JP2002131710A - Complex phase compensation-phase control device with ultrawide band and high accuracy - Google Patents
Complex phase compensation-phase control device with ultrawide band and high accuracyInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、超短光パルスレ
ーザー装置又は超広帯域光波発生装置において、超広帯
域光パルスを圧縮して超短光パルスを発生するために必
要な位相補償・位相制御装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a phase compensation / phase control device necessary for generating an ultrashort light pulse by compressing an ultrashort light pulse in an ultrashort light pulse laser device or an ultrashort light wave generator. About.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の超短光パルスの位相補償には、誘
電体多層膜鏡、プリズム対、回折格子対、空間位相変調
器などが用いられてきた。蒸着薄膜の膜厚を適切に設計
して形成した誘電体多層膜鏡は、操作は非常に容易であ
るが、その反射原理から使用する帯域が限られかつ回転
角と位相の間に一定の関数関係を有しているため、究極
の極短パルスには到達できないと同時に、波長可変性に
ついても制限されてしまう。2. Description of the Related Art Conventionally, a dielectric multilayer mirror, a pair of prisms, a pair of diffraction gratings, a spatial phase modulator and the like have been used for phase compensation of ultrashort light pulses. The dielectric multilayer mirror, formed by appropriately designing the thickness of the deposited thin film, is very easy to operate, but its reflection principle limits the band used and a constant function between rotation angle and phase. Due to the relationship, the ultimate ultrashort pulse cannot be reached, and the wavelength variability is limited.
【０００３】また、プリズム対、回折格子対では、屈折
及び回折によって生ずる波長毎の光路差を用いて、光に
正又は負の大きな群速度分散を与えることができる。し
かし、群速度分散よりさらに高次の位相分散も生じるた
め、広帯域に渡って位相を補償するためには、光学系の
設計から光学材料の選定までに及ぶ精密な設計が必要に
なる。このため、プリズム対、回折格子対による位相補
償は、実質的にある程度制限された波長域における位相
補償手段であり、また、ダイナミックにまた任意の位相
量を調整することはほとんど不可能である。[0003] In a prism pair and a diffraction grating pair, a large positive or negative group velocity dispersion can be given to light using an optical path difference for each wavelength caused by refraction and diffraction. However, since higher-order phase dispersion also occurs than group velocity dispersion, precise design ranging from the design of an optical system to the selection of optical materials is required to compensate for phase over a wide band. For this reason, the phase compensation by the prism pair and the diffraction grating pair is a phase compensating means in a wavelength range substantially restricted to some extent, and it is almost impossible to dynamically and arbitrarily adjust an arbitrary phase amount.
【０００４】一方、空間位相変調器は、例えば、液晶物
質と液晶物質を挟持した透明電極からなる微少なピクセ
ルを平面上に配列したものであり、個々のピクセルの透
明電極に印加する電圧によって、ピクセル毎に位相変調
量を設定するものである。従って、ダイナミックに位相
変調が可能な希有な素子であるが、大きな位相変調量を
作り出すことが難しく、また、所望の出力光パルスを与
える位相補償を行うためには、複雑な計算に基づいて個
々のピクセルに必要な位相変調量を求め、平面配列した
ピクセル全ての電圧値、すなわち動作パラメータを個々
に設定する必要があり、パラメータが非常に多く、先験
的に設定パラメータを予測し設定することは非常に困難
である。On the other hand, a spatial phase modulator is, for example, one in which minute pixels composed of a liquid crystal material and a transparent electrode sandwiching the liquid crystal material are arranged on a plane, and a voltage applied to the transparent electrode of each pixel is used. The phase modulation amount is set for each pixel. Therefore, although it is a rare element that can dynamically perform phase modulation, it is difficult to produce a large amount of phase modulation, and in order to perform phase compensation for providing a desired output light pulse, individual calculations must be performed based on complicated calculations. It is necessary to determine the amount of phase modulation required for each pixel, and individually set the voltage values of all the pixels arranged in a plane, that is, the operation parameters. Is very difficult.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、パラメータ
決定が困難であり、また、大きな位相変調量を作り出す
ことが難しい空間位相変調器と、広帯域に渡る位相変調
は可能であるが、精密な位相変調とダイナミックな位相
変調に困難のあるプリズム対又は回折格子対位相補償器
とを組み合わせることにより、両方の位相補償器の欠点
を克服し、超広帯域、精密、かつダイナミックに位相補
償をおこなえる複合型高精度超広帯域位相補償・位相制
御装置を提供することを目的とする。さらにまた、超広
帯域、精密、かつダイナミックに位相補償をおこなえる
ことを利用し、システム化された単純な手法により、高
度の自動化、動的安定性、任意波形の出力光パルスの生
成、及び、入力光パルスの位相周波数特性評価、が可能
な装置を提供することを目的とする。According to the present invention, a spatial phase modulator in which it is difficult to determine parameters and it is difficult to produce a large amount of phase modulation and a phase modulation over a wide band are possible, Combination of a prism pair or a diffraction grating pair with phase compensator, which has difficulty in phase modulation and dynamic phase modulation, overcomes the drawbacks of both phase compensators and provides ultra-wideband, precise, and dynamic phase compensation It is an object of the present invention to provide a high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device. Furthermore, utilizing the ability to perform phase compensation in an ultra-wideband, precise, and dynamic, a high degree of automation, dynamic stability, generation of output optical pulses with arbitrary waveforms, and input using a simple systematic method. It is an object of the present invention to provide an apparatus capable of evaluating a phase frequency characteristic of an optical pulse.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１に記載の発明は、超短光パルスレーザー装
置、又は、超広帯域光波発生装置において、前置圧縮装
置と主圧縮装置とを有し、超短光パルスレーザー装置、
又は、超広帯域光波発生装置の超広帯域光源からの入力
光パルスを前置圧縮装置と主圧縮装置とで多段階に位相
補償、位相制御することを特徴とする。この構成では、
精密な位相変調は難しいものの、広帯域に渡って大まか
に位相補償が可能な前置圧縮装置によって大まかに位相
補償を行い、次に、大きな位相補償は難しいが精密な位
相補償が可能な主圧縮装置によって残りの位相補償を精
密に行うので、広帯域かつ高精密な位相補償が可能にな
る。In order to achieve the above object, the present invention is directed to an ultra-short optical pulse laser device or an ultra-wide band light wave generator, comprising a pre-compressor, a main compressor, An ultra-short light pulse laser device,
Alternatively, the input light pulse from the ultra-wide band light source of the ultra-wide band light wave generator is phase-compensated and phase-controlled by the pre-compressor and the main compressor in multiple stages. In this configuration,
Precise phase modulation is difficult, but rough phase compensation is roughly performed by a pre-compressor that can roughly compensate the phase over a wide band. As a result, the remaining phase compensation is performed precisely, so that wideband and highly accurate phase compensation can be performed.
