JPH04331334A - 光パルス幅測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光パルス幅測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超短光パルスの応用技術が進展し
、パルス光自体の位相特性の詳細な測定が要求されるよ
うになってきている。

【０００３】超短光パルスの測定は、従来は、ストリー
クカメラにより行われていたが、ストリークカメラの時
間分解能はサブピコ秒程度であって、超短光パルスの詳
細な測定には不十分である。

【０００４】そのため、ストリークカメラに代わる測定
技術として、時間分解能が光−電気変換の応答速度によ
って制限されない相関測定法が開発されている。

【０００５】特にチャーピングのある光パルスを測定す
るためには、非線形相関測定が必要である。

【０００６】この非線形相関法は、現在フェムト秒領域
まで適用できる唯一の方法であって、中でも２次の非線
形光学効果を応用し２次の相関関数を測定するＳＨＧ相
関法がよく用いられている。

【０００７】ＳＨＧ相関法の基本型は、２つの被測定超
短光パルス間に可変遅延を与えた後、ＳＨＧ結晶に重ね
て入射し、発生するＳＨＧ光の強度を遅延時間の関数と
して測定するものである。

【０００８】ここで、同じパルス同士の相関（自己相関
）測定の場合には、可変遅延を与えるためにマイケルソ
ン干渉計が用いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のようなＳＨＧ自
己相関法は、ＳＨＧ結晶を用いなければならないので、
結晶の透過波長特性により測定される光パルスの波長域
が限定されてしまうという問題点がある。

【００１０】又、ＳＨＧ結晶を透過した基本波成分を取
り除くためにフィルタが必要であるという問題点がある
。

【００１１】更に、ＳＨＧ結晶は高価であると共に、例
えばＫＤＰは潮解性があるため、保管にディシケータを
用いる必要があり、取り扱いに十分注意する必要がある
。

【００１２】又、照明下で用いた場合は光検出器に照明
光が入って、バックグラウンドが上がってしまう。

【００１３】更に、光パルスの結晶への入射角度等のア
ライメントが必要となるという問題点がある。

【００１４】この発明は、上記従来の問題点に鑑みてな
されたものであって、ＳＨＧ結晶等の非線形媒質を用い
る必要がなく、又測定対象となる光パルスの波長域が限
定されず、更に、照明下で用いてもバックグラウンドが
上がることがなく、検出系の入射角度等のアライメント
が不要となり、装置全体を小型化することができる光パ
ルス幅測定装置を提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、入射される
被測定光パルスを分割して、一方を遅延させて、他方と
干渉させる遅延機構付干渉計と、２以上の光子を吸収し
て１の光電子を放出する多光子吸収型光電面を備え、前
記遅延機構付干渉計からの光を光電変換する電子管と、
この電子管の出力する信号の自己相関波形における相関
幅を検出する解析装置と、を有してなる光パルス幅測定
装置により上記目的を達成するものである。

【００１６】又、請求項１において、前記電子管は、光
電子増倍機構を備えたものとしてもよい。

【００１７】又、請求項１又は２において、前記遅延付
干渉計への被測定光入射側に、進行波型光増幅器を配置
してもよい。

【００１８】又、請求項１、２、３において、光電面を
蒸着する面板の蒸着する側を粗面状態にした電子管を用
いてもよい。

【００１９】

【発明の作用及び効果】この発明においては、非線形光
学結晶を用いることなく、多光子吸収型の光電面を備え
た電子管を設けて、非線形光学結晶を用いた際に得られ
る、高次高調波を検出した際に得られる電気信号と同等
の光電子信号を得て、更に、この電子管出力信号の自己
相関波形における相関幅を検出する解析装置を設けてい
るので、被測定光パルスの波長域が限定される範囲が小
さくなり、更に、照明下で用いてもバックグラウンドが
上がらず、光パルスの入射角度等のアライメントが不要
となる。又、例えば、結晶の波長透過特性が悪いためＳ
ＨＧ光が得られないような短波長の相関波形を得ること
ができる。

