(57)【要約】【課題】リングダウンパルスのＳ／Ｎ比を改善し、検出対象の検出精度を向上することが可能なキャビティリングダウン分光装置を提供する。【解決手段】光パルスを出力する光出力部１０と、光パルスの光強度を検出する光強度検出部２０と、光出力部１０に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路３０と、該主光路３０中の光分岐点としての光カプラ４０から分岐され、光カプラ４０を通過する光パルスを所定比率で光強度検出部２０に出力する分岐光路５０とを有し、光出力部１０から主光路３０に入力された光パルスが光カプラ４０を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部６０と、主光路３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部７０と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを出力する光出力部と、
前記光パルスの光強度を検出する光強度検出部と、
前記光出力部に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路と、該主光路中の光分岐点から分岐され、当該光分岐点を通過する光パルスを所定比率で前記光強度検出部に出力する分岐光路とを有し、前記光出力部から前記主光路に入力された光パルスが前記光分岐点を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部と、
前記主光路に導入された前記測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部と
を有することを特徴とするキャビティリングダウン分光装置。
【請求項２】
前記キャビティ部は、前記光分岐点が光カプラにより形成されていると共に、前記主光路における前記光カプラを挟んだ両側の端部にそれぞれ光反射部を有していることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項３】
前記光カプラ及び前記光出力部間に配置され、前記光出力部に接続された入力ポートと、前記光カプラに接続された入出力ポートと、前記光強度検出部に接続された出力ポートとを備えた光サーキュレータをさらに有し、
前記光カプラは、前記光サーキュレータの前記入出力ポートからの光パルスを、前記主光路と、前記減衰分の光パルスが通過される減衰光路と、に分岐することを特徴とする請求項２に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項４】
前記光反射部の何れか一方が、反射する前記光パルスの光強度を増幅する光増幅器を有していることを特徴とする請求項２又は３に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項５】
前記キャビティ部は、前記光分岐点が光カプラにより形成されていると共に、前記主光路が環状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項６】
前記光減衰部は、
前記分岐光路中に配置されており、前記光パルスを前記光強度検出器に進行させる直進光と、前記光パルスの前記光強度検出器への進行を阻止する回折光とに切り替え可能な音響光学変調部を有していることを特徴とする請求項５に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項７】
前記キャビティ部は、前記光分岐点が第１光カプラにより形成されていると共に、前記主光路が環状に形成されており、
前記光減衰部は、前記第１光カプラ及び前記光出力部間の前記主光路中に配置され、光パルスの一部を分岐する第２光カプラにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項８】
前記光減衰部は、
前記光分岐点と前記光強度検出部との間に配置され所定の偏光角の光パルスを通過させる偏光子と、
前記光出力部から出力される光パルスを前記所定の偏光角とは異なる角度に偏光させる第１の偏波コントローラと、
前記主光路に入力された光パルスを前記所定の偏光角に偏光させる第２の偏波コントローラと、
を有していることを特徴とする請求項１に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項９】
前記キャビティ部は、前記光分岐点としてのファイバブラッググレーティングと、光反射部とを有し、前記ファイバブラッググレーティングと光反射部との間に前記光パルスが往復する前記主光路が形成されていることを特徴とする請求項８に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【請求項１０】
前記光パルスの光路の少なくとも一部が、偏波保持光ファイバで形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載のキャビティリングダウン分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ型のキャビティリングダウン分光装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、物質の成分濃度の測定や物質の同定等を行う方法として、空間光学系によるキャビティリングダウン分光法が知られている。このキャビティリングダウン分光法では、高反射率のミラーを２枚対向させて構成したキャビティに測定対象物を導入し、当該キャビティ内で往復することにより減衰する光パルスを計測する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、第１の減衰率１／τで減衰するリングダウン波ＥＲＤを光ヘテロダイン検出するキャビティリングダウンシステムであって、光線を供給するレーザ光源と、前記光線から、局所振動周波数νＬＯを有する局所振動波ＥＬＯと信号周波数νＳＩＧＮＡＬを有する信号波ＥＳＩＧＮＡＬとを生起する一組の光学装置と、前記局所振動波ＥＬＯおよび前記信号波ＥＳＩＧＮＡＬを受信するリングダウンキャビティと、該リングダウンキャビティが、前記局所振動波ＥＬＯおよび前記リングダウン波ＥＲＤを前記信号周波数νＳＩＧＮＡＬで発するリングダウン段階を開始するために、前記信号波ＥＳＩＧＮＡＬを中断または変更する切替手段と、前記局所振動周波数νＬＯと前記信号周波数νＳＩＧＮＡＬとの間の周波数差δνに関連するヘテロダイン周波数を有する干渉信号を生起するために、前記局所振動波ＥＬＯを前記リングダウン波ＥＲＤと重ね合わせる光結合手段と、前記干渉信号を受信して、第２の減衰率１／２τを有するヘテロダイン信号ＩＨを生起する光検出器とを具備するキャビティリングダウンシステム、が開示されている。
【０００４】
一方、キャビティとして光ファイバをループ状に接続して光ファイバループを形成する光ファイバ型のキャビティリングダウン分光法がある。このようなキャビティリングダウン分光法では、一般的に、光ファイバループに光カプラが接続されており、光カプラによって光パルスが入力されると共に、光ファイバループを繰り返し通過する光パルスの一部が光カプラによって分岐して出力される。光ファイバループの途中には、測定対象物を導入可能な光ファイバセルが配置されており、光カプラから出力される光パルス列（リングダウンパルス）は測定対象物に応じたものとなる。
【０００５】
しかしながら、測定対象物による光強度の減衰量が大きい場合、光強度が早期に検出限界未満にまで減少するため、リングダウンパルスの検出数が不十分になり易いという問題があった。
【０００６】
そこで、特許文献２では、所定波長の光を出力する光出力部と、前記光出力部から出力された光を循環させ、光路中に測定対象物を導入可能にされた光循環系と、前記光循環系を循環する前記光の光強度を検出する光強度検出部と、前記光循環系内に設けられ、該光循環系を進行する光を増幅すると共に、該光循環系内で発生したノイズの光強度を低減させる負帰還光増幅器とを有するキャビティリングダウン分光装置、が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３３８０３７号公報
【特許文献２】特開２０１１−１６３７６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献２のような光ファイバ型のキャビティリングダウン分光法において、検出される光パルス列は、光カプラに入力された後にキャビティ内の光ファイバループを循環せずに光カプラから出力された光パルスを含むものである。従って、このような光パルスは、光ファイバループ内の測定対象物を通過したものではなく、測定に関与しないものであった。
【０００９】
