between 1.064 ⁇ m CW light and 3.4 ⁇ m pulsed light.
  • Light in the second wavelength band output from the PPLN waveguide 242 passes through an aspherical lens 270, a 1.5 ⁇ m band long-pass filter 272, a half-wave plate 274, and an aspherical lens 276, and is output to the pulse stretcher 230. be done.
  • the pulse stretcher 230 includes an Er-doped fiber amplifier 232 , a dispersion compensating fiber 234 , a collimator 236 , a 1.55 ⁇ m band bandpass filter 238 and a collimator 239 .
  • the dispersion compensating fiber 234 has a dispersion amount of 2 ns/nm.
  • the photodetector 220 includes an InGaAs photodiode 222 and a transimpedance amplifier 224 that converts the photocurrent of the photodiode 222 into a voltage.
  • the output of the transimpedance amplifier 224 is input to the oscilloscope 252.
  • the above is the configuration of the time stretch spectroscope 200A. Measurement results obtained by the time stretch spectroscope 200A in FIG. 3 will be described.
  • FIG. 4 is a diagram showing the measurement results of the spectrum in the 1.5 ⁇ m band obtained by wavelength conversion using the PPLN waveguide. This spectrum was measured by a commercially available optical spectrum analyzer (OSA). The central wavelength of the spectrum shifts with the temperature of the PPLN waveguide.
  • OSA optical spectrum analyzer
  • FIG. 5(a) shows the output signal of the photodetector 220
  • FIG. 5(b) shows the spectrum calculated by the processor 250.
  • FIG. 5(a) the pulsed light generated by the pulsed light source 210 has a repetition frequency of 80 MHz. Therefore, the stretched pulsed light after being pulse-stretched by the pulse stretcher 230 also has a repetition frequency of 80 MHz. are doing.
  • the pulse stretching by the pulse stretcher 230 the pulse width is stretched to about 5 ns at full width at half maximum. With a dispersion of 2 ns/nm, using a detector with a frequency band of 10 GHz simply gives a spectral resolution of 0.05 nm, or about 6 GHz, which is the level at which gas absorption lines can be distinguished.
  • the horizontal axis represents the wavenumber of the second wavelength region (near infrared) calculated from the time-wavelength correspondence of the stretch pulse light, and the corresponding wavenumber of the first wavelength region (mid-infrared). indicates the transmittance of sample 2.
  • the spectrum was calculated by averaging 100 pulses. From this measurement, it can be seen that the infrared absorption spectrum of CH4 gas can be measured.
  • the spectrum in FIG. 5(b) is before correction, the transmittance exceeds 1, and the spectrum is distorted.
  • TSIR if the amount of stretching is insufficient, the phase component derived from the second-order dispersion and the phase component of the absorption line portion interfere with each other, and the impulse response of the detector is superimposed on the time waveform. The one-to-one correspondence of frequencies is broken, resulting in spectral distortion.
  • the distortion of the spectrum can be corrected.
  • the spectrum can be corrected by estimating the device function and performing deconvolution.
  • the true spectrum can be derived by deconvolving the entire measured spectrum with the instrument function.
  • Systematic spectral distortion due to near-field propagation can also be demodulated by an iterative gradient-descent (GD) algorithm.
  • GD gradient-descent
  • FIGS. 6(a) to 6(c) are diagrams showing measurement data (after correction) of the CH 4 infrared absorption spectrum.
  • the sample is CH4 gas.
  • the near-infrared wavelength after upconversion is around 1545 nm, the acquisition rate is 10 MHz (80 MHz pulse pick), and the amount of stretching is 6 ns/nm.
  • FIG. 6(a) shows the result of single-shot measurement
  • FIG. 6(b) shows the result of 10 times integration
  • FIG. 6(c) shows the result of 90 times integration.
  • the corrected spectrum was obtained in a form comparable to the HITRAN spectrum, thus demonstrating the usefulness of the time stretch spectrometer 100.
  • the full width at half maximum (FWHM) of the absorption line after correction is 1.5 GHz (0.05 cm ⁇ 1 ), and high spectral resolution is obtained by increasing the number of spectral points.
  • Embodiment 1 up-conversion time-stretched infrared spectroscopy was described.
  • the spectrum of any wavelength band can be converted into the communication wavelength band by combining the light source and the crystal.
  • the pulse stretcher disersion compensating fiber
  • the fiber-based pulse stretcher is simple and compact, allowing the device to be smaller and less costly.
  • a near-infrared detector with high sensitivity and high dynamic range can be used compared to the mid-infrared detector.
  • FIG. 7 is a block diagram of a time stretch spectroscope 300 according to the second embodiment.
  • the first wavelength band ⁇ 1 is the mid-infrared band
  • the second wavelength band ⁇ 2 is the communication wavelength band. That is, the relationship of ⁇ 1> ⁇ 2 holds.
  • the pulsed light in the second wavelength region ( ⁇ 2) generated by the broadband pulsed light source in the communication wavelength band is pulse-stretched, and wavelength-converted into infrared pulsed light (first wavelength region).
  • the infrared light (first wavelength region) obtained from the sample 2 is detected by a high-speed infrared detector.
  • Downconversion TSIR downconversion time-stretched infrared spectroscopy
  • the time stretch spectrometer 300 includes a pulse light source 310 , a photodetector 320 , a pulse stretcher 330 , a wavelength converter 340 and a processor 350 .
  • the time-stretching spectrometer 300 for down-conversion time-stretching infrared spectroscopy time-stretches the light before irradiating the sample 2 .
  • pulse stretcher 330 is inserted in path 302 between pulsed light source 310 and sample 2 .
  • the pulsed light source 310 generates the pulsed light 14 in the second wavelength region ⁇ 2.
  • This pulsed light 14 passes through the pulse stretcher 330 arranged in the first pass 302 and is pulse stretched.
  • the stretched pulsed light 20 enters the wavelength converter 340 .
  • the wavelength converter 340 converts the stretched pulsed light 22 of the second wavelength region ⁇ 2 into stretched pulsed light 24 of the first wavelength region ⁇ 1.
  • a wavelength converter 340 includes a nonlinear optical element 342 and a CW light source 344 as in the first embodiment. In the first embodiment, up-conversion is performed, but in the second embodiment, down-conversion is performed.
  • the stretch pulsed light 24 converted into the first wavelength region ⁇ 1 by the wavelength converter 340 is applied to the sample 2 as the incident light 10 .
  • the sample 2 outputs measurement light 12 in the first wavelength region ⁇ 1.
  • the photodetector 320 has sensitivity in the first wavelength region ⁇ 1 and measures the intensity waveform of the measurement light 12 (16).
  • a processor 350 processes the electrical signal produced by the photodetector 320 and computes the spectrum of sample 2 .
  • the configuration of the time stretch spectrometer 300 is as described above. In this second embodiment, ⁇ 1> ⁇ 2, and the wavelength of the light is Down-Converted in the wavelength converter 340 .
  • FIG. 8 is a diagram showing a specific configuration example (300A) of the time stretch spectroscope 300 of FIG.
  • a pulsed light source 310 includes an Er fiber laser 312 that generates 1.5 ⁇ m pulsed light, a 1.55 ⁇ m band bandpass filter 314 , an aspherical lens 316 and an isolator 318 .
  • a pulse stretcher 330 includes a DCF (dispersion compensating fiber) 332 and a polarization rotating paddle 334 .
  • CW light source 344 includes a 1.064 ⁇ m CW laser 364 , an isolator 365 and a Yb-doped fiber amplifier 366 .
  • a wavelength division multiplexing (WDM) element 363 combines the 1.5 ⁇ m stretch pulse light and the 1.064 ⁇ m CW light.
  • the combined two-wavelength light is condensed by a collimator 367 and an off-axis parabolic mirror (or an aspherical lens) 368 onto a nonlinear optical element 342, which is a PPLN waveguide.
  • the light output from the nonlinear optical element 342 is collimated by an off-axis parabolic mirror (or aspherical lens) 369, and a Ge filter 370 removes extra wavelength components from the output from the nonlinear optical element 342, .4 ⁇ m light is extracted.
  • the sample 2 is irradiated with 3 ⁇ m light.
  • Sample 2 is the gas enclosed in the gas cell.
  • the measurement light output from sample 2 passes through half-wave plate 372 and aspherical lens 374 and enters photodetector 320 .
  • the photodetector 320 includes a quantum cascade detector (QCD) 322 and a high frequency amplifier 324.
  • QCD quantum cascade detector
  • the above is the configuration of the time stretch spectroscope 300A. Measurement results obtained by the time stretch spectroscope 300A in FIG. 8 will be described.
