JP2007128093A - スペクトル振幅をプログラム可能とした光パルスを分散させるための装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光パルスの種々の波長の相対振幅を経時的に変化させることが可能な光パルスを分散するための装置を提供する。
【解決手段】同じ頂角(α)を備えた２つの分散プリズム(P1, P2)から構成され，頭部と底部が対向して取り付けられ，第１のプリズム(P1)の光入力面が第２のプリズム(P2)の光出力面と平行であり，第１のプリズム(P1)の光入力面と第２のプリズム(P2)の光出力面を隔てる距離(L)が調節可能である光ビーム(Fi)の光パルスを分散させるための装置であり，第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つが光ビームと音響ビームとの間で音響光学相互作用を可能にする音響光学材料で構成されており，この音響ビームの音波が第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つの中に統合された偏向ブラッグセルを発生させる。
【選択図】図２
【解決手段】同じ頂角(α)を備えた２つの分散プリズム(P1, P2)から構成され，頭部と底部が対向して取り付けられ，第１のプリズム(P1)の光入力面が第２のプリズム(P2)の光出力面と平行であり，第１のプリズム(P1)の光入力面と第２のプリズム(P2)の光出力面を隔てる距離(L)が調節可能である光ビーム(Fi)の光パルスを分散させるための装置であり，第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つが光ビームと音響ビームとの間で音響光学相互作用を可能にする音響光学材料で構成されており，この音響ビームの音波が第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つの中に統合された偏向ブラッグセルを発生させる。
【選択図】図２
Description
本発明はスペクトル振幅がプログラム可能である光パルス分散のための装置に関する。
一般に，短い光パルスを分散するための装置は多数あることが知られている。それらの一つがR.L.フォーク（R.L.Fork）らによって最初に提案された「プリズム対を用いた負分散（Negative dispersion using pairs of prisms）」（１９８４年５月Optics Lettersにて刊行）であり，反転してつながった２つの同じプリズムよりなっている（第１のプリズムの入力面は第２のプリズムの出力面と平行である。）
特に上に引用した装置に関する従来技術を図１により説明すると，２つのプリズムP1， P2は同じ頂角αを有し，頭部と底部が対向して配置され，プリズムP1の入力面はプリズムP2の出力面と平行で，その両者を隔てる距離はLで，第１のプリズムP1の出力面は結果的にプリズムP2の入力面と平行になっており，この両者を隔てる距離はdであり，プリズムP1入力面へ投影したプリズムP2の頂部はプリズムP1の頂部からHだけ離れている。
遅延時間を光波長に関連づける分散特性の変更は，プリズムP1 ，P2の入出力面を隔てる距離Lを変更することによって行われる。分散特性の変更はまた，２つのプリズムP1 ，P2の頂部を隔てる距離Hを変更することによっても行うことができる。
この発明の先行技術文献としては，次のものがある。
「プリズム対を用いた負分散（Negative dispersion using pairs of prisms）」（１９８４年５月Optics Letters）
「プリズム対を用いた負分散（Negative dispersion using pairs of prisms）」（１９８４年５月Optics Letters）
短い光パルスを分散するためのこれら装置は，その全てにおいて，この光パルスの種々の波長の相対振幅を経時的に変化させることは不可能であると思われる。
従って，本発明は，具体的にはこの不都合を克服することを意図している。
本発明は，２つの分散プリズムによって構成される光ビームの光パルスを分散させるための装置を提案するものである。本発明によると，このプリズムは同じ頂角を備え，頭部と底部が対向して取り付けられ，第１のプリズムの光入力面は第２のプリズムの光出力面と平行であり，第１のプリズムの光入力面と第２のプリズムの光出力面を隔てる距離は調節可能であり，第１と第２のプリズムの少なくとも１つを構成する材料は，この光ビームと音響ビームとの間の音響光学相互作用を可能にする音響光学材料であり，この音響ビームの音波は，第１と第２のプリズムの少なくとも１つの中に統合された偏向ブラッグセルを発生させる。このような装置において，種々の光波長がプリズムの分散によって横断的に互いに空間的に分離される。
この音響光学ブラッグセルは，その軸が光線に対してほとんど垂直であり，ブラッグセルの変換器に加えられる信号に従って種々の光波長を振幅に選択的に回折する。
本発明によると，回折波は装置から除去され，音響光学相互作用によって振幅が光波長に応じてプログラム可能な，非回折波のみがこの分散装置に関与する。
好適には，光入射ビームは，第１のプリズムの入力面と第２のプリズムの出力面とに垂直またはほとんど垂直であり，これらのプリズムのエッジと垂直に偏光される。
