JP3743881B2 - Method and apparatus for ultra-high-speed conversion from time signal to two-dimensional spatial signal - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極短光パルスのスペクトルの時間変化を、時間軸と時間周波数軸の二次元空間分布に超高速に変換する方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的に極短光パルスに含まれるスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸(時間周波数軸)の2軸に分解して空間分布に変換するシステムでは、超高速時間ゲート及び分光の手法を用いる。この手法は、測定対象である極短光パルス(信号パルス)に対し、フーリエ限界である極短光パルス(含まれるスペクトルの位相が揃った光パルス)を時間ゲートパルスとして用い、非線形結晶における非線形効果の高速応答性を利用して超高速時間ゲートを可能にする。この非線形効果として、2次または3次の非線形効果が用いられる。非線形結晶において信号パルスと参照パルス(ゲートパルス)とが同時に入射すると、非線形結晶からは、ゲートパルスにより切り出された高調波光が出射し、この光を回折格子等を用いて分光することにより、信号パルスの任意の時間に含まれる時間周波数分布を知ることが可能になる。そして、ゲートパルスを時間軸に対して走査することにより、信号パルスに含まれる時間と時間周波数の関係が得られる。ここで、信号パルスが長い時間幅を持つ場合、ゲートパルスが走査しなければならない時間幅も長くなる。従来よりゲートパルスを走査する方法として、機械的に光路長を変化させることによりゲートパルスに時間遅延を与える方法や、回折格子や非線形結晶に対し信号パルス及びゲートパルスを同時に斜め入射させ、パルスビームの幅方向に入射の時間遅延を与えることによって信号パルスをゲートパルスで走査する方法が用いられてきた。
【0003】
しかしながら、機械的な走査を用いた方法では、光路長を変える毎に信号パルスを繰り返し計測することが必要となるため、信号パルス毎に異なる情報が含まれる場合には用いることはできない。また回折格子や非線形結晶への斜め入射によりパルスを走査する方法では、信号パルス及びゲートパルスの波面を回折格子や非線形結晶で受けることとなるので、回折格子や非線形結晶の大きさが結果としてゲートパルスが走査できる最大時間幅を制限することになる。これに加え、この方法においては最大時間幅を広くとるためには、ビームを広げる必要性がある。しかしながら、非線形結晶による変換効率はビームのパワー面密度に比例するため、ビームを広げることにより変換効率が低下するという問題が生じる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術のこれらの問題点を解決し、パルス入射の繰り返しを必要とせず、走査可能な時間幅の制限を受けず、高い変換効率で、極短光パルスのスペクトルの時間変化を二次元空間分布に変換し得る方法及び装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、極短光信号パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に超高速に変換する方法であって、信号パルスと、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスとを、集光部材を経て非線形結晶に入射し、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられる第2次高調波光を分散素子により分光して像を得ることを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換方法を提供するものである。
【0006】
本発明はまた、前記目的を達成するため、極短光パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に変換する装置であって、信号パルスの入力部と、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを発生するゲートパルス発生装置と、前記信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶と、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられた第2次高調波光を分光する分散素子と、分光された高調波光の像を形成する像形成部とを備えたことを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置をも提供するものである。
【0007】
前記ゲートパルスの進行方向は、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量は該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なるのが、望ましい。
【0008】
前記集光部材による集光は、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれるのが望ましい。
【0009】
集光部材を経ることにより、前記信号パルスは平行光とされ、前記ゲートパルスは収束光とされるのが望ましい。
【0010】
前記第2次高調波光による像の時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とするために、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することができる。
【0011】
本発明は、パルス幅(時間長における半値全幅)がp(ピコ)秒オーダー以下の極短光パルス信号の変換に有利に適用でき、特に電気的手段では変換が困難なf(フェムト)秒オーダーのパルス幅の場合に有利である。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の一実施形態に係る時間信号から二次元空間信号への変換装置の要部を注出して示す図である。図1に示すように水平軸及び鉛直軸を各々x軸、y軸とする。図1の装置をy軸正方向から見た光学系と極短光パルスの様子を図2に示す。また、図1において、x軸正方向から見た光学系と極短光パルスの様子を図3に示す。
【0013】
