CN108885138B - 脉冲光的波形测量方法及波形测量装置 - Google Patents
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Abstract
波形测量方法中，首先，将初始脉冲光(Lp)按每一个波长在空间上分散。其次，在偏振依赖型的SLM中使偏振面相对于调制轴方向倾斜的状态下，将初始脉冲光(Lp)输入至SLM，对沿调制轴方向的初始脉冲光(Lp)的第一偏振分量的相位光谱进行调制，由此，使由第一偏振分量构成的第一脉冲光(Lp1)、与由正交于该第一偏振分量的初始脉冲光(Lp)的第二偏振分量构成的第二脉冲光(Lp2)之间产生时间差。将各波长分量合成之后，向对象物(24)照射脉冲光(Lp1)、脉冲光(Lp2)，并检测产生于对象物(24)的光。一边变更脉冲光(Lp1)、脉冲光(Lp2)的时间差，一边进行上述检测处理，根据检测结果求出脉冲光(Lp1)的时间波形。由此，实现能够减少因对象脉冲光与参照脉冲光的干涉引起的噪声的脉冲光的波形测量方法及波形测量装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲光的波形测量方法及波形测量装置。
背景技术
专利文献1中公开了使用空间光调制器产生具有时间差的多个脉冲光分量的系统。该系统中，通过对空间光调制器上呈现的调制图案进行控制，而产生多个脉冲光分量。然后，对非线性光学结晶照射多个脉冲光分量，一边对非线性光学结晶中所产生的光进行检测，一边变更脉冲光分量的时间间隔，由此，求出相关波形。
[现有技术文献]
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2010/0187208号
[非专利文献]
非专利文献1：Rick Trebino et al.,“用频率分辨光学开关法测量超短激光脉冲的时频域(Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain usingfrequency-resolved optical gating)”,《科学仪器综述(Review of ScientificInstruments)》,Vol.68No.9,pp.3277-3295(1997)
发明内容
[发明所要解决的技术问题]
近年来，利用时间宽度极短(例如，几飞秒～几皮秒程度)的超短脉冲光的激光加工或显微镜等的开发有所进展。另外，利用非线性光学效应的信息通信系统的开发也有所进展。这些领域中，期望开发出产生所需的时间强度波形的超短脉冲光的技术，为此，必须对超短脉冲光的波形进行测量。
作为对超短脉冲光的波形进行测量的方法，例如，有如下方法。即，对非线性光学结晶类的对象物照射测量对象即脉冲光(以下，称作“对象脉冲光”)及参照脉冲光，并对从对象物出射的光(二次谐波等)的强度进行检测，由此，求出对象脉冲光与参照脉冲光的时间上的重叠度。接着，一边改变对象脉冲光与参照脉冲光之间的时间差，一边反复进行这种处理，基于所获得的对象脉冲光与参照脉冲光的关联性而获得对象脉冲光的时间强度波形。
在进行如上所述的超短脉冲光的时间强度波形的测量时，为了产生相互具有时间差的对象脉冲光及参照脉冲光，有时使用空间光调制器。然而，在使用具有偏振依赖性的液晶型的空间光调制器的情况下，为了提高调制效率，一般而言，将朝向空间光调制器的输入光设为直线偏振光，并使其偏振方向与液晶的取向方向一致。其结果，存在如下问题：即，由于对象脉冲光及参照脉冲光的偏振方向相互一致，在使这些重叠时会产生干涉，从而在测量结果中产生噪声。
实施方式的目的在于提供一种脉冲光的波形测量方法及波形测量装置。
[解决技术问题的技术手段]
本发明的实施方式涉及脉冲光的波形测量方法。脉冲光的波形测量方法包括如下步骤，时间差产生步骤：将初始脉冲光按每一个波长在空间上分散，在使偏振面相对于能够在偏振依赖型的空间光调制器中获得调制作用的偏振方向倾斜的状态下，将分散后的初始脉冲光输入至空间光调制器，对沿该偏振方向的初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量的初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；光检测步骤：向对象物照射第一脉冲光及第二脉冲光，并对因该照射而产生于对象物的光进行检测；及解析步骤，一边变更时间差产生步骤中的第一脉冲光与第二脉冲光的时间差，一边进行光检测步骤，基于各光检测步骤的检测结果而求出第一脉冲光的时间强度波形。
