スペクトル計測装置およびスペクトル計測方法
【課題】高速に測定を行うことができるスペクトル計測装置を実現すること。
【解決手段】波長可変光源１０はＥｒドープ超短パルスレーザファイバー１１とＥＯＭ１２と偏波保持シングルモードファイバーを有し、パルス光の強度を変更することで出力される光ソリトンパルスの波長を掃引することができる。波長可変光源１０からの光ソリトンパルスは、櫛歯状分布ファイバー２０によって断熱ソリトンスペクトル圧縮され、スペクトルが狭窄化される。この狭窄化された光ソリトンパルスは試料７０を透過してフォトダイオード４０ａにより受光され、デジタルオシロスコープ５０によって光強度が計測される。この時間波形と、波長可変光源１０での波長掃引との関係から、試料７０の吸収スペクトルを計測することができる。
【解決手段】波長可変光源１０はＥｒドープ超短パルスレーザファイバー１１とＥＯＭ１２と偏波保持シングルモードファイバーを有し、パルス光の強度を変更することで出力される光ソリトンパルスの波長を掃引することができる。波長可変光源１０からの光ソリトンパルスは、櫛歯状分布ファイバー２０によって断熱ソリトンスペクトル圧縮され、スペクトルが狭窄化される。この狭窄化された光ソリトンパルスは試料７０を透過してフォトダイオード４０ａにより受光され、デジタルオシロスコープ５０によって光強度が計測される。この時間波形と、波長可変光源１０での波長掃引との関係から、試料７０の吸収スペクトルを計測することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速、高精度、広帯域に測定を行うことができるスペクトル計測装置およびスペクトル計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域に波長を変化させることができる光源として、短パルス光源と、光強度調整器と、光ファイバとを有した波長可変光源がある（特許文献１）。この特許文献１に記載の波長可変光源は、短パルス光源からのパルス光を光ファイバに入射させ、自己位相変調と波長分散との釣り合いによって光ソリトンパルスを発生させ、光ソリトンパルスの自己周波数シフト効果によって波長を長波長側にシフトさせるものであり、光ファイバに入射させるパルス光の強度を光強度調整器によって調整することにより、波長シフト量を調整して、所望の中心波長のソリトンパルスを発生させるものである。
【０００３】
また、光ソリトンパルスのパルス幅を圧縮する方法として、断熱ソリトン圧縮と呼ばれる方法が知られている（たとえば特許文献２）。これは、伝搬方向に分散値が減少するような光ファイバ中に光ソリトンパルスを伝搬させることでパルス幅を低減させる方法である。このような光ファイバを実現する方法として、分散値の異なる複数の光ファイバを多段に接続する方法や、２種類の分散値の異なる光ファイバを、長さを変えて交互に繰り返し接続する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１０５３９４
【特許文献２】特開２００４−１１７５９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
吸光分光計測は、膜厚測定、プラズマモニター、濃度・成分測定などに重要な基本的計測技術である。これまで、吸光分光計測では、主に広帯域な光源と、分光器とを用いていた。また、波長可変光源と受光器を用いた計測も行われている。
【０００６】
しかし、従来の吸光分光計測では、広帯域光源の単位スペクトル当たりの輝度が低く、感度が悪いため、測定に積算のための時間がかかった。また、高速・高感度な分光器も存在しなかった。さらに、分光器を用いると、測定波長範囲と分解能はトレードオフの関係にあるため、広い測定波長帯域と高い分解能とを両立させることはできなかった。また、波長可変光源と受光器を用いた計測では、高速・広帯域に波長を可変できる光源がなく、そのため高速な分光計測を行うことが困難であった。また、特許文献１の波長可変光源が分光計測装置に応用された例は今までなかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、高速、高精度、広帯域に測定を行うことができるスペクトル計測装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測装置において、パルス光を出力するパルス光源と、パルス光源の出力するパルス光の強度を変更する光強度調整器と、光強度調整器により強度が変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、パルス光の強度に応じて変更する波長可変光ファイバーと、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備え、波長可変光ファイバーから出力された光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力する光ファイバーと、光導波路手段から出力された光ソリトンパルスを試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定する受光手段と、を有し、受光手段により測定した透過光または反射光の光強度の時間変化と、波長可変光ファイバーによる光ソリトンパルスの波長変化との関係から、透過光または反射光のスペクトルを測定する、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、光強度調整器は、電気光学変調器であることを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明から第２の発明において、光ファイバーは、二次分散値β２の異なる光ファイバーを複数本接続させた構成である、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、光ファイバーは、二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続することで、二次分散値β２の絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えるよう構成したことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、光ファイバーから出力される光ソリトンパルスの一部を入射させ、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を出力する干渉計をさらに有し、受光手段は、干渉光を受光して干渉光の光強度を測定する手段をさらに有し、干渉光のスペクトルによって、透過光または反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、干渉計は、マッハツェンダー干渉計であることを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１４】