  • FIG. 9 is a diagram showing a 3.4 ⁇ m band spectrum generated by wavelength conversion. This spectrum is obtained by measuring the output light of the sample 2 by FTIR (Fourier transform infrared spectrometer) instead of the photodetector 320 . The center frequency of the spectrum shifts with the temperature of the PPLN waveguide. From the FTIR results, it can be seen that the absorption spectrum of CH4 gas is observed.
  • FTIR Fastier transform infrared spectrometer
  • FIG. 10(a) shows the waveform of the output signal of the photodetector 320
  • FIG. 10(b) shows the waveform after 1000 times integration without sampling (upper stage) and with sampling (lower stage). From the spectrum with sample in FIG. 10(b), it can be seen that the infrared absorption spectrum of CH 4 gas can be observed.
  • Embodiment 2 down-conversion time-stretched infrared spectroscopy has been described.
  • wavelength conversion from the communication wavelength band to any wavelength band is possible by combining the light source and the crystal.
  • the pulse stretcher disersion compensating fiber
  • the pulse stretcher can add a large dispersion [several ns/nm], it is easy to achieve high resolution.
  • the availability of a simple and compact fiber-based pulse stretcher allows the overall device to be smaller and less costly.
  • General-purpose fs (femtosecond) pulses such as communication wavelength fiber lasers can also be used as the light source.
  • FIG. 11 is a block diagram of a time stretch spectroscope 400 according to Embodiment 3.
  • the first wavelength band ⁇ 1 is the mid-infrared band
  • the second wavelength band ⁇ 2 is the communication wavelength band. That is, the relationship of ⁇ 1> ⁇ 2 holds.
  • the pulsed light in the second wavelength region ( ⁇ 2) generated by the communication wavelength band broadband pulsed light source is pulse-stretched, and further wavelength-converted into infrared pulsed light (first wavelength ⁇ 1).
  • the sample 2 is irradiated.
  • the infrared light obtained from the sample 2 is again wavelength-changed to the second wavelength region ( ⁇ 2), returned to the broadband pulsed light of the communication wavelength band, and detected by the high-speed near-infrared detector.
  • This is called Downconversion-Upconversion Time Stretch Infrared Spectroscopy (Downconversion-Upconversion TSIR).
  • the time stretch spectroscope 400 includes a pulse light source 410 , a photodetector 420 , a pulse stretcher 430 , a wavelength converter 440 and a processor 450 .
  • the time stretch spectrometer 400 for down-up conversion time stretch infrared spectroscopy time stretches the light before irradiating the sample 2, as in the second embodiment.
  • pulse stretcher 430 is inserted in path 402 between pulsed light source 410 and sample 2 .
  • the pulsed light source 410 generates the pulsed light 14 in the second wavelength region ⁇ 2.
  • This pulsed light 14 passes through the pulse stretcher 430 arranged on the first path 402 and is pulse stretched.
  • the pulsed light 20 after stretching enters the wavelength converter 440 .
  • the wavelength converter 440 converts the stretched pulsed light 22 of the second wavelength region ⁇ 2 into the stretched pulsed light 24 of the first wavelength region ⁇ 1 (down conversion).
  • a wavelength converter 440 includes a nonlinear optical element 442 and a CW light source 444 as in the first embodiment.
  • the stretch pulsed light 24 converted into the first wavelength region ⁇ 1 by the wavelength converter 440 is applied to the sample 2 as the incident light 10 .
  • the sample 2 outputs measurement light 12 in the first wavelength region ⁇ 1.
  • the photodetector 420 has sensitivity to the second wavelength band ⁇ 2.
  • the wavelength converter 440 reconverts the measurement light 12 of the first wavelength region ⁇ 1 into the stretch pulse light 16 of the second wavelength ⁇ 2.
  • Wavelength converter 440 includes a nonlinear optical element 446 for reconversion.
  • the measurement light 12 in the first wavelength region ⁇ 1 and the CW light 26 generated by the CW light source 444 are incident on the nonlinear optical element 446, and the light in the first wavelength region ⁇ 1 is reconverted into light in the second wavelength region ⁇ 2. (upconversion).
  • the photodetector 420 detects the temporal intensity waveform of the stretch pulsed light 16 in the second wavelength region ⁇ 2.
  • a processor 450 processes the electrical signal produced by the photodetector 420 and computes the spectrum of sample 2 .
  • the configuration of the time stretch spectrometer 400 is as described above. Although the pulse stretcher 430 is provided in the path 402 in this description, it may be provided between the photodetector 420 and the wavelength converter 440 .
  • Embodiment 3 down-up conversion time-stretched infrared spectroscopy was described.
  • wavelength conversion from the communication wavelength band to any wavelength band is possible by combining the light source and the crystal.
  • the pulse stretcher disersion compensating fiber
  • the availability of a simple and compact fiber-based pulse stretcher allows the overall device to be smaller and less costly.
  • a general-purpose fs pulse such as a communication wavelength band fiber laser can be used as a light source.
  • the photodetector 420 a near-infrared detector with high sensitivity, a high dynamic range, and a wide wavelength range can be used as compared with the mid-infrared detector.
  • the method of wavelength conversion in the wavelength converter 140 is not particularly limited.
  • wavelength conversion may be performed using second harmonic generation of femtosecond pulses.
  • Spectroscopy by spectral post-correction (3.1 ⁇ m ⁇ 1.55 ⁇ m) is also effective.
  • wavelength conversion by optical parametric oscillation may be used. That is, femtosecond pump light is incident on the OPO, signal light and idler light are generated, and femtosecond idler light is taken out. Then, the femtosecond pump light is band-limited to generate picosecond pump light, the picosecond pulse light and femtosecond idler light are combined to generate signal light, and this signal light is timed. Detect after stretching.
  • the CW light source is used in Embodiments 1 to 3, but this is not the only option.
  • Part of the spectrum of the original broadband pulsed light may be extracted in a narrow band, used as a substitute for the CW light, and interacted with the pulsed light containing the remaining broadband spectrum in a nonlinear element to perform wavelength conversion. .
  • Modification 4 With respect to applications, high-speed spectroscopy was taken as an example in the embodiments, but the technology according to the present disclosure can also be applied to optical coherence tomography, high-speed imaging, distance measurement using Lidar, and the like.
  • the first wavelength range ⁇ 1 and the second wavelength range ⁇ 2 are not limited to those in the embodiment. That is, the first wavelength region ⁇ 1 (measurement wavelength region) is determined according to the type of sample 2, and may be the visible region. For the second wavelength region ⁇ 2, a wavelength region in which pulse stretching is easier than that for the first wavelength region ⁇ 1 may be selected. When visible light is selected for the first wavelength region ⁇ 1 and near-infrared light is selected for the second wavelength region ⁇ 2, the direction of wavelength conversion is opposite to that described in the first to third embodiments.
  • the stretched light incident on the photodetector 120 has a width of about 10 ns from tail to tail. requires a time resolution of 0.1 ns. Also, depending on the wavelength, 10 GHz-class photodetectors and data acquisition units (DAQ: Data Acquisition) with the same band and sampling rates exceeding 10 GSa/s are either difficult to obtain or very expensive.
  • DAQ Data Acquisition
  • the photodetector 120 may include a plurality of photodetection elements, that is, a plurality of photodiodes or a plurality of quantum cascade detectors.
  • One pulse of the stretch pulsed light 16 may be divided into a plurality of time slots on the time axis, branched to a plurality of photodetectors, and the plurality of photodetectors may detect the plurality of time slots in a time division manner. .
  • Division of the stretch pulsed light into a plurality of time slots can be performed using a VIPA (Virtually Imaged Phased Array) or a diffraction grating. This makes it possible to reduce the operating speed of one photodetector and the DAQ unit that processes its output.
  • VIPA Virtually Imaged Phased Array
  • a picosecond or femtosecond pulsed laser light source timing-synchronized with the pulsed light source 210 may be used.
  • a picosecond or femtosecond pulsed laser light source timing-synchronized with the pulsed light source 210 may be used.
  • the phase matching in the nonlinear crystal is narrowed by increasing the crystal length of the nonlinear optical element 242, so that wavelength conversion can be performed while maintaining a one-to-one correspondence of spectra. It becomes possible.
  • Modification 8 In FIG. 7, a plurality of CW light sources 344 that oscillate at different wavelengths may be provided, and beams obtained by spatially superimposing a plurality of wavelengths may be incident on the nonlinear optical element 342 .
  • wavelength conversion can be performed over a wide band, or wavelength conversion can be performed simultaneously in a plurality of distant wavelength regions.