另外，本发明的实施方式涉及脉冲光的波形测量装置。脉冲光的波形测量装置具备：调制部，其具有偏振依赖型的空间光调制器，在使偏振面相对于能够在该空间光调制器中获得调制作用的偏振方向倾斜的状态下，将在空间上分散后的初始脉冲光输入至空间光调制器，对沿偏振方向的初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量的初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；光检测部，其对通过向对象物照射第一脉冲光及第二脉冲光而产生于对象物的光进行检测；及运算部，其基于每次变更第一脉冲光与第二脉冲光的时间差所获得的光检测部的检测结果而求出第一脉冲光的时间强度波形。
这些方法及装置中，初始脉冲光按每一个波长分量在空间上分散后，对每一个波长进行调制。之后，将各波长分量合成。因此，通过对空间光调制器上呈现的相位图案进行控制，从而能够赋予任意的时间延迟。而且，在这些方法及装置中，空间光调制器是偏振依赖型，输入至空间光调制器的初始脉冲光的偏振面相对于空间光调制器具有调制作用的偏振方向是倾斜的。即，沿偏振方向的初始脉冲光的第一偏振分量被调制，而与第一偏振分量正交的初始脉冲光的第二偏振分量不易被调制。
因此，例如，通过对第一偏振分量赋予时间延迟，从而在包括第一偏振分量的第一脉冲光(对象脉冲光)与包括第二偏振分量的第二脉冲光(参照脉冲光)之间产生时间差。然后，一边变更第一脉冲光与第二脉冲光的时间差，一边对来自对象物的光进行检测。由此，可使用例如交叉相关法等良好地求出第一脉冲光的时间强度波形。而且，在这些方法及装置中，第一脉冲光的偏振方向与第二脉冲光的偏振方向互不相同，因此，第一脉冲光与第二脉冲光不会产生干涉。因此，能够有效地减少因干涉引起的噪声，从而能够精度良好地求出第一脉冲光的时间强度波形。
[发明效果]
根据实施方式的脉冲光的波形测量方法及波形测量装置，能够减少因对象脉冲光与参照脉冲光的干涉而引起的噪声。
附图说明
图1是示意性地表示一实施方式的波形测量装置的构成的图。
图2是表示光脉冲整形部(脉冲整形器(pulse shaper))的构成的图。
图3表示：(a)从光源输出的脉冲光的时间波形的一例；(b)从空间光调制器输出的2个脉冲光分量的时间波形的一例；及(c)时间波形互不相同且具有时间差的2个脉冲光分量的时间波形的一例。
图4是示意性地表示空间光调制器的调制面的图。
图5是表示波形测量方法的流程图。
图6表示：(a)对第一脉冲光赋予的光谱波形；(b)第一脉冲光及第二脉冲光的时间强度波形；及(c)(b)所示的各脉冲光分量的偏振方向。
图7是表示自相关波形的例的曲线图。
图8表示：(a)对第一脉冲光赋予的光谱波形；(b)第一脉冲光及第二脉冲光的时间强度波形；及(c)(b)所示的各脉冲光分量的偏振方向。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边对脉冲光的波形测量方法及波形测量装置的实施方式进行详细说明。另外，在附图说明中，对相同的要素标注相同的符号，并省略重复说明。
图1是示意性地表示一实施方式的波形测量装置1A的构成的图。
图2是表示波形测量装置1A所具备的光脉冲整形部(脉冲整形器(pulse shaper))10A的构成的图。如图1所示，该波形测量装置1A具备光源21、偏振控制部22、光脉冲整形部10A、聚光光学系统23、对象物24、光检测部25及运算部26。另外，如图2所示，光脉冲整形部10A具有分束器11、分散元件12、聚光光学系统13及空间光调制器(Spatial LightModulator，SLM)14。
光源21输出例如激光这样的相干(coherent)的脉冲光Lp(初始脉冲光)。光源21例如由钛蓝宝石激光器或YAG(Yttrium Aluminum Garnet，钇铝石榴石)激光器等固体激光器、光纤激光器、或半导体激光器而构成。脉冲光Lp是超短脉冲光，脉冲光Lp的时间宽度例如为1fs～100ps。脉冲光Lp的波长例如为200nm～2000nm。脉冲光Lp具有直线偏振(偏振方向A1)。图3(a)表示从光源21输出的脉冲光Lp的时间强度波形的一例。图3(a)的纵轴表示光强度。
偏振控制部22是与光源21光学地进行耦合并使输入至SLM14的脉冲光Lp的偏振面旋转的光学元件。由此，输入至SLM14的脉冲光Lp包含偏振方向A1的偏振分量及与偏振方向A1交叉的偏振方向A2的偏振分量。偏振方向A2例如与偏振方向A1正交。作为偏振控制部22，例如可以使用λ/2板等的波长板、偏振元件、法拉第旋转器、可变旋转器、偏振调制型SLM等。进一步，优选偏振控制部22的偏振面旋转角是可变的。
光脉冲整形部10A是本实施方式中的调制部，将所输入的脉冲光Lp分离为偏振面相互正交的脉冲光分量，即，第一脉冲光Lp1(对象脉冲光、第一子脉冲光)及第二脉冲光Lp2(参照脉冲光、第二子脉冲光)。另外，光脉冲整形部10A将脉冲光Lp1控制为任意的时间强度波形，且赋予时间差。
具体而言，在光脉冲整形部10A中，分束器11、分散元件12、聚光光学系统13及SLM14按照该顺序光耦合。分束器11使从偏振控制部22输入的脉冲光Lp透过。分散元件12使脉冲光Lp按每一个波长在空间上分散(分光)。在图2中，为了便于理解而示出6个波长分量Lλ1～Lλ6。作为分散元件12，例如，可以应用衍射光栅或棱镜等各种分散元件。另外，分散元件12可以是反射型或透过型的任一种。
