(57)【要約】  本発明の赤外光スペクトル計測装置１は、被測定赤外光パルスＬIRと参照光パルスＬｒとが混合入射されて被測定赤外光パルスＬIRを非線形光学効果で可視光パルスＬｖにアップコンバージョンする気体媒質１３と、気体媒質１３でアップコンバージョンされた可視光パルスＬｖを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光装置１４と、を有し、広帯域の赤外光スペクトルを計測できることを特徴とする。
2014125775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定赤外光パルスと参照光パルスとが混合入射されて該被測定赤外光パルスを非線形光学効果で可視光パルスにアップコンバージョンする気体媒質と、
前記気体媒質でアップコンバージョンされた前記可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光装置と、
を有し、広帯域の赤外光スペクトルを計測することを特徴とする赤外光スペクトル計測装置。
【請求項２】
前記分光装置で取得された前記可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴルリズムで演算して前記被測定赤外光パルススペクトルを得る回復演算手段を有する請求項１に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項３】
前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとを合波する合波器を備える請求項１又は２に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項４】
前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとを前記気体媒質に集光する集光光学系を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項５】
前記被測定赤外光パルスはコヒーレント光パルスである請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項６】
前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスである請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項７】
前記参照光パルスはチャープ光パルス或いは単一波長のピコ秒パルスである請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項８】
前記非線形光学効果は、３次非線形光学効果である請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項９】
前記気体媒質はキセノンガスである請求項１〜８のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項１０】
被測定赤外光パルスと参照光パルスとを気体媒質中に混合入射させて該気体媒質の非線形光学効果で該被測定赤外光パルスを可視光パルスに変換するアップコンバージョンステップと、
前記アップコンバージョンステップで変換された可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光ステップと、
を有し、広帯域の赤外光スペクトルを計測することを特徴とする赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１１】
前記分光ステップで取得した可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴリズムを使って前記被測定赤外光パルスのスペクトルを回復させるスペクトル回復ステップを有する請求項１０に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１２】
前記被測定赤外光パルスはコヒーレント光パルスである請求項１０又は１１に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１３】
前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスである請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１４】
前記参照光パルスはチャープ光パルス或いは単一波長のピコ秒パルスである請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１５】