このような測定に関与しない光パルスは、検出される光パルス列のうち光強度が最も大きいため、リングダウンパルスを検出する受光器において飽和現象によるノイズが発生する要因となっており、以降の光パルス列についての検出結果が不安定になるという問題があった。このような飽和現象が発生する場合は光パルスの出力値を減少させる必要が生じるため、検出対象の検出精度が低下する問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、測定に関与しない光パルスを光学的に減衰してリングダウンパルスのＳ／Ｎ比を改善し、検出対象の検出精度を向上することが可能なキャビティリングダウン分光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のキャビティリングダウン分光装置は、光パルスを出力する光出力部と、前記光パルスの光強度を検出する光強度検出部と、前記光出力部に接続された主光路と、該主光路中の光分岐点から分岐され、当該光分岐点を通過する光パルスを所定比率で前記光強度検出部に出力する分岐光路とを有し、前記光出力部から前記主光路に入力された光パルスが前記光分岐点を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部と、前記主光路に導入された前記測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部と、を有する。
【００１２】
上記構成によれば、光強度検出部で検出するリングダウンパルスは、主光路に導入された測定対象物を通過しない光パルスの光強度が減衰されるため、光パルスを光強度検出部において検出する際に、測定に関与しない光パルスを受光することに起因する飽和現象を起こり難くすることができる。この結果、リングダウンパルスのＳ／Ｎ比が改善され、検出対象の検出精度を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記キャビティ部は、前記光分岐点が光カプラにより形成されていると共に、前記主光路における前記光カプラを挟んだ両側の端部にそれぞれ光反射部を有する構成であってもよい。
上記構成によれば、光出力部から出力された光パルスが主光路において光カプラの前後で反射される。これにより、光パルスは、繰り返し光カプラを通過し、光カプラを通過するごとに所定比率で前記光強度検出部に出力されることで、光パルス列を形成することができる。
【００１４】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記光カプラ及び前記光出力部間に配置され、前記光出力部に接続された入力ポートと、前記光カプラに接続された入出力ポートと、前記光強度検出部に接続された出力ポートとを備えた光サーキュレータをさらに有し、前記光カプラは、前記光サーキュレータの前記入出力ポートからの光パルスを、前記主光路と、前記減衰分の光パルスが通過される減衰光路と、に分岐する構成であってもよい。
上記構成によれば、光出力部から出力された光パルスは、光サーキュレータを介して光カプラに入力され、光カプラにおいて主光路と減衰光路とに分岐される。これにより、光パルスは測定に関与しない光パルスを減衰光路に分岐することができる。
【００１５】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記光反射部の何れか一方が、反射する前記光パルスの光強度を増幅する光増幅器を有している構成であってもよい。
上記構成によれば、光パルスは、光増幅器を有する光反射部において反射されるときに、光強度が増幅される。従って、光強度が光増幅器により増幅されていない場合と比較して、光強度が光強度検出部の検出限界に減衰されるまでの時間の増大、即ち、測定対象物に対する光の通過や透過の繰り返し回数を増大させることができる。この結果、多くのリングダウンパルスを得ることが可能になる。
【００１６】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記キャビティ部は、前記光分岐点が光カプラにより形成されていると共に、前記主光路が環状に形成されている構成であってもよい。
上記構成によれば、光出力部から出力された光パルスが光カプラによってキャビティに導入されキャビティ内の環状の主光路を循環されることで、リングダウンパルスが生成される。
【００１７】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記光減衰部は、前記分岐光路中に配置されており、前記光パルスを前記光強度検出器に進行させる直進光と、前記光パルスの前記光強度検出器への進行を阻止する回折光とに切り替え可能な音響光学変調部を有している構成であってもよい。
上記構成によれば、リングダウンパルスとして出力されるパルス列のうち、主光路の測定対象物を通過しない光パルスが音響光学変調部を通過する際に回折光に切り替えることで、測定に関与しない光強度を減衰させることができる。
【００１８】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記キャビティ部は、前記光分岐点が第１光カプラにより形成されていると共に、前記主光路が環状に形成されており、前記光減衰部は、前記第１光カプラ及び前記光出力部間の前記主光路中に配置され、光パルスの一部を分岐する第２光カプラにより形成されている構成であってもよい。
上記構成によれば、光パルスは、第１光カプラによって主光路と分岐光路とに分岐する前に、第２光カプラによって測定対象物を通過しない光パルスが分岐される。これにより、生成されるリングダウンパルスについて測定に関与しない光パルスの光強度を減衰させることができる。
【００１９】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記光減衰部は、前記光分岐点と前記光強度検出部との間に配置され所定の偏光角の光パルスを通過させる偏光子と、前記光出力部から出力される光パルスを前記所定の偏光角とは異なる角度に偏光させる第１の偏波コントローラと、前記主光路に入力された光パルスを前記所定の偏光角に偏光させる第２の偏波コントローラと、を有する構成であってもよい。
【００２０】
上記構成によれば、光出力から出力された光パルスは、第１の偏波コントローラにより所定の偏光角とは異なる角度に偏光される。この光パルスは、キャビティ部に導入され光分岐点において主光路と分岐光路とに分岐される。光分岐点において最初に分岐光路へ分岐された光パルスは主光路に入力されず第２の偏波コントローラによって偏光されないため、最初に分岐点から光強度検出部へ向かう光パルスは所定の偏光角とは異なる角度に偏光されたままとなる。そして、所定の偏光角の光パルスを通過させる偏光子において、測定対象物を通過しない最初の光パルスは所定の偏光角を除く成分が減衰されることになる。また、主光路に入力され測定対象物を通過する光パルスは、主光路内の第２の偏波コントローラによって所定の偏光角に偏光されるため、偏光子においては減衰されない。これにより、光強度検出部で検出されるリングダウンパルスにおける測定対象物を通過しない光パルスのみ光強度が減衰されるため、測定に関与しない光パルスを受光することに起因する飽和現象を起こり難くすることができる。この結果、リングダウンパルスのＳ／Ｎ比が改善され、検出対象の検出精度を向上させることができる。
【００２１】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記キャビティ部は、前記光分岐点としてのファイバブラッググレーティングと、光反射部とを有し、前記ファイバブラッググレーティングと光反射部との間に前記光パルスが往復する前記主光路が形成されていてもよい。
【００２２】
上記構成によれば、光パルスは、ファイバブラッググレーティングと光反射部との間で往復されながら、ファイバブラッググレーティングにおいて所定比率で光強度検出部に出力されることで、光パルス列を形成することができる。
【００２３】
また、本発明のキャビティリングダウン分光装置において、前記光パルスの光路の少なくとも一部が、偏波保持光ファイバで形成されていてもよい。
【００２４】
上記構成によれば、光パルスの光路の少なくとも一部が偏波保持光ファイバで形成されているため、偏光角のずれを防止することができ、検出対象の検出精度をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図２】第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置に用いる光サーキュレータの模式図である。
【図３】第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置に用いる光カプラの模式図である。
【図４】第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置に用いる反射型セルの模式図である。
【図５】第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置の動作を示す説明図である。
【図６】第２実施形態のキャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図７】第２実施形態のキャビティリングダウン分光装置に用いる音響光学変調部の模式図である。
【図８】第２実施形態のキャビティリングダウン分光装置に用いる音響光学変調部の動作タイミングを示す説明図である。
【図９】第２実施形態のキャビティリングダウン分光装置の動作を示す説明図である。
【図１０】第３実施形態のキャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図１１】第３実施形態のキャビティリングダウン分光装置の動作を示す説明図である。
【図１２】実施例におけるリングダウンパルスの測定結果を示す図である。
【図１３】実施例において減衰光路で測定した光パルスの測定結果を示す図である。