聚光光学系统13使从分散元件12按每一个波长分量向不同方向输出的各波长分量Lλ1～Lλ6的传播方向相互一致，并且使各波长分量Lλ1～Lλ6分别向SLM14聚光。具体而言，聚光光学系统13至少在包含分散元件12的波长分散方向的平面内具有透镜光学能力。作为这种聚光光学系统13，例如，可以使用透镜或柱面透镜。另外，作为聚光光学系统13，并不限定于透过型的透镜，例如，也可以使用凹面镜等反射型的透镜。
SLM14是相位调制型(或相位-强度调制型)SLM，对分散后的脉冲光Lp按每一个波长进行调制。即，SLM14的调制面14a包含与多个波长分量分别对应的多个调制区域，这些调制区域沿分散元件12的分散方向排列。而且，各波长分量Lλ1～Lλ6输入至对应的调制区域，根据该调制区域中呈现的调制图案分别独立地得到调制。另外，SLM14可以是反射型及透过型的任一种(图中例示反射型)。另外，SLM14可以是一维型空间光调制器及二维型空间光调制器中的任一种。
另外，SLM14具有偏振依赖性，对某偏振分量具有调制作用，但对该偏振分量以外的偏振分量不具有调制作用。作为不具有调制作用的偏振分量，例如，可列举与被调制的偏振分量正交的其他偏振分量。作为一例，SLM14是液晶型(Liquid Crystal on Silicon(硅基液晶)，LCOS)的SLM。液晶型SLM使用液晶的双折射性进行相位调制，因此，只有沿液晶的取向方向的偏振分量得到调制，而与该偏振分量正交的偏振分量不被调制。
图4是示意性地表示SLM14的调制面14a的图。此处，定义具有调制作用的方向(调制轴方向)X及不具有调制作用的方向(非调制轴方向)Y。调制轴方向X与非调制轴方向Y相互正交，调制轴方向X与液晶的取向方向一致。
输入至SLM14的脉冲光Lp的偏振方向向量E(其中，向量的大小相当于光强度)被偏振控制部22旋转后，相对于调制轴方向X倾斜。因此，沿调制轴方向X的第一偏振分量EMO被SLM14调制，但沿与调制轴方向X正交的非调制轴方向Y的第二偏振分量ENON未被调制而直接在SLM14进行反射(或透过)。因此，使SLM14呈现时间上延迟(或提前)的相位图案而对第一偏振分量EMO的相位光谱进行控制，由此，在包括第一偏振分量EMO的第一脉冲光Lp1与包括第二偏振分量ENON的第二脉冲光Lp2之间产生时间差。图3(b)是表示从SLM14输出的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的时间强度波形的一例。
关于第一偏振分量EMO及第二偏振分量ENON，可以使用脉冲光Lp的偏振面相对于调制轴方向X的旋转角θ以下述计算式表示。即，通过在偏振控制部22中操作旋转角θ，而能够对脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的强度比进行操纵。当旋转角θ为45°的情况下，脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的光强度相互相等。
EMO＝Ecosθ
ENON＝Esinθ
另外，SLM14也可以重叠于使第一偏振分量EMO在时间上延迟(或提前)的相位图案，进一步呈现使脉冲光Lp1的时间强度波形变化的相位图案。即，在各波长分量Lλ1～Lλ6的波长已知的情况下，能够计算出用以形成所需的时间强度波形的相位光谱及强度光谱，因此，通过使SLM14呈现基于所计算出的相位光谱及强度光谱的相位图案而对各波长分量Lλ1～Lλ6进行调制，从而能够输出所需的时间强度波形的脉冲光Lp1。在该情况下，如图3(c)所示，能够容易地产生时间强度波形互不相同且具有时间差的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2。另外，脉冲光Lp1的时间强度波形能够被整形为任意的波形，例如；可以扩大脉冲光Lp1的时间宽度；将脉冲光Lp1进一步分割为多个脉冲光分量(脉冲序列(pulse train)；或者制成啁啾脉冲(chirp pulse)等。
从SLM14输出的各波长分量Lλ1～Lλ6再次通过聚光光学系统13。此时，聚光光学系统13将各波长分量Lλ1～Lλ6分别向不同的方向输出，使各波长分量Lλ1～Lλ6在分散元件12中在空间上重叠，并且使各波长分量Lλ1～Lλ6分别平行化。分散元件12将调制后的脉冲光Lp1的各波长分量Lλ1～Lλ6合成，并且将脉冲光Lp2的各波长分量Lλ1～Lλ6合成。合成后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2在分束器11反射，朝与脉冲光Lp的输入方向不同的方向输出。