図示の装置は、パルスの送出部として、信号パルスの入力部1とゲートパルス発生装置2と、これら信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部3と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶4と、該非線形結晶を透過した信号パルス及びゲートパルスの高調波光の像を形成する像形成部5とを備えている。信号パルスの入力部1及びゲートパルス発生装置2は、相互に平行に進行するパルスを発するようにしてもよいし、反射や回折を利用して両パルスの進行方向が平行となるようにしてもよい。
【0014】
ゲートパルス発生装置は、該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において遅延量が異なるように空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスGを発生する。集光部3は、3個のシリンドリカルレンズ31,32,33を備えており、これらは各々パルス送出部に近い側から、レンズ円筒面の軸線が鉛直、水平、鉛直の方向を向くように配置されている。像形成部5は、非線形結晶4に近い側から、2個のシリンドリカルレンズ51,52、回折格子(分散素子)53、シリンドリカルレンズ54及び撮像素子55を備えている。レンズ円筒面の軸線は、シリンドリカルレンズ51及び54が鉛直方向、シリンドリカルレンズ52が水平方向となっている。
【0015】
非線形結晶4は、パワーの強い光が入射したときに入射光の倍の周波数成分を有する光を発生するものであり、その材料としては、KTiOPO4, LiB3O5, β-BaB2O4等が挙げられる。
【0016】
以下では、本発明に係る方法及び装置の構成を作動原理と共に説明する。信号パルスとして、ここでは簡単のため、y軸方向に同一の分布を持ち、時間的に2つのピークをもつダブルパルスを用いるものとする。ゲートパルスとして、x軸方向に同一の分布を持ちy軸方向に異なった時間遅延を持つパルスを用いるものとする。すなわち、ゲートパルスGは、進行方向に対して波面が傾斜している。図2において、x軸方向について考えると、信号パルスSとゲートパルスGがシリンドリカルレンズ33により非線形結晶4内で重ね合わせられる。但し、信号パルスSはシリンドリカルレンズ31,32により縮小され、さらにシリンドリカルレンズ33を経た後は平行光として非線形結晶4内に入射する。また、ゲートパルスGは、シリンドリカルレンズ33により集束光とされて非線形結晶4に入射する。
【0017】
図3において、y軸方向について考えると、信号パルスSはy軸方向に同一の波面をもつため、同一時刻に非線形結晶4に到達する。逆に、ゲートパルスGはy軸方向に時間遅延をもつため、y軸方向の正から負の順に非線形結晶に到達する。したがって、非線形結晶4へ入射するゲートパルスGの波数ベクトルは、時間と共にy軸正方向から負方向に回転する。
【0018】
本発明においては、2次の非線形効果を用いる。すなわち、信号パルスSとゲートパルスGが同時刻に非線形結晶4に到達した時のみ、その2つの波数ベクトルの和を新しい波数ベクトルにもつ第2次高調波が発生する。図3の状態においては、信号パルスS1とゲートパルスGの交差箇所が非線形結晶4に到達したときに第2次高調波M1が発生し、信号パルスS2とゲートパルスGの交差箇所が非線形結晶4に到達したときに第2次高調波M2が発生する。これにより、信号パルスの時間信号を第2次高調波のy軸方向の波数ベクトルに変換することが可能になる。また図2において、x軸方向に関しても位相整合条件が満たされるため、信号パルスとゲートパルス、及び第2次高調波の分離が容易となる。また図2において、シリンドリカルレンズ31、33を用いて信号パルスSを絞り込むことによりパワー面密度を上げることができる。その結果、第2次高調波の変換効率を向上させることが可能になる。
【0019】
次に非線形結晶4から出射した第2次高調波をレンズ51,52を用いてフーリエ変換し、回折格子53に入射する。そして、回折格子53により分散した光をレンズ54を用いてフーリエ変換することにより、x軸方向に周波数分布が得られる。図示の例では、回折格子53への入射は垂直方向となっているが、回折格子53に対し斜め入射を行うことにより、タイムウィンドウを広げることが可能になり、通常のデバイスでの撮像が容易になるという利点が得られる。
【0020】
以上より、x軸方向に周波数分布が、y軸方向に時間分布が得られ、信号パルスを時間と周波数に対応する二次元空間分布に変換することが可能となる。
【0021】
以上では、2つのピークを有する信号パルスを例にして説明したが、実際には、信号パルスは、任意のパルス幅とパルス間隔をもつパルス列の形態をとり、ゲートパルスは、同一パルス幅と同一パルス間隔を持つパルス列の形態をとることが多い。これらの場合にも、信号パルス列における任意のパルスに対して、ゲートパルス列のいずれかのパルスが交差するというようにして、非線形結晶上で信号パルスとゲートパルスとが重なることとなる。
【0022】
なお、ゲートパルスの進行方向及び信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なる時間遅延量を有するゲートパルスは、例えば、図4又は図5に示すようにして得ることができる。図4の例は、パルスG0に対して、その光路中に光路長がパルス波面方向に異なる位相物体Aを置くものである。位相物体Aは、パルスの伝播空間に対して屈折率が異なる。図4の例では、光路長の短い部分に対して長い部分を経た方が大きい時間遅延を有する。
【0023】
図5の例は、パルスG0の光路中に、回折角がパルス波面方向に異なる回折格子P1及びP2を置いたものである。回折格子P2は、回折角の大小の位置が回折格子P1とほぼ逆になっている。したがって、回折角の大きい光は回折角の小さい光より長い光路を経て回折格子P1に到達し、再び回折されて最初の進行方向とほぼ同じ向きに進行するパルスG1’となるが、光路長が長い分時間遅延を生じて波面が傾斜する。
【0024】