【０００７】請求項１に記載の複合型高精度超広帯域位
相補償・位相制御装置において、前置圧縮装置は、プリ
ズム対、回折光子対、又は、誘電体多層膜鏡で構成され
ることができる。また、請求項１に記載の複合型高精度
超広帯域位相補償・位相制御装置において、前記主圧縮
装置は、入力光パルスを周波数毎に空間分散させる回折
光子対又はプリズム対と、多段階に付加位相を変化でき
るピクセルを平面上に配列した空間位相変調器とで構成
することができる。前記空間位相変調器は、印加電圧に
よって他段階に屈折率を変化できる液晶型ピクセルを、
平面上に配列した空間位相変調器であってよい。In the combined high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device according to the first aspect, the pre-compression device can be constituted by a prism pair, a diffracted photon pair, or a dielectric multilayer mirror. . Further, in the hybrid high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device according to claim 1, the main compression device is added in multiple stages with a diffracted photon pair or a prism pair that spatially disperses an input optical pulse for each frequency. It can be constituted by a spatial phase modulator in which pixels whose phase can be changed are arranged on a plane. The spatial light modulator, a liquid crystal type pixel that can change the refractive index to another stage by the applied voltage,
It may be a spatial phase modulator arranged on a plane.
【０００８】請求項８に記載の発明は、上記の構成に加
え、自己相関光パルス測定装置のような出力光パルスの
波形を測定する光パルス評価装置と、この光パルス評価
装置の測定出力に基づき、周波数毎の最適位相補償量を
計算し、空間位相変調器に制御情報をフィードバックす
るプログラム及びコンピュータから成るフィードバック
装置とを有することを特徴とする。この構成により、動
的フィードバックが可能になる。According to an eighth aspect of the present invention, in addition to the above configuration, an optical pulse evaluation device for measuring a waveform of an output optical pulse, such as an autocorrelation optical pulse measurement device, and a measurement output of the optical pulse evaluation device are provided. And a feedback device including a computer for calculating an optimal phase compensation amount for each frequency and feeding back control information to the spatial phase modulator. This configuration allows for dynamic feedback.
【０００９】また、請求項９に記載の発明は、出力光パ
ルスが所定のパルス幅、周波数チャープ量、パルス波形
及び／又はパルス列周期を維持するように、フィードバ
ック装置と光パルス評価装置とがフィードバック動作を
行い、出力光パルス波形を安定化することを特徴とす
る、安定化極短光パルス発生装置である。この装置によ
れば、出力光パルス波形が安定化する。According to a ninth aspect of the present invention, the feedback device and the optical pulse evaluation device provide feedback so that the output optical pulse maintains a predetermined pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform and / or pulse train period. An stabilized ultrashort optical pulse generator, which operates and stabilizes an output optical pulse waveform. According to this device, the output light pulse waveform is stabilized.
【００１０】また、請求項１０に記載の発明は、出力光
パルスが所望のパルス幅、周波数チャープ量、パルス波
形及び／又はパルス列周期を有する出力光パルスに変換
するように、フィードバック装置と光パルス評価装置と
がフィードバック動作を行い、これにより所望のパルス
幅、周波数チャープ量、パルス波形及び／又はパルス列
周期を有する上記出力光パルスを生成することを特徴と
する、可変超短光パルス発生装置である。この装置によ
れば、所望のパルス幅、所望の周波数チャープ量、所望
のパルス波形、又は所望のパルス列周期を有する出力光
パルスを生成することができる。According to a tenth aspect of the present invention, a feedback device and an optical pulse are provided so that an output optical pulse is converted into an output optical pulse having a desired pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform and / or pulse train period. A variable ultrashort optical pulse generator, wherein the evaluation device performs a feedback operation, thereby generating the output optical pulse having a desired pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform and / or pulse train period. is there. According to this device, an output light pulse having a desired pulse width, a desired frequency chirp amount, a desired pulse waveform, or a desired pulse train period can be generated.