另外，在本实施方式中，例示了分散元件12及聚光光学系统13进行分散及合成这两个处理的形态，但分散及合成也可以分别由不同的元件进行。例如，通过将SLM14设为透过型，并在SLM14的后段配置分散元件及聚光光学系统，从而能够实施这种形态，其中，该分散元件将透过SLM14的各波长分量Lλ1～Lλ6向不同方向输出，该聚光光学系统使所输出的各波长分量Lλ1～Lλ6在空间上重叠，并且使各波长分量Lλ1～Lλ6分别平行化。
另外，也可以将从SLM14输出的各波长分量Lλ1～Lλ6向聚光光学系统23导光，通过利用聚光光学系统23进行的聚光而产生脉冲光Lp1、脉冲光Lp2。进一步，在本实施方式中，使用分束器11对脉冲光Lp与脉冲光Lp1、脉冲光Lp2进行分离，但是，例如，通过使各波长分量Lλ1～Lλ6相对于调制面14a的输入方向相对于调制面14a的法线倾斜，可以在不使用分束器11的情况下对脉冲光Lp与脉冲光Lp1、脉冲光Lp2进行分离。
聚光光学系统23设置于光脉冲整形部10A与对象物24之间，朝向对象物24将脉冲光Lp1、脉冲光Lp2聚光。通过该聚光光学系统23的作用，使脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的聚光点形成于对象物24的任意的位置(例如，对象物24的内部或表面)。
对象物24受到脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的照射，并相应于这些脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的重叠而产生光。在对象物24中，根据脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的重叠的程度，所产生的光的强度会发生变化。对象物24例如为非线性光学结晶，非线性光学结晶例如为GaAs、GaP、ZnTe、KDP、BBO、BIBO、LiNbO3、KTP、LBO、或CLBO。
或者，作为对象物24，可以优选地使用玻璃、聚合物、生物细胞(蛋白质、脂质、钙离子等)、稀有气体(例如，氙气或氩气等)、半导体(例如，硅或锗、石墨烯等)、金属(例如，金或银等)、空气、萤光物质(例如，罗丹明、GFP(Green Fluorescent Protein，绿色萤光蛋白)、RFP(Red Fluorecent Protein，红色萤光蛋白)、Alexa Fluor(注册商标)488等)、量子点、水等。另外，对象物24中所产生的光例如为二次谐波、三次谐波、高次谐波、和频波、差频波、拉曼散射光中的任一种。另外，即便是在同时产生多种光分量的情况下，由于各自的波长不同，因此也能够通过波长滤波器进行分离。
光检测部25是对通过向对象物24照射脉冲光Lp1、脉冲光Lp2而产生于对象物24的光进行检测的光检测器。作为光检测部25，例如使用检测产生于对象物24的光的强度的光电倍增管或雪崩光电二极管等的光电二极管，或者检测产生于对象物24的光的强度光谱的分光器等。
运算部26电连接于偏振控制部22及光脉冲整形部10A，对偏振控制部22及光脉冲整形部10A进行控制。另外，运算部26电连接于光检测部25，对从光检测部25输出的检测信号进行处理。运算部26是运算处理电路或具有运算处理电路的电脑。运算部26例如为个人电脑、智能装置、微电脑、或云端服务器等。
运算部26根据需要对偏振控制部22中的偏振面旋转角进行控制，由此变更脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的强度比。另外，运算部26对SLM14的相位图案进行控制，由此，变更脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差。进一步，运算部26基于每次变更脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差所获得的光检测部25的检测结果而求出脉冲光Lp1的时间强度波形。
在此，对使用波形测量装置1A的本实施方式的波形测量方法进行详细说明。图5是表示波形测量方法的流程图。首先，从光源21输出脉冲光Lp(光输出步骤S1)。脉冲光Lp的复合电场由以下计算式(1)表示。I(t)表示电场的强度波形，Φ(t)表示时间相位，ω0表示中心角频率。
[计算式1]
其次，进行时间差产生步骤S2。首先，通过偏振控制部22使从光源21输出的脉冲光Lp的偏振面旋转(偏振控制步骤S21)。由此，脉冲光Lp被转换为由以下计算式(2)表示的具有任意的偏振面的脉冲光。另外，在计算式(2)中，ex、ey分别为与调制轴方向X、非调制轴方向Y平行的向量(|ex|＝|ey|＝1)。右边的第一项及二项分别相当于第一偏振分量EMO及第二偏振分量ENON。
[计算式2]
接着，通过分散元件12将脉冲光Lp按每一个波长在空间上分散(分散步骤S22)。然后，使用偏振依赖型的SLM14对分散后的脉冲光Lp的相位光谱按每一个波长进行调制(调制步骤S23)。此时，使输入至SLM14的脉冲光Lp的偏振面相对于调制轴方向X倾斜，对沿调制轴方向X的脉冲光Lp的第一偏振分量EMO的相位光谱进行调制，由此，在第一偏振分量EMO与第二偏振分量ENON之间产生时间差。由此，产生脉冲光Lp2及相对于脉冲光Lp2具有时间差的脉冲光Lp1。
