リアルタイム遠隔化学物質検出のためのパラメトリック広帯域光を用いるシステム
光源（１０２）がパラメトリック装置（１０６）をポンピングするために用いられるポンピング波（１０４）を発生する。パラメトリック装置（１０６）は縮退点またはその近傍に構成されて、広帯域出力（１０８）を発生する。広帯域出力（１０８）は化学剤（１１２）があるかもしれない遠隔地（１１０）に向けられる。広帯域出力（１０８）は遠隔地（１１０）を通して送波するかまたは遠隔地（１１０）から散乱させることができ、遠隔地（１１０）にある化学剤（１１２）は広帯域出力（１０８）の部分領域を吸収することができる。広帯域出力（１０８）を集光して、分散させて（１１４）、検出器アレイによって検出されるチャネルまたはサブバンドをつくることができる。検出器アレイはサブバンドの強度を多重化して、吸収スペクトルをつくることができる。吸収スペクトルは既知の化学剤のライブラリと比較することができ、遠隔地における化学剤の存在をリアルタイムまたはほぼリアルタイムに判定することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリアルタイム化学物質検出システムに関し、特に、パラメトリック広帯域光を用いるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物は、用いられるエネルギーのタイプで大別されるスペクトル解析法によって同定することができる。そのような解析法は、光子が用いられる場合には「光分光法」、電子が用いられる場合には「電子分光法」または「オージェ分光法」、イオンが用いられる場合には「質量分光法」と呼ばれることもある。スペクトル解析法すなわち分光技術で一般に必要とされるのは、エネルギー源と、エネルギーが試料または化合物と相互作用した後にソースエネルギーの変化を測定するための装置、である。光分光法は、光源で発生する光のタイプによって、赤外または「ＩＲ」分光法と、「可視」分光法と、紫外または「ＵＶ」分光法とに分類できる。光分光法の場合、エネルギー源としてレーザ及びアーク灯が広く用いられ、測定装置として分光計及び干渉計が用いられることが多い。
【０００３】
用いられるエネルギー源のタイプにより、光分光法はさらに受動型及び能動型に分類することもできる。受動型光分光法は輻射源として材料の固有熱輻射を用い、能動型光分光法は光源を用いて注目する領域を照明する。能動型分光技術は、気体、液体または固体を含むターゲットまたは領域から反射または散乱された光、あるいはそのようなターゲットまたは領域を透過した光を検出及び測定することができる。これらの技術には、一般にターゲットまたは試料に入射する光とターゲットまたは試料を透過したかターゲットまたは試料から散乱または反射された光の間のパーセント差を検出する、様々な「吸収」技法が含まれる。
【０００４】
吸収分光法の場合、光源からの光子束の形態のエネルギーが、試料、領域またはターゲットに向けられ、試料、領域またはターゲットに入射する。試料、領域またはターゲット内の分子は特定の周波数において光を吸収することができ、別の分子はいくつかの周波数において別の周波数におけるより容易にエネルギーを吸収することができる。どの分子内の原子または原子団（すなわち「官能基」の間の結合）も、特性的な、伸縮、曲げ及び捻りの共鳴周波数を有することができる。いずれの化学物質も、そのような共鳴周波数ではエネルギーを吸収するが、他の非共鳴周波数ではエネルギーを吸収しない傾向がある。化学物質に入射して化学物質から反射されるかまたは化学物質を透過する、光源からの光は、この特定化学物質に特徴的な吸収スペクトルすなわち「化学的指紋」を有するであろう。異なる化学物質は異なる吸収スペクトルを有し、例えば山と谷などの特徴的な特性が、遠紫外（ＦＵＶ）から可視領域を通って遠赤外すなわち長波赤外（ＬＷＩＲ）まで存在することもある。多くの化学吸収スペクトルが知られており、そのような吸収スペクトルは多くの化学文献に見ることができる。
【０００５】
遠隔地にある化学物質を検出するために吸収分光技術を使うことができる。大気にいくつかの光透過帯すなわち「窓」があるからである。これらの窓が存在するのは、大気の気体分子がそれぞれ自己の吸収スペクトルを有し、いくつかの波長及び周波数では光を吸収するが、他の波長及び周波数では光を吸収しないからである。したがって、ある光波長は吸収分光法に適していないが、別のある波長はそのような用途に十分に適する。例えば、赤外（ＩＲ）透過窓は３μｍから５μｍの間及び８μｍから１２μｍの間の波長範囲に存在し、他にも存在する。
【０００６】
これまで能動型光分光法は、離れたところで化学剤を検出するために用いられてきた。しかし、これらの技術は波長スペクトルにわたる光源の同調を利用していた。遠隔地にある化学物質の同定に用いられていた能動型光分光システムは一般に、ある波長範囲にかけてのレーザ源、例えば波長可変ダイオードレーザ（ＴＤＬ）、の同調及びそれぞれの同調波長に対する吸収の検出によって、そうしていた。そのような同調の導入は化学物質同定プロセスを遅くする。注目するスペクトル範囲にわたる所要の同調には時間がかかり、複雑性、大きさ及び費用を増大させる装置の追加を要する。
【０００７】
受動型光分光法も離れたところから化学物質を検出するために用いられてきた。これらの技術は、熱的に放射される輻射または散乱光及び拡散光の検出に必要な時間のため、能動型システムより遅い。さらに、そのようなシステムには照射源がないため、一貫性に欠ける不確実な光検出がおこり、長時間にわたる検出がさらに必要である。米国空軍で用いられている統合軍軽量遠距離化学兵器検出器（ＪＳＬＳＣＡＤ）はそのような受動型光分光システムの一例である。さらに、統合軍軽量遠距離化学兵器検出器のような受動型システムは検出される熱輻射の低い信号対雑音比（Ｓ/Ｎ）及び受動型システムの検出器内の暗電流雑音により偽警報率が高くなり易い。
【０００８】
例えば、その波長範囲では十分な光量レベルで光を発生するレーザ発光媒質または活性媒質がないため、レーザ源が利用できないいくつかの波長範囲において光を発生するために非線形光学系が用いられている。非線形光学技法には、非線形結晶内での３つの光波または電場の混合を伴うパラメトリック光発生がある。３つの光波のうちの２つが同じかまたはほとんど同じエネルギーまたは周波数（したがって波長）を有するときに縮退点が生じる。縮退点によりパラメトリック発振器を同調しようとする試みに関する情報は、特許文献１，特許文献２及び特許文献３に見ることができる。１９８２年９月１４日に公告された、名称を「波長可変範囲の広いピコ秒ＩＲ源（Broadly Tunable Picosecond IR Source）」とする特許文献１は、赤外領域においてスペクトル帯域及び波長を制御できるピコ秒進行波パラメトリック装置を開示している。このシステムの出力は本質的に広帯域ではなく、赤外波長範囲においてのみ同調可能である。そのような範囲にわたる同調は遅く、リアルタイム分光法または準リアルタイム分光法には適していない。
【０００９】
２００２年１１月２８日に公開された、名称を「縮退による非線形周波数混合装置を同調するための方法（Method for Tuning Nonlinear Frequency Mixing Devices Through Degeneracy）」とする特許文献２及び、関連する、２００２年１１月２８日に公開された、名称を「縮退近傍におけるパラメトリック光発振を用いる波長可変光源（Tunable Light Source Employing Optical Parametric Oscillation Near Degeneracy）」とする特許文献３は、広い同調範囲をもつ出力を達成するための縮退点による光パラメトリック装置の同調を開示している。上で引用した特許文献１と同様に、その真の性質により同調にはある時間がかかり、したがって同調を行わない場合より本質的に遅くなる。したがって、開示される技術はリアルタイム分光法または準リアルタイム分光法に適していない。また、同調装置は本質的に複雑であり、同調装置が用いられるシステムの大きさ及び費用を増大させる。
【特許文献１】米国特許第４３４９９０７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２/０１７６４５４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２/０１７６４７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、必要とされているのは、比較的簡素で安価なリアルタイムまたは準リアルタイム化学物質検出システムである。さらに必要とされているのは、出力範囲にわたる同調の必要がない、遠隔地にある化学兵器及び生物兵器を含む化学剤を定性的に検出できる、そのようなシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
簡潔かつ概略的にいえば、本発明は遠隔地におけるいくつかの化学物質の存在を判定するための１つまたはそれより多くの広スペクトル幅パルスすなわち、「閃光」を含むことができる広帯域出力を発生する、システム及び方法を含む。特定の化学物質の存在を定性的に判定することができる。広帯域出力は、紫外範囲、可視範囲及び赤外範囲の波長を含むことができる。
【００１２】
閃光分光法による遠距離化学物質検出システムは光源及びパラメトリック装置を備え、パラメトリック装置はその縮退点においてポンピング波を受信するように構成されている。パラメトリック装置は光源からポンピング波を受信して広帯域出力を生じる。広帯域出力は、化学剤が存在するかも知れない遠隔地に送波される。遠隔地から広帯域出力を受信して吸収スペクトルをつくるように動作できる分光計を備えることができる。
【００１３】
広帯域出力はアイドラー波及び信号波を含むことができ、アイドラー波はいくつかの実施形態において実質的に信号波に等しい。いくつかの実施形態において、広帯域出力は半値全幅値が広帯域出力の中心波長の約５％から約２５％である帯域幅または線幅を有することができる。広帯域出力は半値全幅値が２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。いくつかの実施形態では、広帯域出力は半値全幅値が３００波数/ｃｍ（３００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。ポンピング波はアイドラー波長または信号波長の約１/２に等しい波長を有することができる。いくつかの実施形態において、アイドラー波及び信号波の内の１つの中心波長は約８μｍから約１２μｍの間とすることができる。
【００１４】
遠距離化学物質検出方法は、縮退点に構成されたパラメトリック装置にポンピング波を供給する工程及び広帯域出力を発生させる工程を含む。広帯域出力は化学剤があるかもしれない遠隔地に向けることができる。広帯域出力は遠隔地から検出することができ、化学剤の化学吸収スペクトルをつくることができる。
【００１５】
広帯域出力の検出はさらに、広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる工程を含むことができる。２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出し、多重化して、吸収スペクトルを形成することができる。吸収スペクトルは１つまたはそれより多くの既知の化学物質または化学剤の吸収スペクトルと比較することができる。
【００１６】
閃光分光法による化学物質検出システムは、ポンピング波を発生する手段及びポンピング波を縮退増幅して広帯域出力を発生させる手段を備える。システムは、広帯域出力を遠隔地に向ける手段ならびに遠隔地から広帯域出力を検出する手段を備えることができる。化学剤を同定する手段も備えられる。
【００１７】
化学剤を同定する手段はさらに、化学吸収スペクトルをつくる手段及び／または広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる手段を含むことができる。化学剤を同定する手段は２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する手段を含むことができる。化学剤を同定する手段はさらに、２つまたはそれより多くのサブバンドの強度を多重化して吸収スペクトルをつくる手段を含むことができる。化学剤を同定する手段は吸収スペクトルを既知の化学吸収スペクトルと比較するかまたは相関させる手段を含むことができる。いくつかの実施形態では、広帯域出力は半値全幅値が２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。
【００１８】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付される特許請求の範囲及び添付図面によってさらに深く理解されることになろう。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、代りに、本発明の原理を示す場合は強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、添付図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明によって理解することができる。以下の詳細の説明は例示に過ぎず、本発明の範囲の限定を意味するものではない。
【００２０】
本発明は、化学剤を検出するために遠隔地に向けることができる、例えば赤外領域における、広帯域出力を発生するシステム及び方法に関する。広帯域出力の広い帯域幅により、１つまたはそれより多くの化学剤の存在を示す吸収スペクトルを、光源を同調する必要なしにほぼリアルタイムにつくることができる。この結果、化学兵器及び生物兵器及び／またはこれらの合成前駆体及び分解生成物を含む化学剤を同定することができる。同調の回避により応答時間が短縮され、遠隔地における特定の化学剤の存在を検出するための速度が上がる。
【００２１】
図面を参照して、化学物質同定及び検出に用いるための閃光分光法の実施形態をここで説明する。図１は、遠距離化学物質検出のための閃光分光システム１００のコンポーネントを示す。光源１０２が、パラメトリック装置１０６として用いられる非線形結晶または結晶性材料に入射する、例えば赤外領域の、ポンピング波１０４を発生する。パラメトリック装置１０６は、パラメトリック光増幅器（ＯＰＡ）、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）またはパラメトリック光発振器（ＯＰＯ）として構成することができる。
【００２２】
パラメトリック装置１０６はパラメトリック相互作用または光発生により光を発生するために１つまたはそれより多くのポンピング波とともに用いることができる。パラメトリック相互作用または光発生は、非線形結晶内での３つの光波または電場、すなわち、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の間のエネルギー混合またはエネルギー交換を含む。非線形材料または非線形結晶内でパラメトリック相互作用がおこるため、相互作用している３つの光波のエネルギーが保存される。運動量または位相も保存されるが、それでも少量の不整合により非線形結晶内で３つの光波の間のエネルギー移行が可能になるであろう。パラメトリック光発生により、３つの光波の内の１つまたは２つを他の光波からのエネルギー転換によって選択的に増幅させることができる。
【００２３】
