CN113661382A - 色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法 - Google Patents

色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明的色散测量装置(1A)具备脉冲形成部(3)、相关光学系统(4)、光检测部(5)和运算部(6)。脉冲形成部(3)根据从脉冲激光光源2输出的被测量光脉冲(Pa)，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个光脉冲的光脉冲串(Pb)。相关光学系统(4)接收从脉冲形成部(3)输出的光脉冲串(Pb)，输出包含光脉冲串(Pb)的互相关或自相关的相关光(Pc)。光检测部(5)检测从相关光学系统(4)输出的相关光(Pc)的时间波形。运算部(6)基于相关光(Pc)的时间波形的特征量，推算脉冲激光光源(2)的波长色散量。由此，实现能够通过简单的结构测量波长色散的色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法。

Description

色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法
技术领域
本发明涉及色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法。
背景技术
专利文献1和非专利文献1公开了测量激光脉冲的波长色散的方法。这些文献中记载的测量方法被称为MIIPS(Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan：通过多光子脉冲干涉相位扫描)。图38是概略地表示基于MIIPS的测量装置的构成例的图。该测量装置100包括作为测量对象的脉冲光源101、包含空间光调制元件(SLM等)的脉冲控制光学系统(脉冲整形器)102、包含SHG晶体103a的光学系统103、分光器104和运算部105。
首先，在脉冲控制光学系统102中对从脉冲光源101输出的光脉冲施加正弦波状的相位光谱调制。然后，将从脉冲控制光学系统102输出的光输入到SHG晶体103a，在SHG晶体103a中产生与调制图案对应的二次谐波(SHG)。将该SHG输入到分光器104，在分光器104中取得SHG的发光光谱，运算部105解析该发光光谱。
在这样的结构中，能够取得以正弦波状的相位光谱调制图案的相移量σ为函数的发光光谱，基于其二维数据(MIIPS trace)中表现的特征量，计算波长色散量。另外，通过将测量出的波长色散的逆色散提供给脉冲控制光学系统102的空间光调制元件的调制图案，能够进行光脉冲的色散补偿。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2006-502407号公报
非专利文献
非专利文献1：Bingwei Xu et al.,"Quantitative investigation of themultiphoton intrapulse interference phase scan method for simultaneous phasemeasurement and compensation of femtosecond laser pulses",Journal of theOptical Society of America B,Vol.23,No.4,pp.750-759,2006
发明内容
发明要解决的课题
在图38所示的测量装置100中，基于与正弦波状的相位调制图案的相移量相应的发光光谱的变化来测量色散。为此，必须测量发光光谱。通常，在发光光谱的测量中，需要分光元件和光检测器的组合、或者能够检测波长-强度特性的光检测器(分光器)。因此，光学系统变得复杂。
实施方式的目的在于提供一种能够通过简单的结构测量波长色散的色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法。
用于解决课题的方法
实施方式是色散测量装置。色散测量装置具备：脉冲形成部，其根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光学系统，其接收从脉冲形成部输出的光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；光检测部，其检测相关光的时间波形；和运算部，其根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
实施方式是色散测量装置。色散测量装置具备：脉冲形成部，其根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光学系统，其接收从脉冲形成部输出后通过测量对象的光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；光检测部，其检测相关光的时间波形；和运算部，其根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
实施方式是脉冲光源。脉冲光源具备：上述结构的色散测量装置；和脉冲形成装置，其对输入到测量对象或从测量对象输出的光脉冲，补偿由色散测量装置求出的波长色散量。
实施方式是脉冲光源。脉冲光源具备上述结构的色散测量装置，空间光调制器构成脉冲形成装置的一部分，该脉冲形成装置对输入到测量对象或从测量对象输出的光脉冲补偿由色散测量装置求出的波长色散量。
实施方式是色散测量方法。色散测量方法包括：脉冲形成步骤，根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光生成步骤，生成包含光脉冲串的互相关或自相关的相关光；检测步骤，检测相关光的时间波形；和运算步骤，基于时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
实施方式是色散测量方法。色散测量方法包括：脉冲形成步骤，根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光生成步骤，生成包含从脉冲形成步骤输出后通过测量对象的光脉冲串的互相关或自相关的相关光；检测步骤，检测相关光的时间波形；和运算步骤，基于时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
实施方式是色散补偿方法。色散补偿方法包括：使用上述结构的色散测量方法来推算测量对象的波长色散量的步骤；和对输入到测量对象或从测量对象输出的光脉冲进行用于补偿波长色散量的脉冲形成的步骤。
发明效果
根据实施方式的色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法，能够通过简单的结构测量波长色散。
附图说明
图1是概略地表示一个实施方式的色散测量装置的结构的图。
图2是表示脉冲形成部的构成例的图。
图3是表示SLM的调制面的图。
图4的(a)～(c)是表示进行了带宽控制的多脉冲的例子的图。
图5的(a)～(c)是表示作为比较例的没有进行带宽控制的多脉冲的例子的图。
图6是作为相关光学系统的构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc的相关光学系统的图。
图7是作为相关光学系统的另一构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc的相关光学系统的图。
图8是作为相关光学系统的又一构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc的相关光学系统的图。
图9是用于概念性地说明相关光Pc的特征量的图，图9的(a)表示脉冲激光光源不具有波长色散的情况下的相关光Pc的时间波形的例子、和图9的(b)表示脉冲激光光源具有波长色散的情况下的相关光Pc的时间波形的例子。
图10是概略地表示运算部的硬件的构成例的图。
图11是表示使用色散测量装置的色散测量方法的流程图。
图12的(a)是表示单脉冲状的被测量光脉冲Pa的光谱波形的图，图12的(b)是表示被测量光脉冲Pa的时间强度波形的图。
图13的(a)是表示在SLM中施加矩形波状的相位光谱调制时的来自脉冲形成部的输出光的光谱波形的图，图13的(b)是表示来自脉冲形成部的输出光的时间强度波形的图。
图14是表示计算SLM的调制图案的调制图案计算装置的结构的图。
图15是表示相位光谱设计部和强度光谱设计部的内部结构的框图。
图16是表示基于迭代傅里叶变换法的相位光谱的计算流程的图。
图17是表示相位光谱设计部中的相位光谱函数的计算流程的图。
图18是表示强度光谱设计部中的谱强度的计算流程的图。
图19是表示目标生成部中的目标光谱图的生成流程的一例的图。
图20是表示计算强度光谱函数AIFTA(ω)的流程的一例的图。
图21的(a)是表示光谱图SGIFTA(ω,t)的图，图21的(b)是表示光谱图SGIFTA(ω,t)变化后的目标光谱图TargetSG0(ω,t)的图。
图22的(a)是表示用于生成进行了带宽控制的多脉冲的调制图案的曲线图，图22的(b)是表示通过图22的(a)的调制图案生成的光脉冲串Pb的曲线图。
图23是表示根据图22的(a)的调制图案生成的光脉冲串Pb的光谱图。
图24的(a)是表示用于生成没有进行带宽控制的多脉冲的调制图案的曲线图，图24的(b)是表示通过图24的(a)的调制图案生成的光脉冲串Pd的曲线图。
图25是表示根据图24的(a)的调制图案生成的光脉冲串Pd的光谱图。
图26的(a)是绘制了中心波长彼此不同的光脉冲串Pb的峰值时间间隔的平均值与被测量光脉冲Pa的二次色散量的关系的曲线图，图26的(b)是绘制了中心波长相互相等的光脉冲串Pd的峰值时间间隔的平均值与被测量光脉冲Pa的二次色散量的关系的曲线图。
图27是绘制了中心波长互相不同的光脉冲串Pb的峰值强度与被测量光脉冲Pa的二次色散量的关系的曲线图。
图28是绘制了中心波长互相不同的光脉冲串Pb的半峰全宽与被测量光脉冲Pa的二次色散量的关系的曲线图。
图29的(a)是绘制了中心波长彼此不同的光脉冲串Pb的峰值时间间隔之差与被测量光脉冲Pa的三次色散量的关系的曲线图，图29的(b)是绘制了中心波长相互相等的光脉冲串Pd的峰值时间间隔之差与被测量光脉冲Pa的三次色散量的关系的曲线图。
图30是绘制了中心波长互相不同的光脉冲串Pb的峰值强度与被测量光脉冲Pa的三次色散量的关系的曲线图。
图31是绘制了中心波长互相不同的光脉冲串Pb的半峰全宽与被测量光脉冲Pa的三次色散量的关系的曲线图。
图32是表示作为第1变形例的脉冲形成部的结构的图。
图33是表示第2变形例的结构的图。
图34是表示第3变形例的结构的图。
图35是表示作为第4变形例的脉冲光源的结构的图。
图36是表示第4变形例的色散补偿方法的流程图。
图37是表示作为第5变形例的脉冲光源的结构的图。
图38是概略地表示使用MIIPS的测量装置的构成例的图。
图39的(a)表示用于生成进行了带宽控制的多脉冲的光谱波形的一例的曲线图、和图39的(b)表示与图39的(a)的光谱波形对应的光脉冲串的时间波形的曲线图。