【図１４】第４実施形態のキャビティリングダウン分光装置のブロック図である。
【図１５】第４実施形態のキャビティリングダウン分光装置の動作を示す説明図である。
【図１６】第４実施形態のキャビティリングダウン分光装置の動作を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係るキャビティリングダウン分光装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
（キャビティリングダウン分光装置１の構成）
図１に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置１は、光パルスを出力する光出力部１０と、光パルスの光強度を検出する光強度検出部２０と、光出力部１０に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路３０と、該主光路３０中の光分岐点としての光カプラ４０から分岐され、光カプラ４０を通過する光パルスを所定比率で光強度検出部２０に出力する分岐光路５０とを有し、光出力部１０から主光路３０に入力された光パルスが光カプラ４０を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部６０と、主光路３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部７０と、を有する。また、キャビティリングダウン分光装置１には、光出力部１０からの光パルスを主光路３０へ出力すると共に、光カプラ４０からの光パルスを光強度検出部２０へ出力する光サーキュレータ１１が設けられている。
【００２８】
キャビティリングダウン分光装置１は、光に対して透過率が高い石英ガラスやプラスチック等により形成された光ファイバにより光パルスの光路が形成されている。尚、キャビティリングダウン分光装置１は、光を空間で取り扱うバルク部品が一部に用いられていてもよい。
キャビティリングダウン分光装置１の光路としては、上述の主光路３０及び分岐光路５０の他、光出力部１０及び光サーキュレータ１１を接続する入力光路９１と、光減衰部７０に含まれる減衰光路７１とが設けられている。主光路３０は、第１主光路３１と第２主光路３２とを有している。分岐光路５０は、入出力光路５１と出力光路５２とを有している。
【００２９】
ここで、『繰り返して通過』とは、光パルスが主光路を往復移動して光分岐点を通過する循環態様と、環状の主光路を一方向に移動して光分岐点を通過する循環態様とを含む。光パルスが主光路を往復移動する場合、往復移動のうち一方向に光分岐点を通過する際に光強度検出部へ光パルスが出力されることが好ましい。また、光分岐点は光カプラに限定されず、光サーキュレータ等の光分岐結合器であってもよい。
また、『減衰』とは、光出力部から出力された光パルスのうち、キャビティ内の測定対象物を通過しない光パルスのほとんどが、光強度検出部によって検出されないことを示す。本実施形態では、光カプラ４０で分岐され、キャビティ部６０内の測定対象物を通過しない光パルスが減衰光路７１に出力され、キャビティ部６０内の測定対象物を通過してキャビティ部６０から出力された光パルスを光強度検出部２０で検出することによって、光強度検出部２０が測定対象物を通過しない光パルスを検出することを回避しているがこれに限定されない。
【００３０】
光パルスの波長は、特に限定されるものではないが、例えば１５５０ｎｍ等の波長を挙げることができる。また、光パルスの波長は、各種の測定対象物に応じて最適な吸収性能を発揮させる波長に設定されていることが好ましい。測定対象物は、液体やガスの全ての種類の物を含むと共に、物質の種別や同じ物質の状態変化を検出する用途に適用される。
【００３１】
（光出力部１０）
具体的に、キャビティリングダウン分光装置１の各構成について説明する。
光出力部１０は、所定波長を中心波長とする光を出力する半導体レーザー等の光源と、この光源を駆動制御する駆動部とを有しており、パルス状の光を出力可能になっている。尚、光出力部１０の光源は、半導体レーザーに限定されるものではなく、その他の光源であってもよい。例えば、光出力部１０は、光源をスペクトル範囲の広い広帯域光としていてもよく、広帯域光から所定波長の光を抽出すると共に、光路を間欠的に遮蔽することによりパルス状の光を形成するように構成されていてもよい。
光出力部１０は、入力光路９１を介して光サーキュレータ１１へ光パルスを出力する。
【００３２】
（光強度検出部２０）
光強度検出部２０は、受光部とオシロスコープとを備えている。光強度検出部２０は、受光部で受光した光パルスを電気信号に変換し、オシロスコープで時間経過に対する電気信号の変化が検出できるようになっている。
光強度検出部２０には、光サーキュレータ１１からの光パルスが入力される。
【００３３】
（光サーキュレータ１１）
光サーキュレータ１１は、図２に示すように、入力ポート１１ａと、入出力ポート１１ｂと、出力ポート１１ｃとを備えている。光サーキュレータ１１は、入力ポート１１ａに入力された光パルスを入出力ポート１１ｂへ出力すると共に、入出力ポート１１ｂに戻ってきた光パルスを入力ポート１１ａには出力せず、出力ポート１１ｃへのみ出力する機能を有している。
入力ポート１１ａは入力光路９１を介して光出力部１０に接続され、入出力ポート１１ｂは入出力光路５１を介して光カプラ４０に接続され、出力ポート１１ｃは出力光路５２を介して光強度検出部２０に接続されている。これにより、光出力部１０からの光パルスは光サーキュレータ１１を介して光カプラ４０に出力され、光カプラ４０からの光パルスは光サーキュレータ１１を介して光強度検出部２０に出力される。
このように、光サーキュレータ１１は、光出力部１０及び光カプラ４０間に配置されると共に、光カプラ４０及び光強度検出部２０間に配置される。
【００３４】
（キャビティ部６０）
キャビティ部６０は、光分岐点としての光カプラ４０を有していると共に、主光路３０における光カプラ４０を挟んだ両側の端部それぞれに光反射部としてファイバブラッググレーティング部６１及び反射型セル６２を有している。
【００３５】
（キャビティ部６０：光カプラ４０）
光カプラ４０は、２本の光ファイバの一部同士を融着延伸して形成された２入力２出力型の光カプラである。図３に示すように、光カプラ４０は、一端に第１ポート４０ａと第２ポート４０ｂとを備え、多端に第３ポート４０ｃと第４ポート４０ｄとを備えている。
光カプラ４０は、何れかのポートに入力された光パルスを反対側の端部にある２つのポートから所定の比率に分岐して出力する機能を有している。例えば、１０ｄＢの光カプラを用いる場合、光パルスが入力されたポートに対応する反対側の端部のポートに９０％が出力され、他方のポートに１０％が出力される。
【００３６】
具体的に、図３に示すように、第１ポート４０ａに光パルスが入力された場合には、光パルスの９０％が第３ポート４０ｃから出力されると共に、光パルスの１０％が第４ポート４０ｄから出力される。
同様に、第２ポート４０ｂに光パルスが入力された場合、光パルスの９０％が第４ポート４０ｄから出力されると共に、光パルスの１０％が第３ポート４０ｃから出力される。また、第３ポート４０ｃに光パルスが入力された場合、光パルスの９０％が第１ポート４０ａから出力されると共に、光パルスの１０％が第２ポート４０ｂから出力される。また、第４ポート４０ｄに光パルスが入力された場合、光パルスの９０％が第２ポート４０ｂから出力されると共に、光パルスの１０％が第１ポート４０ａから出力される。
尚、光カプラの分岐比率はこれに限定されるものではなく、３ｄＢ（対応ポートに５０％出力）、６ｄＢ（対応ポートに７５％出力）、及び、２０ｄＢ（対応ポートに９９％出力）等が挙げられる。
【００３７】
第１ポート４０ａは、入出力光路５１を介して光サーキュレータ１１に接続されている。第２ポート４０ｂは、第１主光路３１を介してファイバブラッググレーティング部６１に接続されている。第３ポート４０ｃは、減衰光路７１に接続されている。第４ポート４０ｄは、第２主光路３２を介して反射型セル６２に接続されている。
即ち、光出力部１０からの光パルスは、第１ポート４０ａからキャビティ部６０に導入された後、ファイバブラッググレーティング部６１と反射型セル６２との間の主光路３０を往復移動する循環態様を取る。また、この往復移動において、光パルスが光カプラ４０を通過する際には、第１ポート４０ａ、又は、第３ポート４０ｃから光パルスの一部が出力されるようになっている。
【００３８】
（キャビティ部６０：ファイバブラッググレーティング部６１）
ファイバブラッググレーティング部６１は、入力された光パルスを入力方向とは逆方向に反射する機能を有している。即ち、光カプラ４０の第２ポート４０ｂから出力された光パルスを反射し、当該光パルスを第２ポート４０ｂに入力する。
ファイバブラッググレーティング部６１は、第１主光路３１から延長される光ファイバにファイバブラッググレーティングが形成されてなる。ファイバブラッググレーティング部は、中心波長が１５５０ｎｍ、反射率が９９．９９％（４０ｄＢ）に設定されることが好ましい。この理由は、製造上作れる限界が９９．９９％であるからであるが、この反射率以上のファイバグレーティングであれば、さらに好ましい。
【００３９】
（キャビティ部６０：反射型セル６２）