第７の発明は、試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測方法において、パルス光を発生させてパルス光の強度を変更し、その強度変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、パルス光の強度に応じて変更し、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えた媒質に光ソリトンパルスを入射させて、光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力させ、光ソリトンパルスを試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定し、透過光または反射光の光強度の時間変化と、光ソリトンパルスの波長変化との関係から、透過光または反射光のスペクトルを測定する、ことを特徴とするスペクトル計測方法である。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスの一部から、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を生成し、干渉光のスペクトルにより、透過光または反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とするスペクトル計測方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスペクトル計測装置によると、高速、高精度、広帯域にスペクトル計測を行うことができる。特に第５、６の発明によると、より高精度にスペクトル計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のスペクトル計測装置の構成を示した図。
【図２】櫛歯状分布ファイバーの構成を示した図。
【図３】櫛歯状分布ファイバーの長さ方向における二次分散値β２の変化を示した図。
【図４】櫛歯状分布ファイバーによるスペクトル幅の狭窄効果を示した図。
【図５】波長可変光源１０からの光ソリトンパルスを櫛歯状分布ファイバー２０によってスペクトル幅を狭窄化した結果を示した図。
【図６】試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光の時間波形を示した図。
【図７】試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光のスペクトルを示した図。
【図８】スペクトルから算出した吸光度を示した図。
【図９】時間波形から算出した吸光度を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明のスペクトル計測装置に利用するスペクトル幅狭窄方法の原理について説明する。
【００１９】
スペクトル幅狭窄方法は、ある分散特性を有した光ファイバーに光ソリトンパルスを入射させて断熱ソリトンスペクトル圧縮することにより、スペクトル幅が狭窄されたパルス光を得るものである。
【００２０】
ある分散特性を有した光ファイバーとは、二次分散値β２が負であって、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向（光ファイバーの長さ方向）に二次分散値β２の絶対値が増加する伝搬特性を有した光ファイバーである。
【００２１】
ここで、光ソリトンパルスは、Ｎ2 ＝（γＰ0 Ｔ2 FWHM）／（３．１１｜β2 ｜）と表わすことができる。Ｎはソリトン次数、γは非線形係数、Ｐ0 はピークパワー、ＴFWHMは時間半値全幅、β2 は二次分散値である。
【００２２】
この式の右辺の分子は、パルス光の自己位相変調を示し、右辺の分母は波長分散を示している。上記分散特性を有した光ファイバーに光ソリトンパルスを入射させると、自己位相変調によるパルス圧縮と波長分散によるパルス広がりとの釣り合いによって、入力されたパルス波は時間波形を保ったまま伝搬してソリトン波形を保とうとする。このため、ソリトン次数が０．５〜１．５のパルス波を光ファイバーに導入した場合には、Ｎ2 が１に収斂していく。光ファイバーの二次分散値β２の絶対値は、光ソリトンパルスの伝搬方向に増加していくため、入力された光ソリトンパルスはソリトンパルスの特性を保つために時間半値全幅ＴFWHMが増加していき、その結果としてスペクトル幅が狭窄化される。
【００２３】
このように、本発明において利用するスペクトル狭窄方法では、入射させる光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均が負であって、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向に二次分散値β２の絶対値の平均が増加する伝搬特性を有した光ファイバーに、光ソリトンパルスを伝搬させることにより、パルス光のスペクトル幅を狭窄化することができる。
【００２４】
また、本発明において利用するスペクトル狭窄方法は、パルス波がソリトン波形を保とうとする作用を用いてスペクトル幅を狭窄化するものであるため、出力されるパルス波はきれいな孤立波となる。このため、出力されるパルス波は、ノイズとなる台座成分（ペデスタル成分）が小さい理想的な波形に近いものを得ることができる。
【００２５】
光ファイバーは、コア部とクラッド部の材質や直径などによって、様々な分散特性を付与することができる。そのため、入射させる光ソリトンパルスに対する二次分散値β２が負であり、かつ、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向に二次分散値β２の絶対値が増加する伝搬特性を有した光ファイバーを作製することは不可能ではない。しかし、分散特性を連続的に変化させることは困難であるため、１本の光ファイバーで所望の分散特性を実現するのではなく、二次分散値β２の異なる複数の光ファイバーを接続することにより、光ファイバー全体として、二次分散値β２の平均値が負で、二次分散値β２の絶対値の平均値が増加する伝搬特性とすることで、所望の伝搬特性を得ることができる。このようにすることで、本発明において利用するスペクトル狭窄方法に用いる光ファイバーを容易に実現することができる。
【００２６】
なお、光ファイバーの二次分散値β２を所定の値に設計する具体的方法としては、ガラス材料への添加物と添加濃度の調整による屈折率の大きさの調整、断面での屈折率分布の調整、微細構造を用いた断面構造の制御などが考えられ、たとえば、コア径が大きな光ファイバーほど、二次分散値β２の絶対値を大きくすることができる。
【００２７】
特に櫛歯状分布ファイバー（ＣＰＦ）を用いることで、本発明において利用するスペクトル狭窄方法に用いる光ファイバーをより容易に実現することができる。櫛歯状分布ファイバーは、二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続した構造であり、これにより二次分散値β２の平均値が負で、二次分散値β２の絶対値の平均値が増加する伝搬特性とするものである。
【００２８】
図２に櫛歯状分布ファイバーの構成の一例を示す。図２の櫛歯状分布ファイバーは、入射させるパルス光に対して二次分散値β２が−５である分散シフトファイバー（ＤＳＦ）１と、二次分散値β２が−２８であるシングルモードファイバー（ＳＭＦ）２が交互に繰り返し接続された構造である。ＤＳＦ１とＳＭＦ２の長さの割合は、パルス光入力端側ではＳＭＦ２よりもＤＳＦ１の方が割合が大きくなっているが、パルス光出力側に向かうにつれてＤＳＦ１の長さの割合は徐々に小さくなり、ＳＭＦ２の長さの割合は徐々に大きくなっている。そして、パルス光出力端側では、ＤＳＦ１よりもＳＭＦ２の方が長さの割合が大きくなっている。その結果、図３に示すように、櫛歯状分布ファイバー全体としてみた場合には、二次分散値β２の平均値が負であり、かつ、伝搬方向に二次分散値β２の平均値が−５から−２８に徐々に減少する（すなわち、二次分散値β２の絶対値の平均値が徐々に増加する）伝搬特性を実現することができている。
【００２９】
図４は、図２に示した櫛歯状分布ファイバーによるスペクトル幅の狭窄効果を示した図である。図４のように、パルス幅２００ｆｓで中心波長１６２０ｎｍ、スペクトル幅１２．３ｎｍの光ソリトンパルスが、櫛歯状分布ファイバーを伝搬してスペクトル幅が狭窄化されて、スペクトル幅０．７２ｎｍの光ソリトンパルスとなった。また、狭窄化された光ソリトンパルスの台座成分の大きさは、スペクトルのピークから−１８ｄＢであった。
【００３０】
このように、図２に示した櫛歯状分布ファイバーによると、スペクトル幅の大幅な狭窄化を図ることができ、ノイズ成分の少ないスペクトル幅の狭窄化を実現することができた。
