特許 7437651 分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-15

(45)【発行日】2024-02-26

(54)【発明の名称】分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法

(51)【国際特許分類】

   G01J 3/12 20060101AFI20240216BHJP

   G02F 1/377 20060101ALN20240216BHJP

【ＦＩ】

G01J3/12

G02F1/377

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020043394

(22)【出願日】2020-03-12

(65)【公開番号】P2021143961

(43)【公開日】2021-09-24

【審査請求日】2023-02-24

(73)【特許権者】

【識別番号】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(73)【特許権者】

【識別番号】317006683

【氏名又は名称】地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀切 智之

(72)【発明者】

【氏名】吉田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】新関 和哉

(72)【発明者】

【氏名】中村 一平

【審査官】三宅 克馬

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５２３９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２８０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－１７６９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１４７１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３１３６００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ ３／１２

Ｇ０２Ｆ １／３７７

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、第２の光子を放出する吸収物質と、
前記吸収物質から放出される前記第２の光子を検出する光検出器と、
を備え、
前記吸収物質は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、
前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、
前記所定の間隔は波長領域に応じている
分光器。

【請求項2】

前記吸収物質は、波長の幅が所定の幅以下であるレーザー光が照射されることによって前記不均一な広がりに前記櫛構造が形成されることによって前記吸収スペクトルを有する状態となる
請求項１に記載の分光器。

【請求項3】

前記吸収物質にレーザー光を照射するレーザー光源をさらに備える
請求項２に記載の分光器。

【請求項4】

前記不均一な広がりには、複数の前記透明領域が形成され、前記所定の間隔は前記透明領域毎に異なる
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の分光器。

【請求項5】

前記第１の光子の波長が前記不均一な広がりの波長領域以外の波長である場合に、前記吸収物質に入射する前記第１の光子の波長を前記不均一な広がりの波長領域に含まれる波長に変換する波長変換素子
をさらに備える請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の分光器。

【請求項6】

前記吸収物質は、希土類が添加された物質である
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の分光器。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の分光器と、
波長演算装置と
を備え、
前記波長演算装置は、
前記第１の光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が前記第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時部と、
光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時部が計時した前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出部と
を備える
分光システム。

【請求項8】

不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている物質である吸収物質に第１の光子が入射してから前記吸収物質が第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時部と、
光子の波長と、光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が当該光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時部が計時した前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出部と
を備える波長演算装置。

【請求項9】

不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子を入射させる入射過程と、
第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、前記吸収物質が放出する第２の光子を検出する検出過程と、
を有する分光方法。

【請求項10】

不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子を入射させる入射過程と、
前記第１の光子が前記吸収物質に入射した時間を計時する入射時間計時過程と、
前記第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、前記吸収物質が放出する第２の光子を検出する検出過程と、
前記第２の光子が前記吸収物質から放出された時間を計時する放出時間計時過程と、
前記第１の光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が前記第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時過程と、
光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時過程において計時された前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出過程と
を有する波長測定方法。

【請求項11】

不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子が入射してから前記吸収物質が第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時過程と、
光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時過程において計時された前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出過程と
を有する波長算出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

光の最小単位である光子の波長（エネルギー）を測定する光子レベル分光が知られている。従来、光子レベル分光では、回折格子などを用いた分光器の後段に、単一の光子を検出する単一光子検出器が設置されていた。回折格子を用いた分光器としては、例えば、光検出器を移動させる移動手段を備えて検出できる波長領域を広げる分光器が知られている（特許文献１）。
また、光ファイバーの波長分散を用いた分光測定が知られている。光ファイバー中の光子の伝搬速度は、光子の波長に依存する。そのため、光ファイバーに入射した光子が光ファイバーの出口に到達する時間は、波長が異なる光子同士で互いに異なる。このことを利用して、光ファイバーの波長分散を用いた分光測定では、光子が光ファイバーの出口に到達する時間から波長を算出する。
回折格子を用いた分光器、あるいは光ファイバーの波長分散を用いた分光測定では、１回の測定で光子の波長を測定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１７－１２０２４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、回折格子を用いた分光器による測定、あるいは光ファイバーの波長分散を用いた分光測定では、１回の測定で光子の波長が測定できるものの分解能が低く、ギガヘルツ以上の粗い分解能しか実現されていなかった。
一方、回折格子を用いた分光器に比べて高い分解能を有する光子レベル分光の方法として、ファブリ―ペロー共振器を用いた光子レベル分光が知られている。ファブリ―ペロー共振器を用いた光子レベル分光では、メガヘルツ以下の分解能を実現し得るが統計的な測定が必要となる。ファブリ―ペロー共振器では、鏡が正対されて設置されており、正対した鏡の間の距離に共振する波長をもつ光子しか通過できないため、検出できる波長は、正対した鏡の間の距離に依存する。そのため、ファブリ－ペロー共振器よる測定では、正対した鏡の間の距離を変更してスキャンしながら測定を繰り返す必要がある。つまり、ファブリ－ペロー共振器よる測定では、複数回の測定を必要とする。
光子の波長を１回の測定で測定する場合に分解能を向上させることが求められていた。

