周波数コムを有する同期方式の干渉計
本発明は、１）第１周波数コムと、２）干渉を生成するべく、第１周波数コムと相互作用するべく構成された第２周波数コムと、３）２つのコムの周波数成分中の周波数成分のサブセットの間においてうなり信号を隔離する手段であって、この周波数成分のサブセットは、好ましくは、第１周波数コムの単一ライン及び第２周波数コムの単一ラインであるが、これは、必須ではない、手段と、４）このうなり信号を監視し、且つ、この信号を第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する取得ユニット装置用のトリガとして又はクロックとして使用する手段と、を有する干渉計に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計の分野に関する。本発明は、干渉計と、この干渉計において干渉を計測する方法と、に関する。
【０００２】
本発明は、更に詳しくは、１）第１周波数コムと、２）干渉を生成するべく、第１周波数コムと相互作用するべく適合された第２周波数コムと、３）２つのコムの周波数成分中の周波数成分のサブセットの間のうなり信号を隔離する手段であって、この周波数成分のサブセットは、好ましくは、第１周波数コムの単一ライン及び第２周波数コムの単一ラインであるが、これは、必須ではない、手段と、このうなり信号を監視すると共に、第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する装置のためのトリガとして又はクロックとして使用する手段と、を有する干渉計に関する。
【０００３】
従って、本発明は、縞の変動の監視に基づいたトリガ方式の改善された干渉計を提供する。本明細書に記述されている同期方法は、２つのコムの狭帯域部分におけるうなり周波数の判定と、時間に伴うコムの不安定性とは無関係に新しいグリッドによる干渉分光信号のサンプリングを可能にするトリガ又はクロック方式におけるその知識の使用法と、に基づいている。
【０００４】
本発明の第２の態様によれば、分光吸収及び分散シグネチャを具備するサンプルを分析する干渉分光法が提供される。この干渉分光法は、１）検討対象のサンプルを精査する第１周波数コムと、２）干渉を生成するべく、第１周波数コムと相互作用するべく適合された第２周波数コムであって、この第２コムは、サンプルを精査してもよく、或いは、精査しなくてもよい、第２周波数コムと、２つのコムの周波数成分中の周波数成分のサブセットの間のうなり信号を隔離する手段であって、この周波数成分のサブセットは、好ましくは、第１周波数コムの単一ライン及び第２周波数コムの単一ラインであるが、これは必須ではない、手段と、４）このうなり信号を時間の関数として監視すると共に、この信号を第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する装置のためのトリガとして又はクロックとして使用する手段と、５）４）に記述されている信号をクロックとして又はトリガとして使用し、第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する手段と、を有する。
【背景技術】
【０００５】
光周波数コム（ＦＣ）は、位相コヒーレントな等距離のレーザーラインから構成された光スペクトルである。周波数コムについては、当技術分野において、例えば、Ｒ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｊ． Ｒｅｉｃｈｅｒｔ、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈの「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ， ｕｌｔｒａ−ｓｈｏｒｔ ｌｉｇｈｔ ｐｕｌｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｔｈｅｒｅｏｆ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ」という名称の２００４年の特許文献１、又はＲ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈの「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗａｖｅｓ」という名称の２００６年の特許文献２、又は非特許文献１から周知であり、且つ、周波数の計測において最も頻繁に使用されている。
【０００６】
又、２つの周波数コムに基づいた干渉計についても、当技術分野においては、例えば、非特許文献２又は非特許文献３から周知である。これらのシステムにおいては、わずかに異なる繰返しレートを有する２つの類似した周波数コムの間の時間ドメインの干渉パターンを記録している。要点は、現実的な計測を実現するべく、対象のスペクトルを特徴付けている光周波数のダウンコンバージョンを実行するというものである。単一の検出器を使用し、一般的には、時間の関数として、インターフェログラムと呼ばれるデータを記録可能である。分光を目的として、このインターフェログラムをフーリエ変換可能である。この干渉計は、可動部品を伴わないことから、非常に高速の取得時間をもたらすことができる。
【０００７】
ｆ01及びｆ02が第１及び第２周波数コムの個別のオフセットであり、ｆrep1及びｆrep2が第１及び第２周波数コムの個別の繰返しレートであり、且つ、ｎが、通常、１０5〜１０6のレンジの整数であるとした際に、第１コムが次式のように表され、
ｆ01＋ｎ．ｆrep1
且つ、第２コムが次式のように表される場合には、
ｆ02＋ｎ．ｆrep2
である。これらのうなり信号は、次式のとおりである。
【数１】
これは、コムの繰返しレート及びオフセットの差にのみ依存しており、これらの差は、記録シーケンスの時間スケールにおいて一定であることを要する。
【０００８】
光周波数のダウンコンバージョンは、２つの類似したＦＣの間の干渉から得られる。以下においては、これらの２つのコムをＦＣ１とＦＣ２と呼ぶ。これらは、互いの間に次式の関係を有するわずかに異なる繰返しレート周波数ｆrep1及びｆrep2を具備している。
ｆrep1＝ｆrep2（１＋ａ）；０＜ａ＜＜１
【０００９】
それぞれのコム成分ｆ1,n及びｆ2,nの間のうなり差分周波数ｂnは、次式によって付与される。
ｂn＝ｆ1,n−ｆ2,n＝ａｎｆrep2＋（ｆ01−ｆ02）
これは、ａがダウンコンバージョン係数であることを示している。換言すれば、通常は無線周波数ドメインにおいて発生する２つのコムからのラインのペアの間のうなり信号は、光スペクトルのダウンコンバージョンされたイメージを提供する。エイリアシングを回避するべく、ａは、ａ＜ｆrep2／２となるように選択しなければならない。但し、これは、可動ミラーによって誘発されるダウンコンバージョン係数よりも３桁だけ大きい。更には、無線周波数ドメインにおけるコヒーレントな信号のヘテロダイン検出に起因し、効率的な技術的雑音の除去を伴って非常に微弱な信号を検出可能であり、且つ、非コヒーレントな光源によるものとは異なり、Ｃｏ添加（ｃｏ−ａｄｄｉｔｉｏｎｓ）が不要である。この方式は、多重型であり、従って、単一検出器による広範なスペクトルドメインの同時分析が可能である。逐次法又はマルチチャネル法と比較した際の計測時間の大幅な低減という利益と共に、この多重型の方式は、広範なスペクトルドメインの観察という固有の利点を具備している。
【００１０】
しかしながら、これらの既知のシステムにおいては、２つのコムの残留不安定性を考慮していない。コムをロックした際にも、パラメータｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02は、短時間スケール（数μｓ以上）において、わずかな変動に遭遇し、これらの変動は、１０6分の１未満であってよい。これらの残留不安定性に起因し、２つのコムの繰返しレートの間の差が変動することがあり、この結果、干渉パターンサンプリングの誤差がもたらされる。このような干渉計においては、実際に、計測時間にわたって、ｆrep2及び（ｆ01−ｆ02）を一定に維持する必要があり、適宜、両方の周波数コムの繰返しレートの安定性と、キャリア−エンベロープオフセット周波数の安定性と、に対する非常に大きな制約を伴っている。換言すれば、非常に短時間でありうる計測時間内において、２つの独立したコム供給源の間の相対的なコヒーレンスを強制的に実現しなければならない。この制約は、厳しいものであり、この結果、この方法の単純な手段による実際的な実装が妨げられている。非特許文献４に示されているように、最新の基準空洞を使用してコムをロックすることにより、優れた結果を得ることは可能であるが、このようなシステムは、周波数計測の最新の且つ高価なツールに関する広範な知識を必要としており、従って、一般的な分光法の実験室、産業界、又は現場での計測において使用することは不可能である。この２つのコムの繰返しレート及びキャリア−エンベロープオフセットの差に関する安定性の制約は、コム供給源のドップラーシフトされた複製が、コムの安定性とは無関係に、干渉計の可動ミラーの適切な制御によって生成されるマイケルソン干渉計を伴うフーリエ変換分光法（ＦＴＳ）のものとは異なる。又、これは、無線周波数又は光クロックとのコムの位相コヒーレンスが長い時間スケール（数秒）にわたって必要とされる計測における周波数コムの使用法とも異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，７８５，３０３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０２６，５９４号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｒ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈ著、Ｎａｔｕｒｅ ４１６、２３３（２００２）
【非特許文献２】「Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」、Ｋｅｉｌｍａｎｎ他著、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２９、１５４２〜１５４４頁（２００４）
【非特許文献３】「Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ」、Ｓｃｈｉｌｌｅｒ， Ｓ．著、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２７、７６６〜７６８頁（２００２）
【非特許文献４】「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍｕｌｔｉｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ」、Ｉ． Ｃｏｄｄｉｎｇｔｏｎ、Ｗ． Ｃ． Ｓｗａｎｎ、及びＮ． Ｒ．Ｎｅｗｂｕｒｙ著、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ １００、０１３９０２（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、コムの不安定性を補償する２つの周波数コムに基づいた改善された干渉計を提供することにある。換言すれば、提案されている装置及び方法は、時間の関数として変化するそのライン位置を少なくとも１つのコムが具備する２つの周波数コムの間の干渉の計測を可能にする。提案されている装置は、従来技術の精度及び計測時間の制限を克服するべく、２つの周波数コムの間におけるマッピングの変動の監視を許容する。この結果、周波数コムの安定性に対する制約が低減される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、干渉計は、第１周波数コム生成器と、干渉を生成するべく、第１周波数コム信号と相互作用するべく適合された第２周波数コム生成器と、−コムの不安定性について同期化されたクロックとして機能するか又は干渉プロセスのサンプリングのトリガを可能にするシステムとを有する。
【００１５】
又、本発明は、周波数コムフーリエ変換分光法（ＦＣ−ＦＴＳ）にも関係し、且つ、サンプルのスペクトルを計測する分光装置にも関係しており、この装置は、前項までの請求項中のいずれか一項記載の干渉計を有し、前述の第１周波数コム生成器及び前述の第２周波数コム生成器の中の少なくとも１つのものは、サンプルと相互作用するべく適合されている。
【００１６】
添付図面を参照し、本発明の好適な実施例について詳細に説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フーリエ変換分光法用の吸収分光計において適合された周波数コム干渉計の概略図を示す。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、２つの光周波数コムスペクトルの一例と、例示用の周波数コム供給源の対応するうなりスペクトルとを示すプロットである。
【図３】本発明によるデータ取得のトリガを可能にするシステムの概念図を示す。
【図４】本発明によるデータ取得用のクロックとして機能するシステムの概念図を示す。
【図５】コム同期化うなり信号のスペクトルフィルタリングをＣＷレーザーの支援によって実行する本発明による干渉計の詳細な実施例を示す。
【図６】本発明において提案されている方法の適用を伴うことなしに通常得られる歪んだスペクトルを示す。
【図７】図４の原理の特定の実施例による、本発明による同期方法を使用した干渉分光システムを示すブロックダイアグラムを示す。
【図８】図７の干渉分光システムを使用して記録された歪みを伴わないスペクトルを示す。
