キャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法
【課題】多くのリングダウンパルスを高精度に得る。
【解決手段】キャビティリングダウン分光装置１は、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系２０と、光循環系２０を循環する光の光強度を検出する光強度検出部２１と、光循環系２０内に設けられ、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光循環系２０内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器１０とを有する。
【解決手段】キャビティリングダウン分光装置１は、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系２０と、光循環系２０を循環する光の光強度を検出する光強度検出部２１と、光循環系２０内に設けられ、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光循環系２０内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器１０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の成分濃度の測定や物質の同定等を行う方法として、レーザーパルスを測定対象物に照射し、測定対象物により光強度を減衰されたレーザーパルスを再び測定対象物に照射するという操作を繰り返すことによって、順次に減衰するレーザーパルスの光強度を検出してリングダウンパルスを得るキャビティリングダウン分光方法が知られている（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９３５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、レーザーパルスの出力が小さかったり、測定対象物による光強度の減衰量が大きい場合、光強度が早期に検出限界未満にまで減少し、リングダウンパルスの検出数が不十分になり易いという問題がある。そこで、光強度を増幅することにより微弱な光強度も検出可能にする方法が考えられるが、この場合には、光増幅器とリング内で発生する光がノイズ成分として大きく影響するため、微弱な光強度に対応するリングダウンパルスを高精度に得ることができない。
【０００５】
本発明の目的は、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができるキャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のキャビティリングダウン分光装置は、所定波長の光を出力する光出力部と、前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系と、前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生する光ノイズを低減させる負帰還光増幅器とを有する。
【０００７】
上記の構成によれば、光出力部から出力された光が光循環系において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、測定対象物による光強度の減衰が加重された光強度の変化を伴う光が形成される。
【０００８】
この際、光循環系内に設けられた負帰還光増幅器は、光循環系を進行する光の光強度を増幅させている。従って、光強度が負帰還光増幅器により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【０００９】
さらに、負帰還光増幅器は、光循環系を進行する光のノイズ強度を低減させている。即ち、負帰還光増幅器は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１０】
また、前記光循環系は、前記測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、前記光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材を配置すると共に、他端部において前記負帰還光増幅器を配置しており、
前記負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していてもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、光循環系を光の往復する線状に形成することができると共に、第１反射部材が設けられた光循環系の一端部を自由端にすることができるため、光循環系や測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【００１２】
また、前記光循環系は、前記一端部が光ファイバプローブにより形成されており、
前記光ファイバプローブは、コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第１反射部材とを有していてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、光循環系の一端部に設けられた光ファイバプローブを測定対象物に差し込むだけで、測定対象物のセット作業及び光循環系のセット作業が完了するため、セット時における作業性を一層向上させることができる。
【００１４】
また、前記光循環系は、前記測定対象物の配置位置を挟んだ両端部において、前記負帰還光増幅器をそれぞれ配置しており、
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していてもよい。
【００１５】
上記の構成によれば、光循環系の両端部に負帰還光増幅器が配置されることによって、光循環系の両端部で光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、一層多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１６】
また、前記光循環系は、前記光を一方向に進行させる環状に形成されており、
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段とを有していてもよい。
【００１７】
上記の構成によれば、光循環系が環状に形成された構成であっても、負帰還光増幅器が配置されることによって、光循環系の光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１８】
また、前記負帰還光増幅器は、負帰還半導体光増幅器であってもよい。
【００１９】
上記の構成によれば、負帰還光増幅器を半導体で構成して小型化することが容易であるため、装置全体を小型化することができると共に、取り扱いが容易になる。
【００２０】
また、本発明の吸光分析装置は、上記のキャビティリングダウン分光装置を備えている。
【００２１】
上記の構成によれば、キャビティリングダウン分光装置により得られたノイズ成分の少ない多くのリングダウンパルスに基づいて、測定対象物の物性等を高精度に分析することができる。
【００２２】
本発明は、測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、前記光循環系内に配置された負帰還光増幅器により、前記光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系で発生する光ノイズ強度を低減させる。
【００２３】
上記の構成によれば、光が光循環系において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、光の循環による光路長に基づいた光強度の減衰と、測定対象物による光強度の減衰とが加重された光強度の変化を伴う光が形成される。
【００２４】
この際、光循環系内に配置された負帰還光増幅器により光循環系を進行する光の光強度が増幅されている。従って、光強度が負帰還光増幅器により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【００２５】
さらに、負帰還光増幅器により光循環系を進行する光ノイズ強度が低減されている。即ち、負帰還光増幅器は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００２６】
また、本発明は、測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させる。
【００２７】
上記の構成によれば、光循環系を光の往復する線状に形成することができると共に、光循環系の一端部を自由端にすることができるため、測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、負帰還光増幅器により多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図２】負帰還半導体光増幅器の回路図である。
【図３】負帰還半導体光増幅器の斜視図である。
【図４】負帰還半導体光増幅器の動作状態を示す説明図である。
【図５】周囲光と入力信号光と出力信号光との光強度および利得の関係を示す説明図である。
【図６】光ファイバプローブの断面図である。
【図７】光ファイバプローブの加工装置の説明図である。
【図８】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図９】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図１０】負帰還半導体光増幅器の回路図である。
【図１１】吸光分析装置のブロック図である。
【図１２】監視制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】ＲＳＯＡ増幅実験回路のブロック図である。
【図１４】ＲＳＯＡによるパルス増幅波形のグラフである。
【図１５】ＳＯＡ増幅実験回路のブロック図である。
【図１６】ＳＯＡによるパルス増幅波形のグラフである。
【図１７】ＲＳＯＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図１８】増幅しない場合のリングダウンパルスの波形図である。
【図１９】ＳＯＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図２０】ＥＤＦＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図２１】導入部が形成された状態を示す説明図である。
【図２２】空気のリングダウンパルスの波形図である。
【図２３】水のリングダウンパルスの波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の一実施形態を図１乃至図１２に基づいて説明する。
（キャビティリングダウン分光装置）
図１に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置１は、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２の出力側に配置された光分岐結合器１３と、光分岐結合器１３に光結合された光循環系２０と、光分岐結合器１３の出力側に配置された光強度検出部２１とを有している。キャビティリングダウン分光装置１は、光に対して透過率が高い石英ガラスやプラスチック等により形成された光ファイバ５３により光路が形成されている。尚、キャビティリングダウン分光装置１は、光を空間で取り扱うバルク部品が一部に用いられていてもよい。ここで、『所定波長』は、特に限定されるものではないが、例えば１５５１ｎｍ等の波長を挙げることができる。また、『所定波長』は、各種の測定対象物に応じて最適な吸収性能を発揮させる波長に設定されていてもよい。
【００３１】
光出力部１２は、所定波長を中心波長とするレーザー光を出力する半導体レーザー等の光源と、この光源を駆動制御する駆動部とを有しており、パルス状のレーザー光等の光を出力可能になっている。尚、光出力部１２の光源は、半導体レーザーに限定されるものではなく、その他の光源であってもよい。例えば、光出力部１２は、光源をスペクトル範囲の広い太陽光等の自然光としていてもよく、自然光から所定波長を中心波長とする光を抽出すると共に、光路を間欠的に遮蔽することによりパルス状の光を形成するように構成されていてもよい。
【００３２】
上記の光出力部１２から光が入力される光分岐結合器１３は、光カプラや光サーキュレータ等により形成されている。光分岐結合器１３は、光出力部１２から入力された光を光循環系２０に分光する機能と、光循環系２０を循環する光を光強度検出部２１に分光する機能とを有している。また、光強度検出部２１は、波長フィルタ１４と光強度検出部１５とオシロスコープ１６とを備えている。尚、光分岐結合器１３は、９：１及び９９：１の何れの分岐比であってもキャビティリングダウン分光装置1に適用できるが、９：１の分岐比が好ましい。
【００３３】
（光循環系２０）
光循環系２０は、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能に形成されている。ここで、『循環』とは、光が測定対象物を繰り返して通過することを意味し、線状の光路を往復移動する循環態様と、環状の光路を一方向に移動する循環態様とを含む。『測定対象物』は、トマトやレタス、ハーブ、芋、西瓜、蜜柑、リンゴ、イチゴ等の植物、貝や鳥等の動物、樹木、水耕栽培の苗床、養殖池、生簀、ビニールハウスであってもよい。即ち、『測定対象物』は、液体やガスが経時変化する全ての種類の物を含むと共に、物質の種別や同じ物質の状態変化を検出する用途に適用され得る全ての種類のものを含む。
【００３４】
光循環系２０は、上述の光分岐結合器１３の一部を含み、測定対象物を光路中に位置可能に形成された導入部１７と、第１反射部材１８及び光分岐結合器１３を挟んだ一端部と他端部とを有した線状の光路により形成されている。線状の光路は、光ファイバ５３により形成されている。光循環系２０の一端部には、光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材１８を含む光ファイバプローブ５が配置されている。光ファイバプローブ５の詳細については後述する。一方、光循環系２０の他端部には、負帰還光増幅器１０が配置されている。
【００３５】
（負帰還光増幅器１０）