狭い範囲の許容不整合を含む、運動量保存の要請は「位相整合」条件と称される。運動量または位相の不整合が大きくなるほど、３つの光波の相互作用またはパラメトリック相互作用の効率は低くなるであろう。非線形結晶は複屈折性であるから、そのような結晶は、２つまたはそれより多くの位相速度モードを与え、したがって、結晶内の光波の進行方向及び偏極に依存する２つまたはそれより多くの屈折率、すなわち常屈折率及び異常屈折率を有する。ある与えられた非線形結晶に対し、屈折率は位相整合条件を満たす波長の組合せを決定する。
【００２４】
パラメトリック装置１０６に用いられる非線形材料または非線形結晶は、入射光が特定の結晶に入った後に二重屈折すなわち複屈折が入射光にどの様に影響するかにしたがって識別することができる。非線形結晶はタイプＩ結晶またはタイプII結晶と称することができる。非線形結晶は、入射波または「ポンピング」波が二重に屈折されて、ポンピング波に垂直な、同じ偏極を有する信号電場または信号波及びアイドラー電場またはアイドラー波になる場合に、タイプＩ結晶と称される。タイプIIパラメトリック結晶は、ポンピング波から直交偏極した信号波及びアイドラー波を発生する結晶である。パラメトリック装置１０６はタイプＩ結晶またはタイプII構成に構成することができる。
【００２５】
パラメトリック装置１０６は縮退点またはその近傍に同調させるかまたは構成することができる。非線形結晶の縮退点は、信号波及びアイドラー波として知られる、２つの非ポンピング波がそれぞれ、ポンピング波の１/２である、同じ周波数またはエネルギーを有する点である。信号波及びアイドラー波の周波数またはエネルギーがほぼ等しい、縮退点近傍の領域は縮退領域と称される。ポンピング波１０４はパラメトリック装置１０６の縮退点に基づいて選択するかまたは同調させることができる。
【００２６】
パラメトリック装置１０６に用いられる特定の非線形結晶性材料の縮退点及び位相整合条件は、セルマイヤー方程式として知られる分散関係から決定することができる。セルマイヤー方程式は、特定の非線形結晶性材料の誘電率テンソル及び反透磁率テンソルと一致する、測定された屈折条件及び偏極条件、例えばその材料についての屈折率楕円体と一致するモードの偏極及び方向の数学的モデルである。様々な温度及び波長におけるある材料の屈折率測定値をその材料についてのセルマイヤー方程式を導くために用いることができる。
【００２７】
セルマイヤー方程式は一般に、一般の固体はその固体の誘電定数に寄与する共鳴周波数が相異なるいくつかの電子状態を有するという事実を表す。セルマイヤー方程式は下の式（１）：
【数１】
【００２８】
または同様の形式とすることができる。ここで、ｎは特定の非線形結晶の常屈折率または異常屈折率であり、Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤはセルマイヤー係数として知られる。セルマイヤー係数及び屈折率は座標軸、例えば、特定の結晶材料の主軸または、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に対して決定することができる。セルマイヤー方程式の別の形式が知られており、それらの形式では非線形結晶の温度を考慮することができる。
【００２９】
パラメトリック装置１０６の同調は、ポンピング波の波長の調節による、例えばプリズム表または等価物上での方位調節、すなわち「角度同調」によるか、パラメトリック装置の温度制御、すなわち「温度同調」によるか、あるいはこれらのいかなる組合せによっても実施することができる。適切であれば、パラメトリック装置１０６の温度を制御できる。例えば、パラメトリック装置１０６を窒素デュワー瓶内で冷却するか、オーブン内で加熱することができる。
【００３０】
図１を続けて参照すれば、パラメトリック装置１０６は、ポンピング波１０４を３光波混合またはパラメトリック相互作用によって広帯域出力１０８に変換する。広帯域出力１０８は、等しいか、実質的に等しいか、及び／または縮退点または縮退領域またはそれらの近傍での、パラメトリック装置の構成による波長値に重なり得る、信号波及びアイドラー波を含むことができる。広帯域出力１０８は、例えば透過光学系によって、パラメトリック装置１０６から離れた、「離隔距離」と称される、距離にある遠隔地１１０に向けられる。
【００３１】
ある与えられたパラメトリック装置、例えばパラメトリック装置１０６に対し、縮退点または縮退領域またはそれらの近傍での、広帯域出力１０８の帯域幅の絶対値は下の式（２）：
【数２】
【００３２】
によって計算することができる。ここで、それぞれの一次微分はそれぞれの光波の群速度であり、Δｋは運動量または位相の不整合であって、Ｌをパラメトリック装置の結晶長として、２π/Ｌとおくことができ、添字ｓ及びｉはそれぞれ信号波及びアイドラー波を指し、Δωは縮退点またはその近傍におけるパラメトリック装置の帯域幅の絶対値である。式（２）は、信号波またはアイドラー波の帯域幅Δωが群速度の差に依存することを示す。群速度差は縮退点において無限大になり、ωｉ＝ωｓになるから、式（２）に示されるように、速度分散を表す二次項が帯域幅に導入される。
【００３３】
式（２）は、温度及び角度の変動を無視することによって、特定の材料のパラメトリック装置に対する期待スペクトル範囲の計算を簡単にする。式（２）の使用は、光源を同調する必要なしにリアルタイムまたはほぼリアルタイムに特定の化学剤を検出するに十分な帯域幅の広帯域出力を発生させるための、パラメトリック装置の材料の選択を容易にすることができる。帯域幅は、半値全幅値または３ｄＢ値、１/ｅ値、あるいはパワースペクトル密度の二乗の積分で総平均強度の二乗を割った比で表すことができる。
【００３４】
ＭＡＴＨＣＡＤ，ＭＡＴＬＡＢ及びＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡなどの適する数学ソフトウエアにより、ある与えられた非線形結晶に対するパラメトリック装置の広帯域出力のスペクトル範囲を決定するための式（２）の解を容易に得ることができる。そのようなソフトウエアにより、所望の変数を見いだすためかまたは特定の非線形結晶に対して係数を決定するためにセルマイヤー方程式の解を容易に得ることもできる。ＭＡＴＨＣＡＤは米国マサチューセッツ州ケンブリッジ（Cambridge）ケンドールスケア（Kendall Square）１のマスソフト社（Mathsoft, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。ＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡは米国イリノイ州シャンペーン（Champaign）トレードセンタードライブ（Trade Center Drive）１００のウォルフラムリサーチ社（Wolfram Research, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。ＭＡＴＬＡＢは米国マサチューセッツ州ナティック（Natick）アップルヒルドライブ（Apple Hill Drive）３のザマスワークス社（The MathWorks, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。
【００３５】
図１を再び参照すれば、広帯域出力１０８の様々な波長は遠隔地１１０において存在するいずれかの化学剤１１２によって吸収され得る。そのような化学剤１１２はいずれかの化学材料または生物材料であり得る。例えば、化学剤には有機リン化合物を含めることができ、固体、液体、気体またはエアロゾルのようないずれかの形態の化学兵器を含めることができる。化学剤には、生体毒素、発疱剤／糜爛ガス、血液侵襲性薬剤、腐食剤または酸、窒息性または肺侵襲性ガス、不能化ガス、金属、神経ガス、有機溶媒、催涙ガスを含む暴徒鎮圧ガス、殺虫剤、有毒アルコール及び嘔吐ガスのいずれを含むこともできる。遠隔地１１０にある化学剤１１２との相互作用後、化学剤による吸収によっていずれかの周波数が減衰している広帯域出力１０８を分光計１１４または分光光度計によって検出し、測定することができる。
【００３６】
分光計１１４は、（１）遠隔地１１０から広帯域出力を受信し、（２）広帯域出力１０８をサブバンドまたはチャネルに分散させ、（３）分散したサブバンドまたはチャネルの強度を検出するように機能する。分光計１１４は、例えば一体化された単一装置、または装置の集合体あるいは個別の光学コンポーネント及び電気コンポーネントとすることができる。分光計１１４は強度信号を多重化して、分光計１１４のスペクトル範囲のある領域にわたる吸収スペクトルをつくることもできる。分光計１１４の操作可能なパラメータ、例えば、スペクトル範囲、サブバンドのスペクトル帯域幅、スペクトルサンプリング及び検出感度は、離隔距離、光源１０２の光量、広帯域出力１０８のコヒーレンス度及び注目する化学剤の吸収スペクトルの特徴のような様々な要因を考慮して選択するか、または設計することができる。
【００３７】
各チャネルの強度信号は、分光計１１４とは別の場所で、すなわちコンピュータまたは光多重スペクトル分析器（ＯＭＡ）において多重化することもできる。吸収スペクトルがつくられると、様々な化学剤の既知の吸収スペクトルとの比較を行うことができる。分光計１１４でそのような比較を行うことができ、あるいは分光計１１４とは別の適する装置で比較を実施することができる。例えば、適するコンピュータまたは光多重スペクトル分析器（ＯＭＡ）を比較のために用いることができる。
【００３８】
光源１０２に関してはいずれか適するコヒーレントまたは準コヒーレント光源を用いることができる。例にはレーザまたはその他の非熱的光源があるが、これらには限定されない。適するレーザは、気体、液体色素、ダイオードまたは固体の活性媒質を有することができる。光源１０２には、パラメトリック装置を含む非線形光デバイスによって所望のポンピング波長に変換される出力を発生するレーザを含めることができる。光源１０２によって発生されるポンピング波１０４は、例えばファブリー−ペロエタロンまたはその他のフィルタデバイスによってフィルタリングすることができる。さらに、ポンピング波がある範囲にわたって同調可能であるように、波長可変光源１０２を用いることができる。
【００３９】
次に図２を参照すれば、別の実施形態の閃光分光システム２００が示されている。光源２０２，例えばレーザが、縮退点または縮退領域に構成されたパラメトリック装置２０６に送波される、ポンピング波２０４を発生する。光源２０２は透過光学系も有することができる。パラメトリック装置２０６は広帯域出力２０８を発生する。光源２０２及びパラメトリック装置２０６の非線形材料または非線形結晶の適切な選択によって、広帯域出力２０８は所望の光スペクトル領域、例えば、紫外領域、可視領域または赤外領域を含むことができる。
【００４０】
透過光学系２１０は広帯域出力２０８を受信し、広帯域出力２０８を遠隔領域２１２にある化学剤２１１に向けることができる。透過光学系２１０は広帯域出力２０８を拡大及びコリメートするに適するレンズを有することができる。透過光学系２０８のレンズは望遠鏡構成またはビーム拡大器構成に構成することができる。存在するいずれかの化学剤２１１との相互作用後、広帯域出力２０８は、遠隔領域２１２から、適するレンズ、フィルタ及びアパーチャを有することができる集光光学系２１４によって受信できる。
【００４１】
集光光学系２１４は、チャネルまたはサブバンド２１８１〜ｎへの分散のための分散光学系２１６に広帯域出力２０８を送波することができる。検出器または検出器アレイ２２０のピクセルがサブバンド２１８１〜ｎの強度を検出する。分散素子または分散光学系２１６はいずれかの適するタイプとすることができる。例には、回折格子、プリズム、自己集束素子のような電気光学素子、アダマールマスク等があるが、これらには限定されない。
【００４２】
検出器アレイ２２０は吸収スペクトル２２２をつくるためにサブバンド２１８１〜ｎの強度を多重化または結合することができる。次いで、注目する化学剤の既知の吸収スペクトルとの吸収スペクトル２２２の比較によっていくつかの化学兵器または生物兵器の存在を判定することができる。比較は、既知の吸収スペクトルに対応する１つまたはそれより多くの整合フィルタの使用を含むがこれには限定されない適する技術またはその他の既知の技術によって達成することができる。比較は、例えば分光計またはコンピュータに備えることができる信号処理ハードウエアまたは信号処理ソフトウエアあるいはこれらの両者によって実施することができる。
【００４３】
広帯域出力２０８から分散されたサブバンド２１８１〜ｎの信号検出にはいずれか適する検出器アレイ２２０を用いることができる。例えば、検出器アレイには、量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）、フォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）、アバランチフォトダイオード、マイクロボロメータを含むボロメータ及びフォトトランジスタを含めることができるがこれらには限定されない。検出器アレイは１次元または２次元とすることができる。検出器アレイは、システムの分散光学系の焦平面におかれるフォーカルプレーンアレイ（ＦＰＡ）とすることができる。２次元アレイの並列検出器素子からの信号は、加え合せて、信号対雑音比を改善し、したがって吸収スペクトルの検出を改善することができる。用いられるいかなるタイプの検出器に対しても、検出器材料を広帯域出力２０８のスペクトル範囲に整合させることができる。検出器はサブバンド２１８１〜ｎの検出を容易にするため、適切な方法、例えばデュワー瓶によって冷却できる。
【００４４】
次に、離隔距離における遠隔化学物質検出のための閃光分光システムの使用を、図２を参照して説明する。光源２０２が、パラメトリック装置２０６、例えば、縮退点またはその近傍に構成されたパラメトリック光発生器に入射する、ポンピング波２０４を発生する。広帯域出力２０８がパラメトリック装置２０６によって発生され、望遠鏡構成またはビーム拡大器構成の２枚のレンズを有することができる、透過光学系２１０を通って進行する。広帯域出力２０８は次いで化学剤２１１の存在を判定するために遠隔地２１２に向けられる。広帯域出力２０８は遠隔地２１２に存在するいずれかの化学剤２１１と相互作用し、存在する化学剤２１１は広帯域出力２０８の光の特性波長を吸収する。
【００４５】
広帯域出力２０８は、１つまたはそれより多くの集束レンズを有することができる集光光学系２１４に向けて反射または後方散乱される。次いで、広帯域出力２０８は分散光学系２１６，例えば回折格子によって、検出器アレイ２２０によって検出されるサブバンド２１８１〜ｎに分散される。検出器アレイ２２０はサブバンド２１８１〜ｎの強度を多重化し、吸収スペクトル２２２をつくる。吸収スペクトル２２２は次いで、神経ガス及び発疱性ガスのＩＲ吸収スペクトルを含めることができるがこれらには限定されない、既知の吸収スペクトルのライブラリと比較することができる。
【００４６】
遠隔地２１２は、地理的拘束条件、利用できる光源の光量、検出器アレイ２２０の検出器の検出感度を含む分光計の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ）パラメータ及び検出された吸収スペクトル２２２内の特徴の信号対雑音比によって、影響され、調節され得る、離隔距離にある。
【００４７】
図３を次に参照すれば、閃光分光法を用いて離れた遠隔地にある化学剤を検出する方法３００についてのフローチャートが示される。適切な光源によってポンピング波が発生され（ステップ３０２）、このポンピング波が縮退点またはその近傍に構成された（ステップ３０４）パラメトリック装置に入射する。例えばＩＲ領域の、広帯域出力がパラメトリック装置から、広帯域出力のいくつかの領域を吸収し得る１つまたはそれより多くの化学剤が存在する、遠隔地に送波される（ステップ３０６）。後方散乱光であり得る、広帯域出力の一部が遠隔地から受信され（ステップ３０８）、吸収スペクトルが検出される（ステップ３１０）。