【図９】コム同期うなり信号のスペクトルフィルタリングを受動型フィルタによって実行する本発明による干渉計の詳細な実施例を示す。
【図１０Ａ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１０Ｂ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１０Ｃ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１１】干渉計によって得られたインターフェログラムを示す。
【図１２】差動計測を伴う本発明の干渉計の一実施例を示す。
【図１３】（Ａ）〜（Ｄ）は、速度変調用の本発明の一態様を示す。
【図１４】Ｚｅｅｍａｎ分光法用の本発明の一態様を示す。
【図１５】偏光変調を伴う本発明の一態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
関連出願に対する参照
本出願は、２００８年７月２５日付けで出願された米国仮特許出願第６１／０８３６２０号の利益を主張するものであり、この内容は、本引用により、そのすべてが本開示に包含される。
添付図面を参照し、本発明の好適な実施例について詳細に説明することとするが、添付図面においては、類似の参照符号によって類似の要素を示している。本明細書に提示されている同期方法を有する干渉計については、周波数コムフーリエ変換分光法及びすべての関係する計測法（ハイパースペクトル撮像、顕微鏡検査法、振動円２色法、減衰全反射、Ｚｅｅｍａｎ変調、速度変調、選択的検出法、時間分解分光法など）の例示用の例を検討することによって十分に理解することが可能であるが、この同期方法を有する干渉計は、本明細書に記述されているアプリケーション以外にも使用可能であることに留意されたい。例えば、本明細書に記述されている同期法を有する干渉計は、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、干渉測長、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、反射計測法、線形光学サンプリング、電界の間の相互相関計測において使用するべく適合可能である。本明細書に具体的に記述されてはいない波面又は振幅再結合に基づいたその他の干渉分光アプリケーションも、この同期方法から利益を享受可能である。
【００１９】
当技術分野において知られているように、周波数コムは、スペクトルレンジにわたって規則的に離隔したレーザー単色放射ラインからなるスペクトル供給源である。通常は、フェムト秒レーザーが使用されており、これにより、フェムト秒周波数コム（ＦＦＣ）が得られる。或いは、この代わりに、トロイダル微小共振器又は光ファイバを含む適切な材料内における４波混合により、コムを生成することも可能である。又、コムは、位相変調された電気光学装置によって生成することも可能である。
【００２０】
要すれば、モード同期レーザーを使用する際には、極めて短いパルスが、周期Ｔ＝ｌ／Ｖgにおいて、モード同期レーザーから周期的に放射され、ここで、ｌは、レーザー空洞の長さであり、且つ、Ｖgは、正味の群速度である。空洞内における分散に起因し、群及び位相速度が異なることになり、この結果、それぞれのパルスのエンベロープのピークとの関係におけるキャリアの位相シフトがもたらされる。周波数ドメインにおいては、スペクトル、即ち、一連の周期的パルスのフーリエ変換は、レーザーモードの櫛歯から構成されており、これらは、パルス繰返し周波数ｆrepだけ離隔している。モード周波数は、ｆn＝ｎｆrep＋ｆ0という関係を遵守しており、ここで、ｎは、整数であり、且つ、ｆ0は、キャリア−エンベロープパルス間位相シフトに起因したものである。現時点においては、コムの出力スペクトルは、１オクターブを超えて伸張可能であり、且つ、ｆrep及びｆ0の最良の安定化レベルは、完全なグリッドからの１０19分の１を上回る逸脱が存在しないようなものになっている。
【００２１】
換言すれば、周波数コムは、等距離のラインから構成された光スペクトルである。モード同期レーザーから周波数コムを生成するには、周期性が、パルスのエンベロープに対してのみならず、１つの一定の位相以外に、それらの光学位相を含むパルスの電界の全体に対しても、適用されることが必要である。従って、パルス間におけるコヒーレンスが必要である。
【００２２】
図１に示されているように、且つ、それ自体が周知であるように、干渉計１の特定のレイアウトは、周波数コム「周波数コム１」と、周波数コム「周波数コム２」と、を有する。「周波数コム１」は、セル１００内に収容されたサンプルを精査する。周波数コム「周波数コム１」及び「周波数コム１」のビームスプリッタ１０１上における再結合から生成される干渉を検出器１０２によって計測し、且つ、インターフェログラムをコンピュータ１０３において計測する。無線周波数ドメインにおいて発生するわずかに異なる繰返しレートを具備した２つのコムからのラインのペアの間のうなり信号は、光スペクトルのダウンコンバージョンされたイメージを提供する。
【００２３】
干渉計は、必ずしも、サンプル１００を精査する必要はなく、且つ、サンプル１００は、存在する場合には、両方のコムと相互作用可能であることに留意されたい。又、振幅再結合の代わりに波面再結合を使用することも可能である。その場合には、ビームスプリッタ１０１は不要である。
【００２４】
本発明によれば、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、互いの間に次式による関係を有するわずかに異なる繰返しレート周波数ｆrep1及びｆrep2を具備する。
ｆrep1＝ｆrep2（１＋ａ）；０＜ａ＜＜１
【００２５】
本発明によれば、繰返しレート及びキャリア−エンベロープオフセットが安定化されるか又はフリーランニング状態にあるフェムト秒モード同期レーザーにより、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２を生成可能である。モード同期レーザーは、非線形光ファイバによって幅を拡張可能であり、且つ、差分／合計周波数生成、高調波生成、及び／又はパラメトリック相互作用などの周波数変換システムに対して結合することも可能である。又、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、４波混合効果により、又は連続波レーザーによってシーディングされた電気光学装置により、生成することも可能である。
【００２６】
本発明による分光計は、前述の図１の干渉計１を有する。１及び２と付番されている（図２（Ａ）に示されている）それぞれのレーザーのスペクトルは、パルス繰返し周波数ｆrep,iだけ離隔したレーザーモードｆn,iのコムであり、
ｆn,i＝ｆ0,i＋ｎｆrep,i
である。ここで、モード同期レーザーに基づいた周波数コムの場合には、ｉ＝１又は２であり、整数ｎは、通常、１０5〜１０6の範囲であり、且つ、ｆ0,iは、レーザー空洞内のパルスの群及び位相速度の間の差によって誘発されるキャリア−エンベロープオフセット周波数である。繰返し周波数は、一般に、無線周波数ドメインに位置する（この例においては、これらは、１００ＭＨｚに近接しており、ｆrep,1−ｆrep,2は、自由スペクトルレンジに応じて、１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲である）。１つのレーザーが吸収サンプルを精査し（図１）、且つ、両方のビームがビームミキサ上において合成される。高速フォトダイオード上において記録されたそれらのうなり信号ｌを増幅し、且つ、パーソナルコンピュータ上において高分解能デジタイザを使用してサンプリングする。
【００２７】
図２（Ｂ）に示されているそれぞれのコム成分ｆ1,n及びｆ2,nの間のうなり差分周波数ｂnは、次式によって付与される。
ｂn＝ｆ1,n−ｆ2,n＝ｎａｆrep2＋（ｆ01−ｆ02）
この式は、ａがダウンコンバージョン係数であることを示している。
【００２８】
従って、光検出器上において記録されるインターフェログラムは、次のように記述可能である。
【数２】
ここで、Ａnは、サンプルの吸収によって減衰した２つのレーザーの電界の振幅の積である。マイケルソン干渉計において発生するものと同様に、光スペクトルの周波数ｆn,i＝ｆ0,i＋ｎｆrep,iが、ｆ0,1−ｆ0,2＋ｎ（ｆrep,1−ｆrep,2）にダウンコンバージョンされる。但し、可動部品の不存在に起因し、エリアジングによって制限されるダウンコンバージョンは、マイケルソンに基づいたＦＴＳにおけるような可聴レンジにではなく、０〜ｆrep,i／２の無線周波数ドメインに結び付くことになる。この結果、記録時間の大幅な低減がもたらされる。次いで、信号Ｉ（ｔ）をフーリエ変換してスペクトルを明らかにするが、光分解能は、計測時間が長いほど、良好になる。干渉分光信号は、２つのレーザーからのフェムト秒パルスが一致した際に、１／δ＝１（ｆrep,1−ｆrep,2）ごとに発生する一連の周期的な大きなバーストを示す。複数のこのようなバーストを含む時間的シーケンスをフーリエ変換することにより、コムラインが分解される。コムパラメータ（ｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02）を無線周波数カウンタによって簡単に計測可能であることから、この後に、光絶対周波数スケールを容易に取得可能である。又、スペクトル内に存在している既知の分子又は原子ラインを使用し、光周波数軸をリスケーリングすることも可能である。
【００２９】
うなり信号の（数μ秒ほどに短いものであってよい）計測時間において、コムの中の１つのものの少なくとも１つのパラメータ（ｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02）が、時間の関数として、わずかに変動可能である。換言すれば、ｂnは、時間の関数である。従って、図２（Ｂ）は、ダウンコンバージョンされたスペクトルの瞬間的なイメージを提供しているに過ぎない。繰り返しレートにおける変動は、高調波指数ｎによって増幅されるため、実際には、コムの繰返しレート（ｆrep1、ｆrep2）の変動は、キャリア−エンベロープオフセット周波数（ｆ01、ｆ02）の変動よりも格段に厄介である。従って、一定の時間インターバルにおけるインターフェログラムのサンプリングは、歪んだ情報をもたらすことになる。
【００３０】
本発明の主要な部分は、最も厄介なコムの変動に同期した方式においてインターフェログラムをサンプリングする簡単な方法を提供している。新しいサンプリンググリッドが提供される。考え方は、干渉するコムから２つの個別のラインの間のうなり信号を隔離し、且つ、コムのラインの位置が無視可能な方式で変動する場合には正弦波である結果的に得られた信号を、２つのコム全体の間の干渉分光信号のサンプリングプロセスのためのトリガとして（同期うなり信号のゼロ交差をトリガとして使用する特別な例示用の実施例における図３）又はクロックとして（図４）使用するというステップを有する。尚、コムラインが十分に隔離されない場合にも、即ち、同期うなり信号がラインの複数のペアのうなり信号を有する場合にも、同期プロセスは、依然として機能する。ただし、時間シーケンスにおいてより制限される、即ち、フーリエ変換分光法の分解能がより制限される。
【００３１】
図５に示されている第１実施例によれば、同期装置は、まず、それぞれのコムから単一ラインを隔離するステップを有する。「周波数コム１」によって供給される光学信号の一部分が、ビームスプリッタの支援により、高速光検出器５０１に送られる一方で、信号の大部分は、干渉分光計測のために使用される（いくつかの例について後述する）。連続波レーザー５０３のビームも、同一の検出器５０１に入射している。連続波レーザー５０３は、コムと同一のスペクトル領域内において、周波数ｆcwにおいて放射する。これは、基準に対してロックすることも可能であり、又はフリーランニング状態にあってもよく、且つ、主には、そのスペクトル純度及びその周波数安定性により、干渉分光計測の最大サンプリング持続時間が決定される。周波数コム１とｃｗレーザーの間のうなり信号が、部分的に無線周波数及びマイクロ波ドメイン内に位置するダウンコンバージョンされたモードのコムである。光検出器５０１の帯域及び更なる電子フィルタリング５０２の適切な選択肢により、（ｎｆrep1＋ｆ01−ｆcw）と表現可能である単一コムラインとｃｗレーザーの間のうなり信号を隔離可能である。同一のｃｗレーザー５０３との周波数コム２の単一ラインの電気うなり信号（ｍｆrep2＋ｆ02−ｆcw）を隔離するべく、光検出器５０４及び電子フィルタ５０５と共に、同一の手順を周波数コム２に対して適用する。ｃｗレーザーの寄与分を除去すると共に２つのコムラインの間のクロックうなり信号（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）を提供するべく、本明細書に記述されているように得られた２つのうなり信号を電子ミキサ５０６によって混合する。ｎ及びｍは、好ましくは、（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）が、Ｍａｘ（ｆrep1，ｆrep2）であるナイキスト基準によって強制されるサンプリング周波数を上回るように、選択される。時間に伴って変化する周期を具備するこの正弦波の特別なマーカー（例えば、ゼロ交差であるが、これに限定されるものではない）を使用し、取得ユニット５０８における干渉分光信号のデータ取得をトリガする。干渉分光信号は、周波数コム１及び２のスペクトルの全体（又は、フィルタリングされた部分）の間のうなり信号から到来する。これを高速光検出器５０７上において計測し、且つ、取得ユニット５０８上において監視する。電子フィルタ及び増幅器を５０７と５０８の間に挿入し、信号対雑音比を改善可能である。或いは、この代わりに、図５に示されているように、この（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）周波数信号は、取得ユニット５０８に対するクロックとして機能することも可能である。取得ユニット５０８は、例えば、パーソナルコンピュータに搭載された高速デジタイザであってよい。次いで、データポイントを、例えば、コンピュータのハードドライブ上に保存するか、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ上においてコーディングするか、又は保存の前に直接的にフーリエ変換する。