【００３１】
なお、上記スペクトル幅狭窄方法に用いる光ファイバーでは、非線形係数の分布自体にはそれほど大きな意味はなく、通常の範囲内であれば問題はない。
【００３２】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、実施例１のスペクトル計測装置の構成について示した図である。実施例１のスペクトル計測装置は、光ソリトンパルスを出力し、その波長が可変である波長可変光源１０と、波長可変光源１０からの光ソリトンパルスのスペクトル幅を狭窄化する櫛歯状分布ファイバー２０と、マッハツェンダー干渉計３０と、フォトダイオード４０ａ、ｂと、デジタルオシロスコープ５０と、を有している。
【００３４】
波長可変光源１０は、Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１と、ＥＯＭ（電気光学変調器）１２と、Ｅｒドープファイバーアンプ１３と、ファンクションジェネレータ１４と、偏波保持シングルモードファイバー（ＰＭ−ＳＭＦ）１５と、を有している。以下、波長可変光源１０の詳細な構成について説明する。
【００３５】
Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１は、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス光を出力する。Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１以外にも、パルス間隔がフェムト秒オーダーからマイクロ秒オーダーの任意のパルス光源を用いることができる。
【００３６】
ＥＯＭ１２は、電気光学結晶を有し、ファンクションジェネレータ１４によって電気光学結晶に印加される電圧が制御されることで、透過率が変化する。この電気光学結晶中に光を伝搬させることで、光の強度を変化させることができる。波長可変光源１０では、Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー１１からのパルス光を１／２波長板１６を介してＥＯＭ１２の電気光学結晶に入射させて伝搬させることで、パルス光の強度を変化させる。
【００３７】
なお、ＥＯＭ１２以外にもパルス光の強度を変化させることができる装置であれば任意のものを用いることができる。たとえば、音響光学素子を用いた光変調素子などを用いてもよい。
【００３８】
Ｅｒドープファイバーアンプ１３は、レーザーダイオード１３１と、Ｅｒドープファイバー１３２と、光アイソレータ１３３と、を有している。レーザーダイオード１３１は、波長１４８０ｎｍの励起光用光源である。ＥＯＭ１２から出力された光は、レーザーダイオード１３１からの光と合波されてＥｒドープファイバー１３２に入力され、一定割合増幅されて出力される。そして、１／４波長板１７、１／２波長板１８を透過させた後、偏波保持シングルモードファイバー１５に入力される。１／４波長板１７、１／２波長板１８は、パルス光の偏光方向が、偏波保持シングルモードファイバー１５の複屈折軸に平行となるようにするために用いる。
【００３９】
なお、Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー１１の出力が十分に高ければ、Ｅｒドープファイバーアンプ１２は必ずしも必要ではない。
【００４０】
偏波保持シングルモードファイバー１５は、ソリトン自己周波数シフトにより、入射されたパルス光よりも長波長側に、光ソリトンパルスを生成して出力する。ソリトン自己周波数シフトは、自己位相変調と波長分散の相互作用であるソリトン効果によって、パルス光が光ソリトンパルスになっていき、この光ソリトンパルスが伝搬するのに伴い、ラマン散乱効果によって波長が長波長側にシフトしていく効果である。このとき、波長のシフト量はパルス光の強度に依存するので、ＥＯＭ１２によってパルス光の強度を変更することで、偏波保持シングルモードファイバー１５が出力する光ソリトンパルスの波長を変化させることができる。
【００４１】
このように、波長可変光源１０では、パルス光から光ソリトンパルスを生成して出力することができ、その光ソリトンパルスの波長は、ＥＯＭ１２によるパルス光の強度の変更によって変化させることができる。
【００４２】
櫛歯状分布ファイバー２０は、図２において説明したものと同様のものであり、二次分散値β２が−５のＤＳＦと二次分散値β２が−２８のＳＭＦを、長さの割合を変化させて交互に繰り返し接続した構造とすることで、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負で、その絶対値の平均値が伝搬方向に増加していく特性を有するようにしたものである。波長可変光源１０からの光ソリトンパルスは、ロングパスフィルタ１９によってＥｒドープ超短パルスレーザファイバー１１の波長よりも波長の小さな成分が除去された後、櫛歯状分布ファイバー２０に入力され、断熱ソリトンスペクトル圧縮によってスペクトル幅が狭窄化されて出力される。
【００４３】
図５は、波長可変光源１０からの光ソリトンパルスを、櫛歯状分布ファイバー２０によってスペクトル幅を狭窄化した結果を示した図である。光ソリトンパルスの波長は、１６２０ｎｍから１８４０ｎｍまでおよそ１０ｎｍの間隔で変化させた。その結果、スペクトル幅は１８．９〜２５．９％まで圧縮され、０．５４〜０．７１ｎｍとなった。このように、櫛歯状分布ファイバー２０に入力される光ソリトンパルスの波長を変化させた場合であっても、光ソリトンパルスのスペクトル幅を広い帯域にわたって圧縮できることがわかった。
【００４４】
櫛歯状分布ファイバー２０から出力されるパルス光は、光カプラ６０によって２つに分割され、一方は試料７０に照射され、他方はマッハツェンダー干渉計３０に入力される。
【００４５】
マッハツェンダー干渉計３０は、光カプラ６０からのパルス光を光カプラ３１によって２つに分割し、それをまた光カプラ３３によって合波することによって干渉光を生成して出力する。光カプラ３１によって分割された光路の一方には位相シフタ３２が設けられていて、位相シフタ３２によって光路長を調整することで干渉を生じさせる。
【００４６】
なお、マッハツェンダー干渉計３０以外にも、干渉光を生成することができる任意の干渉計を用いることが可能である。
【００４７】
試料７０を透過したパルス光はフォトダイオード４０ａに入力され、光カプラ３３から出力される干渉光はフォトダイオード４０ｂに入力され、電気信号に変換されてデジタルオシロスコープ５０に入力される。また、干渉光はスペクトルアナライザ８０にも入力される。
【００４８】
デジタルオシロスコープ５０は、試料７０を透過したパルス光、および干渉光の時間波形を取得する。
【００４９】
次に、実施例１のスペクトル計測装置の動作について説明する。
【００５０】
試料７０としてＣＨ2 Ｃｌ2 （厚さ１ｍｍ）を用い、波長可変光源１０から出力される光ソリトンパルスを、波長１６２０〜１７７５ｎｍまで掃引し、この光ソリトンパルスを櫛歯状分布ファイバー２０によって断熱ソリトンスペクトル圧縮した後、光カプラ６０によって分割して一方を試料７０に照射し、他方をマッハツェンダー干渉計３０に入射させて干渉光を生成し、試料７０を透過したパルス光、および干渉光の時間波形をデジタルオシロスコープ５０によって取得した。ここで波長可変光源１０の出力する光ソリトンパルスの波長掃引は１００ｋＨｚで行った。
【００５１】
図６は、デジタルオシロスコープ５０により測定した試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光の時間波形を示した図である。また、図７は、スペクトラムアナライザ８０によって測定した試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光のスペクトルを示した図である。
【００５２】