【００４８】
図４は、方法３００の受信するステップ３０８及び検出するステップ３１０における付加ステップの方法４００のフローチャートである。広帯域出力の遠隔地から受信される部分が、集光光学系によって集光され（ステップ４０２）、次いで多くのサブバンドまたはチャネルに分散される（ステップ４０４）。サブバンドの強度が検出され（ステップ４０６）、次いで吸収スペクトルをつくるために多重化または結合される（ステップ４０８）。次いで吸収スペクトルが既知の化学物質の吸収スペクトルと比較または相関されて（ステップ４１０）、遠隔地における１つまたはそれより多くの化学剤の存在が判定される（ステップ４１２）。
【００４９】
本発明に用いられるパラメトリック装置は、パラメトリック光増幅器（ＯＰＡ）、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）またはパラメトリック光発振器（ＯＰＯ）として構成することができる。いくつかの実施形態において、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）を、そのような装置はＯＰＯに比較して利得幅拡大を生じる傾向があることから、用いることができる。ＯＰＧを用いる場合、単パスまたは複パス構成を用いることができる。ＯＰＯを用いることもできるが、装置の共振器内での複パス中に利得幅縮小が生じる可能性がある。
【００５０】
パラメトリック装置に対する材料の選択において考慮され得る要因には、非線形光学係数、非線形増幅または利得閾値、レーザまたは光損傷閾値、分光透過範囲、受容角、ウオークオフ角及び縮退点における帯域幅の内の１つまたはいくつかを含めることができるが、これらには限定されない。ｄ２/ｎ３で定義される、非線形性能指数のような別の要因を考慮することもできる。ここで、ｄ＝ｄＮＬすなわち非線形光学係数であり、ｎは特定の材料の透過率中心波長近傍の平均屈折率である。
【００５１】
既述の一般性を制限することなしに、パラメトリック装置、例えばパラメトリック装置１０６に適する材料または結晶には、二リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４すなわち「ＡＤＰ」）、ベータ（β）ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）、ニオブ酸バリウムリチウム（Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５）、硫化カドミウムガリウム（ＣｄＧａ２Ｓ４）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、二ヒ化カドミウムゲルマニウム（ＣｄＢｅＡｓ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、化学量論的ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５すなわち「ＬＢＯ」）、二リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４すなわち「ＫＤＰ」）、リン酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＰＯ４すなわち「ＫＴＰ」）、ヒ酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＫＴＡ」）、インジウムドープヒ酸カリウムチタニル（Ｉｎ：ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「Ｉｎ：ＫＴＡ」）、ヒ酸ルビジウムチタニル（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＲＴＡ」）、セレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）、硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）、硫化銀ヒ素（Ａｇ３ＡｓＳ３すなわち「淡紅銀鉱」）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ネオジムドープニオブ酸マンガンリチウム（Ｎｄ：ＭｇＬｉＮｂＯ３）、及び適する黄銅鉱のいずれかを含めることができるが、これらには限定されない。適する非線形材料は、以下の化合物系または合金、（Ｚｎ１−ｘＣｄｘ）ＧｅＡｓ２，Ｚｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ａｓ２及びＺｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ｐ２から選ぶことができる。これらの化合物系については、付随する二次非線形分極率、したがって非線形係数を、ＰのＡｓへの置換、ＳｉのＧｅへの置換、及びＺｎのＣｄへの置換に対応して大きくすることができる。その他の適する非線形材料は、以下の化合物系または合金、ＡｇＧａ１−ｘＩｎｘＳｅ２及びＣｄＧｅ（Ａｓ１−ｘＰｘ）２から選ぶことができる。
【００５２】
上述した材料に加えて、準位相整合（ＱＰＭ）または周期的極交番型材料をパラメトリック装置に用いることができる。そのようなＱＰＭ材料は周期的分域反転、すなわち周期的極交番を利用し、相互作用している光波または信号の間の位相速度不整合を補償するＱＰＭ格子を形成するために用いることができる。非線形係数の符号の変化が分域反転にともない、したがって、そのような格子は材料の屈折率による分散を補償することができる。
【００５３】
準位相整合（ＱＰＭ）により、多くの波長において位相整合された動作が可能になる。変調周期、すなわち格子周期は、いかなる周波数変換プロセスの位相整合も提供するように設計することができ、よって非線形結晶特性を所望の要件に精確に調整することができる。さらに、そのような格子は真に周期的である必要はない。例えば、それぞれの分域長が先行分域長に対して調節すなわち「チャープ」された、チャープ型格子を用いることができる。チャープ型格子は、受容帯域幅のような特性を高め、ウオークオフを弱め、時間的パルス補償を容易にするために用いることができる。
【００５４】
ＱＰＭに利用される周期的極交番型材料によって、特定の非線形結晶における最大の非線形係数を利用する伝搬方向と偏極の組合せの選択が可能になり得る。パラメトリック装置に適する周期的極交番型材料には、周期的双晶ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ）及びその他のリソグラフィパターン付材料、周期的極交番型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的極交番型ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ）、周期的極交番型ＲＴＡ（ＰＰＲＴＡ）を含めることができるが、これらには限定されない。非周期的極交番型ニオブ酸リチウム（ＡＰＰＬＮ）を含むがこれには限定されない非周期極交番型材料をパラメトリック装置に用いることができる。時間的ウオークオフ、制限された受容帯域幅及び逆変換のような帯域幅制限効果は、格子周期が線形チャープされた、適切に設計された結晶により回避することができる。
【００５５】
非線形係数及び性能指数が大きい材料はパラメトリック装置に十分な非線形利得を与えることができ、よってＯＰＯ構成は必要ではない。アニールされた陽子交換ＬｉＮｂＯ３構造のような導波構造にＱＰＭ材料が組み込まれる、導波ＱＰＭ材料も用いることができる。いくつかの実施形態において、導波ＱＰＭパラメトリック材料をパラメトリック増幅器に用いて、回折効果を弱め、得られるパラメトリック利得を高めることができる。
【００５６】
パラメトリック素子として用いられる特定の非線形結晶の縮退点は、（１）先験的に既知であるか、（２）適切なセルマイヤー方程式から決定するか、（３）既知の同調曲線から決定するか、（４）得られる同調曲線から決定するか、及び／または（５）適切な屈折率楕円体から決定することができる。温度同調に適する温度は特定の結晶材料に対する温度依存セルマイヤー方程式から求めることができる。
【００５７】
したがって、本発明の使用により遠隔地にある特定の化学剤の吸収スペクトルをリアルタイムまたはほぼリアルタイムに決定できることは当然である。例えば、ＶＸ、サリン、シクロサリン、ソマン、タブンのような神経ガスも、マスタードガスのような発疱剤も含む、多くの主要な化学兵器の赤外（ＩＲ）吸収スペクトルを観測及び識別することができた。少なくとも８つの主要な化学兵器が９μｍ周辺に集まるＩＲ吸収帯を有する。これらには、タブン（ＮＡＴＯ名称「ＧＡ」）、サリン（ＧＢ）、ソマン（ＧＤ）、ＶＸ、蒸留マスタードガス（ＨＤ）、クロロアセトフェノン（ＣＮ）、ｏ−クロロベンジルマロノニトリル（ＣＳ）、及びＢＺが含まれる。例えば、「化学兵器の赤外スペクトル（８〜１３μｍ）及びポテンシャル干渉集（Atlas of Infrared Spectra （8-13 micron） of Chemical Agents and Potential Interferences）」，米国陸軍化学システムラボラトリ（１９７７年）を参照のこと。この文献の内容は本明細書に参照として含まれる。これらのような化学兵器は、検出された吸収スペクトルを既知の吸収スペクトルのライブラリまたはデータベースと比較することによって遠隔地にあると判定することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態において、従来の帯域幅の定義を用いれば、２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より広い帯域幅を有する広帯域出力を発生するパラメトリック装置を用いることができる。例示的実施形態において、３００波数/ｃｍ（３００ｃｍ−１）より広い帯域幅を有する広帯域出力を発生するパラメトリック装置を用いることができる。
【００５９】
いくつかの実施形態において、波長が４μｍと５μｍの間、好ましくはほぼ４.５μｍ近傍の赤外ポンピング波を発生する光源を用いることができる。そのような範囲のポンピング波により、縮退点に構成された４μｍから１２μｍの送波範囲をもつパラメトリック装置は８〜１２μｍの範囲の広帯域出力を発生する。このスペクトル範囲をもつ広帯域出力は、神経ガス、発疱ガス及び衰弱化ガスを含む、有機リン化合物または有機リン酸化合物の検出に用いることができる。ほとんどの神経ガスは、リン酸の有機リン酸エステル誘導体であり、８〜１２μｍの範囲に信号対雑音比の高い特徴をもつ吸収スペクトルを有する。このスペクトル範囲はその他の化学兵器のリン原子団を検出するために用いることもできる。サリンまたはソマンの加水分解によって生成され、それらのいずれよりも安定である、メチルホスホン酸（ＭＰＡ）も８〜１２μｍの範囲にある吸収スペクトル特徴によって検出できる。
【００６０】
いくつかの実施形態において、パラメトリック装置が９μｍ範囲を含む広帯域出力を発生するように、一酸化炭素（ＣＯ）レーザまたは量子多段（ＱＣ）レーザを４.５μｍ近傍のポンピング波を発生するための光源として用いることができる。図５に示されるように、いくつかの既知の致死性神経ガスを含む様々な化学兵器は、赤外スペクトルの９μｍ範囲に特有の吸収スペクトル細部を有する。いくつかの実施形態において、量子多段（ＱＣ）レーザを、そのようなＱＣレーザはリン化インジウム（ＩｎＰ）上のＡｌＩｎＡｓ/ＩｎＧａＡｓ格子を用いてほぼ４.５〜１７μｍのいかなる波長においても作成することができるから、所望の赤外光の小型光源を得るために用いることができる。
【００６１】
本発明にしたがえば、パルスレーザ光源により１パルスまたは数パルスだけで、遠隔地における１つまたはそれより多くの化学剤の存在を示す化学吸収スペクトルをつくることができる。さらに、光源の光量のような操作可能なパラメータを、有毒または致死性の化学剤の場合に、それらの化学剤を人命へのリスクを低くして検出することができるように、遠隔地への離隔距離を広げるために調節することができる。
【００６２】
有効離隔距離は、特定の透過窓、注目する化学剤、検出器アレイの検出感度、広帯域出力の波長広がり、地理的拘束条件、得られる光源の光量及び分光計の信号対雑音比パラメータによって影響を受ける場合がある。
【００６３】
いくつかの透過窓内にある信号対雑音比の高い特徴を探すことにより、及び大光量光源及び高検出感度検出器の適切な選択により、数１００ｍから数ｋｍの離隔距離を実現することができる。そのような距離では、市街地または都市環境内での化学剤検出に対する本発明の使用が理想的になる。本発明は、光源によって提供される照明及び化学剤を検出することができる速度のため、統合軍軽量遠距離化学兵器検出器（ＪＳＬＣＡＤ）の代りの使用にもよく適する。
【００６４】
以下の実施例は本発明の広い範囲及び適用可能性を示すために提示される。
【実施例１】
【００６５】
本予見的実施例については、光源としてＣＯレーザが用いられ、パラメトリック装置の材料にＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２が用いられる。そのような一酸化炭素（ＣＯ）レーザは約４.８μｍから約８.３μｍの多数のレーザ線を発生することができ、特定の線を選択するために線の同調を行うことができる。本実施例においては、ＣＯレーザが光源として用いられ、パルス波長の中心が４.８μｍの、パルス出力を発生することができる。本予見的実施例は、化学兵器の検出に用いるための８.６〜１０.６μｍの範囲にわたる広帯域出力を発生するための、ＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２のような適する非線形結晶でつくられたパラメトリック装置をポンピングするために、４.８μｍ近傍の光を発生する適する光源をどのように用いることができるかを示す。
【００６６】
パルス特性は既知のタイミング及び／または圧縮技術及び装置によって能動的に制御することができる。ＣＯレーザからの出力は十分なフルーエンスを有し、ポンピング波として用いて、例えばＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２でつくられたＯＰＧに送波される。パラメトリック装置は縮退点または縮退領域に構成される。パラメトリック装置はＣＯレーザ出力を縮退増幅し、ほとんど等しい信号波及びアイドラー波を含む広帯域出力を発生する。縮退構成の結果、広帯域出力の中心は約９.６μｍにある。広帯域出力は、ほぼ８.６〜１０.６μｍの範囲に相当する、ポンピング波長の、±１０％またはそれ以上の、例えば、ＦＷＨＭ、３ｄＢまたは１/ｅで表される、帯域幅または線幅を有することができる。そのような広帯域出力は、多くの化学兵器の吸収スペクトルが信号対雑音比の高い特徴を有する、スペクトル範囲にある。
【００６７】
図５を参照すれば、実施例１の広帯域出力に対するいくつかの既知の神経ガスの信号対雑音比が高い特徴を示すグラフが示されている。示される軸は波長対ＡｇＧａＳｅ２についての内部角であり、ここで内部角は光軸を含む固有結晶軸すなわち主軸に対してどのように結晶がカットされたかを示す。ポンピング波の波長は４.６３５μｍであり、広帯域出力は８μｍ近傍に始まり約１０.２μｍまで広がる。
【００６８】