【0005】

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、光子の波長を１回の測定で測定する場合に分解能を向上させることができる分光器、分光システム、波長演算装置、分光方法、波長測定方法、及び波長算出方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、第２の光子を放出する吸収物質と、前記吸収物質から放出される前記第２の光子を検出する光検出器と、を備え、前記吸収物質は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている分光器である。

【0007】

また、本発明の一態様は、上記の分光器において、前記吸収物質は、波長の幅が所定の幅以下であるレーザー光が照射されることによって前記不均一な広がりに前記櫛構造が形成されることによって前記吸収スペクトルを有する状態となる。

【0008】

また、本発明の一態様は、上記の分光器において、前前記吸収物質にレーザー光を照射するレーザー光源をさらに備える。

【0009】

また、本発明の一態様は、上記の分光器において、前前記不均一な広がりには、複数の前記透明領域が形成され、前記所定の間隔は前記透明領域毎に異なる。

【0010】

また、本発明の一態様は、上記の分光器において、前前記第１の光子の波長が前記不均一な広がりの波長領域以外の波長である場合に、前記吸収物質に入射する前記第１の光子の波長を前記不均一な広がりの波長領域に含まれる波長に変換する波長変換素子をさらに備える。

【0011】

また、本発明の一態様は、上記の分光器において、前前記吸収物質は、希土類が添加された物質である。

【0012】

また、本発明の一態様は、上記の分光器と、波長演算装置とを備え、前記波長演算装置は、前記第１の光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が前記第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時部と、光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時部が計時した前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出部とを備える分光システムである。

【0013】

また、本発明の一態様は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている物質である吸収物質に第１の光子が入射してから前記吸収物質が第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時部と、光子の波長と、光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が当該光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時部が計時した前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出部とを備える波長演算装置である。

【0014】

また、本発明の一態様は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子を入射させる入射過程と、第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、前記吸収物質が放出する第２の光子を検出する検出過程と、を有する分光方法である。

【0015】

また、本発明の一態様は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子を入射させる入射過程と、前記第１の光子が前記吸収物質に入射した時間を計時する入射時間計時過程と、前記第１の光子が入射すると当該第１の光子を吸収した後、前記吸収物質が放出する第２の光子を検出する検出過程と、前記第２の光子が前記吸収物質から放出された時間を計時する放出時間計時過程と、前記第１の光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が前記第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時過程と、光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時過程において計時された前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出過程とを有する波長測定方法である。

【0016】

また、本発明の一態様は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルを有する物質であり、前記吸収スペクトルには、波長領域において前記不均一な広がりに形成された光に対して透明な領域である透明領域に複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造が形成されており、前記所定の間隔は波長領域に応じている吸収物質に第１の光子が入射してから前記吸収物質が第２の光子を放出するまでの時間を計時する計時過程と、光子の波長と当該光子が前記吸収物質に入射してから前記吸収物質が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報と、前記計時過程において計時された前記時間とに基づいて前記第１の光子の波長を算出する波長算出過程とを有する波長算出方法である。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、光子の波長を１回の測定で測定する場合に分解能を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明の実施形態に係る分光システムの構成の一例を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る吸収物質の吸収スペクトルの一例を示す図である。

【図3】本発明の実施形態に係る第２の光子が放出される時間の一例を示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係る波長測定方法の一例を示す図である。

【図5】本発明の実施形態の変形例に係る分光システムの構成の一例を示す図である。

【図6】本発明の実施形態に係る変形例に係る吸収スペクトルの一例を示す図である。

【図7】本発明の実施形態に係る変形例に係る吸収スペクトルの一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る分光システム１の構成の一例を示す図である。分光システム１は、１回の測定において光子の波長（またはエネルギー）を測定するためのシステムである。分光システム１は、分光器３と、波長演算装置４とを備える。

【0020】

光源２は、波長を測定する対象である第１の光子Ｐ１を分光システム１に供給する。光源２は、第１の光子Ｐ１を発生させ、発生させた第１の光子Ｐ１を分光器３に入射させる。第１の光子Ｐ１は、１個の光子（単一光子ともいう）である。第１の光子Ｐ１の波長は、一例として、６０６ナノメートル（ｎｍ）付近（例えば、６０５．９７９ｎｍ）の波長を中心波長として周波数にして１０ギガヘルツ（ＧＨｚ）程度の広がりをもつ。つまり、第１の光子Ｐ１の波長は、一例として、赤色の光の波長の付近に値をもつ。