負帰還光増幅器１０は、図２に示すように、光を増幅する光増幅器１１と、光増幅器１１から出力された光の全部または一部を出力元の光増幅器１１に反射する第２反射部材１９とを有している。光増幅器１１は、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、この入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、この出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する相互利得変調作用を起こす機能を有している。
【００３６】
具体的には、負帰還光増幅器１０は、負帰還半導体光増幅器となるように、光増幅素子１１が半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）により形成されている。半導体光増幅器である光増幅器１１は、図３に示すように、化合物半導体、例えばインジウム燐（ＩｎＰ）から構成される半導体基板１１１を有している。半導体基板１１１上には、光導波路１１２が形成されている。光導波路１１２は、半導体基板１１１上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体の多層膜であり、例えばホトリソグラフィーを用いて所定幅のテープ状突起となるように形成されている。
【００３７】
光導波路１１２は、半導体基板１１１よりも屈折率が高い物質で構成されており、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝播させる機能を備えている。光導波路１１２内の多層膜は、ｐｎ接合により構成された活性層１１３やキャップ層等を有している。光導波路１１２の上面には、上部電極１１４が固着されている。そして、活性層１１３は、半導体基板１１１の下面に固着された下部電極１１５と上部電極１１４との間に電圧が印加され、且つ上記ｐｎ接合に電流が流されることによって、電子正孔対が形成され、その活性層１１３を通過する光が誘導放射作用により増幅されるようになっている。
【００３８】
活性層１１３は、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドットから構成されている。多重量子井戸である場合は、例えば、ＩｎＰ半導体基板１１１からエピタキシャル成長されることにより格子整合されたＩｎＧａＡｓ（１００Åの厚み）とＩｎＧａＡｓＰ（１００Åの厚み）との６対により構成されている。活性層１１３上には、組成（屈折率）が段階的に変化されたグリン（ＧＲＩＮ）構造のガイド層（２０００Å）が順次設けられている。
【００３９】
上記の活性層１１３のデバイス長（光路長さ）は、６００μｍである。活性層１１３は、例えば２５０ｍＡの電流値でエネルギ注入された電子が、光子による誘導放射により価電子帯へ移動させられるときに、光エネルギを放出して通過光を増幅させると考えられている。活性層１１３は、２５０ｍＡの電流値によるエネルギ注入により、例えば波長１５５０ｎｍにおいて単体で２０ｄＢ程度の利得が得られるものである。
【００４０】
上記の光増幅器１１は、例えば所定波長のレーザー光が入射されたときに、そのレーザー光を増幅して出力すると同時に、その所定波長を中心とする周囲波長を有し、そのレーザー光の強度変調に反比例して強度が増減する自然光をも出力する所謂相互利得変調作用を起こす機能を備えている。
【００４１】
光増幅器１１には、第２反射部材１９が接合されている。第２反射部材１９は、光導波路１１２におけるレーザー光及び自然光の出力側の端面に密着状態で形成されている。具体的には、第２反射部材１９は、アルミや銀等の金属膜を蒸着することにより形成されていたり、誘電体膜等をコーティングすることにより形成されている。負帰還光増幅器１０の動作の詳細については、図４及び図５を用いて後述する。
【００４２】
尚、本実施形態において、負帰還光増幅器１０が負帰還半導体光増幅器である場合について説明したが、光増幅器１１として半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いる代わりに、エルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いてもよい。即ち、負帰還光増幅器１０は、光増幅器１１であるＥＤＦＡの光ファイバの端面に上述の第２反射部材１９が蒸着やコーティングにより形成されていてもよい。
【００４３】
（第１反射部材１８）
上記の負帰還光増幅器１０の第２反射部材１９は、図１に示すように、光循環系２０の光ファイバ５３を介して第１反射部材１８に対向されている。これにより、光循環系２０は、光を第１反射部材１８と第２反射部材１９とで往復移動させるようになっている。第１反射部材１８は、光ファイバ５３の一端部の端面に配置されており、光の全部を入力方向とは逆方向に反射するように形成されている。
【００４４】
尚、第１反射部材１８は、光ファイバ５３に形成されたファイバグレーティングであってもよい。例えば、ファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍ、反射率が９９．９９％（４０ｄＢ）に設定されている。この理由は、製造上作れる限界が９９．９９％であるからであるが、この反射率以上のファイバグレーティングであれば、さらに好ましい。
【００４５】
第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５の一部の構成とされている。これにより、第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５のセット作業と同時に光循環系２０へのセット作業が完了するようにされている。尚、第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５とは別に、光ファイバ５３の端面に蒸着やコーティングにより形成されていてもよいし、反射鏡が密接されていてもよい。
【００４６】
（光ファイバプローブ５）
上記の第１反射部材１８を備えた光ファイバプローブ５は、図６に示すように、測定対象物４に挿入されるプローブ本体５１を備えている。プローブ本体５１は、光ファイバ５３により形成されている。光ファイバ５３は、内周側のコア５３１と外周側のクラッド５３２とを有している。尚、光ファイバ５３は、必要に応じてクラッド５３２に被覆した図示しない被覆部材を、後述のプローブ部５４以外の部分に有していてもよい。また、プローブ本体５１は、幅方向に支持する鞘部材に装着及び抜脱可能にされていてもよい。
【００４７】
プローブ本体５１は、光ファイバ５３の他端を含み、この他端から測定対象物４に挿入されるプローブ部５４を有している。プローブ部５４は、光ファイバ５３の先端面に第１反射部材１８が形成されていると共に、第１反射部材１８に接近した中部位置に導入部１７が形成されている。プローブ部５４は、第１反射部材１８と導入部１７とが接近した状態で一体化されることによって、測定対象物４に差し込む等の導入作業を容易に行うことを可能にしている。導入部１７は、測定対象物４を光路中に位置させることによって、光の強度を測定対象物４の光吸収物質により減衰させるように構成されている。尚、『光吸収物質』は、光を吸収する性質を有した気体や液体である。
【００４８】
導入部１７は、少なくともクラッド５３２の一部を除去、即ち、クラッド５３２の一部だけを除去したり、クラッド５３２とコア５３１との一部、クラッド５３２の一部とコア５３１の全部とを除去することにより除去面が外部に露出状態にされている。具体的には、導入部１７は、コア５３１と、コア５３１を中心として両側に位置したクラッド５３２とを直径５μｍの丸穴で貫通する貫通穴により形成されている。
【００４９】
尚、導入部１７は、コア５３１と、コア５３１の一方側のクラッド５３２を直径５μｍの丸穴で貫通し、コア５３１の他方側のクラッド５３２の途中を穴底とする凹状穴により形成されていてもよい。また、貫通穴や凹状穴は、複数個が光ファイバプローブ５の長手方向に沿って直線状や並列状に配置されていてもよい。また、クラッド５３２の一部だけを除去する導入部１７としては、テーパー形状等の構成を例示することができる。
【００５０】
貫通穴や凹状穴等の導入部１７は、光ファイバ５３を切削したり、穴空け加工することにより形成されている。貫通穴や凹状穴の形成方法としては、レーザー光により光ファイバ５３を掘穿する方法が例示される。この形成方法は、図７に示すように、加工光学装置３００により実施される。加工光学装置３００は、ＹＡＧレーザーをレーザー光として出力する波長が２６６ｎｍである高調波ＹＡＧレーザー発振器３０１と、レーザー光の光路上に配置され、レーザー光を所定の方向に反射するミラー３０２ａ・３０２ｂと、加工対象となる光ファイバ５３を保持するファイバホルダ３０５と、光ファイバ５３を３次元方向に位置決めするＸＹＺステージ３０６と、ＸＹＺステージ３０６の上方に配置された筐体３０９とを有している。
【００５１】
上記の筐体３０９の内部には、ミラー３０２ｂからのレーザー光を光ファイバ５３方向に反射するダイクロイックミラー３０３と、レーザー光を集光する対物レンズ３０４と、光ファイバ５３を撮像するＣＣＤカメラ３０７と、光ファイバ５３を照明する照明装置３０８とが設けられている。
【００５２】
これにより、加工光学装置３００は、高調波ＹＡＧレーザー発振器３０１からレーザー光を出力させる処理と、レーザー光をミラー３０２ａ・３０２ｂにより筐体３０９内に導入させる処理と、レーザー光を筐体３０９内のダイクロイックミラー３０３により９０°の角度で対物レンズ３０４方向に反射させる処理と、レーザー光を対物レンズ３０４により集光させる処理と、レーザー光の集光点をファイバホルダ３０５に保持されるファイバ１の掘穿箇所に一致するように調整する処理とを実行することによって、光ファイバ５３に貫通穴や凹状穴等の導入部１７を形成するようになっている。
【００５３】
また、テーパー形状等の導入部１７は、光ファイバ５３をバーナー等の熱源を用いて溶融延伸することにより形成することができる。具体的には、溶融延伸部分の最小の径が光ファイバ５３の元の径の８０％（例えば１２５μｍ×０．８＝１００μｍ）程度の箇所で溶融延伸を停止することによって、光ファイバプローブ５として使用することができる。
【００５４】
（キャビティリングダウン分光装置１の概要）
以上のように、キャビティリングダウン分光装置１は、図１に示すように、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系２０と、光循環系２０を循環する光の光強度を検出する光強度検出部２１と、光循環系２０内に設けられ、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光ノイズ強度を低減させる負帰還光増幅器１０とを有した構成にされている。
【００５５】
そして、このように構成されたキャビティリングダウン分光装置１は、測定対象物を配置可能にされた光循環系２０に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出する際に、光循環系２０内に配置された負帰還光増幅器１０により、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光ノイズ強度を低減させるキャビティリングダウン分光方法を実行するようになっている。
【００５６】
より詳細には、キャビティリングダウン分光装置1は、測定対象物を配置可能にされた光循環系２０に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出する際に、測定対象物の配置位置を挟んだ光循環系２０の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、光循環系２０の他端部において、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、この入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、この出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、光循環系２０の他端側に出力させ、光循環系２０の他端側に出力された出力光と周囲光とを光循環系２０の一端側に反射させるキャビティリングダウン分光方法を実行するようになっている。
【００５７】
上記の構成や方法によれば、光出力部１２から出力された光が光循環系２０において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、測定対象物による光強度の減衰された光強度の変化を伴う光が形成される。
【００５８】
この際、光循環系２０内に設けられた負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を進行する光の光強度を増幅させている。従って、光強度が負帰還光増幅器１０により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部２１の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【００５９】
さらに、負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を進行する光ノイズ強度を低減させている。即ち、負帰還光増幅器１０は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器１０によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００６０】
また、光循環系２０は、少なくとも測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材１８を配置すると共に、他端部において負帰還光増幅器１０を配置しており、負帰還光増幅器１０は、図２にも示すように、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、光増幅器よりも光循環系２０の他端側に配置され、光増幅器から出力された出力光と周囲光とを光増幅器に反射する第２反射部材１９とを有した構成にされている。
【００６１】
上記の構成によれば、光循環系２０を光の往復する線状に形成することができると共に、第１反射部材１８が設けられた光循環系２０の一端部を自由端にすることができるため、光循環系２０や測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【００６２】
また、光循環系２０は、一端部が光ファイバプローブ５により形成されており、図６に示すように、光ファイバプローブ５は、コア５３１とクラッド５３２とを備え、一端側から光が導入される光ファイバ５３と、光ファイバ５３の他端をプローブ先端として含み、プローブ先端から測定対象物に挿入されるプローブ部５４と、プローブ部５４に形成され、少なくともクラッド５３２内部に測定対象物を導入する導入部１７と、プローブ先端に設けられ、導入部１７よりもプローブ先端側に配置された第１反射部材１８とを有した構成にされている。