【００３２】
吸収サンプルのフーリエ分光法を目的としたこの実施例の特定の例によれば、２つのＥｒドープファイバレーザーにより、約１００ＭＨｚの繰返しレートにおいて、且つ、２０ｍＷの出力パワーにおいて、パルスを放射している。２つのコムの繰返しレートの間の差を１５０Ｈｚに等しい値となるように設定する。それぞれのコムの繰返しレートを水晶発振器に対して安定化させるが、それぞれのコムのキャリア−エンベロープオフセットは、安定化させない。２つのコムを５０−５０ビームミキサによって再合成し、且つ、後述するように、干渉計の２つの出力を改善された計測ダイナミクスに対して計測する。信号を自家製の電子回路及び取得システムによって増幅及びデジタル化する。図６は、本発明を使用することなしに得られたスペクトルを示す。位相誤差により、ラインが大きく歪んでいる。１５５７．４ｎｍで放射するフリーランニング型の連続波Ｅｒドープファイバレーザーは、図５に示されている原理に基づいて、図７に示されている詳細な方式に従って、周波数コムのそれぞれのものとの間においてうなりを生成する。図７においては、ｃｗ型のＥｒドープファイバレーザーを光学的に隔離し、且つ、そのビームを、５０／５０ファイバカプラの支援により、２つの部分に分割している。周波数コム１の出力におけるビームの一部分により、ガス相のアセチレンからなるサンプルを精査している。これが検出器上において周波数コム２の出力におけるビームの一部分との間においてうなりを生成し、且つ、このうなり信号を取得ユニットを使用して監視する。取得ユニットは、干渉分光信号をフィルタリング及び増幅するためのデジタイザ及び適切な電子回路から構成可能である。周波数コム１のビームの別の部分は、うなり検出ユニットに送付され、そこで、そのラインは、ｃｗレーザーからのビームとの間においてうなりを生成する。うなり検出ユニットは、２つの光ビームの間の無線周波数又はマイクロ波うなり信号を計測するための手段である。これは、高速光検出器と、例えば、１つ又は両方の光ビームを均衡させるか、偏光させるか、又はフィルタリングするためのオプティクスと、生成された電気信号をフィルタリングするための電子回路と、から構成される。このうなり検出ユニットの出力において、周波数コム１の単一ラインとｃｗレーザーの間のうなり信号に対応する４２ＭＨｚの周波数における電子信号を生成し、フィルタリングし、且つ、増幅し、ミキサに対して送付する。同様の方式により、周波数コム２の１つのラインとｃｗレーザーの間のうなり信号を１１８ＭＨｚの周波数において生成し、且つ、ミキサの第２入力に向かって送付する。それぞれのコムからの２つの個別のラインの間のうなり信号は、結果的に、７６ＭＨｚの周波数においてミキサの出力において供給される。これは、フィルタリングされ、増幅され、且つ、取得ユニットを使用した干渉分光信号のサンプリングのためのクロックとして使用される。図８は、取得ユニットとして使用される１６ビットの１８０Ｍサンプル／秒のデジタイザ用のクロックとしてこの７６ＭＨｚ信号を使用した際に計測されたスペクトルを示す。図８のスペクトルにおいては、歪みが顕著ではない。
【００３３】
代替構成を利用し、２つのコムの間のクロックうなり信号を生成可能である。例えば、第２実施例は、同期方式において、ｃｗレーザーを使用する代わりに、光学フィルタリングに基づいたものであってよい。図９に示されているように、それぞれのコムを光学フィルタ又はファイバ・ブラッグ格子又はファブリーペロー空洞又はこれらの任意の組合せによって周波数フィルタリング可能である。２つのフィルタリングされたコムは、高速フォトダイオード上においてうなりを生成する。適切な電子フィルタリングの後に、クロックうなり信号（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）を取得ユニット用のクロック又はトリガとして使用する。
【００３４】
本発明の更なる態様については後述する。これらの態様は、干渉計の前述の第１及び第２実施例との組合せにおいて使用することも可能であり、或いは、単独で使用することも可能である。
【００３５】
本発明の前述の第１及び第２実施例は、吸収サンプルの周波数コムフーリエ変換分光法を目的とした特定の例示用の実施例に従って使用可能である。図１０に示されているように、いくつかの光学構成を実装可能である。図１０（Ａ）においては、周波数コムＦＣ１のみがサンプル１０００と相互作用している。サンプル１０００は、直接的に精査することも可能であり、或いは、シングルパスセルの内部に、又はマルチパスセルの内部に、又はコムＦＣ１と共振する高フィネス空洞の内部に挿入することも可能である。コムＦＣ１及びＦＣ２からの２つのビームをビームコンバイナ上において再合成する。ビームコンバイナの１つ又は両方の出力を使用し、高速光検出器上において干渉分光信号を計測可能である。これらの検出器は、単純な光検出器（フォトダイオード、ボロメータ、アンテナ）から、或いは、光検出器に結合された、例えば、周波数増倍装置などの非線形周波数コンバータから構成可能である。これらの検出器は、マイクロフォンであってもよい。図１０（Ｂ）においては、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプル１０００と相互作用している。同時吸収及び分散計測の場合には、干渉計の光学レイアウトを図１０（Ｃ）に示されているように実装可能である。２つの周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、わずかに異なるライン間隔を具備している。これらのコムの中の１つのものであるＦＣ１は、セルを透過し、且つ、第２コムに対してヘテロダイン処理され、この結果、コムＦＣ１のそれぞれのラインが経験した吸収及び分散に関する情報を含むダウンコンバージョンされた無線周波数コムがもたらされる。適切な光学系によってコムビームを２つの干渉計に伝達する。サンプルを精査する干渉計は、セルを収容すると共にサンプルのインターフェログラムＩ1（ｔ）をもたらし、サンプルを伴わない基準として機能している干渉計は、正規化インターフェログラム（Ｉ2（ｔ））を提供する。２つのインターフェログラム（サンプルに伴うもの及び伴わないもの）を同時に計測し、且つ、複素フーリエ変換によって演算する。これらの２つのスペクトルの複素数比の位相及び要素は、それぞれ、検出された放射に対してサンプルによって印加された位相シフト及び減衰を付与し、これにより、媒質の光学定数の完全な特徴付け、その屈折率、及び吸収係数に対するアクセスが提供される。或いは、この代わりに、２つのインターフェログラムＩ1（ｔ）及びＩ2（ｔ）の間の差をデジタル化の前に適切な差動増幅器によって直接的に計測することも可能である。この場合には、改善された信号対雑音比により、サンプルのスペクトルシグネチャのインターフェログラムのみが計測される。
【００３６】
周波数コムは、サンプルと相互作用し、且つ、吸収及び分散に起因した減衰及び位相シフトを経験する。この相互作用は、ｅｘｐ（−δ（ω）−ｉφ（ω））と表現可能であり、ここで、δは、振幅減衰であり、且つ、φは、位相シフトである。δi,n及びφi,nが、周波数ｆ0,i＋ｎｆrep,iにおいてコムｉ（ｉ＝１又は２）が経験するそれぞれの成分を表すという表記法を採用する。図１０（Ａ）に示されているように、コムＦＣ１のみがサンプル１０００と相互作用している。インターフェログラムＩの表現は、次の興味深い項を含んでいる。
【数３】
【００３７】
式（１）の第１の項は、周波数ｆ0,1＋ｎｆrep,1におけるスペクトル情報が周波数（（ｆ0,1−ｆ0,2）＋ａｎｆrep2）においてダウンコンバージョンされることを示している。このインターフェログラムは、従来のＦＴＳからのインターフェログラムに類似している。周波数ｆrep,2における信号の同期検出の実行は、追加情報をもたらさないことから、興味深いものではない。
【００３８】
図１０（Ｂ）に示されているように、コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプル１０００と相互作用することも可能である。インターフェログラムの表現は、次の興味深い項を含んでいる。
【数４】
【００３９】
式（２）の第１行は、同期検出を伴うことなしに、インターフェログラムの直接的な検出によって計測された量である。式（１）のインターフェログラムから得られたものと比較すれば、コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプルと相互作用を経験しているため、この検出は、相対的に高感度であるが、周波数依存性を有することから、即ち、周波数の増大に伴って、２つのコムの周波数の間の差が増大していることから、計測ラインの形状が、多少複雑になっている。又、同位相及び直交位相検出に起因して吸収及び分散を取得可能であるため、ｆrep,2周波数における同期検出は興味深い。
【００４０】
インターフェログラムは、その最大及び最小サンプルの間において約１０6の比率を提示可能である。時間の関数としての干渉分光信号の重要な減少が、図１１に示されているインターフェログラムに示されている。従って、フーリエ変換分光法と関連した、特に高スペクトル分解能におけるものであるが、これに限定されはしない、主要な問題点の１つは、計測値の限定されたダイナミックレンジに起因している。周波数コムフーリエ変換分光法においては、直流成分Ｉ0は、もはや、定数ではなく、パルス繰返しレートのフーリエ成分にリンクされた時間ｔの関数Ｉ0（ｔ）となる。従って、この結果、サンプリングがひどく劣化する可能性があり、これを電子フィルタリングによって十分に除去することは困難である。重要な技術的考慮事項は、現時点において稼働している大部分の高速取得ボードが、１６ビットの、即ち、６５５５３８個の異なる計測レベルの、限れたダイナミックレンジしか提供しておらず、これが本質的にＡＤＣコンバータを特徴付けているという点にある。従って、記録手順において、市販の製品を直接的に使用することはできない。
【００４１】
特定の例示用の実施例は、いくつかの要点の組合せであるダイナミックレンジの解決策を提供している。図１２に示されているように、変調されていないバックグランドを除去し、且つ、インターフェログラムの変調された部分のみを得るべく、干渉計の２つの出力Ａ及びＢにおいて供給された高速検出器信号ＩA及びＩBを均衡させ、且つ、減算する。実際には、差分信号（ＧAＩA−ＧBＩB）を極小化させることにより、それぞれＩA及びＩBに対して適用される２つの電子利得ＧA及びＧBを実験の前に判定しておく。これらの利得は、実験において固定される。干渉分光信号を取得ユニットの最大入力値に対してできる限り適合させるべく、時間に応じて、異なる電子利得ＧTを差分信号に対して適用する。
【００４２】
利得は、リアルタイムにスイッチング可能であり、或いは、いくつかの記録チャネルを帰納的な選択のために使用可能である。或いは、この代わりに、コンピュータプログラムにより、既定の方式によって利得を変化させる。この後者の場合には、最良の計測サンプルがコンピュータプログラムによって帰納的に選択され、最終的な値ＧT（ＧAＩA−ＧBＩB）を正規化することにより、良好に計測されたインターフェログラムの全体が返される。後述するように、デジタル化の前に同期検出を実行可能である。
【００４３】
本発明の特定の実施例によれば、２つのレシーバＡ及びＢによって計測された信号は、周波数繰返しレートｆrepにおいて同期状態において検出される。ｆrepは、通常、無線周波数レンジ０．１〜５ＧＨｚに位置するため、この時間ドメイン法は、約２０ｋＨｚの可聴周波数においてインターフェログラムを検出する現時点において最良の市販の干渉計と比べた際に、技術的雑音を大幅に低減する。更には、式（２）から観察可能なように、同位相及び直交位相無線周波数信号のフーリエ変換から、吸収及び分散パラメータが一度に得られる。この方法は、チューニング可能なレーザーを伴う周波数変調分光法に類似している。これは、広帯域カバレージと、最適な変調指数と、外部変調が不要であるという更なる利益を具備している。
【００４４】
又、本発明は、後述するように、選択的分光法に対して適合することも可能である。
【００４５】
第１に、速度変調は、原子又は分子イオンの遷移を選択的に検出することを目的としている。図１３に示されているように、ＦＣ−ＦＴＳにより、様々な方式を実装可能である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、直流放電１３００を使用している。中性種は、電界の影響を受けにくい一方で、イオンは、電界に起因し、正味のドリフト速度を獲得する。この速度の影響は、イオンの遷移の周波数がドップラーシフトされるというものである。２つの干渉計を形成するべく、図１３（Ａ）におけるように、それぞれのコムを、或いは、図１３（Ｂ）におけるように、それらの中の１つのもののみを２つのカウンタ伝播ビームに分割可能である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示されているように差動検出によって（この場合には、本発明の特定の実施例に従って、それぞれ、Ｓ１及びＳ２並びにＳ３及びＳ４である２つの干渉計の２つの出力が使用される）又は帰納的に生成可能である２つの結果的に得られるインターフェログラム又はスペクトルの間の差が選択的情報をもたらすが、これは、１つのスペクトルにおいては、すべてのイオン周波数が青色シフトされ、且つ、もう１つのものにおいては、赤色シフトされることによる。すべての中性信号及び系統的誤差をスペクトルから除去することにより、イオン遷移の２つのドップラーシフトされた成分のみが残る。