前記参照光パルスがチャープ光パルスである場合、そのチャープ量（周波数の時間変化）を測定しておく、請求項１４に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１６】
前記非線形光学効果は、３次非線形光学効果である請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１７】
前記気体媒質はキセノンガスである請求項１０〜１６のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外光スペクトル計測装置と方法に関し、詳しくは、高帯域の赤外光スペクトルを高速、高感度に計測する装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子の吸収波長は赤外領域にある。赤外領域は多くの分子振動に共鳴（例えば、タンパク質のＣＯ伸縮振動の共鳴波数は１６５０ｃｍ−１、脂質のＣＨ伸縮振動の共鳴波数は、２９００ｃｍ−１、水のＯＨ伸縮振動の共鳴波数は、３４００ｃｍ−１である）する。したがって、赤外光を物質（気体、液体、固体）に照射して反射光或いは透過光のスペクトルを測定することにより、その物質の組成や構造が非破壊、無染色で明らかにされる。【０００３】
これまで、赤外光スペクトルの計測はフーリエ変換型赤外分光（FT-IR）測定装置（例えば、非特許文献１参照）で行われていた。しかし、赤外光は光子エネルギが小さく、検出器（例えば、HgCdTe半導体検出器）が熱雑音の影響を大きく受けるため、FT-IR測定装置の検出感度や測定精度が低かった。また、FT-IR測定装置では、ミラーを精密に掃引する必要があり、赤外光スペクトルを高速に計測することが難しかった。【０００４】
可視光はエネルギが大きく、可視域では検出器（例えば、光電子増倍管）のＳＮ比が高い。そこで、最近、赤外光を可視光に変換して可視光検出器で計測する可視光変換計測技術が開発された（例えば、非特許文献２参照）。【０００５】
この可視光変換計測技術では、次のようにして被測定赤外光パルススペクトルが得られる。先ず、被測定赤外光パルスと参照光パルスが非線形光学結晶に混合入射され、被測定赤外光パルスが可視光パルスに変換される。変換された可視光パルスが可視光検出器で検出される。検出された可視光パルススペクトルデータが回復アルゴリズムで演算され、被測定赤外光パルススペクトルが得られる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】末高治編、「FT-IRの基礎と実際」、第２版、東京化学同人、１９９４年
【非特許文献２】C.R. Baiz and K. J. Kubarych, “Ultrabroadband detection of a  mid-IRconversion,” Opt. Lett. Vol. 36, p187-189, (2011)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記した従来の可視光変換計測技術では、被測定赤外光パルスが固体結晶の非線形光学特性を使って可視光パルスに変換される。この技術は巨視的には媒質の電場に対する非線形応答、すなわち
ＰNL＝χ（２）;ＥＥ＋χ（３）;ＥＥＥ＋・・・                    （１）
に基づく（稲場文男、編集、「レーザーハンドブック」、朝倉書店、１９８２年５月１日刊行、４０５〜４２６頁参照）。ここで、ＰNLは非線形分極、Ｅは電場、χ（２）は２次の非線形感受率、χ（３）は３次の非線形感受率である。【０００８】
この技術は次のような物理現象を利用している。すなわち、誘電体媒質に電磁波が入射されると、分極が起こり電気双極子が形成される。電磁波の電場は正弦波振動しているので、形成された双極子も振動して電磁波を放出する。【０００９】
誘電体媒質が固体結晶の場合、非線形感受率が大きいので、赤外光が可視光に変換されやすいが、固体結晶は透過波長範囲が狭く、計測されるスペクトルのバンド幅が約６００ｃｍ−１（赤外域のスペクトル幅は４．６−５．６μｍ）と狭い。そのため、従来の可視光変換計測技術では、様々な分子振動による共鳴を広く捕えることができなかった。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、広帯域の赤外光スペクトルを計測できる計測装置及び方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
