特開 2020-41912 光学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2020-41912(P2020-41912A)

(43)【公開日】2020年3月19日

(54)【発明の名称】光学システム

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/42 20060101AFI20200225BHJP

   G01J 3/32 20060101ALI20200225BHJP

   G01N 21/3504 20140101ALI20200225BHJP

【ＦＩ】

   G01J3/42 U

   G01J3/32

   G01N21/3504

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2018-169656(P2018-169656)

(22)【出願日】2018年9月11日

(71)【出願人】

【識別番号】591102693

【氏名又は名称】サンテック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】戸塚 弘毅

(72)【発明者】

【氏名】川杉 昌弘

(72)【発明者】

【氏名】堺谷 貴秀

(72)【発明者】

【氏名】諫本 圭史

【テーマコード（参考）】

2G020

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G020AA03

2G020BA02

2G020BA12

2G020CA02

2G020CB23

2G020CB42

2G020CC21

2G020CC27

2G020CC65

2G020CD03

2G020CD13

2G020CD22

2G059AA01

2G059AA05

2G059BB01

2G059CC13

2G059EE01

2G059EE10

2G059EE12

2G059FF08

2G059GG01

2G059GG09

2G059HH01

2G059JJ03

2G059JJ11

2G059JJ17

2G059KK01

2G059MM01

2G059MM04

2G059MM10

2G059NN01

(57)【要約】

【課題】高速掃引される波長を高精度に判別可能な光学システムを提供する。
【解決手段】本開示の一側面に係るシステム１は、差周波光生成部１０と、分岐部４０と、等波数信号生成部５０と、基準信号生成部６０と、を備える。差周波光生成部１０は、信号光光源１１からの出力光と励起光光源１２からの出力光との波数差に対応する差周波光を生成して出力する。これら光源の一方は、波長掃引光源として構成される。分岐部４０は、波長掃引光源からの出力光の一部を、第一及び第二の参照光として分岐する。等波数信号生成部５０は、第一の参照光を、干渉計５１を介して受光することにより、等波数間隔で変動する等波数信号を生成して出力する。基準信号生成部６０は、第二の参照光を、特定波長の入力光を選択的に通過させる光学要素を介して受光することにより、第二の参照光が特定波長であるときに電気的な基準信号を生成して出力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方が波長掃引光源として構成される信号光光源及び励起光光源からの出力光を合波して、非線形光学材料に入力することにより、前記信号光光源からの出力光と前記励起光光源からの出力光との波数差に対応する波数を有する差周波光を生成して出力するように構成される差周波光生成部と、
前記波長掃引光源からの出力光の一部を、第一及び第二の参照光として分岐するように構成される分岐部と、
前記分岐された前記第一の参照光を、入力光の波長に対応した干渉光を出力する干渉計を介して受光することにより、前記波長掃引光源における波長掃引に応じて等波数間隔で変動する電気的な信号である等波数信号を生成して出力するように構成される等波数信号生成部と、
前記第二の参照光を、特定波長の入力光を選択的に通過させる光学要素を介して受光することにより、前記第二の参照光が前記特定波長であるときに電気的な基準信号を生成して出力するように構成される基準信号生成部と、
を備える光学システム。

【請求項2】

請求項１記載の光学システムであって、
前記差周波光生成部からの前記差周波光を、測定対象を介して受光することにより、前記測定対象を通過した前記差周波光の受光強度を示す測定信号を出力するように構成される測定部と、
前記測定部からの前記測定信号、前記等波数信号生成部からの前記等波数信号、及び前記基準信号生成部からの前記基準信号を共通の時間軸に関連付けて記録するように構成される記録部と、
を更に備える光学システム。

【請求項3】

請求項１記載の光学システムであって、
前記差周波光生成部から出力される前記差周波光を、測定対象を介して受光することにより、前記測定対象を通過した前記差周波光の受光強度を示す測定信号を出力するように構成される測定部と、
前記受光強度と前記差周波光の波長又は波数との対応関係を、前記測定部からの前記測定信号、前記等波数信号生成部からの前記等波数信号、及び前記基準信号生成部からの前記基準信号に基づき判別するように構成される解析部と、
を更に備える光学システム。

【請求項4】

請求項２記載の光学システムであって、
前記記録された前記等波数信号及び前記基準信号に基づき、前記時間軸上の各時刻における前記波長掃引光源からの出力光又は前記差周波光の、波長若しくは波数を判別するように構成される解析部
を更に備える光学システム。

【請求項5】

請求項４記載の光学システムであって、
前記解析部は、前記記録された前記測定信号から特定される各時刻の受光強度と、前記判別された各時刻の波長又は波数とに基づき、波長又は波数と前記測定対象を通過した光の強度又は吸光度との対応関係を示すデータを生成する光学システム。

【請求項6】

請求項３〜請求項５のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記解析部は、前記等波数信号に対するフィルタ処理により前記等波数信号に含まれるノイズ成分を低減する光学システム。

【請求項7】

請求項１〜請求項６のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記波長掃引光源は、共振器を構成する反射鏡の一面がＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）により駆動されることで波長掃引が実現されるＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）である光学システム。

【請求項8】

請求項１〜請求項７のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記差周波光は、中赤外光である光学システム。

【請求項9】

請求項１〜請求項８のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記差周波光の波長は、３〜３．５μｍの中赤外波長範囲内にある光学システム。

【請求項10】

請求項８又は請求項９記載の光学システムであって、
前記差周波光の線幅は、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下である光学システム。

【請求項11】

請求項８〜請求項１０のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記差周波光の波長掃引繰返し周波数は、１０Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下であり、掃引波数範囲は、２０ｃｍ^-1以上２５０ｃｍ^-1以下である光学システム。

【請求項12】

請求項８〜請求項１１のいずれか一項記載の光学システムであって、
前記光学要素は、誘電体多層膜で構成される、透過波長幅が０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の光学フィルタである光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学システムに関する。

【背景技術】

【0002】

測定対象ガスに、波長を掃引しながら光を照射し、照射した光の吸収度を測定することにより、ガスの成分分析を行うシステムが既に知られている（例えば特許文献１参照）。照射光には、例えば波長２．５μｍ〜４μｍの中赤外光が用いられる。中赤外波長領域は、分子の種類に応じて異なった吸収スペクトルを示すため、化学物質の同定に重要な波長領域である。

【0003】

近年、この中赤外波長領域で測定対象ガスの光吸収を測定することにより、温室効果ガスの原因となる内燃機関や産業プロセスガスの成分濃度を分析することが考えられている。リアルタイムにガスの吸収スペクトルを測定し、ガスの成分濃度及び組成を分析するためには、中赤外線の波長を広帯域且つ高速で掃引すること、更には、短い周期で繰返し掃引することが重要である。

【0004】

中赤外光の波長帯域の特に波長３μｍ〜３．５μｍ付近には、多種の炭化水素分子の振動基準モードが存在しており、この帯域には、メタン、エタン、プロパン、ブタン、アセチレンなどの吸収が３μｍ以下の波長に存在する振動高調波に比べて１００倍以上強い吸収線が存在する。このため、３μｍ〜３．５μｍの波長帯域は、微量なガスを高感度に検出するのに非常に有用である。

【0005】

これらのガスの吸収スペクトルの測定には、分子の種類を特定するために、振動及び回転準位を識別できる必要があり、光源の線幅が、振動及び回転準位間の遷移による吸収スペクトル線の幅よりも狭くなっている必要がある。メタンの場合では、分子の振動及び回転スペクトル間隔が３００ＧＨｚ、一本一本の吸収線の線幅は、ドップラー広がりのため、室温の場合３００ＭＨｚ程度となっており、照射光の線幅は、３００ＭＨｚ以下であることが望ましい。

【0006】

この条件を満たすには、照射光としてのレーザー光の発振モードがシングルモードであることが望ましく、更には、波長の連続掃引（モードホップフリー）を実現可能であることが望ましい。連続した波長掃引を実現できない場合には、吸収スペクトルに波長の不連続点が生じてしまうためである。