反射型セル６２は、入力された光パルスが通過可能に測定対象物を主光路３０に導入可能にされているとともに、入力された光パルスを入力方向とは逆方向に反射する機能を有している。即ち、反射型セル６２は、光カプラ４０の第４ポート４０ｄから出力された光パルスを測定対象物に通過させると共に、当該光パルスを第４ポート４０ｄへ入力する。
具体的には、図４に示すように、反射型セル６２は、主光路３０（第２主光路３２）である光ファイバからの光パルスが導入されるセル本体６２ａを有している。セル本体６２ａ内において光ファイバと接続される一端部にはコリメータレンズ６２ｂが配置されており、導入される光パルスを平行ビーム化した状態で反対側の他端部へ直進させるようになっている。また、他端部にはミラー６２ｃが配置されている。即ち、ミラー６２ｃは、コリメータレンズ６２ｂと対向に配置されており、光パルスをコリメータレンズ６２ｂの方向へ反射するようになっている。即ち、反射された平行ビーム化された光パルスは上記コリメータレンズ６２ｂにより集光されて光ファイバに導入される。
また、セル本体６２ａにはスリット６２ｄが形成されており、このスリット６２ｄに嵌合する容器に封入された測定対象物をセル本体６２ａ内の光パルスの経路上に導入可能にされている。これにより、セル本体６２ａ内を移動する光パルスは、測定対象物を通過することができるようになっている。尚、測定対象物の導入態様は限定されず、例えば、キャビティリングダウン分光装置の少なくとも反射型セルを含む空間にガス等の測定対象物を充満させ、スリット内に測定対象物を存在させるものであってもよい。また、例えば、スリット等のないセル本体６２ａの内部に測定対象物が封入されるものであってもよい。
尚、このような反射型セルに限定されず、例えば、測定対象物に差し込んで用いる光ファイバプローブであってもよい。また、光パルスを反射させる構成は限定されず、例えば、光ファイバの端面に蒸着やコーティングにより形成されていてもよいし、反射鏡が密接されていてもよい。また、光ファイバにファイバブラッググレーティングを形成して、反射機能を実現してもよい。
このように、測定対象物を主光路中に位置させることによって、光パルスの強度に測定対象物の光吸収性質に応じた減衰が生じる。
【００４０】
このように、本実施形態の光反射部として、ファイバブラッググレーティング部６１及び反射型セル６２を設けているがこれに限定されない。例えば、光反射部の何れか一つとして、光増幅器を有するものであってもよい。
光増幅器としては、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）等の光増幅素子が挙げられる。半導体光増幅器は、インジウム燐（ＩｎＰ）等の化合物半導体で形成される半導体基板と、半導体基板上に設けられ半導体基板よりも屈折率が高く形成された光導波路とを有している。光導波路は、半導体基板上にエピタキシャル成長されたＩＩＩ−Ｖ族混晶半導体の多層膜であり、例えばホトリソグラフィーを用いて所定幅のテープ状突起となるように形成される。このような光増幅器は、例えば所定波長の光が入射されたときに、その光を増幅して出力すると同時に、その所定波長を中心とする周囲波長を有し、そのレーザー光の強度変調に反比例して強度が増減する自然放出光をも出力する所謂相互利得変調作用を起こす機能を備えている。
【００４１】
光増幅器を有した光反射部は、光増幅器の光導波路における光及び自然放出光の出力側の端面に、アルミや銀等の金属膜の蒸着、及び、誘電体膜等のコーティング等によって光反射部材が密着状態で形成された負帰還半導体光増幅器であってもよい。
負帰還半導体光増幅器は、光増幅器によって出力信号光と周囲光とを含む光が出力された後、反射部材によって光増幅器に反射されることで、周囲光は光増幅器の利得を変調することができるようになっている。この変調された利得の中を入力信号光が進行すると基線の上昇を抑制し、ノイズが低減された状態となる。
従って、主光路において光パルスが負帰還半導体光増幅器に入力された場合、光強度が増幅されると共に、ノイズが低減された光パルスが反射されることになる。
【００４２】
このような、光増幅器を有する光反射部は、図１におけるファイバブラッググレーティング部６１の位置に配置されてもよいし、反射型セル６２の位置に配置されてもよい。
また、キャビティリングダウン分光装置は、光路的に対向する光反射部として、光増幅器を有する光反射部とファイバブラッググレーティングと有する構成であってもよいし、光増幅器を有する光反射部と反射型セルとを有する構成であってもよい。尚、反射型セルを設けない場合は、測定対象物を導入可能な透過型セルを主光路上に設けてもよい。
【００４３】
（キャビティ部６０：主光路３０）
主光路３０は、主に第１主光路３１と第２主光路３２とから構成され、光パルスがファイバブラッググレーティング部６１と反射型セル６２とで反射されることにより往復移動する光伝送路である。
第２主光路３２は、光路中に光パルスの光路長を長尺化するための遅延部３２ａを有している。遅延部３２ａは、１００ｍ程度の光ファイバが巻回されて形成されているため、光パルスのキャビティ内での光路長は１往復で２００ｍ程度に長尺化される。これにより、光強度検出部２０で検出される光パルス列における光パルス同士が時間軸に対し重畳してしまうことを回避することができる。
【００４４】
（減衰光路７１）
減衰光路７１は、上述のように光カプラ４０の第３ポート４０ｃに接続されている。即ち、光パルスが第１ポート４０ａ、又は、第２ポート４０ｂに入力されたときに、減衰光路７１へ光パルスの一部が分岐され、キャビティ部６０において主光路３０に導入された測定対象物を通過しない光パルスが減衰光路７１を通過するようになっている。
尚、減衰光路７１を構成する光ファイバは、末端が斜めに加工されている。これにより、末端において反射する光パルスを軽減している。尚、減衰光路７１の末端処理はこれに限定されない。
【００４５】
（光減衰部７０）
光減衰部７０は、主に上記の減衰光路７１と光カプラ４０と光サーキュレータ１１で構成される。光減衰部７０は、キャビティ部６０により複数回に亘って繰り返して光強度検出部２０に入力される光パルスのみを光強度検出部２０に導くと共に、キャビティ部６０において主光路３０に導入された測定対象物を通過しない光パルスを減衰光路７１に導くようになっている。
具体的に、光出力部１０から出力された光パルスは、光サーキュレータ１１を介して、光カプラ４０に入力される。光カプラ４０に入力された光パルスは、減衰光路７１と、主光路３０とに分岐される。
従来、光カプラにおいてキャビティを構成したキャビティリングダウン分光装置は、キャビティ内で測定対象物を通過する光パルスと、キャビティ内の主光路に導入されず測定対象物を通過しない光パルスとの両方が検出されていた。本実施形態では、測定対象物を通過しない光パルスを光カプラ４０によって主光路３０とは別の減衰光路７１へ分岐させている。これにより、測定対象物を通過しない光パルスの少なくとも一部は光強度検出部２０へ到達しない。この結果、光出力部１０から出力された光パルスから測定対象物を通過しない光パルスの分が減衰され、光強度検出部２０へ到ることになる。そして、光カプラ４０において、主光路３０に分岐された光パルスは、キャビティ内の光カプラ４０を繰り返し通過し、通過ごとに光サーキュレータ１１によって光強度検出部２０へ入力される。
このように、キャビティ内の測定対象物を通過せず、測定対象物の吸光の対象とならない光パルスは、光減衰部７０へ分岐され、結果的に光強度検出部２０が検出する光パルスから減衰されるようになっている。これにより、測定に関与するものではなく、光強度検出部において飽和現象の要因となり得る光パルスを減衰させることができる。また、このように光サーキュレータ１１を用いることにより、光出力部１０への光パルスが入射されてしまうことを回避することができ、光出力部１０の光出力が不安定になるのを防止している。
【００４６】
（動作）
次に、キャビティリングダウン分光装置１の動作について具体的に説明する。尚、光カプラ４０が１０ｄＢ（対応ポートに９０％出力）である場合について、説明する。
先ず、光出力部１０から光パルスが出力されると、図５（ａ）に示すように、光サーキュレータ１１から入出力光路５１を介して光カプラ４０の第１ポート４０ａに入力される。光カプラ４０の第１ポート４０ａに入力された光パルスは、９０％が第３ポート４０ｃに分岐されて減衰光路７１に導入される。このように主光路３０内の測定対象物を通過しない光パルスは、光減衰部７０によって光強度検出部２０へ到る光路から分岐され、光強度検出部２０が検出する光パルスから減衰されることになる。一方、第１ポート４０ａに入力された光パルス（１０％）は、１０％が第４ポート４０ｄに分岐され、第２主光路３２（主光路３０）に導入されることになる。
【００４７】
図５（ｂ）に示すように、第２主光路３２に導入された光パルス（１０％）は、反射型セル６２で測定対象物を通過すると共に反射されて第４ポート４０ｄに入力される。第４ポート４０ｄに入力された光パルス（１０％）は、１０％が第１ポート４０ａに分岐され光サーキュレータ１１を介して光強度検出部２０にリングダウンパルスとして入力される。即ち、この光パルスは、キャビティ部６０に入力された光パルスの１０％×１０％の光強度となる。一方、第４ポート４０ｄに入力された光パルスは、９０％が第２ポート４０ｂに分岐され第１主光路３１に導入される。
【００４８】