はじめに、本発明がなされた経緯を説明する。気体媒質は、密度が低いために光との相互作用が弱く、例えば、空気のχ（３）はＭｇＯ結晶の１０万分の１と小さい。そのため、発明者等は、気体で波長変換を行うことは難しいと考え、固体結晶を使って波長変換実験を行った。しかし、発明者等が偶然にも実験系から固体結晶を外しても信号が出ていることに気が付いたことから、本発明が創出された。なお、この固体結晶を外しても信号が出ることは、発明者らの実験条件が偶々空気でも非線形光学効果を起こすほど入射光強度が高かったことによる。すなわち、偶然が２回重なって、本発明は創出されたことになる。【００１１】
上記の課題を解決するためになされた本発明の赤外光スペクトル計測装置は、被測定赤外光パルスと参照光パルスとが混合入射されて該被測定赤外光パルスを非線形光学効果で可視光パルスにアップコンバージョンする気体媒質と、前記気体媒質でアップコンバージョンされた前記可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光装置と、を有する。【００１２】
気体媒質による光の吸収は、固体媒質による光の吸収より少なく、気体媒質の透過波長帯域は固体媒質の透過波長帯域より広い。非線形光学効果で赤外光パルスから可視光パルスにアップコンバージョンする媒質に、透過波長帯域の広い気体媒質が用いられるので、広帯域の赤外光スペクトルが計測され得る。【００１３】
上記の赤外光スペクトル計測装置は、前記分光装置で取得された前記可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴルリズムで演算して前記被測定赤外光パルススペクトルを得る回復演算手段を有してもよい。【００１４】
また、前記赤外光スペクトル計測装置は、前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとを合波する合波器を備えてもよい。これにより、被測定赤外光パルスから可視光パルスにアップコンバージョンする効率が向上する。【００１５】
また、前記赤外光スペクトル計測装置は、前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとを前記気体媒質に集光する集光光学系を備えるとよい。集光することにより集光領域の光強度が高くなり、気体媒質の高次の非線形光学効果が容易に誘起され得る。【００１６】
また、前記被測定赤外光パルスがコヒーレント光パルスであるとよい。これにより、被測定赤外光パルスが小さいスポット径に集光されるので、気体媒質が高次非線形光学媒質になる。【００１７】
また、前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスであるとよい。波長範囲が２−２０μｍの赤外光スペクトルが計測されるので、様々な分子振動による共鳴が広く捕えられ得る。【００１８】
また、前記参照光パルスはチャープ光パルスであるか、或いは単一波長のピコ秒パルスであるとよい。これにより、高い周波数分解能でスペクトルが測定され得る。前記参照光パルスがチャープ光パルスである場合、チャープ量（周波数の時間変化）の精密な測定により被測定赤外光スペクトルが一層高い分解能で再現され得る。【００１９】
また、前記非線形光学効果は、３次非線形光学効果であるとよい。これにより、反転対称性のある気体を波長変換媒質として使用しても、被測定赤外光パルスが可視光パルスに変換され得る。【００２０】
また、前記気体媒質はキセノンガスであるとよい。キセノンガスは非線形係数の大きい気体であり、被測定赤外光パルスが高い効率でアップコンバージョンされ得る。【００２１】
上記の課題を解決するためになされた本発明の赤外光スペクトル計測方法は、被測定赤外光パルスと参照光パルスとを気体媒質中に混合入射させて該気体媒質の非線形光学効果で該被測定赤外光パルスを可視光パルスに変換するアップコンバージョンステップと、前記アップコンバージョンステップで変換された可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光ステップと、を有する。【００２２】
上記の赤外光スペクトル計測方法は、前記分光ステップで取得した可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴリズムを使って前記被測定赤外光パルスのスペクトルを回復させるスペクトル回復ステップを有してもよい。
また、前記赤外光スペクトル計測方法において、前記被測定赤外光パルスはコヒーレント光パルスであるとよい。
また、前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスであるとよい。
また、前記参照光パルスはチャープ光パルスであるか、或いは単一波長のピコ秒パルスであるとよい。