另外，在该步骤中，也可以以将脉冲光Lp1的时间强度波形转换为任意波形的方式进一步调制第一偏振分量EMO的相位光谱。其后，将调制后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的各波长分量Lλ1～Lλ6通过分散元件12合成(合成步骤S24)。
上述调制步骤S23中，使第一偏振分量EMO延迟时间τ的情况下，合成后的复合电场由以下计算式(3)表示。
[计算式3]
计算式(3)的右边第一项(第一偏振分量EMO)受调制的影响而延迟，但第二项(第二偏振分量ENON)由于未被调制而不延迟。因此，经调制的脉冲光Lp1与未经调制的脉冲光Lp2在时间上分离。进一步，如果进行用以转换为任意的时间强度波形的控制，则复合电场成为以下计算式(4)。I'(t)表示转换后的时间强度波形，Φ'(t)表示转换后的时间相位。
[计算式4]
计算式(4)表示已转换为任意波形的脉冲光Lp1与保持脉冲光Lp的波形的脉冲光Lp2在时间上分离的情况。
进一步，向对象物24照射脉冲光Lp1、脉冲光Lp2，并通过光检测部25对起因于这些照射的重叠而产生于对象物24的光进行检测(光检测步骤S3)。例如，在对象物24为Type II的非线性光学结晶的情况下，如果脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的照射重叠，则产生二次谐波(Second Harmonic Generation(二次谐波产生)，SHG光)。
运算部26对SLM14进行控制，由此，一边变更(扫描)调制步骤S23中的脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差(即，脉冲光Lp1的延迟时间τ)，一边将光输出步骤S1、时间差产生步骤S2及光检测步骤S3反复进行多次(步骤S4)。接着，运算部26基于多次光检测步骤S3的检测结果而求出脉冲光Lp1的时间强度波形(解析步骤S5)。
例如，如果一边一点一点地变更延迟时间τ一边对SHG光的强度进行检测，则获得以下计算式(5)。
[计算式5]
计算式(5)表示脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的相关波形。一般而言，初始脉冲光Lp的波形为sech函数型或高斯型，因此，所获得的相关波形成为接近于经复杂转换的脉冲光Lp1的时间强度波形的波形。在初始脉冲光Lp产生畸变或者因透镜等光学元件而产生畸变的情况下，使用衍射光栅对或啁啾镜等对畸变进行补偿即可。
另外，根据上述相关波形，能够获得脉冲光Lp1的时间强度波形，但无法获得相位信息。因此，如果将光检测部25设为分光器而获得SHG光的强度光谱，则成为以下计算式(6)。
[计算式6]
该计算式(6)被称作FROG(Frequency Resolved Optical Gating，频率分辨光学开关)踪迹，根据该数据能够求出相位信息。
例如，运算部26也可以是：不使用上述相关波形，或者在使用上述相关波形的同时，基于SHG光的强度光谱而求出脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的相关图(时间、相关波形及波长的三维信息)。另外，关于FROG法，在非专利文献1(Rick Trebino et al.,《科学仪器综述(Review of Scientific Instruments)》,Vol.68No.9,pp.3277-3295(1997))中有详细记载。
上述计算式(5)及(6)所表示的相关波形的强度在旋转角θ为45°时成为最大值。因此，在使用交叉相关法对脉冲光Lp1的时间强度波形进行测量时，优选将旋转角θ设定为45°。另外，在分散元件12的衍射效率具有偏振依赖性的情况下，也可以选择包含其效率在内的相关波形的强度成为最大值的旋转角θ。另一方面，在将脉冲光Lp1用于激光显微镜或激光加工等的情况下，通过将旋转角θ设定为0°，能够消除作为参照脉冲光的脉冲光Lp2，从而能够仅提取作为对象脉冲光的脉冲光Lp1。
在此，作为本实施方式的波形测量方法及使用波形测量装置1A进行的相关测量方法例子，对自相关测量法及交叉相关测量法进行详细说明。
(1)自相关测量法
首先，通过偏振控制部22对脉冲光Lp的偏振面的旋转角θ进行调整。旋转角θ(单位：度)只要为90×n(n为整数)以外即可。之后，脉冲光Lp经由SLM14而被分离为脉冲光Lp1及脉冲光Lp2。在此，进行脉冲光Lp1的相位调制，从而赋予相对于脉冲光Lp2的时间差。此处，图6(a)表示对脉冲光Lp1赋予的光谱波形(曲线G1：光谱强度，曲线G21～G23：光谱相位)。图6(b)的曲线G31～G33表示脉冲光Lp1的时间强度波形，曲线G4表示脉冲光Lp2的时间强度波形。图6(c)表示图6(b)所示的各脉冲光分量的偏振方向。