  • the pulse stretcher 430 may be placed after the wavelength converter 440 , ie just before the photodetector 420 .
  • a picosecond or femtosecond pulse laser light source synchronized in timing with the pulse light source 410 may be used.
  • FIG. 12 is a block diagram of a time stretch spectroscope 500 according to Modification 9.
  • the pulsed light source 502 is a Yb fiber laser and produces femtosecond (fs) pulses.
  • the femtosecond pulse is split into two beams by beam splitter 504 .
  • One beam BM1 is guided to photonic crystal fiber 506 .
  • Light BM3 emitted from the photonic crystal fiber 506 passes through a long-pass filter 508 to generate SC (Super Continuum) light.
  • Photonic crystal fiber 506 and longpass filter 508 function as a pulsed laser source.
  • the beams BM3 and BM2 are spatially superimposed by the dichroic mirror DM1, enter the nonlinear optical element 510, and undergo wavelength conversion.
  • the converted beam BM4 is applied to the sample 2 after unnecessary wavelength bands are removed by the Ge filter 512 .
  • the fs pulse generated by the pulsed light source 502 is narrowed by the spectral filter 520 and converted into picosecond pulses (ps).
  • the ps pulses are input to fiber-amplifier 524 via fiber 522 .
  • Light amplified by fiber amplifier 524 passes through longpass filter 526 to remove the pump.
  • the beam BM6 that has passed through the long-pass filter 526 and the beam BM5 that has passed through the sample 2 are spatially superimposed by the dichroic mirror DM2 and enter the nonlinear optical crystal 530 .
  • Unnecessary wavelengths are removed by the long-pass filter 532 from the beam BM7 after wavelength conversion by the nonlinear optical crystal 530 .
  • the beam passing through longpass filter 532 is pulse stretched by single mode fiber 534 and detected by photodetector 540 . Note that the sum frequency may also be used for up-conversion, in which case the long pass filter 532 is replaced by a short pass filter.
  • FIG. 13 is a block diagram of a time stretch spectroscope 500A according to Modification 10.
  • This time stretch spectroscope 500A is obtained by applying the time stretch spectroscope 500 of FIG. 11 to OCT (Optical Coherence Tomography), and an OCT observation unit 600 is added.
  • the OCT observation unit 600 includes a Michelson interferometer, the sample 2 is placed on one arm, and the optical path length of the other arm is variable.
  • the light that has acted on the sample 2 and the light that has not acted on the sample 2 are spatially superimposed and enter the dichroic mirror DM2. According to the modified example of FIG. 13, information on the depth direction of the sample 2 can be obtained.
  • This disclosure relates to optical measurement technology using time stretch.
  • Time stretch spectrometer 102 First pass 104 Second pass 110 Pulse light source 120 Photodetector 130 Pulse stretcher 140 Wavelength converter 150 Pulse stretcher/n wavelength converter 200 Time stretch spectroscope 210 Pulse light source 220 ... photodetector, 230 ... pulse stretcher, 240 ... wavelength converter, 242 ... nonlinear optical element, 244 ... CW light source, 250 ... processing device, 300 ... time stretch spectroscope, 310 ... pulse light source, 320 ... photodetector, 330... Pulse stretcher, 340... Wavelength converter, 342...

Abstract

タイムストレッチ分光器１００は、第１波長域λ１にて光計測を行う。パルスストレッチャ１３０は、第１波長域λ１と異なる第２波長域λ２のパルスをストレッチ可能である。波長変換器１４０は、第１波長域λ１と第２波長域λ２を変換する。

Description

タイムストレッチ光測定器およびタイムストレッチ分光法
　本開示は、タイムストレッチを利用した光計測技術に関する。
　分子の構造や状態を測定するために、赤外分光法やラマン分光法などの振動分光法が利用される。赤外分光法は、赤外線を物質に照射し、分子の基準振動を介して被測定対象（サンプル）の性質（すなわち赤外線吸収あるいは発光のスペクトル）をラベルフリーで明らかにする分光手法である。
　赤外領域の中で特に波数が４０００～４００［ｃｍ－１］の中赤外波長（ＭＩＲ）領域には、様々な種類の豊富な分子振動が多く存在する。
　赤外分光法のひとつであるＦＴＩＲ（Fourier-Transform Infrared Spectroscopy）は、他の分光器と比較して広帯域・高分解能スペクトル取得性能を持ち、中赤外全域のあらゆる分子振動をカバーできる非常に優れた分光方式であり、その特徴ゆえに長年、赤外分光におけるゴールドスタンダードであった。
　生物・医療応用におけるフローサイトメトリーによる一細胞解析や不可逆の生化学反応追跡、産業応用における燃焼計測などの高速非繰り返し現象の測定には、高い時間分解能が要求される。ＦＴＩＲの原理に基づく種々の分光法であるデュアルコム分光法、位相制御型ＦＴＩＲ、ラピッドスキャンＦＴＩＲ等の発展によりｋＨｚ～ＭＨｚレベルの赤外スペクトル取得レートが達成されている。