图40的(a)是表示用于生成进行了带宽控制的多脉冲的光谱波形的另一例的曲线图、和图40的(b)是表示与图40的(a)的光谱波形对应的光脉冲串的时间波形的曲线图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法的实施方式。此外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。本发明并不限定于这些例示。
图1是概略地表示一个实施方式的色散测量装置的结构的图。该色散测量装置1A是对作为测量对象的脉冲激光光源2的波长色散进行测量的装置，包括脉冲形成部3、相关光学系统4、光检测部5和运算部6。
脉冲形成部3的光输入端3a在空间上或经由光纤等光波导路径与脉冲激光光源2光学耦合。相关光学系统4的光输入端4a在空间上或经由光纤等光波导路径与脉冲形成部3的光输出端3b光学耦合。光检测部5在空间上或经由光纤等光波导路径与相关光学系统4的光输出端4b光学耦合。运算部6与脉冲形成部3和光检测部5电连接。
作为测量对象的脉冲激光光源2输出相干的被测量光脉冲Pa。脉冲激光光源2例如是飞秒激光，在一个实施例中是LD直接激励型Yb：YAG脉冲激光这样的固体激光光源。被测量光脉冲Pa是本实施方式中的第1光脉冲的例子，其时间波形例如是高斯函数状。被测量光脉冲Pa的半峰全宽(FWHM)例如在10～10000fs的范围内，在一例中为100fs。该被测量光脉冲Pa是具有某种程度的带宽的光脉冲，包含连续的多个波长成分。在一个实施例中，被测量光脉冲Pa的带宽为10nm，被测量光脉冲Pa的中心波长为1030nm。
脉冲形成部3是从被测量光脉冲Pa形成包含多个光脉冲(第2光脉冲)的光脉冲串Pb的部分。光脉冲串Pb是将构成被测量光脉冲Pa的光谱分为多个波段并使用各个波段生成的单脉冲组。另外，在多个波段的边界中，也可以存在相互重叠的部分。在以下的说明中，有时将光脉冲串Pb称为“进行了带宽控制的多脉冲”。
图2是表示脉冲形成部3的构成例的图。该脉冲形成部3具有衍射光栅12、透镜13、空间光调制器(SLM)14、透镜15和衍射光栅16。衍射光栅12是本实施方式中的分光元件，与脉冲激光光源2光学耦合。SLM14经由透镜13与衍射光栅12光学耦合。衍射光栅12将被测量光脉冲Pa所包含的多个波长成分按每个波长在空间上分离。另外，作为分光元件，也可以代替衍射光栅12而使用棱镜等其他光学部件。
被测量光脉冲Pa相对于衍射光栅12倾斜地入射，被分光为多个波长成分。包含该多个波长成分的光P1通过透镜13按各波长成分聚光，在SLM14的调制面上成像。透镜13可以是由光透射部件构成的凸透镜，也可以是具有凹状的光反射面的凹面镜。
为了将被测量光脉冲Pa转换为光脉冲串Pb，SLM14使从衍射光栅12输出的多个波长成分的相位相互错开。因此，SLM14从运算部6(参照图1)接收控制信号，同时进行光P1的相位调制和强度调制。另外，SLM14也可以仅进行相位调制或仅进行强度调制。SLM14例如是相位调制型。在一个实施例中，SLM14为LCOS(Liquidcrystalonsilicon：硅基液晶)型。另外，虽然在图中表示了透射型的SLM14，但SLM14也可以是反射型。
图3是表示SLM14的调制面17的图。如图3所示，在调制面17上，多个调制区域17a沿着某方向A排列，各调制区域17a在与方向A交叉的方向B上延伸。方向A是衍射光栅12的分光方向。该调制面17作为傅里叶变换面发挥作用，分光后的对应的各波长成分分别入射到多个调制区域17a。SLM14在各调制区域17a中，将入射的各波长成分的相位和强度与其他波长成分独立地进行调制。另外，本实施方式的SLM14为相位调制型，所以强度调制通过呈现于调制面17的相位图案(相位图像)来实现。
由SLM14调制后的调制光P2的各波长成分通过透镜15而集中于衍射光栅16上的一点。此时的透镜15作为对调制光P2进行聚光的聚光光学系统发挥功能。透镜15可以是由光透射部件构成的凸透镜，也可以是具有凹状的光反射面的凹面镜。另外，衍射光栅16作为合波光学系统发挥功能，对调制后的各波长成分进行合波。即，通过这些透镜15和衍射光栅16，调制光P2的多个波长成分相互聚光、合波，成为进行了带宽控制的多脉冲(光脉冲串Pb)。
图4是表示进行了带宽控制的多脉冲的例子的图。在该例子中，表示了由3个光脉冲Pb1～Pb3构成的光脉冲串Pb。图4的(a)是光谱图，横轴表示时间，纵轴表示波长，用颜色的浓淡表示光强度。图4的(b)表示光脉冲串Pb的时间波形。各光脉冲Pb1～Pb3的时间波形例如为高斯函数状。
如图4的(a)和图4的(b)所示，3个光脉冲Pb1～Pb3的峰值彼此在时间上相互分离，3个光脉冲Pb1～Pb3的传播时刻相互错开。换言之，相对于一个光脉冲Pb1，另一个光脉冲Pb2具有时间延迟，相对于该另一个光脉冲Pb2，另一个光脉冲Pb3具有时间延迟。但是，相邻的光脉冲Pb1、Pb2(或Pb2、Pb3)的下摆部分彼此也可以相互重叠。相邻的光脉冲Pb1、Pb2(或Pb2、Pb3)的时间间隔(峰值间隔)例如在10～10000fs的范围内，在一例中为2000fs。另外，各光脉冲Pb1～Pb3的FWHM例如在10～5000fs的范围内，在一例中为300fs。
图4的(c)表示合成了3个光脉冲Pb1～Pb3的光谱。如图4的(c)所示，合成了3个光脉冲Pb1～Pb3的光谱具有单一的峰值，但参照图4的(a)，3个光脉冲Pb1～Pb3的中心波长相互错开。图4的(c)所示的单一的峰值大致相当于被测量光脉冲Pa的光谱。
相邻的光脉冲Pb1、Pb2(或Pb2、Pb3)的峰值波长间隔由被测量光脉冲Pa的光谱带宽决定，大致在半峰全宽的2倍的范围内。在一个例子中，在被测量光脉冲Pa的光谱带宽为10nm的情况下，峰值波长间隔为5nm。作为具体例，在被测量光脉冲Pa的中心波长为1030nm的情况下，3个光脉冲Pb1～Pb3的峰值波长能够分别为1025nm、1030nm和1035nm。
图5是表示作为比较例没有进行带宽控制的多脉冲的例子的图。在该例子中，表示了由3个光脉冲Pd1～Pd3构成的光脉冲串Pd。图5的(a)与图4的(a)同样，是光谱图，横轴表示时间，纵轴表示波长，用颜色的浓淡表示光强度。图5的(b)表示光脉冲串Pd的时间波形。图5的(c)表示合成了3个光脉冲Pd1～Pd3的光谱。
如图5的(a)～(c)所示，3个光脉冲Pd1～Pd3的峰值彼此在时间上相互分离，但3个光脉冲Pd1～Pd3的中心波长相互一致。本实施方式的脉冲形成部3不是生成这样的光脉冲串Pd，而是生成如图4所示的中心波长互相不同的光脉冲串Pb。
再次参照图1。相关光学系统4接收从脉冲形成部3输出的光脉冲串Pb，输出包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。在本实施方式中，相关光学系统4构成为包含透镜41、光学元件42和透镜43。透镜41设置在脉冲形成部3与光学元件42之间的光路上，将从脉冲形成部3输出的光脉冲串Pb聚光于光学元件42。
光学元件42例如是包含产生二次谐波(SHG)的非线性光学晶体和荧光体的至少一方的发光体。作为非线性光学晶体，例如可举出KTP(KTiOPO4)晶体、LBO(LiB3O5)晶体和BBO(β-BaB2O4)晶体。作为荧光体，例如可举出香豆素、芪、罗丹明等。光学元件42输入光脉冲串Pb，生成包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。透镜43使从光学元件42输出的相关光Pc平行化或聚光。
这里，对相关光学系统4的构成例进行详细说明。图6是作为相关光学系统4的构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc的相关光学系统4A的图。该相关光学系统4A具有分束器44作为将光脉冲串Pb分支为二支的光分支部件。分束器44与图1所示的脉冲形成部3光学耦合，使从脉冲形成部3输入的光脉冲串Pb的一部分透过，使剩余部分反射。分束器44的分支比例如为1:1。
被分束器44分支出的一个光脉冲串Pba通过包含多个反射镜45的光路4c到达透镜41。由分束器44分支的另一个光脉冲串Pbb通过包括多个反射镜46的光路4d到达透镜41。光路4c的光学长度与光路4d的光学长度互相不同。因此，多个反射镜45和多个反射镜46构成对在分束器44中分支出的一个光脉冲串Pba和另一个光脉冲串Pbb赋予时间差的延迟光学系统。而且，多个反射镜46的至少一部分装载在移动台47上，光路4d的光学长度可变。因此，在该结构中，能够使光脉冲串Pba与光脉冲串Pbb的时间差可变。
在该例子中，光学元件42包含非线性光学晶体。透镜41将光脉冲串Pba、Pbb分别向光学元件42聚光，并且在光学元件42中使光脉冲串Pba、Pbb的光轴以规定的角度相互交叉。由此，在作为非线性光学晶体的光学元件42中，以光脉冲串Pba、Pbb的交点为起点产生二次谐波。该二次谐波是相关光Pc，包含光脉冲串Pb的自相关。该相关光Pc在被透镜43平行化或聚光后，被输入到光检测部5。
图7是作为相关光学系统4的另一构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc的相关光学系统4B的图。在该相关光学系统4B中，光脉冲串Pb通过光路4e到达透镜41，并且作为单脉冲的参照光脉冲Pr通过光路4f到达透镜41。
光路4f包括多个反射镜48，弯曲成U字状。而且，多个反射镜48的至少一部分装载在移动台49上，光路4f的光学长度可变。因此，在该结构中，能够使光脉冲串Pb与参照光脉冲Pr的时间差(到达透镜41的时刻差)可变。
在该例子中，光学元件42也包含非线性光学晶体。透镜41将光脉冲串Pb和参照光脉冲Pr向光学元件42聚光，并且在光学元件42中使光脉冲串Pb的光轴与参照光脉冲Pr的光轴以规定的角度相互交叉。由此，在作为非线性光学晶体的光学元件42中，以光脉冲串Pb和参照光脉冲Pr的交点为起点产生二次谐波。该二次谐波是相关光Pc，包含光脉冲串Pb的互相关。该相关光Pc在被透镜43平行化或聚光后，被输入到光检测部5。
图8是作为相关光学系统4的又一构成例，概略地表示用于生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc的相关光学系统4C的图。在该例子中，脉冲形成部3的SLM14是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的空间光调制器。与此相对，输入到脉冲形成部3的被测量光脉冲Pa的偏转面相对于SLM14具有调制作用的偏振方向倾斜，被测量光脉冲Pa包含第1偏振方向的偏振成分(图中的箭头Dp1)和与第1偏振方向正交的第2偏振方向的偏振成分(图中的记号Dp2)。另外，被测量光脉冲Pa的偏振不仅可以是上述的偏振(倾斜的直线偏振光)，也可以是椭圆偏振光。
被测量光脉冲Pa中的第1偏振方向的偏振成分在SLM14中被调制，作为光脉冲串Pb从脉冲形成部3输出。另一方面，被测量光脉冲Pa中的第2偏振方向的偏振成分在SLM14中不被调制，而直接从脉冲形成部3输出。该未调制的偏振成分作为单脉冲即参照光脉冲Pr，与光脉冲串Pb同轴地提供给相关光学系统4。
相关光学系统4根据光脉冲串Pb和参照光脉冲Pr，生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc。在该构成例中，通过在SLM14中对光脉冲串Pb赋予延迟，且使其延迟时间可变(图中的箭头E)，能够使光脉冲串Pb与参照光脉冲Pr的时间差(到达透镜41的时刻差)可变，能够在相关光学系统4中适当地生成包含光脉冲Pb的互相关的相关光Pc。