【００４６】
図１３（Ｃ）及び図１３（Ｄ）は、交流変調された放電１３０１を利用し、放電変調又はインターフェログラムの記録時間に依存した周波数レートにおいて反対のドップラーシフトを有する２つのインターフェログラムを取得している。交流変調における同期検出は、中性シグネチャをキャンセルする。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）、図１３（Ｄ）に示されているダブル差動検出方式は、信号対雑音比の改善には好ましいが、必須ではないことに留意されたい。図１３（Ａ）又は図１３（Ｂ）の方式における選択的検出の場合には、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの間の差を検討することで十分である。図１３（Ｃ）又は図１３（Ｄ）の方式における選択的検出の場合には、例えば、検出器Ｓ１（又は、Ｓ２）における信号のみを検討することで十分である。
【００４７】
第２に、Ｚｅｅｍａｎ分光法を実行可能である。図１４（Ａ）に示されている第１の方式においては、供給源１４０１と相互作用する磁界１４００が周期的に変化している。同期又は差動検出の後に、周波数シフトされた磁界による遷移のみが検出される。但し、Ｚｅｅｍａｎ分割の対称性を考慮しなければならない。ＢC＋ＢMとＢC−ＢMの間において磁界を変調しなければならず、この場合に、ＢC及びＢMは、磁界の２つの定数値である。ＢCは、ＢMに等しくてよいが、ゼロであってはならず、さもなければ、信号変動が検出されなくなる。或いは、この代わりに、図１４（Ｂ）に示されているように、差動検出のために、一定の磁界ＢC＋ＢMによってセル１４０２を精査するものと、一定の磁界ＢC−ＢMによってセル１４０３を精査するもう１つのものと、という２つのビームにコムビームを分割することも可能である。速度変調の場合と同様に、干渉計の２つの出力を使用して選択的検出を実現することが望ましいが、これは、必須ではない。図１４（Ａ）においては、検出器Ｓ１（又は、Ｓ２）における信号のみを計測可能である。図１４（Ｂ）においては、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの差を考慮することで十分である。
【００４８】
Ｚｅｅｍａｎ分光法と同様に、電界を印加及び変調し、Ｓｔａｒｋ効果の影響を受け易い遷移を選択的に検出可能である。
【００４９】
第３に、図１５に示されているように、偏光変調ＦＣＦＴＳの様々な方式を実装可能である。図１５（Ａ）に概略的に示されているように、１つ（図１５（Ａ）に示されているように、サンプル１５０１を精査するコムＦＣ１）又は両方のコムＦＣ１及びＦＣ２に対して偏光変調器１５００を使用可能であり、且つ、逐次、高速で、所与の偏光によって１つのインターフェログラムを、そして、もう１つの偏光によって第２のものを計測可能であり、且つ、それらを減算可能である。又、図１５（Ｂ）に示されているように、１つ（図１５（Ｂ）のＦＣ１）又は両方のコムビームを偏光器１５０２及び１５０３によって提供された相補的な偏光を有する２つのビームに分割することも可能である。図１５（Ｂ）に示されているように、図１５（Ｂ）のＦＣ１からの２つのビームは、サンプル１５０４を精査し、且つ、直接的な差動検出が実行される。或いは、この代わりに、２つのインターフェログラムを取得し、且つ、帰納的に減算することも可能である。偏光変調は、偏光の影響を受け易い遷移を選択的に検出するのに有用である。これは、線形（ｓ及びｐ偏光の間の比較）又は振動円２色法（左及び右円偏光放射の間の比較）とも呼ばれる。研究の主題のいくつかの例は、薄い固体薄膜内のキラル分子又は分子の向き、液晶、或いは、常磁性種からのＺｅｅｍａｎ遷移である。２つの偏光状態による放射の吸収の間の差は、多くの場合に、極めて小さい。この考え方は、逐次的に、高速で、２つの異なる状態において偏光された光とサンプルの相互作用から結果的に得られるスペクトルを比較するというものである。図１５において、干渉計の２つの出力の使用は、本発明の特定の例示用の実施例である。速度及びＺｅｅｍａｎ変調について既に前述したように、図１５（Ａ）の構成における単一の検出器Ｓ１又はＳ２を使用可能である。図１５（Ｂ）においては、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの間の差を考慮することで十分である。
【００５０】
又、本発明は、後述するように、時間分解アプリケーションに対して適合させることも可能である。従来の分光法においては、時間分解ＦＴＳは、ＦＴＳのすべての周知の利点、特に、観察の広いスペクトルレンジによって、動的な現象を調査するための強力なツールであった。時間分解ＦＴＳは、すべての光学経路−差分位置において励起された観察対象のサンプルの進展の時間サンプリングを実行するステップを有する。実験の終了時点において、供給源の進展の時間サンプルと同数のインターフェログラムが得られ、且つ、これらを変換することにより、それぞれが所与の時点における光源を特徴付けるスペクトルが得られる。但し、主要な制限事項は、観察対象のサンプルが十分に反復的且つ再現可能な方式によって振舞わなければならないという点にある。
【００５１】
動的な研究用の時間分解ＦＣ−ＦＴＳは、この制限を克服可能である。様々な方式を観察対象の時間分解能に応じて実装可能である。更には、高分解能スペクトル用の取得時間は、１ミリ秒、或いは、低分解能情報の場合には、１μ秒のレベルに過ぎないことから、リアルタイムの広帯域分光法又は単一イベント分光法への道が本発明によって開かれる。
【００５２】
完全なインターフェログラムを計測するのに必要な時間よりも低い時間分解能の場合には、計測原理は単純である。これは、順番にインターフェログラムを計測するステップを有する。２つのコムからのレーザーパルスがオーバーラップする際に発生するバーストを誘発するべく、コムの中の１つのものの繰返しレートを変化させることにより、時間分解能を最大で数μ秒に改善可能である。このコムの中の１つのものの繰返しレートの変動は、例えば、圧電トランスデューサによってレーザー空洞の１つのものの長さを変調することによって実現可能である。供給源が反復的な方式によって振舞う場合には、この方法を数回にわたって反復し、信号対雑音比を改善可能である。
【００５３】
供給源の時間分解能又は繰返しレートが最適なサンプリング要件に適合しない際には、特定のサンプリング及び同期方式を開発しなければならない。この考え方は、供給源の稼働条件を満足させるように２つのコムの間の周波数差を調節することにより、インターフェログラムのサンプリングレートを低減するというものである。
【００５４】
望ましい時間分解能が、２つのコムの間の最適な周波数差から結果的に得られる個別のそれぞれのインターフェログラムのサンプリングステップよりも高く、且つ、対象の供給源が高繰返しレートを具備する場合には、時間ドメインのインターフェログラムの高周波数サンプリングを実行可能であり、且つ、それぞれが所与の時点における供給源の吸収の特徴を示すいくつかのインターフェログラムを生成するべくサンプルを帰納的に再配置することができる。次いで、供給源を第１時間サンプルインターフェログラムのサンプリングステップに対して同期させなければならない。
【００５５】
又、本発明は、後述するように、反射計測に対して適合させることも可能である。ＦＣ−ＦＴＳによれば、サンプルによって放射された光を観察する代わりに、サンプルによって反射された光を観察可能である。サンプルは、バルク材料、即ち、平坦な反射表面上に存在する材料のレイヤ（コム放射の波長よりも薄い又は厚いもの）であってよい。
【００５６】
更には、減衰全反射によれば、非常に容易なサンプル調製により、液体又は固体相においてサンプルを精査可能である。サンプルとの直接的な接触状態にある内部表面上において少なくとも一回反射するように、適切に選択された結晶にプローブ光ビームを通過させる。この反射は、通常は、数マイクロメートルだけ、サンプル内に延長するエバネッセント波を形成する。それぞれのエバネッセント波からの減衰エネルギーを光ビームに伝達して戻し、且つ、次いで、結晶によって伝達されたビームをその結晶からの出射の際にＦＴ分光計の第２コムによって収集する。減衰全反射ＦＣ−ＦＴＳは、結晶／サンプルアセンブリを精査する２つのコムによって実装することも可能である。
【００５７】
又、本発明は、後述するように、空間分解計測に対して適合させることも可能である。
【００５８】
第１に、レーザービームの断面が小さくてよいことから、巨視的サンプルの小さな空間領域を選択的に精査可能である。
【００５９】
第２に、サンプルの組成をマッピングするためのＦＣＦＴＳを伴う効率的な方法は、アレイ検出器によって同時にすべてのＦＴスペクトルを計測するというものである。適切なオプティクスを有するアレイ検出器によって物体を撮像する。画像のそれぞれの点からのスペクトルの同時計測は、ハイパースペクトル撮像をもたらす。
【００６０】
第３に、ＦＣ−ＦＴＳを伴う顕微鏡検査法は、フーリエ変換分光法を伴う顕微鏡検査法とレーザー供給源を伴う顕微鏡検査法の利点を１つに統合する。正確な空間診断及び非常に短い計測時間と共に、空間分解能の増大を得ることができる。
【００６１】
第４に、レーザービームの低発散及び高強度に起因し、ＦＣ−ＦＴＳは、サンプルの長い柱状部を精査可能である。或いは、この代わりに、レーザービームは、対象のサンプルに到達する前に、長距離を伝播可能である。又、ＬＩＤＡＲ型ＦＣ−ＦＴＳの実験を実装することも可能であり、強力な周波数コムからのサンプルによって散乱した光を集光し、かつ、第２コムと共に分析可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉計の分野に関する。本発明は、干渉計と、この干渉計において干渉を計測する方法と、に関する。
【０００２】
本発明は、更に詳しくは、１）第１周波数コムと、２）干渉を生成するべく、第１周波数コムと相互作用するべく適合された第２周波数コムと、３）２つのコムの周波数成分中の周波数成分のサブセットの間のうなり信号を隔離する手段であって、この周波数成分のサブセットは、好ましくは、第１周波数コムの単一ライン及び第２周波数コムの単一ラインであるが、これは、必須ではない、手段と、このうなり信号を監視すると共に、第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する装置のためのトリガとして又はクロックとして使用する手段と、を有する干渉計に関する。
【０００３】
従って、本発明は、縞の変動の監視に基づいたトリガ方式の改善された干渉計を提供する。本明細書に記述されている同期方法は、２つのコムの狭帯域部分におけるうなり周波数の判定と、時間に伴うコムの不安定性とは無関係に新しいグリッドによる干渉分光信号のサンプリングを可能にするトリガ又はクロック方式におけるその知識の使用法と、に基づいている。
【０００４】
本発明の第２の態様によれば、分光吸収及び分散シグネチャを具備するサンプルを分析する干渉分光法が提供される。この干渉分光法は、１）検討対象のサンプルを精査する第１周波数コムと、２）干渉を生成するべく、第１周波数コムと相互作用するべく適合された第２周波数コムであって、この第２コムは、サンプルを精査してもよく、或いは、精査しなくてもよい、第２周波数コムと、２つのコムの周波数成分中の周波数成分のサブセットの間のうなり信号を隔離する手段であって、この周波数成分のサブセットは、好ましくは、第１周波数コムの単一ライン及び第２周波数コムの単一ラインであるが、これは必須ではない、手段と、４）このうなり信号を時間の関数として監視すると共に、この信号を第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する装置のためのトリガとして又はクロックとして使用する手段と、５）４）に記述されている信号をクロックとして又はトリガとして使用し、第１及び第２周波数コムの周波数成分全体の間のうなり干渉信号を記録する手段と、を有する。
【背景技術】
【０００５】
光周波数コム（ＦＣ）は、位相コヒーレントな等距離のレーザーラインから構成された光スペクトルである。周波数コムについては、当技術分野において、例えば、Ｒ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｊ． Ｒｅｉｃｈｅｒｔ、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈの「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ， ｕｌｔｒａ−ｓｈｏｒｔ ｌｉｇｈｔ ｐｕｌｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｓｅ ｔｈｅｒｅｏｆ ｆｏｒ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ」という名称の２００４年の特許文献１、又はＲ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈの「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗａｖｅｓ」という名称の２００６年の特許文献２、又は非特許文献１から周知であり、且つ、周波数の計測において最も頻繁に使用されている。
【０００６】