ここで得られる二次元空間分布における各分布に対しては、時間方向の幅(時間分解能)と時間周波数方向の幅(時間周波数分解能)との積が一定の値以下にならないという原則が成り立つ。これは、例えばレーザパルスのようなフーリエ限界又はそれに近い位相の揃ったパルスをゲートパルスとして使用して上記変換を行なった場合にあてはまる。本発明においては、フーリエ限界を満たしながらこのそれぞれの分解能を任意に設定することが可能である。それぞれの分解能は、ゲートパルスに含まれる時間周波数成分により決定される。ここで、二次元分布において得られる時間周波数分布は、信号パルスが持つ時間周波数分布とゲートパルスが持つ時間周波数分布の総組み合わせの形で得られる。そのため、ゲートパルスに含まれる時間周波数帯域の幅が広いときは時間周波数分解能は低下するが、ゲートパルスのパルス幅は短くなるため時間分解能が向上する。逆に、ゲートパルスのパルス幅が広い場合は時間分解能が低下するが、ゲートパルスに含まれる時間周波数帯域幅が狭くなるため、信号パルスと相互作用をするゲートパルスの周波数帯域が絞られ、その結果、時間周波数分解能が向上する。したがって、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することにより、時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とすることができる。例えば、光通信で用いられている信号のように、時間方向に粗く、時間周波数方向に細かい情報を持つパルスを信号パルスとして取り扱う時は、比較的パルス幅が広く時間周波数帯域幅が狭いゲートパルスを用いればよい。また、光計測のように、時間方向に細かく、時間周波数方向に粗い情報を持つパルスを信号パルスとして取り扱うときは、比較的パルス幅が狭く時間周波数帯域幅が広いゲートパルスを用いればよいことになる。このようにしてゲートパルスの選択を行うことにより、広い用途に応じた変換システムを提供することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、以下の効果を奏する時間信号から二次元空間信号への変換方法及び該方法を実施するための装置を提供することができる。すなわち、本発明においては、ゲートパルスの進行方向及び信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なる時間遅延量を有するゲートパルスを用い、集光部材を経て相互に交差させた後に両パルスを非線形結晶に入射する。そして、信号パルスと時間遅延を有するゲートパルスとを非線形結晶上で交差させて第2次高調波光を発生させ、その像を得るようにしたので、高調波の波数ベクトルがゲートパルスの時間遅延に伴って向きを変え、像形成位置が変化する。その像は、回折格子などの分散素子による分光を経て形成される。したがって、高調波の波数ベクトルの回転と分光による像形成とにより、極短光パルスに含まれる時間信号を、超高速に時間と時間周波数に対応する二次元空間分布に変換することが可能となる。
【0026】
このように、1つの信号パルスに対してゲートパルスが時間遅延に基づく走査を行なうので、パルス入射の繰り返しを必要とすることなく変換を行なうことができる。また、信号パルスとゲートパルスとは、集光部材を経て集光されて非線形結晶に入射するので、非線形結晶の寸法等により走査可能な時間幅の制限を受けることがなく、しかも集光されたパルスが非線形結晶に入射するので、高い変換効率が得られる。
【0027】
ここで、二次元空間分布を画像とみなした場合は、本システムは超高速画像表示システムとして取り扱うことが可能となる。また、本システムでは1つの信号パルスに含まれる時間と時間周波数の関係をリアルタイムに計測することができるため、極短光パルスを光計測システムにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態に係る時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置の要部を注出して示す斜視図である。
【図2】 図1の装置をy軸正方向から見た光学系と極短光パルスを示す図である。
【図3】 図1の装置をx軸正方向から見た光学系と極短光パルスを示す図である。
【図4】 空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを生成する手法の一例を示す説明図である。
【図5】 空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを生成する手法の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
1…信号パルスの入力部1、 2…ゲートパルス発生装置、
3…集光部、 4…非線形結晶、
5…像形成部、 53…回折格子(分散素子)、
G…ゲートパルス、 S…信号パルス
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for converting a time change of a spectrum of an ultrashort light pulse into a two-dimensional spatial distribution of a time axis and a time frequency axis at an extremely high speed.
[0002]
[Prior art]
In general, a system that decomposes a temporal change of a spectrum included in an ultrashort light pulse into two axes of a time axis and a spectrum axis (time frequency axis) and converts it into a spatial distribution uses an ultrafast time gate and a spectral technique. . This method uses an ultrashort optical pulse that is the Fourier limit (an optical pulse in which the phases of the included spectra are aligned) as a time-gated pulse for an ultrashort optical pulse (signal pulse) to be measured. The ultra-fast time gate is enabled by utilizing the high-speed response of the effect. As this nonlinear effect, a second-order or third-order nonlinear effect is used. When a signal pulse and a reference pulse (gate pulse) are