【0021】

分光器３は、吸収物質３０と、光検出器３１と、レーザー光源３２とを備える。吸収物質３０は、分光器３に入射する第１の光子Ｐ１を吸収した後、第２の光子Ｐ２を放出する。第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に吸収されてから第２の光子Ｐ２が放出されるまでの時間と、第１の光子Ｐ１の波長とは１対１に対応している。そのため、この時間を測定することによって第１の光子Ｐ１の波長がわかる。このように分光器３は、測定対象である第１の光子Ｐ１の波長の情報を時間の情報として検出することによって分光を行う。

【0022】

吸収物質３０は、第１の光子Ｐ１が入射すると第１の光子Ｐ１を吸収した後、第２の光子Ｐ２を放出する。吸収物質３０は、一例として、希土類元素の原子が添加された物質である希土類添加物質である。吸収物質３０は、吸収スペクトルとして不均一な広がり（不均一幅ともいう）を有する吸収スペクトルＳＰ１を有する。不均一幅を有する物質の吸収スペクトルは、不均一幅に含まれる波長の光に対して高い吸収率をもつ。

【0023】

本実施形態では、吸収物質３０は、一例として、イットリウムシリケイト（ＹＳＯ）中に希土類元素であるプラセオジムイオンが不純物として添加されたＹＳＯ結晶（Ｐｒ：ＹＳＯ）である。プラセオジムが添加されたＹＳＯ結晶の不均一幅は、中心波長が６０６ｎｍ付近として１０ＧＨｚ程度以上である。上述したように、第１の光子Ｐ１の波長は、一例として、６０６ｎｍ付近（例えば、６０５．９７９ｎｍ）の波長を中心波長として周波数にして１０ＧＨｚ程度の広がりをもつ。したがって、本実施形態では、第１の光子Ｐ１の波長が不均一幅Ｗ１に含まれる。
なお、吸収物質３０の他の例として、Ｅｒ添加光ファイバーであってもよい。Ｅｒ添加光ファイバーは、不均一幅が数十ｎｍであり、中心波長は１．５ミクロン近傍である。吸収物質３０は、不均一幅を有する物質であれば上述した例以外の物質であってもよい。

【0024】

レーザー光源３２は、吸収物質３０にレーザー光を照射する。レーザー光源３２は、吸収物質３０にレーザー光を照射することによって、吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１に櫛構造Ｃを形成する。櫛構造Ｃとは、吸収スペクトルＳＰ１に形成される構造であって、波長領域において透明領域ＰＴに複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である。透明領域ＰＴとは、不均一幅に形成された光に対して透明な領域である。
レーザー光源３２が照射するレーザー光の波長は、吸収物質３０の不均一幅に含まれる波長である。また、このレーザー光の波長の幅は狭線幅であり、周波数にして数キロヘルツ（ｋＨｚ）程度である。

【0025】

レーザー光源３２は、吸収物質３０に、不均一幅に含まれる波長をもつ狭線幅のレーザー光を照射することによって、吸収スペクトルＳＰ１に透明領域ＰＴを作成する。ここでレーザー光源３２は、レーザー光の照射によって光を吸収できる上限の量まで光を吸収物質３０に吸収させる。これによってレーザー光源３２は、吸収スペクトルＳＰ１の波長領域において、照射したレーザー光の波長に対応する領域に光の吸収を起さない領域として透明領域ＰＴを作成する。透明領域ＰＴは、飽和効果によってそれ以上光の吸収を起さない。本実施形態では、透明領域ＰＴの幅は約５メガヘルツ（ＭＨｚ）以下である。

【0026】

レーザー光の照射によって光を吸収できる上限の量まで光を吸収させて、吸収スペクトルの波長領域において照射したレーザー光の波長に対応する領域に光の吸収を起さない領域を作成することをホールバーニングという。つまり、レーザー光源３２は、ホールバーニングによって吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１に透明領域ＰＴを形成する。

【0027】

レーザー光源３２は、透明領域ＰＴを作成後、狭線幅のレーザー光を照射することによるスペクトル操作によって、透明領域ＰＴ内に櫛構造Ｃを形成する。櫛構造Ｃにおいて、複数のピークが隣り合うピーク同士の所定の間隔を櫛間隔Δともいう。櫛構造Ｃに含まれる複数のピークは、均一幅に相当する。レーザー光源３２は、照射するレーザー光の波長を、透明領域ＰＴに含まれる波長領域において、櫛間隔Δずつ変化させて照射して櫛構造Ｃを形成する複数のピークをそれぞれ作成してゆく。レーザー光源３２は、例えば、音響光学素子（Ａｃｏｕｓｔｏ－Ｏｐｔｉｃ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）などを用いて照射するレーザー光の波長を変化させる。

【0028】

櫛構造Ｃが形成された吸収物質３０に、第１の光子Ｐ１が入射すると、第１の光子Ｐ１は櫛構造Ｃによって吸収される。第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃによって吸収された後、櫛間隔Δの逆数に相当する時間が経過すると、第１の光子Ｐ１が再生された光子である第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出される。このように物質に光子が吸収された後に、光子が再生されて放出される現象をフォトンエコーという。