また、前記参照光パルスがチャープ光パルスである場合、そのチャープ量（周波数の時間変化）を測定しておくとよい。
また、前記非線形光学効果は、３次非線形光学効果であるとよい。
また、前記気体媒質はキセノンガスであるとよい。
【発明の効果】
【００２３】
非線形光学効果で被測定赤外光パルスを可視光パルスにアップコンバージョンする媒質に透過波長範囲の広い気体媒質を用いているので、広帯域の赤外光スペクトルが計測され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る赤外光スペクトル計測装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る赤外光スペクトル計測装置の回復演算手段における演算動作を説明するフローチャートである。
【図３】超広帯域コヒーレント光発生装置の構成図である。
【図４】図３の超広帯域コヒーレント光発生装置で発生させた赤外光パルスのスペクトルである。
【図５】実施例で計測したスペクトルである。
【発明を実施する形態】
【００２５】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施する形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る赤外光スペクトル計測装置の構成図である。赤外光スペクトル計測装置１は、合波器１１、集光光学系１２、気体媒質１３、可視分光装置１４及び回復演算手段１５を備えている。なお、これら構成要素のうち、合波器１１と集光光学系１２とは省かれ得る。
【００２６】
被測定赤外光パルスＬIRと参照光パルスＬrを合波する合波器１１には、穴あきミラー、２色ミラー、偏光ビームスプリッタ等が用いられ得る。集光光学系１２には、レンズ、放物面鏡等が用いられ得る。
【００２７】
気体媒質１３は、可視〜赤外域で透明な気体が好ましい。気体媒質１３は空気でもよいが、空気には４μｍと８μｍ付近にＣＯ２分子による強い吸収があるので、空気よりは吸収の少ない不活性ガス（アルゴン、キセノン、ネオン等）が好ましい。不活性ガスの中でもキセノンガスが特に好ましい。
【００２８】
ボンベ（不図示）から集光光学系１２による集光領域Ｓに、気体媒質を噴き出すようにしてもよいが、それでは、気体媒質が空気中に拡散してしまうので気体媒質１３の濃度を高く保つことができない。本実施形態では、集光光学系１２で集光される光が通過する孔のあいた筒にボンベからの気体媒質が注入される。
【００２９】
１６は、バンドパスフィルターであり、気体媒質１３の非線形光学効果で被測定赤外光パルスＬIRからアップコンバージョンされた可視光パルスＬvのみを透過する。
１７は、可視光パルスＬvをコリメートするレンズである。
分光装置１４は、可視域の分光装置で、プリズム或いは回折格子と回折光の空間分布を光電変換するＣＣＤ（或いはフォトダイオードアレイ）を備えている。
【００３０】
回復演算手段１５は、コンピュータであり、図２に示す演算動作を行う。すなわち、ステップＳ１１では、気体媒質１３でアップコンバージョンされた可視光パルスＬvが分光装置１４でデータ化され、この分光スペクトルデータが回復演算手段１５により取得される。続くステップＳ１２では、ステップＳ１１で取得された分光スペクトル（波長）データが分光スペクトル（周波数）データに変換される。
【００３１】
ステップＳ１３で、分光スペクトル（周波数）データが逆フーリエ変換される。ステップＳ１４では、参照光パルスＬｒの時間領域での位相をΦ（ｔ）としたとき、逆フーリエ変換されたスペクトルデータにおいて、時間領域でｔ＞０の部分からは位相Φ（ｔ）を、ｔ＜０の部分からは位相−Φ（−ｔ）を差し引く位相補正が行われる。位相補正されたスペクトルデータは、ステップＳ１５でフーリエ変換され、被測定赤外光パルススペクトルとなる。
【００３２】
赤外光パルス発生手段１０から発生された被測定赤外光パルスＬIRを点線で示す試料１００に照射することで、試料１００の赤外吸収スペクトルが可視域の分光装置で高速に測定され得る。
【００３３】
気体媒質１３の非線形光学効果は、気体媒質に注入される光の強度（単位面積当たりのパワー、すなわちＷ／ｃｍ２）に依存し、強度が大きくなるにつれて気体媒質１３には高次の非線形光学効果が誘起される。
【００３４】
気体媒質１３に入射するＬｒ、ＬIRがパルス光の場合、Ｌｒ、ＬIRのパワーはパルス幅が短い程高くなるので、Ｌｒ、ＬIRのパルス幅は短い方がよい。パルス幅はフェムト秒〜ピコ秒が望ましい。
【００３５】
気体媒質１３に注入される光の強度は、Ｌｒ、ＬIRが集光光学系１２で小さく集光される程高くなる。集光光学系１２によるＬｒ、ＬIRの集光スポット径は、集光光学系１２の焦点距離とＬｒ、ＬIRのコヒレンシーに依存する。したがって、集光光学系１２の焦点距離は５０ｍｍであるとよく、２５ｍｍであるとさらによい。また、Ｌｒ、ＬIRのコヒレンシーは、Ｍ２＝１のコヒーレント光が望ましい。