incident at the same time in the nonlinear crystal, harmonic light extracted by the gate pulse is emitted from the nonlinear crystal. It becomes possible to know a time frequency distribution included in an arbitrary time of a pulse. Then, by scanning the gate pulse with respect to the time axis, the relationship between the time included in the signal pulse and the time frequency can be obtained. Here, when the signal pulse has a long time width, the time width that the gate pulse must scan also becomes long. As a conventional method of scanning the gate pulse, a method of delaying the gate pulse mechanically by changing the optical path length, a signal pulse and a gate pulse are simultaneously obliquely incident on a diffraction grating or a nonlinear crystal, and a pulse beam A method of scanning a signal pulse with a gate pulse by giving a time delay of incidence in the width direction of the signal has been used.
[0003]
However, in the method using mechanical scanning, it is necessary to repeatedly measure the signal pulse every time the optical path length is changed. Therefore, the method cannot be used when different information is included in each signal pulse. Also, in the method of scanning pulses by oblique incidence on the diffraction grating or nonlinear crystal, the wavefronts of the signal pulse and gate pulse are received by the diffraction grating or nonlinear crystal, so that the size of the diffraction grating or nonlinear crystal results in the gate. This limits the maximum time width that the pulse can scan. In addition, in this method, it is necessary to widen the beam in order to increase the maximum time width. However, since the conversion efficiency by the nonlinear crystal is proportional to the power surface density of the beam, there arises a problem that the conversion efficiency is lowered by expanding the beam.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves these problems of the prior art, does not require repetition of pulse incidence, is not limited by the scanable time width, has a high conversion efficiency, and the time change of the spectrum of an ultrashort light pulse. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus capable of converting the image into a two-dimensional spatial distribution.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is a method for converting a time change of a spectrum of an ultrashort optical signal pulse into a two-dimensional spatial distribution of a time axis and a spectrum axis at a high speed, the signal pulse, a spatial The time-delayed gate pulse is incident on the nonlinear crystal through the condensing member, and the second harmonic light emitted by satisfying the phase matching condition in the nonlinear crystal is dispersed by the dispersive element to obtain an image. An ultrafast conversion method from a time signal to a two-dimensional spatial signal is provided.
