JP2010127831A - 光学遅延素子および光パルス計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】媒質の群速度分散の影響を受けにくく、チャープの影響を受けにくい光学遅延素子を提供し、また、チャープの影響を受け難く広帯域の光パルス計測を行うことができる光計測装置を提供する。
【解決手段】光学遅延素子１０Ａは、透過型の光学遅延素子に代えて反射型の光学遅延素子とし、光学的な遅延を反射距離によって遅延時間を形成し、この反射距離を異ならせることによって遅延時間に時間差を付与するものである。反射型の光学遅延素子によれば、光学素子を光が通過することによる吸収や分散の影響を除くことができるため、媒質の群速度分散による光パルスの時間広がり（チャープ）を無くすことができ、また、広帯域の周波数（波長）に対して光学遅延時間を付与する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フェムト秒レベルの短い時間幅の光パルスに光学遅延時間を付与する光学遅延素子、およびこの光学遅延素子を用いて、フェムト秒の光パルスの時間・周波数特性を実時間で観測する光パルス計測装置に関する。

フェムト秒の光パルスの時間幅や位相をモニタする光計測装置として、シングルショット・オートコリレータ（特許文献１参照）、FROG（Frequency Resolved Optical Gating）法、SPIDER（Spectral Phase Interferometry for Direct Electric - Field Reconstruction）法（特許文献２参照）が知られている。

また、本発明の発明者は、微小時間における実時間変化のスペクトルを得る実時間イメージング分光法および実時間イメージング分光装置等の出願において、時間分解とスペクトル測定を同時に行う分光方法および分光装置を開示している（特許文献３，４）。

特開２００１−２１５５４０号公報（段落００２１） 特開２００３−３３７３０９号公報（段落０００５） 特許第３７９９５４６号公報 特許第３９６２７７７号公報

シングルショット・オートコリレータによる光計測は、パルスの時間幅は測定することができるが、周波数（波長）や位相については測定することができないという課題がある。

また、FROG法やSPIDER法は、レーザー光の時間幅の他、周波数（波長）や位相についても測定することができるが、これらの方法では予め如何なる波長のレーザーを測定対象とするかが限定されているため、広帯域の検出ができないという課題がある。また、一般に用いる光学素子では群速度分散の影響のため、短い時間幅（例えば、２０フェムト秒以下）のパルスに適用することは困難である。

特許文献３，４では、時間分解とスペクトル測定の同時測定を行う構成として、エシェロンの光学素子による透過型の時間遅れ形成手段を用いている。

この透過型の時間遅れ形成手段は、光パルスが媒質を通過する際の光路差を利用することによって異なる光遅延時間を形成している。透過型の時間遅れ形成手段では、光パルスは媒質を通過する。そのため、光パルスは媒質の群速度分散の影響を受けて広がり（正のチャープ）が生じる。このチャープは、光パルスの時間幅、周波数（波長）、位相に影響を与えるため、測定精度が低下するという問題がある。

例えば、時間幅が２０フェムト秒以下の短時間の光パルスでは、特にチャープの影響を受け易いため、透過型の時間遅れ形成手段を用いた光計測装置では十分な精度が得られないおそれがある。

また、測定する光パルスの帯域が広い場合においてもチャープの影響を受け易くなるため、透過型の時間遅れ形成手段を用いた光計測装置では十分な精度が得られないおそれがある。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、媒質の群速度分散の影響を受けにくく、チャープの影響を受けにくい光学遅延素子を提供することを目的とし、また、チャープの影響を受け難く広帯域の光パルス計測を行うことができる光計測装置を提供することを目的とする。

本発明の光学遅延素子は、透過型の光学遅延素子に代えて反射型の光学遅延素子とし、光学的な遅延を反射距離によって遅延時間を形成し、この反射距離を異ならせることによって遅延時間に時間差を付与するものである。本発明の反射型の光学遅延素子によれば、光学素子を光が通過することによる吸収や分散の影響を除くことができるため、媒質の群速度分散による光パルスの時間広がり（チャープ）を無くすことができ、また、広帯域の周波数（波長）に対して光学遅延時間を付与することができる。

また、本発明の光パルス計測装置は、本発明の反射型の光学遅延素子を用いることによって、フェムト秒領域の光パルスの時間・周波数特性を広帯域でチャープの影響を受けることなく、実時間で計測することができる。本発明の光パルス計測装置は、レーザー光の光パルス計測の他、フェムト秒プローブ白色光に遅延時間を付与することによって、ポンプ（励起）・プローブ分光等の分光技術にも適用することができる。

本発明の光学遅延素子は、入射光の入射位置に応じて遅延時間が異なる出射光を形成する光学遅延素子であり、複数の段部と、この段部の面の内で少なくとも入射光側の面に設けた反射面とを有する反射部を備える。この反射部において、入射光に対して垂直な入射面と各段部の反射面との間の光路長、および各段部の反射面と出射光に対して垂直な出射面との間の光路長を段部毎に異ならせる。この光路長の光路差によって各段部の反射面で反射された反射光の遅延時間に時間差を形成する。

本発明の光学遅延素子の一形態は、光路上にビームスプリッタと反射部とを配置し、ビームスプリッタによって入射光と反射光とを分離し、反射部からの反射光を入射光と異なる方向に出力する。

ビームスプリッタは、入射光を反射部側に透過し、反射部で反射し反射光を入射光と異なる方向に反射する選択的な透過反射面を備える。

反射部は、ビームスプリッタの透過反射面の内の反射面と対向する側に複数の段部が順次形成された階段状部と、この階段状部の段部の面の内で少なくとも透過反射面と対向する面に設けられた反射面とを備える。反射部は、反射面を階段状部の段部に設ける構成とすることによって光路長の距離に差を設け、これによって光パルスに遅延時間を付与する。

反射部において、入射光に対して垂直な入射面と各段部の反射面との間の光路長、および各段部の反射面と出射光に対して垂直な出射面との間の光路長を段部毎に異ならせ、この光路長の光路差によって各段部の反射面で反射された反射光の遅延時間に時間差を形成し、入射光の入射位置に応じて遅延時間が異なる出射光を形成して出力する。

本発明の光学遅延素子の反射部が有する段部は、段部の反射面に対して入射光を所定の入射角で入射し、反射光を反射面に対して所定の反射角で反射し、入射光と 異なる光路上に出射させる構成の他、段部の反射面に対して入射光を垂直に入射し、反射光をこの反射面に対して垂直に反射させ、入射光と同じ光路上を逆方向に出射させる構成とすることができる。

反射部の段部に設けた反射面は、段部の表面に所定波長範囲の光を反射するコーティングにより形成することができる。このコーティングを選択することによって一つの光学遅延素子で広帯域の周波数（波長）に対応させることができる。

