JP2016065948A - Optical pulse waveform shaping device and optical pulse waveform shaping method - Google Patents

Optical pulse waveform shaping device and optical pulse waveform shaping method Download PDF

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覚 加藤
正寿 米村
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正寿 米村
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical pulse waveform shaping device that can be downsized by a simple configuration and also can get a time waveform of an optical pulse into arbitrary shape, and provide an optical pulse waveform shaping method.SOLUTION: An optical pulse waveform shaping device comprises: expansion and compression parts (16 and 18) that separate an optical pulse into multiple optical pulses having different wavelength components and then spatially expand and compress them; and a spatial modulation part (14) that modulates an amplitude of the optical pulse with a modulation ratio corresponding to an incident position of the entering optical pulse and then outputs it. After using the expansion and compression parts (16 and 18) to expand an optical pulse (L) to be shaped which enters from a pulse light source, the device applies amplitude modulation to the respective optical pulses by moving them to and from the spatial modulation part (14). Then, the device gives different delay time to the optical pulses by using the expansion and compression parts (16 and 18) to compress the amplitude-modulated optical pulses, and outputs them as a shaped optical pulse (L).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法に関する。   The present invention relates to an optical pulse waveform shaping device and an optical pulse waveform shaping method.

光パルスの時間波形を整形する方法として、広帯域のスペクトル線幅の光を波長分散デバイスを用いて複数の波長に分離し、その際発生する複数の波長ごとの遅延を用いる方法が知られている。この方法は、原理的に、光パルス伸長方式による方法と同じ方法である。   As a method for shaping the temporal waveform of an optical pulse, a method is known in which light having a wide spectral line width is separated into a plurality of wavelengths using a wavelength dispersion device, and a delay for each of the plurality of wavelengths generated at that time is used. . In principle, this method is the same as the method based on the optical pulse stretching method.

非特許文献1には、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の一例が開示されている。図7を参照して、非特許文献1に開示された光パルス波形整形装置100について説明する。図7に示すように、光パルス波形整形装置100は、MEMS−MMA(Micro electromechanical system − micro mirror array)102、グレーティング(回折格子)104、およびレンズ106を備えている。   Non-Patent Document 1 discloses an example of an optical pulse waveform shaping device using the optical pulse expansion method. With reference to FIG. 7, the optical pulse waveform shaping device 100 disclosed in Non-Patent Document 1 will be described. As shown in FIG. 7, the optical pulse waveform shaping device 100 includes a MEMS-MMA (micro electro mechanical system-micro mirror array) 102, a grating (diffraction grating) 104, and a lens 106.

光パルス波形整形装置100に入射された入力光パルス(Input Pulse)はグレーティング104により空間的に周波数(波長)分離され、該周波数分離された光が、レンズ106を介してMEMS−MMA102に入射される。MEMS−MMAは、MEMSを用いたマイクロ・ミラー・アレイであり、アレイ状に並べられたアルミミラーの各々が、MEMS技術によって入射光の光軸方向に駆動されるように構成されている。   The input optical pulse (Input Pulse) incident on the optical pulse waveform shaping device 100 is spatially frequency (wavelength) separated by the grating 104, and the frequency separated light is incident on the MEMS-MMA 102 via the lens 106. The MEMS-MMA is a micro mirror array using MEMS, and each of the aluminum mirrors arranged in an array is configured to be driven in the optical axis direction of incident light by MEMS technology.

MEMS−MMA102は、空間的に周波数分離された光の各々を、周波数ごとに位置を変えて反射させることにより、周波数ごとの光学長を変化させる。周波数ごとに光学長を変えられた光は、再度レンズ106およびグレーティング104を介し、出力光パルス(Output Pulse)として出力される。出力光パルスは、各々強度が変調されかつ各々遅延時間の異なる各周波数の光パルスを合成した波形となり、出力光パルスの波形は該合成した各周波数の光パルスの包絡線となるので、入力光パルスの時間波形が整形される。   The MEMS-MMA 102 changes the optical length for each frequency by reflecting each spatially frequency-separated light by changing the position for each frequency. The light whose optical length is changed for each frequency is output as an output light pulse (Output Pulse) through the lens 106 and the grating 104 again. The output optical pulse has a waveform obtained by synthesizing optical pulses having different frequencies and different delay times, and the waveform of the output optical pulse becomes an envelope of the synthesized optical pulses having different frequencies. The time waveform of the pulse is shaped.