【００１１】請求項１１に記載の発明は、フィードバッ
ク装置と光パルス評価装置とのフィードバック動作によ
り得られる入力光パルスの位相制御情報から、入力光パ
ルスの位相周波数特性を評価することを特徴とする、超
短光パルス位相評価装置である。この装置によれば、任
意の入力光パルスの位相周波数特性を得ることができ
る。According to an eleventh aspect of the present invention, the phase frequency characteristic of the input light pulse is evaluated from the phase control information of the input light pulse obtained by the feedback operation of the feedback device and the light pulse evaluation device. , An ultrashort optical pulse phase evaluation device. According to this device, it is possible to obtain a phase frequency characteristic of an arbitrary input light pulse.
【００１２】さらに、請求項１２に記載の発明は、フィ
ードバック装置と光パルス評価装置とのフィードバック
動作により得られる入力光パルスの位相情報から、最短
光パルスを生成する位相補償量を計算し、この位相補償
量に基づいた入力光パルスを所望のパルス波形に整形す
る位相制御情報を出力することにより、光パルス圧縮と
波形整形を同時に行うことができることを特徴とする、
高性能超短光パルス発生装置である。この装置によれ
ば、光パルス圧縮と波形整形を同時に行うことができ
る。Further, according to the twelfth aspect of the present invention, a phase compensation amount for generating a shortest optical pulse is calculated from phase information of an input optical pulse obtained by a feedback operation between the feedback device and the optical pulse evaluation device. By outputting phase control information for shaping an input optical pulse into a desired pulse waveform based on the amount of phase compensation, optical pulse compression and waveform shaping can be performed simultaneously.
It is a high-performance ultrashort optical pulse generator. According to this apparatus, light pulse compression and waveform shaping can be performed simultaneously.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明を好適な第一の実施
の形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の複合
型高精度超広帯域位相補償・位相制御装置の実施形態を
示す構成概念図である。図１において、本発明の複合型
高精度超広帯域位相補償・位相制御装置は、高帯域な周
波数成分を有する入力光パルス１を発生する光源２と、
この入力光パルス１を再生増幅する光増幅器３と、この
増幅された入力光パルス１の周波数をチャープ及び超高
帯域化する超高帯域光パルス発生装置４と、この超高帯
域化した入力光パルス１を大まかに位相補償して圧縮す
る前置圧縮装置５と、この大まかに圧縮した入力光パル
ス１を精密に位相補償して圧縮する主圧縮装置６と、か
ら構成される。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on a first preferred embodiment. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of an embodiment of a combined high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device according to the present invention. In FIG. 1, a combined high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control device of the present invention includes a light source 2 for generating an input optical pulse 1 having a high-band frequency component;
An optical amplifier 3 for reproducing and amplifying the input optical pulse 1, an ultra-high bandwidth optical pulse generator 4 for chirping and ultra-high bandwidth the frequency of the amplified input optical pulse 1, and an ultra-high bandwidth input light It comprises a pre-compressor 5 for roughly compensating the phase of the pulse 1 for compression, and a main compressor 6 for compensating and compressing the roughly compressed input optical pulse 1 precisely.
【００１４】光源２は、例えばｆｓ（フェムトセカン
ド）チタンサファイア・モードロックレーザーである。
超高帯域光パルス発生装置４は、例えば図２に示す構成
で実現される。図２において、超高帯域光パルス発生装
置４は、Ａｒガスを充填したシングルモード中空ファイ
バー４ａと、この中空ファイバー４ａに入力光パルス１
を集光して入射させる集光レンズもしくは集光鏡４ｂ
と、中空ファイバー４ａ中で自己位相変調及び分散によ
り超高帯域化した入力光パルス１を平行化するコリメー
タ４ｃとから構成されている。なお、Ａｒガス充填の中
空ファイバー以外にも、フォトニクス結晶ファイバーや
テーパーファイバーを使用しても良い。The light source 2 is, for example, an fs (femtosecond) titanium sapphire mode-locked laser.
The ultrahigh-bandwidth optical pulse generator 4 is realized, for example, by the configuration shown in FIG. In FIG. 2, an ultra-high bandwidth optical pulse generator 4 includes a single mode hollow fiber 4a filled with Ar gas, and an input light pulse 1 applied to the hollow fiber 4a.
Lens or converging mirror 4b for condensing and entering light
And a collimator 4c for collimating the input light pulse 1 which has been made ultra-high bandwidth by self-phase modulation and dispersion in the hollow fiber 4a. In addition, a photonics crystal fiber or a taper fiber may be used other than the hollow fiber filled with Ar gas.