图9是用于概念性地说明相关光Pc的特征量的图。图9的(a)表示脉冲激光光源2不具有波长色散(波长色散为零)的情况下的相关光Pc的时间波形的例子。图9的(b)表示脉冲激光光源2具有波长色散(波长色散不为零)的情况下的相关光Pc的时间波形的例子。
另外，这些例子表示输入到相关光学系统4的光脉冲串Pb包含图4的(b)所示的3个光脉冲Pb1～Pb3的情况。在该情况下，相关光Pc构成为包含与光脉冲Pb1～Pb3分别对应的3个光脉冲Pc1～Pc3。在此，将光脉冲Pc1～Pc3的峰值强度分别设为PE1～PE3，将光脉冲Pc1～Pc3的半峰全宽(FWHM)分别设为W1～W3，将光脉冲Pc1、Pc2的峰值时间间隔(脉冲间隔)设为G1,2，将光脉冲Pc2、Pc3的峰值时间间隔设为G2,3。
如图9的(a)所示，在脉冲激光光源2不具有波长色散的情况下，相关光Pc的时间波形与光脉冲串Pb的时间波形大致相同。在该例子中，对于峰值强度，PE2比PE1和PE3大，PE1与PE3大致相等。另外，关于半峰全宽，W1、W2和W3彼此大致相等。关于峰值时间间隔，G1,2与G2,3大致相等。
与此相对，如图9的(b)所示，在脉冲激光光源2具有波长色散的情况下，相关光Pc的时间波形从光脉冲串Pb的时间波形大幅变化。在该例子中，光脉冲Pc1～Pc3的峰值强度PE1～PE3与图9的(a)相比大幅降低，并且，光脉冲Pc1～Pc3的半峰全宽W1～W3与图9的(a)相比显著扩大。而且，峰值时间间隔G1,2与图9的(a)相比格外长。
这样，在脉冲激光光源2具有波长色散的情况下，相关光Pc的时间波形的特征量(峰值强度PE1～PE3、半峰全宽W1～W3、峰值时间间隔G1,2、G2,3)与脉冲激光光源2不具有波长色散的情况相比较大地变化。然后，该变化量依赖于脉冲激光光源2的波长色散量。因此，通过观察相关光Pc的时间波形的特征量的变化，能够高精度且容易地知道脉冲激光光源2的波长色散量。
再次参照图1。光检测部5是接收从相关光学系统4输出的相关光Pc并检测相关光Pc的时间波形的部分。光检测部5构成为包括例如光电二极管等光检测器(光电检测器)。光检测部5通过将相关光Pc的强度转换为电信号，检测相关光Pc的时间波形。作为检测结果的电信号被提供给运算部6。
运算部6基于从光检测部5提供的相关光Pc的时间波形的特征量，推算脉冲激光光源2的波长色散量。如上所述，根据本发明人的见解，在生成了包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc的情况下，该相关光Pc的时间波形中的各种特征量(例如脉冲间隔、峰值强度、脉冲宽度等)与测量对象的波长色散量具有显著的相关。因此，运算部6通过评价相关光Pc的时间波形的特征量，能够高精度地推算作为测量对象的脉冲激光光源2的波长色散量。
图10是概略地表示运算部6的硬件的构成例的图。如图10所示，该运算部6在物理上能够构成为包括处理器(CPU)61、ROM62和RAM63等主存储装置、键盘、鼠标和触摸屏等输入设备64、显示器(包括触摸屏)等输出设备65、用于与其他装置之间进行数据的收发的网卡等通信模块66、硬盘等辅助存储装置67等的通常的计算机。
计算机的处理器61能够通过波长色散量计算程序来实现上述的运算部6的功能。换言之，波长色散量计算程序使计算机的处理器61作为运算部6进行动作。波长色散量计算程序例如存储在辅助存储装置67这样的计算机的内部或外部的存储装置(存储介质)中。存储装置也可以是非暂时性记录介质。作为记录介质，可例示软盘、CD、DVD等记录介质、ROM等记录介质、半导体存储器、云服务器等。
辅助存储装置67存储假定脉冲激光光源2的波长色散为零而理论上预先计算出的相关光Pc的时间波形的特征量。如果将该特征量与由光检测部5检测出的时间波形的特征量进行比较，则可知由于脉冲激光光源2的波长色散而相关光Pc的特征量变化了何种程度。因此，运算部6能够将存储于辅助存储装置67的特征量与由光检测部5检测出的时间波形的特征量进行比较，来推算测量对象的波长色散量。
图11是表示使用了包括以上结构的色散测量装置1A的色散测量方法的流程图。在该方法中，首先，在脉冲形成步骤S1中，准备形成光脉冲串Pb所需的设计信息。设计信息例如是假定脉冲激光光源2的波长色散为零的情况下的峰值时间间隔、峰值强度、半峰全宽、脉冲数、带宽控制量等。
然后，根据从脉冲激光光源2输出的被测量光脉冲Pa，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb。例如，将被测量光脉冲Pa所包含的多个波长成分按每个波长在空间上分离，使用SLM14使多个波长成分的相位相互错开之后，将多个波长成分聚光。由此，能够容易地生成光脉冲串Pb。
接着，在相关光生成步骤S2中，使用包含非线性光学晶体和荧光体的至少一方的光学元件42，生成包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。例如，如图6所示，将光脉冲串Pb分支为二支，使分支出的一个光脉冲串Pbb相对于另一个光脉冲串Pba时间延迟，根据时间延迟后的一个光脉冲串Pbb和另一个光脉冲串Pba生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc。
接着，在检测步骤S3中检测出相关光Pc的时间波形之后，基于该时间波形的特征量，在运算步骤S4中推算脉冲激光光源2的波长色散量。例如，基于相关光Pc的峰值强度E1～E3、半峰全宽W1～W3、和峰值时间间隔G1,2、G2,3中的至少一个，推算脉冲激光光源2的波长色散量。另外，将假定脉冲激光光源2的波长色散为零而理论上预先计算出的相关光Pc的时间波形的特征量与在检测步骤S3中检测出的时间波形的特征量进行比较，来推算脉冲激光光源2的波长色散量。另外，作为假定脉冲激光光源2的波长色散为零的相关光Pc的时间波形的特征量，也可以直接使用在光脉冲串Pb的设计中使用的特征量。
如参照图8所说明的那样，SLM14也可以是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的SLM14。在该情况下，在脉冲形成步骤S1中，也可以输入包含第1偏振方向的成分和与第1偏振方向正交的第2偏振方向的成分两者的被测量光脉冲Pa，在SLM14中对被测量光脉冲Pa中的第1偏振方向的成分进行调制而成为光脉冲串Pb，在SLM14中不对被测量光脉冲Pa中的第2偏振方向的成分进行调制而成为参照光脉冲Pr。然后，在相关光生成步骤S2中，也可以根据具有第1偏振方向的光脉冲串Pb和具有第2偏振方向的参照光脉冲Pr，生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc。
在此，对图2所示的脉冲形成部3的SLM14中的、用于生成进行了带宽控制的多脉冲的相位调制进行详细说明。比透镜15靠前的区域(光谱区域)与比衍射光栅16靠后的区域(时域)相互处于傅里叶变换的关系，光谱区域中的相位调制对时域中的时间强度波形产生影响。因此，来自脉冲形成部3的输出光能够具有与SLM14的调制图案相应的、与被测量光脉冲Pa不同的各种时间强度波形。
作为一例，图12的(a)表示单脉冲状的被测量光脉冲Pa的光谱波形(光谱相位G11和光谱强度G12)，图12的(b)表示该被测量光脉冲Pa的时间强度波形。另外，作为一例，图13的(a)表示在SLM14中施加矩形波状的相位光谱调制时的来自脉冲形成部3的输出光的光谱波形(光谱相位G21和光谱强度G22)，图13的(b)表示该输出光的时间强度波形。在图12的(a)和图13的(a)中，横轴表示波长(nm)，左边的纵轴表示强度光谱的强度值(任意单位)，右边的纵轴表示相位光谱的相位值(rad)。另外，在图12的(b)和图13的(b)中，横轴表示时间(飞秒)，纵轴表示光强度(任意单位)。
在该例子中，通过将矩形波状的相位光谱波形提供给输出光，被测量光脉冲Pa的单脉冲被转换为伴随高次光的双脉冲。此外，图13所示的光谱和波形是一个例子，通过各种相位光谱和强度光谱的组合，能够将来自脉冲形成部3的输出光的时间强度波形整形为各种形状。
图14是表示运算SLM14的调制图案的调制图案计算装置20的结构的图。调制图案计算装置20例如是个人计算机；智能手机、平板终端等智能设备；或者具有云服务器等处理器的计算机。另外，图1所示的运算部6也可以兼作调制图案计算装置20。
调制图案计算装置20与SLM14电连接，计算用于使脉冲形成部3的输出光的时间强度波形接近期望的波形的相位调制图案，将包含该相位调制图案的控制信号提供给SLM14。调制图案是用于控制SLM14的数据，是包含复振幅分布的强度或者相位分布的强度的表的数据。调制图案例如是计算机合成全息图(Computer-Generated Holograms(CGH))。
本实施方式的调制图案计算装置20使SLM14呈现包含对输出光赋予用于得到期望的波形的相位光谱的相位调制用的相位图案、和对输出光赋予用于得到期望的波形的强度光谱的强度调制用的相位图案的相位图案。因此，如图14所示，调制图案计算装置20具有任意波形输入部21、相位光谱设计部22、强度光谱设计部23和调制图案生成部24。
即，设置于调制图案计算装置20的计算机的处理器实现任意波形输入部21的功能、相位光谱设计部22的功能、强度光谱设计部23的功能和调制图案生成部24的功能。各个功能既可以通过相同的处理器来实现，也可以通过不同的处理器来实现。
计算机的处理器能够通过调制图案计算程序来实现上述的各功能。因此，调制图案计算程序使计算机的处理器作为调制图案计算装置20中的任意波形输入部21、相位光谱设计部22、强度光谱设计部23和调制图案生成部24进行动作。调制图案计算程序存储在计算机的内部或外部的存储装置(存储介质)中。存储装置也可以是非暂时性记录介质。作为记录介质，可例示软盘、CD、DVD等记录介质、ROM等记录介质、半导体存储器、云服务器等。
任意波形输入部21接受来自操作者的期望的时间强度波形的输入。操作者将关于期望的时间强度波形的信息(例如脉冲间隔、脉冲宽度、脉冲数等)输入到任意波形输入部21。关于期望的时间强度波形的信息被提供给相位光谱设计部22和强度光谱设计部23。相位光谱设计部22计算适于实现所提供的期望的时间强度波形的、脉冲形成部3的输出光的相位光谱。强度光谱设计部23计算适于实现所提供的期望的时间强度波形的、脉冲形成部3的输出光的强度光谱。
调制图案生成部24计算用于将在相位光谱设计部22中求出的相位光谱和在强度光谱设计部23中求出的强度光谱提供给脉冲形成部3的输出光的相位调制图案(例如，计算机合成全息图)。然后，包含计算出的相位调制图案的控制信号SC被提供给SLM14。SLM14基于控制信号SC被控制。
图15是表示相位光谱设计部22和强度光谱设计部23的内部结构的框图。如图15所示，相位光谱设计部22和强度光谱设计部23具有傅里叶变换部25、函数置换部26、波形函数修正部27、逆傅里叶变换部28和目标生成部29。目标生成部29包括傅里叶变换部29a和光谱图修正部29b。关于这些各构成要素的功能，在后面详细叙述。
这里，期望的时间强度波形被表示为时域的函数，相位光谱被表示为频域的函数。因此，与期望的时间强度波形对应的相位光谱例如通过基于期望的时间强度波形的迭代傅里叶变换来获得。图16是表示基于迭代傅里叶变换法的相位光谱的计算流程的图。