[0006]
In order to achieve the above object, the present invention is also an apparatus for converting a temporal change in the spectrum of an ultrashort light pulse into a two-dimensional spatial distribution of a time axis and a spectrum axis, comprising: an input part of a signal pulse; A gate pulse generator for generating a gate pulse to which a time delay is given, a signal pulse input unit and a condensing unit for condensing pulses transmitted from the gate pulse generator, and pulsed light that has passed through the condensing unit A non-linear crystal arranged so as to be incident, a dispersive element for dispersing the second harmonic light emitted by satisfying the phase matching condition in the non-linear crystal, and an image forming unit for forming an image of the dispersed harmonic light The present invention also provides an ultrahigh-speed conversion device for converting a time signal into a two-dimensional spatial signal, characterized in that
[0007]
The traveling direction of the gate pulse is parallel to the traveling direction of the signal pulse, and the time delay amount in the gate pulse is different in the spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulse and the alignment direction of the signal pulse. ,desirable.
[0008]
The condensing by the condensing member is preferably performed in a spatial direction given a time delay in the gate pulse.
[0009]
It is desirable that the signal pulse is converted into parallel light and the gate pulse is converted into convergent light by passing through a condensing member.
[0010]
Adjusting the pulse width and the time frequency bandwidth of the gate pulse under mutual interlocking so that the time resolution and time frequency resolution of the image by the second harmonic light are in an appropriate state under light weight selection between them. Can do.
[0011]
The present invention can be advantageously applied to the conversion of an ultrashort optical pulse signal whose pulse width (full width at half maximum in time length) is on the order of p (pico) seconds or less, and particularly on the order of f (femto) seconds, which is difficult to convert by electrical means. This is advantageous for a pulse width of.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating a main part of an apparatus for converting a time signal into a two-dimensional spatial signal according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, let the horizontal axis and the vertical axis be the x-axis and the y-axis, respectively. FIG. 2 shows the state of the optical system and the ultrashort light pulse when the apparatus of FIG. 1 is viewed from the positive y-axis direction. Also, FIG. 3 shows the state of the optical system and the ultrashort light pulse viewed from the x-axis positive direction in FIG.
[0013]
The apparatus shown in the figure includes a signal pulse input unit 1 and a gate pulse generator 2 as a pulse transmitter, and a condensing unit 3 that condenses the pulses transmitted from the signal pulse input unit and the gate pulse generator, A nonlinear crystal 4 is arranged so that the pulsed light that has passed through the condensing part is incident, and an image forming part 5 that forms an image of harmonic light of a signal pulse and a gate pulse transmitted through the nonlinear crystal. The signal pulse input unit 1 and the gate pulse generator 2 may emit pulses that travel in parallel with each other, or may use reflection and diffraction to make the traveling directions of both pulses parallel. Good.
[0014]
The gate pulse generator generates a gate pulse G that is spatially given a time delay so that the delay amount is different in the spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulse and the direction in which the gate pulse is aligned. The condensing unit 3 includes three cylindrical lenses 31, 32, and 33, which are arranged so that the axis of the lens cylindrical surface faces the vertical, horizontal, and vertical directions from the side close to the pulse transmission unit. Has been. The image forming unit 5 includes two cylindrical lenses 51 and 52, a diffraction grating (dispersing element) 53, a cylindrical lens 54, and an imaging element 55 from the side close to the nonlinear crystal 4. As for the axis of the lens cylindrical surface, the cylindrical lenses 51 and 54 are in the vertical direction, and the cylindrical lens 52 is in the horizontal direction.
[0015]
The non-linear crystal 4 generates light having a frequency component twice that of incident light when light with strong power is incident. As materials thereof, KTiOPO 4 , LiB 3 O 5 , β-BaB 2 O 4 are used. Etc.