図５（ｃ）に示すように、第１主光路３１に導入された光パルス（１０％×９０％）は、ファイバブラッググレーティング部６１で反射されて第２ポート４０ｂに入力される。第２ポート４０ｂに入力された光パルス（１０％×９０％）は、１０％が第３ポート４０ｃに分岐され減衰光路７１に導入される。一方、第２ポート４０ｂに入力された光パルス（１０％×９０％）は、９０％が第４ポート４０ｄに分岐される。第４ポート４０ｄに分岐された光パルス（１０％×９０％×９０％）は、第２主光路３２（主光路３０）に再度導入され、上記のような往復移動を繰り返す。
【００４９】
上記のような動作を繰り返すことにより、光強度検出部２０には、１０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×９０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×９０％×９０％×９０％×１０％の光パルス、・・・が連続的に入力され、次第に減衰する光パルス列（リングダウンパルス）が検出される。リングダウンパルスを構成するこれらの光パルス列は、すべて測定対象物を通過したものとなり、測定対象物による吸光の影響を受けることになる。尚、上記の値は、光カプラ４０による分岐比のみ考慮した理論値である。
【００５０】
実際には、光パルスは、主光路３０の反射型セル６２に封入された測定対象によって光吸収が行われるため、主光路３０を往復する毎に測定対象の吸収係数に応じた減衰が行われる。光強度検出部２０で検出したリングダウンパルスから、この吸収計数を算出することで測定対象の同定等を行うことができるようになっている。
【００５１】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係るキャビティリングダウン分光装置について、図面を参照しつつ説明する。尚、第１実施形態と同様の構成には、同じ名称を用い、その説明を省略することがある。
【００５２】
（キャビティリングダウン分光装置１０１の構成）
図６に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置１０１は、光パルスを出力する光出力部１１０と、光パルスの光強度を検出する光強度検出部１２０と、光出力部１１０に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路１３０と、該主光路１３０中の光分岐点としての光カプラ１４０から分岐され、光カプラ１４０を通過する光パルスを所定比率で光強度検出部１２０に出力する分岐光路１５０とを有し、光出力部１１０から主光路１３０に入力された光パルスが光カプラ１４０を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部１６０と、主光路１３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部としての音響光学変調部１７０と、を有する。
【００５３】
キャビティリングダウン分光装置１は、光ファイバにより光パルスの光路が形成されている。キャビティリングダウン分光装置１の光路としては、上述の主光路１３０及び分岐光路１５０の他、光出力部１１０と光カプラ１４０とを接続する入力光路１９１が設けられている。分岐光路１５０は、光カプラ１４０及び音響光学変調部１７０を接続する第１分岐光路１５１と、音響光学変調部１７０及び光強度検出部１２０を接続する第２分岐光路１５２とを有している。
【００５４】
（キャビティ部１６０）
キャビティ部１６０は、上述のように光分岐点が光カプラ１４０により形成されていると共に、主光路１３０が環状に形成されている。また、環状に形成された主光路１３０には、光路中に測定対象物を導入するための透過型セル１６３が配置されている。
【００５５】
（キャビティ部１６０：光カプラ１４０）
光カプラ１４０は第１実施形態と同様のものを用いており、第１ポート１４０ａと、第２ポート１４０ｂと、第３ポート１４０ｃと、第４ポート１４０ｄとを有している。
第１ポート１４０ａは、入力光路１９１を介して光出力部１１０に接続されている。第２ポート１４０ｂは、環状に形成された主光路１３０に接続されており、主光路１３０を循環する光パルスが入力される。第３ポート１４０ｃは、第１分岐光路１５１を介して、音響光学変調部１７０に接続されている。第４ポート１４０ｄは、環状に形成された主光路１３０に接続されており、主光路１３０へ光パルスが出力される。尚、図示しないが、主光路１３０は、２００ｍ程度の光ファイバが巻回されて形成されている。
【００５６】
（キャビティ部１６０：透過型セル１６３）
透過型セル１６３は、入力された光パルスが通過可能に測定対象物を主光路１３０に導入可能にされているとともに、入力された光パルスを入力方向と同じ方向へ出射する機能を有している。即ち、透過型セル１６３は、光カプラ１４０の第４ポート１４０ｄから出力された光パルスを測定対象物に通過させると共に、当該光パルスを第２ポート１４０ｂへ入力する。
具体的には、透過型セル１６３は、光ファイバからの光パルスが導入されるセル本体を有している。セル本体内において光ファイバと接続される両端部には夫々コリメータレンズが配置されており、何れか一端部に導入される光パルスを平行ビーム化した状態で反対側の他端部へ直進させるようになっている。一端部から導入されコリメータレンズにより平行ビーム化された光パルスは、他端部のコリメータレンズにより反対側の光ファイバに導入される。
また、セル本体にはスリットが形成されており、このスリットに嵌合する容器に封入された測定対象物をセル本体内の光パルスの経路上に導入可能にされている。これにより、セル本体内を移動する光パルスは、測定対象物を通過することができるようになっている。尚、測定対象物の導入態様は限定されず、例えばセル本体に測定対象物が直接封入されるものであってもよい。
尚、このような透過型セルに限定されず、例えば、測定対象物に差し込んで用いる光ファイバプローブであってもよい。光ファイバプローブを用いる場合は、第４ポート１４０ｄから出力された光パルスを光サーキュレータなどの光分岐デバイスを用いて光ファイバプローブに入力させ、光ファイバプローブから反射された光パルスを光分岐デバイスで第２ポート１４０ｂに入力させる。
このように、測定対象物を主光路中に位置させることによって、光パルスの強度に測定対象物の光吸収性質に応じた減衰が生じる。
【００５７】
（音響光学変調部１７０）
図７に示すように、音響光学変調部１７０は、音響光学変調素子（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）１７１と、制御部１７２とを有している。
音響光学変調素子１７１は、超音波駆動によって回折格子が機能する光デバイスである。具体的に、音響光学変調素子１７１は、音響光学媒質１７０ａと、トランスデューサ１７０ｂとを有している。音響光学媒質１７０ａは、二酸化テルル（ＴｅＯ２）やモリブデン酸鉛（ＰｂＭｏＯ４）などの単結晶及びガラス等からなり、超音波が媒質中に伝搬されることで屈折率の変調が周期的に生じ、格子間隔Λの回折格子を形成するようになっている。また、トランスデューサ１７０ｂは、電気信号が入力されることにより超音波が発生する圧電素子であり、伝搬した超音波に応じた屈折率の変調を音響光学媒質１７０ａに生じさせる。
これにより、トランスデューサ１７０ｂによって音響光学媒質１７０ａに超音波が伝搬されている間は、角度θＢで音響光学媒質１７０ａに入射された入射波は、角度θＢの回折波（１次回折波）として出射される（図７参照）。尚、回折波の振動数は、入射光の振動数νに、伝搬させた超音波に応じた振動数ｆｍを加算した値となる。
また、トランスデューサ１７０ｂによって音響光学媒質１７０ａに超音波が伝搬されていない間は、角度θＢで音響光学媒質１７０ａに入射された入射波は、角度θＢの透過波（０次回折波）として出射される（図７参照）。
このような、音響光学変調部１７０は、第２分岐光路１５２に、出射される透過波が導入されるように接続されている。また、音響光学変調部１７０から出射される回折波は光強度検出部１２０によって検出されないように光学系外へ除去される。
【００５８】
制御部１７２は、音響光学変調部１７０のトランスデューサ１７０ｂへの電気信号入力のオン／オフを制御する。具体的に、図８に示すように、音響光学変調部１７０には、キャビティ部１６０から第１分岐光路１５１を介して次第に減衰する光パルス列が入射光として入射される。ここで、入射光の光パルス列のうち時間的に最初の光パルス１０２は、キャビティ部１６０内の主光路１３０を通過したものではないため、透過型セル１６３の測定対象物の吸光の対象となっていない。
制御部１７２は、少なくともこのような光パルス１０２が音響光学媒質１７０ａを通過するタイミングで、トランスデューサ１７０ｂをオンに制御する。これにより、入射光の光パルス列のうち光パルス１０２を分岐光路１５０から除去することができる。
また、上記タイミングの他は、トランスデューサ１７０ｂをオフに制御する。これにより、入射光の光パルス列のうち光パルス１０２を除く光パルスについて、分岐光路１５０を通過させて光強度検出部１２０によって光強度を検出させることができる。
このように、音響光学変調部１７０は、主光路１３０の測定対象物を通過しない光パルスを減衰させる光減衰部として機能する。
尚、音響光学変調部１７０において、光パルス１０２のすべてを除去することに限定されず、少なくとも一部が減衰されればよい。例えば、音響光学変調素子１７１は、トランスデューサ１７０ｂがオンに制御された時に、７０％が回折され、３０％が透過されるようなものであってもよい。また、トランスデューサ１７０ｂがオンにされるタイミングは、光パルス１０２が通過するタイミングのうちの少なくとも一部が含まれていればよい。