【0007】

これらの条件（シングルモード及びモードホップフリー）を満足し、中赤外光の波長掃引を実現可能な波長掃引光源としては、量子カスケードレーザー（ＱＣＬ）、非線形光学過程を用いた光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）、及び差周波発生（ＤＦＧ）を利用した光源などがある。しかしながら、これらの波長掃引光源を用いたシステムでは、掃引可能な波長帯域が小さく、波長掃引速度が遅く、波長掃引繰返し周波数が低いため、高速掃引を短い周期で繰り返してガスのリアルタイム測定を実現することが難しかった。

【0008】

例えば、特許文献２に開示されるような、ＱＣＬを波長掃引光源として採用したシステムでは、波長掃引中のモードホップを回避するために、モータを用いて波長掃引制御を行うことから、１０Ｈｚを超える波長掃引繰返し周波数で、高速に波長掃引を行うことができなかった。

【0009】

半導体レーザー内部の共振器に回折格子構造を用いた分布帰還形（ＤＦＢ）レーザーを
用い、温度調整により生じる熱膨張効果による共振器長変化を利用して波長掃引を行う技術も知られている。しかしながら、このような熱膨張を利用する技術では、波長掃引速度が遅く、波長掃引範囲も狭く１０ｎｍ未満に限定されるといった欠点があった。

【0010】

差周波発生（ＤＦＧ）を利用したシステムも同様に、大きな質量をもつ光学部品をモータで駆動して、波長掃引を実現する従来システムでは、モータの駆動速度及び駆動対象の慣性等に起因して、波長掃引繰返し周波数及び波長掃引速度を高くすることが難しかった。

【0011】

高速波長掃引可能な光源としては、共振器の一面がＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）により駆動されることで波長掃引が実現されるＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）が知られている（特許文献３参照）。しかしながら、従来技術によれば、この光源を、分光分析用途で利用することができなかった。即ち、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬでは、波長を高速掃引可能である一方、従来技術では、掃引過程の波長を精度よく判別することができないために、波数対吸光度のスペクトルデータを精度よく生成することができなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１１−２０３３７６号公報

【特許文献2】米国特許出願公開第２００７／００３０８６５号明細書

【特許文献3】特開２０１０−１６１２５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0013】

上述したように、従来技術では、高速波長掃引が難しい、あるいは、高速波長掃引を実現することができても、掃引過程での波長を高精度に判別することができないといった問題があった。そこで、本開示の一側面によれば、高速掃引される波長を高精度に判別可能な光学システムを提供できることが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0014】

本開示の一側面に係る光学システムは、差周波光生成部と、分岐部と、等波数信号生成部と、基準信号生成部と、を備える。
差周波光生成部は、信号光光源及び励起光光源からの出力光を合波して、非線形光学材料に入力することにより、信号光光源からの出力光と励起光光源からの出力光との波数差に対応する波数を有する差周波光を生成して出力するように構成される。信号光光源及び励起光光源の一方は、波長掃引光源として構成される。

【0015】

分岐部は、波長掃引光源からの出力光の一部を、第一及び第二の参照光として分岐するように構成される。
等波数信号生成部は、分岐された第一の参照光を、入力光の波長に対応した干渉光を出力する干渉計を介して受光することにより、波長掃引光源における波長掃引に応じて等波数間隔で変動する電気的な信号である等波数信号を生成して出力するように構成される。

【0016】

基準信号生成部は、第二の参照光を、特定波長の入力光を選択的に通過させる光学要素を介して受光することにより、第二の参照光が特定波長であるときに電気的な基準信号を生成して出力するように構成される。

【0017】

この光学システムを用いれば、掃引過程の波長変化が一定ではない環境でも、等波数信号と基準信号との関係から、波長掃引光源からの出力光の波長又は波数を高精度に判別す
ることができ、差周波光の波長又は波数を高精度に判別可能である。高速掃引では、掃引過程の波長変化にばらつきが生じやすい。本開示の光学システムを用いれば、このようなばらつきの影響を抑えて、掃引波長を高精度に判別することが可能である。

【0018】

本開示の一側面によれば、光学システムは、測定部を更に備えてもよい。測定部は、差周波光生成部からの差周波光を、測定対象を介して受光することにより、測定対象を通過した差周波光の受光強度を示す測定信号を出力するように構成されてもよい。本開示の一側面によれば、光学システムは、測定対象の光吸収スペクトルを測定するシステムに適用されてもよい。

【0019】

本開示の一側面によれば、光学システムは、記録部を更に備えてもよい。記録部は、測定部からの測定信号、等波数信号生成部からの等波数信号、及び基準信号生成部からの基準信号を共通の時間軸に関連付けて記録するように構成されてもよい。

【0020】

本開示の一側面によれば、光学システムは、解析部を更に備えてもよい。解析部は、受光強度と差周波光の波長又は波数との対応関係を、測定部からの測定信号、等波数信号生成部からの等波数信号、及び基準信号生成部からの基準信号に基づき判別するように構成されてもよい。

【0021】

本開示の一側面によれば、解析部は、記録された等波数信号及び基準信号に基づき、時間軸上の各時刻における波長掃引光源からの出力光又は差周波光の、波長若しくは波数を判別するように構成されてもよい。

【0022】

本開示の一側面によれば、解析部は、記録された測定信号から特定される各時刻の受光強度と、判別された各時刻の波長又は波数とに基づき、波長又は波数と測定対象を通過した光の強度又は吸光度との対応関係を示すデータを生成するように構成されてもよい。この構成によれば、高速波長掃引可能且つ高精度な光吸収スペクトルデータを生成可能な光学システム、特には分光分析システムを実現することができる。

【0023】

本開示の一側面によれば、解析部は、等波数信号に対するフィルタ処理により等波数信号に含まれるノイズ成分を低減するように構成されてもよい。ノイズ成分の低減により、等波数信号から高精度に各時刻の波長又は波数を判別することができる。

【0024】

本開示の一側面によれば、波長掃引光源は、共振器を構成する反射鏡の一面がＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）により駆動されることで波長掃引が実現されるＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）であってもよい。

【0025】

ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬでは、高速波長掃引が可能である一方、通常、掃引波長の変化が一定及び線形ではないため、波長掃引開始からの経過時間の情報だけでは各時刻の波長を高精度に判別することができない。本開示の光学システムによれば、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬを用いて、高速波長掃引を行う場合でも、差周波光の各時刻における波長又は波数を高精度に判別することができる。

【0026】

本開示の一側面によれば、差周波光は、中赤外光であってもよい。本開示の一側面によれば、差周波光の波長は、３〜３．５μｍの中赤外波長範囲内にあってもよい。中赤外光は、多くのガスの成分分析、例えば、炭化水素分子を含むガスの成分分析に大変役立つ。

【0027】

本開示の一側面によれば、差周波光の線幅は、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下であってもよい。本開示の一側面によれば、差周波光の波長掃引繰返し周波数は、１０Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下であってもよい。本開示の一側面によれば、掃引波数範囲は、２０ｃｍ^-1以上
２５０ｃｍ^-1以下であってもよい。

【0028】

本開示の一側面によれば、光学要素は、特定波長の入力光を選択的に透過させる光学フィルタであってもよい。本開示の一側面によれば、光学要素は、誘電体多層膜で構成される光学フィルタであってもよい。本開示の一側面によれば、光学フィルタは、透過波長幅が０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下のバンドパスフィルタであってもよい。この透過波長幅によれば、光学フィルタの透過光に基づき、基準信号を適切に生成することができ、基準信号及び等波数信号に基づき、波長又は波数を高精度に判別することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】光学測定システムの構成を表すブロック図である。

【図2】ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬの発振スペクトルを示すグラフである。

【図3】ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬからの出力パワー及び波長の時間変化を示すグラフである。