【0029】

上述したように、吸収物質３０は、波長の幅が所定の幅以下であるレーザー光が照射されることによって不均一幅Ｗ１に櫛構造Ｃが形成されることによって吸収スペクトルＳＰ１を有する状態となる。透明領域ＰＴ及び櫛構造Ｃは一度形成された後、数秒程度の所定の時間後に消失する。分光器３では、測定を行う前の時期に、レーザー光を吸収物質３０に照射することによって、不均一幅Ｗ１に形成された透明領域ＰＴに櫛構造Ｃを作成する。

【0030】

ここで図２を参照し、吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１について説明する。図２は、本実施形態に係る吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１の一例を示す図である。吸収スペクトルＳＰ１は不均一幅Ｗ１を有する。不均一幅Ｗ１には、一例として、ピットＰＴ１とピットＰＴ２との複数の透明領域ＰＴが形成されている。ピットＰＴ１の波長領域は、ピットＰＴ２の波長領域よりも短い波長に対応している。ピットＰＴ１、及びピットＰＴ２には、櫛構造Ｃ１、及び櫛構造Ｃ２がそれぞれ形成されている。

【0031】

櫛構造Ｃ１では、複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔である櫛間隔Δは櫛間隔Δ１である。第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ１の波長領域に波長をもつ場合、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射すると、第１の光子Ｐ１はピットＰＴ１に形成された櫛構造Ｃ１に吸収され、櫛間隔Δ１の逆数に相当する時間の後、再生された光子である第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出される。
一方、櫛構造Ｃ２では、櫛間隔Δは櫛間隔Δ２である。第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ２の波長領域に波長をもつ場合、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射すると、第１の光子Ｐ１はピットＰＴ２に形成された櫛構造Ｃ２に吸収され、櫛間隔Δ２の逆数に相当する時間の後、再生された光子である第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出される。

【0032】

ここで一例として、ピットＰＴ２に形成された櫛構造Ｃ２の櫛間隔Δ２は、ピットＰＴ１に形成された櫛構造Ｃ１の櫛間隔Δ１よりも長く形成されている。つまり、吸収スペクトルＳＰ１では、櫛間隔Δは透明領域ＰＴ毎に異なる。複数の透明領域ＰＴは、それぞれ形成される波長領域が互いに異なる。したがって、櫛間隔Δは、波長領域に応じている。

【0033】

複数の櫛構造Ｃの櫛間隔Δは波長領域に応じているため、第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出される時間は、第１の光子Ｐ１が複数の櫛構造Ｃのうちいずれに吸収されたかに応じて異なる。したがって、第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出される時間を測定すれば、第１の光子Ｐ１が複数の櫛構造Ｃのうちいずれに吸収されたかが判定できる。第１の光子Ｐ１が吸収された櫛構造Ｃが判定できれば、第１の光子Ｐ１の波長が、第１の光子Ｐ１が吸収された櫛構造Ｃに対応する波長領域に含まれることがわかる。分光システム１では、第１の光子Ｐ１の波長は、櫛構造Ｃに対応する波長領域程度の精度において測定される。

【0034】

本実施形態では、一例として櫛構造Ｃの櫛間隔Δは透明領域ＰＴ毎に異なるため、第１の光子Ｐ１の波長は、透明領域ＰＴの幅程度の精度において測定される。吸収物質３０がＰｒ：ＹＳＯの場合、透明領域ＰＴの幅は５ＭＨｚ程度であるため、分光システム１では、１０ＭＨｚ以下の精度において第１の光子Ｐ１の波長を測定できる。

【0035】

図２に示す例では、不均一幅Ｗ１に２つの透明領域ＰＴが形成される場合の一例について説明したが、不均一幅Ｗ１にはより多くの透明領域ＰＴが形成されることが好ましい。その場合であっても、櫛間隔Δは透明領域ＰＴ毎に異なる。それぞれの透明領域ＰＴに含まれる櫛構造Ｃの櫛間隔Δは、波長領域毎に変化する。

【0036】

なお、櫛構造Ｃを構成する複数のピークの幅は、互いに略等しい。櫛構造Ｃを形成するピークの幅は、櫛構造Ｃの形成に用いられるレーザー光の波長の幅に依存する。櫛構造Ｃを形成するピークの幅は、均一幅を最低値としてもち、レーザー光の波長の幅が広いほど均一幅よりも広くなる。ここで均一幅は、吸収物質３０に固有の値である。また、図２に示す例では、櫛構造Ｃを構成する複数のピークの高さは、互いに略等しい。複数のピークの高さは、光子を吸収するために高い方が好ましい。複数のピークの高さは、光子を吸収するために所定の高さ以上であればよく互いに等しい必要はない。