図７のように、波長可変光源１０のスペクトルと比較すると、試料７０の吸収スペクトルが明確に現れていることがわかる。また、図６の区間Ａの試料７０を透過した光ソリトンパルスの時間波形を見ると、図７に示した試料７０の吸収スペクトルと形状がほぼ一致していることがわかる。したがって、図６の区間Ａについて時間軸を波長軸に変換すれば、図６から試料７０のスペクトルを計測できることがわかる。ここで、時間軸と波長軸との対応関係は、波長可変光源１０での光ソリトンパルスの波長掃引幅、波長掃引速度などからわかる。また、この吸収スペクトル計測の分解能は、光ソリトンパルスのスペクトル幅であり、図５からわかるように、およそ０．５〜０．７ｎｍという非常に高い分解能で吸収スペクトルの計測を行うことができる。
【００５３】
また、図７のように、干渉光のスペクトルは、等周波数間隔で複数のピークが並んだ波形である。したがって、干渉光の波形のピーク間隔を波長間隔の基準として、吸収スペクトルの波長を校正することができ、より高精度に吸収スペクトルを計測することができる。また、図６の時間波形の区間Ａはおよそ１０μｓであるから、非常に高速にスペクトルを測定できることがわかる。
【００５４】
また、図９は、図７に示した時間波形から求めた吸収スペクトルより算出した吸光度を示した図であり、図８は、光源として波長可変光源１０の出力する光ソリトンパルスを用いた場合の吸収スペクトルをスペクトラムアナライザによって求め、その吸収スペクトルから算出した吸光度を示した図である。図８、９を比較すると、実施例１の時間波形から算出した吸光度と、直接計測したスペクトルから算出した吸光度とが、ほぼ一致していることがわかる。
【００５５】
以上のように、実施例１のスペクトル計測装置によると、高速、高精度、広帯域に試料の吸収スペクトルを計測することができる。
【００５６】
なお、実施例１では吸収スペクトル計測を行っているが、本発明は反射スペクトルなどの計則にも適用することができる。
【００５７】
また、実施例１では干渉計を用いて等間隔にピークを有するスペクトルの干渉光を生成し、これを吸収スペクトルの波長の校正に用いることで、より高精度にスペクトル計測を行っているが、必ずしも干渉光を用いた校正は必要ではない。また、ファンクションジェネレータ１４からＥＯＭ１２への印加電圧値を参照にしてスペクトルの校正を行うようにしてもよい。
【００５８】
また、実施例１では波長掃引速度を１００ｋＨｚとしたが、波長掃引速度は、ｆ＊Δλ２／Δλ１よりも小さいことが望ましい。ここで、ｆはパルス光の繰り返し周波数、Δλ１は波長掃引幅、Δλ２は櫛歯状分布ファイバー２０によって狭窄化された光ソリトンパルスのスペクトル幅である。波長掃引速度をこのような値とすることで、より高精度にスペクトル計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ＯＣＴ画像装置などに応用することができる。また、本発明は、エンジンの燃焼室内の気体の、時間的な成分変化などの計測に応用することができ、燃焼効率の向上などを図ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０：波長可変光源
１１：Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー
１２：ＥＯＭ
１３：Ｅｒドープファイバーアンプ
１５：偏波保持シングルモードファイバー
２０：櫛歯状分布ファイバー
３０：マッハツェンダー干渉計
４０ａ、ｂ：フォトダイオード
５０：デジタルオシロスコープ
６０：光カプラ
７０：試料
８０：スペクトルアナライザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速、高精度、広帯域に測定を行うことができるスペクトル計測装置およびスペクトル計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域に波長を変化させることができる光源として、短パルス光源と、光強度調整器と、光ファイバとを有した波長可変光源がある（特許文献１）。この特許文献１に記載の波長可変光源は、短パルス光源からのパルス光を光ファイバに入射させ、自己位相変調と波長分散との釣り合いによって光ソリトンパルスを発生させ、光ソリトンパルスの自己周波数シフト効果によって波長を長波長側にシフトさせるものであり、光ファイバに入射させるパルス光の強度を光強度調整器によって調整することにより、波長シフト量を調整して、所望の中心波長のソリトンパルスを発生させるものである。
【０００３】
また、光ソリトンパルスのパルス幅を圧縮する方法として、断熱ソリトン圧縮と呼ばれる方法が知られている（たとえば特許文献２）。これは、伝搬方向に分散値が減少するような光ファイバ中に光ソリトンパルスを伝搬させることでパルス幅を低減させる方法である。このような光ファイバを実現する方法として、分散値の異なる複数の光ファイバを多段に接続する方法や、２種類の分散値の異なる光ファイバを、長さを変えて交互に繰り返し接続する方法がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１０５３９４
【特許文献２】特開２００４−１１７５９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
吸光分光計測は、膜厚測定、プラズマモニター、濃度・成分測定などに重要な基本的計測技術である。これまで、吸光分光計測では、主に広帯域な光源と、分光器とを用いていた。また、波長可変光源と受光器を用いた計測も行われている。
【０００６】
しかし、従来の吸光分光計測では、広帯域光源の単位スペクトル当たりの輝度が低く、感度が悪いため、測定に積算のための時間がかかった。また、高速・高感度な分光器も存在しなかった。さらに、分光器を用いると、測定波長範囲と分解能はトレードオフの関係にあるため、広い測定波長帯域と高い分解能とを両立させることはできなかった。また、波長可変光源と受光器を用いた計測では、高速・広帯域に波長を可変できる光源がなく、そのため高速な分光計測を行うことが困難であった。また、特許文献１の波長可変光源が分光計測装置に応用された例は今までなかった。
【０００７】
そこで本発明の目的は、高速、高精度、広帯域に測定を行うことができるスペクトル計測装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測装置において、パルス光を出力するパルス光源と、パルス光源の出力するパルス光の強度を変更する光強度調整器と、光強度調整器により強度が変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、パルス光の強度に応じて変更する波長可変光ファイバーと、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備え、波長可変光ファイバーから出力された光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力する光ファイバーと、光導波路手段から出力された光ソリトンパルスを試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定する受光手段と、を有し、受光手段により測定した透過光または反射光の光強度の時間変化と、波長可変光ファイバーによる光ソリトンパルスの波長変化との関係から、透過光または反射光のスペクトルを測定する、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明において、光強度調整器は、電気光学変調器であることを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明から第２の発明において、光ファイバーは、二次分散値β２の異なる光ファイバーを複数本接続させた構成である、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１１】
