JP2006029808A - 光パルス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フェムト秒光パルスのパルス幅を容易に計測すること。
【解決手段】入力光パルスを二分して得られた第１分岐光Ｌ１、および第１分岐光に対し時間遅延のない第２分岐光Ｌ２が、基本波として、入射される非線形光学素子２０と、非線形光学素子で発生された第２高調波の、ある波長領域に存在する全てのスペクトルを抽出し、抽出する中心波長が位置によって連続的に変化するスペクトル抽出光学素子３０と、スペクトル抽出光学素子から出射する第２高調波の２次元パターンを撮像する２次元撮像素子４０とを具える。非線形光学素子として、有機色素素子を用い、自己相関波形情報対波長情報の２次元パターンを得、自己相関波形情報からスケール基準としてのレチクルを用いてパルス幅を決定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、光パルスの各波長毎の自己相関波形を同時に計測して光パルスのチャープト特性を決定するための光パルス計測装置に関する。

フェムト秒光パルスの利用が活発に行われている。このフェムト秒光パルスは、材料物性研究や、レーザ加工機などに使用されている。特に、加工機に使用する場合には、光強度パルスのピーク強度による被加工物の破壊を防ぐため、パルス幅を加工機に適したパルス幅とすることが望まれている。

そのため、従来は、加工機として必要な高強度パルスを、チャープト・パルス再生増幅器などの手法で、発生している。このとき、パルス幅を一旦広げて増幅し、最後に、再び、パルス幅を圧縮する手法が取られている。その増幅の際、パルスの繰り返し周波数は、１ＫＨｚ程度まで低下してしまい、また、圧縮の際、正分散によるチャープに対して、逆の負分散を与えてパルスをフェムト秒時間領域まで戻す必要がある。また、チャープト・パルス再生増幅器を利用する場合には、光パルス幅を圧縮するとき、高次分散効果が出来るだけ発生しないように最終段の圧縮機を調整する必要がある。

通常使用されているフェムト秒パルス発振器は、繰り返し周波数が１００ＭＨｚ程度であり、パルス幅を計測する際、単位時間当たりのパルス数が多いため、十分な（Ｓ／Ｎ）比でパルス計測が可能である。しかし、そのパルス幅を計測するために使用する、従来のパルス幅計測器は、パルスの繰り返し周期とは、非同期であるため、一般的には、低繰り返し周期のパルスの測定には、この従来型の計測器は使用できない。

２０ｐｓ程度までの長時間幅を有するパルスの計測は、半導体高速検出器とサンプリングオシロスコープとを組み合わせた装置で測定すればよい（非特許文献１）。

しかし、フェムト秒光パルスのような、超短時間幅の光パルスの測定には、通常シングルショットオートコリレーターを使用するが、この装置は、１つの光パルスだけで、パルス幅を計測出来る装置である。

また、非線形相関法、特に非線形光学結晶を用いたＳＨＧ自己相関計（オートコリレーター）がある。その方法の一つとして、ある特定の波長範囲に存在するスペクトルを、分光器を用いて、切り出し、その特定波長領域の自己相関波形を１次元のラインセンサで計測している。そして、分光器で切り出すときに、中心波長を変化させることで、パルス全体のチャープ特性を解析している（非特許文献１）。
渡部 明 著，「光アライアンス」，日本工業出版，１９９５年５月，第５巻，第５号，ｐ．３３−３９

しかしながら、上述した従来のパルス幅計測器では、光パルスのパルス幅をリアルタイムでモニタすることが出来ない。

また、非線形光学結晶を用いた、ＳＨＧ自己相関波形からパルス幅を得る手法では、光パルスの波長が異なったとき、対応してその都度光学結晶を取り替えたり、或いは光学結晶への光の入射角を変えるたりする、複雑で面倒な調整が必要となり、利用コストの面から問題がある。