コーティングは誘電体コーティングや金、銀、アルミコーティングとすることができる。誘電体やアルミコーティングでは、可視光〜紫外光（８００〜３００ｎｍ）に対応する誘電体を用いることによって、フェムト秒レーザー光の基本波の他に、高調波、光パラメトリック発振器（OPO（Optical Parametoric Oscillator）や光パラメトリック増幅器（OPA（Optical Parametoric Amplifier））により波長変換した後のパルス出力、自己位相変調により発生したフェムト秒白色光などの広帯域の光パルス計測に適用することができる。また、金、銀コーティングを用いることで、広帯域赤外光に対応することができる。

また、ビームスプリッタと反射部とからなる構成の光学遅延素子において、ビームスプリッタと反射部とをそれぞれ一つずつ用いた構成の他に、ビームスプリッタと反射部とをペアとし、このペアを複数組み用い、複数の組みのペアを同一光路上に配置する構成としてもよい。この構成によって、遅延時間を延長させることができる。

本発明の光学遅延素子を用いて、光パルスの周波数特性を計測する光パルス計測装置、試料の光化学反応や光誘起現象のスペクトル（波長特性）測定と時間変化測定とを同時に実時間で測定する実時間分光装置を構成することができる。

本発明の光パルス計測装置は、光パルスとゲート光とを重なるようにカー媒質に照射し、この照射によりカー媒質上において光遅延時間を有して偏光された光パルスを、カー媒質上の一次元方向を時間軸として展開する照射手段と、ゲート光の照射によってカー媒質上に一次元方向に展開された光遅延時間を有する光パルスを分光する分光手段と、分光を検出する検出手段とを備える。

照射手段は、光パルスを偏光する偏光板と、本発明の光学遅延素子とを備える。光学遅延素子は光パルス又はゲート光に時間遅れを形成する。

分光手段は、カー媒質上の一次元方向を光遅延時間の時間軸とし、各光遅延時間の各波長を波長軸とする二次元に分光し、光遅延時間の時間幅の実時間で分光する。分光は検出手段によって検出される。

照射手段は、フェムト秒レーザーの基本波、波長変換素子によってフェムト秒レーザーを波長変換して得られるパルス出力、自己位相変調素子によってフェムト秒レーザーを自己位相変調して得られるフェムト秒白色光の何れか一つを光パルスとして照射することができる。光学遅延素子は、反射面に形成するコーティングの波長域を、光パルスの波長域に応じて選択する。

本発明の実時間分光装置の第１，第２の形態は、励起光の照射によって試料から得られる発光とゲート光とを重なるようにカー媒質に照射し、この照射によりカー媒質上において光遅延時間を有して偏光された発光を、当該カー媒質上の一次元方向を時間軸として展開する照射手段と、ゲート光の照射によってカー媒質上に一次元方向に展開された光遅延時間を有する発光を分光する分光手段と、分光を検出する検出手段とを備える。第１の形態は線状又は帯状に集光させる形態であり、第２の形態は点状に集光させる形態である。

照射手段は、本発明の光学遅延素子を用いて発光及び／又はゲート光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、時間遅れ形成手段を通過した発光及び／又はゲート光を線状又は帯状に形成しカー媒質上に垂直に照射する光学系とを備える。

分光手段は、カー媒質上で偏光した発光を前記光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に展開する光学系とを備え、カー媒質上の一次元方向を光遅延時間の時間軸とし、各光遅延時間の各波長を波長軸とする二次元に分光し、前記光遅延時間の時間幅の実時間で分光する。

本発明の実時間分光装置の第３，第４の形態は、複数の波長を含むフェムト秒白色光のプローブ光及び特定波長パルス光の励起光とを試料に重ねて照射する照射手段と、照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、二次元の分光を二次元的に検出する検出手段と、本発明の光学遅延素子を用いた時間遅れ形成手段を光路上に配置して備える。第３の形態は線状又は帯状に集光させる形態であり、第４の形態は点状に集光させる形態である。

時間遅れ形成手段は光学遅延素子によってプローブ光に試料面上において光遅延時間を形成する。分光手段は、光遅延時間を時間軸として分光し、光遅延時間の時間幅を実時間で分光する。

本発明の光学遅延素子によれば、光学素子の群速度分散の影響を除くことができるため、例えば、２０フェムト秒以下の短い時間幅の光パルスに光学遅延時間を付与することができ、この光学遅延素子を用いて光パルス計測装置や実時間分光装置を構成することによって、測定対象の光パルスが広がることなく、光パルス自体の時間幅、周波数（波長）、位相を検出することができる。また、広帯域の検出が可能となる。

以上説明したように、本発明の光学遅延素子によれば、光パルスへの光遅延時間の付与において、媒質の群速度分散の影響を低減して、光パルスの広がり（チャープ）の発生を抑制することができる。

また、本発明の光学遅延素子を用いた光計測装置によれば、媒質の群速度分散の影響による光パルスのチャープの発生を抑制して、チャープの影響を受け易い時間幅の短い光パルスにおいて時間幅、周波数（波長）、位相等の計測を行うことができ、また、広帯域の光パルス計測を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。本発明の光学遅延素子の構成例について図１〜図４を用いて説明し、本発明の光学遅延素子を用いた光パルス計測装置の構成および動作について図５〜図７を用いて説明し、本発明の光学遅延素子を用いた実時間分光装置の構成および動作について図８〜図１７を用いて説明する。

［光学遅延素子について］
はじめに、本発明の光学遅延素子の構成例について図１〜図４を用いて説明する。

図１は本発明の光学遅延素子の第１の構成例を説明するための図である。図１において、光学遅延素子１０Ａは反射部１１とビームスプリッタ２０とを対向させて配置して構成される。なお、この構成例では、入射光と反射光が同一光路を通過する例である。

反射部１１は、複数の段部１２を階段状に配置し、各段部１２の表面の内、少なくともビームスプリッタ２０と対向する面に反射面１３を形成する。反射面１３は、所定波長範囲の光を反射するコーティングにより形成することができる。このコーティングは、対象とする光パルスの広帯域の周波数（波長）に対応して選択することができる。例えば、コーティングは誘電体コーティングや金コーティングとすることができる。

誘電体あるいはアルミコーティングでは、可視光〜紫外光（８００〜３００ｎｍ）に対応する誘電体を用いることによって、フェムト秒レーザー光の基本波の他に、高調波、光パラメトリック発振器（OPO（Optical Parametoric Oscillator）や光パラメトリック増幅器（OPA（Optical Parametoric Amplifier））により波長変換した後のパルス出力、自己位相変調により発生したフェムト秒白色光などの広帯域の光パルス計測に適用することができる。また、金や銀コーティングを用いることで、広帯域赤外光に対応することができる。

ビームスプリッタ２０は、入射光を透過して反射部１１に入射させると共に、反射部１１の反射面１３で反射された反射光を、入射光と異なる方向に反射して出力する。

反射部１１は複数の段部１２を階段状に配置することによって、ビームスプリッタ２０と反射面１３との間の光路の反射距離に各段部に応じて差を持たせている。この反射距離の違いは、図１において斜線部分Ａで示している。この光路部分の媒質は空気とすることができ、この反射距離の違いによる光パルスの時間差は空気中の時間差であって、分散はほとんど発生しない。