【0037】

上述したように、吸収物質３０は、不均一な広がりを有する吸収スペクトルＳＰ１を有する物質であり、吸収スペクトルＳＰ１には、波長領域において不均一な広がりが形成された光に対して透明な領域である透明領域ＰＴに複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔にして設けられた構造である櫛構造Ｃが形成されている。

【0038】

図１に戻って分光器３の構成の説明を続ける。
光検出器３１は、吸収物質３０から放出される第２の光子Ｐ２を検出する。光検出器３１は、単一光子を検出する検出器である。光検出器３１は、第２の光子Ｐ２を検出すると、光子を検出したことを示す信号である検出信号を波長演算装置４に出力する。また、光検出器３１は、光源２が分光器３に第１の光子Ｐ１を出射すると、光子を出射したことを示す信号である出射信号を波長演算装置４に出力する。

【0039】

波長演算装置４は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出されるまでの時間に基づいて、第１の光子Ｐ１の波長を算出する。波長演算装置４は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ：Ｐｅｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）である。波長演算装置４は、計時部４０と、波長算出部４１と、出力部４２と、記憶部４３とを備える。計時部４０、波長算出部４１、及び出力部４２は、それぞれ、ＣＰＵがＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）からプログラムを読み込んで処理を実行することにより実現される。

【0040】

計時部４０は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出するまでの時間を計時する。ここで計時部４０は、光源２が出力する出射信号と、光検出器３１が出力する検出信号とに基づいて計時を行う。以下では、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出するまでの時間を、放出時間ｔ１という。

【0041】

計時部４０は、光源２から出射信号を取得すると、出射信号を取得した時間に所定のオフセットを加算した時間を、吸収物質３０に第１の光子Ｐ１が入射した時間として計時する。この場合の所定のオフセットは、第１の光子Ｐ１が光源２から吸収物質３０に入射するまでの時間に相当する時間である。

【0042】

計時部４０は、光検出器３１から検出信号を取得すると、検出信号を取得した時間に所定のオフセットを減算した時間を、吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出した時間として計時する。この場合の所定のオフセットは、吸収物質３０から放出された第２の光子Ｐ２が光検出器３１に検出されるまでの時間に相当する時間である。

【0043】

ここで図３を参照し、吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出される時間が櫛間隔Δに応じていることについて説明する。図３は、本実施形態に係る第２の光子Ｐ２が放出される時間の一例を示す図である。
図３では、出射信号ＩＮ１、検出信号ＥＣ１、及び検出信号ＥＣ２が、それぞれ各所定のオフセットが加算または減算されて時間に対して示されている。図３では、出射信号ＩＮ１は、吸収物質３０に第１の光子Ｐ１が入射した時間である時間０にプロットされている。検出信号ＥＣ１は、第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ１の波長領域に波長をもつ場合に、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に吸収された後、吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出された時間１／Δ１に対してプロットされている。検出信号ＥＣ２は、第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ２の波長領域に波長をもつ場合に、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に吸収された後、吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出された時間１／Δ２に対してプロットされている。時間１／Δ１、及び時間１／Δ２は、放出時間ｔ１の一例である。

【0044】

櫛間隔Δ１と櫛間隔Δ２との差に応じて、吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出される時間は異なる。図２に示した吸収スペクトルＳＰ１の例では、櫛間隔Δ１の方が櫛間隔Δ２に比べて短いため、吸収物質３０から第２の光子Ｐ２が放出される時間は、第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ１の波長領域に波長をもつ場合の方が、第１の光子Ｐ１が櫛構造Ｃ２の波長領域に波長をもつ場合に比べて長い。
このように分光システム１では、測定対象である第１の光子Ｐ１の波長の情報を時間の情報として検出することによって波長（エネルギー）の測定を行う。

【0045】

図１に戻って波長演算装置４の構成の説明を続ける。
波長算出部４１は、波長時間情報４４と、計時部４０が計時した放出時間ｔ１とに基づいて第１の光子Ｐ１の波長を算出する。波長時間情報４４は、光子の波長と当該光子が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が光子を放出するまでの時間との対応を示す情報である。波長時間情報４４では、例えば、櫛構造Ｃ１の波長領域の波長、及び櫛構造Ｃ２の波長領域の波長と、時間１／Δ１、及び時間１／Δ２とがそれぞれ対応づけられている。

【0046】

なお、波長時間情報４４は、分光システム１が測定を開始するより前の時期において予め生成されて記憶部４３に記憶される。レーザー光源３２によって吸収物質３０の櫛構造Ｃが形成される場合に、波長時間情報４４に含まれる櫛構造Ｃの波長領域の波長の情報が参照されてレーザー光の照射が行われてもよい。また、波長時間情報４４は、レーザー光源３２によって吸収物質３０の櫛構造Ｃが形成される直後に、レーザー光源３２によるレーザー光の照射結果に応じて生成されてもよい。