【００１５】前置圧縮装置５は、例えば図３に示す構成
で実現される。図３において、前置圧縮装置５は、ブリ
ュースター石英プリズム５ａ，５ｂ、及び反射鏡５ｃと
で構成されている。超高帯域光パルス発生装置４の出力
光パルスである入力光パルスは、プリズム５ａによって
周波数に応じて空間的に分散され、周波数毎に異なった
光路でプリズム５ｂに至り、プリズム５ｂによってプリ
ズム５ａとは逆の分散を受けて平行光となり、反射鏡５
ｃによって光路を反転し、再びプリズム５ｂによって周
波数に応じて分散され、周波数毎に異なった光路でプリ
ズム５ａに至り、プリズム５ａによってプリズム５ｂと
は逆の分散を受けて集光し、出射する。プリズム５ａと
プリズム５ｂの距離Ｌを変化させることにより、周波数
毎の光路差が変化するから任意の位相補償ができる
（Ｒ．Ｌ．Ｆｏｒｋ，Ｏ．Ｅ．Ｍａｒｔｉｎｅｓ，ａｎ
ｄ Ｊ．Ｐ．Ｇｏｒｄｅｎ：Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ
９（１９８４）１５０）。この前置圧縮装置５は、大き
な位相補償ができる反面、精密な位相補償はできない。
また、２次位相分散のみでなく、さらに高次の位相分散
を伴う。なお、プリズム対に限らず、回折格子対であっ
ても良い。The pre-compression device 5 is realized, for example, by the configuration shown in FIG. In FIG. 3, the pre-compression device 5 is composed of Brewster quartz prisms 5a and 5b and a reflecting mirror 5c. The input light pulse, which is the output light pulse of the ultra-high band light pulse generator 4, is spatially dispersed according to the frequency by the prism 5a, reaches the prism 5b with an optical path different for each frequency, and is connected to the prism 5a by the prism 5b. Receives the opposite dispersion and becomes parallel light, and the reflecting mirror 5
The optical path is inverted by c, and the light is again dispersed according to the frequency by the prism 5b, reaches the prism 5a with an optical path different for each frequency, and is condensed and received by the prism 5a with the dispersion opposite to that of the prism 5b. By changing the distance L between the prisms 5a and 5b, the optical path difference for each frequency changes, so that arbitrary phase compensation can be performed (RL Fork, OE Martines, an
d J. P. Golden: Opt. Lett. vol
9 (1984) 150). The pre-compression device 5 can perform large phase compensation, but cannot perform precise phase compensation.
Further, not only secondary phase dispersion but also higher-order phase dispersion is involved. In addition, not only a prism pair but a diffraction grating pair may be sufficient.
【００１６】主圧縮装置６は、例えば図４に示す構成で
実現される。図４は、本発明に係る主圧縮装置の構成を
示す図である。図４において、主圧縮装置６は、凹面鏡
対６ａ，６ｂと、回折格子対６ｃ，６ｄと、ハーフミラ
ー対６ｅ，６ｆと、空間位相変調器６ｇとで構成されて
いる。回折格子対６ｃ，６ｄは、各々、ハーフミラー対
６ｅ，６ｆを介して、凹面鏡６ａ、６ｂから凹面鏡の焦
点距離ｆだけ離して配置する。空間位相変調器６ｇは、
凹面鏡対６ａ，６ｂからｆだけ離れた位置、すなわち、
フーリエ変換面に配置する。The main compression device 6 is realized, for example, by the configuration shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the main compression device according to the present invention. 4, the main compression device 6 includes a pair of concave mirrors 6a and 6b, a pair of diffraction gratings 6c and 6d, a pair of half mirrors 6e and 6f, and a spatial phase modulator 6g. The diffraction grating pair 6c, 6d is arranged at a distance of the focal length f of the concave mirror from the concave mirror 6a, 6b via the half mirror pair 6e, 6f, respectively. The spatial phase modulator 6g is
Position f away from concave mirror pair 6a, 6b, ie,
Place on the Fourier transform plane.
【００１７】空間位相変調器６ｇは、例えば、ピクセル
数６４８（ｘ方向）×４（ｙ方向）からなり、個々のピ
クセルは、液晶物質とこの液晶物質を挟持する透明電極
から成る。ピクセルは１２ビットの電圧分解能を持ち、
ピクセルを通過する光波に最大±４πの位相を４０９６
段階で付加することができる。The spatial light modulator 6g is composed of, for example, 648 pixels (x direction) × 4 (y direction), and each pixel is composed of a liquid crystal material and a transparent electrode sandwiching the liquid crystal material. Pixels have 12-bit voltage resolution,
4096 maximum phase of ± 4π for lightwave passing through pixel
Can be added in stages.
【００１８】入力光パルスは、回折格子６ｃによって周
波数毎に空間的に分散され、この周波数毎に空間的に分
散された光波は、凹面鏡６ａによって空間位相変調器６
ｇ上に周波数毎に異なった位置のピクセルに入射する。
すなわち、実時間上の光パルスを周波数に分解し実空間
上に展開する。個々のピクセルに印加した電圧値に応じ
た位相を付加された光波は、凹面鏡６ｂと回折格子６ｄ
とにより再び合波され、出力光パルスとなる。この主圧
縮装置６は、大きな位相付加はできない反面、精密な位
相付加が可能である。The input light pulse is spatially dispersed for each frequency by a diffraction grating 6c, and the light wave spatially dispersed for each frequency is converted by a concave mirror 6a to a spatial phase modulator 6c.
The light is incident on the pixel at a different position on the g for each frequency.
That is, an optical pulse in real time is decomposed into frequencies and developed in real space. The light wave to which a phase corresponding to the voltage value applied to each pixel is added is a concave mirror 6b and a diffraction grating 6d.
And are combined again to form an output optical pulse. The main compression device 6 cannot add a large phase, but can add a precise phase.