又、２つの周波数コムに基づいた干渉計についても、当技術分野においては、例えば、非特許文献２又は非特許文献３から周知である。これらのシステムにおいては、わずかに異なる繰返しレートを有する２つの類似した周波数コムの間の時間ドメインの干渉パターンを記録している。要点は、現実的な計測を実現するべく、対象のスペクトルを特徴付けている光周波数のダウンコンバージョンを実行するというものである。単一の検出器を使用し、一般的には、時間の関数として、インターフェログラムと呼ばれるデータを記録可能である。分光を目的として、このインターフェログラムをフーリエ変換可能である。この干渉計は、可動部品を伴わないことから、非常に高速の取得時間をもたらすことができる。
【０００７】
ｆ01及びｆ02が第１及び第２周波数コムの個別のオフセットであり、ｆrep1及びｆrep2が第１及び第２周波数コムの個別の繰返しレートであり、且つ、ｎが、通常、１０5〜１０6のレンジの整数であるとした際に、第１コムが次式のように表され、
ｆ01＋ｎ．ｆrep1
且つ、第２コムが次式のように表される場合には、
ｆ02＋ｎ．ｆrep2
である。これらのうなり信号は、次式のとおりである。
【数１】
これは、コムの繰返しレート及びオフセットの差にのみ依存しており、これらの差は、記録シーケンスの時間スケールにおいて一定であることを要する。
【０００８】
光周波数のダウンコンバージョンは、２つの類似したＦＣの間の干渉から得られる。以下においては、これらの２つのコムをＦＣ１とＦＣ２と呼ぶ。これらは、互いの間に次式の関係を有するわずかに異なる繰返しレート周波数ｆrep1及びｆrep2を具備している。
ｆrep1＝ｆrep2（１＋ａ）；０＜ａ＜＜１
【０００９】
それぞれのコム成分ｆ1,n及びｆ2,nの間のうなり差分周波数ｂnは、次式によって付与される。
ｂn＝ｆ1,n−ｆ2,n＝ａｎｆrep2＋（ｆ01−ｆ02）
これは、ａがダウンコンバージョン係数であることを示している。換言すれば、通常は無線周波数ドメインにおいて発生する２つのコムからのラインのペアの間のうなり信号は、光スペクトルのダウンコンバージョンされたイメージを提供する。エイリアシングを回避するべく、ａは、ａ＜ｆrep2／２となるように選択しなければならない。但し、これは、可動ミラーによって誘発されるダウンコンバージョン係数よりも３桁だけ大きい。更には、無線周波数ドメインにおけるコヒーレントな信号のヘテロダイン検出に起因し、効率的な技術的雑音の除去を伴って非常に微弱な信号を検出可能であり、且つ、非コヒーレントな光源によるものとは異なり、Ｃｏ添加（ｃｏ−ａｄｄｉｔｉｏｎｓ）が不要である。この方式は、多重型であり、従って、単一検出器による広範なスペクトルドメインの同時分析が可能である。逐次法又はマルチチャネル法と比較した際の計測時間の大幅な低減という利益と共に、この多重型の方式は、広範なスペクトルドメインの観察という固有の利点を具備している。
【００１０】
しかしながら、これらの既知のシステムにおいては、２つのコムの残留不安定性を考慮していない。コムをロックした際にも、パラメータｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02は、短時間スケール（数μｓ以上）において、わずかな変動に遭遇し、これらの変動は、１０6分の１未満であってよい。これらの残留不安定性に起因し、２つのコムの繰返しレートの間の差が変動することがあり、この結果、干渉パターンサンプリングの誤差がもたらされる。このような干渉計においては、実際に、計測時間にわたって、ｆrep2及び（ｆ01−ｆ02）を一定に維持する必要があり、適宜、両方の周波数コムの繰返しレートの安定性と、キャリア−エンベロープオフセット周波数の安定性と、に対する非常に大きな制約を伴っている。換言すれば、非常に短時間でありうる計測時間内において、２つの独立したコム供給源の間の相対的なコヒーレンスを強制的に実現しなければならない。この制約は、厳しいものであり、この結果、この方法の単純な手段による実際的な実装が妨げられている。非特許文献４に示されているように、最新の基準空洞を使用してコムをロックすることにより、優れた結果を得ることは可能であるが、このようなシステムは、周波数計測の最新の且つ高価なツールに関する広範な知識を必要としており、従って、一般的な分光法の実験室、産業界、又は現場での計測において使用することは不可能である。この２つのコムの繰返しレート及びキャリア−エンベロープオフセットの差に関する安定性の制約は、コム供給源のドップラーシフトされた複製が、コムの安定性とは無関係に、干渉計の可動ミラーの適切な制御によって生成されるマイケルソン干渉計を伴うフーリエ変換分光法（ＦＴＳ）のものとは異なる。又、これは、無線周波数又は光クロックとのコムの位相コヒーレンスが長い時間スケール（数秒）にわたって必要とされる計測における周波数コムの使用法とも異なる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，７８５，３０３号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０２６，５９４号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」、Ｔ． Ｕｄｅｍ、Ｒ． Ｈｏｌｚｗａｒｔｈ、Ｔ．Ｗ． Ｈａｎｓｃｈ著、Ｎａｔｕｒｅ ４１６、２３３（２００２）
【非特許文献２】「Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」、Ｋｅｉｌｍａｎｎ他著、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２９、１５４２〜１５４４頁（２００４）
【非特許文献３】「Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ」、Ｓｃｈｉｌｌｅｒ， Ｓ．著、Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２７、７６６〜７６８頁（２００２）
【非特許文献４】「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｍｕｌｔｉｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｍｂｓ」、Ｉ． Ｃｏｄｄｉｎｇｔｏｎ、Ｗ． Ｃ． Ｓｗａｎｎ、及びＮ． Ｒ．Ｎｅｗｂｕｒｙ著、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ １００、０１３９０２（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、コムの不安定性を補償する２つの周波数コムに基づいた改善された干渉計を提供することにある。換言すれば、提案されている装置及び方法は、時間の関数として変化するそのライン位置を少なくとも１つのコムが具備する２つの周波数コムの間の干渉の計測を可能にする。提案されている装置は、従来技術の精度及び計測時間の制限を克服するべく、２つの周波数コムの間におけるマッピングの変動の監視を許容する。この結果、周波数コムの安定性に対する制約が低減される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、干渉計は、第１周波数コム生成器と、干渉を生成するべく、第１周波数コム信号と相互作用するべく適合された第２周波数コム生成器と、−コムの不安定性について同期化されたクロックとして機能するか又は干渉プロセスのサンプリングのトリガを可能にするシステムとを有する。
【００１５】
又、本発明は、周波数コムフーリエ変換分光法（ＦＣ−ＦＴＳ）にも関係し、且つ、サンプルのスペクトルを計測する分光装置にも関係しており、この装置は、前項までの請求項中のいずれか一項記載の干渉計を有し、前述の第１周波数コム生成器及び前述の第２周波数コム生成器の中の少なくとも１つのものは、サンプルと相互作用するべく適合されている。
【００１６】
添付図面を参照し、本発明の好適な実施例について詳細に説明することとする。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フーリエ変換分光法用の吸収分光計において適合された周波数コム干渉計の概略図を示す。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、２つの光周波数コムスペクトルの一例と、例示用の周波数コム供給源の対応するうなりスペクトルとを示すプロットである。
【図３】本発明によるデータ取得のトリガを可能にするシステムの概念図を示す。
【図４】本発明によるデータ取得用のクロックとして機能するシステムの概念図を示す。
【図５】コム同期化うなり信号のスペクトルフィルタリングをＣＷレーザーの支援によって実行する本発明による干渉計の詳細な実施例を示す。
【図６】本発明において提案されている方法の適用を伴うことなしに通常得られる歪んだスペクトルを示す。
【図７】図４の原理の特定の実施例による、本発明による同期方法を使用した干渉分光システムを示すブロックダイアグラムを示す。
【図８】図７の干渉分光システムを使用して記録された歪みを伴わないスペクトルを示す。
【図９】コム同期うなり信号のスペクトルフィルタリングを受動型フィルタによって実行する本発明による干渉計の詳細な実施例を示す。
【図１０Ａ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１０Ｂ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１０Ｃ】サンプルの吸収及び／又は分散を精査する分光計として本発明の干渉計を使用するための光学レイアウトの一例を示すプロットである。
【図１１】干渉計によって得られたインターフェログラムを示す。
【図１２】差動計測を伴う本発明の干渉計の一実施例を示す。
【図１３】（Ａ）〜（Ｄ）は、速度変調用の本発明の一態様を示す。
【図１４】Ｚｅｅｍａｎ分光法用の本発明の一態様を示す。
【図１５】偏光変調を伴う本発明の一態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
関連出願に対する参照
本出願は、２００８年７月２５日付けで出願された米国仮特許出願第６１／０８３６２０号の利益を主張するものであり、この内容は、本引用により、そのすべてが本開示に包含される。
添付図面を参照し、本発明の好適な実施例について詳細に説明することとするが、添付図面においては、類似の参照符号によって類似の要素を示している。本明細書に提示されている同期方法を有する干渉計については、周波数コムフーリエ変換分光法及びすべての関係する計測法（ハイパースペクトル撮像、顕微鏡検査法、振動円２色法、減衰全反射、Ｚｅｅｍａｎ変調、速度変調、選択的検出法、時間分解分光法など）の例示用の例を検討することによって十分に理解することが可能であるが、この同期方法を有する干渉計は、本明細書に記述されているアプリケーション以外にも使用可能であることに留意されたい。例えば、本明細書に記述されている同期法を有する干渉計は、ＯＣＴ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、干渉測長、ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）、反射計測法、線形光学サンプリング、電界の間の相互相関計測において使用するべく適合可能である。本明細書に具体的に記述されてはいない波面又は振幅再結合に基づいたその他の干渉分光アプリケーションも、この同期方法から利益を享受可能である。
【００１９】
当技術分野において知られているように、周波数コムは、スペクトルレンジにわたって規則的に離隔したレーザー単色放射ラインからなるスペクトル供給源である。通常は、フェムト秒レーザーが使用されており、これにより、フェムト秒周波数コム（ＦＦＣ）が得られる。或いは、この代わりに、トロイダル微小共振器又は光ファイバを含む適切な材料内における４波混合により、コムを生成することも可能である。又、コムは、位相変調された電気光学装置によって生成することも可能である。
【００２０】
要すれば、モード同期レーザーを使用する際には、極めて短いパルスが、周期Ｔ＝ｌ／Ｖgにおいて、モード同期レーザーから周期的に放射され、ここで、ｌは、レーザー空洞の長さであり、且つ、Ｖgは、正味の群速度である。空洞内における分散に起因し、群及び位相速度が異なることになり、この結果、それぞれのパルスのエンベロープのピークとの関係におけるキャリアの位相シフトがもたらされる。周波数ドメインにおいては、スペクトル、即ち、一連の周期的パルスのフーリエ変換は、レーザーモードの櫛歯から構成されており、これらは、パルス繰返し周波数ｆrepだけ離隔している。モード周波数は、ｆn＝ｎｆrep＋ｆ0という関係を遵守しており、ここで、ｎは、整数であり、且つ、ｆ0は、キャリア−エンベロープパルス間位相シフトに起因したものである。現時点においては、コムの出力スペクトルは、１オクターブを超えて伸張可能であり、且つ、ｆrep及びｆ0の最良の安定化レベルは、完全なグリッドからの１０19分の１を上回る逸脱が存在しないようなものになっている。
【００２１】
換言すれば、周波数コムは、等距離のラインから構成された光スペクトルである。モード同期レーザーから周波数コムを生成するには、周期性が、パルスのエンベロープに対してのみならず、１つの一定の位相以外に、それらの光学位相を含むパルスの電界の全体に対しても、適用されることが必要である。従って、パルス間におけるコヒーレンスが必要である。
【００２２】