首先，准备作为频率ω的函数的初始的强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Ψ0(ω)(图中的处理编号(1))。在一例中，这些强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Ψ0(ω)分别表示输入光的光谱强度和光谱相位。接着，准备包含强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Ψn(ω)的频域的波形函数(a)(图中的处理编号(2))。
[式1]
Figure BDA0003286628520000162
下标n表示第n次傅里叶变换处理后。在最初(第1次)的傅里叶变换处理之前，使用上述的初始的相位光谱函数Ψ0(ω)作为相位光谱函数Ψn(ω)。i是虚数。
接着，对上述函数(a)进行从频域向时域的傅里叶变换(图中的箭头A1)。由此，得到包含时间强度波形函数Bn(t)和时间相位波形函数Θn(t)的频域的波形函数(b)(图中的处理编号(3))。
[式2]
Figure BDA0003286628520000161
接着，将上述函数(b)中包含的时间强度波形函数Bn(t)置换为基于期望的波形的时间强度波形函数Target0(t)(图中的处理编号(4)、(5))。
[式3]
bn(t)：＝Target0(t)…(c)
[式4]
Figure BDA0003286628520000171
接着，对上述函数(d)进行从时域向频域的逆傅里叶变换(图中的箭头A2)。由此，得到包含强度光谱函数Bn(ω)和相位光谱函数Ψn(ω)的频域的波形函数(e)(图中的处理编号(6))。
[式5]
Figure BDA0003286628520000172
接着，为了约束上述函数(e)中包含的强度光谱函数Bn(ω)，置换为初始的强度光谱函数A0(ω)(图中的处理编号(7))。
[式6]
Bn(ω)：＝A0(ω)…(f)
以后，通过反复进行多次上述的处理(2)～(7)，能够使波形函数中的相位光谱函数Ψn(ω)所表示的相位光谱形状接近与期望的时间强度波形对应的相位光谱形状。最终得到的相位光谱函数ΨIFTA(ω)成为用于得到期望的时间强度波形的调制图案的基础。
然而，在上述那样的反复傅里叶法中，虽然能够控制时间强度波形，但存在无法控制构成时间强度波形的频率成分(频带波长)的问题。因此，本实施方式的调制图案计算装置20使用以下说明的计算方法，计算成为调制图案的基础的相位光谱函数和强度光谱函数。图17是表示相位光谱设计部22中的相位光谱函数的计算流程的图。
首先，准备作为频率ω的函数的初始的强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Φ0(ω)(图中的处理编号(1))。在一个例子中，这些强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Φ0(ω)分别表示输入光的光谱强度和光谱相位。接着，准备包含强度光谱函数A0(ω)和相位光谱函数Φ0(ω)的频域的第1波形函数(g)(处理编号(2-a))。其中，i是虚数。
[式7]
Figure BDA0003286628520000181
接着，相位光谱设计部22的傅里叶变换部25对上述函数(g)进行从频域向时域的傅里叶变换(图中的箭头A3)。由此，得到包含时间强度波形函数a0(t)和时间相位波形函数Φ0(t)的时域的第2波形函数(h)(傅里叶变换步骤、处理编号(3))。
[式8]
Figure BDA0003286628520000182
接着，相位光谱设计部22的函数置换部26如下式(i)所示，将基于在任意波形输入部21中输入的期望的波形的时间强度波形函数Target0(t)代入时间强度波形函数b0(t)(处理编号(4-a))。
[式9]
b0(t)＝Target0(t)…(i)
接着，相位光谱设计部22的函数置换部26如下式(j)所示，用时间强度波形函数b0(t)置换时间强度波形函数a0(t)。即，将上述函数(h)中包含的时间强度波形函数a0(t)置换为基于期望的波形的时间强度波形函数Target0(t)(函数置换步骤、处理编号(5))。
[式10]
Figure BDA0003286628520000183
接着，相位光谱设计部22的波形函数修正部27修正第2波形函数，使得替换后的第2波形函数(j)的光谱图接近根据期望波段预先生成的目标光谱图。首先，通过对置换后的第2波形函数(j)实施时间-频率转换，将第2波形函数(j)转换为光谱图SG0,k(ω,t)(图中的处理编号(5-a))。下标k表示第k次转换处理。
在此，时间-频率转换是指对时间波形那样的复合信号实施频率滤波处理或数值运算处理(一边使窗函数偏移一边相乘，对各个时间导出光谱的处理)转换为由时间、频率、信号成分的强度(光谱强度)构成的三维信息。另外，在本实施方式中，将该转换结果(时间、频率、光谱强度)定义为“光谱图”。
作为时间-频率转换，例如有短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform；STFT)、小波变换(哈尔小波变换、Gabor小波变换、墨西哥帽小波变换、莫莱小波变换)等。
另外，从目标生成部29读出按照期望的波段预先生成的目标光谱图TargetSG0(ω,t)。该目标光谱图TargetSG0(ω,t)是与作为目标的时间波形(时间强度波形和构成其的频率成分)大致相同的值，在处理编号(5-b)的目标光谱图函数中生成。
接着，相位光谱设计部22的波形函数修正部27进行光谱图SG0,k(ω,t)与目标光谱图TargetSG0(ω,t)的图案匹配，调查相似度(一致到何种程度)。在本实施方式中，计算评价值作为表示相似度的指标。然后，在接下来的处理编号(5-c)中，进行所得到的评价值是否满足规定的结束条件的判断。如果满足条件，则进入处理编号(6)，如果不满足条件，则进入处理编号(5-d)。在处理编号(5-d)中，将第2波形函数中包含的时间相位波形函数Φ0(t)变更为任意的时间相位波形函数Φ0,k(t)。变更时间相位波形函数后的第2波形函数通过STFT等时间-频率转换再次转换为光谱图。
以后，重复进行上述的处理编号(5-a)～(5-d)。这样，修正第2波形函数，以使光谱图SG0,k(ω,t)逐渐接近目标光谱图TargetSG0(ω,t)(波形函数修正步骤)。
之后，相位光谱设计部22的逆傅里叶变换部28对修正后的第2波形函数进行逆傅里叶变换(图中的箭头A4)，生成频域的第3波形函数(k)(逆傅里叶变换步骤、处理编号(6))。
[式11]
Figure BDA0003286628520000191
该第3波形函数(k)所包含的相位光谱函数Φ0,k(ω)成为最终得到的期望的相位光谱函数ΦTWC-TFD(ω)。该相位光谱函数ΦTWC-TFD(ω)被提供给调制图案生成部24。
图18是表示强度光谱设计部23中的谱强度的计算流程的图。另外，从处理编号(1)到处理编号(5-c)与上述的相位光谱设计部22中的光谱相位的计算流程相同，所以省略说明。
强度光谱设计部23的波形函数修正部27在表示光谱图SG0,k(ω,t)与目标光谱图TargetSG0(ω,t)的相似度的评价值不满足规定的结束条件的情况下，第2波形函数所包含的时间相位波形函数Φ0(t)以初始值约束，并且将时间强度波形函数b0(t)变更为任意的时间强度波形函数b0,k(t)(处理编号(5-e))。变更了时间强度波形函数后的第2波形函数通过STFT等时间-频率转换而再次转换为光谱图。
之后，重复进行处理编号(5-a)～(5-c)。这样，修正第2波形函数，以使光谱图SG0,k(ω,t)逐渐接近目标光谱图TargetSG0(ω,t)(波形函数修正步骤)。
之后，强度光谱设计部23的逆傅里叶变换部28对修正后的第2波形函数进行逆傅里叶变换(图中的箭头A4)，生成频域的第3波形函数(m)(逆傅里叶变换步骤、处理编号(6))。
[式12]
Figure BDA0003286628520000201
接着，在处理编号(7-b)中，强度光谱设计部23的滤波处理部对第3波形函数(m)中包含的强度光谱函数B0,k(ω)进行基于输入光的强度光谱的滤波处理(滤波处理步骤)。具体而言，在对强度光谱函数B0,k(ω)乘以系数α而得到的强度光谱中，将超过基于输入光的强度光谱决定的各波长的截止强度的部分截止。这是因为，在所有波长区域中，强度光谱函数αB0,k(ω)不超过输入光的光谱强度。
在一个例子中，每个波长的截止强度被设定为与输入光的强度光谱(在本实施方式中为初始的强度光谱函数A0(ω))一致。在该情况下，如以下的数学式(n)所示，在强度光谱函数αB0,k(ω)比强度光谱函数A0(ω)大的频率下，作为强度光谱函数ATWC-TFD(ω)的值取入强度光谱函数A0(ω)的值。另外，在强度光谱函数αB0,k(ω)为强度光谱函数A0(ω)以下的频率中，作为强度光谱函数ATWC-TFD(ω)的值，取入强度光谱函数αB0,k(ω)的值(图中的处理编号(7-b))。
[式13]
Figure BDA0003286628520000211
该强度光谱函数ATWC-TFD(ω)作为最终得到的期望的谱强度被提供给调制图案生成部24。
调制图案生成部24计算用于将由在相位光谱设计部22中计算出的相位光谱函数ΦTWC-TFD(ω)表示的光谱相位和由在强度光谱设计部23中计算出的强度光谱函数ATWC-TFD(ω)表示的谱强度提供给输出光的相位调制图案(例如，计算机合成全息图)(数据生成步骤)。
在此，图19是表示目标生成部29中的目标光谱图TargetSG0(ω,t)的生成流程的一例的图。目标光谱图TargetSG0(ω,t)表示作为目标的时间波形(时间强度波形和构成该时间波形的频率成分(波段成分))，所以目标光谱图的生成对于控制频率成分(波段成分)是极其重要的工序。
如图19所示，目标生成部29首先输入光谱波形(初始的强度光谱函数A0(ω)和初始的相位光谱函数Φ0(ω))、以及期望的时间强度波形函数Target0(t)。另外，输入包含期望的频率(波长)带宽信息的时间函数p0(t)(处理编号(1))。
接着，目标生成部29例如使用图16所示的迭代傅里叶变换法，计算用于实现时间强度波形函数Target0(t)的相位光谱函数ΦIFTA(ω)(处理编号(2))。
接着，目标生成部29通过利用了之前得到的相位光谱函数ΦIFTA(ω)的迭代傅里叶变换法，计算用于实现时间强度波形函数Target0(t)的强度光谱函数AIFTA(ω)(处理编号(3))。在此，图20是表示计算强度光谱函数AIFTA(ω)的流程的一例的图。
首先，准备初始的强度光谱函数Ak＝0(ω)和相位光谱函数Ψ0(ω)(图中的处理编号(1))。接着，准备包含强度光谱函数Ak(ω)和相位光谱函数Ψ0(ω)的频域的波形函数(o)(图中的处理编号(2))。
[式14]
Figure BDA0003286628520000212
下标k表示第k次傅里叶变换处理后。在最初(第1次)的傅里叶变换处理之前，使用上述的初始强度光谱函数Ak＝0(ω)作为强度光谱函数Ak(ω)。i是虚数。
接着，对上述函数(o)进行从频域向时域的傅里叶变换(图中的箭头A5)。由此，得到包含时间强度波形函数bk(t)的频域的波形函数(p)(图中的处理编号(3))。
[式15]
Figure BDA0003286628520000221
接着，将上述函数(p)中包含的时间强度波形函数bk(t)置换为基于期望的波形的时间强度波形函数Target0(t)(图中的处理编号(4)、(5))。
[式16]
bk(t)：＝Targrt0(t)…(q)
[式17]