気体媒質の非線形光学効果で波長変換するのに必要なパワーは、気体の種類や計測時間に依存するが、発明者らの実験によれば次のようになる。
【００３６】
発明者らの実験によれば、角周波数がω０の被測定赤外光パルスＬIR（ω０）のパルス幅が７ｆｓ、エネルギが５００ｎＪ、ピークパワーが７０ＭＷの場合、直径１００μｍの集光スポットの強度ＩIRは、０．９×１０１２Ｗ／ｍ２になる。角周波数がω１の参照光パルスＬｒのパルス幅が１０ｐｓ、エネルギが０．１ｍＪ、パワーが１０ＭＷの場合、直径２４μｍの集光スポットの強度Ｉrは、２．２×１０１２Ｗ／ｍ２になる。
【００３７】
気体媒質１３がアルゴン又はキセノンの場合、３次の非線形光学効果が誘起された。すなわち、この場合、参照光パルスＬｒの角周波数をω１とすると、３次の非線形光学効果（４光波差周波発生：ω１＋ω１−ω０→ω２）が起こり、角周波数がω１の被測定赤外光パルスＬIR（ω１）が、角周波数がω２の可視光パルスＬV（ω２）にアップコンバージョンされた。
なお、角周波数ωは、波長をλ、光速をｃとすると、
ω＝２πｃ／λ                                      （２）
と表される。
３次の非線形光学効果の場合、（１）式から、下記の指標
参照光の強度の２乗×被測定光の強度＝Ｉr２×ＩIR       （３）
が重要となる。
【００３８】
発明者らの上記実験では、Ｉr２×ＩIR＝４．４×１０３６Ｗ３／ｃｍ６であり、気体媒質の非線形光学効果で波長変換するのに必要なパワーは、Ｉr２×ＩIRが４．４×１０３６Ｗ３／ｃｍ６以上になるパワーである。
【００３９】
被測定赤外光パルスＬIRは、超広帯域（５００〜５０００ｃｍ−１）光パルスであるとよい。被測定赤外光パルスＬIRが超広帯域（５００〜５０００ｃｍ−１）であると、波長範囲が２−２０μｍの赤外光スペクトルを計測することができるので、様々な分子振動による共鳴を広くとらえられ得る。
【００４０】
超広帯域（５００〜５０００ｃｍ−１）コヒーレント光パルスは、例えば、図３に示す超広帯域コヒーレント光発生装置２で発生され得る。図３において、２１は２色ミラーで、波数ω１のコヒーレント光パルスＬ１（ω１）と波数ω２（＝２ω１）の光パルスＬ２（ω２）を合波する。２２は、軸外し放物面鏡で、合波された光パルスＬ１（ω１）＋Ｌ２（ω２）を気体媒質２３の中に集光する。２４は、コリメータであり、軸外し放物面鏡である。２５は、フィルタである。
【００４１】
モードロックＴｉ：サファイアレーザからの超短光パルス（波長：８００ｎｍ、パルス幅：２５ｆｓ、パルスエネルギ：０．７ｍＪ、繰り返し周波数：１ＫＨｚ）を、厚さ０．１ｍｍのＢＢＯ（β−ＢａＢ２Ｏ４）結晶に入射させて第２高調波光パルスを発生させた。その第２高調波光パルスがＬ２（ω２）であり、基本波光パルスがＬ１（ω１）である。基本波光パルスＬ１（ω１）のパルス幅は２５ｆｓ、パルスエネルギは６７５μＪ、第２高調波光パルスＬ２（ω２）の波長は４００ｎｍ、パルス幅は２５ｆｓ、パルスエネルギは２５μＪである。
【００４２】
基本波光パルスＬ１（ω１）と第２高調波光パルスＬ２（ω２）が２色ミラー２１で合波され、焦点距離１５０ｍｍの軸外し放物面鏡２２でアルゴンガス２３の中に集光される。すると、アルゴンガスのフィラメンテーションにより４光波混合（ω１＋ω１−ω２→ω０）が起こり、ω０の光のみ透過するフィルタ２５からは４光波混合された光パルスＬ０（ω０）が得られる。
【００４３】
４光波混合された光パルスＬ０（ω０）の帯域は、図４に示すように、波数で２００−６０００ｃｍ−１（波長で１．７−５０μｍ）であり、超広帯域である。また、光パルスＬ０（ω０）のパルス幅は、６．９ｆｓであった。
【００４４】
参照光パルスＬｒは、チャープ光パルスであるとよい。フーリエ分光法では、掃引する遅延時間が長くなると周波数分解能が向上するので、参照光パルスのパルス幅が長いほど周波数分解能が向上する。
【００４５】
参照光パルスがチャープ光パルス或いは単一波長のピコ秒パルスの場合、高い周波数分解能でスペクトルが測定され得る。何故なら、フーリエ分光法では掃引する遅延時間を長くすれば周波数分解能が向上するので、同様の論理で参照光パルスのパルス幅が長ければ長いほど周波数分解能が向上するからである。
参照光パルスをチャープ光パルスにするには、参照光パルスのパルス時間幅を、例えば、回折格子型伸張器で伸張させればよい。
【００４６】
参照光パルスがチャープ光パルスである場合、そのチャープ量（周波数の時間変化）を実測しておき、計測された可視光スペクトルから赤外スペクトルへの変換を精密に行えるようにしておくとよい。