【図4】掃引波長の時間変化を示すグラフである。

【図5】バンドパスフィルタの透過強度を示すグラフである。

【図6】強度測定信号、等波数信号、及び基準信号を示す時間対電圧のグラフである。

【図7】プロセッサが実行する解析処理のフローチャートである。

【図8】基準信号及び等波数信号に基づく波数の判別原理を説明した図である。

【図9】波数に対応する時刻の判別原理を説明した図である。

【図10】時間と波数との対応関係を表すグラフである。

【図11】中赤外光の強度の推定手法を説明した図である。

【図12】中赤外光の出力強度及び波長の経時変化を示すグラフである。

【図13】メタンガスの吸光度の測定結果を示すグラフである。

【図14】メタンガスの室温における光吸収スペクトルを示すグラフである。

【図15】特定波数付近の吸光度を拡大表示するグラフである。

【図16】波数ばらつきに関するヒストグラムである。

【図17】等波数間隔のサンプリングに関する説明図である。

【図18】数値演算フィルタ処理実行前後の等波数信号を示す図である。

【図19】プロセッサが実行する数値演算フィルタ処理のフローチャートである。

【図20】ＦＦＴスペクトルを表す図である。

【図21】ピーク検出に関する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下に本開示の例示的実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に示す本実施形態の光学測定システム１は、測定対象ガス２０に中赤外光を照射して、測定対象ガス２０の吸光度を測定するためのシステムである。

【0031】

この光学測定システム１は、中赤外光生成部１０と、中赤外光検出部３０と、光分岐器４０と、等波数信号生成部５０と、基準信号生成部６０と、信号解析部７０とを備える。
中赤外光生成部１０は、信号光光源１１と、励起光光源１２と、光合波器１４と、波長変換素子１５と、集光レンズ１７と、光分岐器１９とを備える。この中赤外光生成部１０は、差周波光出力部として機能する。

【0032】

即ち、中赤外光生成部１０は、信号光光源１１及び励起光光源１２からの出力光を合波して、非線形光学材料を含む波長変換素子１５に入力することにより、信号光光源１１からの出力光と励起光光源１２からの出力光との波数差に対応する波数を有する中赤外波長の差周波光を生成して出力するように構成される。

【0033】

以下に説明する本実施形態の光学測定システム１では、信号光光源１１が固定波長光源として構成され、励起光光源１２が波長掃引光源として構成されるが、別例として、信号光光源１１が波長掃引光源として構成され、励起光光源１２が固定波長光源として構成されてもよい。即ち、図１に示す固定波長光源は、励起光光源１２であってもよく、波長掃引光源は、信号光光源１１であってもよい。

【0034】

信号光光源１１は、例えば１．５μｍ帯の固定波長のレーザー光を信号光として出力するように構成される。信号光光源１１の例には、波長安定化ＤＦＢレーザー及びファイバーレーザーが含まれる。信号光光源１１の出力後段に、信号光出力強度を増幅するための光ファイバ増幅器が配置されてもよい。信号光光源の波長をモニターするエタロン等の光学素子を通した光を検出し、信号光光源の電流や温度にフィードバックをかけ波長を安定させる波長ロックモジュールが追加されてもよい。

【0035】

励起光光源１２は、例えば波長掃引される１．０６μｍ帯のレーザー光を励起光として出力するように構成される。具体的に、励起光光源１２は、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬで構成される。ＭＥＭＳは、マイクロエレクトロメカニカルシステムの略であり、ＶＣＳＥＬは、垂直共振器面発光レーザーの略である。ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬでは、共振器を構成する反射鏡の一面がＭＥＭＳにより駆動されることで波長掃引が実現される。

【0036】

ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬの例には、ハーフＶＣＳＥＬと、高速駆動ＭＥＭＳダイアフラムミラーとを組み合わせたＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬが含まれる。先行技術文献（特許文献３：特開２０１０−１６１２５３号公報）には、１．５μｍ帯の光出力のためにＩｎＰ基板を備えるＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬが開示されている。このＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬにおいて、ＩｎＰ基板をＧａＡｓ系の半導体基板に置き換えることで、１．０６μｍ帯のＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬを構成することができる。

【0037】

ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬは、ＶＣＳＥＬの活性層をＶＣＳＥＬ側の高反射率ミラーとＭＥＭＳ側の高反射率ミラーで挟み込んだ光共振器を備える。ＶＣＳＥＬに電流を流すことにより活性層が励起され、自然放出光が発生し、ＶＣＳＥＬ側の高反射率ミラーとＭＥＭＳ側の高反射率ミラーの間を光が往復し、活性層を光が通るときに光が増幅されてレーザー発振が実現される。

【0038】

高反射率ミラーを中央に含むＭＥＭＳダイアフラムミラーを変位させることにより、ＶＣＳＥＬ側の高反射率ミラーとＭＥＭＳ側の高反射率ミラーの間で定義される共振器長が変化し、発振波長が変化する。

【0039】

共振器長を短くすることにより、共振器の縦モード間隔であるフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）を広げることができ、活性層のレーザー発振有効ゲイン波長範囲内の共振器縦モードを一つだけにすることができ、フリースペクトルレンジで規定される可変波長範囲を大きくすることができる。

【0040】

例えば、ＭＥＭＳ側の高反射率ミラーとＶＣＳＥＬ側の高反射率ミラーとの間隔を約８μｍ（空気換算光学長）とすると１．０６μｍ帯でのフリースペクトルレンジを約７０ｎｍとすることができ、フリースペクトルレンジが活性層のレーザー発振有効ゲイン波長範囲以上の場合、活性層のゲイン波長全域で発振波長を変えることができる。このとき、発振縦モード次数は１５であり、ミラー間の間隔を変えるために５２５ｎｍ以下でＭＥＭＳダイアフラムミラーを空間的に動かせば、次の次数が現れない連続した波長掃引が可能となる。

【0041】

電流注入方式で励起する活性層の空間領域に関し、ＶＣＳＥＬ側の高反射率ミラーとＭＥＭＳ側の高反射率ミラーとで規定される共振器基本モードの空間的重ね合わせを最大化することにより、レーザー発振を起こさせる横モードをシングルモード化することができる。この横モードの制限と、短共振器長による縦モードの制限とにより、縦及び横シングルモードでのモードホップフリー波長チューニングが可能となる。

【0042】

光で活性層を励起する光ポンプ方式の場合には、活性層を励起する光の焦点直径を調整することにより、活性層を励起する空間領域を制御することができ、電流注入方式と同様に共振器の空間モードとの重ね合わせを最大化して、縦及び横シングルモードレーザー発振を実現できる。

【0043】

縦及び横シングルモード発振のＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬからの平均出力光強度は数ｍＷ以下と弱いため、より強い中赤外光を出力するために半導体光増幅器（ＳＯＡ）などの光増幅デバイス１３をＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬの出力後段に配置してもよく、この場合には、出力を、数十ｍＷ程度の光出力強度まで増幅することが可能である。ＳＯＡの出力後段に更に光ファイバ増幅器を配置して光出力強度を増幅しても良い。

【0044】

本開示者らの実験によれば、上記構成のＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬのＭＥＭＳに適用する定電圧設定を変えることによってレーザー発振波長を変えることができ、３２ｎｍの可変波長範囲が得られた。このＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬでは、図２に示すように、発振ピークから４０ｄＢ程度下までサイドモードが観察されず、共振器横モードも基本モードに対して４０ｄＢ程度以上抑圧された。図２には、波長（ｎｍ）の横軸、及び、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬからの出力光強度（ｄＢｍ／０．１ｎｍ）の縦軸を有する、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬの発振スペクトルを示すグラフを示す。

【0045】

図３に示すグラフは、上記ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬにおけるＭＥＭＳを１００ｋＨｚの電圧信号で駆動した実験で得られたＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬからの光の出力パワー及び波長の時間変化を示す。この実験では、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬの後段に光増幅デバイス１３を配置し、光信号を増幅している。グラフ内の実線が出力パワーの軌跡を表し、破線が波長の軌跡を表す。グラフにおいて横軸が時間軸に対応し、右縦軸が波長軸に対応し、左縦軸が出力パワー軸に対応する。