また、光パルス１０２が音響光学媒質１７０ａを通過するタイミングでトランスデューサ１７０ｂがオフに制御されるものであってもよい。この場合、音響光学変調部１７０は、第２分岐光路１５２に、出射される回折波が導入されるように接続される。
【００５９】
（動作）
次に、キャビティリングダウン分光装置１０１の動作について具体的に説明する。尚、光カプラ１４０が１０ｄＢ（対応ポートに９０％出力）である場合について、説明する。
先ず、光出力部１１０から光パルスが出力されると、図９（ａ）に示すように、入力光路１９１を介して光カプラ１４０の第１ポート１４０ａに入力される。光カプラ１４０の第１ポート１４０ａに入力された光パルスは、９０％（光パルス１０２）が第３ポート１４０ｃに分岐され、オンに制御された音響光学変調部１７０によって回折光として除去される。この除去された光パルスは、従来のキャビティリングダウン分光装置ではリングダウンパルスの一部として検出されていた、測定に関与しない光パルスである。
一方、光カプラ１４０の第１ポート１４０ａに入力された光パルスは、１０％が第４ポート１４０ｄに分岐され、主光路１３０に導入され、透過型セル１６３を通過する。
【００６０】
そして、図９（ｂ）に示すように、透過型セル１６３を通過した光パルス（１０％）は、光カプラ１４０の第２ポート１４０ｂに入力される。第２ポート１４０ｂに入力された光パルス（１０％）は、１０％が第３ポート１４０ｃに分岐され、音響光学変調部１７０において透過光として第２分岐光路１５２に導入された後、光強度検出部１２０ににリングダウンパルスとして入力される。即ち、この光パルスは、キャビティ部１６０に入力された光パルスの１０％×１０％の光強度となる。
一方、第２ポート１４０ｂに入力された光パルス（１０％）は、９０％が第４ポート１４０ｄに分岐され主光路１３０に再度導入され、上記のような循環移動を繰り返す。
【００６１】
このような動作を繰り返すことにより、光強度検出部１２０には、１０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×９０％×１０％の光パルス、・・・が連続的に入力され、次第に減衰する光パルス列（リングダウンパルス）が検出される。リングダウンパルスを構成するこれらの光パルス列は、すべて測定対象物を通過したものとなり、測定対象物による吸光の影響を受けることになる。尚、上記の値は、光カプラ１４０による分岐比のみ考慮した理論値である。
【００６２】
実際には、光パルスは、主光路１３０の透過型セル１６３に封入された測定対象によって光吸収が行われるため、主光路１３０を往復する毎に測定対象の吸収係数に応じた減衰が行われる。光強度検出部１２０で検出したリングダウンパルスから、この吸収計数を算出することで測定対象の同定等を行うことができるようになっている。
【００６３】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るキャビティリングダウン分光装置について、図面を参照しつつ説明する。尚、上記実施形態と同様の構成には、同じ名称を用い、その説明を省略することがある。
【００６４】
（キャビティリングダウン分光装置２０１の構成）
図１０に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置２０１は、光パルスを出力する光出力部２１０と、光パルスの光強度を検出する光強度検出部２２０と、光出力部２１０に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路２３０と、該主光路２３０中の光分岐点としての第１光カプラ２４０から分岐され、第１光カプラ２４０を通過する光パルスを所定比率で光強度検出部２２０に出力する分岐光路２５０とを有し、光出力部２１０から主光路２３０に入力された光パルスが第１光カプラ２４０を繰り返して通過するように形成されたキャビティ部２６０と、主光路２３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部としての第２光カプラ２７０と、を有する。
【００６５】
キャビティリングダウン分光装置２０１は、光ファイバにより光パルスの光路が形成されている。キャビティリングダウン分光装置１の光路としては、上述の主光路２３０及び分岐光路２５０の他、光出力部２１０と第１光カプラ２４０とを接続する入力光路２９１と、減衰光路２７１とが設けられている。
【００６６】
（キャビティ部２６０）
キャビティ部２６０は、上述のように、光分岐点が第１光カプラ２４０により形成されていると共に、主光路２３０が環状に形成されている。光出力部２１０からの光パルスは、第２光カプラ２７０を介して主光路２３０に導入される。また、環状に形成された主光路２３０には、光路中に測定対象物を導入するための透過型セル２６３が配置されている。
【００６７】
（キャビティ部２６０：第１光カプラ２４０）
第１光カプラ２４０は第１実施形態の光カプラと同様のものを用いており、第１ポート２４０ａと、第２ポート２４０ｂと、第３ポート２４０ｃと、第４ポート２４０ｄとを有している。
第１ポート２４０ａは、本実施形態では用いない。即ち、第１光カプラ２４０には、３ポート（１入力、２出力）の光カプラを用いてもよい。第２ポート２４０ｂは、環状に形成された主光路２３０に接続されており、主光路２３０を循環する光パルスが入力される。第３ポートは、分岐光路２５０を介して、光強度検出部２２０に接続されている。第４ポート２４０ｄは、環状に形成された主光路２３０に接続されており、主光路２３０へ光パルスが出力される。
【００６８】
（キャビティ部２６０：第２光カプラ２７０）
第２光カプラ２７０は第１実施形態の光カプラと同様のものを用いており、第１ポート２７０ａと、第２ポート２７０ｂと、第３ポート２７０ｃと、第４ポート２７０ｄとを有している。
第１ポート２７０ａは、入力光路２９１を介して光出力部２１０に接続されている。第２ポート２４０ｂは、環状に形成された主光路２３０に接続されており、主光路２３０を循環する光パルスが入力される。第３ポートは、減衰光路２７１に接続されている。第４ポート２７０ｄは、環状に形成された主光路２３０に接続されており、主光路２３０へ光パルスが出力される。尚、図示しないが、主光路２３０は、２００ｍ程度の光ファイバが巻回されて形成されている。
【００６９】
このように、第２光カプラ２７０は、光パルスについて光分岐点を繰り返し通過させる機能を有するキャビティ部２６０の一部を構成すると共に、主光路２３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させる光減衰部としての機能を有している。換言すれば、光減衰部としての第２光カプラは、第１光カプラ２４０及び光出力部２１０間の主光路２３０中に配置され、光パルスの一部（測定に関与しない光パルス）を分岐する。
【００７０】
（キャビティ部２６０：透過型セル２６３）
透過型セル２６３は、入力された光パルスが透過可能に測定対象物を主光路２３０に導入可能にされているとともに、入力された光パルスを出力する機能を有している。即ち、透過型セル２６３は、第２光カプラ２７０の第４ポート２７０ｄから出力された光パルスを測定対象物に通過させると共に、当該光パルスを第２ポート２４０ｂへ入力する。
具体的には、透過型セル２６３は、光ファイバからの光パルスが導入されるセル本体を有している。セル本体内において光ファイバと接続される両端部には夫々コリメータレンズが配置されており、何れか一端部に導入される光パルスを平行ビーム化した状態で反対側の他端部へ直進させるようになっている。一端部から導入されコリメータレンズにより平行ビーム化された光パルスは、他端部のコリメータレンズにより反対側の光ファイバに導入される。
また、セル本体にはスリットが形成されており、このスリットに嵌合する容器に封入された測定対象物をセル本体内の光パルスの経路上に導入可能にされている。これにより、セル本体内を移動する光パルスは、測定対象物を通過することができるようになっている。尚、測定対象物の導入態様は限定されず、例えばセル本体に測定対象物が直接封入されるものであってもよい。
尚、このような透過型セルに限定されず、例えば、測定対象物に差し込んで用いる光ファイバプローブであってもよい。光ファイバプローブを用いる場合は、第２光カプラ２７０の第４ポート２７０ｄから出力された光パルスを光サーキュレータなどの光分岐デバイスを用いて光ファイバプローブに入力させ、光ファイバプローブから反射された光パルスを光分岐デバイスで第２ポート２４０ｂに入力させる。
このように、測定対象物を主光路中に位置させることによって、光パルスの強度に測定対象物の光吸収性質に応じた減衰が生じる。
【００７１】
（動作）
次に、キャビティリングダウン分光装置２０１の動作について具体的に説明する。尚、第１光カプラ２４０及び第２光カプラ２７０が１０ｄＢ（対応ポートに９０％出力）である場合について、説明する。
先ず、光出力部２１０から光パルスが出力されると、図１１（ａ）に示すように、入力光路２９１を介して第２光カプラ２７０の第１ポート２７０ａに入力される。第２光カプラ２７０の第１ポート２７０ａに入力された光パルスは、９０％（光パルス１０２）が第３ポート２７０ｃに分岐され、減衰光路２７１に導入される。この除去された光パルスは、従来のキャビティリングダウン分光装置ではリングダウンパルスの一部として検出されていた、測定に関与しない光パルスである。このように、測定対象物の吸光の対象となっていない光パルスを除去することができる。