【実施例】
【００４７】
前述の４光波混合された超広帯域光パルスＬ０（ω０）を、被測定赤外光パルスＬIR（ω０）とした。この被測定赤外光パルスＬIR（ω０）のパルスエネルギは、０．５μＪである。【００４８】
超広帯域光パルスＬ０（ω０）を生成するためのモードロックＴｉ：サファイアレーザの基本波パルス（波長：８００ｎｍ）の一部（パルスエネルギ：０．１ｍＪ）を伸張器で伸張して参照光パルスＬｒ（ω１）とした。参照光パルスＬｒ（ω１）のパルス幅は、１０．３ｐｓである。【００４９】
被測定赤外光パルスＬIR（ω０）と参照光パルスＬｒ（ω１）とが穴あきミラー１１で合波され、焦点距離５０ｍｍの放物面鏡１２でキセノンガス１３に集光された。被測定赤外光パルスＬIR（ω０）が超短光パルス（パルス時間幅：７ｆｓ）であるため、集光領域での強度ＩIR〜４×１０１６Ｗ／ｍ２と見積もられた。また、参照光パルスＬｒ（ω１）の集光領域での強度Ｉｒ〜２．２×１０１２Ｗ／ｃｍ２と見積もられた。
したがって、（２）式の指標は２×１０３７Ｗ３／ｃｍ６と見積もられ、キセノンガス１３に３次の非線形光学効果が誘起されることが期待さる。【００５０】
波数で２００−６０００ｃｍ−１（波長で１．７−５０μｍ）の被測定赤外光パルスＬIR（ω０）と、波長８００ｎｍの参照光パルスＬｒ（ω１）をカットするバンドパスフィルタ１６を透過した光パスがカメラEMCCD（ProEM＋1600,Princeton Instrument）を備える可視域分光装置１４で測定された。カメラはモードロックＴｉ：サファイアレーザの繰り返し周波数（１ｋＨｚ）に同期され、シングルショット（＜１ｍｓ）でスペクトルが測定された。【００５１】
測定されたスペクトルを図５に示す。図５の波形イ（横軸：波長）が測定されたスペクトルで、４００−５２０ｎｍの可視光スペクトルが得られた。したがって、バンドパスフィルタ１６を通過した可視光パルスは、角周波数がω２（＝ω１＋ω１−ω０）の可視光パルスＬｖ（ω２）であることがわかる。【００５２】
よって、キセノンガス１３に誘起された非線形光学効果は、３次の非線形光学効果（４光波差周波発生：ω１＋ω１−ω０→ω２）によるアップコンバージョンであることが検証された。【００５３】
図５の波形イのスペクトルデータを回復演算手段１５で処理することで得られたスペクトル波形が図５の波形ロである。波形ロから、ＣＯ２の吸収（波数：〜２３００ｃｍ−１、波長：〜４．３μｍ）と水蒸気の吸収（波数：〜１６００ｃｍ−１、波長：〜６．３μｍ及び波数：〜３７００ｃｍ−１、波長：〜２．７μｍ）が鮮明に観測される。【００５４】
前記参照光パルスのチャープ量（周波数の時間変化、Φ（ｔ））を、前もって計測しておくとよい。参照光パルスと赤外光パルスの遅延時間を掃引して、４光波差周波混合のスペクトルを計測しておき、そのスペクトルの遅延時間依存性から、Φ（ｔ）を直接的に計測することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・・・・・・赤外光スペクトル計測装置
１１・・・・・・合波器
１２・・・・・・集光光学系
１３・・・・・・気体媒質
１４・・・・・・分光装置
１５・・・・・・回復演算手段
ＬIR・・・・・・・被測定赤外光パルス
Ｌｒ・・・・・・・参照光パルス
Ｌｖ・・・・・・・可視光パルス
【図１】
2014125775.tif 000003
【図２】
2014125775.tif 000004
【図３】
2014125775.tif 000005
【図４】
2014125775.tif 000006
【図５】
2014125775.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月20日(2014.6.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定赤外光パルスと、
参照光パルスと、
前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとが混合入射されて、前記被測定赤外光パルスを強度ＩＩＲに、前記参照光パルスを強度Ｉｒに集光する集光光学系と、
前記集光光学系で前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとが混合集光入射されて該被測定赤外光パルスを３次の非線形光学効果で可視光パルスにアップコンバージョンする気体媒質と、
前記気体媒質でアップコンバージョンされた前記可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光装置と、を有し、