図５に示されるポンピング波長は、二酸化炭素（ＣＯ２）の最も占有粒子数が多い、すなわち最も強い線である、Ｊ＝２０からＪ＝２１への回転量子数の遷移に対応するＣＯ２レーザ線Ｒ（２０）に基づいて計算した。４.５μｍ近傍で動作するＣＯレーザはそのようなパラメトリック装置に対して同様の広帯域出力を発生することができる。様々な化学兵器に対する吸収スペクトルピークの位置が示されている。例えば、ＶＸはほぼ８.６３μｍにある吸収ピークで示されている。その他の化学兵器の吸収ピークは、「化学兵器の赤外スペクトル（８〜１３μｍ）及びポテンシャル干渉集」，米国陸軍化学システムラボラトリ（１９７７年）に開示されており、この文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００６９】
パラメトリック装置からの広帯域出力は、ＶＸガス，サリンガスまたはソマンガスあるいはその他のガスのような、化学兵器がある遠隔領域に向けられ、その領域において化学兵器が広帯域出力の様々な成分を吸収する。広帯域出力の一部が分散光学系及び検出器を有する分光計の近傍に反射または後方散乱される。広帯域出力の後方散乱光は後方散乱光をサブバンドに分散させる分散光学系、例えば回折格子によって分散される。
【００７０】
検出器は検出器素子またはピクセルでつくられた１次元（１Ｄ）アレイを有することができる。実施例１の検出器については、８〜１０.５μｍの範囲にわたる波長に適する材料でピクセルをつくることができる。検出器アレイの個々の素子がそれぞれのサブバンドの強度を検出する。個々の検出器は、個々のサブバンドに対応する限定された範囲の波長を検出するために、相異なる材料でつくることができる。検出器アレイは２次元（２Ｄ）フォーカルプレーンアレイ、例えば酸化バナジウム（ＶＯ２）マイクロボロメータのアレイを有することもできる。検出器は強度を多重化して、広帯域出力の波長範囲にわたる検出された吸収スペクトルをつくる。次いで、遠隔地に１つまたはそれより多くの化学兵器または生物兵器があるか否かを判定するために、検出された吸収スペクトルを既知の化学兵器または生物兵器の吸収スペクトルと比較することができる。
【実施例２】
【００７１】
タイプＩ ＡｇＧａＳｅ２ ＯＰＯをポンピングするために２段階波長変換プロセスを用いた。光源はレーザ及びＯＰＯとした。すなわち、１.０６μｍＮｄ：ＹＡＧレーザを用いてタイプII ＫＴＰ ＯＰＯをポンピングした。ポンピングレーザはコンティニューム（Continuum）モデルＮＹ６１ ＹＡＧレーザである。Ｎｄ：ＹＡＧポンピングレーザの出力をθ＝５３.５°の内部角にカットしたタイプII ＫＴＰ ＯＰＯに対する１.０６μｍポンピング波として用いた。タイプII ＫＴＰ ＯＰＯによってポンピング波は１.９９/２.２８μｍの信号波/アイドラー波対に変換された。
【００７２】
波長の短い信号波、すなわち１.９９μｍ波を、θ＝４９°の内部角にカットした１０×１０×４０ｍｍの反射防止（ＡＲ）膜付セレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）結晶を有する、クリーブランドクリスタルズ（Cleveland Crystals）製タイプＩ位相整合型ＯＰＯをポンピングするために用いた。このタイプＩパラメトリック装置は縮退点近傍に構成され、中心波長が約４μｍの赤外広帯域出力を発生した。
【００７３】
亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を３８０Ｔｏｒｒ（５.０７×１０４Ｐａ）で入れたガスセルに広帯域出力を向けた。ガスセルから後方散乱された光を多重２Ｄ焦電素子アレイを有するプリズム分光計で集光した。分光計にはスピリコン（Spiricon）モデル パイロカム・パイロエレクトリック（Pyrocam Pyroelectric）（１２８×１２８）を用いた。２Ｄアレイの縦方向のピクセルの出力を総和し、５ポンピングパルスからの結果を平均した。多重アレイからの信号を結合し、ほぼ３.７５〜４.２５μｍの範囲を有する吸収スペクトルをつくった。この吸収スペクトルを亜酸化窒素の既知の化学吸収スペクトルと比較し、吸収スペクトルは既知の亜酸化窒素吸収スペクトルと高い相関度で一致した。検出器アレイの分解能を改善することができたと発明者等は考えている。ほぼ０.１６６７秒（１/６秒）内で全プロセスを達成した。
【００７４】
本発明を本発明のいくつかの実施形態を参照して詳細に説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、既述の説明は全般的に赤外広帯域出力の使用による化学剤の同定に向けられているが、当業者であれば紫外光及び可視光の広帯域出力の使用及び発生が本発明の範囲内にあることを理解するはずである。本発明の実施形態の説明は全般的に、光源または送波器及び分光計または受波器が同じ場所にある、モノスタティック構成における後方散乱光の検出に向けられているが、本発明の範囲にはその他の構成も含まれる。例えば、光源または送波器及び分光計または受波器が異なる場所にある、バイスタティック構成を利用することができる。そのようなバイスタティック構成は、光源またはパラメトリック装置からほぼ１８０°の、遠隔地と実質的に同一線上に配置された検出器の使用を含むことができる。さらに、１つより多くの検出器または検出器アレイを用いることができ、これらは相異なる場所に配置することができる。さらに、全般的にレーザまたは非熱的光源として光源を説明したが、適する光源にはそのような光源からの周波数シフト出力も含めることができる。
【００７５】
当業者であれば、上述から明らかであろうように、本発明が多くの手段で改変され得ることを理解するであろう。したがって、本発明は添付される特許請求の範囲によって求められる限りにしか限定されるべきではない。
【００７６】
読者の注意は、本明細書と同時に提出され、本明細書とともに自由に公衆が便覧できる、全ての論文及び文書に向けられ、そのような論文及び文書の内容は本明細書に参照として含まれる。添付される特許請求の範囲、要約及び図面を含む、本明細書に開示される特徴の全ては、そうではないことが明白に述べられている場合を除き、同じか、等価であるかまたは同様の目的を果たす別の特徴によって置き換えることができる。したがって、そうではないことが明白に述べられている場合を除き、開示される特徴のそれぞれは包括的な等価または同様の特徴の組の内の一例に過ぎない。特定の機能を実施する「手段」を明示的に述べていない特許請求項におけるいずれの要素も、米国特許法第１１２条第６項に明記されているように、「手段」または「工程」条項と解されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】遠距離化学物質検出のための閃光分光法のコンポーネントを示す簡略な概念図である
【図２】閃光分光システムの別の実施形態の簡略なブロック図である
【図３】閃光分光法を用いて遠隔地にある化学剤を検出する方法のフローチャートである
【図４】図３の方法の付加工程のフローチャートである
【図５】波長が計算された広帯域出力対ＡｇＧａＳｅ２についての内部角のグラフである
【符号の説明】
【００７８】
１００ 閃光分光システム
１０２ 光源
１０４ ポンピング波
１０６ パラメトリック装置
１０８ 広帯域出力
１１０ 遠隔地
１１２ 化学剤
１１４ 分光計
【技術分野】
【０００１】
本発明はリアルタイム化学物質検出システムに関し、特に、パラメトリック広帯域光を用いるシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物は、用いられるエネルギーのタイプで大別されるスペクトル解析法によって同定することができる。そのような解析法は、光子が用いられる場合には「光分光法」、電子が用いられる場合には「電子分光法」または「オージェ分光法」、イオンが用いられる場合には「質量分光法」と呼ばれることもある。スペクトル解析法すなわち分光技術で一般に必要とされるのは、エネルギー源と、エネルギーが試料または化合物と相互作用した後にソースエネルギーの変化を測定するための装置、である。光分光法は、光源で発生する光のタイプによって、赤外または「ＩＲ」分光法と、「可視」分光法と、紫外または「ＵＶ」分光法とに分類できる。光分光法の場合、エネルギー源としてレーザ及びアーク灯が広く用いられ、測定装置として分光計及び干渉計が用いられることが多い。
【０００３】
用いられるエネルギー源のタイプにより、光分光法はさらに受動型及び能動型に分類することもできる。受動型光分光法は輻射源として材料の固有熱輻射を用い、能動型光分光法は光源を用いて注目する領域を照明する。能動型分光技術は、気体、液体または固体を含むターゲットまたは領域から反射または散乱された光、あるいはそのようなターゲットまたは領域を透過した光を検出及び測定することができる。これらの技術には、一般にターゲットまたは試料に入射する光とターゲットまたは試料を透過したかターゲットまたは試料から散乱または反射された光の間のパーセント差を検出する、様々な「吸収」技法が含まれる。
【０００４】
吸収分光法の場合、光源からの光子束の形態のエネルギーが、試料、領域またはターゲットに向けられ、試料、領域またはターゲットに入射する。試料、領域またはターゲット内の分子は特定の周波数において光を吸収することができ、別の分子はいくつかの周波数において別の周波数におけるより容易にエネルギーを吸収することができる。どの分子内の原子または原子団（すなわち「官能基」の間の結合）も、特性的な、伸縮、曲げ及び捻りの共鳴周波数を有することができる。いずれの化学物質も、そのような共鳴周波数ではエネルギーを吸収するが、他の非共鳴周波数ではエネルギーを吸収しない傾向がある。化学物質に入射して化学物質から反射されるかまたは化学物質を透過する、光源からの光は、この特定化学物質に特徴的な吸収スペクトルすなわち「化学的指紋」を有するであろう。異なる化学物質は異なる吸収スペクトルを有し、例えば山と谷などの特徴的な特性が、遠紫外（ＦＵＶ）から可視領域を通って遠赤外すなわち長波赤外（ＬＷＩＲ）まで存在することもある。多くの化学吸収スペクトルが知られており、そのような吸収スペクトルは多くの化学文献に見ることができる。
【０００５】
遠隔地にある化学物質を検出するために吸収分光技術を使うことができる。大気にいくつかの光透過帯すなわち「窓」があるからである。これらの窓が存在するのは、大気の気体分子がそれぞれ自己の吸収スペクトルを有し、いくつかの波長及び周波数では光を吸収するが、他の波長及び周波数では光を吸収しないからである。したがって、ある光波長は吸収分光法に適していないが、別のある波長はそのような用途に十分に適する。例えば、赤外（ＩＲ）透過窓は３μｍから５μｍの間及び８μｍから１２μｍの間の波長範囲に存在し、他にも存在する。
【０００６】
これまで能動型光分光法は、離れたところで化学剤を検出するために用いられてきた。しかし、これらの技術は波長スペクトルにわたる光源の同調を利用していた。遠隔地にある化学物質の同定に用いられていた能動型光分光システムは一般に、ある波長範囲にかけてのレーザ源、例えば波長可変ダイオードレーザ（ＴＤＬ）、の同調及びそれぞれの同調波長に対する吸収の検出によって、そうしていた。そのような同調の導入は化学物質同定プロセスを遅くする。注目するスペクトル範囲にわたる所要の同調には時間がかかり、複雑性、大きさ及び費用を増大させる装置の追加を要する。
【０００７】
受動型光分光法も離れたところから化学物質を検出するために用いられてきた。これらの技術は、熱的に放射される輻射または散乱光及び拡散光の検出に必要な時間のため、能動型システムより遅い。さらに、そのようなシステムには照射源がないため、一貫性に欠ける不確実な光検出がおこり、長時間にわたる検出がさらに必要である。米国空軍で用いられている統合軍軽量遠距離化学兵器検出器（ＪＳＬＳＣＡＤ）はそのような受動型光分光システムの一例である。さらに、統合軍軽量遠距離化学兵器検出器のような受動型システムは検出される熱輻射の低い信号対雑音比（Ｓ/Ｎ）及び受動型システムの検出器内の暗電流雑音により偽警報率が高くなり易い。
【０００８】
例えば、その波長範囲では十分な光量レベルで光を発生するレーザ発光媒質または活性媒質がないため、レーザ源が利用できないいくつかの波長範囲において光を発生するために非線形光学系が用いられている。非線形光学技法には、非線形結晶内での３つの光波または電場の混合を伴うパラメトリック光発生がある。３つの光波のうちの２つが同じかまたはほとんど同じエネルギーまたは周波数（したがって波長）を有するときに縮退点が生じる。縮退点によりパラメトリック発振器を同調しようとする試みに関する情報は、特許文献１，特許文献２及び特許文献３に見ることができる。１９８２年９月１４日に公告された、名称を「波長可変範囲の広いピコ秒ＩＲ源（Broadly Tunable Picosecond IR Source）」とする特許文献１は、赤外領域においてスペクトル帯域及び波長を制御できるピコ秒進行波パラメトリック装置を開示している。このシステムの出力は本質的に広帯域ではなく、赤外波長範囲においてのみ同調可能である。そのような範囲にわたる同調は遅く、リアルタイム分光法または準リアルタイム分光法には適していない。
【０００９】
２００２年１１月２８日に公開された、名称を「縮退による非線形周波数混合装置を同調するための方法（Method for Tuning Nonlinear Frequency Mixing Devices Through Degeneracy）」とする特許文献２及び、関連する、２００２年１１月２８日に公開された、名称を「縮退近傍におけるパラメトリック光発振を用いる波長可変光源（Tunable Light Source Employing Optical Parametric Oscillation Near Degeneracy）」とする特許文献３は、広い同調範囲をもつ出力を達成するための縮退点による光パラメトリック装置の同調を開示している。上で引用した特許文献１と同様に、その真の性質により同調にはある時間がかかり、したがって同調を行わない場合より本質的に遅くなる。したがって、開示される技術はリアルタイム分光法または準リアルタイム分光法に適していない。また、同調装置は本質的に複雑であり、同調装置が用いられるシステムの大きさ及び費用を増大させる。
【特許文献１】米国特許第４３４９９０７号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００２/０１７６４５４号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００２/０１７６４７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
したがって、必要とされているのは、比較的簡素で安価なリアルタイムまたは準リアルタイム化学物質検出システムである。さらに必要とされているのは、出力範囲にわたる同調の必要がない、遠隔地にある化学兵器及び生物兵器を含む化学剤を定性的に検出できる、そのようなシステムである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
簡潔かつ概略的にいえば、本発明は遠隔地におけるいくつかの化学物質の存在を判定するための１つまたはそれより多くの広スペクトル幅パルスすなわち、「閃光」を含むことができる広帯域出力を発生する、システム及び方法を含む。特定の化学物質の存在を定性的に判定することができる。広帯域出力は、紫外範囲、可視範囲及び赤外範囲の波長を含むことができる。
【００１２】
閃光分光法による遠距離化学物質検出システムは光源及びパラメトリック装置を備え、パラメトリック装置はその縮退点においてポンピング波を受信するように構成されている。パラメトリック装置は光源からポンピング波を受信して広帯域出力を生じる。広帯域出力は、化学剤が存在するかも知れない遠隔地に送波される。遠隔地から広帯域出力を受信して吸収スペクトルをつくるように動作できる分光計を備えることができる。
【００１３】