一方、第２光カプラ２７０の第１ポート２７０ａに入力された光パルスは、１０％が第４ポート２７０ｄに分岐され、主光路２３０に導入され、透過型セル２６３を通過する。
【００７２】
そして、図１１（ｂ）に示すように、透過型セル２６３を通過した光パルス（１０％）は、第１光カプラ２４０の第２ポート２４０ｂに入力される。第２ポート２４０ｂに入力された光パルス（１０％）は、１０％が第３ポート２４０ｃに分岐され、分岐光路２５０を介して光強度検出部２２０ににリングダウンパルスとして入力される。即ち、この光パルスは、キャビティ部２６０に入力された光パルスの１０％×１０％の光強度となる。
一方、第２ポート２４０ｂに入力された光パルス（１０％）は、９０％が第４ポート２４０ｄに分岐され主光路２３０に再度導入される。
【００７３】
そして、図１１（ｃ）に示すように、主光路２３０に再度導入された光パルス（１０％×１０％）は、第２光カプラ２７０の第２ポート２７０ｂに入力される。第２ポート２７０ｂに入力された光パルス（１０％×１０％）は、１０％が第３ポート２７０ｃに分岐され、減衰光路２７１によってキャビティ部２６０から除去される。
一方、第２ポート２７０ｂに入力された光パルス（１０％×１０％）は、９０％が第４ポート２７０ｄに分岐され主光路２３０に再度導入され、上記のような循環移動を繰り返す。
【００７４】
上記のような動作を繰り返すことにより、光強度検出部２２０には、１０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×９０％×１０％の光パルス、１０％×９０％×９０％×９０％×９０％×１０％の光パルス、・・・が連続的に入力され、次第に減衰する光パルス列（リングダウンパルス）が検出される。リングダウンパルスを構成するこれらの光パルス列は、すべて測定対象物を通過したものとなり、測定対象物による吸光の影響を受けることになる。尚、上記の値は、第１光カプラ２４０及び第２光カプラ２７０による分岐比のみ考慮した理論値である。
【００７５】
実際には、光パルスは、主光路２３０の透過型セル２６３に封入された測定対象によって光吸収が行われるため、主光路２３０を往復する毎に測定対象の吸収係数に応じた減衰が行われる。光強度検出部２２０で検出したリングダウンパルスから、この吸収計数を算出することで測定対象の同定等を行うことができるようになっている。
【００７６】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るキャビティリングダウン分光装置について、図面を参照しつつ説明する。尚、上記実施形態と同様の構成には、同じ名称を用い、その説明を省略することがある。
【００７７】
（キャビティリングダウン分光装置３０１の構成）
図１４に示すように、本実施形態のキャビティリングダウン分光装置３０１は、光パルスを出力する光出力部３１０と、光パルスの光強度を検出する光強度検出部３２０と、キャビティ部３６０と、光減衰部３７０とを有している。
【００７８】
（キャビティ部３６０）
キャビティ部３６０は、光出力部３１０に接続され光路中に測定対象物を導入可能にされた主光路３３０と、該主光路３３０中の光分岐点としてのファイバブラッググレーティング部３３１から分岐され、当該ファイバブラッググレーティング部３３１を通過する光パルスを所定比率で光強度検出部３２０に出力する出力光路３５２（分岐光路３５０）とを有している。
また、キャビティ部３６０は、主光路３３０の光路長を長尺化するための遅延部３３０ａと、光出力部３１０からの光パルスをファイバブラッググレーティング部３３１へ導くと共に、ファイバブラッググレーティング部３３１からの光パルスを光強度検出部３２０へ導く光サーキュレータ３１１と、光サーキュレータ３１１とファイバブラッググレーティング部３３１とを接続する入出力光路３５１と、を有している。
【００７９】
また、キャビティ部３６０は、光反射部として反射型セル３６２を有している。ファイバブラッググレーティング部３３１と反射型セル３６２とは、主光路３３０の両端を構成している。これにより、主光路３３０に導入された光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１と反射型セル３６２との間を往復する。換言すれば、光分岐点であるファイバブラッググレーティング部３３１と反射型セル３６２との間に、光パルスが繰り返し往復する主光路３３０が形成されている。
従って、主光路３３０を往復する光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１を通過する毎に、出力光路３５２へ分岐された光パルスの分だけ光強度が減衰されるようになっている。また、主光路３３０を往復する光パルスは、反射型セル３６２を通過する毎に、反射型セル３６２に配置される測定対象物の光吸収性質に応じた減衰が生じるようになっている。
【００８０】
光減衰部３７０は、主光路３３０に導入された測定対象物を非通過の光パルスを減衰させるように構成されている。具体的に、光減衰部３７０は、ファイバブラッググレーティング部３３１と光強度検出部３２０との間に配置され所定の偏光角の光パルスを通過させる偏光子３７３と、光出力部３１０から出力される光パルスを所定の偏光角とは異なる角度に偏光させる第１の偏波コントローラ３７１と、主光路３３０に入力された光パルスを所定の偏光角に偏光させる第２の偏波コントローラ３７２と、を有している。
【００８１】
尚、『光パルスを偏光させる』とは、光パルスを、進行方向に対して垂直な特定方向に振動するような直線偏光に制御することを意味する。従って、『所定の偏光角の光パルス』とは、所定の偏光角の方向へ振動しながら進行する光パルスを意味する。
また、『所定の偏光角とは異なる角度に偏光させる』とは、光パルスが偏光子３７３に到達した際に、偏光子３７３が通過させる「所定の偏光角」と異なっているように、第１の偏波コントローラ３７１において光パルスの偏光角（振動方向）が制御されることを意味する。また、「所定の偏光角とは異なる角度」は、「所定の偏光角」と直角をなす角度であることが好ましい。
また、『所定の偏光角に偏光させる』とは、光パルスが偏光子３７３に到達した際に、偏光子３７３が通過させる「所定の偏光角」と同じ偏光角の光パルスとなっているように、第２の偏波コントローラ３７２において光パルスの偏光角が制御されることを意味する。
【００８２】
第１の偏波コントローラ３７１、及び、第２の偏波コントローラ３７２に用いるファイバ偏波コントローラや偏光子３７３に用いる偏光子は特に限定されない。例えば、ファイバ偏波コントローラは、バルク型、パドル型、インライン型等の何れであってもよい。
【００８３】
キャビティリングダウン分光装置３０１の光路としては、上述の主光路３３０、出力光路３５２、及び、入出力光路３５１の他に、光出力部３１０及び光サーキュレータ３１１を接続する入力光路３９１を有している。これらの光路は、偏波保持光ファイバで形成されることが好ましい。これにより、第１の偏波コントローラ３７１、及び、第２の偏波コントローラ３７２によって偏光された光パルスの偏光角がずれることを防止することができる。尚、光路が偏波保持光ファイバによって形成されることに限定されない。例えば、光パルスが通過する上記光路の少なくとも一部が偏波保持光ファイバで形成されていてもよい。
【００８４】
（動作）
次に、キャビティリングダウン分光装置２０１の動作について具体的に説明する。尚、ファイバブラッググレーティング部３３１が２０ｄＢ（９９％）の反射率である場合について説明する。また、以下において、括弧内に記載する割合は、光出力部３１０によって出力された光パルスに対する光強度の割合である。
【００８５】
先ず、光パルスは、光出力部３１０から入力光路３９１に出力される。入力光路３９１において、光パルスは、第１の偏波コントローラ３７１によって偏光角が制御される。本実施形態では、図１５に示すように、第１の偏波コントローラ３７１によって、光パルスが、偏波保持光ファイバのＸ軸方向に振動する偏光に制御されるようになっている。この偏光角は、偏光子３７３が通過を許容する偏光角とは異なる角度（本実施形態では、偏光子３７３が通過を許容する偏光角と直角）に設定される。
【００８６】
そして、光パルスは、入力光路３９１から光サーキュレータ３１１へ入力される。入力光路３９１から光サーキュレータ３１１に入力された光パルスは、入出力光路３５１に出力され、ファイバブラッググレーティング部３３１に到達する。
【００８７】
ファイバブラッググレーティング部３３１に到達した光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１によって反射される光パルス（９９％）と、ファイバブラッググレーティング部３３１を透過して主光路３３０に入力される光パルス（１％）と、に分岐される。
【００８８】