【００２０】又、従来の装置における非線形光学結晶と
光電子増倍管等の検出部が一体となった構成であるので
、装置全体を小型化することができる。

【００２１】又、請求項２のように、電子管に光電子増
倍機構を備えることにより、出力を大幅に向上させるこ
とができ、Ｓ／Ｎを増大させることができる。

【００２２】更に又、請求項３のように、遅延付干渉計
への測定光入射側に進行波型光増幅器を配置することに
よって、出力を増大し、ひいてはＳ／Ｎを飛躍的に増大
させることができる。この進行波型光増幅器は、フェム
ト秒パルス光の増幅ができるので、フェムト秒パルス光
の測定も可能となる。

【００２３】又、請求項４のように、光電面を蒸着する
面板の蒸着する側を粗面状態にするこより、多光子吸収
による光電子放出の確率を高めることができる。

【００２４】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。

【００２５】図１に本発明に係る光パルス幅測定装置の
基本的実施例を示す。

【００２６】この基本的実施例に係る光パルス幅測定装
置１０は、入射される被測定光パルスを分割して一方を
遅延させて、他方と干渉させる遅延機構付干渉計１２と
、２以上の光子を吸収して１の光電子を放出する多光子
吸収型光電面を備え、前記遅延機構付干渉計１２からの
光を光電変換する電子管１４と、この電子管１４の出力
する信号の自己相関波形における相関幅を検出する解析
装置１６と、前記解析装置１６及び遅延機構付干渉計１
２を制御するための制御装置１８と、を備えて構成され
ている。

【００２７】図２に、前記図１の基本的構成についての
具体的実施例を示す。

【００２８】この実施例では、遅延付干渉計として、加
振器２０を備えたマイケルソン型干渉計２２と、電子管
として光電子増倍管２４と、解析結果を表示する表示装
置を備えた解析装置１６と、干渉計の加振器並びに解析
装置１６を制御する制御装置１８と、を設けている。

【００２９】前記マイケルソン型干渉計２２は、被測定
光の入射光軸と直交して配置された第１のミラー２２Ａ
と、入射光軸と光電子増倍管２４の光軸との交点上に配
置されたハーフミラー２２Ｂと、光電子増倍管２４の入
射光軸を直交して配置された第２のミラー２２Ｃとを備
えてなり、第２のミラー２２Ｃは、前記加振器２０によ
り、光電子増倍管２４の入射光軸に沿って振動され、こ
れによって遅延を与えるようになっている。

【００３０】このマイケルソン型干渉計２２においては
、被測定光パルスがハーフミラー２２Ｂに入射され、こ
のハーフミラー２２Ｂで第１のミラー２２Ａ及び第２の
ミラー２２Ｃに分割され、それぞれの反射光が再びハー
フミラー２２Ｂで併合されるときに、第２のミラー２２
Ｃに与えられた振動により、ハーフミラー２２Ｂで分割
された光パルスの光路差が決定される。符号２３はレン
ズを示す。

【００３１】前記光電子増倍管２４は、光電子増倍機構
としてマイクロチャンネルプレート（以下ＭＣＰ）２４
Ａを備え、又、光電面２４ＢはＣｓ　Ｉから形成されて
いる。符号２４Ｃは電子レンズ、２４Ｄはアノードを示
す。

【００３２】次に上記実施例の作用について説明する。

【００３３】ここでは、被測定光パルスは６２０ｍｍ近
傍の波長のものを考える。

【００３４】被測定光パルスをハーフミラー２２Ｂから
マイケルソン型干渉計２２に入射する。入射光パルスは
ハーフミラー２２Ｂで分割され、一方は第１のミラー２
２Ａに直進し、ここで反射された後、再びハーフミラー
２２Ｂに戻る。

【００３５】ハーフミラー２２Ｂで反射された光パルス
は、第２のミラー２２Ｃで反射された後、再びハーフミ
ラー２２Ｂに戻る。

【００３６】これらの反射光は、ハーフミラー２２Ｂで
反射され又はこれを透過することによって、光電子増倍
管２４の光電面２４Ｂに入射する。

【００３７】このとき、第２のミラー２２Ｃは加振器２
０によって光電子増倍管２４への入射光軸に沿って振動
されているので、第２のミラー２２Ｃからの反射光は、
第１のミラー２２Ａからの反射光に対して可変遅延を与
えられることになる。