また、シングルショットオートコリレーターでは、一定の波長範囲に存在するスペクトルの抽出すなわち切り出し或いは抜き出しを行っておらず、従って、チャープ情報は計測できない。

さらに、一次元のラインセンサを用いた計測方法では、分光器の中心波長をずらしていく複雑で面倒な操作を必要とし、１回の光パルスではチャープ特性まで測定できない。

そこで、光パルスのチャープ情報をリアルタイムでモニタすることが出来るとともに、光パルス幅を容易に決定できる光パルス計測装置の出現が望まれていた。

さらには、異なる波長の、一連の光パルスに対しても、連続的に計測できる光パルス計測装置の出現が望まれていた。

この発明は、上述した点に鑑みなされたものであって、この発明によれば、光パルス計測装置は、下記の構成要件を備える。すなわち、光パルス計測装置は、非線形光学素子と、スペクトル抽出光学素子と、２次元撮像素子とを具えている。

この非線形光学素子は、入力光パルスを二分して得られた第１分岐光、および該第１分岐光に対し時間遅延がない第２分岐光が、基本波として、入射される素子とする。

また、このスペクトル抽出光学素子は、この非線形光学素子で発生された第２高調波の、ある波長領域に存在する全てのスペクトルを抽出し、抽出する中心波長が位置によって連続的に変化する光学素子とする。

また、この２次元撮像素子は、スペクトル抽出光学素子から出射する第２高調波の２次元パターンを撮像する２次元撮像素子とする。
を含む。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、非線形光学素子を、有機色素素子とするのがよい。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、非線形光学素子を、有機色素材料が収容されたカートリッジセルと、このカートリッジセルを着脱自在に固定するカートリッジユニットとをもって構成するのがよい。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、ＣＰＵと、画像表示部とを具えている。このＣＰＵは、２次元撮像素子に接続されていて、この２次元撮像素子で撮像されて得られた、２次元パターンから各波長毎の自己相関波形を生成するとともに、生成された自己相関波形から第２高調波の、波長毎のパルス幅を評価する装置である。また、画像表示部は、ＣＰＵ（中央処理装置）に接続されていて、２次元パターン、各波長毎の自己相関波形および評価されたパルス幅を個別または同時に表示する装置である。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、ＣＰＵに、パルス幅を評価するためのスケール基準として、升目状のレチクル情報を格納するメモリを設けるのがよい。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、スペクトル抽出光学素子は、非線形光学素子と第２撮像素子との間に、非線形光学素子側から順次に配置された波長分散素子と、基本波の波長の透過を防止するフィルタとを具えているのがよい。

さらに、この発明の実施に当たり、好ましくは、入力光パルスをフェムト秒光パルスとするのがよい。

光パルス計測装置を、上述した非線形光学素子と、スペクトル抽出光学素子と、２次元撮像素子とを含む構成とすることにより、１つの入力光パルスで、光パルス計測はもとより、光パルスのチャープ状況をもリアルタイムでモニタできる情報を、容易かつ簡単に、得ることが出来るという、第１の効果が得られる。

さらに、非線形光学素子を、非線形光学結晶を用いる代わりに、有機色素素子を用いることにより、第１の効果に加えて、次のような第２の効果を達成できる。すなわち、有機色素の発光は、２光子蛍光による発光であるので、角度依存性がない。このため、波長の異なる入力光パルスが順次にこの発明の光パルス計測装置に入射してきた場合に、非線形光学結晶の場合には、結晶への入射角度を変化させてＳＨＧ発生の再調整を行う必要があったが、有機色素素子の場合には、その必要が無くなり、同一の有機色素素子で計測を容易に連続的に行える。しかも、有機色素の角度非依存性は、２次の非線形光学効果であるので、自己相関信号を容易に検出できる。

さらに、第１および第２の効果に加えて、非線形光学素子を、有機色素材料を収容したカートリッジと、このカートリッジを着脱自在にはめ込んで固定できるカートリッジユニットとで構成した場合には、カートリッジを交換することにより、有機色素素子の交換を容易に行えるという、第３の効果がられる。