前記被測定赤外光パルスのピークパワーと前記参照光パルスのピークパワーとは前記集光光学系で集光されてＩｒ２×ＩＩＲが所定の値を満たすように設定されており、広帯域の赤外光スペクトルを計測できることを特徴とする赤外光スペクトル計測装置。
【請求項２】
前記所定の値は４．４×１０３６〜２×１０３７Ｗ３／ｃｍ６である請求項１に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項３】
前記分光装置で取得された前記可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴルリズムで演算して前記被測定赤外光パルススペクトルを得る回復演算手段を有する請求項１又は２に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項４】
前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとを合波する合波器を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項５】
前記被測定赤外光パルスはコヒーレント光パルスである請求項１〜４のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項６】
前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスである請求項１〜５のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項７】
前記参照光パルスはチャープ光パルス或いは単一波長のピコ秒パルスである請求項１〜６のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項８】
前記気体媒質はキセノンガスである請求項１〜７のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測装置。
【請求項９】
被測定赤外光パルスと参照光パルスとが混合入射されて前記被測定赤外光パルスを強度ＩＩＲに、前記参照光パルスを強度Ｉｒに集光する集光ステップと、
前記集光ステップで前記被測定赤外光パルスと前記参照光パルスとが気体媒質に混合集光入射されて該被測定赤外光パルスを３次の非線形光学効果で可視光パルスにアップコンバージョンするアップコンバージョンステップと、
前記アップコンバージョンステップで変換された可視光パルスを分光して可視光パルススペクトルデータを取得する分光ステップと、を有し、
前記被測定赤外光パルスのピークパワーと前記参照光パルスのピークパワーとは前記集光ステップで集光されてＩｒ２×ＩＩＲが所定の値を満たすように設定されており、広帯域の赤外光スペクトルを計測できることを特徴とする赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１０】
前記所定の値は４．４×１０３６〜２×１０３７Ｗ３／ｃｍ６である請求項９に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１１】
前記分光ステップで取得した可視光パルススペクトルデータを所定の回復アルゴリズムを使って前記被測定赤外光パルスのスペクトルを回復させるスペクトル回復ステップを有する請求項９又は１０に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１２】
前記被測定赤外光パルスはコヒーレント光パルスである請求項９〜１１のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１３】
前記被測定赤外光パルスは、帯域幅が５００〜５０００ｃｍ−１の超広帯域光パルスである請求項９〜１２のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１４】
前記参照光パルスはチャープ光パルス或いは単一波長のピコ秒パルスである請求項９〜１３のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１５】
前記参照光パルスがチャープ光パルスである場合、そのチャープ量（周波数の時間変化）を測定しておく、請求項１４に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１６】
前記気体媒質はキセノンガスである請求項９〜１５のいずれか１項に記載の赤外光スペクトル計測方法。
【請求項１７】
（削除）
【国際調査報告】
2014125775.tif 000008
2014125775.tif 000009
2014125775.tif 000010