如图6(a)所示，SLM14对脉冲光Lp1赋予一次函数型的相位图案G21。而且，使其斜率如曲线G22、G23所示逐渐倾斜(图中的箭头A1)。由此，脉冲光Lp1从曲线G31经由G32逐渐移动至G33(图中的箭头A2)，因此，脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差逐渐变化。即，能够使作为对象脉冲光的脉冲光Lp1相对于作为参照脉冲光的脉冲光Lp2在时间轴上进行扫描(sweep)。另外，如图6(c)所示，脉冲光Lp1的偏振方向(调制轴方向X)与脉冲光Lp2的偏振方向(非调制轴方向Y)不论时间差始终维持正交状态。
将这些脉冲光Lp1、脉冲光Lp2向对象物24照射而产生光。一边变更脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的时间差，一边在光检测部25对来自对象物24的光的强度进行检测，由此，能够获得自相关波形。图7是表示以此方式获得的自相关波形的一例的曲线图。另外，通过在光检测部25获得来自对象物24的光的强度光谱，从而能够获得FROG波形。
(2)交叉相关测量法
在该方法中，在脉冲光Lp1与脉冲光Lp2之间的时间差以外，还任意地控制脉冲光Lp1的时间强度波形。此处，图8(a)表示对脉冲光Lp1赋予的光谱波形(曲线G5：光谱强度，曲线G6：光谱相位)。图8(b)的曲线G7表示脉冲光Lp1的时间强度波形，曲线G8表示脉冲光Lp2的时间强度波形。图8(c)表示图8(b)所示的各脉冲光分量的偏振方向。
如图8(a)所示，SLM14对脉冲光Lp1赋予相位图案G6，该相位图案G6是用以赋予时间延迟的一次函数型的相位图案和用以控制时间强度波形的相位图案(例如，二次函数型的相位图案)叠加而成的。另外，用以控制时间强度波形的相位图案并不限定于二次函数型，可以设为转换为任意形状(例如，矩形脉冲、三角脉冲、双脉冲等)的相位图案。由此，将脉冲光Lp1的时间强度波形控制为任意形状。图8中表示根据二次函数型的相位图案使脉冲光Lp1的时间宽度扩展的例。
进一步，与自相关测量法同样地，使构成相位图案G6的一次函数型的相位图案的斜率逐渐倾斜(箭头A1)。由此，脉冲光Lp1能够在时间轴上逐渐移动(箭头A2)而对脉冲光Lp2进行扫描(scanning)。另外，如图8(c)所示，脉冲光Lp1的偏振方向(调制轴方向X)与脉冲光Lp2的偏振方向(非调制轴方向Y)不论时间差而始终维持正交状态。
将这些脉冲光Lp1、脉冲光Lp2向对象物24照射而产生光。一边变更脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的时间差，一边在光检测部25对来自对象物24的光的强度进行检测，由此，能够获得交叉相关波形。另外，通过在光检测部25获得来自对象物24的光的强度光谱，从而能够获得X-FROG(Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating，交叉相关频率分辨光学开关)波形。
对通过以上所说明的本实施方式的波形测量方法及波形测量装置1A而获得的效果进行说明。如上所述，在使用SLM的现有技术的波形测量方法中，存在如下问题：即，因为对象脉冲光及参照脉冲光的偏振方向相互一致，因此，在使这些重叠时会产生干涉，从而在测量结果中产生噪声。本实施方式中，作为对象脉冲光的脉冲光Lp1的偏振方向与作为参照脉冲光的脉冲光Lp2的偏振方向互不相同，因此，脉冲光Lp1、脉冲光Lp2不发生相互干涉。因此，能够有效地减少因干涉引起的噪声，从而能够精度良好地求出脉冲光Lp1的时间强度波形。
另外，在如现有技术的波形测量方法那样对象脉冲光及参照脉冲光的偏振方向相互一致的情况下，如果使用相关测量法，则所获得的相关波形成为干涉相关波形，因此，必须增加取样数，从而在测量时需要较长时间。与此相对，在本实施方式中，对象脉冲光及参照脉冲光的偏振方向相互正交，因此，所获得的相关波形成为强度相关波形，从而能够减少取样数。因此，能够以更短时间进行测量。
另外，在现有技术的波形测量中，对象脉冲光与参照脉冲光的分离及重叠中使用干涉光学系统，参照脉冲光的扫描中使用机械性光学延迟仪。然而，在这种方式中，必须使用干涉光学系统或光学延迟仪，从而产生装置变得大型化、对干扰极其敏感等的问题。根据本实施方式，不需要干涉光学系统或机械性光学延迟仪，能够通过SLM14的波形控制功能进行对象脉冲光与参照脉冲光的分离及重叠、以及参照脉冲光的扫描，因此，能够使装置小型化，并且能够抑制因干扰引起的影响。例如，在SLM14的相位解析度为2π/255的情况下，估计中心波长800nm、时间宽度100fs的脉冲光的时间解析度为1fs程度。这相当于在机械性光学延迟器中将光程长度调整为300nm以下的误差范围内。