第４の発明は、第３の発明において、光ファイバーは、二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続することで、二次分散値β２の絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えるよう構成したことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１２】
第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、光ファイバーから出力される光ソリトンパルスの一部を入射させ、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を出力する干渉計をさらに有し、受光手段は、干渉光を受光して干渉光の光強度を測定する手段をさらに有し、干渉光のスペクトルによって、透過光または反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１３】
第６の発明は、第５の発明において、干渉計は、マッハツェンダー干渉計であることを特徴とするスペクトル計測装置である。
【００１４】
第７の発明は、試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測方法において、パルス光を発生させてパルス光の強度を変更し、その強度変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、パルス光の強度に応じて変更し、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えた媒質に光ソリトンパルスを入射させて、光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力させ、光ソリトンパルスを試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定し、透過光または反射光の光強度の時間変化と、光ソリトンパルスの波長変化との関係から、透過光または反射光のスペクトルを測定する、ことを特徴とするスペクトル計測方法である。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明において、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスの一部から、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を生成し、干渉光のスペクトルにより、透過光または反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とするスペクトル計測方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のスペクトル計測装置によると、高速、高精度、広帯域にスペクトル計測を行うことができる。特に第５、６の発明によると、より高精度にスペクトル計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１のスペクトル計測装置の構成を示した図。
【図２】櫛歯状分布ファイバーの構成を示した図。
【図３】櫛歯状分布ファイバーの長さ方向における二次分散値β２の変化を示した図。
【図４】櫛歯状分布ファイバーによるスペクトル幅の狭窄効果を示した図。
【図５】波長可変光源１０からの光ソリトンパルスを櫛歯状分布ファイバー２０によってスペクトル幅を狭窄化した結果を示した図。
【図６】試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光の時間波形を示した図。
【図７】試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光のスペクトルを示した図。
【図８】スペクトルから算出した吸光度を示した図。
【図９】時間波形から算出した吸光度を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明のスペクトル計測装置に利用するスペクトル幅狭窄方法の原理について説明する。
【００１９】
スペクトル幅狭窄方法は、ある分散特性を有した光ファイバーに光ソリトンパルスを入射させて断熱ソリトンスペクトル圧縮することにより、スペクトル幅が狭窄されたパルス光を得るものである。
【００２０】
ある分散特性を有した光ファイバーとは、二次分散値β２が負であって、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向（光ファイバーの長さ方向）に二次分散値β２の絶対値が増加する伝搬特性を有した光ファイバーである。
【００２１】
ここで、光ソリトンパルスは、Ｎ2 ＝（γＰ0 Ｔ2 FWHM）／（３．１１｜β2 ｜）と表わすことができる。Ｎはソリトン次数、γは非線形係数、Ｐ0 はピークパワー、ＴFWHMは時間半値全幅、β2 は二次分散値である。
【００２２】
この式の右辺の分子は、パルス光の自己位相変調を示し、右辺の分母は波長分散を示している。上記分散特性を有した光ファイバーに光ソリトンパルスを入射させると、自己位相変調によるパルス圧縮と波長分散によるパルス広がりとの釣り合いによって、入力されたパルス波は時間波形を保ったまま伝搬してソリトン波形を保とうとする。このため、ソリトン次数が０．５〜１．５のパルス波を光ファイバーに導入した場合には、Ｎ2 が１に収斂していく。光ファイバーの二次分散値β２の絶対値は、光ソリトンパルスの伝搬方向に増加していくため、入力された光ソリトンパルスはソリトンパルスの特性を保つために時間半値全幅ＴFWHMが増加していき、その結果としてスペクトル幅が狭窄化される。
【００２３】
このように、本発明において利用するスペクトル狭窄方法では、入射させる光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均が負であって、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向に二次分散値β２の絶対値の平均が増加する伝搬特性を有した光ファイバーに、光ソリトンパルスを伝搬させることにより、パルス光のスペクトル幅を狭窄化することができる。
【００２４】
また、本発明において利用するスペクトル狭窄方法は、パルス波がソリトン波形を保とうとする作用を用いてスペクトル幅を狭窄化するものであるため、出力されるパルス波はきれいな孤立波となる。このため、出力されるパルス波は、ノイズとなる台座成分（ペデスタル成分）が小さい理想的な波形に近いものを得ることができる。
【００２５】
光ファイバーは、コア部とクラッド部の材質や直径などによって、様々な分散特性を付与することができる。そのため、入射させる光ソリトンパルスに対する二次分散値β２が負であり、かつ、入射させる光ソリトンパルスの伝搬方向に二次分散値β２の絶対値が増加する伝搬特性を有した光ファイバーを作製することは不可能ではない。しかし、分散特性を連続的に変化させることは困難であるため、１本の光ファイバーで所望の分散特性を実現するのではなく、二次分散値β２の異なる複数の光ファイバーを接続することにより、光ファイバー全体として、二次分散値β２の平均値が負で、二次分散値β２の絶対値の平均値が増加する伝搬特性とすることで、所望の伝搬特性を得ることができる。このようにすることで、本発明において利用するスペクトル狭窄方法に用いる光ファイバーを容易に実現することができる。
【００２６】
なお、光ファイバーの二次分散値β２を所定の値に設計する具体的方法としては、ガラス材料への添加物と添加濃度の調整による屈折率の大きさの調整、断面での屈折率分布の調整、微細構造を用いた断面構造の制御などが考えられ、たとえば、コア径が大きな光ファイバーほど、二次分散値β２の絶対値を大きくすることができる。