さらに、撮像された２次元パターンから各波長毎の自己相関波形を発生すなわち生成し、かつこの自己相関波形から第２高調波の、波長毎のパルス幅を評価するＣＰＵと、これら２次元パターン、各波長毎の自己相関波形、およびパルス幅を個別または同時に表示する画像表示部とを具える構成とする場合には、第１から第３の効果に加えて、第４の効果を得ることが出来る。すなわち、この発明の光パルス計測装置を、例えば、パルス幅を、一旦、拡げ、最後に再び、圧縮するという手法を用いる構成とする場合には、画像表示部に２次元パターン、各波長毎の自己相関波形、およびパルス幅を表示することが出来るので、これらをモニタ情報としてリアルタイムで観測しながら、適当な圧縮条件を、モニタ情報を見ながら、調整、すなわち最終段でのパルス圧縮を最適位置に調整し、高次の分散効果が発生しないように抑制することが可能となり、光パルスの質の向上を図ることが出来る。

また、ＣＰＵに、スケール基準として升目状のレチクル情報を予め格納するメモリを設けておく場合には、レクチル情報を２次元画像の表示画面に取り込むことが出来ると共に、自己相関波形の相関幅を、このレチクル情報を利用して、空間距離として正確に決定できる。尚、このレクチル情報は、予め、上述した有機色素材料のカートリッジの代わりに、レクチルをカートリッジユニットに挿入固定して、メモリに取り込むことができる。

さらに、光パルスをフェムト秒光パルスとする場合にも、上述の全ての効果に加えて、容易に、かつ正確に、パルス幅を決定することが出来る。

以下、図を参照して、この発明による光パルス計測装置の最良の形態につき説明する。尚、図は、この発明が理解できる程度に、各構成成分、波形、２次元パターンなどを概略的に示してあるに過ぎない。

図１は、この発明による光パルス計測装置の一構成例のシステム全体を概略的に示す図である。この光パルス計測装置１０は、主要の光学系構成部分１２と、制御・表示系構成部分１４とを具えている。

光学系構成部分１２は、その主要構成部として、非線形光学素子２０と、スペクトル抽出光学素子３０と、２次元撮像素子４０とを具えている。光学系構成部分１２は、その他に、ある波長の一個の光パルス或いは波長の異なる一連の光パルス等の光パルスＬが、被測定ビームとして、入力するビーム入射口２２と、入射した光パルスのビーム整形を行うビーム整形器２４と、この光パルスＬを二分して相互間に時間遅延のない第１および第２分岐光Ｌ１，Ｌ２を非線形光学素子に向けて送出する光分岐部２６と、所要に応じて設けられ、非線形光学素子からのＳＨＧ光を後段のスペクトル抽出光学素子３０に送出し、かつ雑音の原因となる基本波光を除くための基本波光除去部２８と、ＳＨＧ光をスペクトル抽出光学素子３０へとリレーするリレーレンズ系３２とを具えている。

ビーム整形器２４は、例えば、空間フィルタ（ピンホール）およびレンズを用いた構成とするか、或いは、凹面鏡を用いた構成とすることが出来る。

また、光分岐部２６は、いわゆるマイケルソン干渉計の原理を利用した構成とは異なる構成とする。例えば、入射ビームを第１および第２分岐光Ｌ１，Ｌ２に分岐するハーフミラーと、第１および第２反射ミラーと、これら反射ミラーからそれぞれ反射してきた第１および第２分岐光Ｌ１，Ｌ２を非平行ビームとして非線形光学素子２０へ送出するプリズムとで構成している。この場合、第１および第２分岐光Ｌ１，Ｌ２は、ハーフミラーで、互いに多少の時間遅延を生じるが、非線形光学素子２０へ入射するときは、これら第１および第２分岐光Ｌ１，Ｌ２は、互いに位相が合わせられている。

