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公開番号2025128532
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-03
出願番号2024025241
出願日2024-02-22
発明の名称タイムストレッチ分光装置及びタイムストレッチ分光法
出願人国立大学法人東京大学
代理人個人,個人,個人
主分類G01J 3/12 20060101AFI20250827BHJP(測定;試験)
要約【課題】時間的に隣合うパルスが延伸後にオーバーラップしても、高速の変調系や受信系を用いることなく元のスペクトルを復元することができるタイムストレッチ分光装置等を提供すること。
【解決手段】タイムストレッチ分光装置100は、光透過率又は反射率に関して特性を有する測定対象に対して一群のパルス光を照射することで得られる一群の計測パルス光BPに対して、パルス単位で強度変調を行う光変調器20と、一群の計測パルス光BPをタイムストレッチするパルスストレッチャ30と、各計測パルス光EPがデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号SSから、一群の計測パルス光BPを個別にタイムストレッチした各伸長パルス光EPに対応する各パルス信号波長成分PSを推定する再構成を行う信号処理装置とを備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
光透過率又は反射率に関して特性を有する測定対象に対して一群のパルス光を照射することで得られる一群の計測パルス光に対して、パルス単位で強度変調を行う光変調器と、
前記一群の計測パルス光をタイムストレッチするパルスストレッチャと、
各計測パルス光がデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号から、前記一群の計測パルス光を個別にタイムストレッチした各伸長パルス光に対応する各パルス信号波長成分を推定する再構成を行う信号処理装置と
を備えるタイムストレッチ分光装置。
続きを表示（約 920 文字）【請求項２】
前記パルスストレッチャは、強度変調後の前記一群の計測パルス光をタイムストレッチする、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項３】
前記パルスストレッチャは、波長分散を有する光ファイバである、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項４】
前記光変調器は、音響光学素子及び電気光学素子のいずれかである、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項５】
前記信号処理装置は、機械学習モデルを用いて、前記重畳信号から前記各パルス信号波長成分を推定する、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項６】
前記信号処理装置は、各計測パルス光の信号成分のＬ
ｎ
ノルムを含む損失関数を最小にする、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項７】
測定対象に照射される前記一群のパルス光を射出することによって前記測定対象に前記一群の計測パルス光を生成させるパルス光源を備える請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項８】
前記一群の計測パルス光を第１波長域から第２波長域に波長変換する波長変換器
を備える請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項９】
前記光変調器は、前記一群の計測パルス光をパルス単位でランダムに振幅変調する、請求項１に記載のタイムストレッチ分光装置。
【請求項１０】
光吸収率又は反射率に関して特性を有する測定対象に対して一群のパルス光を照射することで得られる一群の計測パルス光に対して、パルス単位で強度変調を行うステップと、
前記一群の計測パルス光をタイムストレッチするステップと、
各計測パルス光がデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号から、前記一群の計測パルス光を個別にタイムストレッチした各伸長パルス光に対応する各パルス信号波長成分を推定する再構成を行うステップと
を備えるタイムストレッチ分光法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測したパルス光を時間的に延伸し波長と時間との間に対応関係を持たせるタイムストレッチ分光法を基礎として、圧縮センシングの手法を用いることによって重畳したパルスを分解するタイムストレッチ分光装置及びタイムストレッチ分光法に関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