另外，如本实施方式所示，也可以是：时间差产生步骤S2包括使初始脉冲光Lp的偏振面旋转的偏振控制步骤S21。由此，能够容易地使初始脉冲光Lp的偏振面相对于调制轴方向X倾斜。另外，在本实施方式中，在分散步骤S22之前进行偏振控制步骤S21，但也可以在分散步骤S22与调制步骤S23之间进行偏振控制步骤S21。
另外，如本实施方式所示，对象物24也可以包含非线性光学结晶。例如，通过使用这种对象物24，能够良好地产生因脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的照射而引起的光(二次谐波等)。
另外，如本实施方式所示，也可以是：为了求出脉冲光Lp1的时间强度波形，根据多次光检测步骤S3的检测结果而求出脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的相关波形或相关图。例如，通过这种方法，能够良好地求出脉冲光Lp1的时间强度波形。
另外，如本实施方式所示，也可以是：产生于对象物24的光至少包含二次谐波、三次谐波、高次谐波、和频波、差频波、拉曼散射光中的任一种。例如，通过对这些光分量进行检测，从而能够良好地求出脉冲光Lp1的时间强度波形。
另外，如本实施方式所示，也可以是：在光检测步骤S3中，至少使用分光器、光电倍增管及光电二极管中的任一种对产生于对象物24的光进行检测。通过使用光电倍增管或光电二极管，从而能够精度良好地检测来自对象物24的微弱的光。另外，通过使用分光器，从而能够获得产生于对象物24的光的强度光谱，从而通过例如FROG进一步求出脉冲光Lp1的相位信息。
脉冲光的波形测量方法及波形测量装置并不限定于上述实施方式，可以进行其他各种变化。例如，在上述实施方式中，通过偏振控制部使输入至SLM的脉冲光的偏振面相对于SLM具有调制作用的偏振方向倾斜，但也可以使SLM本身倾斜。即，以具有调制作用的偏振方向相对于输入至SLM的脉冲光的偏振面倾斜的方式使SLM倾斜，由此，可以不需要设置偏振控制部。
另外，在上述实施方式中，作为SLM，例示了LCOS型，但作为SLM，也可以应用其他液晶型SLM(例如，电定址型、光定址型等)。
另外，脉冲光的波形测量方法也可以是如下方法：即，输出至少1个脉冲光分量，使所输出的脉冲光的偏振面旋转，使用对特定的偏振分量的光进行调制的偏振依赖型的空间光调制器，将偏振面被旋转的脉冲光分割为2个子脉冲光分量，对经分割的子脉冲光分量的至少一方所诱发的光特性进行测量。
上述实施方式的脉冲光的波形测量方法具有如下构成，即，包括：时间差产生步骤，将初始脉冲光按每一个波长在空间上分散，在使偏振面相对于能够在偏振依赖型的空间光调制器中获得调制作用的偏振方向倾斜的状态下，将分散后的初始脉冲光输入至空间光调制器，对沿该偏振方向的初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量的初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；及光检测步骤，向对象物照射第一脉冲光及第二脉冲光，并对因该照射而产生于对象物的光进行检测；并且，一边变更时间差产生步骤中的第一脉冲光与第二脉冲光的时间差，一边进行光检测步骤，基于各光检测步骤的检测结果而求出第一脉冲光的时间强度波形。
另外，上述实施方式的脉冲光的波形测量装置具有如下构成，即，具备：调制部，其具有偏振依赖型的空间光调制器，在使偏振面相对于能够在该空间光调制器中获得调制作用的偏振方向倾斜的状态下，将在空间上分散后的初始脉冲光输入至空间光调制器，对沿偏振方向的初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量的初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；光检测部，其对通过向对象物照射第一脉冲光及第二脉冲光而产生于对象物的光进行检测；及运算部，其基于每次变更第一脉冲光与第二脉冲光的时间差所获得的光检测部的检测结果而求出第一脉冲光的时间强度波形。
上述波形测量方法也可以进一步包括：使初始脉冲光的偏振面旋转的偏振控制步骤。另外，上述波形测量装置也可以进一步包括使初始脉冲光的偏振面旋转的偏振控制部。通过这些构成，从而能够容易地使初始脉冲光的偏振面相对于空间光调制器具有调制作用的偏振方向倾斜。
上述波形测量方法及波形测量装置中，对象物也可以包含非线性光学结晶。例如，通过使用这种对象物，从而能够良好地产生因第一脉冲光及第二脉冲光的照射而引起的光(二次谐波等)。
上述波形测量方法中，解析步骤也可以是：为了求出第一脉冲光的时间强度波形，基于各光检测步骤的检测结果而求出第一脉冲光与第二脉冲光的相关波形或相关图。另外，在上述波形测量装置中，运算部也可以是：为了求出第一脉冲光的时间强度波形，基于各光检测步骤的检测结果而求出第一脉冲光与第二脉冲光的相关波形或相关图。例如，通过这种方法及装置，能够良好地求出第一脉冲光的时间强度波形。