また、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の他の例として、非特許文献2に開示されたものが知られている。非特許文献2に係る光パルス波形整形装置は、2枚のグレーティングと、該2枚のグレーティングの間に配置された、レンズ−マスク−レンズからなる光学部材とにより構成されている。グレーティング、レンズ、およびマスクは、レンズの焦点距離の間隔で配置されている。マスクには、マスク面上の位置に応じて透過率が異なるようにパターンが形成されており、該マスクは振幅を変調する空間変調器として作用する。   Further, as another example of the optical pulse waveform shaping device using the optical pulse expansion method, one disclosed in Non-Patent Document 2 is known. The optical pulse waveform shaping device according to Non-Patent Document 2 includes two gratings and an optical member including a lens, a mask, and a lens disposed between the two gratings. The grating, the lens, and the mask are arranged at intervals of the focal length of the lens. A pattern is formed on the mask so that the transmittance varies depending on the position on the mask surface, and the mask acts as a spatial modulator for modulating the amplitude.

入力光パルスは、一方のグレーティングにより複数の波長に空間的に分離され、レンズを介してマスクに入射する。分離された複数の波長は、複数の波長の各々ごとに異なる透過率とされたマスクを透過することにより、複数の波長の各々ごとに振幅を変えられる(振幅変調される)。マスク通過後レンズを介して他方のグレーティングに入射し、分離された複数の波長の光が合成されて出力光パルスとして出力される。該出力光パルスの時間波形は、上記非特許文献1の光パルス波形整形装置100と同様の理由で、入力光パルスの時間波形が整形されたものとなる。   The input light pulse is spatially separated into a plurality of wavelengths by one grating and enters the mask through the lens. The separated wavelengths can be changed in amplitude (amplitude modulated) for each of the plurality of wavelengths by passing through a mask having different transmittance for each of the plurality of wavelengths. After passing through the mask, the light enters the other grating via the lens, and the separated light beams having a plurality of wavelengths are combined and output as an output light pulse. The time waveform of the output light pulse is obtained by shaping the time waveform of the input light pulse for the same reason as the light pulse waveform shaping device 100 of Non-Patent Document 1.

さらに、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の他の例として、特許文献1に開示されたものも知られている。特許文献1に開示された光パルス波形整形装置は、パルス生成装置および光パルス幅変換装置を備え、光パルス幅変換装置は、ハーフミラー、回折格子対、振幅調整部、および反射鏡を含んで構成されている。   Furthermore, as another example of the optical pulse waveform shaping device using the optical pulse expansion method, one disclosed in Patent Document 1 is also known. The optical pulse waveform shaping device disclosed in Patent Document 1 includes a pulse generation device and an optical pulse width conversion device, and the optical pulse width conversion device includes a half mirror, a diffraction grating pair, an amplitude adjustment unit, and a reflection mirror. It is configured.

ハーフミラーを透過して入力されたパルス生成装置からの入力光パルスは、回折格子対によって波長分散を与えられて波長ごとに空間的に分離される。空間的に分離され、異なる遅延時間が付与された各波長の光は、振幅調整部で各波長ごとに異なる振幅変化を与えられ後、反射鏡で反射されそれまでの光路を逆に辿る。回折格子対で合成された各波長の光はハーフミラーで反射され、出力光パルスとして出力される。該出力光パルスの時間波形は、上記非特許文献1の光パルス波形整形装置100と同様の理由で、入力光パルスの時間波形が整形されたものとなる。   The input light pulse from the pulse generation device input through the half mirror is given wavelength dispersion by the diffraction grating pair and is spatially separated for each wavelength. The light of each wavelength that is spatially separated and given a different delay time is given a different amplitude change for each wavelength by the amplitude adjusting unit, then reflected by the reflecting mirror, and reversely follows the optical path up to that time. The light of each wavelength synthesized by the diffraction grating pair is reflected by the half mirror and output as an output light pulse. The time waveform of the output light pulse is obtained by shaping the time waveform of the input light pulse for the same reason as the light pulse waveform shaping device 100 of Non-Patent Document 1.