さらには，第１と第２のプリズムの頂角は，この光ビームの光放射が，スペクトルの中心波長について，第１のプリズムの入力面と第２のプリズムの出力面に対してブリュースター入射となるように設定されている。
好適には，第１と第２のプリズムの少なくとも１つを構成する材料は二酸化テルル結晶(TeO2)型音響光学材料であり，ここで圧電変換器Taと係わる表面はこの二酸化テルル結晶(TeO2)の光軸[001]に対して１５度より少ない角度を形成する。
さらには，この圧電変換器Taは振幅および／または周波数が時間の関数としてプログラム可能な音波を発生させ，この圧電変換器Taに加えられる信号は，時間の関数として所望の振幅および周波数パラメータを表示する計算機と関連づけられた発信器によって与えられる。
この例に限定されるものではないが，以下，本発明の一実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図１に示す実施形態では，２つのプリズムP1と P2は同じ頂角αを備え，頭部と底部が対向して配置され，プリズムP1の入力面はプリズムP2の出力面と平行で，その両者を隔てる距離はLで，第１のプリズムP1の出力面は結果的にプリズムP2の入力面と平行になっており，この両者を隔てる距離はdであり，プリズムP1の入力面へ投影したプリズムP2の頂部はプリズムP1の頂部からHだけ離れている。
光入射ビームFiはプリズムP1によって回折される。回折の結果は，中心波長λ0のそれぞれの側に波長λ1およびλ2を有する３つの光路で表され，これらの光路はさらに第２のプリズムP2の中で回折され，第２のプリズムP2の出力では波長λ0，λ1，λ2を有する３つの光路は空間的に互いに分離され且つ入射ビームFiと平行になっており，遅延時間を光波長に関連づける分散は距離Lおよび／または距離Hに依存する。
注目すべき点は，遅延時間の偏差を装置の幾何学的特性によって正または負にすることが可能なことである。
図２に示す実施形態では，２つの裁頭プリズムP1，P2は同じ頂角αを備え，頭部と底部が対向して配置され，プリズムP1の入力面はプリズムP2の出力面と平行で，その両者を隔てる距離はLで，第１のプリズムP1の出力面は結果的にプリズムP2の入力面と平行になっており，この両者を隔てる距離はdであり，距離Lと垂直に定義したプリズムP1，P2の頂部間の距離はHに等しい。
光入射ビームFiは，プリズムP1の入力面およびプリズムP2の出力面と垂直であり，偏光された光はこれらのプリズムのエッジと垂直であり，プリズムP1，P2を構成する材料は複屈折音響光学性二酸化テルル結晶TeO2であり，プリズムP1，P2の頂部の角度は，光パルスの帯域幅の中心波長がブリュースター角にてプリズムP1の出力面から出力しプリズムP2の入力面に入力するようになっている。
従って，第１のプリズムP1の出力面の近傍において，光路λ0，λ1，λ2によって表されるこれらの波長は互いに空間的に分離され，第２のプリズムP2の入力面に到達し，第２のプリズムP2の中で屈折後互いに平行で第２のプリズムP2の出力面に垂直となる。
ここで，
− LをプリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面を隔てる距離，
− Hを距離Lと垂直に定義したプリズムP1，P2の頂部間の距離，
− αをプリズムP1，P2の頂部の角度，
− θをプリズムP1の出力面とプリズムP2の入力面との法線に対して定義された波長依存のプリズムP1， P2間の回折角，
− cを光速，
− nを入射光線の方向における二酸化テルル結晶の異常光屈折率，N (N = n -λ.dn/dλ)を二酸化テルル結晶の異常光群屈折率，
とすると，
プリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面間の光の群遅延時間tRは次の式で定義される。
− LをプリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面を隔てる距離，
− Hを距離Lと垂直に定義したプリズムP1，P2の頂部間の距離，
− αをプリズムP1，P2の頂部の角度，
− θをプリズムP1の出力面とプリズムP2の入力面との法線に対して定義された波長依存のプリズムP1， P2間の回折角，
− cを光速，
− nを入射光線の方向における二酸化テルル結晶の異常光屈折率，N (N = n -λ.dn/dλ)を二酸化テルル結晶の異常光群屈折率，
とすると，
プリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面間の光の群遅延時間tRは次の式で定義される。
ここで，
であり，
− θ0は中心波長λ0での回折角でブリュースター条件を満たすためには，
であり，
− Gは，距離Lの距離dに対する比に等しい幾何学的パラメータで次の式で定義される。
− θ0は中心波長λ0での回折角でブリュースター条件を満たすためには，
− Gは，距離Lの距離dに対する比に等しい幾何学的パラメータで次の式で定義される。
図２に示す実施形態では，ブラッグセルを構成する圧電変換器Taは，プリズムP2のベース面に統合されており，ベース面は二酸化テルル結晶の光軸[001]に対して数度，例えば５度の角度θAを形成する。