【００６３】
上記の構成によれば、光循環系２０の一端部に設けられた光ファイバプローブ５を測定対象物に差し込むだけで、測定対象物のセット作業及び光循環系２０のセット作業が完了するため、セット時における作業性を一層向上させることができる。
【００６４】
（変形例）
尚、本実施形態においては、負帰還光増幅器１０を光循環系２０の一端部に備えた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、図８に示すように、光循環系２０の両端部に負帰還光増幅器１０を備えた構成にされていてもよい。或いは、負帰還光増幅器１０は、光循環系２０の他端部に配置されていてもよい。換言すれば、キャビティリングダウン分光装置１は、負帰還光増幅器１０を光循環系２０の一端部及び他端部の少なくとも一方に備え、この負帰還光増幅器１０の対向側において負帰還光増幅器１０又は第１反射部材１８を備えていてもよい。
【００６５】
上記の構成によれば、光循環系２０の両端部に負帰還光増幅器１０が配置された場合、光循環系２０の両端部で光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、一層多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になる。
【００６６】
また、本実施形態においては、光循環系２０が線状に形成された場合について説明しているが、これに限定されるものでもない。即ち、図９に示すように、光循環系２０は、光を一方向に進行させる環状に形成されていてもよい。そして、光循環系２０の各負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する後述する光増幅器１１と、光増幅器１１から出力された周囲光を、出力光から分離し、光増幅器１１に帰還及び入力させる光帰還手段とを有した構成にされていてもよい。
【００６７】
具体的には、図１０に示すように、上記の光帰還手段は、光増幅器１１の出力側に配置された波長選択素子６１を有している。波長選択素子６１は、光増幅器１１からの出力光中の例えば１５５０ｎｍの所定波長の出力信号光とそれ以外の波長に周囲光とを分離するためのものであり、所定の波長の全部または１部の光を反射させるものである。この波長選択素子６１は、例えば前記所定の波長、例えば１５４５〜１５５５ｎｍの光を透過させるが、それ以外の波長の全部の光を反射させて光ファイバから成る帰還光路６３へ出力する光アド・ドロップフィルタから構成されてもよいが、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、或いは光伝播方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されてもよい。
【００６８】
光カプラ６２は、入力信号光を光増幅器１１へ入力させるための信号光入力手段として機能するものであり、図示しないレーザー光源からのレーザー光が変調されて信号伝送路から搬送される所定波長の入力信号光を光増幅器１１に入力させる。光カプラ６２は、例えば、光ファイバにより構成された結合器或いは分波器、或いはハーフミラーによって構成される。光カプラ６２は、所定波長の入力信号光を波長選択的に反射させ且つそれ以外の波長の光を透過させる光アド・ドロップフィルタに置き換えてもよい。また、波長選択素子６１、光増幅器１１、光カプラ６２の相互間の光の伝送路は、例えば、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝送する光導波路、或いは光を径方向に閉じ込めつつ伝送する光ファイバ等により構成される。
【００６９】
上記の構成によれば、光循環系２０が環状に形成された構成であっても、負帰還光増幅器１０が配置されることによって、光循環系２０の光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができる。
【００７０】
（吸光分析装置２００）
次に、キャビティリングダウン分光装置１を備えた吸光分析装置２００について図１１及び図１２に基づいて説明する。尚、以下の吸光分析装置２００の説明においては、トマト等の植物を測定対象物４として説明しているが、これに限定されるものではない。
【００７１】
図１１に示すように、吸光分析装置２００は、測定対象物４の状態をキャビティリングダウン分光法によりリアルタイムで高精度に求めるように構成されている。尚、測定対象物４が植物の測定以外の用途に使用される場合には、後述の記憶部２１１のデータテーブルにおける状態データの内容を変更することによって、植物以外に適用される吸光分析装置となる。
【００７２】
吸光分析装置２００は、測定対象物４である植物に挿入される一つ以上の光ファイバプローブ５と、各光ファイバプローブ５に対してレーザー光を入出力させ、各光ファイバプローブ５からの反射光に基づいて複数の測定対象物４の状態を監視可能な監視装置本体２０１とを有している。光ファイバプローブ５は、最低一つあればよく、監視装置本体２０１が光ファイバセレクタ２０３を備えることによって、複数の光ファイバプローブを使用することができる。
【００７３】
光ファイバプローブ５は、監視装置本体２０１に接続されている。監視装置本体２０１は、各光ファイバプローブ５の一端に接続された光ファイバセレクタ２０３と、光ファイバセレクタ２０３の単数の共通端子２０３ｂに接続された光カプラ２０４とを有している。尚、光カプラ２０４は光サーキュレータであってもよい。光ファイバセレクタ２０３は、複数の入出力端子２０３ａと、単数の共通端子２０３ｂと、選択端子２０３ｃとを有していると共に、各入出力端子２０３ａ及び共通端子２０３ｂ間の接続状態（チャンネル）を選択端子２０３ｃに入力された選択データにより切り替える図示しない切替部とを有している。
【００７４】
光ファイバセレクタ２０３の共通端子２０３ｂには、光カプラ２０４の共通端子２０４ａが接続されている。光カプラ２０４は、共通端子２０４ａと、共通端子２０４ａに接続された出力端子２０４ｂ、入力端子２０４ｃ、及び入出力端子２０４ｄを有している。光カプラ２０４の入力端子２０４ｃには、パルス状のレーザー光を出力可能なレーザー光出力装置２０５が接続されている。レーザー光出力装置２０５は、例えば、光出力部素子がＩｎＧａＡｓＰのファブリペロー型レーザーダイオードであり、中心波長が１５５０ｎｍ、スペクトル範囲が１５３０〜１５６０ｎｍ、平均出力が１００μＷ（パルス幅５００ｎｓ、繰返周波数５ｋＨｚ）、ピーク出力が４０ｍＷのものが使用される。一方、光カプラ２０４の出力端子２０４ｂには、光強度検出部２０９が接続されている。
【００７５】
また、光ファイバセレクタ２０３の選択端子２０３ｃには、選択データを出力する選択部２０６が接続されている。選択部２０６は、コントローラ２０７からの選択指令に基づいて定期的に測定対象を切り替えるように、各光ファイバプローブ５を特定する選択データを切替出力するようになっている。例えば、各光ファイバプローブ５に固有の識別番号が設定されていれば、この識別番号に対応した選択データを切替出力するようになっている。これにより、光ファイバセレクタ２０３は、光カプラ２０４を介して入力されたパルス状のレーザー光を各光ファイバプローブ５に順番に出力し、光ファイバプローブ５からの反射光を光カプラ２０４を介して光強度検出部２０９に順番に出力することが可能になっている。
【００７６】
また、光ファイバセレクタ２０３の入出力端子２０４ｄには、負帰還光増幅器１０が接続されている。そして、負帰還光増幅器１０と光カプラ２０４と光ファイバセレクタ２０３と光ファイバプローブ５とが光循環系２０を構成している。
【００７７】
光強度検出部２０９は、出力光の光強度を測定し、アナログ形態の光強度信号として出力するようになっている。光強度検出部２０９は、例えば、検出素子がＩｎＧａＡｓ ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）であり、検出波長が１０００〜１６００ｎｍのものが使用される。光強度検出部２０９は、吸収係数算出部２１０に接続されている。吸収係数算出部２１０は、アナログ形態の光強度信号をデジタル形態の光強度データに変換する機能と、光強度データを用いたキャビティリングダウン分光法による処理として吸収係数を算出する機能とを有している。これにより、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、出力光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置としての機能を備えている。尚、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、オシロスコープにより少なくとも一部の機能を実現することができる。
【００７８】
ここで、キャビティリングダウン分光法について概略すると、２枚の高反射率ミラーで構成された光学キャビティの片側のミラー外部から、パルス化されたレーザー光を注入し、キャビティ内に進入した光を片側のミラーにおいて僅かに外部に漏洩させながら反射させる。反射光は、ミラー間で何度も反射及び漏洩が繰り返され、反射の回数を重ねる毎に、指数的に光強度を減少させる。そして、光学キャビティ内に光損失を起こす分子等の光吸収物質が存在すれば、光強度減衰率が増加することを利用し、レーザー光をキャビティ中で何度も往復させ、長い実効光路長を得ることによって、光強減衰率を高精度に算出することにより光吸収物質の状態を求める。
【００７９】
吸収係数算出部２１０は、キャビティリングダウン分光法による処理結果である光強度減衰率を吸収係数データとして記憶部２１１に出力する。記憶部２１１は、ハードディスク等の大容量の記憶装置からなっており、管理テーブルと測定対象物同定テーブルとをデータテーブルとして有している。管理テーブルは、光ファイバプローブ５の識別番号と、各識別番号に対応付けられた光強度、吸収係数及び測定日時とを測定対象物４である植物の状態データとして有している。
【００８０】
これにより、管理テーブルは、測定日時に基づいた各光ファイバプローブ５がセットされた測定対象物４の光強度及び吸収係数などが保存され、経時変化を求めるデータベース等に用いることが可能になっている。また、測定対象物同定テーブルは、測定対象物４の状態と、各状態に応じた吸収係数とを測定対象物の種類毎に記憶している。これにより、測定対象物同定テーブルは、各種の測定対象物４である植物の状態を吸収係数に基づいて同定するデータベースとして用いることが可能になっている。
【００８１】
上記の記憶部２１１は、コントローラ２０７によりアクセス可能にされている。コントローラ２０７は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置からなり、キャビティリングダウン分光法による処理結果を測定対象物４の状態データとして情報処理する機能を有するように、少なくとも図１２の監視制御ルーチンを実行可能にされている。尚、コントローラ２０７は、処理能力に余力があれば、吸収係数算出部２１０における吸収係数の算出処理に用いられてもよい。
【００８２】
コントローラ２０７は、上述のレーザー光出力装置２０５と、選択部２０６と、吸収係数算出部２１０とに接続されていると共に、キーボードやマウス等の操作部２１２と、液晶表示装置等の表示部２１３とに接続されている。コントローラ２０７は、レーザー光出力装置２０５に対して出力開始や出力停止の出力指令信号を出力すると共に、レーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）を設定する設定指令信号を出力する機能と、選択部２０６に対して切替間隔や選択対象となる識別番号の設定指令信号を出力する機能と、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物の種類に応じた演算情報を出力する機能とを有している。
【００８３】
さらに、コントローラ２０７は、操作部２１２からの操作データを受け付ける機能と、操作データに基づいて各種の処理を実行する機能と、表示部２１３に対して操作の内容を表示させる機能と、表示部２１３に対して記憶部２１１に記憶された各種のデータをグラフや数値により表示させる機能と、吸収係数に基づいて測定対象物の状態を画像や数値で表示する機能とを有している。
【００８４】
（吸光分析装置２００の動作）
監視装置本体２０１の作動が開始されると、図１２の監視制御ルーチンが実行され、先ず、操作部２１２のキー操作等による操作データの入力が受け付けられる（Ｓ１）。続いて、受け付けた操作データが測定感度の調整であるか否かが判定される（Ｓ２）。測定感度の調整である場合には（Ｓ２，ＹＥＳ）、調整内容に応じた測定感度調整処理が実行され、例えば、レーザー光出力装置２０５に対してレーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）が設定されたり、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物４の種類に応じた演算情報が出力される（Ｓ３）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００８５】
一方、測定感度の調整でない場合には（Ｓ２，ＮＯ）、続いて、操作データが表示の切り替えであるか否かが判定される（Ｓ４）。表示の切り替えである場合には（Ｓ４，ＹＥＳ）、表示切替処理が実行され、例えば、記憶部２１１に記憶された吸収係数の表示や測定対象物４の状態の表示等が行われる（Ｓ５）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００８６】
一方、表示の切り替えでない場合には（Ｓ４，ＮＯ）、続いて、操作データが測定の開始であるか否かが判定される（Ｓ６）。測定の開始でない場合には（Ｓ６，ＮＯ）、Ｓ１から再実行される。測定の開始である場合には（Ｓ６，ＹＥＳ）、キャビティリングダウン分光法による測定が開始される。
【００８７】
具体的には、レーザー光出力装置２０５からパルス状のレーザー光が出力される（Ｓ７）。そして、所定の切り替えタイミングで光ファイバセレクタ２０３におけるチャンネルの切り替えが行われる。これにより、各光ファイバプローブ５に対して順番にレーザー光が出力されることになる（Ｓ８）。尚、チャンネルの切り替え後にレーザー光の出力が行われてもよい。
【００８８】
ここで、図６に示すように、光ファイバプローブ５にレーザー光が導入されると、レーザー光は、コア５３１内をプローブ部５４方向に向かって進行する。そして、プローブ部５４に到達したレーザー光は、導入部１７を通過してプローブ先端に配置された第１反射部材１８で反射光として反射される。反射光は、図１１に示すように、導入部１７を通過した後、光ファイバセレクタ２０３、光カプラ２０４、及び負帰還光増幅器１０に進行し、負帰還光増幅器１０において増幅されると共に、ノイズ光が低減される。