【００２７】
特に櫛歯状分布ファイバー（ＣＰＦ）を用いることで、本発明において利用するスペクトル狭窄方法に用いる光ファイバーをより容易に実現することができる。櫛歯状分布ファイバーは、二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続した構造であり、これにより二次分散値β２の平均値が負で、二次分散値β２の絶対値の平均値が増加する伝搬特性とするものである。
【００２８】
図２に櫛歯状分布ファイバーの構成の一例を示す。図２の櫛歯状分布ファイバーは、入射させるパルス光に対して二次分散値β２が−５である分散シフトファイバー（ＤＳＦ）１と、二次分散値β２が−２８であるシングルモードファイバー（ＳＭＦ）２が交互に繰り返し接続された構造である。ＤＳＦ１とＳＭＦ２の長さの割合は、パルス光入力端側ではＳＭＦ２よりもＤＳＦ１の方が割合が大きくなっているが、パルス光出力側に向かうにつれてＤＳＦ１の長さの割合は徐々に小さくなり、ＳＭＦ２の長さの割合は徐々に大きくなっている。そして、パルス光出力端側では、ＤＳＦ１よりもＳＭＦ２の方が長さの割合が大きくなっている。その結果、図３に示すように、櫛歯状分布ファイバー全体としてみた場合には、二次分散値β２の平均値が負であり、かつ、伝搬方向に二次分散値β２の平均値が−５から−２８に徐々に減少する（すなわち、二次分散値β２の絶対値の平均値が徐々に増加する）伝搬特性を実現することができている。
【００２９】
図４は、図２に示した櫛歯状分布ファイバーによるスペクトル幅の狭窄効果を示した図である。図４のように、パルス幅２００ｆｓで中心波長１６２０ｎｍ、スペクトル幅１２．３ｎｍの光ソリトンパルスが、櫛歯状分布ファイバーを伝搬してスペクトル幅が狭窄化されて、スペクトル幅０．７２ｎｍの光ソリトンパルスとなった。また、狭窄化された光ソリトンパルスの台座成分の大きさは、スペクトルのピークから−１８ｄＢであった。
【００３０】
このように、図２に示した櫛歯状分布ファイバーによると、スペクトル幅の大幅な狭窄化を図ることができ、ノイズ成分の少ないスペクトル幅の狭窄化を実現することができた。
【００３１】
なお、上記スペクトル幅狭窄方法に用いる光ファイバーでは、非線形係数の分布自体にはそれほど大きな意味はなく、通常の範囲内であれば問題はない。
【００３２】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３３】
図１は、実施例１のスペクトル計測装置の構成について示した図である。実施例１のスペクトル計測装置は、光ソリトンパルスを出力し、その波長が可変である波長可変光源１０と、波長可変光源１０からの光ソリトンパルスのスペクトル幅を狭窄化する櫛歯状分布ファイバー２０と、マッハツェンダー干渉計３０と、フォトダイオード４０ａ、ｂと、デジタルオシロスコープ５０と、を有している。
【００３４】
波長可変光源１０は、Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１と、ＥＯＭ（電気光学変調器）１２と、Ｅｒドープファイバーアンプ１３と、ファンクションジェネレータ１４と、偏波保持シングルモードファイバー（ＰＭ−ＳＭＦ）１５と、を有している。以下、波長可変光源１０の詳細な構成について説明する。
【００３５】
Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１は、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅２００ｆｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚのパルス光を出力する。Ｅｒドープ超短パルスファイバーレーザー１１以外にも、パルス間隔がフェムト秒オーダーからマイクロ秒オーダーの任意のパルス光源を用いることができる。
【００３６】
ＥＯＭ１２は、電気光学結晶を有し、ファンクションジェネレータ１４によって電気光学結晶に印加される電圧が制御されることで、透過率が変化する。この電気光学結晶中に光を伝搬させることで、光の強度を変化させることができる。波長可変光源１０では、Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー１１からのパルス光を１／２波長板１６を介してＥＯＭ１２の電気光学結晶に入射させて伝搬させることで、パルス光の強度を変化させる。
【００３７】
なお、ＥＯＭ１２以外にもパルス光の強度を変化させることができる装置であれば任意のものを用いることができる。たとえば、音響光学素子を用いた光変調素子などを用いてもよい。
【００３８】
Ｅｒドープファイバーアンプ１３は、レーザーダイオード１３１と、Ｅｒドープファイバー１３２と、光アイソレータ１３３と、を有している。レーザーダイオード１３１は、波長１４８０ｎｍの励起光用光源である。ＥＯＭ１２から出力された光は、レーザーダイオード１３１からの光と合波されてＥｒドープファイバー１３２に入力され、一定割合増幅されて出力される。そして、１／４波長板１７、１／２波長板１８を透過させた後、偏波保持シングルモードファイバー１５に入力される。１／４波長板１７、１／２波長板１８は、パルス光の偏光方向が、偏波保持シングルモードファイバー１５の複屈折軸に平行となるようにするために用いる。
【００３９】
なお、Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー１１の出力が十分に高ければ、Ｅｒドープファイバーアンプ１２は必ずしも必要ではない。
【００４０】
偏波保持シングルモードファイバー１５は、ソリトン自己周波数シフトにより、入射されたパルス光よりも長波長側に、光ソリトンパルスを生成して出力する。ソリトン自己周波数シフトは、自己位相変調と波長分散の相互作用であるソリトン効果によって、パルス光が光ソリトンパルスになっていき、この光ソリトンパルスが伝搬するのに伴い、ラマン散乱効果によって波長が長波長側にシフトしていく効果である。このとき、波長のシフト量はパルス光の強度に依存するので、ＥＯＭ１２によってパルス光の強度を変更することで、偏波保持シングルモードファイバー１５が出力する光ソリトンパルスの波長を変化させることができる。
【００４１】
このように、波長可変光源１０では、パルス光から光ソリトンパルスを生成して出力することができ、その光ソリトンパルスの波長は、ＥＯＭ１２によるパルス光の強度の変更によって変化させることができる。
【００４２】
櫛歯状分布ファイバー２０は、図２において説明したものと同様のものであり、二次分散値β２が−５のＤＳＦと二次分散値β２が−２８のＳＭＦを、長さの割合を変化させて交互に繰り返し接続した構造とすることで、光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負で、その絶対値の平均値が伝搬方向に増加していく特性を有するようにしたものである。波長可変光源１０からの光ソリトンパルスは、ロングパスフィルタ１９によってＥｒドープ超短パルスレーザファイバー１１の波長よりも波長の小さな成分が除去された後、櫛歯状分布ファイバー２０に入力され、断熱ソリトンスペクトル圧縮によってスペクトル幅が狭窄化されて出力される。
【００４３】
図５は、波長可変光源１０からの光ソリトンパルスを、櫛歯状分布ファイバー２０によってスペクトル幅を狭窄化した結果を示した図である。光ソリトンパルスの波長は、１６２０ｎｍから１８４０ｎｍまでおよそ１０ｎｍの間隔で変化させた。その結果、スペクトル幅は１８．９〜２５．９％まで圧縮され、０．５４〜０．７１ｎｍとなった。このように、櫛歯状分布ファイバー２０に入力される光ソリトンパルスの波長を変化させた場合であっても、光ソリトンパルスのスペクトル幅を広い帯域にわたって圧縮できることがわかった。