特開2007−334225号公報JP 2007-334225 A

阿部智明,王戈,矢澤洋紀,”2次元MEMS空間光変調器を用いた400nmフェムト秒レーザパルスの位相・振幅波形整形”,慶応大学アニュアルレポート(2008)Tomoaki Abe, Hiroki Wang, Hiroki Yazawa, “Phase and Amplitude Waveform Shaping of 400nm Femtosecond Laser Pulse Using Two-Dimensional MEMS Spatial Light Modulator”, Keio University Annual Report (2008) A.M.Weiner, J.P.Heritage, and E.M.Kirschner, "High-resolution femtosecond pulse shaping", J.Opt Soc. Am. B, 5, 8(1988)1563-1572A.M.Weiner, J.P.Heritage, and E.M.Kirschner, "High-resolution femtosecond pulse shaping", J.Opt Soc. Am. B, 5, 8 (1988) 1563-1572

上述した従来技術に係る光パルス波形整形装置は、いずれも光パルス伸長方式によって入力光パルスの波形を整形した出力光パルスを得ることができる。しかしながら、非特許文献1に開示された光パルス波形整形装置は、MEMS−MMAによる一度の反射によって振幅を変調するので、自ずと付与することができる整形量に限界がある。   Any of the above-described conventional optical pulse waveform shaping devices can obtain an output optical pulse obtained by shaping the waveform of the input optical pulse by the optical pulse expansion method. However, since the optical pulse waveform shaping device disclosed in Non-Patent Document 1 modulates the amplitude by one reflection by MEMS-MMA, there is a limit to the shaping amount that can be naturally applied.

一方、非特許文献2に開示された光パルス波形整形装置は、光パルスを分散させるグレーティングと合成するグレーティングが別々なので、高価なグレーティングを2個用いる必要があり、コスト的に不利である。また、構成する光学部品の数が多いので、安定性や再現性の面からの課題を生ずる。さらに、各光学素子を一度ずつ通る(往復しない)構成であるため光学系全体が大きくなり、また、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが異なる方向であるため、取り扱い上不便である。   On the other hand, since the optical pulse waveform shaping device disclosed in Non-Patent Document 2 has separate gratings for dispersing optical pulses and synthesized gratings, it is necessary to use two expensive gratings, which is disadvantageous in terms of cost. In addition, since the number of optical parts to be configured is large, there are problems in terms of stability and reproducibility. In addition, the entire optical system is large because it passes through each optical element once (does not reciprocate), and the input direction of the input light pulse is different from the output direction of the output light pulse, which is inconvenient in handling. It is.

さらに、特許文献1に開示された光パルス波形整形装置も2個のグレーティングを用いているのでコスト的に不利である。また、構成する光学部品の数が多いので、安定性や再現性の面からの課題を生ずるとともに、光学系全体を小型化することが困難である。   Furthermore, since the optical pulse waveform shaping device disclosed in Patent Document 1 also uses two gratings, it is disadvantageous in terms of cost. In addition, since the number of optical parts to be configured is large, there are problems in terms of stability and reproducibility, and it is difficult to downsize the entire optical system.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be miniaturized with a simple configuration, and can further shape an optical pulse time waveform into an arbitrary shape. And it aims at providing the optical pulse waveform shaping method.

上記目的を達成するために、請求項1に記載の光パルス波形整形装置は、光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備え、パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長した後前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された前記複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射するものである。   In order to achieve the above object, an optical pulse waveform shaping device according to claim 1, wherein an optical pulse waveform shaping device separates an optical pulse into a plurality of optical pulses having different wavelength components and spatially expands or compresses, and an incident A spatial modulation unit that modulates the amplitude of the optical pulse with a modulation factor according to the incident position and emits the optical pulse, and the shaped light pulse incident from the pulse light source is expanded by the expansion / compression unit Thereafter, the spatial modulation unit is reciprocated to perform amplitude modulation for each of the plurality of optical pulses, and the plurality of optical pulses subjected to amplitude modulation are compressed by the expansion / compression unit, so that each of the plurality of optical pulses is different. A delay time is given and emitted as a shaped light pulse.

また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記伸長・圧縮部は、入射した光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離する回折格子と、入射した光パルスを反射し光軸を変えて入射方向に折り返す折返し部と、を含み、入射した前記光パルスを前記回折格子で回折させて複数の光パルスに分離し、該分離した複数の光パルスを前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させることにより前記光パルスを空間的に伸長し、該空間的に伸長された前記光パルスを前記回折格子で回折させ、前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させて圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与えるものである。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the expansion / compression unit includes a diffraction grating that separates an incident light pulse into a plurality of light pulses having different wavelength components, and incident light. A folded portion that reflects the pulse and changes the optical axis and folds back in the incident direction, and diffracts the incident optical pulse by the diffraction grating and separates it into a plurality of optical pulses. The optical pulse is spatially extended by being diffracted by the diffraction grating again after being folded at the folding portion, and after the spatially stretched optical pulse is diffracted by the diffraction grating and folded at the folding portion By differently diffracting and compressing with the diffraction grating, different delay times are given for each of the plurality of optical pulses.