【００３８】この状態を図３に示す。

【００３９】光は電磁波であるから、もし図３における
遅延時間τ０　が被測定光の波長λによって決まる時間
周期λ／Ｃ（Ｃは光速）の整数倍であれば、図３におけ
る２つの光パルスの干渉によって、両者が重なり合って
いる部分は強め合うことになる（図４のプロァイル）。

【００４０】逆に遅延時間τ０　がλ／Ｃの整数倍と半
周期分ずれていると、両者は重なり合っている部分にお
いて弱め合うことになる（図５のプロファイル）。

【００４１】前述のように、加振器２０によって第２の
ミラー２２Ｃをスキャンして遅延時間を変えていくと、
前記図４及び図５のプロファイルが交互に発生して、更
に遅延時間をパルス幅以上に大きくすると、２つのパル
スは重なる部分がなくなり、干渉が生じなくなる。

【００４２】前記図３に示される２つの光パルスは、光
電子増倍管２４の光電面２４Ｂに入射することによって
、光電子を発生させる。

【００４３】この光電面２４Ｂは、被測定光の波長域で
は、２光子を吸収して１光電子を放出する２光子吸収型
として動作するので、被測定光強度の２乗に比例した光
電子出力が得られる。ここで用いている電子管の応答時
間は、被測定光パルスの幅と比較して十分遅いため、光
電子増倍管２４からの出力電流は、応答時間程度の時定
数で積分されたものが出力される。この出力光電流を遅
延時間τの関数として表示すると図６に示した様な相関
波形が得られる。

【００４４】この実施例の場合は、ＳＨＧ結晶で変換し
なくても、光電面２４Ｂで発生される光電子から、光パ
ルス幅を評価するのに利用できる、図６に示されるよう
な自己相関波形を得ることができる。

【００４５】この図６の自己相関波形のブリッジ成分と
バックグラウンド成分を除去した波形の半値幅が、被測
定光パルスの幅に対応している。

【００４６】従って、解析装置１６では、図６のような
相関波形の半値幅を検出し、これに基づいて光パルス幅
を出力し、表示装置に表示すればよいことになる。

【００４７】なお、表示装置２６は、図６で得られた相
関波形そのものを表示するようにした場合、レーザー発
振の安定性、発振状態を常時モニターすることができる
。

【００４８】なお上記実施例において、遅延機構付干渉
計はマイケルソン型干渉計２２とされているが、本発明
はこれに限定されるものでなく、例えば図７のマッハツ
ェンダー型干渉計２８であってもよい。図７のＨＭ１　
、ＨＭ２　はハーフミラー、Ｍ１、Ｍ２　はミラー、Ｐ
はプリズムをそれぞれ示す。

【００４９】前記実施例においては、光電面２４Ｂが２
光子を吸収し１つの光電子を発生させる、いわゆる２光
子吸収型として、ＳＨＧ結晶により、ＳＨＧ光を発生し
た場合と同様の結果を得ているが、原理的には、更に多
光子吸収現象を利用した高次相関波形の測定も可能であ
る。

【００５０】例えば前述の光電面２４ＢがＡｕ　の場合
、波長６２０ｎｍのときは、得られる光電子は３光子吸
収となるので、この場合の発生光電子数は入射光強度の
３乗に比例することになる。これは従来ＴＨＧ結晶で得
られるものと同様の結果となる。

【００５１】又、高次相関法を用いると、その相関波形
はより現実のパルス波形を反映することになり、正確な
測定をすることができる。又、電子管の光電面２４Ｂが
蒸着される基板（通常はガラス面板）の蒸着面側を粗面
状態にしてもよく、この場合、光電面２４Ｂにおける光
−電子の変換効率を飛躍的に向上できる。

【００５２】上記実施例においては、電子管として光電
子増倍管２４を用いているが、これは光電面２４Ｂが多
光子吸収効果を有すればよく、光電子増倍管に限定され
ない。増倍機構としては、ＭＣＰに限定されるものでな
く、ダイノード群であってもよい。

【００５３】又、上記実施例では、被測定光をそのまま
遅延機構付干渉計に入射しているが、例えば、図２に二
点鎖線で示されるように、進行波型光増幅器（以下ＴＷ
Ａ）３０を設けるとよい。