Figure BDA0003286628520000222
接着，对上述函数(r)进行从时域向频域的逆傅里叶变换(图中的箭头A6)。由此，得到包含强度光谱函数Ck(ω)和相位光谱函数Ψk(ω)的频域的波形函数(s)(图中的处理编号(6))。
[式18]
Figure BDA0003286628520000223
接着，为了约束上述函数(s)中包含的相位光谱函数Ψk(ω)，置换为初始的相位光谱函数Ψ0(ω)(图中的处理编号(7-a))。
[式19]
Ψk(ω)：＝Ψ0(ω)…(t)
另外，对逆傅里叶变换后的频域中的强度光谱函数Ck(ω)进行基于输入光的强度光谱的滤波处理。具体而言，将由强度光谱函数Ck(ω)表示的强度光谱中的、超过基于输入光的强度光谱决定的各波长的截止强度的部分截止。
在一个例子中，每个波长的截止强度被设定为与输入光的强度光谱(例如初始的强度光谱函数Ak＝0(ω))一致。在该情况下，如以下的数学式(u)所示，在强度光谱函数Ck(ω)比强度光谱函数Ak＝0(ω)大的频率下，作为强度光谱函数Ak(ω)的值取入强度光谱函数Ak＝0(ω)的值。另外，在强度光谱函数Ck(ω)为强度光谱函数Ak＝0(ω)以下的频率中，作为强度光谱函数Ak(ω)的值，取入强度光谱函数Ck(ω)的值(图中的处理编号(7-b))。
[式20]
Figure BDA0003286628520000231
将上述函数(s)中包含的强度光谱函数Ck(ω)置换为基于上述数学式(u)的滤波处理后的强度光谱函数Ak(ω)。
以后，通过反复进行上述的处理(2)～(7-b)，能够使波形函数中的强度光谱函数Ak(ω)所表示的强度光谱形状接近与期望的时间强度波形对应的强度光谱形状。最终，获得强度光谱函数AIFTA(ω)。
再次参照图19。通过以上说明的处理编号(2)、(3)中的相位光谱函数ΦIFTA(ω)和强度光谱函数AIFTA(ω)的计算，得到包含这些函数的频域的第3波形函数(v)(处理编号(4))。
[式21]
Figure BDA0003286628520000232
目标生成部29的傅里叶变换部29a对上面的波形函数(v)进行傅里叶变换。由此，得到时域的第4波形函数(w)(处理编号(5))。
[式22]
Figure BDA0003286628520000233
目标生成部29的光谱图修正部29b通过时间-频率转换将第4波形函数(w)转换为光谱图SGIFTA(ω,t)(处理编号(6))。然后，在处理编号(7)中，基于包含期望的频率(波长)带宽信息的时间函数p0(t)来修正光谱图SGIFTA(ω,t)，由此生成目标光谱图TargetSG0(ω,t)。例如，部分地切出在由二维数据构成的光谱图SGIFTA(ω,t)中出现的特征性图案，基于时间函数p0(t)进行该部分的频率成分的操作。以下，对其具体例进行详细说明。
例如，考虑将时间间隔为2皮秒的三重脉冲设定为期望的时间强度波形函数Target0(t)的情况。此时，光谱图SGIFTA(ω,t)成为图21的(a)所示的结果。另外，在图21的(a)中，横轴表示时间(单位：飞秒)，纵轴表示波长(单位：nm)。另外，光谱图的值由图的明暗表示，越明亮，光谱图的值越大。在该光谱图SGIFTA(ω,t)中，三重脉冲作为以2皮秒间隔在时间轴上分开的域D1、D2和D3出现。域D1、D2和D3的中心(峰值)波长为800nm。
假设在想要仅控制输出光的时间强度波形(仅想要得到三重脉冲)的情况下，不需要操作这些域D1、D2和D3。但是，在想要控制各脉冲的频率(波长)频带的情况下，需要这些域D1、D2和D3的操作。即，如图21的(b)所示，使各域D1、D2和D3在沿着波长轴(纵轴)的方向上相互独立地移动意味着变更各个脉冲的构成频率(波段)。这样的各脉冲的构成频率(波段)的变更基于时间函数p0(t)来进行。
例如，在将域D2的峰值波长固定为800nm，并以域D1和D3的峰值波长分别平行移动-2nm、+2nm的方式记述时间函数p0(t)时，光谱图SGIFTA(ω,t)变化为图21的(b)所示的目标光谱图TargetSG0(ω,t)。例如通过对光谱图实施这样的处理，能够不改变时间强度波形的形状地生成任意地控制了各脉冲的构成频率(波段)的目标光谱图。
对通过以上说明的本实施方式的色散测量装置1A和色散测量方法得到的效果进行说明。
在本实施方式的色散测量装置1A和色散测量方法中，在脉冲形成部3(脉冲形成步骤S1)中，根据从脉冲激光光源2输出的被测量光脉冲Pa生成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb。
在这样的情况下，例如当使用非线性光学晶体等生成包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc时，相关光Pc的时间波形中的各种特征量(例如峰值强度PE1～PE3、半峰全宽W1～W3、峰值时间间隔G1,2、G2,3等)与脉冲激光光源2的波长色散量具有显著的相关。因此，根据本实施方式，能够在运算部6中高精度地推算脉冲激光光源2的波长色散量。
进而，根据本实施方式，与图38所示的测量装置100不同，不需要测量发光光谱，所以能够简化光检测部5的光学系统，能够通过简单的结构测量脉冲激光光源2的波长色散。另外，在发光光谱的测量中通常使用的分光器和光检测器的组合、或者能够检测波长-强度特性的光检测器一般价格高，根据本实施方式，由于不需要它，所以能够有助于装置的低成本化。
如本实施方式那样，运算部6(在运算步骤S4中)也可以基于光脉冲串Pb的峰值时间间隔G1,2、G2,3求出被测量光脉冲Pa的波长色散量。如下述的实施例所示，本发明人发现，时间波形中的各种特征量中特别是峰值时间间隔G1,2、G2,3与脉冲激光光源2的波长色散量具有显著的相关。因此，通过根据光脉冲串Pb的峰值时间间隔G1,2、G2,3推算被测量光脉冲Pa的波长色散量，能够更高精度地推算脉冲激光光源2的波长色散量。
如图2所示，脉冲形成部3也可以具有：衍射光栅12，其按每个波长在空间上分离被测量光脉冲Pa所包含的多个波长成分；SLM14，其使从衍射光栅12输出的多个波长成分的相位相互错开；和透镜15，其对从SLM14输出的多个波长成分进行聚光。同样地，在脉冲形成步骤S1中，也可以将被测量光脉冲Pa所包含的多个波长成分按每个波长在空间上分离，在使用SLM14使多个波长成分的相位相互错开之后，对多个波长成分进行聚光。在该情况下，能够容易地形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb。
如图8所示，在SLM14是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的SLM的情况下，脉冲形成部3(在脉冲形成步骤S1中)也可以输入包含第1偏振方向的偏振成分、和与第1偏振方向正交的第2偏振方向的偏振成分的被测量光脉冲Pa。在该情况下，被测量光脉冲Pa中的第1偏振方向的偏振成分在SLM14中被调制而作为光脉冲串Pb从脉冲形成部3输出。另外，被测量光脉冲Pa中的第2偏振方向的偏振成分在SLM14中不被调制而从脉冲形成部3输出。相关光学系统4(在相关光生成步骤S2中)能够根据这些偏振成分容易地生成包含光脉冲串Pb的互相关的相关光Pc。
如本实施方式那样，相关光学系统4也可以包含非线性光学晶体和荧光体的至少一方。同样地，在相关光生成步骤S2中，也可以使用非线性光学晶体和荧光体的至少一方来生成相关光Pc。在该情况下，能够容易地生成包含光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。
如图6所示，色散测量装置1A还包括：分束器44，其将光脉冲串Pb分支为二支；和延迟光学系统，其对在分束器44中分支出的一个光脉冲串Pbb和另一个光脉冲串Pba赋予时间差，相关光学系统4也可以根据时间延迟后的一个光脉冲串Pbb和另一个光脉冲串Pba生成包含自相关的相关光Pc。同样地，在相关光生成步骤S2中，也可以将光脉冲串Pb分支为二支，使分支出的一个光脉冲串Pbb相对于另一个光脉冲串Pba时间延迟，根据时间延迟后的一个光脉冲串Pbb和另一个光脉冲串Pba生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc。例如通过这些装置和方法，能够容易地生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc。
如本实施方式那样，运算部6(在运算步骤S4中)也可以将假定脉冲激光光源2的波长色散为零而预先计算出的相关光Pc的时间波形的特征量与由光检测部5检测出的相关光Pc的时间波形的特征量进行比较，求出被测量光脉冲Pa的波长色散量。在该情况下，能够更高精度地推算脉冲激光光源2的波长色散量。
(实施例)
作为上述实施方式的实施例，本发明人进行了基于数值计算的模拟。作为被测量光脉冲Pa，假定了带宽10nm、中心波长1030nm的单脉冲。为了将该被测量光脉冲Pa转换为包含图4所示的3个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb，使用在上述实施方式中叙述的方法，计算出了呈现于SLM14的调制图案。此时，将峰值时间间隔G1,2、G2,3设为2000fs，将中心波长分别设为1025nm、1030nm和1035nm。
图22的(a)是表示计算出的调制图案的曲线图。在该图中，横轴表示波长(单位：nm)，左侧的纵轴表示光强度(任意单位)，右侧的纵轴表示相位(rad)。另外，图中的曲线G31表示光谱相位的调制图案，图中的曲线G32表示光谱强度的调制图案。
图22的(b)是表示通过本模拟生成的光脉冲串Pb的时间波形的曲线图。图23是通过本模拟生成的光脉冲串Pb的光谱图。在图22的(b)中，横轴表示时间(单位：fs)，纵轴表示光强度(任意单位)。另外，在图23中，横轴表示时间，纵轴表示波长，用颜色的浓淡表示光强度。如这些图所示，得到了包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的3个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb。
另外，在本模拟中，为了进行比较，为了将被测量光脉冲Pa转换为包含图5所示的3个光脉冲Pd1～Pd3的光脉冲串Pd，使用在上述实施方式中叙述的方法，计算出了呈现于SLM14的调制图案。将这些峰值时间间隔设为与光脉冲Pb1～Pb3相同，将各光脉冲Pd1～Pd3的中心波长设为1030nm。
图24的(a)是表示计算出的调制图案的曲线图。图中的曲线G41表示光谱相位的调制图案，图中的曲线G42表示光谱强度的调制图案。图24的(b)是表示通过本模拟生成的光脉冲串Pd的时间波形的曲线图。图25是通过本模拟生成的光脉冲串Pd的光谱图。如这些图所示，得到了包含彼此具有时间差且中心波长彼此相等的3个光脉冲Pd1～Pd3的光脉冲串Pd。
[由二次色散引起的脉冲串的特征量的变化]
为了调查脉冲激光光源2的二次色散对脉冲串的特征量造成的影响，使被测量光脉冲Pa的二次色散量变化，调查光脉冲串Pb、Pd的时间波形的变化。图26的(a)和图26的(b)是绘制了被测量光脉冲Pa的二次色散量与峰值时间间隔G1,2、G2,3的平均值(G1,2+G2,3)/2的关系的曲线图。图26的(a)表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况，图26的(b)表示各脉冲的中心波长彼此相等的光脉冲串Pd的情况。在这些图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的二次色散量(单位：fs2)，纵轴表示峰值时间间隔G1,2、G2,3的平均值(单位：fs)。