この非線形光学素子２０としては、被測定ビームとしての光パルスが固定した一つの波長である場合には、通常の非線形光学結晶を用いることが出来る。光学結晶の場合には、ＳＨＧ光を生成させるためには、一つの波長に対して入射角が決まっているので、波長が代わると、角度調整を行う必要がある。そのため、光学結晶への入射角を固定したままでは、波長が異なる数種の光パルスが順次に入射してくる場合には、連続して測定できない。連続測定できるようにするためには、非線形光学素子として、後述する有機色素素子を用いるのがよい。有機色素素子の場合には、ＳＨＧ光の発生に対して、入射角度依存性がないからである。

基本波光除去部２８は、例えば、ＳＨＧ光のビームの軸周に配置したプリズムで構成している。基本波光がＳＨＧ光に比べて、決して弱いとは言い得ないので、プリズムでけり出す手法が好ましい。しかし、フィルタやレンズなどの基本波光を減衰させる性能が十分である場合には、プリズムの代わりに、これらフィルタ或いはレンズを用いても良い。

スペクトル抽出光学素子３０は、第２高調波であるＳＨＧ光のスペクトルのうち、特定の波長領域内に存在する全てのスペクトルを抜き出すための素子である。そして、この光学素子３０は、抜き出すすなわち抽出する中心波長が位置によって連続的に変化する素子である。この光学素子３０は、例えば、波長分散素子３４と、基本波光を遮断する、すなわち基本波の波長を透過しない、フィルタ３６とで構成するのがよい。その場合、波長分散素子として、例えば、バンドパスフィルタ、プリズム、或いはグレーチングを使用することが出来る。

例えば、バンドパスフィルタを用いる場合には、当該バンドパスフィルタの中心波長が、当該バンドパスフィルタの面内の位置によって、変化するバンドパスフィルタとするのが好適である。

２次元撮像素子４０は、例えば、ＣＣＤ（電荷結合素子）を用いて構成すること出来る。この撮像素子４０は、スペクトル抽出光学素子３０から出射する第２高調波の２次元パターンを撮像する。撮像された２次元パターンは、２次元の画像パターンである。この画像パターン情報は、電気信号に変換されて、制御・表示系構成部分１４に送られる。

制御・表示系構成部分１４は、いわゆるパーソナルコンピュータで構成されている。このコンピュータは、周知の通りキーボード、マウスその他の任意好適な入力装置４２、液晶画面表示その他の任意好適な画面表示装置４４、および中央処理装置（ＣＰＵ）４６を具えている。ＣＰＵ４６は、周知の通り、制御部４６ａと、メモリ（記憶部）４６ｂと、演算部４６ｃとを具えている。

ＣＰＵ４６は、入力されたプログラムの命令を解読し、実行する装置である。

入力装置４２は、コンピュータ１４への所要の情報を入力するための装置である。

画面表示装置４４は、コンピュータへ入力させた情報や、ＣＰＵ４６で処理された情報などのコンピュータから出力する情報を自動的に、或いは、入力装置からの指令に応答して、画面表示する装置であり、印字部を備えていてもよい。

制御部４６ａは、プログラムの命令の解読およびコンピュータの動作に必要な種々のデータのやりとり、タイミング制御、処理の指令など、コンピュータ全体の制御を行う構成部分である。

メモリ４６ｂは、通常は、情報の書込や読出しがされる記録媒体である。このメモリ４６ｂには、予め、升目状のスケール基準であるレチクル情報が格納されている。この格納のため、非線形光学素子の位置にレチクルを配置しておいて、このレチクル像を２次元撮像素子４０で撮像して、メモリに取り込んでおけばよい。