また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記折返し部は、コーナーキューブまたは反射鏡を含んで構成されたものである。   The invention according to claim 3 is the invention according to claim 2, wherein the folded portion includes a corner cube or a reflecting mirror.

また、請求項4に記載の発明は、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の発明において、前記空間変調部は、前記複数の光パルスの各々の入射位置に応じて透過率が異なるフィルタ部を含み、入射した前記複数の光パルスを前記フィルタ部を透過させて前記複数の光パルスごとに振幅を変調するものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects of the present invention, the spatial modulation unit has a transmittance according to an incident position of each of the plurality of light pulses. Includes different filter units, and transmits the plurality of incident optical pulses through the filter unit to modulate the amplitude for each of the plurality of optical pulses.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の発明において、入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とが空間的に分離されているものである。   Further, the invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the optical axis of the shaped light pulse to be incident and the optical axis of the shaped light pulse to be emitted are Are spatially separated.

また、請求項6に記載の発明は、請求項5に記載の発明において、前記空間変調部から出射した伸長後の前記被整形光パルスを反射させて再度前記空間変調部に入射させる反射部をさらに備えたものである。   According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect of the present invention, the reflecting unit according to the fifth aspect further comprises a reflecting unit that reflects the stretched shaped light pulse emitted from the spatial modulation unit and enters the spatial modulation unit again. In addition.

また、請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の発明において、前記反射部の反射角度を調整することにより入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とを空間的に分離するものである。   According to a seventh aspect of the invention, in the sixth aspect of the invention, the optical axis of the shaped light pulse that is incident and the light of the shaped light pulse that is emitted by adjusting the reflection angle of the reflecting portion. The axis is spatially separated.

一方、上記目的を達成するために、請求項8に記載の光パルス波形整形方法は、光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備えた光パルス波形整形装置における光パルス波形整形方法であって、パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長し、該伸長された被整形光パルスを前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮し、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射するものである。   On the other hand, in order to achieve the above object, an optical pulse waveform shaping method according to claim 8 includes: an extension / compression unit that spatially extends or compresses an optical pulse by separating the optical pulse into a plurality of optical pulses having different wavelength components; An optical pulse waveform shaping method in an optical pulse waveform shaping device, comprising: a spatial modulation unit that modulates an amplitude of an optical pulse with a modulation factor according to an incident position and emits the optical pulse; The shaped light pulse incident from the light is expanded by the expansion / compression unit, the expanded shaped light pulse is reciprocated through the spatial modulation unit, and amplitude-modulated for each of the plurality of light pulses. The plurality of optical pulses are compressed by the expansion / compression unit, and a different delay time is given to each of the plurality of optical pulses to be emitted as a shaped light pulse.

本発明によれば、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法を提供することができるという効果を奏する。   According to the present invention, it is possible to provide an optical pulse waveform shaping device and an optical pulse waveform shaping method that can be downsized with a simple configuration and that can shape the time waveform of an optical pulse into an arbitrary shape. There is an effect.

第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of a structure of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す側面図である。It is a side view showing an example of composition of an optical pulse waveform shaping device concerning a 1st embodiment. 第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の回折格子で波長分離された各波長成分の光路を説明する図である。It is a figure explaining the optical path of each wavelength component wavelength-separated with the diffraction grating of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の入射光パルス、伸長光パルス、および出射光パルスの時間波形の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the time waveform of the incident light pulse of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on 1st Embodiment, an expansion | extension light pulse, and an emitted light pulse. 第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の長波長成分と短波長成分の光路長差を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the optical path length difference of the long wavelength component and short wavelength component of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of a structure of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 従来技術に係る光パルス波形整形装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical pulse waveform shaping apparatus which concerns on a prior art.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る光パルス波形整形装置は、特に用途は限定されないが、一例として、光パルスを用いたレーザ加工等に用いられ、たとえば、効率的なレーザ加工を目的として照射光パルスの波形を整形する場合などに用いられる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The application of the optical pulse waveform shaping device according to the present embodiment is not particularly limited, but is used as an example for laser processing using an optical pulse, for example, the waveform of an irradiation light pulse for the purpose of efficient laser processing This is used when shaping