　高取得レート化にともない、ＳＮ比の確保が必要不可欠となる。ＳＮ比の観点からは、原理的に、フーリエ変換分光法よりも、波長を時間的に掃引する分光法の方が有利である。これは、スペクトル点数をＮとしたときにフーリエ変換分光法は、波長掃引分光に比べて、１スペクトルのノイズが√Ｎ倍になるためであり、結果として、波長掃引分光の方が同レートで√Ｎ倍、ＳＮ比が有利であり、またＳＮ比に余裕があることから、高速化が可能である。
　波長掃引分光の１方式として、タイムストレッチ分光がある。タイムストレッチ分光は、広帯域なスペクトルを有するパルス光に、大きな２次分散を付与することでパルスを時間的に延伸させた状態でその時間波形を検出する。時間－波長の１対１対応関係から時間波形によってスペクトルを得ることができる。タイムストレッチ分光では、パルスの繰り返し周波数が取得レートに対応しているので１０ＭＨｚを超える超高取得レートで分光ができる。
A. Kawai et al.,"Time-stretch infrared spectroscopy", Communications Physics 3,152 (2000)
　しかしながらこれまで、タイムストレッチ分光は近赤外域、特に近赤外通信波長帯である１．５μｍ帯(単に通信波長帯ともいう)において行われていた。その大きな理由に、パルスストレッチャ、１０ＧＨｚ級高速光検出器、フェムト秒オシレータをはじめとするタイムストレッチ分光に必要な要素が、光学技術が成熟している近赤外域に限定されていたことが挙げられる。
　たとえば、パルス光を簡易にパルスストレッチするためにファイバが使用される。ストレッチ量は、ファイバ長に比例するため、十分なストレッチ量を得るためには、長尺のファイバを用いる必要がある。ところが、中赤外領域で利用可能な中赤外ファイバは、通信波長帯のファイバに比べ損失が大きい(赤外：200dB/km vs. 近赤外：0.2dB/km)ため、長尺ファイバベースのシンプルなパルスストレッチの実装が困難である。
　ファイバを用いないタイムストレッチ赤外分光（ＴＳＩＲ）が報告されている（非特許文献１）。この技術では、ファイバに代えて、自由空間で２次分散を付与するＦＡＣＥＤ（Free-Space Angular-Chirp-Enhanced Delay）を使用することにより、液相の赤外吸収スペクトルを２００ＧＨｚレベルの分解能で８０ＭＨｚという超高速な取得レートで測定することに成功している。
　同じ損失を想定したとき、通信波長域のファイバは数ｎｓ／ｎｍの分散を付与することが可能であるが、ＦＡＣＥＤでは、１００ｐｓ／ｎｍに満たない程度に留まる上、ＦＡＣＥＤはファイバのように光増幅を行うことも容易ではない。したがって十分な強度のタイムストレッチ赤外パルスを生成することが容易でない。またＦＡＣＥＤはファイバーを利用した系に比べて、３０ｃｍ級の特大ミラー等、多くのフリースペースの光学素子を必要とするため、小型化、安定性、またコスト面に課題がある
　本開示は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、小型化、および／または低コスト化されたタイムストレッチ光測定器の提供にある。別の例示的な目的のひとつは、分光に適用した場合に、スペクトル点数を増やすことができる。
　本開示のある態様は、タイムストレッチ光測定器に関する。タイムストレッチ光測定器は、第１波長域にて光計測を行う。タイムストレッチ光測定器は、第１波長域と異なる第２波長域のパルスをストレッチ可能なパルスストレッチャと、第１波長域から第２波長域に、または第２波長域から第１波長域に波長変換する波長変換器と、を備える。
　本開示の別の態様は、タイムストレッチ分光法である。このタイムストレッチ分光法は、パルスストレッチを、分光計測で用いる測定波長域とは別の波長域で行う。
　なお、以上の構成要素の任意の組合せ、表現を装置、方法、システムなどの間で変換したものもまた、本開示あるいは本発明の態様として有効である。
　本開示のある態様によれば、小型化、および／または低コスト化されたタイムストレッチ光測定器を提供できる。また本開示のある態様によれば、分光に利用した場合に、スペクトル点数を増やすことができる。
実施形態に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。 実施形態１に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。 図２のタイムストレッチ分光器の具体的な構成例を示す図である。 ＰＰＬＮ導波路による波長変換によって得られた１．５μｍ帯のスペクトルの測定結果を示す図である。 図５（ａ）は、光検出器の出力信号を、図５（ｂ）は、処理装置によって計算されたスペクトルを示す図である。 図６（ａ）～（ｃ）は、補正されたスペクトルを示す図である。 実施形態２に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。 図７のタイムストレッチ分光器の具体的な構成例を示す図である。 波長変換により生成された３．４μｍ帯のスペクトルを示す図である。 図１０（ａ）は、光検出器の出力信号の波形を、図１０（ｂ）は、サンプルなし（上段）、あり（下段）の場合の１０００回積算後の波形を示す図である。 実施形態３に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。 変形例９に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。 変形例１０に係るタイムストレッチ分光器のブロック図である。
（実施形態の概要）
　一実施形態に係るタイムストレッチ光測定器は、第１波長域にて光計測を行う。タイムストレッチ光測定器は、第１波長域と異なる第２波長域のパルスをストレッチ可能なパルスストレッチャと、第１波長域から第２波長域に、または第２波長域から第１波長域に波長変換する波長変換器と、を備える。
　測定波長域である第１波長域において、小型あるいは安価なパルスストレッチャが存在しない場合において、パルスストレッチを、第１波長域とは別の、小型あるいは安価なパルスストレッチャが利用可能な第２波長域において行うことにより、タイムストレッチ光測定器を小型化し、あるいは低コスト化することができる。
　この構成では、ＦＡＣＥＤベースのＴＳＩＲよりも桁で大きい分散を、現実的なサイズで付与することができる。このことは、この技術を分光に適用した場合、桁で大きいスペクトル点数を実現できることを意味する。スペクトル点数の増加は、高分解能化による高速ガス分光への適用や、多種の吸収ラインを見ることによって数多くの分子振動情報からより対象を正確に把握することに繋がる。
　一実施形態において、タイムストレッチ光測定器は、第１波長域のパルス光を生成するパルス光源と、第２波長域に感度を有する光検出器と、をさらに備えてもよい。波長変換器は、パルス光を被測定対象に照射した結果生成される光を、第２波長域の光に変換し、パルスストレッチャは、波長変換器の出力光をストレッチし、光検出器は、パルスストレッチャの出力を検出してもよい。
　第１波長域の光検出器よりも第２波長域の光検出器の方が高性能なものが利用可能である場合、この構成が有利である。
　一実施形態において、タイムストレッチ光測定器は、第２波長域のパルス光を生成するパルス光源と、第１波長域に感度を有する光検出器と、をさらに備えてもよい。パルスストレッチャは、パルス光をストレッチしてもよい。波長変換器は、パルスストレッチャの出力を第１波長域の光に変換してもよい。光検出器は、波長変換器の出力を被測定対象に照射した結果生成される光を検出してもよい。
　第２波長域の光源の方が第１波長域のパルス光源の方よりも、コストやサイズ、あるいは性能の観点から有利な場合、この構成が有利である。
　一実施形態において、タイムストレッチ光測定器は、第２波長域のパルス光を生成するパルス光源と、第２波長域に感度を有する光検出器と、をさらに備えてもよい。パルスストレッチャは、パルス光をストレッチしてもよい。波長変換器は、パルスストレッチャの出力を第１波長域の光に変換するとともに、第１波長域の光を被測定対象に照射した結果生成される光を、第２波長域の光に変換してもよい。光検出器は、第２波長域の光を検出してもよい。
　第２波長域の光源の方が第１波長域のパルス光源の方よりも、コストやサイズ、あるいは性能の観点から有利であり、また第１波長域の光検出器よりも第２波長域の光検出器の方が高性能なものが利用可能である場合、この構成が有利である。
　一実施形態において、第２波長域は、近赤外域（１～２μｍ帯）であってもよい。特に、通信波長域（１．５μｍ帯）では、安価で実績のある通信用ファイバをパルスストレッチャとして用いることができる。また近赤外域では、光検出器も、高感度、高ダイナミックレンジ、広感度波長域を有するものが利用可能である。さらに光源に関しても、通信波長域では、光パラメトリック発振器に比べてより簡易なファイバベースのフェムト秒レーザを利用可能である。
　一実施形態において、第１波長域は中赤外波長域であってもよい。これにより、様々な種類の豊富な分子振動が多く存在する中赤外波長域の分光測定を、小型および／または安価な装置で実現できる。
　一実施形態において、パルスストレッチャはファイバであってもよい。ファイバは、具体的には、シングルモードファイバ、マルチモードファイバやファイバーブラッググレーティング、それらの組み合わせであってもよい。
　一実施形態において、波長変換器は、波長変換素子と、第１波長域と第２波長域の差である第３波長の連続光またはパルス光を生成する第２光源と、含んでもよい。
　一実施形態において、波長変換器は、波長変換素子を含み、２次高調波発生により、前記第１波長域を前記第２波長域に変換してもよい。