音響高さΔhは，第２のプリズムP2において，中心波長λ0のそれぞれの側にある波長λ1 ，λ2の光路を隔てる距離として定義される。
ここで，
− θAは，結晶の光軸[001]に対するプリズムP2のベースの角度であり，θAはまた，結晶の光軸[110]に対する音響波長ベクトルの角度である。
− θiは結晶の光軸[110]に対する入射ビームFiの角度である。
− θ0は第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λ0の光路の角度である。
− θaは第２のプリズムP2のベースに対する音響エネルギビームの傾斜の角度である。
ここで，
− θAは，結晶の光軸[001]に対するプリズムP2のベースの角度であり，θAはまた，結晶の光軸[110]に対する音響波長ベクトルの角度である。
− θiは結晶の光軸[110]に対する入射ビームFiの角度である。
− θ0は第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λ0の光路の角度である。
− θaは第２のプリズムP2のベースに対する音響エネルギビームの傾斜の角度である。
図３に示す実施形態では，
− 横軸は二酸化テルル結晶の光軸[110]で表される。
− 縦軸は二酸化テルル結晶の光軸[001] で表される。
− 常光屈折率n0の曲線は，中心Oの円COで表される。
− 異常光屈折率nの曲線は，楕円C1で表され，その短軸は[001]と一致して円COの半径n0に対応し，長軸は[110]に一致して値neを持つ。
− 横軸は二酸化テルル結晶の光軸[110]で表される。
− 縦軸は二酸化テルル結晶の光軸[001] で表される。
− 常光屈折率n0の曲線は，中心Oの円COで表される。
− 異常光屈折率nの曲線は，楕円C1で表され，その短軸は[001]と一致して円COの半径n0に対応し，長軸は[110]に一致して値neを持つ。
偏向は，二酸化テルル結晶の光軸[001]と[110]を含む平面において異常入射光線から常回折光線へ起こり，中心波長に対しては，音波ベクトルは常光屈折率曲線にほぼ接しており，常光線への異常入射光線の回折が最大限のスペクトル帯域を与える。
ここで，
− 光入射波ベクトルkiは，ベクトルOBで表される。
− 光回折波ベクトルkdは，ベクトルOAで表される。
− 音波ベクトルKは，ベクトルABで表される。
− θiは光軸[110]に対する光入射波ベクトルkiの角度である。
− θdは光軸[110]に対する光回折波ベクトルkdの角度である。
− θAは光軸[110]に対する音波ベクトルKの角度である。
ここで，
− 光入射波ベクトルkiは，ベクトルOBで表される。
− 光回折波ベクトルkdは，ベクトルOAで表される。
− 音波ベクトルKは，ベクトルABで表される。
− θiは光軸[110]に対する光入射波ベクトルkiの角度である。
− θdは光軸[110]に対する光回折波ベクトルkdの角度である。
− θAは光軸[110]に対する音波ベクトルKの角度である。
これらの条件下では，光軸[110]に対する光入射波ベクトルkiの角度θiは，光軸[001]に対するプリズムP2のベースの角度θAと次式によって関係づけられる。
nは，光軸[110]上で常光屈折率n0および異常光屈折率neと次式によって関係づけられる。
ここで，n0およびneはセルマイヤー公式によって波長の関数として与えられる。
例えば，λ0が0.8μmの場合には，
− n0 = 2.226,
− ne = 2.373であり，
θAが5°に等しい場合には，
− θi = 82.36 °
− n = 2.229
− θ0 = 65.83 °
− α = 24.16 °
− θa = 49.43 °
となる。
例えば，λ0が0.8μmの場合には，
− n0 = 2.226,
− ne = 2.373であり，
θAが5°に等しい場合には，
− θi = 82.36 °
− n = 2.229
− θ0 = 65.83 °
− α = 24.16 °
− θa = 49.43 °
となる。
図４に示す実施形態では，群遅延時間における相対偏差の特性を光波長の関数として示す。
tR0を中心波長λ0が0.8μmに等しい時の群遅延時間とすれば，
は，H/Lの２つの値に対する光路長λの関数として示される。ここで，Lはそれぞれ，プリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面を隔てる距離であり，Hは距離Lと垂直に定義したプリズムP1，P2の頂部間の距離である。
すなわち，
曲線C1，C2は，H/L = 1.01 と H/L = 1.13にそれぞれ対応する。
曲線C1，C2は，H/L = 1.01 と H/L = 1.13にそれぞれ対応する。
第２のプリズムP2中の音響コラムの高さΔhは，上に示したように，中心波長λ0の周りに与えられる。
差異h - h0は，次式によって定義される。
ここで，
− αは，プリズムP1，P2の頂部の角度である。
− θ0は，第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λ0の光路の角度である。