図１に示されているように、且つ、それ自体が周知であるように、干渉計１の特定のレイアウトは、周波数コム「周波数コム１」と、周波数コム「周波数コム２」と、を有する。「周波数コム１」は、セル１００内に収容されたサンプルを精査する。周波数コム「周波数コム１」及び「周波数コム１」のビームスプリッタ１０１上における再結合から生成される干渉を検出器１０２によって計測し、且つ、インターフェログラムをコンピュータ１０３において計測する。無線周波数ドメインにおいて発生するわずかに異なる繰返しレートを具備した２つのコムからのラインのペアの間のうなり信号は、光スペクトルのダウンコンバージョンされたイメージを提供する。
【００２３】
干渉計は、必ずしも、サンプル１００を精査する必要はなく、且つ、サンプル１００は、存在する場合には、両方のコムと相互作用可能であることに留意されたい。又、振幅再結合の代わりに波面再結合を使用することも可能である。その場合には、ビームスプリッタ１０１は不要である。
【００２４】
本発明によれば、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、互いの間に次式による関係を有するわずかに異なる繰返しレート周波数ｆrep1及びｆrep2を具備する。
ｆrep1＝ｆrep2（１＋ａ）；０＜ａ＜＜１
【００２５】
本発明によれば、繰返しレート及びキャリア−エンベロープオフセットが安定化されるか又はフリーランニング状態にあるフェムト秒モード同期レーザーにより、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２を生成可能である。モード同期レーザーは、非線形光ファイバによって幅を拡張可能であり、且つ、差分／合計周波数生成、高調波生成、及び／又はパラメトリック相互作用などの周波数変換システムに対して結合することも可能である。又、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、４波混合効果により、又は連続波レーザーによってシーディングされた電気光学装置により、生成することも可能である。
【００２６】
本発明による分光計は、前述の図１の干渉計１を有する。１及び２と付番されている（図２（Ａ）に示されている）それぞれのレーザーのスペクトルは、パルス繰返し周波数ｆrep,iだけ離隔したレーザーモードｆn,iのコムであり、
ｆn,i＝ｆ0,i＋ｎｆrep,i
である。ここで、モード同期レーザーに基づいた周波数コムの場合には、ｉ＝１又は２であり、整数ｎは、通常、１０5〜１０6の範囲であり、且つ、ｆ0,iは、レーザー空洞内のパルスの群及び位相速度の間の差によって誘発されるキャリア−エンベロープオフセット周波数である。繰返し周波数は、一般に、無線周波数ドメインに位置する（この例においては、これらは、１００ＭＨｚに近接しており、ｆrep,1−ｆrep,2は、自由スペクトルレンジに応じて、１０Ｈｚ〜２０ｋＨｚの範囲である）。１つのレーザーが吸収サンプルを精査し（図１）、且つ、両方のビームがビームミキサ上において合成される。高速フォトダイオード上において記録されたそれらのうなり信号ｌを増幅し、且つ、パーソナルコンピュータ上において高分解能デジタイザを使用してサンプリングする。
【００２７】
図２（Ｂ）に示されているそれぞれのコム成分ｆ1,n及びｆ2,nの間のうなり差分周波数ｂnは、次式によって付与される。
ｂn＝ｆ1,n−ｆ2,n＝ｎａｆrep2＋（ｆ01−ｆ02）
この式は、ａがダウンコンバージョン係数であることを示している。
【００２８】
従って、光検出器上において記録されるインターフェログラムは、次のように記述可能である。
【数２】
ここで、Ａnは、サンプルの吸収によって減衰した２つのレーザーの電界の振幅の積である。マイケルソン干渉計において発生するものと同様に、光スペクトルの周波数ｆn,i＝ｆ0,i＋ｎｆrep,iが、ｆ0,1−ｆ0,2＋ｎ（ｆrep,1−ｆrep,2）にダウンコンバージョンされる。但し、可動部品の不存在に起因し、エリアジングによって制限されるダウンコンバージョンは、マイケルソンに基づいたＦＴＳにおけるような可聴レンジにではなく、０〜ｆrep,i／２の無線周波数ドメインに結び付くことになる。この結果、記録時間の大幅な低減がもたらされる。次いで、信号Ｉ（ｔ）をフーリエ変換してスペクトルを明らかにするが、光分解能は、計測時間が長いほど、良好になる。干渉分光信号は、２つのレーザーからのフェムト秒パルスが一致した際に、１／δ＝１（ｆrep,1−ｆrep,2）ごとに発生する一連の周期的な大きなバーストを示す。複数のこのようなバーストを含む時間的シーケンスをフーリエ変換することにより、コムラインが分解される。コムパラメータ（ｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02）を無線周波数カウンタによって簡単に計測可能であることから、この後に、光絶対周波数スケールを容易に取得可能である。又、スペクトル内に存在している既知の分子又は原子ラインを使用し、光周波数軸をリスケーリングすることも可能である。
【００２９】
うなり信号の（数μ秒ほどに短いものであってよい）計測時間において、コムの中の１つのものの少なくとも１つのパラメータ（ｆrep1、ｆrep2、ｆ01、ｆ02）が、時間の関数として、わずかに変動可能である。換言すれば、ｂnは、時間の関数である。従って、図２（Ｂ）は、ダウンコンバージョンされたスペクトルの瞬間的なイメージを提供しているに過ぎない。繰り返しレートにおける変動は、高調波指数ｎによって増幅されるため、実際には、コムの繰返しレート（ｆrep1、ｆrep2）の変動は、キャリア−エンベロープオフセット周波数（ｆ01、ｆ02）の変動よりも格段に厄介である。従って、一定の時間インターバルにおけるインターフェログラムのサンプリングは、歪んだ情報をもたらすことになる。
【００３０】
本発明の主要な部分は、最も厄介なコムの変動に同期した方式においてインターフェログラムをサンプリングする簡単な方法を提供している。新しいサンプリンググリッドが提供される。考え方は、干渉するコムから２つの個別のラインの間のうなり信号を隔離し、且つ、コムのラインの位置が無視可能な方式で変動する場合には正弦波である結果的に得られた信号を、２つのコム全体の間の干渉分光信号のサンプリングプロセスのためのトリガとして（同期うなり信号のゼロ交差をトリガとして使用する特別な例示用の実施例における図３）又はクロックとして（図４）使用するというステップを有する。尚、コムラインが十分に隔離されない場合にも、即ち、同期うなり信号がラインの複数のペアのうなり信号を有する場合にも、同期プロセスは、依然として機能する。ただし、時間シーケンスにおいてより制限される、即ち、フーリエ変換分光法の分解能がより制限される。
【００３１】
図５に示されている第１実施例によれば、同期装置は、まず、それぞれのコムから単一ラインを隔離するステップを有する。「周波数コム１」によって供給される光学信号の一部分が、ビームスプリッタの支援により、高速光検出器５０１に送られる一方で、信号の大部分は、干渉分光計測のために使用される（いくつかの例について後述する）。連続波レーザー５０３のビームも、同一の検出器５０１に入射している。連続波レーザー５０３は、コムと同一のスペクトル領域内において、周波数ｆcwにおいて放射する。これは、基準に対してロックすることも可能であり、又はフリーランニング状態にあってもよく、且つ、主には、そのスペクトル純度及びその周波数安定性により、干渉分光計測の最大サンプリング持続時間が決定される。周波数コム１とｃｗレーザーの間のうなり信号が、部分的に無線周波数及びマイクロ波ドメイン内に位置するダウンコンバージョンされたモードのコムである。光検出器５０１の帯域及び更なる電子フィルタリング５０２の適切な選択肢により、（ｎｆrep1＋ｆ01−ｆcw）と表現可能である単一コムラインとｃｗレーザーの間のうなり信号を隔離可能である。同一のｃｗレーザー５０３との周波数コム２の単一ラインの電気うなり信号（ｍｆrep2＋ｆ02−ｆcw）を隔離するべく、光検出器５０４及び電子フィルタ５０５と共に、同一の手順を周波数コム２に対して適用する。ｃｗレーザーの寄与分を除去すると共に２つのコムラインの間のクロックうなり信号（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）を提供するべく、本明細書に記述されているように得られた２つのうなり信号を電子ミキサ５０６によって混合する。ｎ及びｍは、好ましくは、（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）が、Ｍａｘ（ｆrep1，ｆrep2）であるナイキスト基準によって強制されるサンプリング周波数を上回るように、選択される。時間に伴って変化する周期を具備するこの正弦波の特別なマーカー（例えば、ゼロ交差であるが、これに限定されるものではない）を使用し、取得ユニット５０８における干渉分光信号のデータ取得をトリガする。干渉分光信号は、周波数コム１及び２のスペクトルの全体（又は、フィルタリングされた部分）の間のうなり信号から到来する。これを高速光検出器５０７上において計測し、且つ、取得ユニット５０８上において監視する。電子フィルタ及び増幅器を５０７と５０８の間に挿入し、信号対雑音比を改善可能である。或いは、この代わりに、図５に示されているように、この（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）周波数信号は、取得ユニット５０８に対するクロックとして機能することも可能である。取得ユニット５０８は、例えば、パーソナルコンピュータに搭載された高速デジタイザであってよい。次いで、データポイントを、例えば、コンピュータのハードドライブ上に保存するか、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ上においてコーディングするか、又は保存の前に直接的にフーリエ変換する。
【００３２】
吸収サンプルのフーリエ分光法を目的としたこの実施例の特定の例によれば、２つのＥｒドープファイバレーザーにより、約１００ＭＨｚの繰返しレートにおいて、且つ、２０ｍＷの出力パワーにおいて、パルスを放射している。２つのコムの繰返しレートの間の差を１５０Ｈｚに等しい値となるように設定する。それぞれのコムの繰返しレートを水晶発振器に対して安定化させるが、それぞれのコムのキャリア−エンベロープオフセットは、安定化させない。２つのコムを５０−５０ビームミキサによって再合成し、且つ、後述するように、干渉計の２つの出力を改善された計測ダイナミクスに対して計測する。信号を自家製の電子回路及び取得システムによって増幅及びデジタル化する。図６は、本発明を使用することなしに得られたスペクトルを示す。位相誤差により、ラインが大きく歪んでいる。１５５７．４ｎｍで放射するフリーランニング型の連続波Ｅｒドープファイバレーザーは、図５に示されている原理に基づいて、図７に示されている詳細な方式に従って、周波数コムのそれぞれのものとの間においてうなりを生成する。図７においては、ｃｗ型のＥｒドープファイバレーザーを光学的に隔離し、且つ、そのビームを、５０／５０ファイバカプラの支援により、２つの部分に分割している。周波数コム１の出力におけるビームの一部分により、ガス相のアセチレンからなるサンプルを精査している。これが検出器上において周波数コム２の出力におけるビームの一部分との間においてうなりを生成し、且つ、このうなり信号を取得ユニットを使用して監視する。取得ユニットは、干渉分光信号をフィルタリング及び増幅するためのデジタイザ及び適切な電子回路から構成可能である。周波数コム１のビームの別の部分は、うなり検出ユニットに送付され、そこで、そのラインは、ｃｗレーザーからのビームとの間においてうなりを生成する。うなり検出ユニットは、２つの光ビームの間の無線周波数又はマイクロ波うなり信号を計測するための手段である。これは、高速光検出器と、例えば、１つ又は両方の光ビームを均衡させるか、偏光させるか、又はフィルタリングするためのオプティクスと、生成された電気信号をフィルタリングするための電子回路と、から構成される。このうなり検出ユニットの出力において、周波数コム１の単一ラインとｃｗレーザーの間のうなり信号に対応する４２ＭＨｚの周波数における電子信号を生成し、フィルタリングし、且つ、増幅し、ミキサに対して送付する。同様の方式により、周波数コム２の１つのラインとｃｗレーザーの間のうなり信号を１１８ＭＨｚの周波数において生成し、且つ、ミキサの第２入力に向かって送付する。それぞれのコムからの２つの個別のラインの間のうなり信号は、結果的に、７６ＭＨｚの周波数においてミキサの出力において供給される。これは、フィルタリングされ、増幅され、且つ、取得ユニットを使用した干渉分光信号のサンプリングのためのクロックとして使用される。図８は、取得ユニットとして使用される１６ビットの１８０Ｍサンプル／秒のデジタイザ用のクロックとしてこの７６ＭＨｚ信号を使用した際に計測されたスペクトルを示す。図８のスペクトルにおいては、歪みが顕著ではない。
【００３３】
代替構成を利用し、２つのコムの間のクロックうなり信号を生成可能である。例えば、第２実施例は、同期方式において、ｃｗレーザーを使用する代わりに、光学フィルタリングに基づいたものであってよい。図９に示されているように、それぞれのコムを光学フィルタ又はファイバ・ブラッグ格子又はファブリーペロー空洞又はこれらの任意の組合せによって周波数フィルタリング可能である。２つのフィルタリングされたコムは、高速フォトダイオード上においてうなりを生成する。適切な電子フィルタリングの後に、クロックうなり信号（ｎｆrep1＋ｆ01−ｍｆrep2−ｆ02）を取得ユニット用のクロック又はトリガとして使用する。
【００３４】
本発明の更なる態様については後述する。これらの態様は、干渉計の前述の第１及び第２実施例との組合せにおいて使用することも可能であり、或いは、単独で使用することも可能である。
【００３５】