【００１９】次に、本実施形態の作用について説明す
る。超高帯域光パルス発生装置４によって、超高帯域に
チャープされた入力光パルスの位相は、角周波数ωに関
する２次以上の依存性、すなわち位相分散を有してい
る。この位相分散を位相補償してやり、出力光パルスに
おいて位相分散を零にしてやれば光パルスは時間軸上で
圧縮される。また、超高帯域にチャープされた入力光パ
ルスの位相分散が大きいほど位相補償したときの光パル
スの圧縮率は高まる。Next, the operation of the present embodiment will be described. The phase of the input optical pulse chirped in the ultra-high band by the ultra-high band optical pulse generator 4 has a second or higher order dependency on the angular frequency ω, that is, phase dispersion. If this phase dispersion is compensated for and the phase dispersion in the output light pulse is made zero, the light pulse is compressed on the time axis. Also, as the phase variance of the input optical pulse chirped in the ultra-high band increases, the compression rate of the optical pulse when the phase is compensated increases.
【００２０】しかしながら、超高帯域にチャープされた
入力光パルスの位相分散が大きいと、空間位相変調器６
ｇのみでは補償しきれない。このため、前置圧縮装置５
でおおまかな位相補償を行い、残りの位相補償を主圧縮
装置６で行う。この残りの位相分散をφ（ω）と表し、
入力光パルスの中心角周波数をω0 とし、φ（ω）をテ
ーラー展開して表せば、 φ（ω）＝Ａ（ω−ω0 ）2 ／２＋Ｂ（ω−ω0 ）3 ／６＋Ｃ（ω−ω0 ）4 ／２４＋・・・ （１）式 但し：Ａ＝ｄ2 φ（ω）／ｄω2 |ω＝ω0 ， Ｂ＝ｄ3 φ（ω）／ｄω3 |ω＝ω0 ， Ｃ＝ｄ4 φ（ω）／ｄω4 |ω＝ω0 ， である。空間位相変調器６ｇ上では、入力光パルスの各
々の周波数成分は、各々の周波数成分毎に異なった位置
のピクセルに入射しており、回折格子６ｃと凹面鏡６ａ
で形成される入力光パルスの分散方向を空間位相変調器
６ｇのｘ軸方向と一致させれば、ｘと角周波数ωは等価
になる。任意のωに対応するｘに配置されているピクセ
ルの付加位相ψ（ｘ）を、（１）式で与えられる位相分
散φ（ω）を補償するように、すなわち、 ψ（ｘ）＝−φ（ω） （２）式 となるように与え、全てのωすなわちｘ軸上に配置され
ている全てのピクセルについて同様な付加位相ψ（ｘ）
を与えれば、（１）式で与えられる入力光パルスの位相
分散φ（ω）が精密に補償され、出力光パルスは、理論
限界まで圧縮される。However, if the phase variance of the input light pulse chirped in the ultra-high band is large, the spatial light modulator 6
It cannot be compensated for only by g. For this reason, the pre-compression device 5
, And the remaining phase compensation is performed by the main compression device 6. The remaining phase dispersion is represented by φ (ω),
The center angular frequency of the input light pulse and omega 0, if indicated phi the (omega) and Taylor expansion, φ (ω) = A ( ω-ω 0) 2/2 + B (ω-ω 0) 3/6 + C (ω -ω 0) 4/24 + ··· (1) formula, however: A = d 2 φ (ω ) / dω 2 | ω = ω 0, B = d 3 φ (ω) / dω 3 | ω = ω 0, C = d 4 φ (ω) / dω 4 | ω = ω 0 , On the spatial phase modulator 6g, each frequency component of the input optical pulse is incident on a pixel at a different position for each frequency component, and the diffraction grating 6c and the concave mirror 6a
If the dispersion direction of the input light pulse formed by the above is made to coincide with the x-axis direction of the spatial light modulator 6g, x becomes equivalent to the angular frequency ω. The additional phase ψ (x) of the pixel arranged at x corresponding to an arbitrary ω is compensated for the phase dispersion φ (ω) given by the equation (1), that is, ψ (x) = − φ (Ω) Equation (2), and the same additional phase ψ (x) is applied to all ω, that is, all the pixels arranged on the x-axis.
, The phase variance φ (ω) of the input light pulse given by the equation (1) is precisely compensated, and the output light pulse is compressed to the theoretical limit.
【００２１】上記説明から理解されるように、本実施の
形態によれば、前置圧縮装置で大まかな位相補償を行
い、主圧縮装置で精密な位相補償を行うから、超高帯域
かつ、高精度な位相補償・位相制御ができる。As can be understood from the above description, according to the present embodiment, the pre-compressor performs rough phase compensation and the main compressor performs precise phase compensation. Accurate phase compensation and phase control can be performed.