参照图26的(a)可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况下，随着二次色散量的增减，峰值时间间隔G1,2、G2,3的平均值单调地(大致线性地)增减。如果更详细地调查数据，则确认了相对于中央的光脉冲Pb2的峰值时间，左右的光脉冲Pb1、Pb3的峰值时间具有根据色散量而相互对称地移动的倾向。在该例子中，峰值时间间隔G1,2、G2,3的50fs的增加(或减少)相当于5000fs2的二次色散量的增加(或减少)。
另一方面，参照图26的(b)可知，在各脉冲的中心波长彼此相等的光脉冲串Pd的情况下，与二次色散量的增减无关，峰值时间间隔G1,2、G2,3的平均值大致一定。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的峰值时间间隔G1,2、G2,3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的二次色散量。
图27是绘制了被测量光脉冲Pa的二次色散量与峰值强度E1～E3的关系的曲线图，表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况。三角形的绘点表示峰值强度E1，圆形的绘点表示峰值强度E2，四边形的绘点表示峰值强度E3。在该图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的二次色散量(单位：fs2)，纵轴表示峰值强度(任意单位)。
参照图27可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb中，随着二次色散量的增减，峰值强度E1～E3也增减。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的峰值强度E1～E3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的二次色散量。
图28是绘制了被测量光脉冲Pa的二次色散量与半峰全宽W1～W3的关系的曲线图，表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况。三角形的绘点表示半峰全宽W1，圆形的绘点表示半峰全宽W2，四边形的绘点表示半峰全宽W3。在该图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的二次色散量(单位：fs2)，纵轴表示半峰全宽(单位：fs)。
参照图28可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb中，随着二次色散量的增减，半峰全宽W1～W3也增减。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的半峰全宽W1～W3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的二次色散量。
[由三次色散引起的脉冲串的特征量的变化]
为了调查脉冲激光光源2的三次色散对脉冲串的特征量造成的影响，使被测量光脉冲Pa的三次色散量变化，调查光脉冲串Pb、Pd的时间波形的变化。图29的(a)和图29的(b)是绘制了被测量光脉冲Pa的三次色散量与峰值时间间隔G1,2、G2,3之差(G1,2-G2,3)/2的关系的曲线图。图29的(a)表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况，图29的(b)表示各脉冲的中心波长彼此相等的光脉冲串Pd的情况。在这些图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的三次色散量(单位：fs3)，纵轴表示峰值时间间隔G1,2、G2,3之差(单位：fs)。
参照图29的(a)可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况下，随着三次色散量的增减，峰值时间间隔G1,2、G2,3的差单调地增减。另一方面，参照图29的(b)可知，在各脉冲的中心波长彼此相等的光脉冲串Pd的情况下，与三次色散量的增减无关，峰值时间间隔G1,2、G2,3的差大致一定。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的峰值时间间隔G1,2、G2,3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的三次色散量。
如果更详细地调查数据，则确认了在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况下，相对于中央的光脉冲Pb2的峰值时间，左右的光脉冲Pb1、Pb3的峰值时间具有根据色散量而相互非对称地移动的倾向。这样的特征与二次色散量时不同，基于该差异即峰值时间间隔G1,2、G2,3的相对变化的倾向，能够区别色散次数。
图30是绘制了被测量光脉冲Pa的三次色散量与峰值强度E1～E3的关系的曲线图，表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况。三角形的绘点表示峰值强度E1，圆形的绘点表示峰值强度E2，四边形的绘点表示峰值强度E3。在该图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的三次色散量(单位：fs3)，纵轴表示峰值强度(任意单位)。
参照图30可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb中，随着三次色散量的增减，峰值强度E1～E3也增减。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的峰值强度E1～E3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的三次色散量。
图31是绘制了被测量光脉冲Pa的三次色散量与半峰全宽W1～W3的关系的曲线图，表示中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的情况。三角形的绘点表示半峰全宽W1，圆形的绘点表示半峰全宽W2，四边形的绘点表示半峰全宽W3。在该图中，横轴表示被测量光脉冲Pa的三次色散量(单位：fs3)，纵轴表示半峰全宽(单位：fs)。
参照图31可知，在中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb中，随着三次色散量的增减，半峰全宽W1～W3也增减。由此可知，基于中心波长按每个脉冲而不同的光脉冲串Pb的半峰全宽W1～W3，能够高精度且容易地推算脉冲激光光源2的三次色散量。
(第1变形例)
图32是表示作为上述实施方式的第1变形例的脉冲形成部3A的结构的图。该脉冲形成部3A具有脉冲展宽器18，而且，代替SLM14(参照图2)而具有滤波器19。脉冲展宽器18设置在脉冲激光光源2与衍射光栅12之间的光路上，扩大被测量光脉冲Pa的脉冲宽度。作为脉冲展宽器18，例如可举出玻璃块、衍射光栅对、棱镜对等。
滤波器19是光强度滤波器，经由透镜13与衍射光栅12光学耦合。由衍射光栅12分光后的光P1通过透镜13按照各波长成分聚光，到达滤波器19。滤波器19具有与各波长成分对应的光学开口(或者，吸收率或反射率与周围不同的滤波器)，从构成被测量光脉冲Pa的波段中选择性地使多个波长成分通过。此外，这些多个波长成分的传播时刻通过脉冲展宽器18而相互错开。通过了滤波器19的各波长成分被透镜15聚集到衍射光栅16上的一点。通过这些透镜15和衍射光栅16，通过了滤波器19的多个波长成分相互聚光、合波，成为进行了带宽控制的多脉冲(光脉冲串Pb)。
上述实施方式的色散测量装置1A也可以代替脉冲形成部3而包括本变形例的脉冲形成部3A。在该情况下，也能够适当地起到与上述实施方式相同的效果。
(第2变形例)
图33是表示上述实施方式的第2变形例的结构的图。在本变形例中，作为测量对象的光学部件7配置在脉冲形成部3的前级即脉冲激光光源2与脉冲形成部3之间的光路上。在该情况下，脉冲激光光源2的波长色散为零或接近零。或者，如果脉冲激光光源2的波长色散是已知的，则也可以不是零。在本变形例中，从脉冲激光光源2输出的光脉冲通过具有波长色散的光学部件7，作为被测量光脉冲Pa输入到脉冲形成部3。在这样的结构中，能够通过简单的结构来测量光学部件7的波长色散。
(第3变形例)
图34是表示上述实施方式的第3变形例的结构的图。在本变形例中，作为测量对象的光学部件7配置在脉冲形成部3的后级即脉冲形成部3与相关光学系统4之间的光路上。在本变形例中，光脉冲串Pb从脉冲形成部3输出后通过光学部件7。然后，相关光学系统4接收通过了光学部件7的光脉冲串Pb，输出包含该光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。
本变形例的色散测量方法如下所述。首先，在图11所示的脉冲形成步骤S1中，准备形成光脉冲串Pb所需的设计信息。然后，根据从脉冲激光光源2输出的光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个光脉冲Pb1～Pb3的光脉冲串Pb。例如，如图2所示，将从脉冲激光光源2输出的光脉冲所包含的多个波长成分按每个波长在空间上分离，使用SLM14使多个波长成分的相位相互错开之后，对多个波长成分进行聚光。由此，能够容易地生成光脉冲串Pb。之后，光脉冲串Pb通过具有波长色散的光学部件7。
接着，在相关光生成步骤S2中，使用包含非线性光学晶体和荧光体的至少一方的光学元件42，生成包含通过了光学部件7的光脉冲串Pb的互相关或自相关的相关光Pc。例如，如图6所示，将光脉冲串Pb分支为二支，使分支出的一个光脉冲串Pbb相对于另一个光脉冲串Pba时间延迟，根据时间延迟后的一个光脉冲串Pbb和另一个光脉冲串Pba生成包含光脉冲串Pb的自相关的相关光Pc。以后，检测步骤S3和运算步骤S4与上述实施方式相同。
在本变形例中，从脉冲形成部3输出的光脉冲串Pb通过具有波长色散的光学部件7，输入到相关光学系统4。在这样的结构中，也能够通过简单的结构来测量光学部件7的波长色散。即，测量对象可以配置在脉冲形成部3的前级和后级中的任一者。
(第4变形例)
图35是表示作为上述实施方式的第4变形例的脉冲光源30A的结构的图。脉冲光源30A包括光源31、光分支部件32、色散测量装置1A、脉冲形成部33和聚光透镜34。光源31例如包含上述实施方式的脉冲激光光源2或第1变形例的光学部件7。光分支部件32与光源31光学耦合，从光源31接收光脉冲Pf，将光脉冲Pf分支。将被分支出的一个光脉冲Pfa输入到与光分支部件32光学耦合的色散测量装置1A的脉冲形成部3。将被分支的另一个光脉冲Pfb输入到与光分支部件32光学耦合的脉冲形成部33。
脉冲形成部33是本实施方式的脉冲形成装置，对从光源31输出的光脉冲Pfb补偿由色散测量装置1A求出的波长色散(提供逆色散)。因此，脉冲形成部33包含进行相位调制的SLM33a，具有与上述脉冲形成部3相同的结构。