[第1の実施の形態]
図1ないし図5を参照して、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の構成について説明する。図1は、光パルス波形整形装置10を上面から見た構成を示す図(平面図)であり、図2は、図1に示す光パルス波形整形装置10をZ方向から見た構成を示す図(側面図)であり、図3は、光パルス波形整形装置10の回折格子で波長分離された各波長成分の光路を説明する図であり、図4は、光パルス波形整形装置10の入射光パルス、伸長光パルス、および出射光パルスの時間波形を示す図であり、図5は、光パルス波形整形装置10の長波長成分と短波長成分の光路長差を説明する図である。
[First Embodiment]
With reference to FIG. 1 thru | or FIG. 5, the structure of the optical pulse waveform shaping apparatus 10 which concerns on this Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is a diagram (plan view) showing a configuration of the optical pulse waveform shaping device 10 as viewed from above, and FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the optical pulse waveform shaping device 10 shown in FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the optical path of each wavelength component wavelength-separated by the diffraction grating of the optical pulse waveform shaping device 10, and FIG. 4 is the incident light of the optical pulse waveform shaping device 10. FIG. 5 is a diagram illustrating time waveforms of a pulse, an extended light pulse, and an emitted light pulse, and FIG. 5 is a diagram illustrating an optical path length difference between a long wavelength component and a short wavelength component of the optical pulse waveform shaping device 10.

図1および図2に示すように、光パルス波形整形装置10は、反射ミラー12、空間変調器14、回折格子16、およびコーナーキューブ18を含んで構成されている。光パルス波形整形装置10においては、一例として、図示しない光パルス発生装置(以下、「光源」という場合がある)で生成された広帯域超短パルス光(たとえば、パルス幅数ps(picosecond)程度)が、紙面右方向から左方向に入射光ビームLinとして入射され、光パルス波形整形装置10で波形が整形された光パルスが、紙面左方向から右方向に出射光ビームLoutとして出射される。本実施の形態では、入射光ビームLinの断面Binの形状は、一例として、図3(a)に示すように略円形としている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the optical pulse waveform shaping device 10 includes a reflection mirror 12, a spatial modulator 14, a diffraction grating 16, and a corner cube 18. In the optical pulse waveform shaping device 10, as an example, a broadband ultrashort pulse light (for example, about a pulse width of several ps (picosecond)) generated by an optical pulse generator (not shown) (hereinafter sometimes referred to as “light source”). but is incident as the incident light beam L in the right direction in the drawing to the left, the light pulse waveform is shaped by the optical pulse waveform shaping apparatus 10 is emitted as an outgoing light beam L out from the left direction in the drawing to the right . In the present embodiment, the shape of the cross section B in the incident light beam L in, as an example, have a substantially circular as shown in FIG. 3 (a).

まず、図1および図2を参照して、光パルス波形整形装置10の動作の概要について説明する。紙面右方向より左方向に入射した入射光ビームLinは、回折格子16における回折により波長分離され、ビーム幅を拡大されてコーナーキューブ18へ入射する。コーナーキューブ18で反射し、折り返されることによりビーム幅をさらに拡大されて再度回折格子16に入射される。回折格子16で回折された光ビームは、入射光ビームLinの方向に回折され、空間変調器14を透過し、反射ミラー12で反射され再度空間変調器14を透過することにより振幅変調を受ける(分離された各波長ごとに光パルスの振幅が変えられる)。 First, an outline of the operation of the optical pulse waveform shaping device 10 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. The incident light beam Lin that is incident in the left direction from the right direction on the paper is wavelength-separated by the diffraction in the diffraction grating 16 and is incident on the corner cube 18 with the beam width expanded. Reflected by the corner cube 18 and folded, the beam width is further expanded and incident on the diffraction grating 16 again. The light beam diffracted by the diffraction grating 16 is diffracted in the direction of the incident light beam Lin, passes through the spatial modulator 14, is reflected by the reflection mirror 12, and is transmitted through the spatial modulator 14 again to undergo amplitude modulation. (The amplitude of the light pulse is changed for each separated wavelength).