【００２２】次に、本発明の第二の実施の形態を説明す
る。本実施形態は、第一の実施の形態に、自己相関光パ
ルス測定装置のような出力光パルスの波形を測定する光
パルス評価装置と、この光パルス評価装置の測定出力に
基づき、周波数毎の最適位相補償量を計算し、空間位相
変調器に制御情報をフィードバックするプログラム及び
コンピュータ装置を付加したものである。本実施形態
は、例えば図５に示す構成で実現される。図５は本発明
の光パルス評価装置と空間位相変調器を連動させた、第
二の実施の形態の概念図である。図５において、主圧縮
装置６の出力光パルス強度の一部７ｂをハーフミラーＦ
及びミラーＭを介して自己相関光パルス測定装置８に入
力する。自己相関光パルス測定装置８は出力光パルス７
ｂの波形情報を測定し、この情報を情報伝送路８ａを介
し、フィードバック装置９に出力する。フィードバック
装置９は、自己相関光パルス測定装置８の測定出力に基
づき周波数毎の最適位相補償量を計算し、空間位相変調
器６ｇに制御情報伝送路９ａを介して制御情報をフィー
ドバックする。フィードバック装置９は、特定のアルゴ
リズムに基づいて制御情報を計算し出力するプログラム
とコンピュータ装置とから成る。尚、光パルス評価装置
は、自己相関光パルス測定装置に限らず、相互相関装
置、又はＳＰＩＤＥＲ等の実時間パルス波形測定装置で
あっても良い。Next, a second embodiment of the present invention will be described. The present embodiment differs from the first embodiment in that an optical pulse evaluation device that measures the waveform of an output optical pulse, such as an autocorrelation optical pulse measurement device, and a measurement output of this optical pulse evaluation device, A program for calculating an optimal phase compensation amount and feeding back control information to a spatial phase modulator and a computer device are added. This embodiment is realized by, for example, the configuration shown in FIG. FIG. 5 is a conceptual diagram of a second embodiment in which the optical pulse evaluation device of the present invention and the spatial phase modulator are linked. In FIG. 5, a part 7b of the output light pulse intensity of the main compression device 6 is converted to a half mirror F.
And input to the autocorrelation light pulse measuring device 8 via the mirror M. The auto-correlation light pulse measuring device 8 outputs the output light pulse 7
The waveform information of b is measured, and this information is output to the feedback device 9 via the information transmission line 8a. The feedback device 9 calculates the optimal phase compensation amount for each frequency based on the measurement output of the autocorrelation optical pulse measurement device 8, and feeds back control information to the spatial light modulator 6g via the control information transmission line 9a. The feedback device 9 includes a program for calculating and outputting control information based on a specific algorithm, and a computer device. The optical pulse evaluation device is not limited to an autocorrelation optical pulse measurement device, but may be a cross-correlation device or a real-time pulse waveform measurement device such as SPIDER.
【００２３】次に、本実施の形態の作用及び効果につい
て説明する。空間位相変調器は、上記に説明したよう
に、設定するパラメーターが多く、先験的にこれらのパ
ラメーターを予測することは、著しく困難である。本実
施の形態では、特定のアルゴリズムに基づいて、位相制
御情報を変化させ、この変化に対応する出力光パルスの
波形情報をリアルタイムにフィードバックし、この波形
情報の変化に基づき、次の位相制御情報を出力する。こ
のフィードバック動作を複数回繰り返すことによって、
（１）式に示した位相分散φ（ω）の定数Ａ，Ｂ，Ｃ・
・を求めることができる。このフィードバック動作は、
コンピュータとコンピュータプログラムによって行われ
るから非常に高速にφ（ω）を求めることができる。さ
らに、この得られたφ（ω）を用い、特定のアルゴリズ
ムに基づくプログラムとコンピュータを使用して、所望
の波形の出力光パルスを実現する制御情報を出力するこ
とができる。Next, the operation and effect of this embodiment will be described. As described above, the spatial phase modulator has many parameters to be set, and it is extremely difficult to predict these parameters a priori. In the present embodiment, the phase control information is changed based on a specific algorithm, the waveform information of the output optical pulse corresponding to this change is fed back in real time, and the next phase control information is changed based on the change in the waveform information. Is output. By repeating this feedback operation multiple times,
The constants A, B, C, of the phase dispersion φ (ω) shown in equation (1)
・ Can be requested. This feedback behavior
Since it is performed by a computer and a computer program, φ (ω) can be obtained very quickly. Further, using the obtained φ (ω), it is possible to output control information for realizing an output light pulse having a desired waveform by using a program and a computer based on a specific algorithm.
【００２４】従って、本実施の形態によれば、レーザー
光源が変動し、位相分散φ（ω）が変動しても即時に出
力光パルスの波形を修正することができるから、出力光
パルスの波形が長時間安定し得る、安定化超短光パルス
発生装置を提供することができる。Therefore, according to the present embodiment, even if the laser light source fluctuates and the phase variance φ (ω) fluctuates, the waveform of the output light pulse can be immediately corrected. Can provide a stabilized ultrashort optical pulse generator that can stabilize for a long time.
【００２５】また、本実施の形態によれば、任意のパル
ス幅、任意のチャープ量、任意のパルス波形及び／又は
任意のパルス列周期に可変することができるから、可変
超短光パルス発生装置を提供することができる。Further, according to the present embodiment, since the pulse width can be varied to an arbitrary pulse width, an arbitrary chirp amount, an arbitrary pulse waveform and / or an arbitrary pulse train period, a variable ultrashort optical pulse generator can be provided. Can be provided.
【００２６】また、本実施の形態によれば、任意の光パ
ルスを主圧縮装置に入力することによって、この光パル
スの位相周波数特性を評価することができるから、超短
光パルス位相評価装置を提供することができる。According to the present embodiment, by inputting an arbitrary light pulse to the main compression device, the phase frequency characteristics of the light pulse can be evaluated. Can be provided.