− θは，第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λの光路の角度である。
− αは，プリズムP1，P2の頂部の角度である。
− θ0は，第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λ0の光路の角度である。
− θは，第１のプリズムP1の出力面の法線に対する波長λの光路の角度である。
図５に示す実施形態では，音響コラムの高さにおける相対偏差の特性を光波長の関数として示す。
は，H/Lの２つの値に対する光路長λの関数として示される。ここで，LはプリズムP1の入力面とプリズムP2の出力面を隔てる距離であり，Hは距離Lと垂直に定義したプリズムP1，P2の頂部間の距離である。
すなわち，
曲線C1，C2は，H/L = 1.01 と H/L = 1.13にそれぞれ対応する。
曲線C1，C2は，H/L = 1.01 と H/L = 1.13にそれぞれ対応する。
光が中心波長λ0で二酸化テルル結晶を通過する全長lは次式によって与えられる。
圧電変換器Taに加えられる周波数は，次式によって与えられる。
図６に示す実施形態では，加えられる音響周波数fAの特性をθAが５度に等しい場合について光波長λの関数として示す（曲線C）。
例えば，光学帯域幅100nmでLが56cm，Hが56cmでは，
− 群遅延時間の偏差は，4.5ピコ秒である。
− 光が結晶を通過する全長は，50mmである。
− 入射ビームFiの波長群が分布する音響コラムの高さΔhの範囲は，20mmである。
− 音響変換器に加えられる周波数領域は75MHzから90MHzの間である。
− 群遅延時間の偏差は，4.5ピコ秒である。
− 光が結晶を通過する全長は，50mmである。
− 入射ビームFiの波長群が分布する音響コラムの高さΔhの範囲は，20mmである。
− 音響変換器に加えられる周波数領域は75MHzから90MHzの間である。
従って，本発明による装置のスペクトル振幅をプログラムするためのポイント数は，入射ビームFiの直径に対して波長群が分布する音響コラムの高さΔhの範囲の比率として定義され，入射ビームFiの直径が１mmに対しては，この場合20ポイントとなる。
好適には，圧電変換器Taによって発生される音波の振幅および／または周波数は時間の関数としてプログラムされ，この圧電変換器Taに加えられる信号は，時間の関数として所望の周波数および振幅パラメータを表示する計算機と関連づけられた発信器によって与えられる。
Claims (5)
- 同じ頂角(α)を備えた２つの分散プリズム(P1, P2)によって構成され，頭部と底部が対向して取り付けられ，第１のプリズム(P1)の光入力面が第２のプリズム(P2)の光出力面と平行であり，この第１のプリズム(P1)の光入力面と第２のプリズム(P2)の光出力面を隔てる距離(L)が調節可能である光ビーム(Fi)の光パルスを分散させるための装置において，
第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つを構成する材料がこの光ビームと音響ビームとの間の音響光学相互作用を可能にする音響光学材料であって，
この音響ビームの音波は，第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つの中に統合された偏向ブラッグセルを発生させ，このブラッグセルはその軸が前記光ビームとほとんど垂直であって前記音響ビームの特性に応じてこの光ビームの種々の波長を振幅に選択的に回折し，これによって非回折光波と回折光波を発生させ，この回折波は除去され，非回折波の振幅が前記音響光学相互作用によって光波長に応じてプログラム可能であることを特徴とする光パルスを分散させるための装置。 - 前記光入射ビーム(Fi)は前記第１のプリズム(P1)の入力面と第２のプリズム(P2)の出力面とに垂直またはほとんど垂直であって，これらのプリズム(P1, P2)のエッジに対して垂直に偏光されることを特徴とする請求項１記載の光パルスを分散させるための装置。
- 前記第１と第２のプリズム(P1, P2)の頂部の角度は，スペクトルの中心の波長に対応する前記光ビーム(Fi)の光放射(λ0)が，第１のプリズム(P1)の出力面と第２のプリズム(P2)の入力面に対してブリュースター入射となるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の光パルスを分散させるための装置。
- 前記第１と第２のプリズム(P1, P2)の少なくとも１つを構成する材料は二酸化テルル結晶(TeO2)型音響光学材料であり，ここで圧電変換器(Ta)と係わる表面がこの二酸化テルル結晶(TeO2)の光軸[001]に対して１５度より低い角度を形成することを特徴とする請求項１記載の光パルスを分散させるための装置。
- 前記圧電変換器(Ta)は振幅および／または周波数が時間の関数としてプログラムされる音波を発生させ，この圧電変換器Taに加えられる信号は，時間の関数として所望の周波数および振幅パラメータを表示する計算機と関連づけられた発信器によって与えられることを特徴とする請求項１記載の光パルスを分散させるための装置。
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