振幅変調された光ビームは、入射光ビームLinが辿った光路を再び辿り、回折格子16に入射する。回折格子16で回折されてビーム幅を縮小された光ビームは、コーナーキューブ18で反射、折返しされることによりさらにビーム幅を縮小された後回折格子16で再度回折されて、出射光ビームLoutとして出射される。この出射光ビームLoutに含まれる各波長成分には、空間変調器14における変調率が異なることにより異なる振幅が与えられると同時に、光路長差が異なることによる異なる遅延時間を与えられるので、出射光ビームLoutに含まれる光パルスは、入射光ビームLinに含まれる光パルスに対して、時間軸方向に整形される。出射された出射光ビームLoutは、光パルス波形整形装置10が、たとえばレーザ加工に用いる光パルス波形整形装置である場合には、加工対象物に照射される。 Amplitude modulated light beam again follows the light path the incident light beam L in the traced incident on the diffraction grating 16. The light beam diffracted by the diffraction grating 16 and reduced in beam width is reflected and folded by the corner cube 18 to further reduce the beam width, and then is diffracted again by the diffraction grating 16 to output the outgoing light beam L out. Is emitted as Each wavelength component contained in the output light beam L out, at the same time the modulation factor in the spatial modulator 14 is given different amplitudes by different, since the optical path length difference is given a different delay time by different, out light pulses contained in Shako beam L out, to the optical pulses contained in the incident light beam L in, is shaped in the time axis direction. When the optical pulse waveform shaping device 10 is, for example, an optical pulse waveform shaping device used for laser processing, the emitted light beam L out that is emitted is irradiated onto a workpiece.

上述のように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10は、入射光ビームLinを2往復させて(回折格子16で4回回折させて)波形整形を行う点に、ひとつの特徴がある。以下、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の動作について、より詳細に説明する。 As described above, the optical pulse waveform shaping apparatus 10 according to the present embodiment is 2 by reciprocating the incident light beam L in (diffracts four times the diffraction grating 16) in that the waveform shaping, one of the features There is. Hereinafter, the operation of the optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment will be described in more detail.

入射光ビームLinは、反射型の回折格子16に入射すると、回折され、複数の波長に分離される(分散される)。その際、複数の波長ごとに回折角(図3(b)参照)が異なり、短波長ほど図3(b)で定義される回折角は小さくなるので、回折格子16で回折された各波長の光が空間的に分離される。 The incident light beam L in is incident on the diffraction grating 16 of the reflection type is diffracted and separated into a plurality of wavelengths (the variance). At that time, the diffraction angles (see FIG. 3B) are different for each of a plurality of wavelengths, and the shorter the wavelength, the smaller the diffraction angle defined in FIG. 3B, so that each wavelength diffracted by the diffraction grating 16 is reduced. The light is spatially separated.

図3を参照して、回折格子16における回折についてより詳細に説明する。図3においては、入射光ビームLinは回折格子16の面上の点Pに入射する。本実施の形態に係る回折格子16の溝Sは、図2に示すようにX方向に形成してあるので、空間的に分離された各波長は、図1の座標系のZ方向(Y−Z平面内)に並ぶ。なお、以下の説明では、回折格子16で回折された各波長成分のうち、最も波長の長い波長成分を長波長成分λ、最も波長の短い波長成分を短波長成分λとしている。 With reference to FIG. 3, the diffraction in the diffraction grating 16 is demonstrated in detail. In FIG. 3, the incident light beam L in is incident at point P 1 on the surface of the diffraction grating 16. Since the grooves S of the diffraction grating 16 according to the present embodiment are formed in the X direction as shown in FIG. 2, each spatially separated wavelength is expressed in the Z direction (Y− In the Z plane). In the following description, among the wavelength components diffracted by the diffraction grating 16, the longest wavelength component λ R is the longest wavelength component and the short wavelength component λ B is the shortest wavelength component.

図3(b)に示すように、入射光ビームLinに含まれる各波長成分は、回折格子16における溝Sの形成状態に応じて波長分離され、長波長成分λから短波長成分λまでZ方向に並ぶ。長波長成分λと短波長成分λとの間には、波長の異なる複数の波長成分が存在し、波長成分の数は回折格子16における溝Sの形成の仕方に依存する。 As shown in FIG. 3B, each wavelength component included in the incident light beam Lin is wavelength-separated according to the formation state of the groove S in the diffraction grating 16, and the short wavelength component λ B is converted from the long wavelength component λ R. Line up in the Z direction. A plurality of wavelength components having different wavelengths exist between the long wavelength component λ R and the short wavelength component λ B, and the number of wavelength components depends on the way in which the grooves S are formed in the diffraction grating 16.