[0016]
In the following, the configuration of the method and apparatus according to the present invention will be described together with the operating principle. Here, for the sake of simplicity, a double pulse having the same distribution in the y-axis direction and having two peaks in time is used as the signal pulse. Assume that pulses having the same distribution in the x-axis direction and different time delays in the y-axis direction are used as the gate pulse. That is, the wavefront of the gate pulse G is inclined with respect to the traveling direction. In FIG. 2, considering the x-axis direction, the signal pulse S and the gate pulse G are superimposed in the nonlinear crystal 4 by the cylindrical lens 33. However, the signal pulse S is reduced by the cylindrical lenses 31 and 32, and after passing through the cylindrical lens 33, enters the nonlinear crystal 4 as parallel light. Further, the gate pulse G is made into focused light by the cylindrical lens 33 and enters the nonlinear crystal 4.
[0017]
In FIG. 3, considering the y-axis direction, the signal pulse S reaches the nonlinear crystal 4 at the same time because it has the same wavefront in the y-axis direction. Conversely, since the gate pulse G has a time delay in the y-axis direction, it reaches the nonlinear crystal in the order from positive to negative in the y-axis direction. Therefore, the wave number vector of the gate pulse G incident on the nonlinear crystal 4 rotates from the y-axis positive direction to the negative direction with time.
[0018]
In the present invention, a second-order nonlinear effect is used. That is, only when the signal pulse S and the gate pulse G reach the nonlinear crystal 4 at the same time, a second harmonic having a sum of the two wave vectors in a new wave vector is generated. In the state of FIG. 3, the second harmonic M1 is generated when the intersection of the signal pulse S1 and the gate pulse G reaches the nonlinear crystal 4, and the intersection of the signal pulse S2 and the gate pulse G is the nonlinear crystal 4. The second harmonic M2 is generated when reaching This makes it possible to convert the time signal of the signal pulse into a wave vector in the y-axis direction of the second harmonic. In FIG. 2, since the phase matching condition is satisfied also in the x-axis direction, the signal pulse, the gate pulse, and the second harmonic can be easily separated. In FIG. 2, the power surface density can be increased by narrowing the signal pulse S using the cylindrical lenses 31 and 33. As a result, it is possible to improve the conversion efficiency of the second harmonic.
[0019]
Next, the second harmonics emitted from the nonlinear crystal 4 are Fourier-transformed using the lenses 51 and 52 and are incident on the diffraction grating 53. A frequency distribution is obtained in the x-axis direction by Fourier transforming the light dispersed by the diffraction grating 53 using the lens 54. In the example shown in the figure, the incident on the diffraction grating 53 is in the vertical direction, but the oblique incidence on the diffraction grating 53 makes it possible to widen the time window and facilitate imaging with a normal device. The advantage of becoming.
[0020]
As described above, a frequency distribution in the x-axis direction and a time distribution in the y-axis direction are obtained, and the signal pulse can be converted into a two-dimensional spatial distribution corresponding to time and frequency.
[0021]
In the above description, the signal pulse having two peaks has been described as an example. However, in practice, the signal pulse takes the form of a pulse train having an arbitrary pulse width and pulse interval, and the gate pulse has the same pulse width. Often takes the form of a pulse train with pulse intervals. Also in these cases, the signal pulse and the gate pulse overlap each other on the nonlinear crystal so that any pulse in the signal pulse train intersects any pulse in the gate pulse train.
[0022]
Note that gate pulses having different time delay amounts in the spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulses and the direction in which the signal pulses are arranged can be obtained, for example, as shown in FIG. 4 or FIG. In the example of FIG. 4, a phase object A having an optical path length different in the pulse wavefront direction is placed in the optical path of the pulse G0. The phase object A has a refractive index different from that of the pulse propagation space. In the example of FIG. 4, there is a larger time delay when a longer part is passed with respect to a shorter part of the optical path length.