広帯域出力はアイドラー波及び信号波を含むことができ、アイドラー波はいくつかの実施形態において実質的に信号波に等しい。いくつかの実施形態において、広帯域出力は半値全幅値が広帯域出力の中心波長の約５％から約２５％である帯域幅または線幅を有することができる。広帯域出力は半値全幅値が２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。いくつかの実施形態では、広帯域出力は半値全幅値が３００波数/ｃｍ（３００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。ポンピング波はアイドラー波長または信号波長の約１/２に等しい波長を有することができる。いくつかの実施形態において、アイドラー波及び信号波の内の１つの中心波長は約８μｍから約１２μｍの間とすることができる。
【００１４】
遠距離化学物質検出方法は、縮退点に構成されたパラメトリック装置にポンピング波を供給する工程及び広帯域出力を発生させる工程を含む。広帯域出力は化学剤があるかもしれない遠隔地に向けることができる。広帯域出力は遠隔地から検出することができ、化学剤の化学吸収スペクトルをつくることができる。
【００１５】
広帯域出力の検出はさらに、広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる工程を含むことができる。２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出し、多重化して、吸収スペクトルを形成することができる。吸収スペクトルは１つまたはそれより多くの既知の化学物質または化学剤の吸収スペクトルと比較することができる。
【００１６】
閃光分光法による化学物質検出システムは、ポンピング波を発生する手段及びポンピング波を縮退増幅して広帯域出力を発生させる手段を備える。システムは、広帯域出力を遠隔地に向ける手段ならびに遠隔地から広帯域出力を検出する手段を備えることができる。化学剤を同定する手段も備えられる。
【００１７】
化学剤を同定する手段はさらに、化学吸収スペクトルをつくる手段及び／または広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる手段を含むことができる。化学剤を同定する手段は２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する手段を含むことができる。化学剤を同定する手段はさらに、２つまたはそれより多くのサブバンドの強度を多重化して吸収スペクトルをつくる手段を含むことができる。化学剤を同定する手段は吸収スペクトルを既知の化学吸収スペクトルと比較するかまたは相関させる手段を含むことができる。いくつかの実施形態では、広帯域出力は半値全幅値が２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より大きい帯域幅または線幅を有することができる。
【００１８】
本発明の上記及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付される特許請求の範囲及び添付図面によってさらに深く理解されることになろう。図面は必ずしも比例尺で描かれておらず、代りに、本発明の原理を示す場合は強調されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、添付図面とともに読まれるべき、以下の詳細な説明によって理解することができる。以下の詳細の説明は例示に過ぎず、本発明の範囲の限定を意味するものではない。
【００２０】
本発明は、化学剤を検出するために遠隔地に向けることができる、例えば赤外領域における、広帯域出力を発生するシステム及び方法に関する。広帯域出力の広い帯域幅により、１つまたはそれより多くの化学剤の存在を示す吸収スペクトルを、光源を同調する必要なしにほぼリアルタイムにつくることができる。この結果、化学兵器及び生物兵器及び／またはこれらの合成前駆体及び分解生成物を含む化学剤を同定することができる。同調の回避により応答時間が短縮され、遠隔地における特定の化学剤の存在を検出するための速度が上がる。
【００２１】
図面を参照して、化学物質同定及び検出に用いるための閃光分光法の実施形態をここで説明する。図１は、遠距離化学物質検出のための閃光分光システム１００のコンポーネントを示す。光源１０２が、パラメトリック装置１０６として用いられる非線形結晶または結晶性材料に入射する、例えば赤外領域の、ポンピング波１０４を発生する。パラメトリック装置１０６は、パラメトリック光増幅器（ＯＰＡ）、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）またはパラメトリック光発振器（ＯＰＯ）として構成することができる。
【００２２】
パラメトリック装置１０６はパラメトリック相互作用または光発生により光を発生するために１つまたはそれより多くのポンピング波とともに用いることができる。パラメトリック相互作用または光発生は、非線形結晶内での３つの光波または電場、すなわち、ポンピング波、信号波及びアイドラー波の間のエネルギー混合またはエネルギー交換を含む。非線形材料または非線形結晶内でパラメトリック相互作用がおこるため、相互作用している３つの光波のエネルギーが保存される。運動量または位相も保存されるが、それでも少量の不整合により非線形結晶内で３つの光波の間のエネルギー移行が可能になるであろう。パラメトリック光発生により、３つの光波の内の１つまたは２つを他の光波からのエネルギー転換によって選択的に増幅させることができる。
【００２３】
狭い範囲の許容不整合を含む、運動量保存の要請は「位相整合」条件と称される。運動量または位相の不整合が大きくなるほど、３つの光波の相互作用またはパラメトリック相互作用の効率は低くなるであろう。非線形結晶は複屈折性であるから、そのような結晶は、２つまたはそれより多くの位相速度モードを与え、したがって、結晶内の光波の進行方向及び偏極に依存する２つまたはそれより多くの屈折率、すなわち常屈折率及び異常屈折率を有する。ある与えられた非線形結晶に対し、屈折率は位相整合条件を満たす波長の組合せを決定する。
【００２４】
パラメトリック装置１０６に用いられる非線形材料または非線形結晶は、入射光が特定の結晶に入った後に二重屈折すなわち複屈折が入射光にどの様に影響するかにしたがって識別することができる。非線形結晶はタイプＩ結晶またはタイプII結晶と称することができる。非線形結晶は、入射波または「ポンピング」波が二重に屈折されて、ポンピング波に垂直な、同じ偏極を有する信号電場または信号波及びアイドラー電場またはアイドラー波になる場合に、タイプＩ結晶と称される。タイプIIパラメトリック結晶は、ポンピング波から直交偏極した信号波及びアイドラー波を発生する結晶である。パラメトリック装置１０６はタイプＩ結晶またはタイプII構成に構成することができる。
【００２５】
パラメトリック装置１０６は縮退点またはその近傍に同調させるかまたは構成することができる。非線形結晶の縮退点は、信号波及びアイドラー波として知られる、２つの非ポンピング波がそれぞれ、ポンピング波の１/２である、同じ周波数またはエネルギーを有する点である。信号波及びアイドラー波の周波数またはエネルギーがほぼ等しい、縮退点近傍の領域は縮退領域と称される。ポンピング波１０４はパラメトリック装置１０６の縮退点に基づいて選択するかまたは同調させることができる。
【００２６】
パラメトリック装置１０６に用いられる特定の非線形結晶性材料の縮退点及び位相整合条件は、セルマイヤー方程式として知られる分散関係から決定することができる。セルマイヤー方程式は、特定の非線形結晶性材料の誘電率テンソル及び反透磁率テンソルと一致する、測定された屈折条件及び偏極条件、例えばその材料についての屈折率楕円体と一致するモードの偏極及び方向の数学的モデルである。様々な温度及び波長におけるある材料の屈折率測定値をその材料についてのセルマイヤー方程式を導くために用いることができる。
【００２７】
セルマイヤー方程式は一般に、一般の固体はその固体の誘電定数に寄与する共鳴周波数が相異なるいくつかの電子状態を有するという事実を表す。セルマイヤー方程式は下の式（１）：
【数１】
【００２８】
または同様の形式とすることができる。ここで、ｎは特定の非線形結晶の常屈折率または異常屈折率であり、Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤはセルマイヤー係数として知られる。セルマイヤー係数及び屈折率は座標軸、例えば、特定の結晶材料の主軸または、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸に対して決定することができる。セルマイヤー方程式の別の形式が知られており、それらの形式では非線形結晶の温度を考慮することができる。
【００２９】
パラメトリック装置１０６の同調は、ポンピング波の波長の調節による、例えばプリズム表または等価物上での方位調節、すなわち「角度同調」によるか、パラメトリック装置の温度制御、すなわち「温度同調」によるか、あるいはこれらのいかなる組合せによっても実施することができる。適切であれば、パラメトリック装置１０６の温度を制御できる。例えば、パラメトリック装置１０６を窒素デュワー瓶内で冷却するか、オーブン内で加熱することができる。
【００３０】
図１を続けて参照すれば、パラメトリック装置１０６は、ポンピング波１０４を３光波混合またはパラメトリック相互作用によって広帯域出力１０８に変換する。広帯域出力１０８は、等しいか、実質的に等しいか、及び／または縮退点または縮退領域またはそれらの近傍での、パラメトリック装置の構成による波長値に重なり得る、信号波及びアイドラー波を含むことができる。広帯域出力１０８は、例えば透過光学系によって、パラメトリック装置１０６から離れた、「離隔距離」と称される、距離にある遠隔地１１０に向けられる。
【００３１】
ある与えられたパラメトリック装置、例えばパラメトリック装置１０６に対し、縮退点または縮退領域またはそれらの近傍での、広帯域出力１０８の帯域幅の絶対値は下の式（２）：
【数２】
【００３２】
によって計算することができる。ここで、それぞれの一次微分はそれぞれの光波の群速度であり、Δｋは運動量または位相の不整合であって、Ｌをパラメトリック装置の結晶長として、２π/Ｌとおくことができ、添字ｓ及びｉはそれぞれ信号波及びアイドラー波を指し、Δωは縮退点またはその近傍におけるパラメトリック装置の帯域幅の絶対値である。式（２）は、信号波またはアイドラー波の帯域幅Δωが群速度の差に依存することを示す。群速度差は縮退点において無限大になり、ωｉ＝ωｓになるから、式（２）に示されるように、速度分散を表す二次項が帯域幅に導入される。
【００３３】
式（２）は、温度及び角度の変動を無視することによって、特定の材料のパラメトリック装置に対する期待スペクトル範囲の計算を簡単にする。式（２）の使用は、光源を同調する必要なしにリアルタイムまたはほぼリアルタイムに特定の化学剤を検出するに十分な帯域幅の広帯域出力を発生させるための、パラメトリック装置の材料の選択を容易にすることができる。帯域幅は、半値全幅値または３ｄＢ値、１/ｅ値、あるいはパワースペクトル密度の二乗の積分で総平均強度の二乗を割った比で表すことができる。
【００３４】
ＭＡＴＨＣＡＤ，ＭＡＴＬＡＢ及びＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡなどの適する数学ソフトウエアにより、ある与えられた非線形結晶に対するパラメトリック装置の広帯域出力のスペクトル範囲を決定するための式（２）の解を容易に得ることができる。そのようなソフトウエアにより、所望の変数を見いだすためかまたは特定の非線形結晶に対して係数を決定するためにセルマイヤー方程式の解を容易に得ることもできる。ＭＡＴＨＣＡＤは米国マサチューセッツ州ケンブリッジ（Cambridge）ケンドールスケア（Kendall Square）１のマスソフト社（Mathsoft, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。ＭＡＴＨＥＭＡＴＩＣＡは米国イリノイ州シャンペーン（Champaign）トレードセンタードライブ（Trade Center Drive）１００のウォルフラムリサーチ社（Wolfram Research, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。ＭＡＴＬＡＢは米国マサチューセッツ州ナティック（Natick）アップルヒルドライブ（Apple Hill Drive）３のザマスワークス社（The MathWorks, Inc.）に公許されたコンピュータプログラムの登録商標である。
【００３５】
図１を再び参照すれば、広帯域出力１０８の様々な波長は遠隔地１１０において存在するいずれかの化学剤１１２によって吸収され得る。そのような化学剤１１２はいずれかの化学材料または生物材料であり得る。例えば、化学剤には有機リン化合物を含めることができ、固体、液体、気体またはエアロゾルのようないずれかの形態の化学兵器を含めることができる。化学剤には、生体毒素、発疱剤／糜爛ガス、血液侵襲性薬剤、腐食剤または酸、窒息性または肺侵襲性ガス、不能化ガス、金属、神経ガス、有機溶媒、催涙ガスを含む暴徒鎮圧ガス、殺虫剤、有毒アルコール及び嘔吐ガスのいずれを含むこともできる。遠隔地１１０にある化学剤１１２との相互作用後、化学剤による吸収によっていずれかの周波数が減衰している広帯域出力１０８を分光計１１４または分光光度計によって検出し、測定することができる。
【００３６】
分光計１１４は、（１）遠隔地１１０から広帯域出力を受信し、（２）広帯域出力１０８をサブバンドまたはチャネルに分散させ、（３）分散したサブバンドまたはチャネルの強度を検出するように機能する。分光計１１４は、例えば一体化された単一装置、または装置の集合体あるいは個別の光学コンポーネント及び電気コンポーネントとすることができる。分光計１１４は強度信号を多重化して、分光計１１４のスペクトル範囲のある領域にわたる吸収スペクトルをつくることもできる。分光計１１４の操作可能なパラメータ、例えば、スペクトル範囲、サブバンドのスペクトル帯域幅、スペクトルサンプリング及び検出感度は、離隔距離、光源１０２の光量、広帯域出力１０８のコヒーレンス度及び注目する化学剤の吸収スペクトルの特徴のような様々な要因を考慮して選択するか、または設計することができる。
【００３７】
各チャネルの強度信号は、分光計１１４とは別の場所で、すなわちコンピュータまたは光多重スペクトル分析器（ＯＭＡ）において多重化することもできる。吸収スペクトルがつくられると、様々な化学剤の既知の吸収スペクトルとの比較を行うことができる。分光計１１４でそのような比較を行うことができ、あるいは分光計１１４とは別の適する装置で比較を実施することができる。例えば、適するコンピュータまたは光多重スペクトル分析器（ＯＭＡ）を比較のために用いることができる。
【００３８】
光源１０２に関してはいずれか適するコヒーレントまたは準コヒーレント光源を用いることができる。例にはレーザまたはその他の非熱的光源があるが、これらには限定されない。適するレーザは、気体、液体色素、ダイオードまたは固体の活性媒質を有することができる。光源１０２には、パラメトリック装置を含む非線形光デバイスによって所望のポンピング波長に変換される出力を発生するレーザを含めることができる。光源１０２によって発生されるポンピング波１０４は、例えばファブリー−ペロエタロンまたはその他のフィルタデバイスによってフィルタリングすることができる。さらに、ポンピング波がある範囲にわたって同調可能であるように、波長可変光源１０２を用いることができる。
【００３９】