ファイバブラッググレーティング部３３１によって反射される光パルスは、入出力光路３５１を通過して光サーキュレータ３１１へ入力される。入出力光路３５１から光サーキュレータ３１１へ入力された光パルスは、出力光路３５２に出力され、偏光子３７３に到達する。上述のように、偏光子３７３は、偏波保持光ファイバのＹ軸方向成分のみ（所定の偏光角）を通過させる。ファイバブラッググレーティング部３３１によって反射される光パルスは、第１の偏波コントローラ３７１によって、偏波保持光ファイバのＸ軸方向に振動するように制御されたものであるため偏光子３７３を通過されない。即ち、ファイバブラッググレーティング部３３１によって最初に反射される光パルスは、光強度検出部３２０によって検出されないことになる。
【００８９】
一方、ファイバブラッググレーティング部３３１を透過して主光路３３０に入力された光パルスは、第２の偏波コントローラ３７２によって偏光角が制御される。本実施形態では、図１６に示すように、第２の偏波コントローラ３７２によって、光パルスが、偏波保持光ファイバのＹ軸方向に振動する偏光に制御されるようになっている。この偏光角は、偏光子３７３が通過を許容する偏光角と同じに設定される。
【００９０】
そして、光パルスは、光強度検出部３２０において光パルス列を検出するため、遅延部３３０ａを通過し、反射型セル３６２に到達する。光パルスは、反射型セル３６２において、測定対象物を通過すると共に反対方向へ反射される。これにより、光パルスに測定対象物に応じた減衰を生じさせることができる。
【００９１】
反射型セル３６２により反射された光パルスは、遅延部３３０ａを通過し、再度第２の偏波コントローラ３７２によって所定の偏光角に制御される。このように、第２の偏波コントローラ３７２を通過するごとに所定の偏光角が制御されるため、主光路３３０の往復回数によらず、光強度検出部３２０へ向かう光パルスは所定の偏光角に維持される。
【００９２】
第２の偏波コントローラ３７２を通過した光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１に到達する。図１６に示すように、ファイバブラッググレーティング部３３１に到達した光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１によって反射される光パルス（１％×９９％）と、ファイバブラッググレーティング部３３１を透過して入出力光路３５１に入力される光パルス（１％×１％）と、に分岐される。
【００９３】
ファイバブラッググレーティング部３３１を透過して入出力光路３５１に入力される光パルスは、ファイバブラッググレーティング部３３１に入力されて出力光路３５２へ出力され、偏光子３７３に到達する。この光パルスは、第２の偏波コントローラ３７２によってＹ軸方向に振動するように制御されたものであるため、偏光子３７３を通過することができる。
【００９４】
この光パルスの光強度は、光出力部３１０が出力した光パルスの強度の１％である。また、偏光子３７３によって通過が遮られた光パルスは、光出力部３１０が出力した光パルスの強度の９９％である。このように、測定対象物を通過しない光パルスを減衰させることができるため、測定に関与しない光パルスを受光することに起因する飽和現象を起こり難くすることができる。これにより、パルス列（リングダウンパルス）のＳ／Ｎ比が改善され、検出対象の検出精度を向上させることができる。尚、上記の値は、ファイバブラッググレーティング部３３１による分岐比のみ考慮した理論値である。
【００９５】
一方、ファイバブラッググレーティング部３３１によって反射される光パルスは、上記と同様に、ファイバブラッググレーティング部３３１において一部が透過されながら主光路３３０を往復する。これにより、次第に減衰する光パルス列（リングダウンパルス）が光強度検出部３２０において検出されることになる。
【００９６】
このように、光強度検出部３２０において検出されるこれらの光パルス列は、すべて測定対象物を通過したものとなり、測定対象物による吸光の影響を受けることになる。即ち、主光路３３０を往復する光パルスは、主光路３３０の反射型セル３６２に封入された測定対象物によって光吸収が行われるため、主光路３３０を往復する毎に測定対象の吸収係数に応じた減衰が行われる。光強度検出部３２０で検出したリングダウンパルスから、この吸収計数を算出することで測定対象物の同定等を行うことができるようになっている。
【００９７】
以上の詳細な説明では、本発明をより容易に理解できるように、特徴的部分を中心に説明したが、本発明は、以上の詳細な説明に記載する実施形態に限定されず、その他の実施形態にも適用することができ、その適用範囲は可能な限り広く解釈されるべきである。また、本明細書において用いた用語及び語法は、本発明を的確に説明するために用いたものであり、本発明の解釈を制限するために用いたものではない。また、当業者であれば、本明細書に記載された発明の概念から、本発明の概念に含まれる他の構成、システム、方法等を推考することは容易であると思われる。従って、請求の範囲の記載は、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で均等な構成を含むものであるとみなされるべきである。また、本発明の目的及び本発明の効果を充分に理解するために、すでに開示されている文献等を充分に参酌することが望まれる。
【実施例】
【００９８】
第１実施形態のキャビティリングダウン分光装置１において、リングダウンパルスの光強度を測定した。
【００９９】
（実施例・比較例）
図１に示す構成を、下記の部材を用いて組み上げ、実施例として用いた。
光出力部１０として、半導体レーザー（ＦＩＴＥＬ製、ＦＲＬ１５０ＣＷＡ−Ａ８１−１９０８０）を用いた。
光強度検出部２０の受光器として、アバランシェ・フォトダイオード（浜松ホトニクス製）を用いた。
光強度検出部２０のオシロスコープとしてＹＯＫＯＧＡＷＡ製  ＤＬＭ２０５４を用いた。
光サーキュレータ１１として、ＦＤＫ製  ＹＣ−１１００−ＺＪ１−１５５を用いた。
光カプラとして、１５５０ｎｍの波長で２０ｄＢの分岐比を持つ光カプラ（タツタ電線製）を用いた。
ファイバブラッググレーティング部６１として、１５５０ｎｍの波長で２０ｄＢの反射率を持つもの（タツタ電線製）を用いた。
【０１００】
そして、半導体レーザーでパルス信号を作り、光強度検出部２０で検出されるリングダウンパルスの波形の状態を測定した。この測定結果を図１２に示す。
【０１０１】
また、図１の構成の減衰光路７１の出力先に受光器（アバランシェ・フォトダイオード（浜松ホトニクス製））を接続した構成を、比較例として用いた（図示せず）。比較例においては、減衰光路７１へ分岐される光パルスの波形の状態を測定した。即ち、測定対象物を通過していない光パルスも合わせて波形の状態を測定した。この測定結果を図１３に示す。
【０１０２】
（実施例・比較例の測定結果の検討）
図１２に示すように、光強度検出部２０で検出されるリングダウンパルスの波形の測定結果によると、測定対象物を通過していない光パルスが検出されているが減衰された状態となっている。これは、減衰光路７１に分岐された光パルスが末端にて反射されたものを検出していると思われる。しかしながら、この光パルスは減衰されているため飽和現象が起きておらず、以降の測定対象物を通過したリングダウンパルスのＳ／Ｎ比が改善されている。これにより、検出対象の検出精度を向上させることができることがわかる。
また、図１３に示すように、減衰光路７１へ分岐される光パルスの波形の測定結果によると、最初に減衰光路７１へ分岐された光パルス（測定対象物を通過していない光パルス）によって受光器が飽和現象が発生していることがわかる。即ち、測定対象物を通過しない光パルスが、減衰光路７１へ分岐されて減衰されることにより、光強度検出部２０における飽和現象を防止していることがわかる。
【符号の説明】
【０１０３】
１・１０１・２０１・３０１  キャビティリングダウン分光装置
１０・１１０・２１０・３１０  光出力部
１１・３１１  光サーキュレータ
２０・１２０・２２０・３２０  光強度検出部
３０・１３０・２３０・３３０  主光路
３１  第１主光路
３２  第２主光路
３２ａ  遅延部
４０・１４０・２４０  光カプラ
５０・１５０・２５０・３５０  分岐光路
５１・３５１  入出力光路
５２・３５２  出力光路
６０・１６０・２６０・３６０  キャビティ部
６１  ファイバブラッググレーティング部
６２  反射型セル
７０  光減衰部
７１  減衰光路
９１・１９１・２９１・３９１  入力光路
１０２  光パルス
１５１  第１分岐光路
１５２  第２分岐光路
１６３・２６３  透過型セル
１７０  音響光学変調部
２４０  第１光カプラ
２７０  第２光カプラ
３３０ａ  遅延部
３３１  ファイバブラッググレーティング部
３６２  反射型セル
３７０  光強度減衰部
３７１  第１の偏波コントローラ
３７２  第２の偏波コントローラ
３７３  偏光子
【図１】
2014055929.tif 000003
【図２】
2014055929.tif 000004
【図３】
2014055929.tif 000005
【図４】
2014055929.tif 000006
【図５】
2014055929.tif 000007
【図６】
2014055929.tif 000008
【図７】
2014055929.tif 000009
【図８】
2014055929.tif 000010
【図９】
2014055929.tif 000011
【図１０】
2014055929.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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