マイクロ秒等の短い時間スケールで光吸収率あるいは反射率が変動する対象を測定する手法として、タイムストレッチ分光法が存在する。タイムストレッチ分光法では、計測によって得られた光パルスに大きな２次分散を付与することでパルスを時間的に延伸された状態にし、そのような伸長パルスの時間波形を検出する。伸長パルスの時間波形は、時間－波長の１対１対応関係を有しており、かかる時間波形から波長（又は周波数）スペクトルを得ることができる。タイムストレッチ分光法では、パルスの繰り返し周波数が取得レートに対応しているので、例えば１０ＭＨｚ級の超高取得レートで分光が可能である。また、他手法であるフーリエ変換分光法と比較し、信号対雑音比に優れる利点もある。
【０００３】
旧来のタイムストレッチ分光法では、時間的に隣合うパルスが延伸後にオーバーラップしないように、パルス伸長量やパルス繰り返し周波数（計測間隔の逆数）を調整している。伸長パルスがオーバーラップしない条件の元で、１スペクトルあたり測定点数をＮ、スペクトル取得時間間隔をδτとして、受信系の電気帯域を考慮した受信系のアナログデジタル変換器の実効サンプリングレートｆＲは、Ｎ／δτ（Ｎ＝Δν／δν、ここで、Δνは周波数帯域であり、δν周波数分解能である）より大きくする必要がある。例えば、測定点数Ｎ、スペクトル取得時間間隔δτとして、１２．５ｎｓ程度を仮定すると、ｆＲは、６．４ＧＨｚ程度より大きくする必要がある。しかしながら、ｆＲ＝５ＧＨｚ以上のアナログデジタル変換器は、高コストのため、実用化の大きな障害となる。
【０００４】
アナログデジタル変換器の帯域に関する問題を緩和する先行技術として、時間伸長されたパルスを既知の変調パターンを用いて強度変調し、低速の受信系を用いて受信したあと、変調パターンと計測波形とを用いてスペクトルを復元する手法がある（非特許文献１参照）。この手法は、変調系において、本来受信系に必要だった帯域と同程度（約５ＧＨｚ）に高速な光強度変調器やデジタルアナログ変換器が必要になるため、コスト改善効果が低い。
【０００５】
なお、圧縮センシング（ＣＳ）という技術をタイムストレッチイメージングに適用し、重複するタイムストレッチパルスの分解を試みた研究がある（非特許文献２参照）。この研究の方法は、イメージング専用に設計された固定空間マスクに依存するものであるため、他分野のタイムストレッチ分光には適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
R. Li, et al. ACS Photonics 2023, 10, 7, 2399-2406
C. Lei, et al. IEEE Photon. J. 9, 1 (2017).
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、時間的に隣合うパルスが延伸後にオーバーラップしても、高速の変調系や受信系を用いることなく元のスペクトルを復元することができるタイムストレッチ分光装置及びタイムストレッチ分光法を提供することを目的とする。
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明に係るタイムストレッチ分光装置は、光透過率又は反射率に関して特性を有する測定対象に対して一群のパルス光を照射することで得られる一群の計測パルス光に対して、パルス単位で強度変調を行う光変調器と、一群の計測パルス光をタイムストレッチするパルスストレッチャと、各計測パルス光がデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号から、一群の計測パルス光を個別にタイムストレッチした各伸長パルス光に対応する各パルス信号波長成分を推定する再構成を行う信号処理装置とを備える。
【０００９】
上記タイムストレッチ分光装置では、信号処理装置が、各計測パルス光がデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号から、一群の計測パルス光を個別にタイムストレッチした各伸長パルス光に対応する各パルス信号波長成分を推定する再構成を行うので、タイムストレッチ後の一群の計測パルス光に含まれる各伸長パルス光をデータとして分離することができる。つまり、高速の変調系や受信系を用いることなく各計測パルス光に対して重畳を許容するタイムストレッチを行いつつ、タイムストレッチ後の一群の計測パルス光に含まれる個々のスペクトル情報をパルス信号波長成分として復元することができる。
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明に係るタイムストレッチ分光法は、光透過率又は反射率に関して特性を有する測定対象に対して一群のパルス光を照射することで得られる一群の計測パルス光に対して、パルス単位で強度変調を行うステップと、一群の計測パルス光をタイムストレッチするステップと、各計測パルス光がタイムストレッチ後にデータとしてスパースであるとの前提で、タイムストレッチ後に時間的な重なりが生じるように合成された重畳信号から、一群の計測パルス光を個別にタイムストレッチした各伸長パルス光に対応する各パルス信号波長成分を推定する再構成を行うステップとを備える。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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