【００８９】
詳細に説明すると、負帰還光増幅器１０は、図４に示すように、所定波長の入力信号光が入射されると、所定波長の出力信号光と、その所定波長とは異なる周囲波長の周囲光（自然放出光）とを含む光を出力する。このような入力信号光と出力信号光と周囲光（自然放出光）とは、図５に示す光強度の関係を有している。即ち、出力信号光と周囲光とは強度について位相が反転されている。これにより、負帰還光増幅器１０は、出力信号光と周囲光とを含む光が光増幅器１１から出力された後、第２反射部材１９により光増幅器１１に反射されると、周囲光は光増幅器の利得を変調する。この変調された利得の中を入力信号光が進行すると基線の上昇を抑制し、ノイズが低減された状態となる。
【００９０】
この結果、エレクトロニクスで言うところの負帰還作用と同様の作用により、所定波長の入力信号光に対する非線形歪みが低減された出力信号光が出力される。従って、光信号のみによる負帰還増幅的な作用が得られるので、出力信号光のゲイン（利得）、波形、基線が広範な周波数範囲において安定し、低ノイズ化が可能となる。
【００９１】
図１１に示すように、負帰還光増幅器１０と光ファイバプローブ５とを含む光循環系２０をレーザー光が往復（循環）する。そして、導入部１７に存在する測定対象物４の光吸収物質により光強度が減衰されながら、光カプラ２０４において一部が光強度検出部２０９に漏洩される。漏洩したレーザー光が光強度検出部２０９で受光され、光強度信号とされる。光強度信号は、吸収係数算出部２１０において、デジタル形態の光強度データに変換された後、キャビティリングダウン分光法により吸収係数が算出される。そして、この吸収係数が記憶部２１１の管理テーブルに測定日時等と共に記憶されることによって、測定データ（測定対象物４の状態データ）として取得されることになる（Ｓ９）。
【００９２】
次に、測定が終了したか否かが判定され（Ｓ１０）、測定が終了していない場合には（Ｓ１０，ＮＯ）、Ｓ７から再実行されることによって、キャビティリングダウン分光法による測定データの取得が繰り返される。一方、測定の終了である場合には（Ｓ１０，ＹＥＳ）、レーザー光の出力が停止され（Ｓ１１）、測定データの取得が停止された後（Ｓ１２）、Ｓ１から再実行される。
【００９３】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例】
【００９４】
本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１（実施例１）の増幅状態を測定すると共に、比較例として、半導体光増幅器（ＳＯＡ）だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例１）の増幅度を測定した。
【００９５】
（実施例１・比較例１）
先ず、図１３に示す構成を、下記の部材を用いて組み上げた。即ち、光出力部１２として半導体レーザー（Ａｎｒｉｔｓｕ ＧＢ５ＡＯ１６）、減衰器１７１としてＡＮＤＯ製 ＡＱ−３１０５Ａ）、光分岐結合器１３としてサーキュレータ（ＦＤＫ製 ＹＣ−１１００−ＺＪ１−１５５）、負帰還光増幅器１０としてＲＳＯＡ（ｋａｍｅｌｉａｎ製 １０−ＴＯ−Ｃ−ＦＡ３９−０７−０３０１２７９８９７）、波長フィルタ１４としてＵ−ＣＯＮＮ製 Ａｄｄ ｄｒｏｐ ｆｉｌｔｅｒ １５５１ｎｍ、光強度検出部１５としてディテクター受光センサ（Ｎｅｗｐｏｒｔ製 ＩＲ ＤＣ−１２５ＭＨｚ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ｐｈｏｔｏｒｅｃｅｉｖｅｒ １８１１）、オシロスコープ１６としてＨＥＷＬＥＴＴ ＰＡＣＫＡＲＤ製 ｉｎｆｉｎｉｕｍ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ ５００ＭＨｚ ２ＧＳａ／ｓを用いた。
【００９６】
そして、半導体レーザーでパルス信号を作りそれを減衰器でディテクター変換電圧１００ｍＶに調整し、波形増幅の状態を測定した。この測定結果を図１４に示す。
【００９７】
次に、図１５に示す構成、即ち、図１３の構成において、光分岐結合器１３と負帰還光増幅器１０との代わりに、光増幅器１１（ＳＯＡ：ＩｎＰｈｅｎｉｘ製 ＩＰＳＡＩ１５０１）を用いた構成を組み上げた。そして、同一条件で、パルス信号を作りそれを減衰器１７１でディテクター返還電圧１００ｍＶに調整し、波形増幅の状態を測定した。この測定結果を図１６に示す。
【００９８】
（実施例２・比較例２・３・４）
次に、本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１（実施例２）のリングダウンパルスを測定すると共に、比較例として、増幅器を備えないキャビティリングダウン分光装置（比較例２）と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例３）と、ＥＤＦＡの光増幅器だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例４）とのリングダウンパルスを測定した。
【００９９】
実施例２の負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）は、光ファイバプローブ５を除いて図１に示す構成とした。各部材の機器として下記の部材を用いた。即ち、光分岐結合器１３として９：１カプラ（タツタ電線製）を用いた。その他の各部材の機器は、実施例１と同一のものを用いた。また、比較例２・３・４においても、実施例２と同一部材には同一の機器を用いた。そして、パルス信号を循環させることによって、リングダウンパルスをそれぞれ測定した。この測定結果を図１７〜図２０に示す。
【０１００】
（実施例３・４）
次に、本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１を図１に示す構成で組み上げ、測定対象物として空気と水とを用いた場合のリングダウンパルスをそれぞれ測定した（実施例３・４）。尚、機器は、実施例１と同一のものを用いた。また、図２１に示すように、導入部１７は、一対の光ファイバ２３・２３の端面をフェルール２５により所定間隔を隔てて対向させることにより形成した。測定結果を図２２及び図２３に示す。
【０１０１】
（実施例１と比較例１の測定結果の検討）
図１４及び図１６に示した測定結果によると、ＲＳＯＡ及びＳＯＡの何れを増幅実験回路に用いた場合であっても、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２５００ｍＶ程度のように、ほぼ同一であるのに対し、ベース電圧がＲＳＯＡとＳＯＡとで異なっている。即ち、ＲＳＯＡのベース電圧が１００ｍＶ程度である一方、ＳＯＡのベース電圧が２５０ｍＶ程度となっている。従って、ＲＳＯＡを用いた場合は、ピーク電圧を維持しつつ、ＳＯＡを用いた場合よりもベース電圧を２倍以上低減できることが判明した。この結果、ＲＳＯＡを用いた場合は、ベース電圧がリングダウンパルスのノイズとして作用し難くできることが判明した。
【０１０２】
（実施例２・比較例２・３・４の測定結果の検討）
図１７の測定結果によると、実施例２は、リングダウンパルスとなるピーク電圧が多数検出されると共に、これらのピーク電圧が指数関数的に減衰している。即ち、実施例２のＲＳＯＡを用いたＣＲＤＳは、ＲＳＯＡの負帰還効果によって発振現象を抑制した増幅が得られることにより、忠実な波形増幅が可能であることが分かった。これは、上述の図１４及び図１６に示した信号増幅波形において、実施例１のＲＳＯＡについてはベースライン信号増幅が比較例１よりも抑制されていることからも認められる。また、負帰還増幅効果は増幅器内部で発生する雑音を抑制し、非線形歪みを低減することができると考えられる。
【０１０３】
これに対し、図１８の増幅しない比較例２は、光増幅されていないので初期段階のピーク電圧が小さいものであることが確認された。さらに、検出可能なピーク電圧の個数も実施例１よりも少ないことが確認された。
【０１０４】
また、図１９及び図２０の測定結果によると、キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）においてＳＯＡ（比較例３）やＥＤＦＡ（比較例３）は、増幅波形が指数関数による減衰とはならないことが確認された。また、ＳＯＡを用いた場合、波形のベースライン（基線）が上昇している。この原因は、ＣＲＤＳループ回路が正帰還増幅回路となって発振現象が生じるからであると推測される。尚、測定においては、ＣＲＤＳループ回路自体は時間的に信号が重ならないよう十分なループ長を取ることにより信号光による発振現象を生じないように配慮した。しかし、ループ回路内で増幅を繰り返すことにより発振現象を引き起こしＣＲＤＳ波形が振動を持った波形の上に存在することにより波形が変形するものと考えられる。
【０１０５】
このことから、ＲＳＯＡを用いたＣＲＤＳは、指数関数に近似した減衰波形が得られるため、吸収係数の精度が上がり、結果的に測定対象物の検出精度及び同定精度が向上することが確認された。
【０１０６】
また、負帰還光増幅器の光増幅器１１として、ＳＯＡを用いた場合と、ＥＤＦＡを用いた場合とを比較すると、図１９及び図２０に示すようにほぼ同程度のリングダウンパルスが検出されていると共に、ＥＤＦＡが増幅波長帯域に制限があることから、負帰還光増幅器の光増幅器１１としてＳＯＡを用いた方が、ＥＤＦＡを用いるよりも、幅広い波長帯域をカバーできる点で有利であると考えられる。
【０１０７】
（実施例３・４の測定結果の検討）
図２２の測定結果によると、測定対象物が空気である実施例３は、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２５０ｍＶであり、以後に連続して検出されるピーク電圧が指数関数的に減衰し、合計９個のピーク電圧を検出することが可能であることが確認された。
【０１０８】
また、図２３の測定結果によると、測定対象物が水である実施例４は、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２９０ｍＶであり、以後に連続して検出されるピーク電圧が指数関数的に減衰し、合計１８個のピーク電圧を検出することが可能であることが確認された。
【０１０９】
これにより、ＲＳＯＡを用いたキャビティリングダウン分光装置によれば、空気及び水の何れの測定対象物においても、多くのリングダウンパルスを理論通りの波形で得ることができることが判明した。この結果、測定対象物が空気と水とで相違すると、リングダウンパルスの波形が明確に相違することから、相違する各種の測定対象物に対応したリングダウンパルスの波形を高精度に得られることができ、結果として測定対象物の同定を高精度に行うことが可能であることが分かった。
【符号の説明】
【０１１０】
1 キャビティリングダウン分光装置
４ 測定対象物
５ 光ファイバプローブ
１１ 光増幅器
１２ 光出力部
１３ 光分岐結合器
１４ 波長フィルタ
１５ 光強度検出部
１６ オシロスコープ
１７ 導入部
１８ 第１反射部材
１９ 第２反射部材
２０ 光循環系
２１ 光強度検出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の成分濃度の測定や物質の同定等を行う方法として、レーザーパルスを測定対象物に照射し、測定対象物により光強度を減衰されたレーザーパルスを再び測定対象物に照射するという操作を繰り返すことによって、順次に減衰するレーザーパルスの光強度を検出してリングダウンパルスを得るキャビティリングダウン分光方法が知られている（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９３５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、レーザーパルスの出力が小さかったり、測定対象物による光強度の減衰量が大きい場合、光強度が早期に検出限界未満にまで減少し、リングダウンパルスの検出数が不十分になり易いという問題がある。そこで、光強度を増幅することにより微弱な光強度も検出可能にする方法が考えられるが、この場合には、光増幅器とリング内で発生する光がノイズ成分として大きく影響するため、微弱な光強度に対応するリングダウンパルスを高精度に得ることができない。
【０００５】
本発明の目的は、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができるキャビティリングダウン分光装置、吸光分析装置及びキャビティリングダウン分光方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のキャビティリングダウン分光装置は、所定波長の光を出力する光出力部と、前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系と、前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生する光ノイズを低減させる負帰還光増幅器とを有する。
【０００７】
上記の構成によれば、光出力部から出力された光が光循環系において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、測定対象物による光強度の減衰が加重された光強度の変化を伴う光が形成される。
【０００８】
この際、光循環系内に設けられた負帰還光増幅器は、光循環系を進行する光の光強度を増幅させている。従って、光強度が負帰還光増幅器により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【０００９】
さらに、負帰還光増幅器は、光循環系を進行する光のノイズ強度を低減させている。即ち、負帰還光増幅器は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１０】
また、前記光循環系は、前記測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、前記光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材を配置すると共に、他端部において前記負帰還光増幅器を配置しており、
前記負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していてもよい。
【００１１】
上記の構成によれば、光循環系を光の往復する線状に形成することができると共に、第１反射部材が設けられた光循環系の一端部を自由端にすることができるため、光循環系や測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【００１２】