図１の構成では、入射光の例として、反射部１１の下段の段部に入射する入射光ａ、反射部１１の中段の段部に入射する入射光ｂ、反射部１１の上段の段部に入射する入射光ｃを示している。入射光ａ、ｂ、ｃの各反射距離は、階段状の段部によって順に長くなっている。

図２は本発明の光学遅延素子の第２の構成例を説明するための図である。第２の構成例の光学遅延素子１０Ｂは、反射部１１は複数の溝が形成されたグレーティング部１４によって構成し、溝の表面の内、少なくともビームスプリッタ２０と対向する面に反射面１３を形成する。反射面１３は、第１の構成例と同様に所定波長範囲の光を反射するコーティングにより形成することができる。

光学遅延素子１０Ｂのその他の部分は、第１の構成例の光学遅延素子１０Ａとほぼ同様とすることができる。

図３は本発明の光学遅延素子の第３の構成例を説明するための図である。第３の構成例の光学遅延素子１０Ｃは反射部１１のみの構成とし、反射部１１の複数の段部１２に設けた反射面１３に対して所定の入射角で入射光を入射する。反射面１３で反射された反射光は、入射光と異なる方向に反射される。

反射部１１は複数の段部１２を階段状に配置し、反射面１３に対して所定の入射角で入射する構成とすることによって、入射平面１００と反射面１３との間の光路長、および反射面１３と反射平面１０１との間の光路長に、各段部に応じて差を持たせている。この光路長の距離の違いは、図３においてそれぞれ斜線部分Ｂ，Ｃで示している。この光路部分の媒質は空気とすることができ、この反射距離の違いによる光パルスの時間差は空気中の時間差であって、分散はほとんど発生しない。

なお、ここでは、入射平面１００は入射光の進行方向と垂直な平面を表し、反射平面１０１は反射光の進行方向と垂直な平面を意味している。

図４は本発明の光学遅延素子の第４の構成例を説明するための図である。第４の構成例の光学遅延素子１０Ｄは、第１の構成例の光学遅延素子１０Ａを２つ用いた構成である。反射部１１ａとビームスプリッタ２０ａからなる光学遅延素子１０と反射部１１ｂとビームスプリッタ２０ｂからなる光学遅延素子１０を光路上に順に従属した配置する。

ビームスプリッタ２０ａに入射した入射光は、反射部１１ａの反射面で反射した後にビームスプリッタ２０ａによってビームスプリッタ２０ｂに向けて反射される。ビームスプリッタ２０ｂに入射した入射光は、反射部１１ｂの反射面で反射した後にビームスプリッタ２０ｂによって反射されて出力される。

この第４の構成によれば、２つの光学遅延素子を通過することによって光学遅延時間を長くすることができる。

［光パルス計測装置について］
次に、本発明の光学遅延素子を用いた光パルス計測装置の構成および動作について図５〜図９を用いて説明する。

図５，図６は、本発明の光パルス計測装置の第１の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図であり、図７は光遅延時間とスペクトルの二次元イメージングの一例である。また、図８，図９は、本発明の光パルス計測装置の第２の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

光パルス計測装置の第１の形態は、ゲート光を遅延し、測定光およびゲート光を線状又は帯状に重ねて集光させる例であり、光パルス計測装置の第２の形態は、測定光を遅延し、測定光およびゲート光を点状に重ねて集光させる例である。

はじめに、光パルス計測装置の第１の形態について説明する。

図５において、本発明の第１の形態の光パルス計測装置１Ａは、測定対象の光とゲート光とをカー媒質２ｊに照射する照射手段２と、照射光によってカー媒質２ｊ上で偏光し通過した測定対象の光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

光パルス計測装置１Ａにおいて、カー媒質２ｊに対して測定対象の光とゲート光とを同じく線状又は帯状に集光する際、ゲート光又は測定対象の光をカー媒質２ｊに照射する前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉに通し、この時間遅れの形成によって線状又は帯状の集光面に形成されるゲート光又は測定対象の光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。

照射手段２は、光遅延時間を形成する構成としてカー媒質２ｊに照射する前のゲート光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備える。時間遅れ形成手段２ｉを通したゲート光は円筒形レンズ２ｈ2によって線状又は帯状に形成され、カー媒質２ｊ上に照射される。一方、測定対象の光は円筒形レンズ２ｈ1によって線状又は帯状に形成され、カー媒質２ｊ上の発光部分に重ねて集光される。

この構成によって、湾曲ミラー２ｃ2等の光学系でコリメートされた測定対象の光は、偏光板２ｅ1で偏光された後、円筒形レンズ２ｈ1によってカー媒質２ｊ上に集光され、他方、ゲート光は時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れが形成された後にカー媒質２ｊ上に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、時間遅れを異ならせることによって、カー媒質２ｊ上の測定対象の光に光遅延時間を持たせることができる。測定対象の光は、カー媒質２ｊ上において、ゲート光の照射によるカー効果によって偏光角が回転した後、偏光板２ｅ2を通過する。

時間遅れ形成手段２ｉで時間遅れが拡張されたゲート光が照射されたとき、偏光された測定対象の光は偏光板２ｅ2を通過し、スリット３ａ上に線状又は帯状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

測定対象の光として、フェムト秒レーザーの基本波、波長変換素子によってフェムト秒レーザーを波長変換して得られるパルス出力、自己位相変調素子によってフェムト秒レーザーを自己位相変調して得られるフェムト秒白色光等とすることができる。

図５に示す構成例は、測定対象の光としてフェムト秒白色光の場合を示している。この場合には、図５に示す構成において、ミラー２ｃ１とミラー２ｃ２との間に自己位相変調素子２ｄを設け、フェムト秒レーザーを自己位相変調して複数波長を備えるフェムト秒白色光を形成する。

フェムト秒レーザーを波長変換したパルス出力を測定対象とする場合には、図５に示す構成において、パラメトリック発振（OPO）やパラメトリック増幅（OPA）で波長変換したパルス出力を偏光板２ｅ1に入射する。また、フェムト秒レーザーの基本波を測定対象とする場合には、図５に示す構成において自己位相変調素子２ｄを外し、レーザー光源２ａからのレーザー光を偏光板２ｅ1に入射する。