[0023]
In the example of FIG. 5, diffraction gratings P1 and P2 having different diffraction angles in the pulse wavefront direction are placed in the optical path of the pulse G0. In the diffraction grating P2, the position of the diffraction angle is almost opposite to that of the diffraction grating P1. Accordingly, the light having a large diffraction angle reaches the diffraction grating P1 through an optical path longer than that of the light having a small diffraction angle, and is diffracted again to become a pulse G1 ′ that travels in substantially the same direction as the first traveling direction. The wavefront tilts with a long time delay.
[0024]
For each distribution in the two-dimensional spatial distribution obtained here, the principle that the product of the width in the time direction (time resolution) and the width in the time frequency direction (time frequency resolution) does not fall below a certain value holds. This is the case when the above-described conversion is performed using, for example, a pulse having a Fourier limit or a phase close to that, such as a laser pulse, as a gate pulse. In the present invention, it is possible to arbitrarily set the respective resolutions while satisfying the Fourier limit. Each resolution is determined by a time-frequency component included in the gate pulse. Here, the time frequency distribution obtained in the two-dimensional distribution is obtained in the form of a total combination of the time frequency distribution of the signal pulse and the time frequency distribution of the gate pulse. Therefore, when the width of the time frequency band included in the gate pulse is wide, the time frequency resolution is lowered, but the pulse width of the gate pulse is shortened, so that the time resolution is improved. Conversely, when the pulse width of the gate pulse is wide, the time resolution decreases, but the time frequency bandwidth included in the gate pulse is narrowed, so the frequency band of the gate pulse that interacts with the signal pulse is narrowed, As a result, the time frequency resolution is improved. Therefore, by adjusting the pulse width and the time frequency bandwidth of the gate pulse under mutual interlocking, the time resolution and the time frequency resolution can be brought into an appropriate state under light weight selection between them. For example, when handling a pulse with coarse information in the time direction and fine information in the time frequency direction, such as a signal used in optical communication, as a signal pulse, a gate pulse with a relatively wide pulse width and a narrow time frequency bandwidth May be used. In addition, when a pulse having fine information in the time direction and rough information in the time frequency direction is handled as a signal pulse as in optical measurement, a gate pulse having a relatively narrow pulse width and a wide time frequency bandwidth may be used. Become. By selecting the gate pulse in this way, it is possible to provide a conversion system corresponding to a wide range of applications.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a method for converting a time signal into a two-dimensional spatial signal and an apparatus for carrying out the method, which have the following effects. That is, in the present invention, gate pulses having different time delay amounts in the spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulse and the alignment direction of the signal pulse are used, and the two pulses are crossed after passing through the condensing member. Incident on the nonlinear crystal. Since the second harmonic light is generated by intersecting the signal pulse and the gate pulse having a time delay on the nonlinear crystal and the image is obtained, the harmonic wave number vector becomes the time delay of the gate pulse. Accordingly, the direction is changed, and the image forming position changes. The image is formed through spectroscopy by a dispersion element such as a diffraction grating. Therefore, it is possible to convert a time signal included in an ultrashort light pulse into a two-dimensional spatial distribution corresponding to time and time frequency at a very high speed by rotating the harmonic wave vector and forming an image by spectroscopy. .
[0026]
Thus, since the gate pulse performs scanning based on the time delay with respect to one signal pulse, conversion can be performed without requiring repetition of pulse incidence. Further, since the signal pulse and the gate pulse are condensed through the condensing member and enter the nonlinear crystal, the signal pulse and the gate pulse are collected without being limited by the time width that can be scanned due to the size of the nonlinear crystal. Since the pulse is incident on the nonlinear crystal, high conversion efficiency can be obtained.
[0027]
Here, when the two-dimensional spatial distribution is regarded as an image, the present system can be handled as an ultra-high-speed image display system. In addition, in this system, since the relationship between time and time frequency included in one signal pulse can be measured in real time, it is possible to apply an extremely short optical pulse to an optical measurement system.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating a main part of an ultra-high speed conversion device from a time signal to a two-dimensional spatial signal according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing an optical system and an ultrashort light pulse when the apparatus of FIG. 1 is viewed from the positive y-axis direction.