また、前記光循環系は、前記一端部が光ファイバプローブにより形成されており、
前記光ファイバプローブは、コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第１反射部材とを有していてもよい。
【００１３】
上記の構成によれば、光循環系の一端部に設けられた光ファイバプローブを測定対象物に差し込むだけで、測定対象物のセット作業及び光循環系のセット作業が完了するため、セット時における作業性を一層向上させることができる。
【００１４】
また、前記光循環系は、前記測定対象物の配置位置を挟んだ両端部において、前記負帰還光増幅器をそれぞれ配置しており、
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していてもよい。
【００１５】
上記の構成によれば、光循環系の両端部に負帰還光増幅器が配置されることによって、光循環系の両端部で光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、一層多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１６】
また、前記光循環系は、前記光を一方向に進行させる環状に形成されており、
前記各負帰還光増幅器は、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段とを有していてもよい。
【００１７】
上記の構成によれば、光循環系が環状に形成された構成であっても、負帰還光増幅器が配置されることによって、光循環系の光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００１８】
また、前記負帰還光増幅器は、負帰還半導体光増幅器であってもよい。
【００１９】
上記の構成によれば、負帰還光増幅器を半導体で構成して小型化することが容易であるため、装置全体を小型化することができると共に、取り扱いが容易になる。
【００２０】
また、本発明の吸光分析装置は、上記のキャビティリングダウン分光装置を備えている。
【００２１】
上記の構成によれば、キャビティリングダウン分光装置により得られたノイズ成分の少ない多くのリングダウンパルスに基づいて、測定対象物の物性等を高精度に分析することができる。
【００２２】
本発明は、測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、前記光循環系内に配置された負帰還光増幅器により、前記光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系で発生する光ノイズ強度を低減させる。
【００２３】
上記の構成によれば、光が光循環系において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、光の循環による光路長に基づいた光強度の減衰と、測定対象物による光強度の減衰とが加重された光強度の変化を伴う光が形成される。
【００２４】
この際、光循環系内に配置された負帰還光増幅器により光循環系を進行する光の光強度が増幅されている。従って、光強度が負帰還光増幅器により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【００２５】
さらに、負帰還光増幅器により光循環系を進行する光ノイズ強度が低減されている。即ち、負帰還光増幅器は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００２６】
また、本発明は、測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させる。
【００２７】
上記の構成によれば、光循環系を光の往復する線状に形成することができると共に、光循環系の一端部を自由端にすることができるため、測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、負帰還光増幅器により多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図２】負帰還半導体光増幅器の回路図である。
【図３】負帰還半導体光増幅器の斜視図である。
【図４】負帰還半導体光増幅器の動作状態を示す説明図である。
【図５】周囲光と入力信号光と出力信号光との光強度および利得の関係を示す説明図である。
【図６】光ファイバプローブの断面図である。
【図７】光ファイバプローブの加工装置の説明図である。
【図８】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図９】キャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図１０】負帰還半導体光増幅器の回路図である。
【図１１】吸光分析装置のブロック図である。
【図１２】監視制御ルーチンのフローチャートである。
【図１３】ＲＳＯＡ増幅実験回路のブロック図である。
【図１４】ＲＳＯＡによるパルス増幅波形のグラフである。
【図１５】ＳＯＡ増幅実験回路のブロック図である。
【図１６】ＳＯＡによるパルス増幅波形のグラフである。
【図１７】ＲＳＯＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図１８】増幅しない場合のリングダウンパルスの波形図である。
【図１９】ＳＯＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図２０】ＥＤＦＡのリングダウンパルスの波形図である。
【図２１】導入部が形成された状態を示す説明図である。
【図２２】空気のリングダウンパルスの波形図である。
【図２３】水のリングダウンパルスの波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の一実施形態を図１乃至図１２に基づいて説明する。
（キャビティリングダウン分光装置）
図１に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置１は、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２の出力側に配置された光分岐結合器１３と、光分岐結合器１３に光結合された光循環系２０と、光分岐結合器１３の出力側に配置された光強度検出部２１とを有している。キャビティリングダウン分光装置１は、光に対して透過率が高い石英ガラスやプラスチック等により形成された光ファイバ５３により光路が形成されている。尚、キャビティリングダウン分光装置１は、光を空間で取り扱うバルク部品が一部に用いられていてもよい。ここで、『所定波長』は、特に限定されるものではないが、例えば１５５１ｎｍ等の波長を挙げることができる。また、『所定波長』は、各種の測定対象物に応じて最適な吸収性能を発揮させる波長に設定されていてもよい。
【００３１】
光出力部１２は、所定波長を中心波長とするレーザー光を出力する半導体レーザー等の光源と、この光源を駆動制御する駆動部とを有しており、パルス状のレーザー光等の光を出力可能になっている。尚、光出力部１２の光源は、半導体レーザーに限定されるものではなく、その他の光源であってもよい。例えば、光出力部１２は、光源をスペクトル範囲の広い太陽光等の自然光としていてもよく、自然光から所定波長を中心波長とする光を抽出すると共に、光路を間欠的に遮蔽することによりパルス状の光を形成するように構成されていてもよい。
【００３２】
上記の光出力部１２から光が入力される光分岐結合器１３は、光カプラや光サーキュレータ等により形成されている。光分岐結合器１３は、光出力部１２から入力された光を光循環系２０に分光する機能と、光循環系２０を循環する光を光強度検出部２１に分光する機能とを有している。また、光強度検出部２１は、波長フィルタ１４と光強度検出部１５とオシロスコープ１６とを備えている。尚、光分岐結合器１３は、９：１及び９９：１の何れの分岐比であってもキャビティリングダウン分光装置1に適用できるが、９：１の分岐比が好ましい。
【００３３】
（光循環系２０）
光循環系２０は、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能に形成されている。ここで、『循環』とは、光が測定対象物を繰り返して通過することを意味し、線状の光路を往復移動する循環態様と、環状の光路を一方向に移動する循環態様とを含む。『測定対象物』は、トマトやレタス、ハーブ、芋、西瓜、蜜柑、リンゴ、イチゴ等の植物、貝や鳥等の動物、樹木、水耕栽培の苗床、養殖池、生簀、ビニールハウスであってもよい。即ち、『測定対象物』は、液体やガスが経時変化する全ての種類の物を含むと共に、物質の種別や同じ物質の状態変化を検出する用途に適用され得る全ての種類のものを含む。
【００３４】
光循環系２０は、上述の光分岐結合器１３の一部を含み、測定対象物を光路中に位置可能に形成された導入部１７と、第１反射部材１８及び光分岐結合器１３を挟んだ一端部と他端部とを有した線状の光路により形成されている。線状の光路は、光ファイバ５３により形成されている。光循環系２０の一端部には、光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材１８を含む光ファイバプローブ５が配置されている。光ファイバプローブ５の詳細については後述する。一方、光循環系２０の他端部には、負帰還光増幅器１０が配置されている。
【００３５】
（負帰還光増幅器１０）
負帰還光増幅器１０は、図２に示すように、光を増幅する光増幅器１１と、光増幅器１１から出力された光の全部または一部を出力元の光増幅器１１に反射する第２反射部材１９とを有している。光増幅器１１は、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、この入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、この出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する相互利得変調作用を起こす機能を有している。
【００３６】
具体的には、負帰還光増幅器１０は、負帰還半導体光増幅器となるように、光増幅素子１１が半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）により形成されている。半導体光増幅器である光増幅器１１は、図３に示すように、化合物半導体、例えばインジウム燐（ＩｎＰ）から構成される半導体基板１１１を有している。半導体基板１１１上には、光導波路１１２が形成されている。光導波路１１２は、半導体基板１１１上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体の多層膜であり、例えばホトリソグラフィーを用いて所定幅のテープ状突起となるように形成されている。
【００３７】
光導波路１１２は、半導体基板１１１よりも屈折率が高い物質で構成されており、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝播させる機能を備えている。光導波路１１２内の多層膜は、ｐｎ接合により構成された活性層１１３やキャップ層等を有している。光導波路１１２の上面には、上部電極１１４が固着されている。そして、活性層１１３は、半導体基板１１１の下面に固着された下部電極１１５と上部電極１１４との間に電圧が印加され、且つ上記ｐｎ接合に電流が流されることによって、電子正孔対が形成され、その活性層１１３を通過する光が誘導放射作用により増幅されるようになっている。
【００３８】
活性層１１３は、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、或いは量子ドットから構成されている。多重量子井戸である場合は、例えば、ＩｎＰ半導体基板１１１からエピタキシャル成長されることにより格子整合されたＩｎＧａＡｓ（１００Åの厚み）とＩｎＧａＡｓＰ（１００Åの厚み）との６対により構成されている。活性層１１３上には、組成（屈折率）が段階的に変化されたグリン（ＧＲＩＮ）構造のガイド層（２０００Å）が順次設けられている。
【００３９】
上記の活性層１１３のデバイス長（光路長さ）は、６００μｍである。活性層１１３は、例えば２５０ｍＡの電流値でエネルギ注入された電子が、光子による誘導放射により価電子帯へ移動させられるときに、光エネルギを放出して通過光を増幅させると考えられている。活性層１１３は、２５０ｍＡの電流値によるエネルギ注入により、例えば波長１５５０ｎｍにおいて単体で２０ｄＢ程度の利得が得られるものである。
【００４０】
上記の光増幅器１１は、例えば所定波長のレーザー光が入射されたときに、そのレーザー光を増幅して出力すると同時に、その所定波長を中心とする周囲波長を有し、そのレーザー光の強度変調に反比例して強度が増減する自然光をも出力する所謂相互利得変調作用を起こす機能を備えている。
【００４１】
光増幅器１１には、第２反射部材１９が接合されている。第２反射部材１９は、光導波路１１２におけるレーザー光及び自然光の出力側の端面に密着状態で形成されている。具体的には、第２反射部材１９は、アルミや銀等の金属膜を蒸着することにより形成されていたり、誘電体膜等をコーティングすることにより形成されている。負帰還光増幅器１０の動作の詳細については、図４及び図５を用いて後述する。
【００４２】
尚、本実施形態において、負帰還光増幅器１０が負帰還半導体光増幅器である場合について説明したが、光増幅器１１として半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いる代わりに、エルビウムドープファイバー増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いてもよい。即ち、負帰還光増幅器１０は、光増幅器１１であるＥＤＦＡの光ファイバの端面に上述の第２反射部材１９が蒸着やコーティングにより形成されていてもよい。
【００４３】
（第１反射部材１８）
上記の負帰還光増幅器１０の第２反射部材１９は、図１に示すように、光循環系２０の光ファイバ５３を介して第１反射部材１８に対向されている。これにより、光循環系２０は、光を第１反射部材１８と第２反射部材１９とで往復移動させるようになっている。第１反射部材１８は、光ファイバ５３の一端部の端面に配置されており、光の全部を入力方向とは逆方向に反射するように形成されている。
【００４４】
尚、第１反射部材１８は、光ファイバ５３に形成されたファイバグレーティングであってもよい。例えば、ファイバグレーティングは、中心波長が１５５０ｎｍ、反射率が９９．９９％（４０ｄＢ）に設定されている。この理由は、製造上作れる限界が９９．９９％であるからであるが、この反射率以上のファイバグレーティングであれば、さらに好ましい。