図６は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの拡張及び光遅延時間の形成状態、及び発光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図６において、ゲート光は時間遅れ形成手段２ｉによって空間的に時間遅れを持たせることによって光遅延時間を形成しカー媒質２ｊ上に集光させる。他方、測定対象の光は図５における偏光板２ｅ1を通過した後、図５における円筒形レンズ２ｈ1によってカー媒質２ｊ上の集光点に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、本発明の光学遅延素子１０を用いて構成することができる。本発明の光学遅延素子１０は、反射部１１に設けた複数の各段部１２に応じて異なる距離を有する複数の光路長を備える。時間遅れ形成手段２ｉに入射したパルス光は、反射部１１の反射面１３とビームスプリッタ２０との間で往復する間に、異なる光路長によって出射時に時間差が形成され、カー媒質２ｊに集光するゲート光に光遅延時間を与える。例えば、長さ約５ｍｍ，幅約２５ｍｍの光学材に、各段の長さが約５μｍで幅が約２５μｍのピクセルを約１０００個形成して成る光学遅延素子１０に、パルス幅が約１５０ｆｓ（フェムト秒）のゲート光を入射すると、空間的に約３３ｐｓ（ピコ秒）の時間遅れがついたゲート光が出射される。

この時間幅の拡張によって、ゲート光に光学遅延素子１０の縦方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図６において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は拡張されたパルス幅の初期の光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光は拡張されたパルス幅の後期の光に対応する。

光学遅延素子１０の図中の縦方向に拡張されたゲート光は、カー媒質２ｊ上に線状又は帯状に集光される。カー媒質２ｊ上に線状又は帯状に集光したゲート光は光遅延時間に沿って形成される。ゲート光が照射されていない場合には、測定対象の光の偏光軸は偏光板２ｅ1と同方向であるため、これと垂直な偏光軸を持つ偏光板２ｅ2を通過することはできない。一方、ゲート光が照射されている場合には、カー媒質２ｊのカー効果によってゲート光が照射された瞬間の発光の偏光軸が回転するため、測定対象の光は偏光板２ｅ2を通過し分光器及び検出器に至る。ゲート光によってカー媒質２ｊ上で偏光した測定対象の光は、光遅延時間に沿って延びた状態で偏光板２ｅ2に至る。

ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）に、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状又は帯状に延びる光を分光する。検出手段４は、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

図７は光遅延時間とスペクトルの二次元イメージングの一例であり、ｘ軸方向に時間軸をとり、ｙ軸方向に波長軸をとり、ｚ軸方向に強度をとっている。図７（ａ）中において、実線で示す曲線は各時間（ｔ１〜ｔ６）におけるスペクトルを示し、図７（ｂ）中において、実線及び破線で示す曲線は各波長（λ１〜λ７）における時間変化を示している。なお、図示する各時間（ｔ１〜ｔ６）及び各波長（λ１〜λ７）は一例であって、測定範囲内で任意に選択することができる。また、図７は曲線で表示しているが、曲線による表示に限らず、曲面によって表示することもできる。

次に、光パルス計測装置の第２の形態について説明する。

図８において、本発明の第２の形態の光パルス計測装置１Ｂは、第１の形態と同様に、測定対象の光とゲート光とをカー媒質２ｊに照射する照射手段２と、照射光によってカー媒質２ｊ上で偏光し通過した測定対象の光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

光パルス計測装置１Ｂにおいて、カー媒質２ｊに対して測定対象の光とゲート光とを点状に集光する際、測定対象の光をカー媒質２ｊに照射する前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉに通し、この時間遅れの形成によって集光面に形成される点状の測定対象の光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。

図示する構成では、照射手段２は光遅延時間を形成する構成としてカー媒質２ｊに照射する前の測定光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備える。時間遅れ形成手段２ｉを通した測定光は集光レンズ２ｊ1によって点状に形成され、カー媒質２ｊ上に照射される。一方、ゲート光は集光レンズ２ｊ2によって点状に形成され、カー媒質２ｊ上の同一点に重ねて集光される。

この構成によって、湾曲ミラー２ｃ2等の光学系でコリメートされた測定対象の光は、偏光板２ｅ1で偏光された後、時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れが形成され、集光レンズ２ｊ1によってカー媒質２ｊ上に集光される。他方、ゲート光は集光レンズ２ｊ2によってカー媒質２ｊ上に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、空間的に時間遅れを異ならせることによって、カー媒質２ｊ上の測定対象の光に光遅延時間を持たせることができる。測定対象の光は、カー媒質２ｊ上において、ゲート光の照射によるカー効果によって偏光角が回転した後、偏光板２ｅ2を通過する。

ゲート光が照射されたとき、ゲート光が照射された瞬間の偏光された測定対象の光は偏光板２ｅ2を通過し、スリット３ａ上に線状又は帯状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

測定対象の光として、フェムト秒レーザーの基本波、波長変換素子によってフェムト秒レーザーを波長変換して得られるパルス出力、自己位相変調素子によってフェムト秒レーザーを自己位相変調して得られるフェムト秒白色光等とすることができる。

図８に示す構成例は、測定対象の光としてフェムト秒白色光の場合を示している。この場合には、図８に示す構成において、ミラー２ｃ1と湾曲ミラー２ｃ2との間に自己位相変調素子２ｄを設け、フェムト秒レーザーを自己位相変調して複数波長を備えるフェムト秒白色光を形成する。

フェムト秒レーザーを波長変換したパルス出力を測定対象とする場合には、図８に示す構成において、パラメトリック発振（OPO）やパラメトリック増幅（OPA）で波長変換したパルス出力を偏光板２ｅ1に入射する。また、フェムト秒レーザーの基本波を測定対象とする場合には、図８に示す構成において自己位相変調素子２ｄを外し、レーザー光源２ａからのレーザー光を偏光板２ｅ1に入射する。

図９は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの拡張及び光遅延時間の形成状態、及び発光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図９において、測定パルス光は時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れを持たせると共に、時間遅れの時間幅を異ならせることによって時間幅を拡張して光遅延時間を形成しカー媒質２ｊ上に集光させる。他方、ゲート光は図８における集光レンズ２ｊ2によってカー媒質２ｊ上の集光点に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、本発明の光学遅延素子１０を用いて構成することができる。本発明の光学遅延素子１０は、反射部１１に設けた複数の各段部１２に応じて異なる距離を有する複数の光路長を備える。時間遅れ形成手段２ｉに入射した測定パルス光は、反射部１１の反射面１３とビームスプリッタ２０との間で往復する間に、異なる光路長によって出射時に時間差が形成され、カー媒質２ｊに集光するゲート光に光遅延時間を与える。例えば、長さ約５ｍｍ，幅約２５ｍｍの光学材に、各段の長さが約５μｍで幅が約２５μｍのピクセルを約１０００個形成して成る光学遅延素子１０に、パルス幅が約１５０ｆｓ（フェムト秒）の測定パルス光を入射すると、空間的に約３３ｐｓ（ピコ秒）の時間遅れが付いた測定パルス光が出射される。

この時間幅の拡張によって、測定パルス光に光学遅延素子１０の図中の縦方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図９において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は拡張されたパルス幅の初期の光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光は拡張されたパルス幅の後期の光に対応する。