上述波形测量方法及波形测量装置中，也可以是：产生于对象物的光至少包含二次谐波、三次谐波、高次谐波、和频波、差频波、拉曼散射光中的任一种。例如，通过对这些光分量进行检测，从而能够良好地求出第一脉冲光的时间强度波形。
上述波形测量方法中，也可以是：在光检测步骤中，至少使用分光器、光电倍增管及光电二极管中的任一种对产生于对象物的光进行检测。另外，在上述波形测量装置中，也可以是：光检测部至少包含分光器、光电倍增管及光电二极管中的任一方。通过使用光电倍增管或光电二极管，从而能够精度良好地检测来自对象物的微弱的光。另外，通过使用分光器，从而能够获得产生于对象物的光的强度光谱，从而通过例如频率分辨光学开关法(Frequency-Resolved Optical Gating，FROG)进一步求出第一脉冲光的相位信息。
[产业上利用的可能性]
实施方式可用作脉冲光的波形测量方法及波形测量装置。
符号说明
1A 波形测量装置
10A 光脉冲整形部
11 分束器
12 分散元件
13 聚光光学系统
14 空间光调制器(SLM)
14a 调制面
21 光源
22 偏振控制部
23 聚光光学系统
24 对象物
25 光检测部
26 运算部
E 偏振方向向量
EMO 第一偏振分量
ENON 第二偏振分量
Lp (初始)脉冲光
Lp1 第一脉冲光
Lp2 第二脉冲光
Lλ1～Lλ6 波长分量
X 调制轴方向
Y 非调制轴方向
θ 旋转角
Claims (8)
1.一种脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
包括如下步骤，
时间差产生步骤：将初始脉冲光按每一个波长在空间上分散，在使偏振面相对于能够在偏振依赖型的空间光调制器中获得调制作用的偏振方向即调制轴方向倾斜的状态下，将分散后的所述初始脉冲光输入至所述空间光调制器，对沿所述调制轴方向的所述初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由所述第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量且沿不具有调制作用的非调制轴方向的所述初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；
光检测步骤：向对象物照射所述第一脉冲光及所述第二脉冲光，并对因该照射而产生于所述对象物的光进行检测；及
解析步骤：一边变更所述时间差产生步骤中的所述第一脉冲光与所述第二脉冲光的时间差，一边进行所述光检测步骤，基于各光检测步骤的检测结果而求出所述第一脉冲光的时间强度波形。
2.如权利要求1所述的脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
进一步包括：使所述初始脉冲光的偏振面旋转的偏振控制步骤。
3.如权利要求1所述的脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
所述对象物包含非线性光学结晶。
4.如权利要求1～3中任一项所述的脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
所述解析步骤中，为了求出所述第一脉冲光的时间强度波形，基于各光检测步骤的检测结果而求出所述第一脉冲光与所述第二脉冲光的相关波形或相关图。
5.如权利要求1～3中任一项所述的脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
产生于所述对象物的光至少包含二次谐波、三次谐波、高次谐波、和频波、差频波、拉曼散射光中的任一种。
6.如权利要求1～3中任一项所述的脉冲光的波形测量方法，其特征在于，
在所述光检测步骤中，至少使用分光器、光电倍增管及光电二极管中的任一种对产生于所述对象物的光进行检测。
7.一种脉冲光的波形测量装置，其特征在于，
具备：
调制部，其具有偏振依赖型的空间光调制器，在使偏振面相对于能够在该空间光调制器中获得调制作用的偏振方向即调制轴方向倾斜的状态下，将在空间上分散后的初始脉冲光输入至所述空间光调制器，对沿所述调制轴方向的所述初始脉冲光的第一偏振分量的相位光谱进行调制后将各波长分量合成，由此，使由所述第一偏振分量构成的第一脉冲光、与由正交于该第一偏振分量且沿不具有调制作用的非调制轴方向的所述初始脉冲光的第二偏振分量构成的第二脉冲光之间产生时间差；
光检测部，其对通过向对象物照射所述第一脉冲光及所述第二脉冲光而产生于所述对象物的光进行检测；及
运算部，其基于每次变更所述第一脉冲光与所述第二脉冲光的时间差所获得的所述光检测部的检测结果而求出所述第一脉冲光的时间强度波形。
8.如权利要求7所述的脉冲光的波形测量装置，其特征在于，
进一步具备使所述初始脉冲光的偏振面旋转的偏振控制部。
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