【００４４】
櫛歯状分布ファイバー２０から出力されるパルス光は、光カプラ６０によって２つに分割され、一方は試料７０に照射され、他方はマッハツェンダー干渉計３０に入力される。
【００４５】
マッハツェンダー干渉計３０は、光カプラ６０からのパルス光を光カプラ３１によって２つに分割し、それをまた光カプラ３３によって合波することによって干渉光を生成して出力する。光カプラ３１によって分割された光路の一方には位相シフタ３２が設けられていて、位相シフタ３２によって光路長を調整することで干渉を生じさせる。
【００４６】
なお、マッハツェンダー干渉計３０以外にも、干渉光を生成することができる任意の干渉計を用いることが可能である。
【００４７】
試料７０を透過したパルス光はフォトダイオード４０ａに入力され、光カプラ３３から出力される干渉光はフォトダイオード４０ｂに入力され、電気信号に変換されてデジタルオシロスコープ５０に入力される。また、干渉光はスペクトルアナライザ８０にも入力される。
【００４８】
デジタルオシロスコープ５０は、試料７０を透過したパルス光、および干渉光の時間波形を取得する。
【００４９】
次に、実施例１のスペクトル計測装置の動作について説明する。
【００５０】
試料７０としてＣＨ2 Ｃｌ2 （厚さ１ｍｍ）を用い、波長可変光源１０から出力される光ソリトンパルスを、波長１６２０〜１７７５ｎｍまで掃引し、この光ソリトンパルスを櫛歯状分布ファイバー２０によって断熱ソリトンスペクトル圧縮した後、光カプラ６０によって分割して一方を試料７０に照射し、他方をマッハツェンダー干渉計３０に入射させて干渉光を生成し、試料７０を透過したパルス光、および干渉光の時間波形をデジタルオシロスコープ５０によって取得した。ここで波長可変光源１０の出力する光ソリトンパルスの波長掃引は１００ｋＨｚで行った。
【００５１】
図６は、デジタルオシロスコープ５０により測定した試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光の時間波形を示した図である。また、図７は、スペクトラムアナライザ８０によって測定した試料７０を透過した光ソリトンパルスと干渉光のスペクトルを示した図である。
【００５２】
図７のように、波長可変光源１０のスペクトルと比較すると、試料７０の吸収スペクトルが明確に現れていることがわかる。また、図６の区間Ａの試料７０を透過した光ソリトンパルスの時間波形を見ると、図７に示した試料７０の吸収スペクトルと形状がほぼ一致していることがわかる。したがって、図６の区間Ａについて時間軸を波長軸に変換すれば、図６から試料７０のスペクトルを計測できることがわかる。ここで、時間軸と波長軸との対応関係は、波長可変光源１０での光ソリトンパルスの波長掃引幅、波長掃引速度などからわかる。また、この吸収スペクトル計測の分解能は、光ソリトンパルスのスペクトル幅であり、図５からわかるように、およそ０．５〜０．７ｎｍという非常に高い分解能で吸収スペクトルの計測を行うことができる。
【００５３】
また、図７のように、干渉光のスペクトルは、等周波数間隔で複数のピークが並んだ波形である。したがって、干渉光の波形のピーク間隔を波長間隔の基準として、吸収スペクトルの波長を校正することができ、より高精度に吸収スペクトルを計測することができる。また、図６の時間波形の区間Ａはおよそ１０μｓであるから、非常に高速にスペクトルを測定できることがわかる。
【００５４】
また、図９は、図７に示した時間波形から求めた吸収スペクトルより算出した吸光度を示した図であり、図８は、光源として波長可変光源１０の出力する光ソリトンパルスを用いた場合の吸収スペクトルをスペクトラムアナライザによって求め、その吸収スペクトルから算出した吸光度を示した図である。図８、９を比較すると、実施例１の時間波形から算出した吸光度と、直接計測したスペクトルから算出した吸光度とが、ほぼ一致していることがわかる。
【００５５】
以上のように、実施例１のスペクトル計測装置によると、高速、高精度、広帯域に試料の吸収スペクトルを計測することができる。
【００５６】
なお、実施例１では吸収スペクトル計測を行っているが、本発明は反射スペクトルなどの計則にも適用することができる。
【００５７】
また、実施例１では干渉計を用いて等間隔にピークを有するスペクトルの干渉光を生成し、これを吸収スペクトルの波長の校正に用いることで、より高精度にスペクトル計測を行っているが、必ずしも干渉光を用いた校正は必要ではない。また、ファンクションジェネレータ１４からＥＯＭ１２への印加電圧値を参照にしてスペクトルの校正を行うようにしてもよい。
【００５８】
また、実施例１では波長掃引速度を１００ｋＨｚとしたが、波長掃引速度は、ｆ＊Δλ２／Δλ１よりも小さいことが望ましい。ここで、ｆはパルス光の繰り返し周波数、Δλ１は波長掃引幅、Δλ２は櫛歯状分布ファイバー２０によって狭窄化された光ソリトンパルスのスペクトル幅である。波長掃引速度をこのような値とすることで、より高精度にスペクトル計測を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明は、ＯＣＴ画像装置などに応用することができる。また、本発明は、エンジンの燃焼室内の気体の、時間的な成分変化などの計測に応用することができ、燃焼効率の向上などを図ることができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０：波長可変光源
１１：Ｅｒドープ超短パルスレーザファイバー
１２：ＥＯＭ
１３：Ｅｒドープファイバーアンプ
１５：偏波保持シングルモードファイバー
２０：櫛歯状分布ファイバー
３０：マッハツェンダー干渉計
４０ａ、ｂ：フォトダイオード
５０：デジタルオシロスコープ
６０：光カプラ
７０：試料
８０：スペクトルアナライザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測装置において、
パルス光を出力するパルス光源と、
前記パルス光源の出力する前記パルス光の強度を変更する光強度調整器と、
前記光強度調整器により強度が変更された前記パルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、前記パルス光の強度に応じて変更する波長可変光ファイバーと、
前記光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備え、前記波長可変光ファイバーから出力された前記光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄されたパルス光を出力する光ファイバーと、
前記光導波路手段から出力されたパルス光を前記試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定する受光手段と、
を有し、
前記受光手段により測定した前記透過光または前記反射光の光強度の時間変化と、前記波長可変光ファイバーによる前記パルス光の波長変化との関係から、前記透過光または前記反射光のスペクトルを測定する、
ことを特徴とするスペクトル計測装置。
【請求項２】
前記光強度調整器は、電気光学変調器であることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル計測装置。
【請求項３】
前記光ファイバーは、前記二次分散値β２の異なる光ファイバーを複数本接続させた構成である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスペクトル計測装置。
【請求項４】
前記光ファイバーは、前記二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続することで、前記二次分散値β２の絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えるよう構成したことを特徴とする請求項３に記載のスペクトル計測装置。