次に図２を参照すれば、別の実施形態の閃光分光システム２００が示されている。光源２０２，例えばレーザが、縮退点または縮退領域に構成されたパラメトリック装置２０６に送波される、ポンピング波２０４を発生する。光源２０２は透過光学系も有することができる。パラメトリック装置２０６は広帯域出力２０８を発生する。光源２０２及びパラメトリック装置２０６の非線形材料または非線形結晶の適切な選択によって、広帯域出力２０８は所望の光スペクトル領域、例えば、紫外領域、可視領域または赤外領域を含むことができる。
【００４０】
透過光学系２１０は広帯域出力２０８を受信し、広帯域出力２０８を遠隔領域２１２にある化学剤２１１に向けることができる。透過光学系２１０は広帯域出力２０８を拡大及びコリメートするに適するレンズを有することができる。透過光学系２０８のレンズは望遠鏡構成またはビーム拡大器構成に構成することができる。存在するいずれかの化学剤２１１との相互作用後、広帯域出力２０８は、遠隔領域２１２から、適するレンズ、フィルタ及びアパーチャを有することができる集光光学系２１４によって受信できる。
【００４１】
集光光学系２１４は、チャネルまたはサブバンド２１８１〜ｎへの分散のための分散光学系２１６に広帯域出力２０８を送波することができる。検出器または検出器アレイ２２０のピクセルがサブバンド２１８１〜ｎの強度を検出する。分散素子または分散光学系２１６はいずれかの適するタイプとすることができる。例には、回折格子、プリズム、自己集束素子のような電気光学素子、アダマールマスク等があるが、これらには限定されない。
【００４２】
検出器アレイ２２０は吸収スペクトル２２２をつくるためにサブバンド２１８１〜ｎの強度を多重化または結合することができる。次いで、注目する化学剤の既知の吸収スペクトルとの吸収スペクトル２２２の比較によっていくつかの化学兵器または生物兵器の存在を判定することができる。比較は、既知の吸収スペクトルに対応する１つまたはそれより多くの整合フィルタの使用を含むがこれには限定されない適する技術またはその他の既知の技術によって達成することができる。比較は、例えば分光計またはコンピュータに備えることができる信号処理ハードウエアまたは信号処理ソフトウエアあるいはこれらの両者によって実施することができる。
【００４３】
広帯域出力２０８から分散されたサブバンド２１８１〜ｎの信号検出にはいずれか適する検出器アレイ２２０を用いることができる。例えば、検出器アレイには、量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）、フォトダイオード、電荷結合素子（ＣＣＤ）、アバランチフォトダイオード、マイクロボロメータを含むボロメータ及びフォトトランジスタを含めることができるがこれらには限定されない。検出器アレイは１次元または２次元とすることができる。検出器アレイは、システムの分散光学系の焦平面におかれるフォーカルプレーンアレイ（ＦＰＡ）とすることができる。２次元アレイの並列検出器素子からの信号は、加え合せて、信号対雑音比を改善し、したがって吸収スペクトルの検出を改善することができる。用いられるいかなるタイプの検出器に対しても、検出器材料を広帯域出力２０８のスペクトル範囲に整合させることができる。検出器はサブバンド２１８１〜ｎの検出を容易にするため、適切な方法、例えばデュワー瓶によって冷却できる。
【００４４】
次に、離隔距離における遠隔化学物質検出のための閃光分光システムの使用を、図２を参照して説明する。光源２０２が、パラメトリック装置２０６、例えば、縮退点またはその近傍に構成されたパラメトリック光発生器に入射する、ポンピング波２０４を発生する。広帯域出力２０８がパラメトリック装置２０６によって発生され、望遠鏡構成またはビーム拡大器構成の２枚のレンズを有することができる、透過光学系２１０を通って進行する。広帯域出力２０８は次いで化学剤２１１の存在を判定するために遠隔地２１２に向けられる。広帯域出力２０８は遠隔地２１２に存在するいずれかの化学剤２１１と相互作用し、存在する化学剤２１１は広帯域出力２０８の光の特性波長を吸収する。
【００４５】
広帯域出力２０８は、１つまたはそれより多くの集束レンズを有することができる集光光学系２１４に向けて反射または後方散乱される。次いで、広帯域出力２０８は分散光学系２１６，例えば回折格子によって、検出器アレイ２２０によって検出されるサブバンド２１８１〜ｎに分散される。検出器アレイ２２０はサブバンド２１８１〜ｎの強度を多重化し、吸収スペクトル２２２をつくる。吸収スペクトル２２２は次いで、神経ガス及び発疱性ガスのＩＲ吸収スペクトルを含めることができるがこれらには限定されない、既知の吸収スペクトルのライブラリと比較することができる。
【００４６】
遠隔地２１２は、地理的拘束条件、利用できる光源の光量、検出器アレイ２２０の検出器の検出感度を含む分光計の信号対雑音比（Ｓ/Ｎ）パラメータ及び検出された吸収スペクトル２２２内の特徴の信号対雑音比によって、影響され、調節され得る、離隔距離にある。
【００４７】
図３を次に参照すれば、閃光分光法を用いて離れた遠隔地にある化学剤を検出する方法３００についてのフローチャートが示される。適切な光源によってポンピング波が発生され（ステップ３０２）、このポンピング波が縮退点またはその近傍に構成された（ステップ３０４）パラメトリック装置に入射する。例えばＩＲ領域の、広帯域出力がパラメトリック装置から、広帯域出力のいくつかの領域を吸収し得る１つまたはそれより多くの化学剤が存在する、遠隔地に送波される（ステップ３０６）。後方散乱光であり得る、広帯域出力の一部が遠隔地から受信され（ステップ３０８）、吸収スペクトルが検出される（ステップ３１０）。
【００４８】
図４は、方法３００の受信するステップ３０８及び検出するステップ３１０における付加ステップの方法４００のフローチャートである。広帯域出力の遠隔地から受信される部分が、集光光学系によって集光され（ステップ４０２）、次いで多くのサブバンドまたはチャネルに分散される（ステップ４０４）。サブバンドの強度が検出され（ステップ４０６）、次いで吸収スペクトルをつくるために多重化または結合される（ステップ４０８）。次いで吸収スペクトルが既知の化学物質の吸収スペクトルと比較または相関されて（ステップ４１０）、遠隔地における１つまたはそれより多くの化学剤の存在が判定される（ステップ４１２）。
【００４９】
本発明に用いられるパラメトリック装置は、パラメトリック光増幅器（ＯＰＡ）、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）またはパラメトリック光発振器（ＯＰＯ）として構成することができる。いくつかの実施形態において、パラメトリック光発生器（ＯＰＧ）を、そのような装置はＯＰＯに比較して利得幅拡大を生じる傾向があることから、用いることができる。ＯＰＧを用いる場合、単パスまたは複パス構成を用いることができる。ＯＰＯを用いることもできるが、装置の共振器内での複パス中に利得幅縮小が生じる可能性がある。
【００５０】
パラメトリック装置に対する材料の選択において考慮され得る要因には、非線形光学係数、非線形増幅または利得閾値、レーザまたは光損傷閾値、分光透過範囲、受容角、ウオークオフ角及び縮退点における帯域幅の内の１つまたはいくつかを含めることができるが、これらには限定されない。ｄ２/ｎ３で定義される、非線形性能指数のような別の要因を考慮することもできる。ここで、ｄ＝ｄＮＬすなわち非線形光学係数であり、ｎは特定の材料の透過率中心波長近傍の平均屈折率である。
【００５１】
既述の一般性を制限することなしに、パラメトリック装置、例えばパラメトリック装置１０６に適する材料または結晶には、二リン酸アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４すなわち「ＡＤＰ」）、ベータ（β）ホウ酸バリウム（ＢＢＯ）、セレン化ガリウム（ＧａＳｅ）、ニオブ酸バリウムリチウム（Ｂａ２ＬｉＮｂ５Ｏ１５）、硫化カドミウムガリウム（ＣｄＧａ２Ｓ４）、セレン化カドミウム（ＣｄＳｅ）、二ヒ化カドミウムゲルマニウム（ＣｄＢｅＡｓ２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、化学量論的ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、三ホウ酸リチウム（ＬｉＢ３Ｏ５すなわち「ＬＢＯ」）、二リン酸カリウム（ＫＨ２ＰＯ４すなわち「ＫＤＰ」）、リン酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＰＯ４すなわち「ＫＴＰ」）、ヒ酸カリウムチタニル（ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＫＴＡ」）、インジウムドープヒ酸カリウムチタニル（Ｉｎ：ＫＴｉＯＡｓＯ４すなわち「Ｉｎ：ＫＴＡ」）、ヒ酸ルビジウムチタニル（ＲｂＴｉＯＡｓＯ４すなわち「ＲＴＡ」）、セレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）、硫化銀ガリウム（ＡｇＧａＳ２）、硫化銀ヒ素（Ａｇ３ＡｓＳ３すなわち「淡紅銀鉱」）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ネオジムドープニオブ酸マンガンリチウム（Ｎｄ：ＭｇＬｉＮｂＯ３）、及び適する黄銅鉱のいずれかを含めることができるが、これらには限定されない。適する非線形材料は、以下の化合物系または合金、（Ｚｎ１−ｘＣｄｘ）ＧｅＡｓ２，Ｚｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ａｓ２及びＺｎ（Ｇｅ１−ｘＳｉｘ）Ｐ２から選ぶことができる。これらの化合物系については、付随する二次非線形分極率、したがって非線形係数を、ＰのＡｓへの置換、ＳｉのＧｅへの置換、及びＺｎのＣｄへの置換に対応して大きくすることができる。その他の適する非線形材料は、以下の化合物系または合金、ＡｇＧａ１−ｘＩｎｘＳｅ２及びＣｄＧｅ（Ａｓ１−ｘＰｘ）２から選ぶことができる。
【００５２】
上述した材料に加えて、準位相整合（ＱＰＭ）または周期的極交番型材料をパラメトリック装置に用いることができる。そのようなＱＰＭ材料は周期的分域反転、すなわち周期的極交番を利用し、相互作用している光波または信号の間の位相速度不整合を補償するＱＰＭ格子を形成するために用いることができる。非線形係数の符号の変化が分域反転にともない、したがって、そのような格子は材料の屈折率による分散を補償することができる。
【００５３】
準位相整合（ＱＰＭ）により、多くの波長において位相整合された動作が可能になる。変調周期、すなわち格子周期は、いかなる周波数変換プロセスの位相整合も提供するように設計することができ、よって非線形結晶特性を所望の要件に精確に調整することができる。さらに、そのような格子は真に周期的である必要はない。例えば、それぞれの分域長が先行分域長に対して調節すなわち「チャープ」された、チャープ型格子を用いることができる。チャープ型格子は、受容帯域幅のような特性を高め、ウオークオフを弱め、時間的パルス補償を容易にするために用いることができる。
【００５４】
ＱＰＭに利用される周期的極交番型材料によって、特定の非線形結晶における最大の非線形係数を利用する伝搬方向と偏極の組合せの選択が可能になり得る。パラメトリック装置に適する周期的極交番型材料には、周期的双晶ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ）及びその他のリソグラフィパターン付材料、周期的極交番型ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）、周期的極交番型ＫＴＰ（ＰＰＫＴＰ）、周期的極交番型ＲＴＡ（ＰＰＲＴＡ）を含めることができるが、これらには限定されない。非周期的極交番型ニオブ酸リチウム（ＡＰＰＬＮ）を含むがこれには限定されない非周期極交番型材料をパラメトリック装置に用いることができる。時間的ウオークオフ、制限された受容帯域幅及び逆変換のような帯域幅制限効果は、格子周期が線形チャープされた、適切に設計された結晶により回避することができる。
【００５５】
非線形係数及び性能指数が大きい材料はパラメトリック装置に十分な非線形利得を与えることができ、よってＯＰＯ構成は必要ではない。アニールされた陽子交換ＬｉＮｂＯ３構造のような導波構造にＱＰＭ材料が組み込まれる、導波ＱＰＭ材料も用いることができる。いくつかの実施形態において、導波ＱＰＭパラメトリック材料をパラメトリック増幅器に用いて、回折効果を弱め、得られるパラメトリック利得を高めることができる。
【００５６】
パラメトリック素子として用いられる特定の非線形結晶の縮退点は、（１）先験的に既知であるか、（２）適切なセルマイヤー方程式から決定するか、（３）既知の同調曲線から決定するか、（４）得られる同調曲線から決定するか、及び／または（５）適切な屈折率楕円体から決定することができる。温度同調に適する温度は特定の結晶材料に対する温度依存セルマイヤー方程式から求めることができる。
【００５７】
したがって、本発明の使用により遠隔地にある特定の化学剤の吸収スペクトルをリアルタイムまたはほぼリアルタイムに決定できることは当然である。例えば、ＶＸ、サリン、シクロサリン、ソマン、タブンのような神経ガスも、マスタードガスのような発疱剤も含む、多くの主要な化学兵器の赤外（ＩＲ）吸収スペクトルを観測及び識別することができた。少なくとも８つの主要な化学兵器が９μｍ周辺に集まるＩＲ吸収帯を有する。これらには、タブン（ＮＡＴＯ名称「ＧＡ」）、サリン（ＧＢ）、ソマン（ＧＤ）、ＶＸ、蒸留マスタードガス（ＨＤ）、クロロアセトフェノン（ＣＮ）、ｏ−クロロベンジルマロノニトリル（ＣＳ）、及びＢＺが含まれる。例えば、「化学兵器の赤外スペクトル（８〜１３μｍ）及びポテンシャル干渉集（Atlas of Infrared Spectra （8-13 micron） of Chemical Agents and Potential Interferences）」，米国陸軍化学システムラボラトリ（１９７７年）を参照のこと。この文献の内容は本明細書に参照として含まれる。これらのような化学兵器は、検出された吸収スペクトルを既知の吸収スペクトルのライブラリまたはデータベースと比較することによって遠隔地にあると判定することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態において、従来の帯域幅の定義を用いれば、２００波数/ｃｍ（２００ｃｍ−１）より広い帯域幅を有する広帯域出力を発生するパラメトリック装置を用いることができる。例示的実施形態において、３００波数/ｃｍ（３００ｃｍ−１）より広い帯域幅を有する広帯域出力を発生するパラメトリック装置を用いることができる。
【００５９】
いくつかの実施形態において、波長が４μｍと５μｍの間、好ましくはほぼ４.５μｍ近傍の赤外ポンピング波を発生する光源を用いることができる。そのような範囲のポンピング波により、縮退点に構成された４μｍから１２μｍの送波範囲をもつパラメトリック装置は８〜１２μｍの範囲の広帯域出力を発生する。このスペクトル範囲をもつ広帯域出力は、神経ガス、発疱ガス及び衰弱化ガスを含む、有機リン化合物または有機リン酸化合物の検出に用いることができる。ほとんどの神経ガスは、リン酸の有機リン酸エステル誘導体であり、８〜１２μｍの範囲に信号対雑音比の高い特徴をもつ吸収スペクトルを有する。このスペクトル範囲はその他の化学兵器のリン原子団を検出するために用いることもできる。サリンまたはソマンの加水分解によって生成され、それらのいずれよりも安定である、メチルホスホン酸（ＭＰＡ）も８〜１２μｍの範囲にある吸収スペクトル特徴によって検出できる。
【００６０】