【0046】

この実験では、１００ｋＨｚの駆動周波数で１０５２ｎｍを中心とした３７ｎｍの範囲での波長掃引が実現されている。この実施では、長波長から短波長に向かって波長掃引しているときに光増幅デバイス１３に流す電流を切り、光出力がない状態に設定しているが、光増幅デバイス１３に流す電流を切らなければ長波長から短波長へ向かう波長掃引も出力することができ、短波長から長波長のみでなく、長波長から短波長の波長掃引も出力することができる。この場合、ＭＥＭＳダイアフラムミラーの機械的動作周波数１００ｋＨｚの２倍である２００ｋＨｚでの波長掃引が可能である。

【0047】

光合波器１４は、信号光光源１１から光ファイバを通じて伝送されてくる固定波長の信号光、及び、励起光光源１２から光ファイバを通じて伝送されてくる波長掃引される励起光を合波するように構成される。光合波器１４により合波された信号光及び励起光は、共通の光ファイバを通じて波長変換素子１５に伝送される。光合波器１４の例には、波長分割多重（ＷＤＭ）カプラが含まれる。光ファイバは、偏光保持ファイバであってもよいし、シングルモードファイバーであってもよい。

【0048】

波長変換素子１５は、周期的に分極反転された非線形光学材料が配置された光導波路を備え、入力される信号光と励起光との波数差に対応する波数を有する差周波光を生成して
、出力するように構成される。この波長変換素子１５の構造及び原理は、先行技術文献（特許文献１：特開２０１１−２０３３７６）に開示される。波長変換素子１５の例には、周期的に分極反転したＬｉＮｂＯ３等の材料から作製される導波路型差周波生成（ＤＦＧ）デバイスが含まれる。

【0049】

差周波光の波長λ_iと、信号光の波長λ_sと、励起光の波長λ_pとの関係は、次式（１）
で表される。

【0050】

【数1】

１．５μｍ帯の信号光と１．０６μｍ帯の励起光とが波長変換素子１５に入力されるとき、波長変換素子１５からは、３μｍ帯の差周波光（中赤外光）が出力される。

【0051】

波長変換素子１５から出力される中赤外光は、集光レンズ１７を通り、平行光として、測定対象ガス２０に向けて出力される。集光レンズ１７は、中赤外光ビームが、遠方まで空間的に拡がらないようにする目的で配置される。

【0052】

測定対象ガス２０を通過した中赤外光は、中赤外光検出部３０で受光される。中赤外光検出部３０は、光ディテクタ３５と、出力回路３９とを備える。光ディテクタ３５は、中赤外光の受光強度に対応した電気的な検出信号を出力するように構成される。光ディテクタ３５の例には、ＨｇＣｄＴｅ等材料を冷却した中赤外線ディテクタが含まれる。出力回路３９は、光ディテクタ３５からの検出信号を、電流−電圧変換し、中赤外光の受光強度に応じた電圧情報を有する強度測定信号として出力する。この強度測定信号は、信号解析部７０に入力される。

【0053】

ここで、掃引波長の変化について説明する。中赤外光の波長は、励起光光源１２における波長掃引に伴って変化するが、励起光光源１２としてのＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬから出力される光の波長の時間変化は、図４に示すように、時間に対して線形ではない。このため、波長変換素子１５から出力される中赤外光の波長も同様な時間変化を示す。

【0054】

ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬからの出力光について、波長の時間変化が線形ではない理由は、ＭＥＭＳダイアフラムミラーが慣性で急に動き出したり、急に止まったりできないためである。ＭＥＭＳダイアフラムミラーに機械的な複数の共振モードが存在することや、ＭＥＭＳダイアフラムミラーの駆動電圧にばらつきが存在することで、掃引波長の軌跡も掃引毎に微少に変化する。

【0055】

ＭＥＭＳには、よく知られるようにチャージアップと呼ばれる現象、即ち、ＭＥＭＳの表面に電荷が溜まる現象も起こる。このチャージアップは、ＭＥＭＳの駆動電圧に見かけ上オフセットを生じさせ、掃引波長範囲が移動する波長ドリフト現象を生じさせる。

【0056】

このようにＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬから出力される光の波長は、様々な要因により簡単には特定できない。一方、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬをガスの光吸収スペクトルの測定のための光源として用いるためには、中赤外光検出部３０からの強度測定信号が示す中赤外光の受光強度と波長又は波数との対応関係が分からなければならない。本実施形態の光学測定システム１が備える等波数信号生成部５０及び基準信号生成部６０は、この対応関係の特定のために用いられる。

【0057】

中赤外光生成部１０が備える光分岐器１９（図１参照）は、波長掃引光源（励起光光源１２）から出力される光の一部を分岐して、等波数信号生成部５０及び基準信号生成部６０に提供するように構成される。即ち、光分岐器１９は、励起光光源１２から出力される励起光の一定割合を、光合波器１４に入力し、残りを下段の光分岐器４０に入力するように構成される。

【0058】

下段の光分岐器４０は、光分岐器１９により分岐された光を更に、第一及び第二の参照光として分岐して、第一の参照光を、等波数信号生成部５０に入力し、第二の参照光を、基準信号生成部６０に入力するように構成される。光分岐器１９，４０の例には、カプラが含まれる。

【0059】

等波数信号生成部５０は、入力される第一の参照光を、入力光の波長に対応した干渉光を出力する干渉計を介して受光することにより、励起光の波長掃引に応じて等波数間隔で変動する電気的な信号である等波数信号を出力するように構成される。

【0060】

具体的に、等波数信号生成部５０は、ｋ−ｃｌｏｃｋ干渉計５１と、光ディテクタ５５と、出力回路５９とを備える。ｋ−ｃｌｏｃｋ干渉計５１は、波長掃引される励起光の波数に対応した干渉信号を出力するように構成される。ｋ−ｃｌｏｃｋ干渉計５１の例には、光ファイバで構成されるマッハゼンダー干渉計、及び、エタロンが含まれる。エタロンの例には、低膨張率ガラスで共振器を構成した固体型又は空間型エタロンが含まれる。

【0061】

図１に示されるｋ−ｃｌｏｃｋ干渉計５１は、エタロン５３を備える。エタロン５３には、光分岐器４０からコリメータレンズ５２を介して第一の参照光が入力される。エタロン５３では、共振器長に対応する入力光の周波数成分が強調されて、干渉信号が出力される。エタロン５３の共振器長の倍の長さ（あるいは干渉計のディレイ長）をＬｄ、光速をｃとすると、干渉信号には、等周波数間隔Δν＝ｃ／Ｌｄの干渉縞が現れる。

【0062】

干渉信号は、コリメータレンズ５４を介して、光ディテクタ５５に伝送される。光ディテクタ５５は、干渉信号の受光強度に応じた電気的な検出信号を出力する。出力回路５９は、光ディテクタ５５からの検出信号を、電流−電圧変換し、受光強度に応じた電圧情報を有する等波数信号として出力する。出力される等波数信号は、アナログのｋ−ｃｌｏｃｋ信号である。変形例として、等波数信号は、ディジタルのｋ−ｔｒｉｇｇｅｒ信号であってもよい。ｋ−ｔｒｉｇｇｅｒ信号は、ｋ−ｃｌｏｃｋ信号が閾値を超えたときにパルスとして出力される信号である。

【0063】

出力回路５９からの等波数信号は、信号解析部７０に入力される。出力回路５９は、ＡＣカップリングによりＤＣ成分を除去するように構成されてもよい。即ち、ＤＣ成分の除去された等波数信号が信号解析部７０に入力されてもよい。

【0064】

基準信号生成部６０は、光分岐器４０から入力される第二の参照光を、特定波長λ_Gの
入力光を選択的に通過させる光学フィルタを介して受光することにより、第二の参照光が特定波長λ_Gであるときに電気的な基準信号を出力するように構成される。