【請求項５】
前記光ファイバーから出力される光ソリトンパルスの一部を入射させ、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を出力する干渉計をさらに有し、
前記受光手段は、前記干渉光を受光して前記干渉光の光強度を測定する手段をさらに有し、
前記干渉光のスペクトルによって、前記透過光または前記反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスペクトル計測装置。
【請求項６】
前記干渉計は、マッハツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項５に記載のスペクトル計測装置。
【請求項７】
試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測方法において、
パルス光を発生させてパルス光の強度を変更し、
その強度変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、前記パルス光の強度に応じて変更し、
前記光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えた媒質に前記光ソリトンパルスを入射させて、前記光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力させ、
スペクトル幅が狭窄された前記光ソリトンパルスを前記試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定し、前記透過光または前記反射光の光強度の時間変化と、前記光ソリトンパルスの波長変化との関係から、前記透過光または前記反射光のスペクトルを測定する、
ことを特徴とするスペクトル計測方法。
【請求項８】
スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスの一部から、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を生成し、
前記干渉光のスペクトルにより、前記透過光または前記反射光のスペクトルを校正する、
ことを特徴とする請求項７に記載のスペクトル計測方法。
【請求項１】
試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測装置において、
パルス光を出力するパルス光源と、
前記パルス光源の出力する前記パルス光の強度を変更する光強度調整器と、
前記光強度調整器により強度が変更された前記パルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、前記パルス光の強度に応じて変更する波長可変光ファイバーと、
前記光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備え、前記波長可変光ファイバーから出力された前記光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄されたパルス光を出力する光ファイバーと、
前記光導波路手段から出力されたパルス光を前記試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定する受光手段と、
を有し、
前記受光手段により測定した前記透過光または前記反射光の光強度の時間変化と、前記波長可変光ファイバーによる前記パルス光の波長変化との関係から、前記透過光または前記反射光のスペクトルを測定する、
ことを特徴とするスペクトル計測装置。
【請求項２】
前記光強度調整器は、電気光学変調器であることを特徴とする請求項１に記載のスペクトル計測装置。
【請求項３】
前記光ファイバーは、前記二次分散値β２の異なる光ファイバーを複数本接続させた構成である、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスペクトル計測装置。
【請求項４】
前記光ファイバーは、前記二次分散値β２の互いに異なる２つの光ファイバーを、長さの割合を変えて交互に繰り返し接続することで、前記二次分散値β２の絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えるよう構成したことを特徴とする請求項３に記載のスペクトル計測装置。
【請求項５】
前記光ファイバーから出力される光ソリトンパルスの一部を入射させ、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を出力する干渉計をさらに有し、
前記受光手段は、前記干渉光を受光して前記干渉光の光強度を測定する手段をさらに有し、
前記干渉光のスペクトルによって、前記透過光または前記反射光のスペクトルを校正する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のスペクトル計測装置。
【請求項６】
前記干渉計は、マッハツェンダー干渉計であることを特徴とする請求項５に記載のスペクトル計測装置。
【請求項７】
試料を透過した透過光または試料により反射された反射光のスペクトルを計測するスペクトル計測方法において、
パルス光を発生させてパルス光の強度を変更し、
その強度変更されたパルス光から光ソリトンパルスを生成すると共に、その光ソリトンパルスの波長を、前記パルス光の強度に応じて変更し、
前記光ソリトンパルスに対する二次分散値β２の平均値が負であり、その絶対値が前記光ソリトンパルスの伝搬方向に増加する分散特性を備えた媒質に前記光ソリトンパルスを入射させて、前記光ソリトンパルスに光ソリトン効果を生じさせて、スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスを出力させ、
スペクトル幅が狭窄された前記光ソリトンパルスを前記試料に照射し、その透過光または反射光を受光して光強度を測定し、前記透過光または前記反射光の光強度の時間変化と、前記光ソリトンパルスの波長変化との関係から、前記透過光または前記反射光のスペクトルを測定する、
ことを特徴とするスペクトル計測方法。
【請求項８】
スペクトル幅が狭窄された光ソリトンパルスの一部から、等周波数間隔の複数のピークを有したスペクトルの干渉光を生成し、
前記干渉光のスペクトルにより、前記透過光または前記反射光のスペクトルを校正する、
ことを特徴とする請求項７に記載のスペクトル計測方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３００５０（Ｐ２０１２−２３００５０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９９４４５（Ｐ２０１１−９９４４５）
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第５８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（主催者：社団法人応用物理学会、開催日：平成２３年３月２４日〜２７日、発行日：平成２３年３月９日）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２７日（２０１１．４．２７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 第５８回応用物理学関係連合講演会講演予稿集（主催者：社団法人応用物理学会、開催日：平成２３年３月２４日〜２７日、発行日：平成２３年３月９日）
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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