【００２７】さらに、本実施の形態によれば、最短光パ
ルスを与える位相補償量が即時に得られ、この位相補償
量に基づいた波形成形制御情報を出力すれば、光パルス
の圧縮と成形を同時に行うことが可能であるから、高性
能超短光パルス発生装置を提供することができる。Further, according to the present embodiment, the phase compensation amount for giving the shortest light pulse can be immediately obtained, and by outputting the waveform shaping control information based on this phase compensation amount, the compression and shaping of the optical pulse can be performed. Since they can be performed simultaneously, a high-performance ultrashort optical pulse generator can be provided.
【００２８】[0028]
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明の複合型高精度超広帯域位相補償・位相制御装置によ
れば、超高帯域、かつ高精度に光パルスの位相分散補償
ができるから超短光パルスが容易に得られる。また、本
発明の上記構成に、光パルス波形測定装置、及びフィー
ドバック装置を付加した構成によれば、安定化した、任
意波形に可変できる、高性能の超短光パルス発生装置を
提供することができると共に、光パルスの位相特性を評
価できる評価装置を提供することができる。また、本発
明のこれらの装置は、従来の装置に較べ、格段に自動化
が可能であるので、扱いやすく、超短光パルスを必要と
する他の技術分野、例えば化学反応素過程研究の分野に
おいて極めて有用である。As can be understood from the above description, according to the hybrid high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device of the present invention, the phase dispersion of an optical pulse can be compensated for in an ultra-high band and with high accuracy. From the above, an ultrashort light pulse can be easily obtained. According to the configuration of the present invention in which an optical pulse waveform measuring device and a feedback device are added to the configuration, it is possible to provide a high-performance ultrashort optical pulse generator that can be stabilized and can be changed to an arbitrary waveform. In addition, it is possible to provide an evaluation device that can evaluate the phase characteristics of the light pulse. In addition, these devices of the present invention are much easier to automate than conventional devices, so they are easy to handle and can be used in other technical fields requiring ultrashort light pulses, for example, in the field of chemical reaction element process research. Extremely useful.
【図１】本発明の複合型高精度超広帯域位相補償・位相
制御装置の実施形態を示す構成概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of an embodiment of a combined high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device according to the present invention.
【図２】本発明に係る超高帯域光パルス発生装置の構成
を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an ultra-high band optical pulse generator according to the present invention.
【図３】本発明に係る前置圧縮装置の構成を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a pre-compression device according to the present invention.
【図４】本発明に係る主圧縮装置の構成を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a main compression device according to the present invention.
【図５】本発明の光パルス評価装置と空間位相変調器を
連動させた、第二の実施の形態の概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram of a second embodiment in which an optical pulse evaluation device of the present invention and a spatial phase modulator are linked.
１ 入力光パルス ２ レーザー光源 ３ 光増幅器 ４ 超高帯域光パルス発生装置 ４ａ Ａｒガスを充填したシングルモード中空ファイ
バー ４ｂ 集光レンズ ４ｃ コリメーターレンズ ５ 前置圧縮装置 ５ａ ブリュースタープリズム ５ｂ ブリュースタープリズム ５ｃ 反射鏡 ６ 主圧縮装置 ６ａ 凹面鏡 ６ｂ 凹面鏡 ６ｃ 回折格子 ６ｄ 回折格子 ６ｅ ハーフミラー ６ｆ ハーフミラー ６ｇ 空間位相変調器 ７ 出力光パルス ７ａ 出力光パルス ７ｂ 出力光パルス ８ 光パルス評価装置 ８ａ 情報伝送路 ９ フィードバック装置 ９ａ 制御情報伝送路 ｆ 凹面鏡の焦点距離 ｌ プリズム間距離 Ｆ ハーフミラー Ｍ ミラーDESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input light pulse 2 Laser light source 3 Optical amplifier 4 Ultra high bandwidth optical pulse generator 4a Single mode hollow fiber filled with Ar gas 4b Condensing lens 4c Collimator lens 5 Precompression device 5a Brewster prism 5b Brewster prism 5c Reflector 6 Main compressor 6a Concave mirror 6b Concave mirror 6c Diffraction grating 6d Diffraction grating 6e Half mirror 6f Half mirror 6g Spatial phase modulator 7 Output light pulse 7a Output light pulse 7b Output light pulse 8 Light pulse evaluation device 8a Information transmission path 9 Feedback Device 9a Control information transmission path f Focal length of concave mirror l Distance between prisms F Half mirror M Mirror
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H042 CA01 CA07 CA17 2H049 AA07 AA50 AA51 AA64 2H079 AA02 AA12 BA03 CA02 EB01 2H088 EA47 5F072 AB20 KK07 KK30 MM20 SS08 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 2H042 CA01 CA07 CA17 2H049 AA07 AA50 AA51 AA64 2H079 AA02 AA12 BA03 CA02 EB01 2H088 EA47 5F072 AB20 KK07 KK30 MM20 SS08
Claims (12)
帯域光波発生装置において、前置圧縮装置と主圧縮装置
とを有し、上記超短光パルスレーザー装置、又は、超広
帯域光波発生装置の超広帯域光源からの入力光パルスを
前置圧縮装置と主圧縮装置とで多段階に位相補償、又
は、位相制御することを特徴とする、複合型高精度超広
帯域位相補償・位相制御装置。1. An ultrashort optical pulse laser device or an ultra-wideband light wave generator, comprising a pre-compressor and a main compressor, wherein the ultrashort optical pulse laser device or the ultra-wideband light wave generator is A hybrid high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device, characterized in that the input light pulse from the ultra-wide band light source is phase-compensated or phase-controlled in multiple stages by a pre-compressor and a main compressor.