光学遅延素子１０の縦方向に拡張された測定パルス光は、集光レンズ２ｊ1によってカー媒質２ｊ上に点状に集光される。カー媒質２ｊ上に点状に集光した測定パルス光は光遅延時間に沿って形成される。

集光レンズ２ｊ3は、光遅延時間に沿って広がる光をコリメートし、分光器及び検出器に導く。ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）は、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状に延びる光を分光する。

ゲート光が照射されていない場合には、測定対象の光の偏光軸は偏光板２ｅ1と同方向であるため、これと垂直な偏光軸を持つ偏光板２ｅ2を通過することはできない。一方、ゲート光が照射されている場合には、カー媒質２ｊのカー効果によって測定パルスの偏光軸が回転するため、測定対象の光は偏光板２ｅ2を通過し分光器及び検出器に至る。ゲート光によってカー媒質２ｊ上で偏光した測定対象の光は、光遅延時間に沿って延びた状態で偏光板２ｅ2に至る。

ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）に、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状又は帯状に延びる光を分光する。検出手段４は、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

［実時間分光装置について］
次に、本発明の光学遅延素子を用いた実時間分光装置の構成および動作について図１０〜図１７を用いて説明する。

図１０，図１１は、本発明の実時間分光装置の第１の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図であり、図１２，図１３は、本発明の実時間分光装置の第２の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図であり、図１４，図１５は、本発明の実時間分光装置の第３の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図であり、図１６，図１７は、本発明の実時間分光装置の第４の形態の構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

実時間分光装置の第１の形態は、ゲート光を遅延し、発光およびゲート光を線状又は帯状に重ねて集光させる例であり、実時間分光装置の第２の形態は、発光を遅延し、発光およびゲート光を点状に重ねて集光させる例であり、実時間分光装置の第３の形態は、プローブ光を遅延し、プローブ光および励起光を点状に重ねて集光させる例であり、実時間分光装置の第４の形態は、プローブ光を遅延し、プローブ光および励起光を線状又は帯状に重ねて集光させる例である。

はじめに、実時間分光装置の第１の形態について説明する。

実時間分光装置の第１の形態は、測定対象の試料に励起光を照射して得られる発光（蛍光）現象の分光測定において、時間分解とスペクトル測定と同時に行うものであり、この一構成例について図１０、図１１を用いて説明する。

図１０、図１１は、本発明の実時間分光装置の第１の形態の構成を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

図１０において、本発明の実時間分光装置の第１の形態は、試料Ｓに励起光を照射し、この照射で励起した発光とゲート光とをカー媒質２ｊに照射する照射手段２と、照射光によってカー媒質２ｊ上で偏光し通過した発光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

第１の形態の実時間分光装置１Ｃにおいて、カー媒質２ｊに対して発光とゲート光とを同じく線状又は帯状に集光する際、ゲート光又は発光をカー媒質２ｊに照射する前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉに通し、この時間遅れの形成によって線状又は帯状の集光面に形成されるゲート光又は発光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。

図１０に示す構成では、照射手段２は、光遅延時間を形成する構成としてカー媒質２ｊに照射する前のゲート光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備える。時間遅れ形成手段２ｉを通したゲート光は円筒形レンズ２ｈ2によって線状又は帯状に形成され、カー媒質２ｊ上に照射される。一方、発光は円筒形レンズ２ｈ1によって線状又は帯状に形成され、カー媒質２ｊ上の発光部分に重ねて集光される。

この構成によって、湾曲ミラー２ｃ2等の光学系でコリメートされた発光は、偏光板２ｅ1で偏光された後、円筒形レンズ２ｈ1によってカー媒質２ｊ上に集光され、他方、ゲート光は時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れが形成された後にカー媒質２ｊ上に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、空間的に時間遅れを異ならせることによって、カー媒質２ｊ上の発光に光遅延時間を持たせることができる。発光は、カー媒質２ｊ上において、ゲート光の照射によるカー効果によって偏光角が回転した後、偏光板２ｅ2を通過する。

時間遅れ形成手段２ｉで時間遅れが拡張されたゲート光が照射されたとき、偏光された発光は偏光板２ｅ2を通過し、スリット３ａ上に線状又は帯状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

図１１は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの拡張及び光遅延時間の形成状態、及び発光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図１１において、ゲート光は時間遅れ形成手段２ｉによって空間的に光遅延時間を形成しカー媒質２ｊ上に集光させる。他方、測定対象の発光は図１０における偏光板２ｅ1を通過した後、図１０における円筒形レンズ２ｈ1によってカー媒質２ｊ上の集光点に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、本発明の光学遅延素子１０を用いて構成することができる。本発明の光学遅延素子１０は、反射部１１に設けた複数の各段部１２に応じて異なる距離を有する複数の光路長を備える。時間遅れ形成手段２ｉに入射したパルス光は、反射部１１の反射面１３とビームスプリッタ２０との間で往復する間に、異なる光路長によって出射時に時間差が形成され、カー媒質２ｊに集光するゲート光に光遅延時間を与える。例えば、長さ約５ｍｍ，幅約２５ｍｍの光学材に、各段の長さが約５μｍで幅が約２５μｍのピクセルを約１０００個形成して成る光学遅延素子１０に、パルス幅が約１５０ｆｓ（フェムト秒）のゲート光を入射すると、空間的に約３３ｐｓ（ピコ秒）の時間遅れがついたゲート光が出射される。

この時間幅の拡張によって、ゲート光に光学遅延素子１０の図中の縦方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図１１において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は拡張されたパルス幅の初期の光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光は拡張されたパルス幅の後期の光に対応する。

光学遅延素子１０の図中の縦方向に拡張されたゲート光は、カー媒質２ｊ上に線状又は帯状に集光される。カー媒質２ｊ上に線状又は帯状に集光したゲート光は光遅延時間に沿って形成される。ゲート光が照射されていない場合には、発光の偏光軸は偏光板２ｅ1と同方向であるため、これと垂直な偏光軸を持つ偏光板２ｅ2を通過することはできない。一方、ゲート光が照射されている場合には、カー媒質２ｊのカー効果によってゲート光が照射された瞬間の発光の偏光軸が回転するため、発光は偏光板２ｅ2を通過し分光器及び検出器に至る。ゲート光によってカー媒質２ｊ上で偏光した発光は、光遅延時間に沿って延びた状態で偏光板２ｅ2に至る。

ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）に、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状又は帯状に延びる光を分光する。検出手段４は、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

次に、実時間分光装置の第２の形態について説明する。

実時間分光装置の第２の形態は、第１の形態と同様に、測定対象の試料に励起光を照射して得られる発光（蛍光）現象の分光測定において、時間分解とスペクトル測定と同時に行うものである。第１の形態は、発光と遅延したゲート光をカー媒質２ｊ上に線状又は帯状に集光される構成であるのに対して、第２の形態は、ゲート光と遅延した発光をカー媒質２ｊ上に点状に集光される構成である。この第２の形態の一構成例について図１２、図１３を用いて説明する。