本発明の前述の第１及び第２実施例は、吸収サンプルの周波数コムフーリエ変換分光法を目的とした特定の例示用の実施例に従って使用可能である。図１０に示されているように、いくつかの光学構成を実装可能である。図１０（Ａ）においては、周波数コムＦＣ１のみがサンプル１０００と相互作用している。サンプル１０００は、直接的に精査することも可能であり、或いは、シングルパスセルの内部に、又はマルチパスセルの内部に、又はコムＦＣ１と共振する高フィネス空洞の内部に挿入することも可能である。コムＦＣ１及びＦＣ２からの２つのビームをビームコンバイナ上において再合成する。ビームコンバイナの１つ又は両方の出力を使用し、高速光検出器上において干渉分光信号を計測可能である。これらの検出器は、単純な光検出器（フォトダイオード、ボロメータ、アンテナ）から、或いは、光検出器に結合された、例えば、周波数増倍装置などの非線形周波数コンバータから構成可能である。これらの検出器は、マイクロフォンであってもよい。図１０（Ｂ）においては、周波数コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプル１０００と相互作用している。同時吸収及び分散計測の場合には、干渉計の光学レイアウトを図１０（Ｃ）に示されているように実装可能である。２つの周波数コムＦＣ１及びＦＣ２は、わずかに異なるライン間隔を具備している。これらのコムの中の１つのものであるＦＣ１は、セルを透過し、且つ、第２コムに対してヘテロダイン処理され、この結果、コムＦＣ１のそれぞれのラインが経験した吸収及び分散に関する情報を含むダウンコンバージョンされた無線周波数コムがもたらされる。適切な光学系によってコムビームを２つの干渉計に伝達する。サンプルを精査する干渉計は、セルを収容すると共にサンプルのインターフェログラムＩ1（ｔ）をもたらし、サンプルを伴わない基準として機能している干渉計は、正規化インターフェログラム（Ｉ2（ｔ））を提供する。２つのインターフェログラム（サンプルに伴うもの及び伴わないもの）を同時に計測し、且つ、複素フーリエ変換によって演算する。これらの２つのスペクトルの複素数比の位相及び要素は、それぞれ、検出された放射に対してサンプルによって印加された位相シフト及び減衰を付与し、これにより、媒質の光学定数の完全な特徴付け、その屈折率、及び吸収係数に対するアクセスが提供される。或いは、この代わりに、２つのインターフェログラムＩ1（ｔ）及びＩ2（ｔ）の間の差をデジタル化の前に適切な差動増幅器によって直接的に計測することも可能である。この場合には、改善された信号対雑音比により、サンプルのスペクトルシグネチャのインターフェログラムのみが計測される。
【００３６】
周波数コムは、サンプルと相互作用し、且つ、吸収及び分散に起因した減衰及び位相シフトを経験する。この相互作用は、ｅｘｐ（−δ（ω）−ｉφ（ω））と表現可能であり、ここで、δは、振幅減衰であり、且つ、φは、位相シフトである。δi,n及びφi,nが、周波数ｆ0,i＋ｎｆrep,iにおいてコムｉ（ｉ＝１又は２）が経験するそれぞれの成分を表すという表記法を採用する。図１０（Ａ）に示されているように、コムＦＣ１のみがサンプル１０００と相互作用している。インターフェログラムＩの表現は、次の興味深い項を含んでいる。
【数３】
【００３７】
式（１）の第１の項は、周波数ｆ0,1＋ｎｆrep,1におけるスペクトル情報が周波数（（ｆ0,1−ｆ0,2）＋ａｎｆrep2）においてダウンコンバージョンされることを示している。このインターフェログラムは、従来のＦＴＳからのインターフェログラムに類似している。周波数ｆrep,2における信号の同期検出の実行は、追加情報をもたらさないことから、興味深いものではない。
【００３８】
図１０（Ｂ）に示されているように、コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプル１０００と相互作用することも可能である。インターフェログラムの表現は、次の興味深い項を含んでいる。
【数４】
【００３９】
式（２）の第１行は、同期検出を伴うことなしに、インターフェログラムの直接的な検出によって計測された量である。式（１）のインターフェログラムから得られたものと比較すれば、コムＦＣ１及びＦＣ２の両方がサンプルと相互作用を経験しているため、この検出は、相対的に高感度であるが、周波数依存性を有することから、即ち、周波数の増大に伴って、２つのコムの周波数の間の差が増大していることから、計測ラインの形状が、多少複雑になっている。又、同位相及び直交位相検出に起因して吸収及び分散を取得可能であるため、ｆrep,2周波数における同期検出は興味深い。
【００４０】
インターフェログラムは、その最大及び最小サンプルの間において約１０6の比率を提示可能である。時間の関数としての干渉分光信号の重要な減少が、図１１に示されているインターフェログラムに示されている。従って、フーリエ変換分光法と関連した、特に高スペクトル分解能におけるものであるが、これに限定されはしない、主要な問題点の１つは、計測値の限定されたダイナミックレンジに起因している。周波数コムフーリエ変換分光法においては、直流成分Ｉ0は、もはや、定数ではなく、パルス繰返しレートのフーリエ成分にリンクされた時間ｔの関数Ｉ0（ｔ）となる。従って、この結果、サンプリングがひどく劣化する可能性があり、これを電子フィルタリングによって十分に除去することは困難である。重要な技術的考慮事項は、現時点において稼働している大部分の高速取得ボードが、１６ビットの、即ち、６５５５３８個の異なる計測レベルの、限れたダイナミックレンジしか提供しておらず、これが本質的にＡＤＣコンバータを特徴付けているという点にある。従って、記録手順において、市販の製品を直接的に使用することはできない。
【００４１】
特定の例示用の実施例は、いくつかの要点の組合せであるダイナミックレンジの解決策を提供している。図１２に示されているように、変調されていないバックグランドを除去し、且つ、インターフェログラムの変調された部分のみを得るべく、干渉計の２つの出力Ａ及びＢにおいて供給された高速検出器信号ＩA及びＩBを均衡させ、且つ、減算する。実際には、差分信号（ＧAＩA−ＧBＩB）を極小化させることにより、それぞれＩA及びＩBに対して適用される２つの電子利得ＧA及びＧBを実験の前に判定しておく。これらの利得は、実験において固定される。干渉分光信号を取得ユニットの最大入力値に対してできる限り適合させるべく、時間に応じて、異なる電子利得ＧTを差分信号に対して適用する。
【００４２】
利得は、リアルタイムにスイッチング可能であり、或いは、いくつかの記録チャネルを帰納的な選択のために使用可能である。或いは、この代わりに、コンピュータプログラムにより、既定の方式によって利得を変化させる。この後者の場合には、最良の計測サンプルがコンピュータプログラムによって帰納的に選択され、最終的な値ＧT（ＧAＩA−ＧBＩB）を正規化することにより、良好に計測されたインターフェログラムの全体が返される。後述するように、デジタル化の前に同期検出を実行可能である。
【００４３】
本発明の特定の実施例によれば、２つのレシーバＡ及びＢによって計測された信号は、周波数繰返しレートｆrepにおいて同期状態において検出される。ｆrepは、通常、無線周波数レンジ０．１〜５ＧＨｚに位置するため、この時間ドメイン法は、約２０ｋＨｚの可聴周波数においてインターフェログラムを検出する現時点において最良の市販の干渉計と比べた際に、技術的雑音を大幅に低減する。更には、式（２）から観察可能なように、同位相及び直交位相無線周波数信号のフーリエ変換から、吸収及び分散パラメータが一度に得られる。この方法は、チューニング可能なレーザーを伴う周波数変調分光法に類似している。これは、広帯域カバレージと、最適な変調指数と、外部変調が不要であるという更なる利益を具備している。
【００４４】
又、本発明は、後述するように、選択的分光法に対して適合することも可能である。
【００４５】
第１に、速度変調は、原子又は分子イオンの遷移を選択的に検出することを目的としている。図１３に示されているように、ＦＣ−ＦＴＳにより、様々な方式を実装可能である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）は、直流放電１３００を使用している。中性種は、電界の影響を受けにくい一方で、イオンは、電界に起因し、正味のドリフト速度を獲得する。この速度の影響は、イオンの遷移の周波数がドップラーシフトされるというものである。２つの干渉計を形成するべく、図１３（Ａ）におけるように、それぞれのコムを、或いは、図１３（Ｂ）におけるように、それらの中の１つのもののみを２つのカウンタ伝播ビームに分割可能である。図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示されているように差動検出によって（この場合には、本発明の特定の実施例に従って、それぞれ、Ｓ１及びＳ２並びにＳ３及びＳ４である２つの干渉計の２つの出力が使用される）又は帰納的に生成可能である２つの結果的に得られるインターフェログラム又はスペクトルの間の差が選択的情報をもたらすが、これは、１つのスペクトルにおいては、すべてのイオン周波数が青色シフトされ、且つ、もう１つのものにおいては、赤色シフトされることによる。すべての中性信号及び系統的誤差をスペクトルから除去することにより、イオン遷移の２つのドップラーシフトされた成分のみが残る。
【００４６】
図１３（Ｃ）及び図１３（Ｄ）は、交流変調された放電１３０１を利用し、放電変調又はインターフェログラムの記録時間に依存した周波数レートにおいて反対のドップラーシフトを有する２つのインターフェログラムを取得している。交流変調における同期検出は、中性シグネチャをキャンセルする。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）、図１３（Ｄ）に示されているダブル差動検出方式は、信号対雑音比の改善には好ましいが、必須ではないことに留意されたい。図１３（Ａ）又は図１３（Ｂ）の方式における選択的検出の場合には、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの間の差を検討することで十分である。図１３（Ｃ）又は図１３（Ｄ）の方式における選択的検出の場合には、例えば、検出器Ｓ１（又は、Ｓ２）における信号のみを検討することで十分である。
【００４７】
第２に、Ｚｅｅｍａｎ分光法を実行可能である。図１４（Ａ）に示されている第１の方式においては、供給源１４０１と相互作用する磁界１４００が周期的に変化している。同期又は差動検出の後に、周波数シフトされた磁界による遷移のみが検出される。但し、Ｚｅｅｍａｎ分割の対称性を考慮しなければならない。ＢC＋ＢMとＢC−ＢMの間において磁界を変調しなければならず、この場合に、ＢC及びＢMは、磁界の２つの定数値である。ＢCは、ＢMに等しくてよいが、ゼロであってはならず、さもなければ、信号変動が検出されなくなる。或いは、この代わりに、図１４（Ｂ）に示されているように、差動検出のために、一定の磁界ＢC＋ＢMによってセル１４０２を精査するものと、一定の磁界ＢC−ＢMによってセル１４０３を精査するもう１つのものと、という２つのビームにコムビームを分割することも可能である。速度変調の場合と同様に、干渉計の２つの出力を使用して選択的検出を実現することが望ましいが、これは、必須ではない。図１４（Ａ）においては、検出器Ｓ１（又は、Ｓ２）における信号のみを計測可能である。図１４（Ｂ）においては、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの差を考慮することで十分である。
【００４８】
Ｚｅｅｍａｎ分光法と同様に、電界を印加及び変調し、Ｓｔａｒｋ効果の影響を受け易い遷移を選択的に検出可能である。
【００４９】
第３に、図１５に示されているように、偏光変調ＦＣＦＴＳの様々な方式を実装可能である。図１５（Ａ）に概略的に示されているように、１つ（図１５（Ａ）に示されているように、サンプル１５０１を精査するコムＦＣ１）又は両方のコムＦＣ１及びＦＣ２に対して偏光変調器１５００を使用可能であり、且つ、逐次、高速で、所与の偏光によって１つのインターフェログラムを、そして、もう１つの偏光によって第２のものを計測可能であり、且つ、それらを減算可能である。又、図１５（Ｂ）に示されているように、１つ（図１５（Ｂ）のＦＣ１）又は両方のコムビームを偏光器１５０２及び１５０３によって提供された相補的な偏光を有する２つのビームに分割することも可能である。図１５（Ｂ）に示されているように、図１５（Ｂ）のＦＣ１からの２つのビームは、サンプル１５０４を精査し、且つ、直接的な差動検出が実行される。或いは、この代わりに、２つのインターフェログラムを取得し、且つ、帰納的に減算することも可能である。偏光変調は、偏光の影響を受け易い遷移を選択的に検出するのに有用である。これは、線形（ｓ及びｐ偏光の間の比較）又は振動円２色法（左及び右円偏光放射の間の比較）とも呼ばれる。研究の主題のいくつかの例は、薄い固体薄膜内のキラル分子又は分子の向き、液晶、或いは、常磁性種からのＺｅｅｍａｎ遷移である。２つの偏光状態による放射の吸収の間の差は、多くの場合に、極めて小さい。この考え方は、逐次的に、高速で、２つの異なる状態において偏光された光とサンプルの相互作用から結果的に得られるスペクトルを比較するというものである。図１５において、干渉計の２つの出力の使用は、本発明の特定の例示用の実施例である。速度及びＺｅｅｍａｎ変調について既に前述したように、図１５（Ａ）の構成における単一の検出器Ｓ１又はＳ２を使用可能である。図１５（Ｂ）においては、例えば、検出器Ｓ１及びＳ３（又は、Ｓ２及びＳ４）において計測されたインターフェログラムの間の差又は結果的に得られるスペクトルの間の差を考慮することで十分である。
【００５０】