【0065】

具体的に、基準信号生成部６０は、光学フィルタとしてのバンドパスフィルタ６１と、光ディテクタ６５と、出力回路６９とを備える。バンドパスフィルタ６１は、特定波長λ_Gの第二の参照光が当該バンドパスフィルタ６１を通って光ディテクタ６５に伝送される
ように、第二の参照光の伝送路における光ディテクタ６５の上流に配置される。

【0066】

バンドパスフィルタ６１は、例えば誘電体多層膜により構成される。このバンドパスフィルタ６１は、例えば０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の透過波長幅を有する。図５は、バンド
パスフィルタ６１の透過強度を例示するグラフである。この例によれば、透過波長の半値全幅は約０．４ｎｍである。０．１ｎｍ以上の透過波長幅を有する誘電体多層膜のバンドパスフィルタ６１の作製は比較的容易である。

【0067】

バンドパスフィルタ６１を透過した第二の参照光は、光ディテクタ６５で受光される。バンドパスフィルタ６１の存在に起因して、光ディテクタ６５は、第二の参照光、換言すれば波長掃引される励起光がバンドパスフィルタ６１の透過波長範囲に対応する波長であるときにピークを示す、受光強度に応じた電気的な検出信号を出力するように動作する。検出信号は、出力回路６９を通じて、掃引中の波長が特定波長λ_Gであることを示す基準
信号に変換され、信号解析部７０に入力される。

【0068】

即ち、励起光の波長掃引により生じた特定波長λ_Gの第二の参照光がバンドパスフィル
タ６１を通過したときに、バンドパスフィルタ６１を透過した第二の参照光が光ディテクタ６５で検出される。光ディテクタ６５では、透過光強度に比例した電流が発生し、この電流情報を有する電気信号が上記検出信号として出力回路６９に入力される。

【0069】

出力回路６９は、入力される検出信号が有する電流情報を、電圧情報に変換する。出力回路６９は更に、変換後の検出信号の電圧が所定電圧を超えた瞬間において、基準信号を生成するように構成される。これにより、基準信号は、波長掃引により励起光が特定波長λ_Gに到達したときに、出力回路６９から出力され、信号解析部７０に入力される。

【0070】

０．１ｎｍ以下の透過波長幅では、光透過の強度損失が大きい。１ｎｍ以上の透過波長幅では、透過波長付近における透過光強度の波長に対する傾きが緩やかになり、光源の強度揺らぎ及び電気回路のノイズ等の影響を大きく受けて、基準信号が出力される波長のばらつきが大きくなる。このため、バンドパスフィルタ６１の透過波長幅は、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。

【0071】

波長リファレンスの温度特性を安定させるために、基準信号生成部６０のバンドパスフィルタ６１は、ヒータ又はペルチェ素子を含む温度調整構成を用いて、一定温度に保持されるように温度制御されてもよい。ｋ−ｃｌｏｃｋ干渉計５１に含まれるエタロン５３も、同様に、温度調整構成を用いて、一定温度に保持されるように温度制御されてもよい。干渉信号の振幅の監視を通じて、波長掃引時に発生する励起光の出力パワー変動量を監視し、この光出力パワー変動量の影響を打ち消すように、光ディテクタ６５からの検出信号を補正してもよい。図１に示す光分機器４０における光分岐を３分岐に変更すると共に、その分岐信号を受ける部位として、基準信号生成部６０及び等波数信号生成部５０に加え、新たに強度基準生成部を設けてもよい。強度基準生成部では、分岐信号を受光して波長掃引光源の光強度を表す信号を出力してもよい。信号解析部７０は、この信号を基準信号、等波数信号、及び強度測定信号と共に同時サンプリングし、中赤外光検出部３０で検出された信号強度の補正に用いることができる。

【0072】

上記構成の基準信号生成部６０では、ＭＥＭＳダイアフラムミラーの変位が波長掃引毎にばらつく環境においても、そのばらつきの影響を受けず、励起光が特定波長λ_Gである
ときに、基準信号を出力することができる。

【0073】

変形例として、基準信号生成部６０は、０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の狭い波長帯域の入力光を反射するファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）をバンドパスフィルタ６１に代えて備えていてもよい。即ちＦＢＧで反射された特定波長の第二の参照光を、光ディテクタ６５で受光するように、基準信号生成部６０は構成されてもよい。

【0074】

信号解析部７０は、プロセッサ７１、記憶デバイス７３、データ収集（ＤＡＱ）デバイ
ス７５、操作デバイス７７、及び出力デバイス７９を備える。ＤＡＱデバイス７５は、基準信号生成部６０からの基準信号、等波数信号生成部５０からの等波数信号、及び中赤外光検出部３０からの強度測定信号を、等時間間隔でサンプリングすることにより、これらの信号をディジタルの時系列データに変換し、これらの時系列データを記憶デバイス７３に記録するように構成される。記憶デバイス７３の例には、ハードディスク及びフラッシュメモリ等の半導体製メモリが含まれる。

【0075】

図６には、中赤外光検出部３０からの強度測定信号、等波数信号生成部５０からの等波数信号（ｋ−ｃｌｏｃｋ信号）、及び基準信号生成部６０からの基準信号の例を、横軸を時間軸とする時間対電圧のグラフに示す。

【0076】

具体的に、ＤＡＱデバイス７５は、同時刻に、基準信号、等波数信号、及び強度測定信号をサンプリングするように動作する。これにより、基準信号の時系列データ、等波数信号の時系列データ、及び、強度測定信号の時系列データは、共通する時間軸に関連付けて当該時間軸における同時刻のサンプリングデータが等時間間隔で配列された構成にされる。同一波長で生じた基準信号、等波数信号、及び強度測定信号が同時サンプリングされるように、光学測定システム１における光の伝播長及び電気信号の伝播長は、定められる。基準信号、等波数信号、及び強度測定信号に関して、光ファイバ又は空間を伝播する光伝送路長の違い、光信号を伝送する電子回路の伝送スピードの違い、並びに電気信号の伝送ケーブルの長さの違いにより、ある掃引波長におけるそれぞれの信号のＤＡＱデバイス７５への信号到着時間に明らかな違いが出た場合には、ＤＡＱデバイス７５で同時サンプリングした等波数信号及び強度測定信号のサンプリングデータを、基準信号のサンプリングデータに対して時間的にシフトすることにより、ある掃引波長における基準信号、等波数信号、及び強度測定信号の同時刻性を調整することも可能である。

【0077】

プロセッサ７１は、記憶デバイス７３に記録された基準信号の時系列データ、等波数信号の時系列データ、及び強度測定信号の時系列データを処理して、測定対象ガス２０の光吸収に関するスペクトルデータを生成するように動作する。具体的に、プロセッサ７１は、スペクトルデータの生成のために図７に示す解析処理を実行する。

【0078】

解析処理を開始すると、プロセッサ７１は、操作デバイス７７を通じてユーザから解析対象の波数範囲の指定を受ける（Ｓ１１０）。その後、プロセッサ７１は、基準信号の時系列データ、及び等波数信号の時系列データを参照して、基準信号が入力された後の各時刻の励起光及び中赤外光の波数を判別する処理を実行する（Ｓ１２０）。

【0079】

中赤外光の波数１／λ_iは、上述した式（１）に従って、信号光の波数１／λ_sと励起光の波数１／λ_pとから算出可能である。

【0080】

波長掃引光源である励起光光源１２のある時刻における波数は、次の原理で算出することができる。等波数信号（ｋ−ｃｌｏｃｋ信号）は、上述した通り、励起光の波長掃引と供に信号レベルが上下し、等波数間隔でピークが表れる電圧信号である。ここで、等波数信号のピークの識別番号ｍを、図８に示すように基準信号発生直後のピークの識別番号を０（ｍ＝０）として、時系列で順番に割り振る。以下では、識別番号ｍのピークのことを第ｍピークとも表現する。

【0081】

掃引波長が波長λ_Gであるときに基準信号が発生する環境で、励起光の波長を、波長が
長くなる方向（即ち、波数が小さくなる方向）に掃引した場合には、基準信号を指標に、等波数信号の第ｍピークの発生時刻ｔ_mにおける励起光の波数１／λ_mを、次式によって計算することができる。