　一実施形態において、波長変換器は、光パラメトリック発振器を含んでもよい。
（実施形態）
　以下、本発明を好適な実施形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　図１は、実施形態に係るタイムストレッチ分光器１００のブロック図である。タイムストレッチ分光器１００は、タイムストレッチ分光により、被測定対象であるサンプル２の第１波長域λ１におけるスペクトルを測定する。第１波長域λ１は、たとえば中赤外域（ＭＩＲ）である。つまり、サンプル２に照射される入射光１０は第１波長域λ１であり、また、光１０をサンプル２に作用させた結果発生する光１２（透過光や反射光、以下、測定光という）も第１波長域λ１である。
　このタイムストレッチ分光器１００は、パルスストレッチを、光計測で用いる第１波長域λ１とは別の第２波長域λ２で行う。
　このタイムストレッチ分光器１００は、パルス光源１１０、光検出器１２０およびパルスストレッチャ・波長変換器１５０を備える。
　パルス光源１１０は、広帯域スペクトルを含むパルス光１４を発生する。パルス光１４の波長は特に限定されないが、第１波長域λ１と第２波長域λ２のいずれかであり得る。
　光検出器１２０には、時間と波長が１対１で対応付けられたストレッチパルス光１６が入射する。光検出器１２０は、ストレッチパルス光１６の強度の時間波形を測定する。ストレッチパルス光１６は、その前縁部において波長λｓを有し、その後縁部において波長λｅを有し、その間において、波長が緩やかに変化している（チャープ）。λｓ＞λｅであってもよいし、λｓ＜λｅであってもよい。ストレッチパルス光１６もまた、第１波長域λ１であってもよいし、第２波長域λ２であってもよい。
　パルスストレッチャ・波長変換器１５０は、パルス光源１１０からのパルス光１４を受け、入射光１０を生成する。またパルスストレッチャ・波長変換器１５０は、測定光１２を受け、ストレッチパルス光１６を生成する。
　パルスストレッチャ・波長変換器１５０は、パルスストレッチャ１３０および波長変換器１４０を含む。パルスストレッチャ１３０は、第１波長域λ１と異なる第２波長域λ２のパルス光１８を時間軸上でストレッチし、ストレッチパルス光２０を生成可能に構成される。第２波長域λ２は、安価および／または小型なパルスストレッチャ１３０が利用可能な波長帯域を選ぶことができる。その限りでないが、第２波長域λ２は、近赤外域（１～２μｍ帯）、たとえば通信波長帯(１．５μｍ帯)でありうる。
　波長変換器１４０は、第１波長域λ１の光を第２波長域λ２の光に変換し、および／または、第２波長域λ２の光を第１波長域λ１の光に変換可能に構成される。
　パルスストレッチャ１３０および波長変換器１４０はそれぞれ、パルス光源１１０からサンプル２に至る第１パス１０２、またはサンプル２から光検出器１２０に至る第２パス１０４に設けられる。
　タイムストレッチ分光では、第２パス１０４においてパルスストレッチを行ってもよく（後述の実施形態１）、この場合、パルスストレッチャ１３０は第２パス１０４に挿入される。タイムストレッチ分光では、第１パス１０２においてパルスストレッチを行ってもよく（後述の実施形態２、実施形態３）、この場合、パルスストレッチャ１３０は第１パス１０２に挿入される。パルスストレッチャ１３０の配置と、パルス光源１１０が生成するパルス光１４の波長、光検出器１２０が感度を有する波長が決まれば、波長変換器１４０の位置および波長変換の方向も自ずと定まる。
　以上がタイムストレッチ分光器１００の基本構成である。このタイムストレッチ分光器１００によれば、測定波長域である第１波長域λ１において、小型あるいは安価なパルスストレッチャが存在しない場合において、パルスストレッチを第１波長域λ１とは別の、小型あるいは安価なパルスストレッチャ１３０が利用可能な第２波長域λ２において行うことにより、タイムストレッチ分光器１００を小型化し、あるいは低コスト化することができる。
　このタイムストレッチ分光器１００では、ＦＡＣＥＤベースのＴＳＩＲよりも桁で大きい分散を、現実的なサイズで付与することができる。このことは、桁で大きいスペクトル点数を実現できることを意味する。スペクトル点数の増加は、高分解能化による高速ガス分光への適用や、多種の吸収ラインを見ることによって数多くの分子振動情報からより対象を正確に把握することに繋がる。
　本開示は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、方法に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本開示の範囲を狭めるためではなく、本開示や本発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な構成例や実施例を説明する。
（実施形態１）
　図２は、実施形態１に係るタイムストレッチ分光器２００のブロック図である。本実施形態において、第１波長域λ１は中赤外域であり、第２波長域λ２は近赤外域、たとえば通信波長帯である。つまり、λ１＞λ２の関係が成り立っている。実施形態１に係るタイムストレッチ赤外分光では、赤外（第１波長域）のストレッチ前のパルス光をサンプル２に照射し、サンプル２により赤外吸収を受けたスペクトルを近赤外通信波長域（第２波長域λ２）の光に変換し、近赤外光ファイバでパルスストレッチした後、高速近赤外検出器で検出する。これを上方変換タイムストレッチ赤外分光（Upconversion TSIR）と称することとする。
　タイムストレッチ分光器２００は、パルス光源２１０、光検出器２２０、パルスストレッチャ２３０、波長変換器２４０、処理装置２５０を備える。
　上方変換タイムストレッチ赤外分光のタイムストレッチ分光器２００は、測定光に対してタイムストレッチを行う。したがって、パルスストレッチャ２３０は、サンプル２と光検出器２２０の間のパス２０４に挿入される。
　本実施形態において、パルス光源２１０は、第１波長域λ１のパルス光１４を発生する。このパルス光１４が第１パス２０２を経由して、入射光１０としてサンプル２に照射される。また光検出器２２０は、第２波長域λ２に感度を有する。
　サンプル２からの測定光１２は、波長変換器２４０への入射光２２となる。波長変換器２４０は、その入射光２２を、第２波長域λ２の光２４に変換する。たとえば波長変換器２４０は、非線形光学素子２４２およびＣＷ（Continuous Wave）光源２４４を含む。ＣＷ光源２４４は、可視あるいは近赤外のＣＷ単色光２６を生成する。非線形光学素子２４２は、ＣＷ単色光２６と測定光１２（２２）の差周波を発生する。
　測定光１２の第１波長域λ１が中赤外（３μｍ）であり、第２波長域λ２が通信波長帯（１．５μｍ帯）である場合、ＣＷ単色光２６は波長λ３＝１μｍの近赤外光を選ぶことができる。
　第２波長域λ２の光２４は、パルスストレッチャ２３０にパルス光１８として入射する。パルスストレッチャ２３０は、第２波長λ２のパルス光１８を時間的に伸長し、ストレッチパルス光２０を生成する。
　光検出器２２０は、第２波長域λ２のストレッチパルス光２０（１６）の強度波形を検出する。処理装置２５０は、光検出器２２０が生成する電気信号を処理し、サンプル２のスペクトルを計算する。
　以上がタイムストレッチ分光器２００の構成である。この実施形態１では、λ１＞λ２であり、波長変換器２４０において、光の波長が上方変換（Ｕｐ－Ｃｏｎｖｅｒｔ）される。
　図３は、図２のタイムストレッチ分光器２００の具体的な構成例（２００Ａ）を示す図である。
　パルス光源２１０は、フェムト秒パルス光を生成する光パラメトリック発振器２１２、非球面レンズ２１４、ＩｎＦ３（フッ化インジウム）ファイバ２１６、コリメータ２１８を含む。ＩｎＦ３ファイバは、シングルモードファイバであり、光パラメトリック発振器２１２が生成するフェムト秒パルス光のうち、ファイバの基本モードのみを伝送する。
　サンプル２は、ガスセルに封入されたガスである。サンプル２から出力される測定光は、１／４波長板２６０、１／２波長板２６２および偏光子２６４を透過し、ＹＡＧダイクロイックミラー２６６に入射する。ＹＡＧダイクロイックミラー２６６は、サンプル２から放射される測定光とＣＷ光源２４４が生成するＣＷ光を同軸に合波する。合波された２波長の光は、ＺｎＳｅレンズ２６８によって非線形光学素子２４２に集光される。
　ＣＷ光源２４４は、１．０６４μｍの分布反射型（ＤＢＲ）の半導体レーザ２８０、アイソレータ２８２、Ｙｂドープのファイバ増幅器２８４、アイソレータ２８６、１／２波長板２８８、１μｍ帯のロングパスフィルタ２９０、レンズ２９２，２９４を含む。
　ＰＰＬＮ（周期分極反転ニオブ酸リチウム）導波路２４２は非線形光学素子であり、１．０６４μｍのＣＷ光と、３．４μｍのパルス光の差周波を発生する。ＰＰＬＮ導波路２４２から出力される第２波長域の光は、非球面レンズ２７０、１．５μｍ帯のロングパスフィルタ２７２、１／２波長板２７４、非球面レンズ２７６を透過し、パルスストレッチャ２３０に出力される。
　パルスストレッチャ２３０は、Ｅｒドープファイバ増幅器２３２、分散補償ファイバ２３４、コリメータ２３６、１．５５μｍ帯のバンドパスフィルタ２３８、コリメータ２３９を含む。分散補償ファイバ２３４は、２ｎｓ／ｎｍの分散量を有する。
　光検出器２２０は、ＩｎＧａＡｓのフォトダイオード２２２、フォトダイオード２２２の光電流を電圧に変換するトランスインピーダンスアンプ２２４を含む。
　トランスインピーダンスアンプ２２４の出力はオシロスコープ２５２に入力される。
　以上がタイムストレッチ分光器２００Ａの構成である。図３のタイムストレッチ分光器２００Ａによる測定結果を説明する。