【0047】

出力部４２は、波長算出部４１が算出した結果を分光器３の測定結果として出力する。出力部４２は、例えば、波長演算装置４に備えられる表示部（不図示）に波長算出部４１が算出した第１の光子Ｐ１の波長を分光器３の測定結果として出力する。出力部４２は、波長算出部４１が算出した結果を、記憶部４３に記憶させてもよいし、あるいは外部装置に出力してもよい。

【0048】

記憶部４３は、各種の情報を記憶する。各種の情報には、波長時間情報４４が含まれる。記憶部４３は、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＳＤ（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ）カード、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、レジスタ等によって実現される。

【0049】

次に図４を参照し、分光システム１が第１の光子Ｐ１の波長を測定する波長測定方法について説明する。図４は、本実施形態に係る波長測定方法の一例を示す図である。
光源２は、吸収物質３０に第１の光子Ｐ１を入射させる（ステップＳ１０）。
計時部４０は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射した時間を計時する（ステップＳ２０）。計時部４０は、計時部４０は、光源２から出射信号を取得すると、出射信号を取得した時間に所定のオフセットを加算した時間を、吸収物質３０に第１の光子Ｐ１が入射した時間として計時する。

【0050】

光検出器３１は、吸収物質３０が放出する第２の光子Ｐ２を検出する（ステップＳ３０）。ここで吸収物質３０が放出する第２の光子Ｐ２とは、第１の光子Ｐ１が入射すると第１の光子Ｐ１を吸収した後、吸収物質３０が放出する光子（フォトンエコーによる光子）である。

【0051】

計時部４０は、第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出された時間を計時する（ステップＳ４０）。計時部４０は、光検出器３１から検出信号を取得すると、検出信号を取得した時間に所定のオフセットを減算した時間を、吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出した時間として計時する。

【0052】

計時部４０は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出するまでの放出時間ｔ１を計時する（ステップＳ５０）。

【0053】

波長算出部４１は、波長時間情報４４と、計時部４０が計時した放出時間ｔ１とに基づいて第１の光子Ｐ１の波長を算出する（ステップＳ６０）。波長算出部４１は、算出した第１の光子Ｐ１の波長を示す情報を出力部４２に供給する。
出力部４２は、波長算出部４１が算出した結果を分光器３の測定結果として表示部などに出力する（ステップＳ７０）。

【0054】

なお、本実施形態では、分光器３がレーザー光源３２を備える場合の一例について説明したが、これに限らない。分光システム１において、分光器３の構成からレーザー光源３２が省略されて、透明領域ＰＴ及び櫛構造Ｃを吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１に形成するためのレーザー光源が分光器３とは別体として備えられてもよい。

【0055】

以上に説明したように、本実施形態に係る分光器３は、吸収物質３０と、光検出器３１とを備える。吸収物質３０は、第１の光子Ｐ１が入射すると第１の光子Ｐ１を吸収した後、第２の光子Ｐ２を放出する。光検出器３１は、吸収物質３０から放出される第２の光子Ｐ２を検出する。
吸収物質３０は、不均一な広がり（本実施形態において不均一幅Ｗ１）を有する吸収スペクトルＳＰ１を有する物質であり、吸収スペクトルＳＰ１には、波長領域において不均一な広がり（本実施形態において不均一幅Ｗ１）に形成された光に対して透明な領域である透明領域ＰＴに複数のピークが隣り合うピーク同士の間隔を所定の間隔（本実施形態において櫛間隔Δ）にして設けられた構造である櫛構造Ｃが形成されており、所定の間隔（本実施形態において櫛間隔Δ）は波長領域に応じている。

【0056】

この構成により、本実施形態に係る分光器３では、第１の光子Ｐ１の波長に応じて、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから第２の光子Ｐ２が吸収物質３０から放出されるまでの時間を異ならせることができるため、光子の波長を１回の測定で測定する場合に分解能を向上させることができる。本実施形態に係る分光器３では、櫛構造Ｃの波長領域における幅を５ＭＨｚ程度にできるため、１０ＭＨｚ以下の精度において波長を測定することができる。

【0057】

また、本実施形態に係る分光器３では、吸収物質３０は、波長の幅が所定の幅以下であるレーザー光が照射されることによって不均一な広がり（本実施形態において不均一幅Ｗ１）に櫛構造Ｃが形成されることによって吸収スペクトルＳＰ１を有する状態となる。

【0058】

この構成により、本実施形態に係る分光器３では、吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１に櫛構造Ｃが形成された後、櫛構造Ｃが消失した場合であっても、波長の幅が所定の幅以下であるレーザー光が吸収物質３０に照射されることによって再び櫛構造Ｃを形成することができるため、光子の波長を１回の測定で行う測定に繰り返し用いることができる。

【0059】

また、本実施形態に係る分光器３では、レーザー光源３２をさらに備える。レーザー光源３２は、吸収物質３０にレーザー光を照射する。
この構成により、本実施形態に係る分光器３では、自装置に備えられたレーザー光源３２によって吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１に櫛構造Ｃを形成できるため、外部にレーザー光源を別途必要とせずに櫛構造Ｃを形成できる。