図１２、図１３は、本発明の実時間分光装置の第２の形態の構成を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

図１２において、本発明の実時間分光装置の第２の形態は、試料Ｓに励起光を照射し、この照射で励起した発光とゲート光とをカー媒質２ｊに照射する照射手段２と、照射光によってカー媒質２ｊ上で偏光し通過した発光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

第２の形態の実時間分光装置１Ｄにおいて、カー媒質２ｊに対して発光とゲート光とを点状に集光する際、発光をカー媒質２ｊに照射する前に、時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉに通し、この時間遅れの形成によって点状の集光面に形成される発光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。

図１２に示す構成では、照射手段２は、光遅延時間を形成する構成としてカー媒質２ｊに照射する前の発光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備える。時間遅れ形成手段２ｉを通した発光は集光レンズ２ｊ1によって点状に形成され、カー媒質２ｊ上に照射される。一方、ゲート光は集光レンズ２ｊ2によって点状に形成され、カー媒質２ｊ上の発光部分に重ねて集光される。

この構成によって、湾曲ミラー２ｃ2等の光学系でコリメートされた発光は、偏光板２ｅ1で偏光された後、時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れが形成され、集光レンズ２ｊ1によってカー媒質２ｊ上に集光される。他方、ゲート光は集光レンズ２ｊ2によってカー媒質２ｊ上に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、空間的にカー媒質２ｊ上の発光に光遅延時間を持たせることができる。発光は、カー媒質２ｊ上において、ゲート光の照射によるカー効果によって偏光角が回転し時間分解された後、２ｊ3によりコリメートされ、偏光板２ｅ2を通過する。

偏光板２ｅ2を通過した発光は、スリット３ａ上に線状又は帯状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

図１３は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの拡張及び光遅延時間の形成状態、及び発光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図１３において、測定対象の発光は時間遅れ形成手段２ｉによって空間的に光遅延時間を形成しカー媒質２ｊ上に集光させる。他方、ゲート光は図１２における集光レンズ２ｊ2によってカー媒質２ｊ上の集光点に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、本発明の光学遅延素子１０を用いて構成することができる。本発明の光学遅延素子１０は、反射部１１に設けた複数の各段部１２に応じて異なる距離を有する複数の光路長を備える。時間遅れ形成手段２ｉに入射した発光は、反射部１１の反射面１３とビームスプリッタ２０との間で往復する間に、異なる光路長によって出射時に時間差が形成され、カー媒質２ｊに集光する発光に光遅延時間を与える。例えば、長さ約５ｍｍ，幅約２５ｍｍの光学材に、各段の長さが約５μｍで幅が約２５μｍのピクセルを約１０００個形成して成る光学遅延素子１０に、ある時間特性を持った発光が入射すると、空間的に約３３ｐｓ（ピコ秒）の時間遅れがついた発光が出射される。

この時間遅れの拡張によって、発光に光学遅延素子１０の図中の縦方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図１１において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は時間遅れの初期の発光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光は時間遅れの後期の発光に対応する。

光学遅延素子１０の図中の縦方向に拡張された発光は、カー媒質２ｊ上に点状に集光される。カー媒質２ｊ上に点状に集光した発光は光遅延時間に沿って形成される。ゲート光が照射されていない場合には、発光の偏光軸は偏光板２ｅ1と同方向であるため、これと垂直な偏光軸を持つ偏光板２ｅ2を通過することはできない。一方、ゲート光が照射されている場合には、カー媒質２ｊのカー効果によって発光の偏光軸が回転するため、発光は偏光板２ｅ2を通過し分光器及び検出器に至る。ゲート光によってカー媒質２ｊ上で偏光した発光は、光遅延時間に沿って延びた状態で偏光板２ｅ2に至る。

ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）に、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状又は帯状に延びる光を分光する。検出手段４は、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

実時間分光装置の第３の形態は、有機化学物質や生体系で行われる光重合、光分解、光合成等の光化学反応や、半導体中の光励起による光誘起現象の解析において、時間分解とスペクトル測定と同時に行うものであり、この一構成例について図１４〜図１７を用い説明する。

図１４，図１５は第３の形態の一構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

図１４において、本発明の実時間分光装置の第３の形態は、試料Ｓに励起光とプローブ光とを照射する照射手段２と、試料Ｓから得られるプローブ透過光又は反射光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

この第３の形態の実時間分光装置１Ｅは、試料Ｓに対して励起光とプローブ光とを点状に集光するものであり、この際、プローブ光は照射前に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを通し、この時間遅れの形成によって点状の集光面に形成されるプローブ光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う。

第３の形態は、集光面の点状光を光遅延時間の方向に展開し、展開した光を分光して波長成分を測定することによって、時間分解とスペクトル測定を同時に行う態様であり、この第３の形態によれば、試料上の一点において測定することができるため、試料の位置によって特性の相違がある不均一な試料の場合には特に有効に機能し、次の第４の態様のように、照射光の集光位置が異なることによって生じる測定データに含まれる不均一性を防ぐことができる。

第３の形態の照射手段２は、試料Ｓに対して励起光とプローブ光とを点状に集光する構成として、励起光を試料Ｓ上に集光する集光レンズ２ｊ2、及びプローブ光を試料Ｓ上に集光する集光レンズ２ｊ1を備え、光遅延時間を形成する構成として試料Ｓに照射する前のプローブ光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備え、集光面の点状光を光遅延時間の方向に展開する構成として、試料Ｓと分光手段３との間にコリメート用レンズ２ｊ3を備える。

この構成によって、コリメートされた励起光は集光レンズ２ｊ2によって試料Ｓ上に集光され、湾曲ミラー２ｃ2等の光学系でコリメートされたフェムト白色光は、時間遅れ形成手段２ｉによって光遅延時間が形成された後、集光レンズ２ｊ1によって試料Ｓ上に点状に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、空間的に試料Ｓ上の集光点でのプローブ光に光遅延時間を持たせる。

この励起光で励起され、光遅延時間を有するプローブ光によって取り出された測定光は、分光手段３のスリット３ａ上に線状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

図１５は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの形成及び光遅延時間の形成状態、及び試料Ｓから得られる測定光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図１５において、励起光は図示しない集光レンズによって試料Ｓ上の集光点に集光させ、他方、プローブ光は、時間遅れ形成手段２ｉによって空間的に時間遅れを形成させ、集光レンズ２ｊ1によって試料Ｓ上に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、本発明の光学遅延素子１０を用いて構成することができる。本発明の光学遅延素子１０は、反射部１１に設けた複数の各段部１２に応じて異なる距離を有する複数の光路長を備える。時間遅れ形成手段２ｉに入射したプローブ光は、反射部１１の反射面１３とビームスプリッタ２０との間で往復する間に、異なる光路長によって出射時に時間差が形成され、励起光とともに試料Ｓに集光される。例えば、長さ約５ｍｍ，幅約２５ｍｍの光学材に、各段の長さが約５μｍで幅が約２５μｍのピクセルを約１０００個形成して成る光学遅延素子１０に、パルス幅が約１５０ｆｓ（フェムト秒）のプローブ白色光を入射すると、空間的に約３３ｐｓ（ピコ秒）の時間遅れがついたプローブ白色光が出射される。