【００４５】
第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５の一部の構成とされている。これにより、第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５のセット作業と同時に光循環系２０へのセット作業が完了するようにされている。尚、第１反射部材１８は、光ファイバプローブ５とは別に、光ファイバ５３の端面に蒸着やコーティングにより形成されていてもよいし、反射鏡が密接されていてもよい。
【００４６】
（光ファイバプローブ５）
上記の第１反射部材１８を備えた光ファイバプローブ５は、図６に示すように、測定対象物４に挿入されるプローブ本体５１を備えている。プローブ本体５１は、光ファイバ５３により形成されている。光ファイバ５３は、内周側のコア５３１と外周側のクラッド５３２とを有している。尚、光ファイバ５３は、必要に応じてクラッド５３２に被覆した図示しない被覆部材を、後述のプローブ部５４以外の部分に有していてもよい。また、プローブ本体５１は、幅方向に支持する鞘部材に装着及び抜脱可能にされていてもよい。
【００４７】
プローブ本体５１は、光ファイバ５３の他端を含み、この他端から測定対象物４に挿入されるプローブ部５４を有している。プローブ部５４は、光ファイバ５３の先端面に第１反射部材１８が形成されていると共に、第１反射部材１８に接近した中部位置に導入部１７が形成されている。プローブ部５４は、第１反射部材１８と導入部１７とが接近した状態で一体化されることによって、測定対象物４に差し込む等の導入作業を容易に行うことを可能にしている。導入部１７は、測定対象物４を光路中に位置させることによって、光の強度を測定対象物４の光吸収物質により減衰させるように構成されている。尚、『光吸収物質』は、光を吸収する性質を有した気体や液体である。
【００４８】
導入部１７は、少なくともクラッド５３２の一部を除去、即ち、クラッド５３２の一部だけを除去したり、クラッド５３２とコア５３１との一部、クラッド５３２の一部とコア５３１の全部とを除去することにより除去面が外部に露出状態にされている。具体的には、導入部１７は、コア５３１と、コア５３１を中心として両側に位置したクラッド５３２とを直径５μｍの丸穴で貫通する貫通穴により形成されている。
【００４９】
尚、導入部１７は、コア５３１と、コア５３１の一方側のクラッド５３２を直径５μｍの丸穴で貫通し、コア５３１の他方側のクラッド５３２の途中を穴底とする凹状穴により形成されていてもよい。また、貫通穴や凹状穴は、複数個が光ファイバプローブ５の長手方向に沿って直線状や並列状に配置されていてもよい。また、クラッド５３２の一部だけを除去する導入部１７としては、テーパー形状等の構成を例示することができる。
【００５０】
貫通穴や凹状穴等の導入部１７は、光ファイバ５３を切削したり、穴空け加工することにより形成されている。貫通穴や凹状穴の形成方法としては、レーザー光により光ファイバ５３を掘穿する方法が例示される。この形成方法は、図７に示すように、加工光学装置３００により実施される。加工光学装置３００は、ＹＡＧレーザーをレーザー光として出力する波長が２６６ｎｍである高調波ＹＡＧレーザー発振器３０１と、レーザー光の光路上に配置され、レーザー光を所定の方向に反射するミラー３０２ａ・３０２ｂと、加工対象となる光ファイバ５３を保持するファイバホルダ３０５と、光ファイバ５３を３次元方向に位置決めするＸＹＺステージ３０６と、ＸＹＺステージ３０６の上方に配置された筐体３０９とを有している。
【００５１】
上記の筐体３０９の内部には、ミラー３０２ｂからのレーザー光を光ファイバ５３方向に反射するダイクロイックミラー３０３と、レーザー光を集光する対物レンズ３０４と、光ファイバ５３を撮像するＣＣＤカメラ３０７と、光ファイバ５３を照明する照明装置３０８とが設けられている。
【００５２】
これにより、加工光学装置３００は、高調波ＹＡＧレーザー発振器３０１からレーザー光を出力させる処理と、レーザー光をミラー３０２ａ・３０２ｂにより筐体３０９内に導入させる処理と、レーザー光を筐体３０９内のダイクロイックミラー３０３により９０°の角度で対物レンズ３０４方向に反射させる処理と、レーザー光を対物レンズ３０４により集光させる処理と、レーザー光の集光点をファイバホルダ３０５に保持されるファイバ１の掘穿箇所に一致するように調整する処理とを実行することによって、光ファイバ５３に貫通穴や凹状穴等の導入部１７を形成するようになっている。
【００５３】
また、テーパー形状等の導入部１７は、光ファイバ５３をバーナー等の熱源を用いて溶融延伸することにより形成することができる。具体的には、溶融延伸部分の最小の径が光ファイバ５３の元の径の８０％（例えば１２５μｍ×０．８＝１００μｍ）程度の箇所で溶融延伸を停止することによって、光ファイバプローブ５として使用することができる。
【００５４】
（キャビティリングダウン分光装置１の概要）
以上のように、キャビティリングダウン分光装置１は、図１に示すように、所定波長の光を出力する光出力部１２と、光出力部１２から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系２０と、光循環系２０を循環する光の光強度を検出する光強度検出部２１と、光循環系２０内に設けられ、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光ノイズ強度を低減させる負帰還光増幅器１０とを有した構成にされている。
【００５５】
そして、このように構成されたキャビティリングダウン分光装置１は、測定対象物を配置可能にされた光循環系２０に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出する際に、光循環系２０内に配置された負帰還光増幅器１０により、光循環系２０を進行する光を増幅すると共に、光ノイズ強度を低減させるキャビティリングダウン分光方法を実行するようになっている。
【００５６】
より詳細には、キャビティリングダウン分光装置1は、測定対象物を配置可能にされた光循環系２０に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出する際に、測定対象物の配置位置を挟んだ光循環系２０の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、光循環系２０の他端部において、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、この入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、この出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、光循環系２０の他端側に出力させ、光循環系２０の他端側に出力された出力光と周囲光とを光循環系２０の一端側に反射させるキャビティリングダウン分光方法を実行するようになっている。
【００５７】
上記の構成や方法によれば、光出力部１２から出力された光が光循環系２０において循環すると、光が測定対象物を透過や通過するときに、測定対象物により光強度が減衰される。そして、光の循環により測定対象物に対する光の通過や透過が繰り返されることによって、測定対象物による光強度の減衰された光強度の変化を伴う光が形成される。
【００５８】
この際、光循環系２０内に設けられた負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を進行する光の光強度を増幅させている。従って、光強度が負帰還光増幅器１０により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部２１の検出限界に減衰されるまでの期間、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【００５９】
さらに、負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を進行する光ノイズ強度を低減させている。即ち、負帰還光増幅器１０は、リングダウンパルスを得る際のノイズ成分を低減する役割を果たしている。従って、負帰還光増幅器１０によりノイズ成分が低減されていない場合と比較して、光強度が大きく減衰された場合であっても、ノイズ成分に影響され難い状態にすることができる。これにより、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になっている。
【００６０】
また、光循環系２０は、少なくとも測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材１８を配置すると共に、他端部において負帰還光増幅器１０を配置しており、負帰還光増幅器１０は、図２にも示すように、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、光増幅器よりも光循環系２０の他端側に配置され、光増幅器から出力された出力光と周囲光とを光増幅器に反射する第２反射部材１９とを有した構成にされている。
【００６１】
上記の構成によれば、光循環系２０を光の往復する線状に形成することができると共に、第１反射部材１８が設けられた光循環系２０の一端部を自由端にすることができるため、光循環系２０や測定対象物をセットするときの作業性を向上させることができる。
【００６２】
また、光循環系２０は、一端部が光ファイバプローブ５により形成されており、図６に示すように、光ファイバプローブ５は、コア５３１とクラッド５３２とを備え、一端側から光が導入される光ファイバ５３と、光ファイバ５３の他端をプローブ先端として含み、プローブ先端から測定対象物に挿入されるプローブ部５４と、プローブ部５４に形成され、少なくともクラッド５３２内部に測定対象物を導入する導入部１７と、プローブ先端に設けられ、導入部１７よりもプローブ先端側に配置された第１反射部材１８とを有した構成にされている。
【００６３】
上記の構成によれば、光循環系２０の一端部に設けられた光ファイバプローブ５を測定対象物に差し込むだけで、測定対象物のセット作業及び光循環系２０のセット作業が完了するため、セット時における作業性を一層向上させることができる。
【００６４】
（変形例）
尚、本実施形態においては、負帰還光増幅器１０を光循環系２０の一端部に備えた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、図８に示すように、光循環系２０の両端部に負帰還光増幅器１０を備えた構成にされていてもよい。或いは、負帰還光増幅器１０は、光循環系２０の他端部に配置されていてもよい。換言すれば、キャビティリングダウン分光装置１は、負帰還光増幅器１０を光循環系２０の一端部及び他端部の少なくとも一方に備え、この負帰還光増幅器１０の対向側において負帰還光増幅器１０又は第１反射部材１８を備えていてもよい。
【００６５】
上記の構成によれば、光循環系２０の両端部に負帰還光増幅器１０が配置された場合、光循環系２０の両端部で光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、一層多くのリングダウンパルスを高精度に得ることが可能になる。
【００６６】
また、本実施形態においては、光循環系２０が線状に形成された場合について説明しているが、これに限定されるものでもない。即ち、図９に示すように、光循環系２０は、光を一方向に進行させる環状に形成されていてもよい。そして、光循環系２０の各負帰還光増幅器１０は、光循環系２０を循環する光が入力光として入力された場合、入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、出力光とは異なる周囲波長であって出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する後述する光増幅器１１と、光増幅器１１から出力された周囲光を、出力光から分離し、光増幅器１１に帰還及び入力させる光帰還手段とを有した構成にされていてもよい。
【００６７】
具体的には、図１０に示すように、上記の光帰還手段は、光増幅器１１の出力側に配置された波長選択素子６１を有している。波長選択素子６１は、光増幅器１１からの出力光中の例えば１５５０ｎｍの所定波長の出力信号光とそれ以外の波長に周囲光とを分離するためのものであり、所定の波長の全部または１部の光を反射させるものである。この波長選択素子６１は、例えば前記所定の波長、例えば１５４５〜１５５５ｎｍの光を透過させるが、それ以外の波長の全部の光を反射させて光ファイバから成る帰還光路６３へ出力する光アド・ドロップフィルタから構成されてもよいが、屈折率が異なる一対の層が多数組積層された多層膜フィルタ、或いは光伝播方向において屈折率が周期的に変化させられたグレーティングフィルタ、フォトニッククリスタルフィルタのいずれかから構成されてもよい。
【００６８】
光カプラ６２は、入力信号光を光増幅器１１へ入力させるための信号光入力手段として機能するものであり、図示しないレーザー光源からのレーザー光が変調されて信号伝送路から搬送される所定波長の入力信号光を光増幅器１１に入力させる。光カプラ６２は、例えば、光ファイバにより構成された結合器或いは分波器、或いはハーフミラーによって構成される。光カプラ６２は、所定波長の入力信号光を波長選択的に反射させ且つそれ以外の波長の光を透過させる光アド・ドロップフィルタに置き換えてもよい。また、波長選択素子６１、光増幅器１１、光カプラ６２の相互間の光の伝送路は、例えば、光を厚み方向に閉じ込めつつ伝送する光導波路、或いは光を径方向に閉じ込めつつ伝送する光ファイバ等により構成される。
【００６９】
上記の構成によれば、光循環系２０が環状に形成された構成であっても、負帰還光増幅器１０が配置されることによって、光循環系２０の光強度の増幅を行うことが可能であると共に、ノイズ成分を低減することが可能であるため、多くのリングダウンパルスを高精度に得ることができる。
【００７０】
（吸光分析装置２００）
次に、キャビティリングダウン分光装置１を備えた吸光分析装置２００について図１１及び図１２に基づいて説明する。尚、以下の吸光分析装置２００の説明においては、トマト等の植物を測定対象物４として説明しているが、これに限定されるものではない。
【００７１】
図１１に示すように、吸光分析装置２００は、測定対象物４の状態をキャビティリングダウン分光法によりリアルタイムで高精度に求めるように構成されている。尚、測定対象物４が植物の測定以外の用途に使用される場合には、後述の記憶部２１１のデータテーブルにおける状態データの内容を変更することによって、植物以外に適用される吸光分析装置となる。
【００７２】