【0060】

また、本実施形態に係る分光器３では、不均一な広がり（本実施形態において不均一幅Ｗ１）には、複数の透明領域ＰＴが形成され、所定の間隔（本実施形態において櫛間隔Δ）は透明領域ＰＴ毎に異なる。
この構成により、本実施形態に係る分光器３では、測定精度を透明領域ＰＴの幅程度の精度にできる。

【0061】

また、本実施形態に係る分光器３では、吸収物質３０は、希土類が添加された物質（希土類添加物質）である。
この構成により、本実施形態に係る分光器３では、均一幅は他の物質を用いる場合に比べて狭く形成することができるため、他の物質を用いる場合に比べて櫛構造Ｃの波長領域を狭くして波長の測定精度を高めることができる。吸収物質３０として希土類添加物質を用いる場合、櫛構造Ｃの波長領域の幅を数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数百ｋＨｚ程度にまで狭くできる。

【0062】

また、本実施形態に係る波長演算装置４は、計時部４０と、波長算出部４１とを備える。
計時部４０は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出するまでの時間（本実施形態において放出時間ｔ１）を計時する。
波長算出部４１は、光子の波長と当該光子が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が光子を放出するまでの時間との対応を示す波長時間情報４４と、計時部４０が計時した時間（本実施形態において放出時間ｔ１）とに基づいて第１の光子Ｐ１の波長を算出する。

【0063】

この構成により、本実施形態に係る波長演算装置４は、第１の光子Ｐ１が吸収物質３０に入射してから吸収物質３０が第２の光子Ｐ２を放出するまでの時間から波長時間情報４４に基づいて第１の光子Ｐ１の波長を算出できるため、簡便に第１の光子Ｐ１の波長を算出できる。

【0064】

（変形例１）
なお、上述した実施形態では、測定対象である第１の光子Ｐ１の波長が吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１が有する不均一幅Ｗ１に含まれる場合の一例について説明したが、これに限らない。第１の光子Ｐ１の波長は、不均一幅Ｗ１に含まれない波長であってもよい。本変形例では、第１の光子Ｐ１の波長が不均一幅Ｗ１に含まれない波長である場合について説明する。本変形例に係る分光システムを分光システム１ａという。

【0065】

図５は、本変形例に係る分光システム１ａの構成の一例を示す図である。分光システム１ａは、分光器３と、波長演算装置４と、波長変換素子５とを備える。分光システム１ａ（図５）は、波長変換素子５を備える点が、上述した実施形態の分光システム１（図１）と異なる。なお、上述した実施形態と同一の構成及び動作については、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0066】

光源２ａは、第１の光子として第１の光子Ｐ１ａを発生させ、発生させた第１の光子Ｐ１ａを波長変換素子５に入射させる。第１の光子Ｐ１ａの波長は、一例として、１２００ｎｍ程度の波長であり、１０ＧＨｚ程度の広がりをもつ。

【0067】

波長変換素子５は、光源２ａが発生させた第１の光子Ｐ１ａの波長を変換する。ここで第１の光子Ｐ１ａの波長は、吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１が有する不均一幅Ｗ１の波長領域以外の波長である。波長変換素子５は、第１の光子Ｐ１ａの波長を、不均一幅Ｗ１の波長領域に含まれる波長に変換する。

【0068】

波長変換素子５は、例えば、周期的分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ ｐｏｌｅｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｎｉｏｂａｔｅ）を用いた導波路である。ＰＰＬＮは、高い非線形性を有する光学結晶である。波長変換素子５は、第１の光子Ｐ１ａが入射すると第二高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）によって、第１の光子Ｐ１ａの波長の半分の波長をもつ第１の光子Ｐ１ｂを発生させる。第１の光子Ｐ１ｂの波長は、吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１が有する不均一幅Ｗ１の波長領域に含まれる波長である。不均一幅Ｗ１の波長領域は、中心波長が６０６ｎｍ付近として１０ＧＨｚ程度の広がりをもつ。

【0069】

上述したように、波長変換素子５は、第１の光子Ｐ１ａの波長が不均一幅Ｗ１の波長領域以外の波長である場合に、吸収物質３０に入射する第１の光子Ｐ１ａの波長を不均一幅Ｗ１の波長領域に含まれる波長に変換する。
この構成により、本変形例に係る分光システム１ａでは、測定対象である第１の光子Ｐ１の波長が吸収物質３０の吸収スペクトルＳＰ１が有する不均一幅Ｗ１に含まれない場合であっても、第１の光子Ｐ１の波長を不均一幅Ｗ１に含まれる波長に変換して測定できるため、不均一幅Ｗ１に含まれない波長をもつ単一光子を測定対象にできる。

