高速で非反復的な事象のリアルタイム測定は、計測・観測の分野において最も困難な問題であると言っても過言ではありません。これを行う計測器は、化学反応、相転移、生細胞におけるタンパク質動態、データネットワークにおける障害などの急速な過渡現象を調査するために必要とされています。分光器は、化学および生物学的用途においてセンシングと検出を行うための基本的な機器です。しかし、分光器のスキャンレートは、対象となる物理過程の時間スケールと比較して、長すぎることが多いです。従来の分光法では、この時間的なミスマッチは、並進するスリットなどの可動部品を使用するか、リフレッシュレート（通常最大10kHz）に制限のある検出器配列（CMOSイメージセンサーなど）に依存するため、計測が遅すぎてリアルタイムのシングルショット分光測定ができないことを意味しています。ポンプ・プローブ法は、1ps以下の極めて微細な時間分解能で時間分解分光分析を行うことができますが、ストロボ測定技術に基づいているため、リアルタイムで動作せず、複雑な現象に見られるような非反復で稀な事象を捉えることはできません。
光タイムストレッチ（分散型フーリエ変換とも呼ばれます）は、従来の分光器の速度制限を克服し、高速なリアルタイム分光計測を可能にする強力な手法であります。光タイムストレッチは、パラキシャル回折（つまりフラウンホーファー回折）と時間分散のアナロジーを示す例であります。このアナロジーは時空間二重性と呼ばれ、マクスウェル方程式から生まれ、フーリエ光学や時間イメージング（古典レンズの時間版）など、全光信号の高速処理のために、光タイムストレッチを含むさまざまな優れた手法が生み出されてきました。時空間双対性の光タイムストレッチへの応用では、遠距離領域の回折によって光の空間周波数スペクトルが強度像として現れるという概念を時間領域へ拡張したものであります。具体的には、色分散を利用して、光パルスの時間周波数スペクトルを、そのスペクトルに似た強度包絡線をもつ時間波形に写像します。これは、パルスが群速度分散を持つ分散媒体の中を伝播するときに起こります。そのためには、回折における遠距離場条件の時間的等価性を満たすように、パルスが十分に伝搬する必要があります。
光タイムストレッチは、従来の分光器の回折格子と検出器アレイを時間分散素子と単一画素フォトダイオードに置き換えることで、高速連続シングルショット測定を可能にしたものであります。時間波形は、光検出器とリアルタイムデジタイザで捕捉されるのに十分な速度になるように、時間的に引き伸ばされます（帯域幅が圧縮されます）。同時に、高速フォトダイオードの熱雑音フロアを克服するために、波形を光学的に増幅することができます。タイムストレッチされた波形は十分に遅いため、光タイムストレッチにより、光スペクトルを時間領域で直接測定することができます。この時間波形をサンプリングすることにより、リアルタイムADCは従来の回折格子型分光器のスキャンレートを大幅に上回る速度で光スペクトルをサンプリングすることができます。超高速リアルタイム計測が可能であることから、光タイムストレッチは様々な分光・画像処理に応用されています。
現在、合田研究室は、新しいタイプの光タイムストレッチを開発し、それに基づく新しいバイオメディカル応用を確立することを目指しています。この10年間で、合田研究室は、光タイムストレッチイメージング（シリアルタイムエンコード増幅イメージングとも呼ばれます）と光タイムストレッチイメージングとマイクロ流体工学の統合による血液中のがん検出、微細藻類脂質生産解析、抗がん剤効果評価、製造用非侵襲表面検査などを先駆的に実証しています。
参考文献
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