SLM33a由色散测量装置1A的运算部6(或其他计算机)控制。在SLM33a上呈现的调制图案的数据由运算部6(或另一计算机)生成。SLM33a例如是相位调制型。在一个实施例中，SLM33a是LCOS型。另外，虽然在图中表示了透射型的SLM33a，但是SLM33a也可以是反射型。从脉冲形成部33输出的色散补偿后的光脉冲Pfb被聚光透镜34聚光并照射到被照射物35。
图36是表示本变形例的色散补偿方法的流程图。首先，从光源31输出光脉冲Pf，将分支出的光脉冲Pfa输入到脉冲形成部3(步骤S11)。然后，使用色散测量装置1A，推算光源31的波长色散量(步骤S12)。接着，使用脉冲形成部33对光脉冲Pfb进行用于补偿波长色散量的相位调制(步骤S13)。色散补偿后的光脉冲Pfb例如在激光加工、显微镜观察等用途中照射到被照射物35(步骤S14)。
根据本变形例的脉冲光源30A和色散补偿方法，由于包括上述实施方式的色散测量装置1A(使用色散测量方法)，所以能够通过简单的结构测量并补偿波长色散。另外，在该例子中，对从作为色散测量对象的光源31输出的光脉冲Pfb，在脉冲形成部33中进行用于补偿波长色散量的相位调制，但不限于这样的方式。例如，也可以将脉冲形成部33配置在色散测量对象的前级，由脉冲形成部33对输入到色散测量对象的光脉冲进行用于补偿波长色散量的相位调制。
(第5变形例)
图37是表示作为上述实施方式的第5变形例的脉冲光源30B的结构的图。脉冲光源30B包括光源31、色散测量装置1A、光分支部件32和聚光透镜34。在本变形例中，光分支部件32配置在脉冲形成部3与相关光学系统4之间的光路上。然后，脉冲形成部3的SLM14(参照图2)在由色散测量装置1A进行的波长色散量的测量之后，对从光源31输出的光脉冲Pf进一步进行用于补偿波长色散量的相位调制。换言之，脉冲形成部3兼具第4变形例的脉冲形成部33的功能，SLM14构成用于补偿波长色散的脉冲形成部的一部分。在该情况下，也与第4变形例同样地，能够通过简单的结构测量并补偿波长色散。
另外，在该例子中，对从作为色散测量对象的光源31输出的光脉冲Pf，在脉冲形成部3中进行用于补偿波长色散量的相位调制，但不限于这样的方式。例如，也可以将脉冲形成部3配置在色散测量对象的前级，由脉冲形成部3对输入到色散测量对象的光脉冲进行用于补偿波长色散量的相位调制。
色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法并不限定于上述的实施方式和构成例，能够进行各种变形。
在上述实施方式中，如图2所示，例示了使用衍射光栅12和SLM14形成光脉冲串Pb的方式，在第1变形例中，例示了使用脉冲展宽器18和滤波器19形成光脉冲串Pb的方式，但在脉冲形成部3和脉冲形成步骤S1中形成光脉冲串Pb的方式不限于此。例如，也可以代替SLM14而使用可变型反射镜。或者，也可以代替SLM14而使用能够电子地控制相位的液晶显示器、声光调制器等。
另外，在上述实施方式中，例示了使用非线性光学晶体或荧光体生成相关光Pc的方式，但在相关光学系统4和相关光生成步骤S2中生成相关光Pc的方式不限于此。
另外，关于图14所示的调制图案计算装置20的相位光谱设计部22和强度光谱设计部23中的光谱波形的设计方法、和由此进行了带宽控制的多脉冲的生成方法，在上述实施方式中，例示了使用图15所示的傅里叶变换部25、函数置换部26、波形函数修正部27、逆傅里叶变换部28和目标生成部29来计算光谱波形的结构。
根据这样的结构，能够使构成光脉冲串的多脉冲的时间波形接近期望的形状，另外，能够高精度地控制光脉冲串中包含的各光脉冲的频带成分。但是，进行了带宽控制的多脉冲的生成方法不限于这样的方法，例如也可以如以下说明的那样，不使用复杂的最优化算法而以更简单的方法求出用于生成多脉冲的光谱波形(光谱调制图案)。
具体而言，作为进行了带宽控制的多脉冲的生成方法，能够使用基于想要生成的多脉冲中的光脉冲数、构成各光脉冲的频带成分、和光脉冲的间隔的信息来组合直线状的相位调制图案(线性相位图案)的方法。以下所示的图39和图40是用于说明这样的多脉冲的生成方法的概念图。
图39的(a)是表示用于生成进行了带宽控制的多脉冲的光谱波形的一例的曲线图。在该曲线图中，横轴表示波长，左侧的纵轴表示光强度，右侧的纵轴表示相位。另外，图中的曲线G51表示光谱相位，曲线G52表示光谱强度。另外，图中的区域R1、R2、R3分别表示对曲线G52的光谱强度波形设定的波长区域。另外，在曲线图G51的光谱相位图案中，相位图案X1表示波长区域R1中的相位图案，相位图案X2表示波长区域R2中的相位图案，相位图案X3表示波长区域R3中的相位图案。这些相位图案X1、X2、X3是斜率彼此不同的线性相位图案。
图39的(b)是表示与图39的(a)所示的光谱波形对应的光脉冲串的时间波形的曲线图。在该曲线图中，横轴表示时间，纵轴表示光强度。在该方法中，在光脉冲串的时间波形中，根据光谱相位中包含的斜率彼此不同的线性相位图案的数量，生成光脉冲。在图39所示的例子中，在波长区域R1、R2、R3中，通过提供上述的线性相位图案X1、X2、X3，生成由3个光脉冲Y1、Y2、Y3构成的进行了带宽控制的多脉冲。
在这样的方法中，线性相位图案Xi的斜率的大小与对应的光脉冲Yi的时间波形中的移动量对应。另外，构成各光脉冲Yi的频带成分能够通过波长区域Ri相对于光谱波形的划分设定来控制。在图39所示的例子中，根据波长区域R1的光谱强度成分生成光脉冲Y1，根据波长区域R2的光谱强度成分生成光脉冲Y2，根据波长区域R3的光谱强度成分生成光脉冲Y3。
此外，在上述的方法中，关于光谱强度成分的控制，例如也可以对不需要的强度成分预先进行滤波处理(基于强度调制的强度截止)。另外，在相位图案X1、X2、X3的斜率之差小的情况下，在得到的时间波形中存在光脉冲未被充分分离的可能性，所以优选考虑这样的点来设定相位图案。另外，光谱相位中的相位图案在图39所示的例子中是连续的图案，但也可以是不连续的图案。
图40的(a)是表示用于生成进行了带宽控制的多脉冲的光谱波形的另一例的曲线图。图中的曲线G61表示光谱相位，曲线G62表示光谱强度。另外，图中的区域R4、R5、R6分别表示对曲线图G62的光谱强度波形设定的波长区域。另外，在曲线图G61的光谱相位图案中，相位图案X4表示波长区域R4中的相位图案，相位图案X5表示波长区域R5中的相位图案，相位图案X6表示波长区域R6中的相位图案。这些相位图案X4、X5、X6是斜率彼此不同的线性相位图案，另外，在相位图案X5、X6的边界成为不连续的图案。
图40的(b)是表示与图40的(a)所示的光谱波形对应的光脉冲串的时间波形的曲线图。在图40所示的例子中，通过设定光谱相位中的上述不连续的相位图案，根据波长区域R4的光谱强度成分生成光脉冲Y4，根据波长区域R5的光谱强度成分生成光脉冲Y6，根据波长区域R6的光谱强度成分生成光脉冲Y5。这样，通过设定光谱相位中的相位图案，能够在时间波形中任意地更换并设定构成各光脉冲的频带成分。
上述实施方式的色散测量装置具有：脉冲形成部，其根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光学系统，其接收从脉冲形成部输出的光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；光检测部，其检测相关光的时间波形；和运算部，其根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
上述实施方式的色散测量装置构成为包括：脉冲形成部，其根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光学系统，其接收从脉冲形成部输出后通过了测量对象的光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；光检测部，其检测相关光的时间波形；和运算部，其根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
上述实施方式的色散测量方法构成为包括：脉冲形成步骤，根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光生成步骤，生成包含光脉冲串的互相关或自相关的相关光；检测步骤，检测相关光的时间波形；和运算步骤，根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
上述实施方式的色散测量方法构成为包括：脉冲形成步骤，根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；相关光生成步骤，生成包含从脉冲形成步骤输出后通过了测量对象的光脉冲串的互相关或自相关的相关光；检测步骤，检测相关光的时间波形；和运算步骤，根据时间波形的特征量，推算测量对象的波长色散量。
在这些装置和方法中，在脉冲形成部(脉冲形成步骤)中，根据第1光脉冲生成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串。然后，第1光脉冲是从测量对象输出的，或者光脉冲串通过测量对象。
在这样的情况下，根据本发明人的见解，例如当使用非线性光学晶体等生成包含光脉冲串的互相关或自相关的相关光时，该相关光的时间波形中的各种特征量(例如脉冲间隔、峰值强度、脉冲宽度等)与测量对象的波长色散量具有显著的相关。因此，根据上述的装置和方法，能够在运算部(运算步骤)中高精度地推算测量对象的波长色散量。
而且，根据上述的装置和方法，与图38所示的测量装置100不同，不需要测量发光光谱，所以能够简化光检测部(检测步骤)的光学系统，能够通过简单的结构测量测量对象的波长色散。
在上述的测量装置中，也可以构成为，运算部根据相关光中包含的多个光脉冲的时间间隔来推算测量对象的波长色散量。另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，在运算步骤中，根据相关光中包含的多个光脉冲的时间间隔来推算测量对象的波长色散量。
本发明人发现，在时间波形中的各种特征量中，特别是脉冲间隔与测量对象的波长色散量具有显著的相关。因此，根据这些装置和方法，能够更高精度地推算测量对象的波长色散量。
在上述的测量装置中，脉冲形成部也可以构成为具有：分光元件，其按每个波长在空间上分离第1光脉冲所包含的多个波长成分；空间光调制器，其使从分光元件输出的多个波长成分的相位相互错开；和聚光光学系统，其使从空间光调制器输出的多个波长成分聚光。另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，在脉冲形成步骤中，将第1光脉冲所包含的多个波长成分按每个波长在空间上分离，使用空间光调制器使多个波长成分的相位相互错开之后，对多个波长成分进行聚光。
例如通过这些装置和方法，能够容易地形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串。
在上述的测量装置中，也可以构成为，空间光调制器是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的空间光调制器，脉冲形成部输入包含第1偏振方向的成分和与第1偏振方向正交的第2偏振方向的成分的第1光脉冲，第1光脉冲中的第1偏振方向的成分在空间光调制器中被调制，并作为光脉冲串从脉冲形成部输出，第1光脉冲中的第2偏振方向的成分在空间光调制器中不被调制而从脉冲形成部输出，相关光学系统根据第1偏振方向的成分和第2偏振方向的成分生成包含光脉冲串的互相关的相关光。