【0070】

（変形例２）
上述した実施形態では、櫛間隔Δは透明領域ＰＴ毎に異なる場合の一例について説明したが、これに限らない。櫛間隔Δは波長領域に応じていればよく、１つの透明領域ＰＴに異なる複数の櫛間隔Δが含まれてもよい。
図６は、本変形例に係る吸収スペクトルＳＰ２の一例を示す図である。吸収スペクトルＳＰ２では、ピットＰＴ１には櫛構造Ｃ１、及び櫛構造Ｃ３の２つの櫛構造Ｃが形成され、ピットＰＴ２には櫛構造Ｃ２が形成されている。櫛構造Ｃ１、櫛構造Ｃ２、及び櫛構造Ｃ３の櫛間隔Δは、それぞれ櫛間隔Δ１、櫛間隔Δ２、及び櫛間隔Δ３である。櫛間隔Δ２は、実施形態の吸収スペクトルＳＰ１（図２）と同様に、櫛間隔Δ１よりも長く形成されている。櫛間隔Δ３は、例えば、櫛間隔Δ１よりも長く、櫛間隔Δ２よりも短く形成されている。

【0071】

（変形例３）
また、不均一幅Ｗ１に１つの透明領域ＰＴが形成されて、この透明領域ＰＴに複数の櫛構造Ｃが形成されてもよい。図７は、本変形例に係る吸収スペクトルＳＰ３の一例を示す図である。吸収スペクトルＳＰ３では、不均一幅Ｗ１に透明領域ＰＴとしてピットＰＴ３が形成されている。ピットＰＴ３には、櫛構造Ｃ４、櫛構造Ｃ５、及び櫛構造Ｃ６の３つの櫛構造Ｃが形成されている。櫛構造Ｃ４、櫛構造Ｃ５、及び櫛構造Ｃ６の櫛間隔Δは、それぞれ櫛間隔Δ４、櫛間隔Δ５、及び櫛間隔Δ６である。櫛間隔Δ４、櫛間隔Δ５、及び櫛間隔Δ６は、この順に短く形成されている。

【0072】

上述したように変形例２におけるピットＰＴ１、あるいは変形例３におけるピットＰＴ３では、１つの透明領域ＰＴ内において異なる櫛間隔Δをもつ複数の櫛構造Ｃが形成されている。そのような場合、分光システム１が第１の光子Ｐ１の波長を測定する精度は、それぞれの櫛構造Ｃの波長領域の幅によって決定される。櫛構造Ｃの波長領域の幅を数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数百ｋＨｚにして櫛構造Ｃを形成すれば、測定精度を数十キロヘルツ（ｋＨｚ）から数百ｋＨｚ程度にまで高めることができる。

【0073】

なお、上述したように櫛構造Ｃを形成するピークの幅は、櫛構造Ｃの形成に用いられるレーザー光の波長の幅に依存する。吸収物質３０が希土類添加物質である場合、均一幅は他の物質を用いる場合に比べて狭く形成することができる。均一幅が狭いほど１つの透明領域ＰＴ内において多くの櫛構造Ｃを形成することができ、測定精度を向上させることができる。

【0074】

また、上述した吸収スペクトルＳＰ１～ＳＰ３では、櫛構造Ｃの櫛間隔Δは、櫛構造Ｃが形成される透明領域ＰＴが長い波長の波長領域に対応するほど長くなる場合の一例について説明したが、これに限らない。櫛構造Ｃの櫛間隔Δは、櫛構造Ｃが形成される透明領域ＰＴが長い波長の波長領域に対応するほど短くなってもよい。また、櫛間隔Δは、波長領域に応じてさえいれば、透明領域ＰＴの波長に応じて単調に変化していなくてもよい。

【0075】

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0076】

単一光子は、量子通信や量子コンピュータなどの量子情報技術をはじめとする量子技術において広範に利用されている。しかしながら、従来、単一光子が１度だけ到来する場合に、高いＭＨｚ以下の高い分解能において単一光子の波長（エネルギー）を測定する方法がなかった。波長分割多重などによって通信容量の増大が図られている状況において、高精度分光の利用可能性は広がり続けている。
分光という方法そのものは、物理学、化学、生物学など自然科学及び光学の分野において極めて広く使われる手法である。量子生命科学などの近年発展が目覚ましい分野をみても、単一光子レベルの分光は、新たな量子技術の発展の基盤となることが期待される。

【符号の説明】

【0077】

１、１ａ…分光システム、２、２ａ…光源、３…分光器、３０…吸収物質、３１…光検出器、３２…レーザー光源、４…波長演算装置、４０…計時部、４１…波長算出部、４４…波長時間情報、５…波長変換素子、Ｐ１、Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ…第１の光子、Ｐ２…第２の光子、Ｗ１…不均一幅、ＰＴ…透明領域、ＳＰ１、ＳＰ２、ＳＰ３…吸収スペクトル、Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６…櫛構造、Δ、Δ１、Δ２、Δ３、Δ４、Δ５、Δ６…櫛間隔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】