吸光分析装置２００は、測定対象物４である植物に挿入される一つ以上の光ファイバプローブ５と、各光ファイバプローブ５に対してレーザー光を入出力させ、各光ファイバプローブ５からの反射光に基づいて複数の測定対象物４の状態を監視可能な監視装置本体２０１とを有している。光ファイバプローブ５は、最低一つあればよく、監視装置本体２０１が光ファイバセレクタ２０３を備えることによって、複数の光ファイバプローブを使用することができる。
【００７３】
光ファイバプローブ５は、監視装置本体２０１に接続されている。監視装置本体２０１は、各光ファイバプローブ５の一端に接続された光ファイバセレクタ２０３と、光ファイバセレクタ２０３の単数の共通端子２０３ｂに接続された光カプラ２０４とを有している。尚、光カプラ２０４は光サーキュレータであってもよい。光ファイバセレクタ２０３は、複数の入出力端子２０３ａと、単数の共通端子２０３ｂと、選択端子２０３ｃとを有していると共に、各入出力端子２０３ａ及び共通端子２０３ｂ間の接続状態（チャンネル）を選択端子２０３ｃに入力された選択データにより切り替える図示しない切替部とを有している。
【００７４】
光ファイバセレクタ２０３の共通端子２０３ｂには、光カプラ２０４の共通端子２０４ａが接続されている。光カプラ２０４は、共通端子２０４ａと、共通端子２０４ａに接続された出力端子２０４ｂ、入力端子２０４ｃ、及び入出力端子２０４ｄを有している。光カプラ２０４の入力端子２０４ｃには、パルス状のレーザー光を出力可能なレーザー光出力装置２０５が接続されている。レーザー光出力装置２０５は、例えば、光出力部素子がＩｎＧａＡｓＰのファブリペロー型レーザーダイオードであり、中心波長が１５５０ｎｍ、スペクトル範囲が１５３０〜１５６０ｎｍ、平均出力が１００μＷ（パルス幅５００ｎｓ、繰返周波数５ｋＨｚ）、ピーク出力が４０ｍＷのものが使用される。一方、光カプラ２０４の出力端子２０４ｂには、光強度検出部２０９が接続されている。
【００７５】
また、光ファイバセレクタ２０３の選択端子２０３ｃには、選択データを出力する選択部２０６が接続されている。選択部２０６は、コントローラ２０７からの選択指令に基づいて定期的に測定対象を切り替えるように、各光ファイバプローブ５を特定する選択データを切替出力するようになっている。例えば、各光ファイバプローブ５に固有の識別番号が設定されていれば、この識別番号に対応した選択データを切替出力するようになっている。これにより、光ファイバセレクタ２０３は、光カプラ２０４を介して入力されたパルス状のレーザー光を各光ファイバプローブ５に順番に出力し、光ファイバプローブ５からの反射光を光カプラ２０４を介して光強度検出部２０９に順番に出力することが可能になっている。
【００７６】
また、光ファイバセレクタ２０３の入出力端子２０４ｄには、負帰還光増幅器１０が接続されている。そして、負帰還光増幅器１０と光カプラ２０４と光ファイバセレクタ２０３と光ファイバプローブ５とが光循環系２０を構成している。
【００７７】
光強度検出部２０９は、出力光の光強度を測定し、アナログ形態の光強度信号として出力するようになっている。光強度検出部２０９は、例えば、検出素子がＩｎＧａＡｓ ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）であり、検出波長が１０００〜１６００ｎｍのものが使用される。光強度検出部２０９は、吸収係数算出部２１０に接続されている。吸収係数算出部２１０は、アナログ形態の光強度信号をデジタル形態の光強度データに変換する機能と、光強度データを用いたキャビティリングダウン分光法による処理として吸収係数を算出する機能とを有している。これにより、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、出力光をキャビティリングダウン分光法により処理する測定装置としての機能を備えている。尚、光強度検出部２０９及び吸収係数算出部２１０は、オシロスコープにより少なくとも一部の機能を実現することができる。
【００７８】
ここで、キャビティリングダウン分光法について概略すると、２枚の高反射率ミラーで構成された光学キャビティの片側のミラー外部から、パルス化されたレーザー光を注入し、キャビティ内に進入した光を片側のミラーにおいて僅かに外部に漏洩させながら反射させる。反射光は、ミラー間で何度も反射及び漏洩が繰り返され、反射の回数を重ねる毎に、指数的に光強度を減少させる。そして、光学キャビティ内に光損失を起こす分子等の光吸収物質が存在すれば、光強度減衰率が増加することを利用し、レーザー光をキャビティ中で何度も往復させ、長い実効光路長を得ることによって、光強減衰率を高精度に算出することにより光吸収物質の状態を求める。
【００７９】
吸収係数算出部２１０は、キャビティリングダウン分光法による処理結果である光強度減衰率を吸収係数データとして記憶部２１１に出力する。記憶部２１１は、ハードディスク等の大容量の記憶装置からなっており、管理テーブルと測定対象物同定テーブルとをデータテーブルとして有している。管理テーブルは、光ファイバプローブ５の識別番号と、各識別番号に対応付けられた光強度、吸収係数及び測定日時とを測定対象物４である植物の状態データとして有している。
【００８０】
これにより、管理テーブルは、測定日時に基づいた各光ファイバプローブ５がセットされた測定対象物４の光強度及び吸収係数などが保存され、経時変化を求めるデータベース等に用いることが可能になっている。また、測定対象物同定テーブルは、測定対象物４の状態と、各状態に応じた吸収係数とを測定対象物の種類毎に記憶している。これにより、測定対象物同定テーブルは、各種の測定対象物４である植物の状態を吸収係数に基づいて同定するデータベースとして用いることが可能になっている。
【００８１】
上記の記憶部２１１は、コントローラ２０７によりアクセス可能にされている。コントローラ２０７は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置からなり、キャビティリングダウン分光法による処理結果を測定対象物４の状態データとして情報処理する機能を有するように、少なくとも図１２の監視制御ルーチンを実行可能にされている。尚、コントローラ２０７は、処理能力に余力があれば、吸収係数算出部２１０における吸収係数の算出処理に用いられてもよい。
【００８２】
コントローラ２０７は、上述のレーザー光出力装置２０５と、選択部２０６と、吸収係数算出部２１０とに接続されていると共に、キーボードやマウス等の操作部２１２と、液晶表示装置等の表示部２１３とに接続されている。コントローラ２０７は、レーザー光出力装置２０５に対して出力開始や出力停止の出力指令信号を出力すると共に、レーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）を設定する設定指令信号を出力する機能と、選択部２０６に対して切替間隔や選択対象となる識別番号の設定指令信号を出力する機能と、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物の種類に応じた演算情報を出力する機能とを有している。
【００８３】
さらに、コントローラ２０７は、操作部２１２からの操作データを受け付ける機能と、操作データに基づいて各種の処理を実行する機能と、表示部２１３に対して操作の内容を表示させる機能と、表示部２１３に対して記憶部２１１に記憶された各種のデータをグラフや数値により表示させる機能と、吸収係数に基づいて測定対象物の状態を画像や数値で表示する機能とを有している。
【００８４】
（吸光分析装置２００の動作）
監視装置本体２０１の作動が開始されると、図１２の監視制御ルーチンが実行され、先ず、操作部２１２のキー操作等による操作データの入力が受け付けられる（Ｓ１）。続いて、受け付けた操作データが測定感度の調整であるか否かが判定される（Ｓ２）。測定感度の調整である場合には（Ｓ２，ＹＥＳ）、調整内容に応じた測定感度調整処理が実行され、例えば、レーザー光出力装置２０５に対してレーザー光の出力状態（パルス幅や光強度等）が設定されたり、吸収係数算出部２１０に対して測定対象物４の種類に応じた演算情報が出力される（Ｓ３）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００８５】
一方、測定感度の調整でない場合には（Ｓ２，ＮＯ）、続いて、操作データが表示の切り替えであるか否かが判定される（Ｓ４）。表示の切り替えである場合には（Ｓ４，ＹＥＳ）、表示切替処理が実行され、例えば、記憶部２１１に記憶された吸収係数の表示や測定対象物４の状態の表示等が行われる（Ｓ５）。この後、Ｓ１から再実行される。
【００８６】
一方、表示の切り替えでない場合には（Ｓ４，ＮＯ）、続いて、操作データが測定の開始であるか否かが判定される（Ｓ６）。測定の開始でない場合には（Ｓ６，ＮＯ）、Ｓ１から再実行される。測定の開始である場合には（Ｓ６，ＹＥＳ）、キャビティリングダウン分光法による測定が開始される。
【００８７】
具体的には、レーザー光出力装置２０５からパルス状のレーザー光が出力される（Ｓ７）。そして、所定の切り替えタイミングで光ファイバセレクタ２０３におけるチャンネルの切り替えが行われる。これにより、各光ファイバプローブ５に対して順番にレーザー光が出力されることになる（Ｓ８）。尚、チャンネルの切り替え後にレーザー光の出力が行われてもよい。
【００８８】
ここで、図６に示すように、光ファイバプローブ５にレーザー光が導入されると、レーザー光は、コア５３１内をプローブ部５４方向に向かって進行する。そして、プローブ部５４に到達したレーザー光は、導入部１７を通過してプローブ先端に配置された第１反射部材１８で反射光として反射される。反射光は、図１１に示すように、導入部１７を通過した後、光ファイバセレクタ２０３、光カプラ２０４、及び負帰還光増幅器１０に進行し、負帰還光増幅器１０において増幅されると共に、ノイズ光が低減される。
【００８９】
詳細に説明すると、負帰還光増幅器１０は、図４に示すように、所定波長の入力信号光が入射されると、所定波長の出力信号光と、その所定波長とは異なる周囲波長の周囲光（自然放出光）とを含む光を出力する。このような入力信号光と出力信号光と周囲光（自然放出光）とは、図５に示す光強度の関係を有している。即ち、出力信号光と周囲光とは強度について位相が反転されている。これにより、負帰還光増幅器１０は、出力信号光と周囲光とを含む光が光増幅器１１から出力された後、第２反射部材１９により光増幅器１１に反射されると、周囲光は光増幅器の利得を変調する。この変調された利得の中を入力信号光が進行すると基線の上昇を抑制し、ノイズが低減された状態となる。
【００９０】
この結果、エレクトロニクスで言うところの負帰還作用と同様の作用により、所定波長の入力信号光に対する非線形歪みが低減された出力信号光が出力される。従って、光信号のみによる負帰還増幅的な作用が得られるので、出力信号光のゲイン（利得）、波形、基線が広範な周波数範囲において安定し、低ノイズ化が可能となる。
【００９１】
図１１に示すように、負帰還光増幅器１０と光ファイバプローブ５とを含む光循環系２０をレーザー光が往復（循環）する。そして、導入部１７に存在する測定対象物４の光吸収物質により光強度が減衰されながら、光カプラ２０４において一部が光強度検出部２０９に漏洩される。漏洩したレーザー光が光強度検出部２０９で受光され、光強度信号とされる。光強度信号は、吸収係数算出部２１０において、デジタル形態の光強度データに変換された後、キャビティリングダウン分光法により吸収係数が算出される。そして、この吸収係数が記憶部２１１の管理テーブルに測定日時等と共に記憶されることによって、測定データ（測定対象物４の状態データ）として取得されることになる（Ｓ９）。
【００９２】
次に、測定が終了したか否かが判定され（Ｓ１０）、測定が終了していない場合には（Ｓ１０，ＮＯ）、Ｓ７から再実行されることによって、キャビティリングダウン分光法による測定データの取得が繰り返される。一方、測定の終了である場合には（Ｓ１０，ＹＥＳ）、レーザー光の出力が停止され（Ｓ１１）、測定データの取得が停止された後（Ｓ１２）、Ｓ１から再実行される。
【００９３】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例】
【００９４】
本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１（実施例１）の増幅状態を測定すると共に、比較例として、半導体光増幅器（ＳＯＡ）だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例１）の増幅度を測定した。
【００９５】
（実施例１・比較例１）
先ず、図１３に示す構成を、下記の部材を用いて組み上げた。即ち、光出力部１２として半導体レーザー（Ａｎｒｉｔｓｕ ＧＢ５ＡＯ１６）、減衰器１７１としてＡＮＤＯ製 ＡＱ−３１０５Ａ）、光分岐結合器１３としてサーキュレータ（ＦＤＫ製 ＹＣ−１１００−ＺＪ１−１５５）、負帰還光増幅器１０としてＲＳＯＡ（ｋａｍｅｌｉａｎ製 １０−ＴＯ−Ｃ−ＦＡ３９−０７−０３０１２７９８９７）、波長フィルタ１４としてＵ−ＣＯＮＮ製 Ａｄｄ ｄｒｏｐ ｆｉｌｔｅｒ １５５１ｎｍ、光強度検出部１５としてディテクター受光センサ（Ｎｅｗｐｏｒｔ製 ＩＲ ＤＣ−１２５ＭＨｚ Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ｐｈｏｔｏｒｅｃｅｉｖｅｒ １８１１）、オシロスコープ１６としてＨＥＷＬＥＴＴ ＰＡＣＫＡＲＤ製 ｉｎｆｉｎｉｕｍ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ ５００ＭＨｚ ２ＧＳａ／ｓを用いた。
【００９６】
そして、半導体レーザーでパルス信号を作りそれを減衰器でディテクター変換電圧１００ｍＶに調整し、波形増幅の状態を測定した。この測定結果を図１４に示す。
【００９７】
次に、図１５に示す構成、即ち、図１３の構成において、光分岐結合器１３と負帰還光増幅器１０との代わりに、光増幅器１１（ＳＯＡ：ＩｎＰｈｅｎｉｘ製 ＩＰＳＡＩ１５０１）を用いた構成を組み上げた。そして、同一条件で、パルス信号を作りそれを減衰器１７１でディテクター返還電圧１００ｍＶに調整し、波形増幅の状態を測定した。この測定結果を図１６に示す。
【００９８】
（実施例２・比較例２・３・４）
次に、本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１（実施例２）のリングダウンパルスを測定すると共に、比較例として、増幅器を備えないキャビティリングダウン分光装置（比較例２）と、半導体光増幅器（ＳＯＡ）だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例３）と、ＥＤＦＡの光増幅器だけを備えたキャビティリングダウン分光装置（比較例４）とのリングダウンパルスを測定した。