この時間幅の拡張によって、プローブ光に光学遅延素子１０の図中の縦方向に沿って光遅延時間を与えることができる。図１５において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は拡張されたパルス幅の初期の光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光は拡張されたパルス幅の後期の光に対応する。

光学遅延素子１０の図中の縦方向に遅延されたプローブ光は、集光レンズ２ｊ1によって、励起光が集光されている試料Ｓ上の点に集光される。試料Ｓ上の点に集光したプローブ光は再び光遅延時間に沿って広がる。集光レンズ２ｊ3は、光遅延時間に沿って広がる光をコリメートし、分光器及び検出器に導く。ここで、分光器が備えるスリット（図示していない）は、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状に延びる光を分光する。

検出手段４は、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の光遅延時間の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

次に、本発明の実時間分光装置の第４の形態の構成例について説明する。図１６，図１７は、構成例を説明するための概略図、および分光を説明するための概略図である。

図１６において、本発明の第４の形態の構成例の実時間分光装置１Ｆは、試料Ｓに励起光とプローブ光とを照射する照射手段２と、試料Ｓから得られるプローブ透過光及び反射光を時間軸及び波長軸に分光する分光手段３と、分光された時間軸及び波長軸の信号を二次元で検出する検出手段４を備える。

この構成例は、試料Ｓに対して励起光とプローブ光とを同じく線状に集光するものであり、この際、プローブ光は照射前に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段を通し、この時間遅れの形成によって線状の集光面に形成されるプローブ光に光遅延時間を持たせ、これによって時間分解を行う態様である。

この第４の態様では、時間遅れを形成する光はプローブ光のみである。

以下では、プローブ光を時間遅れ形成手段２ｉに通すことによって励起光に時間遅れを形成する構成について説明する。

照射手段２は、光遅延時間を形成する構成として試料Ｓに照射する前のプローブ光の光路上に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段２ｉを備える。時間遅れ形成手段２ｉを通したプローブ光を円筒形レンズ２ｈ2によって線状に形成し、試料Ｓ上に照射される励起光に重ねて集光する。

この構成によって、プローブ光は時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れが形成された後、円筒形レンズ２ｈ2によって線状に形成され、試料Ｓ上に集光される。この時間遅れ形成手段２ｉは、形成する時間遅れの幅を異ならせることによって、試料Ｓ上の集光点でのプローブ光に光遅延時間を持たせることができる。

励起光で励起され、光遅延時間を有するプローブ光によって試料Ｓから取り出された測定光は、分光手段３のスリット３ａ上に線状に絞られた後、分光素子３ｂで分光され、検出手段４で検出される。

図１７は、時間遅れ形成手段２ｉによる時間遅れの形成及び光遅延時間の形成状態、及び試料Ｓから得られる測定光の時間軸及び波長軸での検出状態を示している。図１７において、励起光は、試料Ｓ上に集光させ、他方、プローブ光は、時間遅れ形成手段２ｉによって時間遅れを形成させると共に、形成する時間遅れの幅を異ならせた後、試料Ｓ上に線状に集光させる。

時間遅れ形成手段２ｉは、前記した構成と同様に本発明の光学遅延素子１０を用いることができ、形成された時間遅れは、プローブ光に光学遅延素子１０の図中の縦方向に沿って光遅延時間を与える。図１７において、光学遅延素子１０の下端から出射される光は遅延されたプローブ光の初期の光に対応し、光学遅延素子１０の上端から出射される光はプローブ光の後期の光に対応する。

光学遅延素子１０の高さ方向に遅延されたプローブ光は、円筒形レンズ２ｈ2によって、励起光が集光されている試料Ｓ上の点に線状に集光される。分光器が備えるスリットは、光遅延時間に沿って入射光を絞り、時間軸に線状に延びる光を分光する。検出手段４は、前記構成例と同様に、二次元検出器４ａを用い、この二次元検出器の一方の軸方向（図中のｘ軸方向）を分光器の時間軸に対応させ、他方の軸方向（図中のｙ軸方向）を分光器の波長軸に対応させ、分光した光を時間軸と波長軸の二次元で検出する。これによって、二次元検出器は、光遅延時間と波長の二つの測定要素について同時に測定することができ、検出された検出信号は、光遅延時間を実時間としてスペクトルを二次元で検出することができる。

図１６，図１７の構成例によれば、プローブ光及び／又は励起光の入射角度を調整することによって、測定する時間幅を調整することができる。また、図１４，図１５の構成例によれば、試料上に一点に励起光及びプローブ光を集光することによって、試料上の一点の測定データを得ることができ、試料の位置による不均一性を除くことができ、位置によって特性や状態が異なる試料や、微小な試料や分析領域に適用することができる。

また、本発明の実時間分光装置によれば、分光測定において、時間分解とスペクトル測定を同時に行うことによって、測定時間を短縮することができる。また、長時間測定によるレーザーの不安定性や、長時間のレーザー照射による試料の劣化の問題を解決し、安定したレーザー状態で測定することができ、また、レーザー照射による試料の劣化を最小限に抑えることができる。

本発明の光パルス計測装置は、シングルショット・オートコリレータ、ＦＲＯＧ、ＳＰＩＤＥＲ等に代わる計測装置として用いることができる。

本発明の光学遅延素子の第１の構成例を説明するための図である。 本発明の光学遅延素子の第２の構成例を説明するための図である。 本発明の光学遅延素子の第３の構成例を説明するための図である。 本発明の光学遅延素子の第４の構成例を説明するための図である。 本発明の光パルス計測装置の第１の形態の構成例を説明するための概略図である。 本発明の光パルス計測装置の第１の形態の構成例による分光を説明するための概略図である。 光遅延時間とスペクトルの二次元イメージングの一例を示す図である。 本発明の光パルス計測装置の第２の形態の構成例を説明するための概略図である。 本発明の光パルス計測装置の第２の形態の構成例による分光を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第１の形態の構成を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第１の形態の構成による分光を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第２の形態の構成を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第２の形態の構成による分光を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第３の形態の構成を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第３の形態の構成による分光を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第４の形態の構成を説明するための概略図である。 本発明の実時間分光装置の第４の形態の構成による分光を説明するための概略図である。