　図４は、ＰＰＬＮ導波路による波長変換によって得られた１．５μｍ帯のスペクトルの測定結果を示す図である。このスペクトルは、市販の光スペクトラムアナライザ―（ＯＳＡ）によって測定したものである。スペクトルの中心波長は、ＰＰＬＮ導波路の温度に応じてシフトする。
　図５（ａ）は、光検出器２２０の出力信号を、図５（ｂ）は、処理装置２５０によって計算されたスペクトルを示す図である。図５（ａ）を参照すると、パルス光源２１０が生成するパルス光は８０ＭＨｚの繰り返し周波数を有しており、したがってパルスストレッチャ２３０によりパルスストレッチされた後のストレッチパルス光も、８０ＭＨｚの繰り返し周波数を有している。パルスストレッチャ２３０によるパルスストレッチによって、パルス幅は半値全幅で５ｎｓ程度までストレッチされている。２ｎｓ／ｎｍの分散量において、周波数帯域１０ＧＨｚの検出器を使用すると、単純にはスペクトル分解能は０．０５ｎｍ、つまり６ＧＨｚ程度となり、これはガスの吸収線が識別できるレベルである。
　図５（ｂ）を参照する。横軸は、ストレッチパルス光の時間－波長の対応関係から計算される第２波長域（近赤外）の波数と、それに対応する第１波長域（中赤外）の波数を示し、縦軸はサンプル２の透過率を示す。スペクトルは、１００パルスを平均して計算したものである。この測定から、ＣＨ４ガスの赤外吸収スペクトルが測定できていることが分かる。
　図５（ｂ）のスペクトルは補正前のものであり、透過率が１を超えており、スペクトルが歪んでいる。ＴＳＩＲにおいてはストレッチ量が不十分である場合、２次分散由来の位相成分と吸収線部分の位相成分とが干渉しあうこと、また検出器のインパルス応答が時間波形に重畳され、これらにより時間－周波数の１対１対応関係が崩れ、結果的にスペクトルの歪みを引き起こす。
　スペクトルの歪みは、補正することが可能である。具体的には、時間波形に装置関数が乗っているという前提で、その装置関数を推定しデコンボリューションすることでスペクトル補正が可能である。具体的には、既知の物質に対して得られたスペクトルに含まれるある１つの歪んだ孤立ピークと、当該物質の真のピーク（たとえばHITRANデータから取得できる）とから、装置関数の形状を知ることができる。その装置関数で測定スペクトル全体をデコンボリューションすれば、真のスペクトルを導出することができる。ニアフィールド伝搬による系統的なスペクトル歪みは、反復勾配降下（ＧＤ：Gradient-Descent）アルゴリズムによって復調することも可能である。
　図６（ａ）～（ｃ）は、ＣＨ４赤外吸収スペクトルの測定データ（補正後）を示す図である。サンプルは、ＣＨ４ガスである。上方変換後の近赤外波長は１５４５ｎｍ付近であり、取得レートは１０ＭＨｚ（８０ＭＨｚをパルスピック）、ストレッチ量は６ｎｓ／ｎｍである。図６（ａ）は、シングルショットでの測定結果を、図６（ｂ）は１０回の積算結果を、図６（ｃ）は９０回の積算結果を示す。補正後のスペクトルは、ＨＩＴＲＡＮスペクトルと遜色ない形で得られており、したがって、タイムストレッチ分光器１００の有用性が示されている。補正後の吸収線の半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）は、１．５ＧＨｚ（０．０５ｃｍ－１）であり、スペクトル点数を増やすことにより、高いスペクトル分解能が得られている。
　実施形態１では、上方変換タイムストレッチ赤外分光について説明した。この方式では、光源・結晶の組合せで、任意の波長域のスペクトルを通信波長帯に変換できる。またパルスストレッチャ（分散補償ファイバ）が大きな分散[数ns/nm]を付与できるため、高分解能化が容易となる。さらにファイバベースのパルスストレッチャがシンプルかつコンパクトであり、装置を小型化し、低コスト化できる。
　また、光検出器２２０として、中赤外検出器に比べて、高感度・高ダイナミックレンジの近赤外検出器を用いることができる。
（実施形態２）
　図７は、実施形態２に係るタイムストレッチ分光器３００のブロック図である。本実施形態においても実施形態１と同様に、第１波長域λ１は中赤外域であり、第２波長域λ２は通信波長帯である。つまり、λ１＞λ２の関係が成り立っている。
　実施形態２に係るタイムストレッチ赤外分光では、通信波長帯広帯域パルス光源が生成する第２波長域（λ２）のパルス光をパルスストレッチし、赤外パルス光（第１波長域）へ波長変換してサンプル２に照射し、サンプル２から得られる赤外光（第１波長域）を高速赤外検出器で検出する。これを下方変換タイムストレッチ赤外分光（Downconversion TSIR）と称することとする。
　タイムストレッチ分光器３００は、パルス光源３１０、光検出器３２０、パルスストレッチャ３３０、波長変換器３４０、処理装置３５０を備える。
　下方変換タイムストレッチ赤外分光のタイムストレッチ分光器３００は、サンプル２に照射前の光に対してタイムストレッチを行う。したがって、パルスストレッチャ３３０は、パルス光源３１０とサンプル２の間のパス３０２に挿入される。
　本実施形態において、パルス光源３１０は、第２波長域λ２のパルス光１４を発生する。このパルス光１４が第１パス３０２に配置されたパルスストレッチャ３３０を通過し、パルスストレッチされる。ストレッチ後のパルス光２０は、波長変換器３４０に入射する。波長変換器３４０は、第２波長域λ２のストレッチ後のパルス光２２を、第１波長域λ１のストレッチパルス光２４に変換する。波長変換器３４０は、実施形態１と同様に、非線形光学素子３４２とＣＷ光源３４４を含む。第１実施形態では、上方変換であったが、第２実施形態では下方変換となっている。
　波長変換器３４０によって第１波長域λ１に変換されたストレッチパルス光２４は、入射光１０としてサンプル２に照射される。サンプル２からは、第１波長域λ１の測定光１２が出力される。光検出器３２０は、第１波長域λ１に感度を有しており、測定光１２（１６）の強度波形を測定する。処理装置３５０は、光検出器３２０が生成する電気信号を処理し、サンプル２のスペクトルを計算する。
　以上がタイムストレッチ分光器３００の構成である。この実施形態２では、λ１＞λ２であり、波長変換器３４０において、光の波長が下方変換（Ｄｏｗｎ－Ｃｏｎｖｅｒｔ）される。
　図８は、図７のタイムストレッチ分光器３００の具体的な構成例（３００Ａ）を示す図である。
　パルス光源３１０は、１．５μｍのパルス光を生成するＥｒファイバレーザ３１２、１．５５μｍ帯のバンドパスフィルタ３１４、非球面レンズ３１６、アイソレータ３１８を含む。
　パルスストレッチャ３３０は、ＤＣＦ（分散補償ファイバ）３３２および偏波回転パドル３３４を含む。
　パルスストレッチャ３３０の出力は、偏光子３６１を通過後、Ｅｒドープファイバ増幅器３６２によって増幅される。ＣＷ光源３４４は、１．０６４μｍのＣＷレーザ３６４、アイソレータ３６５、Ｙｂドープのファイバ増幅器３６６を含む。
　波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）素子３６３によって、１．５μｍのストレッチパルス光と、１．０６４μｍのＣＷ光が合波される。合波された２波長の光は、コリメータ３６７、軸外パラボリックミラー（もしくは非球面レンズ）３６８によって、ＰＰＬＮ導波路である非線形光学素子３４２に集光される。非線形光学素子３４２から出力される光は、軸外パラボリックミラー（もしくは非球面レンズ）３６９によって平行光に戻され、Ｇｅフィルタ３７０は、非線形光学素子３４２から出力から余計な波長成分を除去し、３．４μｍの光を抽出する。３μｍの光は、サンプル２に照射される。
　サンプル２は、ガスセルに封入されたガスである。サンプル２から出力される測定光は、１／２波長板３７２および非球面レンズ３７４を通過し、光検出器３２０に入射する。
　光検出器３２０は、量子カスケード検出器（ＱＣＤ）３２２および高周波アンプ３２４を含む。
　以上がタイムストレッチ分光器３００Ａの構成である。図８のタイムストレッチ分光器３００Ａによる測定結果を説明する。
　図９は、波長変換により生成された３．４μｍ帯のスペクトルを示す図である。このスペクトルは、サンプル２の出力光を、光検出器３２０に代えてＦＴＩＲ（フーリエ変換赤外分光器）によって測定したものである。ＰＰＬＮ導波路の温度によって、スペクトルの中心周波数はシフトしている。ＦＴＩＲの結果からＣＨ４ガスの吸収スペクトルが観測されていることが分かる。
　図１０（ａ）は、光検出器３２０の出力信号の波形を、図１０（ｂ）は、サンプルなし（上段）、あり（下段）の場合の１０００回積算後の波形を示す図である。図１０（ｂ）のサンプルありのスペクトルから、ＣＨ４ガスの赤外吸収スペクトルが観測できていることが分かる。
　実施形態２では、下方変換タイムストレッチ赤外分光について説明した。この方式では、光源・結晶の組合せで通信波長帯から任意の波長帯へ波長変換できる。またパルスストレッチャ（分散補償ファイバ）が大きな分散[数ns/nm]を付加できるので高分解能化が容易である。さらにシンプルかつコンパクトなファイバベースのパルスストレッチャが利用できるため、装置全体を小型化、低コスト化できる。また通信波長域ファイバレーザなどの汎用ｆｓ（フェムト秒）パルスを、光源として用いることができる。
（実施形態３）
　図１１は、実施形態３に係るタイムストレッチ分光器４００のブロック図である。本実施形態においても実施形態１と同様に、第１波長域λ１は中赤外域であり、第２波長域λ２は通信波長帯である。つまり、λ１＞λ２の関係が成り立っている。