ここで、点Pに入射した入射光ビームLinの回折角を、回折格子16の点Pにおける法線hから、回折された各波長成分の光軸まで測った角度で定義する。図3(b)には、この定義に従った、光源の中心波長λの回折角θ、短波長成分λの回折角θDB、長波長成分λの回折角θDRを示している。回折格子16の特性から、短波長成分λの回折角θDBは長波長成分λの回折角θDRより小さくなる。このように、回折格子16における回折により、入射光ビームLinに含まれる各波長成分は、空間的に分離される。 Here, the diffraction angle of the incident light beam L in incident to the point P 1, the normal h at a point P 1 of the diffraction grating 16 is defined by an angle measured to the optical axis of each wavelength component which is diffracted. FIG. 3B shows the diffraction angle θ D of the center wavelength λ of the light source, the diffraction angle θ DB of the short wavelength component λ B , and the diffraction angle θ DR of the long wavelength component λ R according to this definition. . Due to the characteristics of the diffraction grating 16, the diffraction angle θ DB of the short wavelength component λ B is smaller than the diffraction angle θ DR of the long wavelength component λ R. As described above, each wavelength component included in the incident light beam Lin is spatially separated by the diffraction in the diffraction grating 16.

図1、図2に示すように、回折格子16で空間的に分離された各波長成分はコーナーキューブ18で反射され、折り返される。その際、各波長成分の総体である光ビームは、さらに空間的に伸長されて回折格子16に入射し、回折格子16で入射光ビームLinの方向に回折される。各波長成分によってこの時点までに辿ってきた光路が異なるので、回折格子で回折された各波長成分は各々遅延時間が異なる。そのため、回折格子16で回折された光ビームは、光ビーム自体が空間的に伸長していると同時に、光ビームに含まれる各波長成分が時間軸方向にも伸長している。 As shown in FIGS. 1 and 2, each wavelength component spatially separated by the diffraction grating 16 is reflected by the corner cube 18 and folded. At this time, the light beam, which is the sum of the wavelength components, is further spatially expanded and incident on the diffraction grating 16, and is diffracted by the diffraction grating 16 in the direction of the incident light beam Lin. Since the optical path traced to this point differs depending on each wavelength component, each wavelength component diffracted by the diffraction grating has a different delay time. For this reason, the light beam diffracted by the diffraction grating 16 is spatially expanded, and at the same time, each wavelength component included in the light beam is also expanded in the time axis direction.

ここで、図3を参照して、入射光ビームLinが回折格子16で回折され、コーナーキューブ18で折り返され、再び回折格子16で回折されるまでの、長波長成分λおよびは短波長成分λの光路について説明する。 Referring now to FIG. 3, is diffracted by the incident light beam L in the diffraction grating 16, it is folded back at corner cube 18, to be diffracted by the diffraction grating 16 again, long wavelength components lambda R and short wavelength The optical path of the component λ B will be described.

回折格子16の点Pで回折された長波長成分λは、コーナーキューブ18の点Pで反射され点Pに進む。コーナーキューブ18の点Pで反射した長波長成分λは、回折格子16の点Pで回折され、空間変調器14の点Pに進む。 The long wavelength component λ R diffracted at the point P 1 of the diffraction grating 16 is reflected at the point P 2 of the corner cube 18 and proceeds to the point P 3 . The long wavelength component λ R reflected at the point P 3 of the corner cube 18 is diffracted at the point P 5 of the diffraction grating 16 and proceeds to the point P 7 of the spatial modulator 14.

一方、回折格子16の点Pで回折された短波長成分λは、コーナーキューブ18の点Pで反射され点Pに進む。コーナーキューブ18の点Pで反射した短波長成分λは、回折格子16の点Pで回折され、空間変調器14の点Pに進む。 On the other hand, the short wavelength component λ B diffracted at the point P 1 of the diffraction grating 16 is reflected at the point P 3 of the corner cube 18 and proceeds to the point P 2 . The short wavelength component λ B reflected at the point P 2 of the corner cube 18 is diffracted at the point P 4 of the diffraction grating 16 and proceeds to the point P 6 of the spatial modulator 14.

以上のようにして、入射光ビームLinのビーム径が所定の長さW(点Pから点Pまでの長さ)に空間的に伸長された光ビームは、空間変調器14において、各波長成分ごとに光パルスの振幅を変える振幅変調を受ける。空間変調器14を通過した後の光ビームの断面Boutは、図3(a)に示すように、Z方向に長軸を有する楕円形状となっている。
したがって、上記Wは、楕円形状のBoutの長軸の長さを表している。
As described above, the light beam in which the beam diameter of the incident light beam Lin is spatially expanded to a predetermined length W p (length from the point P 6 to the point P 7 ) is transmitted in the spatial modulator 14. Amplitude modulation is applied to change the amplitude of the optical pulse for each wavelength component. The cross section Bout of the light beam after passing through the spatial modulator 14 has an elliptical shape having a major axis in the Z direction, as shown in FIG.
Therefore, the W p represents the length of the major axis of the B out of the elliptical shape.