いくつかの実施形態において、パラメトリック装置が９μｍ範囲を含む広帯域出力を発生するように、一酸化炭素（ＣＯ）レーザまたは量子多段（ＱＣ）レーザを４.５μｍ近傍のポンピング波を発生するための光源として用いることができる。図５に示されるように、いくつかの既知の致死性神経ガスを含む様々な化学兵器は、赤外スペクトルの９μｍ範囲に特有の吸収スペクトル細部を有する。いくつかの実施形態において、量子多段（ＱＣ）レーザを、そのようなＱＣレーザはリン化インジウム（ＩｎＰ）上のＡｌＩｎＡｓ/ＩｎＧａＡｓ格子を用いてほぼ４.５〜１７μｍのいかなる波長においても作成することができるから、所望の赤外光の小型光源を得るために用いることができる。
【００６１】
本発明にしたがえば、パルスレーザ光源により１パルスまたは数パルスだけで、遠隔地における１つまたはそれより多くの化学剤の存在を示す化学吸収スペクトルをつくることができる。さらに、光源の光量のような操作可能なパラメータを、有毒または致死性の化学剤の場合に、それらの化学剤を人命へのリスクを低くして検出することができるように、遠隔地への離隔距離を広げるために調節することができる。
【００６２】
有効離隔距離は、特定の透過窓、注目する化学剤、検出器アレイの検出感度、広帯域出力の波長広がり、地理的拘束条件、得られる光源の光量及び分光計の信号対雑音比パラメータによって影響を受ける場合がある。
【００６３】
いくつかの透過窓内にある信号対雑音比の高い特徴を探すことにより、及び大光量光源及び高検出感度検出器の適切な選択により、数１００ｍから数ｋｍの離隔距離を実現することができる。そのような距離では、市街地または都市環境内での化学剤検出に対する本発明の使用が理想的になる。本発明は、光源によって提供される照明及び化学剤を検出することができる速度のため、統合軍軽量遠距離化学兵器検出器（ＪＳＬＣＡＤ）の代りの使用にもよく適する。
【００６４】
以下の実施例は本発明の広い範囲及び適用可能性を示すために提示される。
【実施例１】
【００６５】
本予見的実施例については、光源としてＣＯレーザが用いられ、パラメトリック装置の材料にＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２が用いられる。そのような一酸化炭素（ＣＯ）レーザは約４.８μｍから約８.３μｍの多数のレーザ線を発生することができ、特定の線を選択するために線の同調を行うことができる。本実施例においては、ＣＯレーザが光源として用いられ、パルス波長の中心が４.８μｍの、パルス出力を発生することができる。本予見的実施例は、化学兵器の検出に用いるための８.６〜１０.６μｍの範囲にわたる広帯域出力を発生するための、ＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２のような適する非線形結晶でつくられたパラメトリック装置をポンピングするために、４.８μｍ近傍の光を発生する適する光源をどのように用いることができるかを示す。
【００６６】
パルス特性は既知のタイミング及び／または圧縮技術及び装置によって能動的に制御することができる。ＣＯレーザからの出力は十分なフルーエンスを有し、ポンピング波として用いて、例えばＡｇＧａＳｅ２またはＣｄＧｅＡｓ２でつくられたＯＰＧに送波される。パラメトリック装置は縮退点または縮退領域に構成される。パラメトリック装置はＣＯレーザ出力を縮退増幅し、ほとんど等しい信号波及びアイドラー波を含む広帯域出力を発生する。縮退構成の結果、広帯域出力の中心は約９.６μｍにある。広帯域出力は、ほぼ８.６〜１０.６μｍの範囲に相当する、ポンピング波長の、±１０％またはそれ以上の、例えば、ＦＷＨＭ、３ｄＢまたは１/ｅで表される、帯域幅または線幅を有することができる。そのような広帯域出力は、多くの化学兵器の吸収スペクトルが信号対雑音比の高い特徴を有する、スペクトル範囲にある。
【００６７】
図５を参照すれば、実施例１の広帯域出力に対するいくつかの既知の神経ガスの信号対雑音比が高い特徴を示すグラフが示されている。示される軸は波長対ＡｇＧａＳｅ２についての内部角であり、ここで内部角は光軸を含む固有結晶軸すなわち主軸に対してどのように結晶がカットされたかを示す。ポンピング波の波長は４.６３５μｍであり、広帯域出力は８μｍ近傍に始まり約１０.２μｍまで広がる。
【００６８】
図５に示されるポンピング波長は、二酸化炭素（ＣＯ２）の最も占有粒子数が多い、すなわち最も強い線である、Ｊ＝２０からＪ＝２１への回転量子数の遷移に対応するＣＯ２レーザ線Ｒ（２０）に基づいて計算した。４.５μｍ近傍で動作するＣＯレーザはそのようなパラメトリック装置に対して同様の広帯域出力を発生することができる。様々な化学兵器に対する吸収スペクトルピークの位置が示されている。例えば、ＶＸはほぼ８.６３μｍにある吸収ピークで示されている。その他の化学兵器の吸収ピークは、「化学兵器の赤外スペクトル（８〜１３μｍ）及びポテンシャル干渉集」，米国陸軍化学システムラボラトリ（１９７７年）に開示されており、この文献の内容は本明細書に参照として含まれる。
【００６９】
パラメトリック装置からの広帯域出力は、ＶＸガス，サリンガスまたはソマンガスあるいはその他のガスのような、化学兵器がある遠隔領域に向けられ、その領域において化学兵器が広帯域出力の様々な成分を吸収する。広帯域出力の一部が分散光学系及び検出器を有する分光計の近傍に反射または後方散乱される。広帯域出力の後方散乱光は後方散乱光をサブバンドに分散させる分散光学系、例えば回折格子によって分散される。
【００７０】
検出器は検出器素子またはピクセルでつくられた１次元（１Ｄ）アレイを有することができる。実施例１の検出器については、８〜１０.５μｍの範囲にわたる波長に適する材料でピクセルをつくることができる。検出器アレイの個々の素子がそれぞれのサブバンドの強度を検出する。個々の検出器は、個々のサブバンドに対応する限定された範囲の波長を検出するために、相異なる材料でつくることができる。検出器アレイは２次元（２Ｄ）フォーカルプレーンアレイ、例えば酸化バナジウム（ＶＯ２）マイクロボロメータのアレイを有することもできる。検出器は強度を多重化して、広帯域出力の波長範囲にわたる検出された吸収スペクトルをつくる。次いで、遠隔地に１つまたはそれより多くの化学兵器または生物兵器があるか否かを判定するために、検出された吸収スペクトルを既知の化学兵器または生物兵器の吸収スペクトルと比較することができる。
【実施例２】
【００７１】
タイプＩ ＡｇＧａＳｅ２ ＯＰＯをポンピングするために２段階波長変換プロセスを用いた。光源はレーザ及びＯＰＯとした。すなわち、１.０６μｍＮｄ：ＹＡＧレーザを用いてタイプII ＫＴＰ ＯＰＯをポンピングした。ポンピングレーザはコンティニューム（Continuum）モデルＮＹ６１ ＹＡＧレーザである。Ｎｄ：ＹＡＧポンピングレーザの出力をθ＝５３.５°の内部角にカットしたタイプII ＫＴＰ ＯＰＯに対する１.０６μｍポンピング波として用いた。タイプII ＫＴＰ ＯＰＯによってポンピング波は１.９９/２.２８μｍの信号波/アイドラー波対に変換された。
【００７２】
波長の短い信号波、すなわち１.９９μｍ波を、θ＝４９°の内部角にカットした１０×１０×４０ｍｍの反射防止（ＡＲ）膜付セレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）結晶を有する、クリーブランドクリスタルズ（Cleveland Crystals）製タイプＩ位相整合型ＯＰＯをポンピングするために用いた。このタイプＩパラメトリック装置は縮退点近傍に構成され、中心波長が約４μｍの赤外広帯域出力を発生した。
【００７３】
亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）を３８０Ｔｏｒｒ（５.０７×１０４Ｐａ）で入れたガスセルに広帯域出力を向けた。ガスセルから後方散乱された光を多重２Ｄ焦電素子アレイを有するプリズム分光計で集光した。分光計にはスピリコン（Spiricon）モデル パイロカム・パイロエレクトリック（Pyrocam Pyroelectric）（１２８×１２８）を用いた。２Ｄアレイの縦方向のピクセルの出力を総和し、５ポンピングパルスからの結果を平均した。多重アレイからの信号を結合し、ほぼ３.７５〜４.２５μｍの範囲を有する吸収スペクトルをつくった。この吸収スペクトルを亜酸化窒素の既知の化学吸収スペクトルと比較し、吸収スペクトルは既知の亜酸化窒素吸収スペクトルと高い相関度で一致した。検出器アレイの分解能を改善することができたと発明者等は考えている。ほぼ０.１６６７秒（１/６秒）内で全プロセスを達成した。
【００７４】
本発明を本発明のいくつかの実施形態を参照して詳細に説明したが、他の実施形態も可能である。例えば、既述の説明は全般的に赤外広帯域出力の使用による化学剤の同定に向けられているが、当業者であれば紫外光及び可視光の広帯域出力の使用及び発生が本発明の範囲内にあることを理解するはずである。本発明の実施形態の説明は全般的に、光源または送波器及び分光計または受波器が同じ場所にある、モノスタティック構成における後方散乱光の検出に向けられているが、本発明の範囲にはその他の構成も含まれる。例えば、光源または送波器及び分光計または受波器が異なる場所にある、バイスタティック構成を利用することができる。そのようなバイスタティック構成は、光源またはパラメトリック装置からほぼ１８０°の、遠隔地と実質的に同一線上に配置された検出器の使用を含むことができる。さらに、１つより多くの検出器または検出器アレイを用いることができ、これらは相異なる場所に配置することができる。さらに、全般的にレーザまたは非熱的光源として光源を説明したが、適する光源にはそのような光源からの周波数シフト出力も含めることができる。
【００７５】
当業者であれば、上述から明らかであろうように、本発明が多くの手段で改変され得ることを理解するであろう。したがって、本発明は添付される特許請求の範囲によって求められる限りにしか限定されるべきではない。
【００７６】
読者の注意は、本明細書と同時に提出され、本明細書とともに自由に公衆が便覧できる、全ての論文及び文書に向けられ、そのような論文及び文書の内容は本明細書に参照として含まれる。添付される特許請求の範囲、要約及び図面を含む、本明細書に開示される特徴の全ては、そうではないことが明白に述べられている場合を除き、同じか、等価であるかまたは同様の目的を果たす別の特徴によって置き換えることができる。したがって、そうではないことが明白に述べられている場合を除き、開示される特徴のそれぞれは包括的な等価または同様の特徴の組の内の一例に過ぎない。特定の機能を実施する「手段」を明示的に述べていない特許請求項におけるいずれの要素も、米国特許法第１１２条第６項に明記されているように、「手段」または「工程」条項と解されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】遠距離化学物質検出のための閃光分光法のコンポーネントを示す簡略な概念図である
【図２】閃光分光システムの別の実施形態の簡略なブロック図である
【図３】閃光分光法を用いて遠隔地にある化学剤を検出する方法のフローチャートである
【図４】図３の方法の付加工程のフローチャートである
【図５】波長が計算された広帯域出力対ＡｇＧａＳｅ２についての内部角のグラフである
【符号の説明】
【００７８】
１００ 閃光分光システム
１０２ 光源
１０４ ポンピング波
１０６ パラメトリック装置
１０８ 広帯域出力
１１０ 遠隔地
１１２ 化学剤
１１４ 分光計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
閃光分光法による遠距離化学物質検出システムにおいて、
光源、
パラメトリック装置であって、前記パラメトリック装置の縮退点において前記光源からポンピング波を受信するように構成されたパラメトリック装置、
前記パラメトリック装置によって発生され、遠隔地に送波される、広帯域出力、及び
前記遠隔地から前記広帯域出力を受信し、吸収スペクトルをつくるように動作できる分光計、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記広帯域出力がアイドラー波及び信号波を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アイドラー波が前記信号波と実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記広帯域出力は、半値全幅値が広帯域出力中心波長の約５％から約２５％である帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記広帯域出力は、半値全幅値が広帯域出力中心波長の約１０％から約２０％である帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記広帯域出力は、半値全幅値が２００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記広帯域出力は、半値全幅値が３００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ポンピング波が前記広帯域出力中心波長の約１/２に等しい中心波長を有することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記アイドラー波及び前記信号波の内の１つの中心波長が約８μｍから約１２μｍの間にあることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アイドラー波及び前記信号波の内の１つの中心波長が約３μｍから約５μｍの間にあることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記分光計が、前記広帯域出力を受信し、前記広帯域出力が前記遠隔地から受信された後に前記広帯域出力を複数のサブバンドに分散させるように構成された光分散素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記分光計が前記サブバンドを受信するように構成された検出器アレイを備え、前記検出器アレイが前記サブバンドから多重吸収スペクトルをつくるように動作できることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記検出器アレイが１Ｄアレイを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検出器アレイが１２８の検出器素子を有することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検出器アレイが２５６の検出器素子を有することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検出器アレイが２Ｄアレイを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出器素子が１２８×１２８構成に構成されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