又、本発明は、後述するように、時間分解アプリケーションに対して適合させることも可能である。従来の分光法においては、時間分解ＦＴＳは、ＦＴＳのすべての周知の利点、特に、観察の広いスペクトルレンジによって、動的な現象を調査するための強力なツールであった。時間分解ＦＴＳは、すべての光学経路−差分位置において励起された観察対象のサンプルの進展の時間サンプリングを実行するステップを有する。実験の終了時点において、供給源の進展の時間サンプルと同数のインターフェログラムが得られ、且つ、これらを変換することにより、それぞれが所与の時点における光源を特徴付けるスペクトルが得られる。但し、主要な制限事項は、観察対象のサンプルが十分に反復的且つ再現可能な方式によって振舞わなければならないという点にある。
【００５１】
動的な研究用の時間分解ＦＣ−ＦＴＳは、この制限を克服可能である。様々な方式を観察対象の時間分解能に応じて実装可能である。更には、高分解能スペクトル用の取得時間は、１ミリ秒、或いは、低分解能情報の場合には、１μ秒のレベルに過ぎないことから、リアルタイムの広帯域分光法又は単一イベント分光法への道が本発明によって開かれる。
【００５２】
完全なインターフェログラムを計測するのに必要な時間よりも低い時間分解能の場合には、計測原理は単純である。これは、順番にインターフェログラムを計測するステップを有する。２つのコムからのレーザーパルスがオーバーラップする際に発生するバーストを誘発するべく、コムの中の１つのものの繰返しレートを変化させることにより、時間分解能を最大で数μ秒に改善可能である。このコムの中の１つのものの繰返しレートの変動は、例えば、圧電トランスデューサによってレーザー空洞の１つのものの長さを変調することによって実現可能である。供給源が反復的な方式によって振舞う場合には、この方法を数回にわたって反復し、信号対雑音比を改善可能である。
【００５３】
供給源の時間分解能又は繰返しレートが最適なサンプリング要件に適合しない際には、特定のサンプリング及び同期方式を開発しなければならない。この考え方は、供給源の稼働条件を満足させるように２つのコムの間の周波数差を調節することにより、インターフェログラムのサンプリングレートを低減するというものである。
【００５４】
望ましい時間分解能が、２つのコムの間の最適な周波数差から結果的に得られる個別のそれぞれのインターフェログラムのサンプリングステップよりも高く、且つ、対象の供給源が高繰返しレートを具備する場合には、時間ドメインのインターフェログラムの高周波数サンプリングを実行可能であり、且つ、それぞれが所与の時点における供給源の吸収の特徴を示すいくつかのインターフェログラムを生成するべくサンプルを帰納的に再配置することができる。次いで、供給源を第１時間サンプルインターフェログラムのサンプリングステップに対して同期させなければならない。
【００５５】
又、本発明は、後述するように、反射計測に対して適合させることも可能である。ＦＣ−ＦＴＳによれば、サンプルによって放射された光を観察する代わりに、サンプルによって反射された光を観察可能である。サンプルは、バルク材料、即ち、平坦な反射表面上に存在する材料のレイヤ（コム放射の波長よりも薄い又は厚いもの）であってよい。
【００５６】
更には、減衰全反射によれば、非常に容易なサンプル調製により、液体又は固体相においてサンプルを精査可能である。サンプルとの直接的な接触状態にある内部表面上において少なくとも一回反射するように、適切に選択された結晶にプローブ光ビームを通過させる。この反射は、通常は、数マイクロメートルだけ、サンプル内に延長するエバネッセント波を形成する。それぞれのエバネッセント波からの減衰エネルギーを光ビームに伝達して戻し、且つ、次いで、結晶によって伝達されたビームをその結晶からの出射の際にＦＴ分光計の第２コムによって収集する。減衰全反射ＦＣ−ＦＴＳは、結晶／サンプルアセンブリを精査する２つのコムによって実装することも可能である。
【００５７】
又、本発明は、後述するように、空間分解計測に対して適合させることも可能である。
【００５８】
第１に、レーザービームの断面が小さくてよいことから、巨視的サンプルの小さな空間領域を選択的に精査可能である。
【００５９】
第２に、サンプルの組成をマッピングするためのＦＣＦＴＳを伴う効率的な方法は、アレイ検出器によって同時にすべてのＦＴスペクトルを計測するというものである。適切なオプティクスを有するアレイ検出器によって物体を撮像する。画像のそれぞれの点からのスペクトルの同時計測は、ハイパースペクトル撮像をもたらす。
【００６０】
第３に、ＦＣ−ＦＴＳを伴う顕微鏡検査法は、フーリエ変換分光法を伴う顕微鏡検査法とレーザー供給源を伴う顕微鏡検査法の利点を１つに統合する。正確な空間診断及び非常に短い計測時間と共に、空間分解能の増大を得ることができる。
【００６１】
第４に、レーザービームの低発散及び高強度に起因し、ＦＣ−ＦＴＳは、サンプルの長い柱状部を精査可能である。或いは、この代わりに、レーザービームは、対象のサンプルに到達する前に、長距離を伝播可能である。又、ＬＩＤＡＲ型ＦＣ−ＦＴＳの実験を実装することも可能であり、強力な周波数コムからのサンプルによって散乱した光を集光し、かつ、第２コムと共に分析可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
干渉計（１）であって、
第１周波数コム生成器（ＦＣ１）と、
干渉（Ｉ）を生成するべく、前記第１周波数コム生成器（ＦＣ１）と相互作用するべく適合された第２周波数コム生成器（ＦＣ２）と、
を有し、
前記干渉計は、前記第１周波数コムの第１の単一ライン及び前記第２周波数コムの第２の単一ラインを隔離する手段（３、４）と、前記第１の単一ライン及び前記第２の単一ラインから少なくとも１つのうなり信号を生成するうなり生成手段と、を有する干渉計。
【請求項２】
第１外部基準光の生成器及び第２外部基準光の生成器を更に有し、前記うなり生成手段は、前記第１の単一ラインと前記第１外部基準光との第１うなり信号と、前記第２の単一ラインと前記第２外部基準光との第２うなり信号と、を生成するべく適合されている請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記うなり生成手段は、前記第１の単一ラインと前記第２の単一ラインとのうなり信号を生成するべく適合されている請求項１に記載の干渉計。
【請求項４】
前記隔離手段は、光学フィルタ及び／又はファイバ・ブラッグ格子及び／又はファブリーペローエタロン及び／又は電子フィルタリングを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項５】
前記隔離手段は、前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器との間においてうなりを生成するべく適合された連続波レーザーを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項６】
請求項１に記載された前記うなり信号において前記干渉のデータ取得をトリガするべく適合された計測手段を更に有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項７】
請求項１に記載の前記うなり信号を前記干渉のデータ取得のためのクロックとして使用するべく適合された計測手段を更に有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項８】
２つの出力（Ａ、Ｂ）と、前記２つの出力を差動計測する手段と、を具備する請求項１〜７のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項９】
サンプルのスペクトルを計測する分光装置であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の干渉計を有し、
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器のうちの少なくとも一つは、前記サンプルと相互作用するべく適合されている、分光装置。
【請求項１０】
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器のうちの一つのみが前記サンプルと相互作用するべく適合されている請求項９に記載の分光装置。
【請求項１１】
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器が前記サンプルと相互作用するべく適合されている請求項８に記載の分光装置。
【請求項１】
干渉計（１）であって、
第１周波数コム生成器（ＦＣ１）と、
干渉（Ｉ）を生成するべく、前記第１周波数コム生成器（ＦＣ１）と相互作用するべく適合された第２周波数コム生成器（ＦＣ２）と、
を有し、
前記干渉計は、前記第１周波数コムの第１の単一ライン及び前記第２周波数コムの第２の単一ラインを隔離する手段（３、４）と、前記第１の単一ライン及び前記第２の単一ラインから少なくとも１つのうなり信号を生成するうなり生成手段と、を有する干渉計。
【請求項２】
第１外部基準光の生成器及び第２外部基準光の生成器を更に有し、前記うなり生成手段は、前記第１の単一ラインと前記第１外部基準光との第１うなり信号と、前記第２の単一ラインと前記第２外部基準光との第２うなり信号と、を生成するべく適合されている請求項１に記載の干渉計。
【請求項３】
前記うなり生成手段は、前記第１の単一ラインと前記第２の単一ラインとのうなり信号を生成するべく適合されている請求項１に記載の干渉計。
【請求項４】
前記隔離手段は、光学フィルタ及び／又はファイバ・ブラッグ格子及び／又はファブリーペローエタロン及び／又は電子フィルタリングを有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項５】
前記隔離手段は、前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器との間においてうなりを生成するべく適合された連続波レーザーを有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項６】
請求項１に記載された前記うなり信号において前記干渉のデータ取得をトリガするべく適合された計測手段を更に有する請求項１〜５のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項７】
請求項１に記載の前記うなり信号を前記干渉のデータ取得のためのクロックとして使用するべく適合された計測手段を更に有する請求項１〜６のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項８】
２つの出力（Ａ、Ｂ）と、前記２つの出力を差動計測する手段と、を具備する請求項１〜７のいずれか一項に記載の干渉計。
【請求項９】
サンプルのスペクトルを計測する分光装置であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の干渉計を有し、
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器のうちの少なくとも一つは、前記サンプルと相互作用するべく適合されている、分光装置。
【請求項１０】
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器のうちの一つのみが前記サンプルと相互作用するべく適合されている請求項９に記載の分光装置。
【請求項１１】
前記第１周波数コム生成器及び前記第２周波数コム生成器が前記サンプルと相互作用するべく適合されている請求項８に記載の分光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公表番号】特表２０１１−５２９１８０（Ｐ２０１１−５２９１８０Ａ）
【公表日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１９２４９（Ｐ２０１１−５１９２４９）
【出願日】平成２１年７月２０日（２００９．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／００６２８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１０４３８
【国際公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（５０１０８９８６３）サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェサイアンティフィク（セエヌエールエス） (173)
【出願人】（５０８３４８９５６）マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツア フェルデルンク デア ヴィッセンシャフテン エー．ファウ． (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月２０日（２００９．７．２０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／００６２８８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０１０４３８
【国際公開日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（５０１０８９８６３）サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェサイアンティフィク（セエヌエールエス） (173)
【出願人】（５０８３４８９５６）マックス−プランク−ゲゼルシャフト ツア フェルデルンク デア ヴィッセンシャフテン エー．ファウ． (4)
【Ｆターム（参考）】
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