　実施形態３に係るタイムストレッチ赤外分光では、通信波長帯広帯域パルス光源が生成する第２波長域（λ２）のパルス光をパルスストレッチし、さらに赤外パルス光（第１波長λ１）へ波長変換後、サンプル２に照射する。そしてサンプル２から得られる赤外光を、再度、第２波長域（λ２）に波長変化し、通信波長帯広帯域パルス光に戻して、高速近赤外検出器で検出する。これを下方－上方変換タイムストレッチ赤外分光（Downconversion-Upconversion TSIR）と称することとする。
　タイムストレッチ分光器４００は、パルス光源４１０、光検出器４２０、パルスストレッチャ４３０、波長変換器４４０、処理装置４５０を備える。
　下方－上方変換タイムストレッチ赤外分光のタイムストレッチ分光器４００は、実施形態２と同様に、サンプル２に照射前の光に対してタイムストレッチを行う。したがって、パルスストレッチャ４３０は、パルス光源４１０とサンプル２の間のパス４０２に挿入される。
　本実施形態において、パルス光源４１０は、第２波長域λ２のパルス光１４を発生する。このパルス光１４が第１パス４０２に配置されたパルスストレッチャ４３０を通過し、パルスストレッチされる。ストレッチ後のパルス光２０は、波長変換器４４０に入射する。波長変換器４４０は、第２波長域λ２のストレッチ後のパルス光２２を、第１波長域λ１のストレッチパルス光２４に変換する（下方変換）。波長変換器４４０は、実施形態１と同様に、非線形光学素子４４２とＣＷ光源４４４を含む。
　波長変換器４４０によって第１波長域λ１に変換されたストレッチパルス光２４は、入射光１０としてサンプル２に照射される。サンプル２からは、第１波長域λ１の測定光１２が出力される。
　実施形態３では、光検出器４２０は、第２波長域λ２に感度を有している。波長変換器４４０は、第１波長域λ１の測定光１２を、第２波長λ２のストレッチパルス光１６に再変換する。波長変換器４４０は、再変換のための非線形光学素子４４６を含む。非線形光学素子４４６には、第１波長域λ１の測定光１２と、ＣＷ光源４４４が生成するＣＷ光２６が入射され、第１波長域λ１の光が、第２波長域λ２の光に再変換される（上方変換）。
　光検出器４２０は、第２波長域λ２のストレッチパルス光１６の時間強度波形を検出する。処理装置４５０は、光検出器４２０が生成する電気信号を処理し、サンプル２のスペクトルを計算する。
　以上がタイムストレッチ分光器４００の構成である。なお、この説明ではパルスストレッチャ４３０をパス４０２に設けたがその限りでなく、光検出器４２０と波長変換器４４０の間に設けられてもよい。
　実施形態３では、下方－上方変換タイムストレッチ赤外分光について説明した。この方式では、光源・結晶の組合せで通信波長帯から任意の波長帯へ波長変換できる。またパルスストレッチャ（分散補償ファイバ）が大きな分散[数ns/nm]を付加できるので高分解能化が容易である。さらにシンプルかつコンパクトなファイバベースのパルスストレッチャが利用できるため、装置全体を小型化、低コスト化できる。また通信波長域ファイバレーザなどの汎用ｆｓパルスを、光源として用いることができる。さらに、光検出器４２０として、中赤外検出器に比べて、高感度・高ダイナミックレンジかつ波長域が広い近赤外検出器を用いることができる。
（変形例）
　上述した実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なことが当業者に理解される。以下、こうした変形例について説明する。
（変形例１）
　波長変換器１４０（２４０，３４０，４４０）における波長変換の方式は特に限定されない。たとえばフェムト秒パルスの２次高調波発生を用いて、波長変換を行ってもよい。またスペクトル後置補正による分光(３．１μｍ→１．５５μｍ)も有効である。
（変形例２）
　波長変換に関して、光パラメトリック発振による波長変換を用いてもよい。すなわち、フェムト秒のポンプ光をＯＰＯに入射し、シグナル光とアイドラー光を生成し、フェムト秒のアイドラー光を取り出す。そしてフェムト秒のポンプ光に帯域制限をかけて、ピコ秒のポンプ光を生成し、ピコ秒のパルス光と、フェムト秒のアイドラー光を合波してシグナル光を発生し、このシグナル光をタイムストレッチ後に検出する。
（変形例３）
　波長変換に関して、実施形態１～３ではＣＷ光源を利用したがその限りでない。元の広帯域パルス光のスペクトルの一部を狭帯域で取り出し、これをＣＷ光の代替として用い、残りの広帯域のスペクトルを含むパルス光と非線形素子において相互作用させて、波長変換を行ってもよい。
（変形例４）
　用途に関して、実施形態では、高速分光を例としたが、光コヒーレンストモグラフィ、高速イメージング、Lidarによる測距などにも本開示に係る技術は適用可能である。
（変形例５）
　第１波長域λ１と第２波長域λ２は、実施形態のそれに限定されない。すなわち第１波長域λ１（測定波長域）は、サンプル２の種類に応じて決まるものであり、可視域であってもよい。第２波長域λ２は、第１波長域λ１よりも、パルスストレッチが容易な波長域を選択すればよい。第１波長域λ１が可視光、第２波長域λ２を近赤外に選ぶ場合、波長変換の方向が、実施形態１～３で説明したそれとは逆になる。
（変形例６）
　図５（ａ）に示すように、光検出器１２０に入射するストレッチされた光は、裾から裾で１０ｎｓ程度の幅を有しており、スペクトル点数を１００としたい場合、光検出器１２０には、０．１ｎｓの時間分解能が必要となる。また１０ＧＨｚ級の光検出器や、同帯域ならびに１０ＧＳａ／ｓを超えるサンプリングレートを持つデータ取得ユニット（ＤＡＱ：Data AcQuisition）は、波長によっては入手が困難であるか、あるいは非常に高価である。
　そこで光検出器１２０は、複数の光検出素子、すなわち複数のフォトダイオードや複数の量子カスケード検出器を含んでもよい。ストレッチパルス光１６の１パルスを時間軸上で複数のタイムスロットに分割して、複数の光検出素子に分岐し、複数の光検出素子によって時分割で複数のタイムスロットの検出を行ってもよい。ストレッチパルス光の複数のタイムスロットへの分割は、ＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）や、回折格子を用いて行うことができる。これにより、１個の光検出素子およびその出力を処理するＤＡＱユニットの動作速度を下げることができる。
（変形例７）
　図２のＣＷ光源２４４に代えて、パルス光源２１０とタイミング同期されたピコ秒あるいはフェムト秒のパルスレーザ光源を用いてもよい。フェムト秒のパルスレーザ光源を用いる場合には、非線形光学素子２４２の結晶長を長くすることで、非線形結晶における位相整合の狭帯域化がおこるため、スペクトルの１対１対応を保った波長変換が可能となる。
（変形例８）
　図７において、異なる波長で発振する複数のＣＷ光源３４４を設け、複数の波長を空間的に重ね合わせたビームを、非線形光学素子３４２に入射するようにしてもよい。これにより、波長変換を広帯域化することができ、あるいは離れた複数の波長領域での波長変換を同時に行うことができる。
（変形例９）
　図１１において、パルスストレッチャ４３０は、波長変換器４４０の後、すなわち、光検出器４２０の直前に配置してもよい。この場合には、変形例７で説明したように、ＣＷ光源４４４に代えて、パルス光源４１０とタイミング同期されたピコ秒やフェムト秒のパルスレーザ光源を用いてもよい。
　図１２は、変形例９に係るタイムストレッチ分光器５００のブロック図である。ミラーやレンズの配置は例示に過ぎないため、説明を省略する。パルス光源５０２は、Ｙｂファイバレーザであり、フェムト秒（ｆｓ）パルスを生成する。フェムト秒パルスは、ビームスプリッタ５０４によって２つのビームに分岐される。一方のビームＢＭ１は、フォトニック結晶ファイバ５０６に導かれる。フォトニック結晶ファイバ５０６の出射光ＢＭ３は、ロングパスフィルタ５０８を通過し、ＳＣ（Super Continuum ）光が生成される。フォトニック結晶ファイバ５０６およびロングパスフィルタ５０８は、パルスレーザ光源として機能する。
　ビームＢＭ３とＢＭ２は、ダイクロイックミラーＤＭ１によって空間的に重ね合わされ、非線形光学素子５１０に入射し、波長変換される。変換後のビームＢＭ４は、Ｇｅフィルタ５１２によって不要な波長帯域が除去された後、サンプル２に照射される。
　パルス光源５０２が生成するｆｓパルスは、スペクトルフィルタ５２０によって狭帯域化され、ピコ秒パルス（ｐｓ）に変換される。ｐｓパルスは、ファイバ５２２を経てファイバ－アンプ５２４に入力される。ファイバーアンプ５２４により増幅された光は、ロングパスフィルタ５２６を通過し、ポンプが除去される。ロングパスフィルタ５２６を通過したビームＢＭ６と、サンプル２を通過したビームＢＭ５は、ダイクロイックミラーＤＭ２によって空間的に重ね合わされ、非線形光学結晶５３０に入射する。非線形光学結晶５３０による波長変換後のビームＢＭ７は、ロングパスフィルタ５３２によって不要な波長が除去される。ロングパスフィルタ５３２を通過したビームは、シングルモードファイバ５３４によってパルスストレッチされ、光検出器５４０によって検出される。なお、和周波を利用して上方変換を行ってもよく、その場合、ロングパスフィルタ５３２はショートパスフィルタに置換される。
（変形例１０）