演算部４６ｃは、算術演算や論理演算を行って、通常は、プログラムの実行を行う構成部分である。

非線形光学素子２０として有機色素素子を用いる場合の素子構造の一例を図２（Ａ）および（Ｂ）に示す。この素子２０は、例えば、有機色素材料が収容されたカートリッジセル５０と、このカートリッジセルを着脱自在に固定するカートリッジユニット５２とで構成するのが好適である。このセル５０は、２枚の四角い光学ガラス窓５０ａ，５０ａ間にスペーサ５０ｂを介在して間隙５０ｃを形成し、その間隙内に好ましくはゲル状の有機色素材料（有機色素ゲル）５０ｄを挟持して形成されている。

カーリッジユニット５２は、不透明の材料からなる保持部５２ａから成り、中央に通過する光に波長に対して透明な透過窓（空間であってもガラスであってもよい。）５２ｂが設けられている。この保持部５２ａには、カートリッジセル５０を着脱自在にはめ込んで固定するはめ込み部５２ｃが形成されている。勿論、このはめ込み部５２ｃには、セル５０に代えて、レチクル（図示せず）を着脱自在にはめ込むこともできる。

このような有機色素素子２０を光路中にセットしてこれよりＳＨＧ光を生成し、スペクトル抽出光学素子３０からは、一定の波長範囲内に存在する全ての波長のＳＨＧ光が出射する。２次元撮像素子４０で、このＳＨＧ光の２次元パターンを撮像して、ＣＰＵ４６に送り、画面表示装置４４で画面表示する。

図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）は、２次元パターンと各波長毎の自己相関波形とを説明するための図である。

図３（Ａ）は、横軸に自己相関波情報すなわち相関幅（任意の単位）を取って示してあり、縦軸に波長情報（単位：ｎｍ）を取って示してある。図中、中央に模式的に示した長方形の領域Ｓ０は、波長λ₀を中心とする微少スペクトル領域のＳＨＧ光に対応する。同様に、同様に領域Ｓ１およびＳ２は、それぞれ中心波長λ_+Mおよびλ_-Mに対応する微少スペクトル領域のＳＨＧ光に対応する。

図３（Ｂ）は、ＣＰＵ４６によって、自己相関波形情報から、スペクトル領域Ｓ０を切り出して強度分布情報に変換することにより得られた自己相関波形を示す波形図である。

図３（Ｃ）は、ＣＰＵ４６によって、自己相関波形情報から、スペクトル領域Ｓ２を切り出して強度分布情報に変換することにより得られた自己相関波形を示す波形図である。

図３（Ｄ）は、ＣＰＵ４６によって、自己相関波形情報から、スペクトル領域Ｓ１を切り出して強度分布情報に変換することにより得られた自己相関波形を示す波形図である。

図３（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）は、横軸は、時間軸であり、縦軸は光強度であり、いずれも任意の単位で示してある。

この自己相関波形は、横軸が空間的な長さであるので、距離も物差しを使って、時間軸に変換することが出来る。この物差しとして、レチクルを使用する。従って、ＣＰＵ４６によって、これらの自己相関波形とレチクル情報とによって、パルス幅の評価が出来る。すなわちパルス幅の決定ができ、決定されたパルス幅を自己相関波形図に表示できる。

以上のような処理を経ることによって、パルス幅を決定できる。

上述したこの発明の特色は、非線形光学素子によって発生された第２高調波の、特定の波長領域内に存在する全てのスペクトルを生成するスペクトル抽出光学素子と、そのスペクトルパターンを第２高調波の２次元パターンとして撮像する２次元撮像素子とで構成した点にある。この場合、波長毎の自己相関波形が位置に依存して現れることとなり、これを２次元撮像素子（ＣＣＤ）で観測することにより、１つの光パルスでチャープ特性が測定できるというメリットがある。