されることを特徴とする、請求項１に記載の複合型高精
度超広帯域位相補償・位相制御装置。2. The combined high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control device according to claim 1, wherein the pre-compressor comprises a pair of prisms.
されることを特徴とする、請求項１に記載の複合型高精
度超広帯域位相補償・位相制御装置。3. The combined high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control apparatus according to claim 1, wherein the pre-compressor comprises a diffracted photon pair.
構成されることを特徴とする、請求項１に記載の複合型
高精度超広帯域位相補償・位相制御装置。4. The combined high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control device according to claim 1, wherein the pre-compression device comprises a dielectric multilayer mirror.
周波数毎に空間分散させる前記プリズム対と、多段階に
付加位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間
位相変調器とで構成されることを特徴とする、請求項１
又は２に記載の複合型高精度超広帯域位相補償・位相制
御装置。5. The main compression device includes the prism pair for spatially dispersing the input light pulse for each frequency, and a spatial phase modulator in which pixels capable of changing an additional phase in multiple stages are arranged on a plane. 2. The method according to claim 1, wherein
Or the combined high-accuracy ultra-wideband phase compensation / phase control device according to 2.
周波数毎に空間分散させる前記回折光子対と、多段階に
付加位相を変化できるピクセルを平面上に配列した空間
位相変調器とで構成されることを特徴とする、請求項１
又は３に記載の複合型高精度超広帯域位相補償・位相制
御装置。6. The main compression device comprises: the diffracted photon pair for spatially dispersing the input light pulse for each frequency; and a spatial phase modulator in which pixels capable of changing an additional phase in multiple stages are arranged on a plane. 2. The method according to claim 1, wherein
Or the combined high-precision ultra-wide band phase compensation / phase control device according to 3.
て多段階に屈折率を変化できる液晶型ピクセルを、平面
上に配列した空間位相変調器であることを特徴とする、
請求項５又は６に記載の複合型高精度超広帯域位相補償
・位相制御装置。7. The spatial phase modulator is a spatial phase modulator in which liquid crystal pixels capable of changing a refractive index in multiple stages by an applied voltage are arranged on a plane.
The hybrid high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control device according to claim 5.
測定する光パルス評価装置と、この光パルス評価装置の
測定出力に基づき前記空間位相変調器に制御情報をフィ
ードバックするフィードバック装置とを有することを特
徴とする、請求項１〜７の何れかに記載の複合型高精度
超広帯域位相補償・位相制御装置。8. An optical pulse evaluation device for measuring a waveform of an output optical pulse, and a feedback device for feeding back control information to the spatial light modulator based on a measurement output of the optical pulse evaluation device. The hybrid high-precision ultra-wideband phase compensation / phase control device according to any one of claims 1 to 7, characterized in that:
チャープ量、パルス波形及び／又はパルス列周期を維持
するように、請求項８に記載のフィードバック装置と光
パルス評価装置とがフィードバック動作を行い、上記出
力光パルス波形を安定化することを特徴とする、安定化
極短光パルス発生装置。9. The feedback device and the optical pulse evaluation device according to claim 8 perform a feedback operation such that the output optical pulse maintains a predetermined pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform and / or pulse train period. A stabilized ultrashort optical pulse generator, wherein the output optical pulse waveform is stabilized.
数チャープ量、パルス波形及び／又はパルス列周期を有
する出力光パルスに変換するように、請求項８に記載の
フィードバック装置と光パルス評価装置とがフィードバ
ック動作を行い、これにより所望のパルス幅、周波数チ
ャープ量、パルス波形及び／又はパルス列周期を有する
上記出力光パルスを生成することを特徴とする、可変超
短光パルス発生装置。10. The feedback device and the optical pulse evaluation device according to claim 8, wherein the output optical pulse is converted into an output optical pulse having a desired pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform, and / or pulse train period. Performs a feedback operation, thereby generating the output light pulse having a desired pulse width, frequency chirp amount, pulse waveform, and / or pulse train period.
と光パルス評価装置とのフィードバック動作により得ら
れる入力光パルスの位相情報から、この入力光パルスの
位相周波数特性を評価することを特徴とする、超短光パ
ルス位相評価装置。11. A phase frequency characteristic of an input optical pulse is evaluated from phase information of an input optical pulse obtained by a feedback operation between the feedback device and the optical pulse evaluation device according to claim 8. Ultrashort optical pulse phase evaluation system.
と光パルス評価装置とのフィードバック動作により得ら
れる入力光パルスの位相情報から、最短光パルスを生成
する位相補償量を計算し、この位相補償量に基づいた波
形成形制御情報を出力することにより、上記入力光パル
スの圧縮と成形を同時に行うことを特徴とする、高性能
超短光パルス発生装置。12. A phase compensation amount for generating a shortest optical pulse is calculated from phase information of an input optical pulse obtained by a feedback operation between the feedback device and the optical pulse evaluation device according to claim 8, and the phase compensation amount is calculated. A high-performance ultrashort optical pulse generator characterized in that the input optical pulse is compressed and shaped at the same time by outputting waveform shaping control information based on the information.
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|---|---|---|---|
| JP2000329355A JP2002131710A (en) | 2000-10-27 | 2000-10-27 | Complex phase compensation-phase control device with ultrawide band and high accuracy |
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