另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，空间光调制器是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的空间光调制器，在脉冲形成步骤中，输入包含第1偏振方向的成分和与第1偏振方向正交的第2偏振方向的成分的第1光脉冲，在空间光调制器中对第1光脉冲中的第1偏振方向的成分进行调制而形成光脉冲串，在空间光调制器中不对第1光脉冲中的第2偏振方向的成分进行调制而输出，在相关光生成步骤中，根据第1偏振方向的成分和第2偏振方向的成分生成包含光脉冲串的互相关的相关光。
例如通过这些装置和方法，能够容易地生成包含光脉冲串的互相关的相关光。
在上述的测量装置中，相关光学系统也可以构成为包含非线性光学晶体和荧光体的至少一方。另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，在相关光生成步骤中，使用非线性光学晶体和荧光体的至少一方。
例如通过这些装置和方法，能够容易地生成包含光脉冲串的互相关或自相关的相关光。
上述的测量装置也可以构成为，还包括：光分支部件，其将光脉冲串分支为二支；和延迟光学系统，其对在光分支部件中分支出的一个光脉冲串和另一个光脉冲串赋予时间差，相关光学系统根据时间延迟后的一个光脉冲串和另一个光脉冲串生成包含自相关的相关光。另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，在相关光生成步骤中，将光脉冲串分支为二支，使分支出的一个光脉冲串相对于另一个光脉冲串时间延迟，根据时间延迟后的一个光脉冲串和另一个光脉冲串生成包含光脉冲串的自相关的相关光。
例如通过这样的装置和方法，能够容易地生成包含光脉冲串的自相关的相关光。
在上述的测量装置中，也可以构成为，运算部将假定测量对象的波长色散为零而预先计算出的时间波形的特征量与由光检测部检测出的时间波形的特征量进行比较，来推算测量对象的波长色散量。另外，在上述的测量方法中，也可以构成为，在运算步骤中，将假定测量对象的波长色散为零而预先计算出的时间波形的特征量与通过检测步骤检测出的时间波形的特征量进行比较，来推算测量对象的波长色散量。
根据这些装置和方法，能够更高精度地推算测量对象的波长色散量。
上述实施方式的脉冲光源具有：上述结构的色散测量装置；和脉冲形成装置，其对输入到测量对象或从测量对象输出的光脉冲，补偿由色散测量装置求出的波长色散量。
上述实施方式的脉冲光源包括上述结构的色散测量装置，色散测量装置的空间光调制器构成脉冲形成装置的一部分，该脉冲形成装置对输入到测量对象或从测量对象输出的光脉冲补偿由色散测量装置求出的波长色散量。
上述实施方式的色散补偿方法包括：使用上述结构的色散测量方法来推算测量对象的波长色散量的步骤；和对输入到测量对象或者从测量对象输出的光脉冲进行用于补偿波长色散量的脉冲形成的步骤。
在这些脉冲光源和色散补偿方法中，由于包括上述的色散测量装置或色散测量方法，所以能够通过简单的结构测量并补偿波长色散。
工业上的可利用性
实施方式能够用作能够通过简单的结构测量波长色散的色散测量装置、脉冲光源、色散测量方法和色散补偿方法。
符号说明
1A……色散测量装置
2……脉冲激光光源
3、3A……脉冲形成部
3a……光输入端
3b……光输出端
4、4A、4B、4C……相关光学系统
4a……光输入端
4b……光输出端
4c～4f……光路
5……光检测部
6……运算部
7……光学部件
12……衍射光栅
13、15……透镜
14……空间光调制器(SLM)
16……衍射光栅
17……调制面
17a……调制区域
18……脉冲展宽器
19……过滤器
20……调制图案计算装置
21……任意波形输入部
22……相位光谱设计部
23……强度光谱设计部
24……调制图案生成部
25……傅里叶变换部
26……函数置换部
27……波形函数修正部
28……逆傅里叶变换部
29……目标生成部
29a……傅里叶变换部
29b……光谱图修正部
30……脉冲光源
31……光源
32……光分支部件
33……脉冲形成部
34……聚光透镜
41、43……透镜
42……光学元件
44……分束器
45、46、48……反射镜
47、49……移动台
61……处理器
64……输入设备
65……输出设备
66……通信模块
67……辅助存储装置
100……测量装置
101……脉冲光源
102……脉冲控制光学系统
103……光学系统
103a……SHG晶体
104……分光器
105……运算部
Pa……被测量光脉冲
Pb、Pd……光脉冲串
Pb1～Pb3，Pd1～Pd3……光脉冲
Pba、Pbb……光脉冲串
Pc……相关光
Pc1～Pc3……光脉冲
Pf……光脉冲
Pr……参照光脉冲
SC……控制信号。

Claims (19)

1.一种色散测量装置，其特征在于，
具备：
脉冲形成部，其根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；
相关光学系统，其接收从所述脉冲形成部输出的所述光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；
光检测部，其检测所述相关光的时间波形；和
运算部，其基于所述时间波形的特征量，推算所述测量对象的波长色散量。
2.一种色散测量装置，其特征在于，
具备：
脉冲形成部，其根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；
相关光学系统，其接收从所述脉冲形成部输出后通过了测量对象的所述光脉冲串，输出包含该光脉冲串的互相关或自相关的相关光；
光检测部，其检测所述相关光的时间波形；和
运算部，其基于所述时间波形的特征量，推算所述测量对象的波长色散量。
3.如权利要求1或2所述的色散测量装置，其特征在于，
所述运算部基于所述相关光中包含的多个光脉冲的时间间隔来推算所述测量对象的波长色散量。
4.如权利要求1～3中任一项所述的色散测量装置，其特征在于，
所述脉冲形成部具有：
分光元件，其按每个波长在空间上分离所述第1光脉冲所包含的多个波长成分；空间光调制器，其使从所述分光元件输出的所述多个波长成分的相位相互错开；和聚光光学系统，其对从所述空间光调制器输出的所述多个波长成分进行聚光。
5.如权利要求4所述的色散测量装置，其特征在于，
所述空间光调制器是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的空间光调制器，
所述脉冲形成部输入包含所述第1偏振方向的成分和与所述第1偏振方向正交的第2偏振方向的成分的所述第1光脉冲，
所述第1光脉冲中的所述第1偏振方向的成分，在所述空间光调制器中被调制，作为所述光脉冲串从所述脉冲形成部被输出，
所述第1光脉冲中的所述第2偏振方向的成分，不在所述空间光调制器中被调制，而从所述脉冲形成部被输出，
所述相关光学系统根据所述第1偏振方向的成分和所述第2偏振方向的成分，生成包含所述光脉冲串的互相关的所述相关光。
6.如权利要求1～5中任一项所述的色散测量装置，其特征在于，
所述相关光学系统包含非线性光学晶体和荧光体的至少一方。
7.如权利要求1～6中任一项所述的色散测量装置，其特征在于，
还具备：
光分支部件，其将所述光脉冲串分支为二支；和
延迟光学系统，其对在所述光分支部件中分支出的一个光脉冲串和另一个光脉冲串赋予时间差，
所述相关光学系统根据时间延迟后的所述一个光脉冲串和所述另一个光脉冲串生成包含自相关的所述相关光。
8.如权利要求1～7中任一项所述的色散测量装置，其特征在于，
所述运算部对假定所述测量对象的波长色散为零而预先计算出的所述时间波形的特征量与由所述光检测部检测出的所述时间波形的特征量进行比较，来推算所述测量对象的波长色散量。
9.一种脉冲光源，其特征在于，
具备：
权利要求1或2所述的色散测量装置；和
脉冲形成装置，其对输入到所述测量对象或者从所述测量对象输出的光脉冲，补偿由所述色散测量装置求出的波长色散量。
10.一种脉冲光源，其特征在于，
具备权利要求4或5所述的色散测量装置，
所述空间光调制器构成脉冲形成装置的一部分，该脉冲形成装置对输入到所述测量对象或从所述测量对象输出的光脉冲补偿由所述色散测量装置求出的波长色散量。
11.一种色散测量方法，其特征在于，
包括：
脉冲形成步骤，根据从测量对象输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；
相关光生成步骤，生成包含所述光脉冲串的互相关或自相关的相关光；
检测步骤，检测所述相关光的时间波形；和
运算步骤，基于所述时间波形的特征量，推算所述测量对象的波长色散量。
12.一种色散测量方法，其特征在于，
包括：
脉冲形成步骤，根据从光源输出的第1光脉冲，形成包含彼此具有时间差且中心波长彼此不同的多个第2光脉冲的光脉冲串；
相关光生成步骤，生成包含从所述脉冲形成步骤输出后通过测量对象的所述光脉冲串的互相关或自相关的相关光；
检测步骤，检测所述相关光的时间波形；和
运算步骤，基于所述时间波形的特征量，推算所述测量对象的波长色散量。
13.如权利要求11或12所述的色散测量方法，其特征在于，
在所述运算步骤中，基于所述相关光中包含的多个光脉冲的时间间隔来推算所述测量对象的波长色散量。
14.如权利要求11～13中任一项所述的色散测量方法，其特征在于，
在所述脉冲形成步骤中，按每个波长在空间上分离所述第1光脉冲所包含的多个波长成分，在使用空间光调制器使所述多个波长成分的相位相互错开之后，对所述多个波长成分进行聚光。
15.如权利要求14所述的色散测量方法，其特征在于，
所述空间光调制器是在第1偏振方向上具有调制作用的偏振依赖型的空间光调制器，
在所述脉冲形成步骤中，输入包含所述第1偏振方向的成分和与所述第1偏振方向正交的第2偏振方向的成分的所述第1光脉冲，在所述空间光调制器中对所述第1光脉冲中的所述第1偏振方向的成分进行调制而作为所述光脉冲串，在所述空间光调制器中不对所述第1光脉冲中的所述第2偏振方向的成分进行调制而输出，
在所述相关光生成步骤中，根据所述第1偏振方向的成分和所述第2偏振方向的成分，生成包含所述光脉冲串的互相关的所述相关光。
16.如权利要求11～15中任一项所述的色散测量方法，其特征在于，
在所述相关光生成步骤中，使用非线性光学晶体和荧光体的至少一方。
17.如权利要求11～16中任一项所述的色散测量方法，其特征在于，
在所述相关光生成步骤中，将所述光脉冲串分支为二支，使分支出的一个光脉冲串相对于另一个光脉冲串时间延迟，根据时间延迟后的所述一个光脉冲串和所述另一个光脉冲串生成包含所述光脉冲串的自相关的所述相关光。
18.如权利要求11～17中任一项所述的色散测量方法，其特征在于，
在所述运算步骤中，将假定所述测量对象的波长色散为零而预先计算出的所述时间波形的特征量与通过所述检测步骤检测出的所述时间波形的特征量进行比较，来推算所述测量对象的波长色散量。
19.一种色散补偿方法，其特征在于，
包括：
使用权利要求11或12所述的色散测量方法来推算所述测量对象的波长色散量的步骤；和
对输入到所述测量对象或者从所述测量对象输出的光脉冲，进行用于补偿所述波长色散量的脉冲的形成的步骤。
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