【0082】

【数2】

ここで時間Ｔ_FSR0は、基準信号発生直前の等波数信号のピーク（ｍ＝−１）の発生時刻から基準信号発生直後の等波数信号の第０ピーク（ｍ＝０）の発生時刻ｔ₀までの時間間
隔に対応し、時間Ｔ_Aは、基準信号の発生時刻ｔ_Gから第０ピークの発生時刻ｔ₀までの時
間間隔に対応する。ｃは、光速に対応し、ν_FSRは、ピーク間の周波数差に対応する。

【0083】

等波数信号における第ｍピークと第ｍ＋１ピークの間の時刻ｔ_xにおける波数１／λ_xも内挿により次のように算出することができる。

【0084】

【数3】

ここで時間Ｔ_FSR(m+1)は、第ｍピークの発生時刻から第ｍ＋１ピークの発生時刻までの時間間隔に対応し、時間Ｔ_Bは、第ｍピークの発生時刻ｔ_mから時刻ｔ_xまでの時間間隔に
対応する。

【0085】

例えば第１ピーク（ｍ＝１）と第２ピーク（ｍ＝２）の間の時刻ｔ_xにおける波数１／λ_xは、第１ピークの発生時刻ｔ₁から第２ピークの発生時刻ｔ₂までの時間間隔ｔ_FSR2、及
び、第１ピークの発生時刻ｔ₁から時刻ｔ_xまでの時間間隔Ｔ_Bを用いて、次式のように算
出可能である。

【0086】

【数4】

以上のように、基準信号及び等波数信号によれば、各時刻の励起光の波数１／λ_pを判
別することができ、この励起光の波数１／λ_p及び信号光の波数１／λ_sから、中赤外光の波数１／λ_iを判別することができる。

【0087】

Ｓ１２０において、プロセッサ７１は、上記原理に従って、基準信号の時系列データ及び等波数信号の時系列データから特定される基準信号の発生時刻ｔ_G及び等波数信号の各
ピークの発生時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂，…ｔ_m，ｔ_M-1，ｔ_Mと、ピーク間の周波数差ν_FSR及び
基準信号の発生波長λ_Gとから、各ピークの発生時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂，…ｔ_m，ｔ_M-1，ｔ_M
における励起光の波数１／λ₀，１／λ₁，１／λ₂，…１／λ_m，１／λ_M-1，ｔ_M及び対応する中赤外光の波数を判別する。Ｓ１２０では、更に、ピーク間の時刻ｔ_xにおける励起
光及び中赤外光の波数を判別することで、時系列データの各サンプリングデータに対応する時刻の励起光及び中赤外光の波数を判別してもよい。

【0088】

続くＳ１３０において、プロセッサ７１は、基準信号の発生時刻ｔ_GからＳ１１０で指
定された波数範囲に対応する等波数信号の第Ｍピークまでの波数範囲ｋ_totalをＮ分割し
て定義される各波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNの光が波長掃引光源（励起光光源１２）から出力された時刻ｔ_r1，ｔ_r2，…，ｔ_rn，…，ｔ_r(N-1)，ｔ_rNを判別する。

【0089】

ここでは、基準信号が発生する時刻ｔ_Gでの波数１／λ_Gから等波数間隔ｋ_total／Ｎに
並ぶ波数を１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNと表現し、それぞれの波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNに対応する時刻をｔ_r1，ｔ_r2，…，ｔ_rn，…，ｔ_r(N-1)，ｔ_rNと表現する。時刻ｔ_rnは、波数１／λ_rnの光が波長掃引光源（励起光光源１２）から出力された時刻に対応する。

【0090】

波数範囲ｋ_totalは、等波数信号の第０ピークから第Ｍピークまでの波数範囲Ｍν_FSR／
ｃと、基準信号の発生時から等波数信号の第０ピークまでの波数範囲ｋ_op＝（ｔ_A／ｔ_FSR0）ν_FSRと、を足し合わせた波数範囲｛Ｍν_FSR／ｃ＋（ｔ_A／ｔ_FSR0）ν_FSR｝である。

【0091】

プロセッサ７１は、Ｓ１１０で中赤外光の波数範囲が指定された場合、この中赤外光の波数範囲に対応する励起光の波数範囲を包含するように、上記波数範囲ｋ_totalを設定す
ることができる。

【0092】

等波数間隔ｋ_total／Ｎに並ぶ波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNの内、波数１／λ_Gからｎ番目の波数１／λ_rnは次のように表わされる。以下では、波数１／λ_Gからｎ番目の波数１／λ_rnのことを、第ｎ波数１／λ_rnとも表現す
る。
１／λ_rn＝１／λ_G＋ｎ（ｋ_total／Ｎ）

【0093】

図９に示すように、第ｎ波数１／λ_rnが、時刻ｔ_m1で発生した等波数信号の第ｍ１ピークの波数１／λ_m1と時刻ｔ_m2で発生した第ｍ２ピークの波数１／λ_m2との間にある場合、第ｎ波数１／λ_rnに対応する時刻ｔ_rnは、次式に従って算出可能である。

【0094】

【数5】

Ｓ１３０において、プロセッサ７１は、第ｎ波数１／λ_rnに関して、この波数１／λ_rnを挟む等波数信号の二つのピークを特定し、これら二つのピークの波数１／λ_m1，１／λ_m2と対応する時刻ｔ_m1,ｔ_m2とに基づいて、波長掃引光源（励起光光源１２）から波数１
／λ_rnの光が出力され、対応する中赤外光が測定対象に照射された時刻ｔ_rnを判別する。この処理を、波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNに関して実行し、対応する時刻ｔ_r1，ｔ_r2，…，ｔ_rn，…，ｔ_r(N-1)，ｔ_rNを判別する。

【0095】

図１０には、リスケーリングに関する説明図として、時間と波数との対応関係を表すグラフを示す。このグラフにおける縦軸は波数軸であり、横軸は時間軸である。図１０における丸点は、等波数信号の各ピークの発生時刻ｔ₀，ｔ₁，ｔ₂，…ｔ_m，ｔ_M-1，ｔ_Mと波数１／λ₀，１／λ₁，１／λ₂，…１／λ_m，１／λ_M-1，ｔ_Mとの対応関係を示し、三角点は、波数１／λ_G，１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNと時
刻ｔ_G，ｔ_r1，ｔ_r2，…，ｔ_rn，…，ｔ_r(N-1)，ｔ_rNとの対応関係を示す。

【0096】

続くＳ１４０において、プロセッサ７１は、時刻ｔ_r1，ｔ_r2，…，ｔ_rn，…，ｔ_r(N-1)，ｔ_rNにおける中赤外光の強度推定値Ｉ（ｔ_r1），Ｉ（ｔ_r2），…，Ｉ（ｔ_rn），…，Ｉ（ｔ_r(N-1)），Ｉ（ｔ_rN）を、強度測定信号の時系列データに基づき算出する。これらの強度推定値Ｉ（ｔ_r1），Ｉ（ｔ_r2），…，Ｉ（ｔ_rn），…，Ｉ（ｔ_r(N-1)），Ｉ（ｔ_rN）はそれぞれ、測定対象ガス２０を通過した波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNの中赤外光の強度の推定値に対応する。

【0097】

図１１に示すように、時間ｔ_rnの強度推定値Ｉ（ｔ_rn）は、等時間間隔でサンプリングされた強度測定信号の時系列データから特定される、時間ｔ_rnに隣接する時刻ｔ_m1，ｔ_m2において測定された中赤外光の強度Ｉ（ｔ_m1），Ｉ（ｔ_m2）から、線形内挿を用いて次式により算出することができる。

【0098】

【数6】

Ｓ１４０において、プロセッサ７１は、上式に従って強度測定信号の時系列データから、等波数間隔の各波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNにおける中赤外光の強度推定値Ｉ（ｔ_r1），Ｉ（ｔ_r2），…，Ｉ（ｔ_rn），…，Ｉ（ｔ_r(N-1)），Ｉ（ｔ_rN）を算出する。本実施形態では、上述したように線形補間により、強度推定値を算出したが、線形補間に代えて、三次までの低次スプライン補間が用いられてもよい。