【００５４】このように、ＴＷＡを前置すると、該ＴＷ
Ａ３０はフェムト秒パルスの増幅が可能であり、且つ、
上記実施例装置はフェムト秒パルスの測定ができ、更に
光出力は入射光強度の２乗に比例するため、Ｓ／ＮはＴ
ＷＡ３０を配置することによって飛躍的に増大する。

【００５５】更に、上記実施例に対して、二点鎖線で示
されるように、マイケルソン型干渉計２２と光電子増倍
管２４の間にチョッパー３２を設けると共に、光電子増
倍管２４の出力を増幅するロックインアンプ３４を設け
て、ロックイン検出することによって、更にＳ／Ｎを改
善することができる。

【００５６】ここで、チョッパー３２を設ける代わりに
、光電子増倍管のダイノード電圧を電気的にチョッピン
グするようにしてもよい。

【００５７】又、ＴＷＡを含む構成の時は、チョッパー
３２を設ける代わりに、ＴＷＡに加える電流をチョッピ
ングしてもよい。

【００５８】更に、前記図２の実施例における干渉計は
、ハーフミラー２２Ｂによって被測定光の分岐と合波の
両方を行っているが、図８に示す様に、分岐のみハーフ
ミラーＨＭ３　で行い、合波は、レンズ２３によって、
光電面で重なる様にしてもよい。図８の符号Ｍ３　はミ
ラー、Ｐ１　、Ｐ２　はプリズムをそれぞれ示す。

【００５９】図２の実施例の場合は被測定光からの光の
半分が光源に戻ってしまい、測定に関与する光が半分失
われてしまうが、図８の構成を用いると被測定光を全て
パルス幅測定に使うことができる。

【００６０】なお、上記各実施例には、金、Ｃｓ　Ｉの
２種類の光電面の光電管を挙げているが、これらに限ら
ない。被測定光の波長感度をもたず、これよりも短波長
領域に波長感度を有するものであれば、いずれも使うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る光パルス幅測定装置の基
本的構成を示すブロック図である。

【図２】図２は、本発明の光パルス幅測定装置の具体的
実施例を示すブロック図である。

【図３】図３は、遅延機構付干渉計からの出力光の状態
を示す線図である。

【図４】図４は、同出力光の変化状態を示す線図である
。

【図５】図５は、同出力光の変化状態を示す線図である
。

【図６】図６は、本発明の光パルス幅測定装置における
自己相関波形を示す線図である。

【図７】図７は、前記実施例の光パルス幅測定装置に用
いるマッハツェンダー型干渉計を示す光学配置図である
。

【図８】図８は、干渉計の他の実施例を示す光学配置図
である。

【符号の説明】

１０…光パルス幅測定装置、 １２…遅延機構付干渉計、 １４…電子管、 １６…解析装置、 １８…制御装置、 ２０…加振器、 ２２…マイケルソン型干渉計、 ２２Ａ…第１のミラー、 ２２Ｂ…ハーフミラー、 ２２Ｃ…第２のミラー、 ２４…光電子増倍管、 ２４Ａ…マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）、２４
Ｂ…光電面、 ２６…表示装置、 ２８…マッハツェンダー型干渉計、 ３０…進行波型光増幅器（ＴＷＡ）、 ３４…ロックインアンプ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入射される被測定光パルスを分割して、一
   方を遅延させて、他方と干渉させる遅延機構付干渉計と
   、２以上の光子を吸収して１の光電子を放出する多光子
   吸収型光電面を備え、前記遅延機構付干渉計からの光を
   光電変換する電子管と、この電子管の出力する信号の自
   己相関波形における相関幅を検出する解析装置と、を有
   してなる光パルス幅測定装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記電子管は光電子増
   倍機構を備えたものであることを特徴とする光パルス幅
   測定装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記遅延機構付
   干渉計への被測定光入射側に、進行波型光増幅器を配置
   したことを特徴とする光パルス幅測定装置。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３において、光電面を蒸
   着する面板は、光電面を蒸着する側を粗面状態としたも
   のであることを特徴とする光パルス幅測定装置。