　図１３は、変形例１０に係るタイムストレッチ分光器５００Ａのブロック図である。このタイムストレッチ分光器５００Ａは、図１１のタイムストレッチ分光器５００を、ＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）に応用したものであり、ＯＣＴ観察部６００が追加される。ＯＣＴ観察部６００は、マイケルソン干渉計を含み、一方のアームにサンプル２が配置され、他方のアームの光路長が可変となっている。サンプル２に作用した光と、そうでない光が空間的に重ね合わされ、ダイクロイックミラーＤＭ２に入射する。図１３の変形例によれば、サンプル２の深さ方向の情報を得ることができる。
　実施形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
　本開示は、タイムストレッチを利用した光計測技術に関する。
２…サンプル、１０…入射光、１２…測定光、１４…パルス光、１６…ストレッチパルス光、１８…パルス光、２０…ストレッチパルス光、１００…タイムストレッチ分光器、１０２…第１パス、１０４…第２パス、１１０…パルス光源、１２０…光検出器、１３０…パルスストレッチャ、１４０…波長変換器、１５０…パルスストレッチャ・n波長変換器、２００…タイムストレッチ分光器、２１０…パルス光源、２２０…光検出器、２３０…パルスストレッチャ、２４０…波長変換器、２４２…非線形光学素子、２４４…ＣＷ光源、２５０…処理装置、３００…タイムストレッチ分光器、３１０…パルス光源、３２０…光検出器、３３０…パルスストレッチャ、３４０…波長変換器、３４２…非線形光学素子、３４４…ＣＷ光源、４００…タイムストレッチ分光器、４１０…パルス光源、４２０…光検出器、４３０…パルスストレッチャ、４４０…波長変換器、４４２…非線形光学素子、４４４…ＣＷ光源、４４６…非線形光学素子、５００…タイムストレッチ分光器、５０２…パルス光源、５０４…ビームスプリッタ。

Claims (14)

  1. 　第１波長域にて光計測を行うタイムストレッチ光測定器であって、
    　前記第１波長域と異なる第２波長域のパルスをストレッチ可能なパルスストレッチャと、
    　前記第１波長域から前記第２波長域に、または前記第２波長域から前記第１波長域に波長変換する波長変換器と、
    　を備えることを特徴とするタイムストレッチ光測定器。
  2. 　前記第１波長域のパルス光を生成するパルス光源と、
    　前記第２波長域に感度を有する光検出器と、
    　をさらに備え、
    　前記波長変換器は、前記パルス光を被測定対象に照射した結果生成される光を、前記第２波長域の光に変換し、
    　前記パルスストレッチャは、前記波長変換器の出力光をストレッチし、
    　前記光検出器は、前記パルスストレッチャの出力を検出することを特徴とする請求項１に記載のタイムストレッチ光測定器。
  3. 　前記第２波長域のパルス光を生成するパルス光源と、
    　前記第１波長域に感度を有する光検出器と、
    　をさらに備え、
    　前記パルスストレッチャは、前記パルス光をストレッチし、
    　前記波長変換器は、前記パルスストレッチャの出力を前記第１波長域の光に変換し、
    　前記光検出器は、前記波長変換器の出力を被測定対象に照射した結果生成される光を検出することを特徴とする請求項１に記載のタイムストレッチ光測定器。
  4. 　前記第２波長域のパルス光を生成するパルス光源と、
    　前記第２波長域に感度を有する光検出器と、
    　をさらに備え、
    　前記パルスストレッチャは、前記パルス光をストレッチし、
    　前記波長変換器は、前記パルスストレッチャの出力を前記第１波長域の光に変換するとともに、前記第１波長域の光を被測定対象に照射した結果生成される光を、前記第２波長域の光に変換し、
    　前記光検出器は、前記第２波長域の光を検出することを特徴とする請求項１に記載のタイムストレッチ光測定器。
  5. 　前記第２波長域は近赤外域であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のタイムストレッチ光測定器。
  6. 　前記第１波長域は中赤外波長域であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のタイムストレッチ光測定器。
  7. 　前記パルスストレッチャはファイバであることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のタイムストレッチ光測定器。
  8. 　タイムストレッチ分光法であって、パルスストレッチを、光計測で用いる測定波長域とは別の波長域で行うことを特徴とするタイムストレッチ分光法。
  9. 　前記測定波長域のパルス光を生成するステップと、
    　前記パルス光を被測定対象に照射するステップと、
    　前記被測定対象からの光を、波長変換素子を利用して前記別の波長域の光に変換するステップと、
    　前記別の波長域をストレッチするステップと、
    　ストレッチ後の光を検出するステップと、
    　を備えることを特徴とする請求項８に記載のタイムストレッチ分光法。
  10. 　前記別の波長域のパルス光を生成するステップと、
    　前記パルス光をストレッチするステップと、
    　波長変換素子を用いてストレッチ後の光を前記測定波長域の光に変換するステップと、
    　前記測定波長域の光を被測定対象に照射するステップと、
    　前記被測定対象からの光を検出するステップと、
    　を備えることを特徴とする請求項８に記載のタイムストレッチ分光法。
  11. 　前記別の波長域のパルス光を生成するステップと、
    　前記パルス光をストレッチするステップと、
    　波長変換素子を用いてストレッチ後の光を前記測定波長域の光に変換するステップと、
    　前記測定波長域の光を被測定対象に照射するステップと、
    　前記被測定対象からの光を、別の波長変換素子を用いて前記別の波長域の光に変換するステップと、
    　前記別の波長域の光を検出するステップと、
    　を備えることを特徴とする請求項８に記載のタイムストレッチ分光法。
  12. 　前記別の波長域は通信波長域であることを特徴とする請求項８から１１のいずれかに記載のタイムストレッチ分光法。
  13. 　前記測定波長域は中赤外波長域であることを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載のタイムストレッチ分光法。
  14. 　光のストレッチは、パルスストレッチャによって行われることを特徴とする請求項８から１３のいずれかに記載のタイムストレッチ分光法。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011529230A (ja) * 2008-07-24 2011-12-01 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア ディスパーシブフーリエ変換イメージングの装置および方法
CN104391416A (zh) * 2014-11-24 2015-03-04 深圳大学 一种中红外啁啾脉冲放大装置
WO2015033582A1 (ja) * 2013-09-09 2015-03-12 独立行政法人理化学研究所 ガス分析装置およびガス分析方法
WO2017065257A1 (ja) * 2015-10-14 2017-04-20 国立大学法人東京大学 撮像装置、フローサイトメータ及び撮像方法
CN107247380A (zh) * 2017-08-11 2017-10-13 深圳大学 一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法
CN111579072A (zh) * 2020-05-29 2020-08-25 江苏师范大学 中红外波段超短脉冲光谱探测装置
CN112595416A (zh) * 2020-11-20 2021-04-02 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种宽带红外光谱仪

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011529230A (ja) * 2008-07-24 2011-12-01 ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティー オブ カリフォルニア ディスパーシブフーリエ変換イメージングの装置および方法
WO2015033582A1 (ja) * 2013-09-09 2015-03-12 独立行政法人理化学研究所 ガス分析装置およびガス分析方法
CN104391416A (zh) * 2014-11-24 2015-03-04 深圳大学 一种中红外啁啾脉冲放大装置
WO2017065257A1 (ja) * 2015-10-14 2017-04-20 国立大学法人東京大学 撮像装置、フローサイトメータ及び撮像方法
CN107247380A (zh) * 2017-08-11 2017-10-13 深圳大学 一种双啁啾频谱光参量放大器及放大方法
CN111579072A (zh) * 2020-05-29 2020-08-25 江苏师范大学 中红外波段超短脉冲光谱探测装置
CN112595416A (zh) * 2020-11-20 2021-04-02 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 一种宽带红外光谱仪

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