【0099】

このようにして、プロセッサ７１は、上述のステップＳ１１０〜Ｓ１４０を通じて、所謂リスケーリングの手法で、強度測定信号の時系列データが示す等時間間隔の強度情報を、等波数間隔の強度情報に変換する。なお、上記の実施形態では、基準信号を基点とした波数範囲でリスケーリングしているが、等波数信号の第０ピークから第Ｍピークまでの波数範囲でリスケーリングが行われてもよい。

【0100】

続くＳ１５０において、プロセッサ７１は、波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNのそれぞれの強度推定値Ｉ（ｔ_r1），Ｉ（ｔ_r2），…，Ｉ（ｔ_rn），…，Ｉ（ｔ_r(N-1)），Ｉ（ｔ_rN）に基づいて、波数１／λ_r1，１／λ_r2，…，１／λ_rn，…，１／λ_r(N-1)，１／λ_rNに対応する中赤外光の波数１／λ_INF1，１／λ_INF2，…，１／λ_INFn，…，１／λ_INF(N-1)，１／λ_INFNでの強度推定値Ｉ（λ_INF1），Ｉ（λ_INF2），…，Ｉ（λ_INFn），…，Ｉ（λ_INF(N-1)），Ｉ（λ_INFN）を配列した波数と測定対象ガス２０を通過した光強度との対応関係を表すスペクトルデータ（強度スペクトルデータ）を生成する。この強度スペクトルデータに加えて、又は、代えて、中赤外光の波数１／λ_INF1，１／λ_INF2，…，１／λ_INFn，…，１／λ_INF(N-1)，１／λ_INFNでの吸光度Ａ（λ_INF1），Ａ（λ_INF2），…，Ａ（λ_INFn），…，Ａ（λ_INF(N-1)），Ａ（λ_INFN）を配列した波数と吸光度との対応関係を表すスペクトルデータ（光吸収スペクトルデータ）を生成してもよい。

【0101】

励起光の波数１／λ_rnに対応する中赤外光の波数１／λ_INFnは、上述の式（１）から簡単に算出することができる。波数１／λ_INFnにおける吸光度Ａ（λ_INFn）は、測定ガスが存在しないときの受光強度から計算した強度推定値をＩ₀（λ_INFn）としたとき、式Ａ（
λ_INFn）＝−ｌｏｇ₁₀（Ｉ（λ_INFn）／Ｉ₀（λ_INFn））により算出することができる
。記憶デバイス７３には、測定対象ガス２０が存在しないときの中赤外光の波数と光強度との対応関係を示す強度分布データを予め格納しておくことができる。

【0102】

吸光度Ａ（λ_INF1），Ａ（λ_INF2），…，Ａ（λ_INFn），…，Ａ（λ_INF(N-1)），Ａ（λ_INFN）の算出に至るまでには、信号光光源１１の波長λ_s、基準信号に対応する波長λ_G、及び等波数信号におけるピーク間の周波数差ν_FSRの情報が必要であるが、これらの情
報に関しては、光スペクトルアナライザー等を用いて測定された値を、予め記憶デバイス７３に格納しておくことができる。

【0103】

Ｓ１６０において、プロセッサ７１は、生成したスペクトルデータを出力する。具体的には、プロセッサ７１は、生成したスペクトルデータを、記憶デバイス７３に出力して保存することができる。プロセッサ７１は、スペクトルデータを、出力デバイス７９を通じて出力してもよい。出力デバイス７９は、例えば液晶ディスプレイ等の表示デバイスであり得る。この場合、プロセッサ７１は、生成したスペクトルデータを、光吸収スペクトルの表示画像（グラフ）として、表示デバイスを通じてユーザに向けて出力することができる。

【0104】

図１２には、信号光光源１１として１．５５μｍのＤＦＢレーザーを用い、励起光光源１２として、ＭＥＭＳチューナブルＶＣＳＥＬ光源を用い、励起光を１．０４７μｍ〜１．０６４μｍの波長範囲で掃引したときの、中赤外光生成部１０からの中赤外光の出力強度及び波長の経時変化を示す。図１２における鋸歯状の線は、中赤外光の出力強度を示し、図１２における緩やかに傾斜する実線は、中赤外光の波長を示す。この図では、時刻０μｓにおいて基準信号が出力されている。

【0105】

図１２に示される強度は、１ＧＨｚのサンプリング周波数を持つＤＡＱデバイス７５を用いてサンプリングされている。この例における波長掃引繰り返し周波は、６ｋＨｚであり、波長３２３０ｎｍから３３９０ｎｍまでの１６０ｎｍの波長掃引（波数に換算すると１４６ｃｍ^-1）が１００μｓで実現されている。

【0106】

この例に従う光源及び波長掃引でメタンガスの吸光度を測定した結果を、図１３に示す。図１３下段は、図１３上段に示す吸光度の一部領域を拡大表示したものである。この測定は、長さ１０ｃｍのセルにメタンガス）に封入し、セルに封入された温度２５℃及び圧力１０Ｔｏｒｒのメタンガスに中赤外光を照射することにより行われた。

【0107】

図１３から理解できるように、本実施形態の光学測定システム１によれば、メタンガスのＣ−Ｈ振動のＲ枝、Ｐ枝の吸収線が１本１本きれいに分解測定できており、さらに細かい構造を有するＱ枝の吸収線もきれいに分解測定できている。このことから、中赤外光が、振動及び回転吸収線測定のために十分狭い線幅を有していることが理解できる。

【0108】

また、図１４上段には、本実施形態の光学測定システム１を用いて得られたメタンガスの室温における各波数での吸光度を表す光吸収スペクトルを示す。更に図１４下段には、ＨＩＴＲＡＮ２０１２データベースを用いた計算により得られたメタンガスの室温における光吸収スペクトルを示す。これらの図の対比から、本実施形態の光学測定システム１が、２９５０ｃｍ^-1から３０７０ｃｍ^-1の波数範囲の吸光度を高精度に測定できていることが理解できる。

【0109】

図１５は、図１４上段の多数の吸収線の中から３０３８．５ｃｍ^-1付近の吸光度を拡大したグラフである。中赤外光の線幅は、この吸収線の幅に対応する線幅以下になっていると考えられる。この吸収線の半値全幅は０．０１ｃｍ^-1程度になっていることが確認できる。０．０１ｃｍ^-1の線幅は、周波数に換算して約３００ＭＨｚであり、この測定結果から中赤外光の線幅は、３００ＭＨｚ以下になっていることと理解できる。この中赤外光の線幅は、分子の特徴的な吸収線の測定を行うために必要な１ＧＨｚ以下の線幅である。

【0110】

図１６には、この吸光度ピークの波数ばらつきを測定した結果を示す。具体的には、繰り返し周波数６ｋＨｚの波長掃引を連続４７９回測定したデータの３０３８．５ｃｍ^-1の吸収線に関して、その吸光度ピークの周波数バラつきの頻度ヒストグラムを示している。

【0111】

繰り返し周波数の標準偏差は５７ＭＨｚである。この繰り返し周波数の標準偏差は、メタンガスの室温におけるドップラー広がり幅約２８０ＭＨｚの約２０％であり、室温メタ
ンガスのある一つの吸収線を吸収線幅内の波数バラつきで測定することができる。メタンガスのドップラー拡がりは以下の式で計算することができる。

【0112】

【数7】

ここでｋ_Bはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｍはガス分子の質量、λ_dは吸収測定に用いられる光の波長である。

【0113】

中赤外光の波数バラつきを１本の吸収線幅内に抑えることができると、例えば、メタンガス濃度のリアルタイム測定が行える。同じ波数における複数回の測定値を積算処理することにより、光吸収スペクトルのＳＮ比を上げることも可能である。