FIG. 3 is a diagram showing an optical system and an ultrashort light pulse when the apparatus of FIG. 1 is viewed from the positive direction of the x-axis.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a technique for generating a gate pulse to which a spatial delay is given spatially.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing another example of a method for generating a gate pulse to which a spatial delay is given spatially.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Signal pulse input part 1, 2 ... Gate pulse generator,
3 ... light condensing part, 4 ... nonlinear crystal,
5 ... image forming unit, 53 ... diffraction grating (dispersing element),
G ... Gate pulse, S ... Signal pulse

Claims (9)

極短光信号パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に超高速に変換する方法であって、信号パルスと、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスとを、集光部材を経て非線形結晶に入射し、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられる第2次高調波光を分散素子により分光して像を得ることを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換方法。This is a method for converting the time change of the spectrum of an ultrashort optical signal pulse into a two-dimensional spatial distribution of the time axis and the spectrum axis at an extremely high speed, which comprises a signal pulse and a gate pulse with a spatial time delay. The second harmonic light is incident on the nonlinear crystal through the condensing member, and the second harmonic light emitted by satisfying the phase matching condition in the nonlinear crystal is dispersed by a dispersive element to obtain an image from a two-dimensional space. Ultra-high speed conversion method to signal. 前記ゲートパルスの進行方向が、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量が該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なることを特徴とする請求項1に記載の超高速変換方法。The traveling direction of the gate pulse is parallel to the traveling direction of the signal pulse, and the time delay amount in the gate pulse is different in a spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulse and the alignment direction of the signal pulse. The ultrafast conversion method according to claim 1, wherein: 前記集光部材による集光が、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれることを特徴とする請求項2に記載の超高速変換方法。3. The ultrafast conversion method according to claim 2, wherein the condensing by the condensing member is performed in a spatial direction given a time delay in the gate pulse. 前記集光部材を経ることにより、前記信号パルスが平行光とされ、前記ゲートパルスが収束光とされることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の超高速変換方法。The ultrafast conversion method according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal pulse is converted into parallel light and the gate pulse is converted into convergent light by passing through the light collecting member. 前記第2次高調波光による像の時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とするために、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の超高速変換方法。Adjusting the pulse width and the time frequency bandwidth of the gate pulse under mutual interlocking so that the time resolution and time frequency resolution of the image by the second harmonic light are in an appropriate state under light weight selection between them. The ultrafast conversion method according to any one of claims 1 to 4, wherein: 極短光パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に変換する装置であって、信号パルスの入力部と、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを発生するゲートパルス発生装置と、前記信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶と、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられた第2次高調波光を分光する分散素子と、分光された高調波光の像を形成する像形成部とを備えたことを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置。A device that converts the temporal change of the spectrum of an ultrashort light pulse into a two-dimensional spatial distribution of the time axis and the spectrum axis, and generates a signal pulse input section and a gate pulse that is spatially given a time delay. A gate pulse generator, a condensing part for condensing pulses sent from the signal pulse input part and the gate pulse generator, and a nonlinear crystal arranged so as to make incident the pulsed light that has passed through the condensing part, From a time signal, comprising: a dispersive element for dispersing second harmonic light emitted by satisfying phase matching conditions in the nonlinear crystal; and an image forming unit for forming an image of the dispersed harmonic light. Ultra-high-speed converter for two-dimensional spatial signals. 前記ゲートパルスの進行方向が、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量が該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なることを特徴とする請求項6に記載の超高速変換装置。The traveling direction of the gate pulse is parallel to the traveling direction of the signal pulse, and the time delay amount in the gate pulse is different in a spatial direction perpendicular to the traveling direction of the gate pulse and the alignment direction of the signal pulse. The ultrahigh-speed conversion device according to claim 6, wherein 前記集光部材による集光が、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれることを特徴とする請求項7に記載の超高速変換装置。8. The ultra high-speed conversion device according to claim 7, wherein the condensing by the condensing member is performed in a spatial direction given a time delay in the gate pulse. 前記集光部材を経ることにより、前記信号パルスが平行光とされ、前記ゲートパルスが収束光とされることを特徴とする請求項6から8のいずれかに記載の信号変換装置。9. The signal conversion apparatus according to claim 6, wherein the signal pulse is converted into parallel light and the gate pulse is converted into convergent light by passing through the light collecting member.
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