これらの操作は、光パルスのビーム内の強度が出来るだけ均一である必要がある。もし均一でない場合には、次の方法で補正処理を行えばよい。

まず、（１）スペクトル抽出光学素子がない状態で２次元撮像素子４０でパルス計測を行う。

また、（２）このパルスの２次元分布をメモリ４６ｂに記憶する。

この場合、図３（Ａ）に示す、自己相関波形情報対波長情報の２次元画像パターンにおいて、横軸をＸおよび縦軸をＹとし、得られた画像を各Ｙ値においてＸ軸方向に輝度分布を積算することにより、強度Ｐ（Ｙ）を得る。この積分されたＰ（Ｙ）を規格化情報として記憶する。

図１は、この発明による光パルス計測装置の一構成例のシステム全体を概略的に示す図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、非線形光学素子として有機色素素子を用いる場合の素子構造の一例を示す説明図である。 （Ａ）は、自己相関波形情報対波長情報との関係を２次元画像パターンとして示した図であり、（Ｂ），（Ｃ），および（Ｄ）は、微少のスペクトル領域を切り出して強度変換して得られた、それぞれの波長の自己相関波形をそれぞれ示す波形図である。

符号の説明

１０：光パルス計測装置
１２：光学系構成部分
１４：制御・表示系構成部分
２０：非線形光学素子
２２：ビーム入射口
２４：ビーム整形器
２６：光分岐部
２８：基本波光除去部
３０：スペクトル抽出光学素子
３２：リレーレンズ系
３４：波長分散素子
３６：フィルタ
４０：２次元撮像素子
４２：入力装置
４４：画面表示装置
４６：ＣＰＵ
４６ａ：制御部
４６ｂ：メモリ
４６ｃ：演算部
５０：カートリッジセル
５０ａ：光学ガラス窓
５０ｂ：スペーサ
５０ｃ：間隙
５０ｄ：有機色素素子
５２：カートリッジユニット
５２ａ：保持部
５２ｂ：透過窓
５２ｃ：はめ込み部

Claims (7)

1. 入力光パルスを二分して得られた第１分岐光、および該第１分岐光に対し時間遅延がない第２分岐光が、基本波として、入射される非線形光学素子と、
   該非線形光学素子で発生された第２高調波の、ある波長領域に存在する全てのスペクトルを抽出し、抽出する中心波長が位置によって連続的に変化するスペクトル抽出光学素子と、
   該スペクトル抽出光学素子から出射する第２高調波の２次元パターンを撮像する２次元撮像素子と
   を含むことを特徴とする光パルス計測装置。
2. 請求項１に記載の光パルス計測装置において、前記非線形光学素子は、有機色素素子とすることを特徴とする光パルス計測装置。
3. 請求項１または２に記載の光パルス計測装置において、前記非線形光学素子は、有機色素材料が収容されたカートリッジセルと、該カートリッジセルを着脱自在に固定するカートリッジユニットとを具えることを特徴とする光パルス計測装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光パルス計測装置において、さらに、
   前記２次元撮像素子に接続されていて、該２次元撮像素子で撮像されて得られた前記２次元パターンから各波長毎の自己相関波形を生成するとともに、生成された該自己相関波形から前記第２高調波の、各波長毎のパルス幅を評価するＣＰＵと、
   該ＣＰＵに接続されていて、前記２次元パターン、各波長毎の自己相関波形および評価された前記パルス幅を個別または同時に表示する画像表示部と
   を具えることを特徴とする光パルス計測装置。
5. 請求項４に記載の光パルス計測装置において、
   前記ＣＰＵは、前記パルス幅を評価するためのスケール基準として、升目状のレチクル情報を格納するメモリ
   を具えていることを特徴とする光パルス計測装置。
6. 請求項１に記載の光パルス計測装置において、
   前記スペクトル抽出光学素子は、前記非線形光学素子と第２撮像素子との間に、該非線形光学素子側から順次に波長分散素子と、前記基本波の波長の透過を防止するフィルタと
   を具えていることを特徴とする光パルス計測装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光パルス計測装置において、
   前記入力光パルスをフェムト秒光パルスとする
   ことを特徴とする光パルス計測装置。