符号の説明

１Ａ 光パルス計測装置
１Ｂ 光パルス計測装置
１Ｃ 実時間分光装置
１Ｄ 実時間分光装置
１Ｅ 実時間分光装置
１Ｆ 実時間分光装置
２ａ レーザー光源
２ｂ ミラー
２ｃ1 ミラー
２ｃ2 湾曲ミラー
２ｄ 自己位相変調素子
２ｅ1 偏光板
２ｅ2 偏光板
２ｈ1 円筒形レンズ
２ｈ2 円筒形レンズ
２ｉ 遅延時間形成手段
２ｊ カー媒質
２ｊ1 集光レンズ
２ｊ2 集光レンズ
２ｊ3 集光レンズ
３ 分光手段
３ａ スリット
３ｂ 分光素子
４ 検出手段
４ａ 二次元検出器
１０ 光学遅延素子
１０Ａ 光学遅延素子
１０Ｂ 光学遅延素子
１０Ｃ 光学遅延素子
１０Ｄ 光学遅延素子
１１ 反射部
１１ａ 反射部
１１ｂ 反射部
１２ 段部
１３ 反射面
１４ グレーティング部
２０ ビームスプリッタ
２０ａ ビームスプリッタ
２０ｂ ビームスプリッタ
１００ 入射平面
１０１ 反射平面

Claims (12)

1. 入射光の入射位置に応じて遅延時間が異なる出射光を形成する光学遅延素子であって、
   複数の段部と、当該段部の面の内で少なくとも前記入射光側の面に設けた反射面とを有する反射部を備え、
   前記反射部において、
   入射光に対して垂直な入射面と前記各段部の反射面との間の光路長、および前記各段部の反射面と出射光に対して垂直な出射面との間の光路長を段部毎に異ならせ、
   当該光路長の光路差によって各段部の反射面で反射された反射光の遅延時間に時間差を形成することを特徴とする、光学遅延素子。
2. 入射光の入射位置に応じて遅延時間が異なる出射光を形成する光学遅延素子であって、
   光路上にビームスプリッタと反射部とを配置し、
   前記ビームスプリッタは、入射光を前記反射部側に透過し、前記反射部で反射し反射光を前記入射光と異なる方向に反射する選択的な透過反射面を備え、
   前記反射部は、前記ビームスプリッタの透過反射面の内の反射面と対向する側に複数の段部が順次形成された階段状部と、当該階段状部の段部の面の内で少なくとも前記透過反射面と対向する面に設けられた反射面とを備え、
   前記反射部において、
   入射光に対して垂直な入射面と前記各段部の反射面との間の光路長、および前記各段部の反射面と出射光に対して垂直な出射面との間の光路長を段部毎に異ならせ、
   当該光路長の光路差によって各段部の反射面で反射された反射光の遅延時間に時間差を形成することを特徴とする、光学遅延素子。
3. 前記段部は、当該段部の反射面に対して入射光を所定の入射角で入射し、反射光を当該反射面に対して所定の反射角で反射し、前記入射光と異なる光路上に出射させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学遅延素子。
4. 前記段部は、当該段部の反射面に対して入射光を垂直に入射し、反射光を当該反射面に対して垂直に反射させ、前記入射光と同じ光路上を逆方向に出射させることを特徴とする、請求項２に記載の光学遅延素子。
5. 前記反射面は、段部の表面に所定波長範囲の光を反射するコーティングにより形成されることを特徴とする、請求項１から４の何れか一つに記載の光学遅延素子。
6. 前記コーティングは誘電体コーティングであることを特徴とする、請求項５に記載の光学遅延素子。
7. 前記コーティングは金、銀、あるいはアルミの何れかのコーティングであることを特徴とする、請求項５に記載の光学遅延素子。
8. 前記ビームスプリッタと前記反射部とをペアとし、
   前記ペアを複数組み備え、当該複数の組みのペアを同一光路上に配置することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一つに記載の光学遅延素子。
9. 光パルスとゲート光とを重なるようにカー媒質に照射し、当該照射によりカー媒質上において光遅延時間を有して偏光された光パルスを、当該カー媒質上の一次元方向を時間軸として展開する照射手段と、
   前記ゲート光の照射によってカー媒質上に一次元方向に展開された光遅延時間を有する光パルスを分光する分光手段と、
   前記分光を検出する検出手段とを備え、
   前記照射手段は、光パルスを偏光する偏光板と、前記請求項１から８のいずれか一つに記載の光学遅延素子を有する時間遅れ形成手段とを備え、
   前記時間遅れ形成手段は前記光学遅延素子によって光パルス又はゲート光に時間遅れを形成し、
   前記分光手段は、カー媒質上の一次元方向を光遅延時間の時間軸とし、各光遅延時間の各波長を波長軸とする二次元に分光し、前記光遅延時間の時間幅の実時間で分光し、前記検出手段は前記分光手段による分光を検出することを特徴とする、光パルス計測装置
10. 前記照射手段は、フェムト秒レーザーの基本波、波長変換素子によってフェムト秒レーザーを波長変換して得られるパルス出力、自己位相変調素子によってフェムト秒レーザーを自己位相変調して得られるフェムト秒白色光の何れか一つを光パルスとして照射し、
    前記光学遅延素子は、反射面に形成するコーティングの波長域を、前記光パルスの波長域に応じて選択することを特徴とする、請求項９に記載の光パルス計測装置。
11. 励起光の照射によって試料から得られる発光とゲート光とを重なるようにカー媒質に照射し、当該照射によりカー媒質上において光遅延時間を有して偏光された発光を、当該カー媒質上の一次元方向を時間軸として展開する照射手段と、
    前記ゲート光の照射によってカー媒質上に一次元方向に展開された光遅延時間を有する発光を分光する分光手段と、
    前記分光を検出する検出手段とを備え、
    前記照射手段は、前記請求項１から８のいずれか一つに記載の光学遅延素子を用いて前記発光及び／又はゲート光に時間遅れを形成する時間遅れ形成手段と、
    前記時間遅れ形成手段を通過した発光及び／又はゲート光を線状又は帯状に形成しカー媒質上に垂直に照射する光学系とを備え、
    前記分光手段は、カー媒質上で偏光した発光を前記光遅延時間の時間軸に線状又は帯状に展開する光学系とを備え、
    カー媒質上の一次元方向を光遅延時間の時間軸とし、各光遅延時間の各波長を波長軸とする二次元に分光し、前記光遅延時間の時間幅の実時間で分光することを特徴とする、実時間分光装置。
12. 複数の波長を含むフェムト秒白色光のプローブ光及び特定波長パルス光の励起光とを試料に重ねて照射する照射手段と、
    前記照射によって試料から得られる透過光又は反射光を時間軸及び波長軸の二次元に分光する分光手段と、
    前記二次元の分光を二次元的に検出する検出手段と、
    前記請求項１から８のいずれか一つに記載の光学遅延素子を用いて光遅延時間を形成する時間遅れ形成手段を前記励起光路上に配置して備え、
    前記時間遅れ形成手段は前記光学遅延素子によって前記プローブ光及び／又は励起光に試料面上において光遅延時間を形成し、
    前記分光手段は、当該光遅延時間を前記時間軸として分光し、
    当該光遅延時間の時間幅を実時間で分光することを特徴とする、実時間分光装置。