【００９９】
実施例２の負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）は、光ファイバプローブ５を除いて図１に示す構成とした。各部材の機器として下記の部材を用いた。即ち、光分岐結合器１３として９：１カプラ（タツタ電線製）を用いた。その他の各部材の機器は、実施例１と同一のものを用いた。また、比較例２・３・４においても、実施例２と同一部材には同一の機器を用いた。そして、パルス信号を循環させることによって、リングダウンパルスをそれぞれ測定した。この測定結果を図１７〜図２０に示す。
【０１００】
（実施例３・４）
次に、本実施形態の負帰還光増幅器１０として負帰還半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を備えたキャビティリングダウン分光装置１を図１に示す構成で組み上げ、測定対象物として空気と水とを用いた場合のリングダウンパルスをそれぞれ測定した（実施例３・４）。尚、機器は、実施例１と同一のものを用いた。また、図２１に示すように、導入部１７は、一対の光ファイバ２３・２３の端面をフェルール２５により所定間隔を隔てて対向させることにより形成した。測定結果を図２２及び図２３に示す。
【０１０１】
（実施例１と比較例１の測定結果の検討）
図１４及び図１６に示した測定結果によると、ＲＳＯＡ及びＳＯＡの何れを増幅実験回路に用いた場合であっても、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２５００ｍＶ程度のように、ほぼ同一であるのに対し、ベース電圧がＲＳＯＡとＳＯＡとで異なっている。即ち、ＲＳＯＡのベース電圧が１００ｍＶ程度である一方、ＳＯＡのベース電圧が２５０ｍＶ程度となっている。従って、ＲＳＯＡを用いた場合は、ピーク電圧を維持しつつ、ＳＯＡを用いた場合よりもベース電圧を２倍以上低減できることが判明した。この結果、ＲＳＯＡを用いた場合は、ベース電圧がリングダウンパルスのノイズとして作用し難くできることが判明した。
【０１０２】
（実施例２・比較例２・３・４の測定結果の検討）
図１７の測定結果によると、実施例２は、リングダウンパルスとなるピーク電圧が多数検出されると共に、これらのピーク電圧が指数関数的に減衰している。即ち、実施例２のＲＳＯＡを用いたＣＲＤＳは、ＲＳＯＡの負帰還効果によって発振現象を抑制した増幅が得られることにより、忠実な波形増幅が可能であることが分かった。これは、上述の図１４及び図１６に示した信号増幅波形において、実施例１のＲＳＯＡについてはベースライン信号増幅が比較例１よりも抑制されていることからも認められる。また、負帰還増幅効果は増幅器内部で発生する雑音を抑制し、非線形歪みを低減することができると考えられる。
【０１０３】
これに対し、図１８の増幅しない比較例２は、光増幅されていないので初期段階のピーク電圧が小さいものであることが確認された。さらに、検出可能なピーク電圧の個数も実施例１よりも少ないことが確認された。
【０１０４】
また、図１９及び図２０の測定結果によると、キャビティリングダウン分光法（ＣＲＤＳ）においてＳＯＡ（比較例３）やＥＤＦＡ（比較例３）は、増幅波形が指数関数による減衰とはならないことが確認された。また、ＳＯＡを用いた場合、波形のベースライン（基線）が上昇している。この原因は、ＣＲＤＳループ回路が正帰還増幅回路となって発振現象が生じるからであると推測される。尚、測定においては、ＣＲＤＳループ回路自体は時間的に信号が重ならないよう十分なループ長を取ることにより信号光による発振現象を生じないように配慮した。しかし、ループ回路内で増幅を繰り返すことにより発振現象を引き起こしＣＲＤＳ波形が振動を持った波形の上に存在することにより波形が変形するものと考えられる。
【０１０５】
このことから、ＲＳＯＡを用いたＣＲＤＳは、指数関数に近似した減衰波形が得られるため、吸収係数の精度が上がり、結果的に測定対象物の検出精度及び同定精度が向上することが確認された。
【０１０６】
また、負帰還光増幅器の光増幅器１１として、ＳＯＡを用いた場合と、ＥＤＦＡを用いた場合とを比較すると、図１９及び図２０に示すようにほぼ同程度のリングダウンパルスが検出されていると共に、ＥＤＦＡが増幅波長帯域に制限があることから、負帰還光増幅器の光増幅器１１としてＳＯＡを用いた方が、ＥＤＦＡを用いるよりも、幅広い波長帯域をカバーできる点で有利であると考えられる。
【０１０７】
（実施例３・４の測定結果の検討）
図２２の測定結果によると、測定対象物が空気である実施例３は、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２５０ｍＶであり、以後に連続して検出されるピーク電圧が指数関数的に減衰し、合計９個のピーク電圧を検出することが可能であることが確認された。
【０１０８】
また、図２３の測定結果によると、測定対象物が水である実施例４は、リングダウンパルスとなるピーク電圧の初期値が２９０ｍＶであり、以後に連続して検出されるピーク電圧が指数関数的に減衰し、合計１８個のピーク電圧を検出することが可能であることが確認された。
【０１０９】
これにより、ＲＳＯＡを用いたキャビティリングダウン分光装置によれば、空気及び水の何れの測定対象物においても、多くのリングダウンパルスを理論通りの波形で得ることができることが判明した。この結果、測定対象物が空気と水とで相違すると、リングダウンパルスの波形が明確に相違することから、相違する各種の測定対象物に対応したリングダウンパルスの波形を高精度に得られることができ、結果として測定対象物の同定を高精度に行うことが可能であることが分かった。
【符号の説明】
【０１１０】
1 キャビティリングダウン分光装置
４ 測定対象物
５ 光ファイバプローブ
１１ 光増幅器
１２ 光出力部
１３ 光分岐結合器
１４ 波長フィルタ
１５ 光強度検出部
１６ オシロスコープ
１７ 導入部
１８ 第１反射部材
１９ 第２反射部材
２０ 光循環系
２１ 光強度検出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定波長の光を出力する光出力部と、
前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系と、
前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、
前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器と
を有することを特徴とするキャビティリングダウン分光装置。
【請求項２】
前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、前記光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材を配置すると共に、他端部において前記負帰還光増幅器を配置しており、
前記負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項３】
前記光循環系は、
前記一端部が光ファイバプローブにより形成されており、
前記光ファイバプローブは、
コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、
前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、
前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第１反射部材と
を有することを特徴とする請求項２に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項４】
前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ両端部において、前記負帰還光増幅器をそれぞれ配置しており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していることを特徴とする請求項２に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項５】
前記光循環系は、前記光を一方向に進行させる環状に形成されており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項６】
前記負帰還光増幅器は、負帰還半導体光増幅器であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載のキャビティリングダウン分光装置を備えたことを特徴とする吸光分析装置。
【請求項８】
測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記光循環系内に配置された負帰還光増幅器により、前記光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。
【請求項９】
測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。
【請求項１】
所定波長の光を出力する光出力部と、
前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を配置可能にされた光循環系と、
前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、
前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器と
を有することを特徴とするキャビティリングダウン分光装置。
【請求項２】
前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ一端部において、前記光の全部を入力方向とは逆方向に反射する第１反射部材を配置すると共に、他端部において前記負帰還光増幅器を配置しており、
前記負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の他端側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項３】
前記光循環系は、
前記一端部が光ファイバプローブにより形成されており、
前記光ファイバプローブは、
コアとクラッドとを備え、一端側から前記光が導入される光ファイバと、
前記光ファイバの他端をプローブ先端として含み、該プローブ先端から前記測定対象物に挿入されるプローブ部と、
前記プローブ部に形成され、少なくとも前記クラッド内部に前記測定対象物を導入する導入部と、
前記プローブ先端に設けられ、前記導入部よりも前記プローブ先端側に配置された前記第１反射部材と
を有することを特徴とする請求項２に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項４】
前記光循環系は、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ両端部において、前記負帰還光増幅器をそれぞれ配置しており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器よりも前記光循環系の端部側に配置され、前記光増幅器から出力された出力光と周囲光とを該光増幅器に反射する第２反射部材とを有していることを特徴とする請求項２に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項５】
前記光循環系は、前記光を一方向に進行させる環状に形成されており、
前記各負帰還光増幅器は、
前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを出力する光増幅器と、
前記光増幅器から出力された前記周囲光を、前記出力光から分離し、前記光増幅器に帰還及び入力させる光帰還手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項６】
前記負帰還光増幅器は、負帰還半導体光増幅器であることを特徴とすることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れかに記載のキャビティリングダウン分光装置を備えたことを特徴とする吸光分析装置。
【請求項８】
測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記光循環系内に配置された負帰還光増幅器により、前記光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。
【請求項９】
測定対象物を配置可能にされた光循環系に、所定波長の光を循環させながら光強度を検出するキャビティリングダウン分光方法であって、
前記測定対象物の配置位置を挟んだ前記光循環系の一端部において、光の全部を入力方向とは逆方向に反射させ、
前記光循環系の他端部において、前記光循環系を循環する光が入力光として入力された場合、該入力光と同じ所定波長であって同じ位相の強度を有する出力光と、該出力光とは異なる周囲波長であって該出力光とは反転した位相で強度変化する周囲光とを、前記光循環系の他端側に出力させ、
前記光循環系の他端側に出力された前記出力光と周囲光とを該光循環系の一端側に反射させることを特徴とするキャビティリングダウン分光方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【図１４】
【図１６】
【図１８】
【図２０】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１５】
【図１７】
【図１９】
【図２１】
【図１４】
【図１６】
【図１８】
【図２０】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１１−１６３７６７（Ｐ２０１１−１６３７６７Ａ）
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３０２０（Ｐ２０１０−２３０２０）
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【出願人】（０００１０８７４２）タツタ電線株式会社 (76)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月２５日（２０１１．８．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【出願人】（０００１２５３４７）学校法人近畿大学 (389)
【出願人】（０００１０８７４２）タツタ電線株式会社 (76)
【Ｆターム（参考）】
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