既知の化学剤に対応する整合フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ポンピング波が約４μｍから約５μｍの間の波長を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記パラメトリック装置がコリメート光学系または透過光学系を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記パラメトリック装置がパラメトリック光発生器を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記パラメトリック装置がパラメトリック光発振器を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記光源が一酸化炭素ガスレーザまたは二酸化炭素ガスレーザを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記光源がダイオードレーザを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記光源が４.５μｍの波長を有するポンピング波を発生する量子多段ダイオードレーザを有することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光源がＡｌＩｎＡｓ/ＩｎＧａＡｓ量子多段ダイオードレーザを有することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記パラメトリック装置がタイプＩ構成に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記パラメトリック装置がタイプII構成に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記パラメトリック装置がヒ化カドミウムゲルマニウム（ＣｄＧｅＡｓ２）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記パラメトリック装置がセレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記パラメトリック装置が周期的双晶ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記検出器アレイが量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）を有することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項３３】
遠距離化学物質検出方法において、
縮退点に構成されたパラメトリック装置にポンピング波を供給する工程、
広帯域出力を発生させる工程、
化学剤がある遠隔地に前記広帯域出力を向ける工程、
前記遠隔地からの前記広帯域出力を検出する工程、及び
前記化学剤の化学吸収スペクトルをつくる工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記検出する工程が前記広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記化学吸収スペクトルをつくる前記工程が前記２つまたはそれより多くのサブバンドの前記強度を多重化する工程を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記化学吸収スペクトルを１つまたはそれより多くの既知の吸収スペクトルと比較する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記遠隔地における既知の化学物質の存在を判定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
閃光分光法による化学物質検出システムにおいて、
ポンピング波を発生させる手段、
前記ポンピング波を縮退増幅して、広帯域出力を発生させる手段、
前記広帯域出力を遠隔地に向ける手段、
前記遠隔地からの前記広帯域出力を検出する手段、及び
化学剤を同定する手段、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項４０】
前記同定する手段が化学吸収スペクトルをつくる手段をさらに含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記同定する手段が前記広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる手段を含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記同定する手段が前記２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する手段をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記同定する手段が前記吸収スペクトルをつくるために前記２つまたはそれより多くのサブバンドの前記強度を多重化する手段をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記同定する手段が前記吸収スペクトルを既知の化学吸収スペクトルと相関させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記広帯域出力は、半値全幅値が２００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項１】
閃光分光法による遠距離化学物質検出システムにおいて、
光源、
パラメトリック装置であって、前記パラメトリック装置の縮退点において前記光源からポンピング波を受信するように構成されたパラメトリック装置、
前記パラメトリック装置によって発生され、遠隔地に送波される、広帯域出力、及び
前記遠隔地から前記広帯域出力を受信し、吸収スペクトルをつくるように動作できる分光計、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記広帯域出力がアイドラー波及び信号波を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記アイドラー波が前記信号波と実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記広帯域出力は、半値全幅値が広帯域出力中心波長の約５％から約２５％である帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記広帯域出力は、半値全幅値が広帯域出力中心波長の約１０％から約２０％である帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記広帯域出力は、半値全幅値が２００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記広帯域出力は、半値全幅値が３００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ポンピング波が前記広帯域出力中心波長の約１/２に等しい中心波長を有することを特徴とする請求項５に記載のシステム。
【請求項９】
前記アイドラー波及び前記信号波の内の１つの中心波長が約８μｍから約１２μｍの間にあることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記アイドラー波及び前記信号波の内の１つの中心波長が約３μｍから約５μｍの間にあることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記分光計が、前記広帯域出力を受信し、前記広帯域出力が前記遠隔地から受信された後に前記広帯域出力を複数のサブバンドに分散させるように構成された光分散素子を備えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記分光計が前記サブバンドを受信するように構成された検出器アレイを備え、前記検出器アレイが前記サブバンドから多重吸収スペクトルをつくるように動作できることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記検出器アレイが１Ｄアレイを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検出器アレイが１２８の検出器素子を有することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検出器アレイが２５６の検出器素子を有することを特徴とする請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検出器アレイが２Ｄアレイを含むことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出器素子が１２８×１２８構成に構成されることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
既知の化学剤に対応する整合フィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１９】
前記ポンピング波が約４μｍから約５μｍの間の波長を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記パラメトリック装置がコリメート光学系または透過光学系を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記パラメトリック装置がパラメトリック光発生器を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記パラメトリック装置がパラメトリック光発振器を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記光源が一酸化炭素ガスレーザまたは二酸化炭素ガスレーザを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記光源がダイオードレーザを有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
前記光源が４.５μｍの波長を有するポンピング波を発生する量子多段ダイオードレーザを有することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光源がＡｌＩｎＡｓ/ＩｎＧａＡｓ量子多段ダイオードレーザを有することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
前記パラメトリック装置がタイプＩ構成に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記パラメトリック装置がタイプII構成に構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
前記パラメトリック装置がヒ化カドミウムゲルマニウム（ＣｄＧｅＡｓ２）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記パラメトリック装置がセレン化銀ガリウム（ＡｇＧａＳｅ２）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記パラメトリック装置が周期的双晶ヒ化ガリウム（ＰＴＧａＡｓ）でつくられることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
前記検出器アレイが量子井戸赤外光検出器（ＱＷＩＰ）を有することを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項３３】
遠距離化学物質検出方法において、
縮退点に構成されたパラメトリック装置にポンピング波を供給する工程、
広帯域出力を発生させる工程、
化学剤がある遠隔地に前記広帯域出力を向ける工程、
前記遠隔地からの前記広帯域出力を検出する工程、及び
前記化学剤の化学吸収スペクトルをつくる工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項３４】
前記検出する工程が前記広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記化学吸収スペクトルをつくる前記工程が前記２つまたはそれより多くのサブバンドの前記強度を多重化する工程を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記化学吸収スペクトルを１つまたはそれより多くの既知の吸収スペクトルと比較する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
前記遠隔地における既知の化学物質の存在を判定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
閃光分光法による化学物質検出システムにおいて、
ポンピング波を発生させる手段、
前記ポンピング波を縮退増幅して、広帯域出力を発生させる手段、
前記広帯域出力を遠隔地に向ける手段、
前記遠隔地からの前記広帯域出力を検出する手段、及び
化学剤を同定する手段、
を備えることを特徴とするシステム。
【請求項４０】
前記同定する手段が化学吸収スペクトルをつくる手段をさらに含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４１】
前記同定する手段が前記広帯域出力を２つまたはそれより多くのサブバンドに分散させる手段を含むことを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記同定する手段が前記２つまたはそれより多くのサブバンドのそれぞれの強度を検出する手段をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記同定する手段が前記吸収スペクトルをつくるために前記２つまたはそれより多くのサブバンドの前記強度を多重化する手段をさらに含むことを特徴とする請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記同定する手段が前記吸収スペクトルを既知の化学吸収スペクトルと相関させる手段をさらに含むことを特徴とする請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記広帯域出力は、半値全幅値が２００ｃｍ−１より広い帯域幅または線幅を有することを特徴とする請求項３９に記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２００７−５０１４０１（Ｐ２００７−５０１４０１Ａ）
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２９３６０（Ｐ２００６−５２９３６０）
【出願日】平成１６年５月２０日（２００４．５．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６２６２
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１４０１１
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０００３０２４２）テクストロン・システムズ・コーポレイション (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月２０日（２００４．５．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６２６２
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１４０１１
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０００３０２４２）テクストロン・システムズ・コーポレイション (6)
【Ｆターム（参考）】
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