【0114】

本実施形態の光源は、高繰り返し周波数での測定が可能であることから、測定対象ガス２０の濃度の時間変化をリアルタイムでモニタリングすることができる。ある波長のガス吸収断面積をσ（ｃｍ²）、ガス濃度をＮ（ｃｍ^-3）、中赤外光強度をＩ（ｘ）とすると
、中赤外光が空間をｘ方向に伝播するときの光の強度は、微分形式で次式により表すことができる。

【0115】

【数8】

測定対象ガス２０に入射する前の光強度をＩ₀とすると、均一な濃度のガスの中を距離
ｘだけ中赤外光が伝播した時の光強度は、次式に従って表される。

【0116】

【数9】

このように光強度は、指数関数的に減衰してゆく。吸収断面積σは分子に固有な数値であるため、距離ｘが判明しているときには、測定対象の分子濃度Ｎを計算から求めることができる。特定波数における光出力強度Ｉ（ｘ）の時間変化を測定することにより、ガス濃度の時間変化を測定することができる。

【0117】

分子の種類により、吸収線の現れる波長が異なる。この吸収線が出てくる波長を分析することにより、混合ガスの種類を特定することも可能である。本実施形態の光源は、広い中赤外波長範囲をカバーしていることから、さまざまな分子種の混合比を測定することが可能である。

【0118】

以上に説明した実施形態によれば、等時間間隔で各信号をサンプリングしたが、ＤＡＱデバイス７５では、ｋ−ｔｒｉｇｇｅｒサンプリング法を用いて、等波数間隔で各信号をサンプリングしてもよい。即ち、ＤＡＱデバイス７５は、ｋ−ｔｒｉｇｇｅｒ信号が基準電圧をクロスするタイミングで強度測定信号をサンプリングするようにすることにより等波数間隔の受光強度のデータを生成することが可能である。図１７には、基準信号及びｋ−ｔｒｉｇｇｅｒ信号を共通する時間軸上に示す。

【0119】

この例では、基準信号の発生波長λ_G及びｋ−ｔｒｉｇｇｅｒ信号が閾値を超えるとき
の波長（波数）から、サンプリングされた受光強度に対応する中赤外光の波長（波数）を判別することができる。

【0120】

この他、等波数信号のピークの発生時刻は、検出した干渉信号に光出力強度のバラつきやノイズが含まれるため、実際の等波数間隔からずれた時間が検出され得る。そのため、プロセッサ７１は、ＤＡＱデバイス７５でサンプリングされた等波数信号の時系列データに数値演算フィルタ処理を施し、これにより等波数信号の時系列データからノイズ成分を除去し、ノイズ成分が除去された等波数信号の時系列データに基づいて、各ピークの発生時刻を判別してもよい。ノイズ成分が除去された等波数信号の時系列データは、波数の判別精度を向上させる。

【0121】

図１８の上段には、数値演算フィルタ処理実行前の等波数信号を示し、図１８の下段には、数値演算フィルタ処理実行後の等波数信号を示す。

【0122】

図１９に示すように、数値演算フィルタ処理は、等波数信号の時系列データに対してＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を実行するステップ（Ｓ２１０）と、ＦＦＴ処理後のデータ値（フーリエ変換値）に関して、目的の周波数成分以外を、目的の周波数成分に比べて非常に小さい値に置き換えることで、ノイズ成分を除去するように、ＦＦＴ処理されたデータを加工するステップ（Ｓ２２０）と、加工後のデータに対して、逆ＦＦＴ処理を実行することで、ノイズ成分を除去した等波数信号の時系列データを生成するステップ（Ｓ２３０）と、を含む。

【0123】

プロセッサ７１は、解析処理（図７）においてＳ１２０の処理実行前に、図１９に示す数値演算フィルタ処理を実行することにより、ノイズ成分を除去した等波数信号の時系列データを生成し、このデータを用いてＳ１２０以降の処理を実行することができる。

【0124】

図２０は、図１８上段に示す等波数信号の時系列データに対してＦＦＴ処理を実行したときの周波数スペクトルを表す。図２０によれば、等波数信号は、４ＭＨｚ付近にピークが存在する周波数成分を有している。図１８下段は、図２０に示すピーク周波数前後の破線で挟まれた成分以外を信号に非常に小さい値に置き換え、逆ＦＦＴ処理を行ったときの等波数信号を示す。置換は、ＦＦＴ処理後のデータ値（フーリエ変換値）に１未満の非常に小さい係数を作用させることで、実現され得る。別例として、数値演算フィルタ処理には、フィルタ処理後の波形の位相情報がずれないＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ ｉｍｐｕｌｓｅ
ｒｅｓｐｏｎｓｅ）フィルタが用いられてもよい。

【0125】

等波数信号におけるピークの検出は、関数フィッティングにより実現されてもよい。関数フィッティングは、最小二乗法を用いて実現されてもよい。例えば、図２１に示すように、等波数信号を等時間サンプリングして生成したデータから、連続した３点以上１０００点以下のデータ（例えば、ｔ_s(l-2)，ｔ_s(l-1)，ｔ_sl，ｔ_s(l+1)，ｔ_s(l+2)）を抽出し、抽出したデータを二次関数で最小二乗法によりフィッティングし、二次関数のピークに対応する時刻を等波数信号のピーク時刻ｔ_nと推定してもよい。

【0126】

本開示は、上述した実施形態に限定されるものではなく、更に種々の形態を採ることができる。

【0127】

例えば、上記実施形態では、等波数信号の各ピークを等波数間隔の指標として用いたが、干渉信号の振幅中心電圧レベルを干渉信号が超える時刻を等波数間隔の指標として用いてもよい。上記実施形態では、波数を判別して、波数対強度／吸光度のスペクトルデータ
を生成したが、波数の判別に代えて、波長を判別して、波長対強度／吸光度のスペクトルデータを生成してもよいし、周波数を判別して、周波数対強度／吸光度のスペクトルデータを生成してもよい。

【0128】

この他、上記実施形態では、メタンガスの測定を例に挙げて３．３μｍを中心とした波長範囲での波長掃引を説明したが、信号光及び励起光の波長と、非線形光学材料の設計とを変えることで、３．１μｍを中心とした波長範囲や３．４μｍを中心とした波長範囲で波長掃引することも可能であり、中赤外光（差周波光）の波長範囲は、３μｍ〜３．５μｍの範囲で調整されてもよい。

【0129】

吸収線の測定を行うために、中赤外光の線幅は、１ＭＨｚ以上１ＧＨｚ以下の範囲で定められ得る。差周波光の波長掃引繰返し周波数は、従来よりも高い１０Ｈｚ以上に定められると有意義である。具体的に、差周波光の波長掃引繰返し周波数は、１０Ｈｚ以上１００ｋＨｚ以下に定められるとよい。掃引波数範囲は、ガスの分光分析のために、２０ｃｍ^-1以上２５０ｃｍ^-1以下で定められるとよい。

【0130】

上記実施形態における１つの構成要素が有する機能は、複数の構成要素に分散して設けられてもよい。複数の構成要素が有する機能は、１つの構成要素に統合されてもよい。上記実施形態の構成の一部は、省略されてもよい。上記実施形態の構成の少なくとも一部は、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換されてもよい。特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

【符号の説明】

【0131】

１…光学測定システム、１０…中赤外光生成部、１１…信号光光源、１２…励起光光源、１３…光増幅デバイス、１４…光合波器、１５…波長変換素子、１７…集光レンズ、１９…光分岐器、２０…測定対象ガス、３０…中赤外光検出部、３５…光ディテクタ、３９…出力回路、４０…光分岐器、５０…等波数信号生成部、５２…コリメータレンズ、５３…エタロン、５４…コリメータレンズ、５５…光ディテクタ、５９…出力回路、６０…基準信号生成部、６１…バンドパスフィルタ、６５…光ディテクタ、６９…出力回路、７０…信号解析部、７１…プロセッサ、７３…記憶デバイス、７５…ＤＡＱデバイス、７７…操作デバイス、７９…出力デバイス。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】