本実施の形態に係る空間変調器14は、入射面上の位置に応じて透過率を異ならせた空間フィルタ(光学フィルタ)の一種であり、たとえば、透明なガラス基板上に、位置に応じ厚さを異ならせて透過率を変えた薄膜(たとえば、金属薄膜)を形成したものである。
そして、空間変調器14の各透過率に対応する位置は、回折格子16で分離された各波長成分の空間的な位置に対応している。
The spatial modulator 14 according to the present embodiment is a kind of a spatial filter (optical filter) having a different transmittance depending on the position on the incident surface. For example, on the transparent glass substrate, the thickness of the spatial modulator 14 depends on the position. A thin film (for example, a metal thin film) whose transmittance is changed by varying the thickness is formed.
A position corresponding to each transmittance of the spatial modulator 14 corresponds to a spatial position of each wavelength component separated by the diffraction grating 16.

光ビームに含まれる各波長成分は、空間変調器14において光パルスの振幅が各々所定の振幅に変更された(振幅変調された)後、反射ミラー12に入射し全反射する。なお、本実施の形態では、反射ミラー12で全反射させる形態を例示して説明するが、むろんこれに限られず、光ビームに損失を与えたいような場合には、部分的な反射であってもよい。   Each wavelength component included in the light beam is incident on the reflection mirror 12 and totally reflected after the spatial modulator 14 has changed the amplitude of the optical pulse to a predetermined amplitude (amplitude modulated). In the present embodiment, an example in which the light is totally reflected by the reflection mirror 12 will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and if it is desired to give a loss to the light beam, partial reflection may be used. Good.

続けて、反射ミラー12で反射した後の、各波長成分の光路について説明する。反射ミラー12で反射した各波長成分の光は、再び空間変調器14の点Pから点Pの範囲を透過し、回折格子16に向かって進む。この際、各波長成分の光は再び空間変調器14による変調を受ける。このように、本実施の形態では、空間変調器14で2回振幅変調を受けるので、各波長成分に対する変調率(減衰率)は従来技術に比較して高いものとなる。 Next, the optical path of each wavelength component after being reflected by the reflection mirror 12 will be described. The light of each wavelength component reflected by the reflection mirror 12 again passes through the range from the point P 6 to the point P 7 of the spatial modulator 14 and proceeds toward the diffraction grating 16. At this time, the light of each wavelength component is again modulated by the spatial modulator 14. As described above, in the present embodiment, since the spatial modulator 14 receives the amplitude modulation twice, the modulation rate (attenuation rate) for each wavelength component is higher than that of the prior art.

空間変調器14から出射した長波長成分λは、回折格子16の点Pで回折され、コーナーキューブ18の点Pに向かう。点Pで反射された長波長成分λは、さらに点Pで反射して折り返され、回折格子16の点Pに向かう。 The long wavelength component λ R emitted from the spatial modulator 14 is diffracted at the point P 5 of the diffraction grating 16 and travels toward the point P 3 of the corner cube 18. The long wavelength component λ R reflected at the point P 3 is further reflected at the point P 2 and turned back, and goes toward the point P 1 of the diffraction grating 16.

一方、空間変調器14から出射した短波長成分λは、回折格子16の点Pで回折され、コーナーキューブ18の点Pに向かう。点Pで反射された短波長成分λは、さらに点Pで反射して折り返され、長波長成分λと同様に、回折格子16の点Pに向かう。 On the other hand, the short wavelength component λ B emitted from the spatial modulator 14 is diffracted at the point P 4 of the diffraction grating 16 and travels toward the point P 2 of the corner cube 18. The short wavelength component λ B reflected at the point P 2 is further reflected at the point P 3 and turned back, and is directed to the point P 1 of the diffraction grating 16 in the same manner as the long wavelength component λ R.

一旦長さWまで空間的に伸長された入射光ビームLinは、以上の経路で再び空間的に圧縮され、出射光ビームLoutとして出射される。出射光ビームLoutは、このように空間的には圧縮され、入射光ビームLinと同様略円形状のビーム形状となるが、各波長成分の光パルスは遅延時間が各々異なるので、時間軸上で見た場合には伸長されている。 The incident light beam L in which has been spatially extended to the length W p is spatially compressed again through the above path, and is emitted as the outgoing light beam L out . Outgoing light beam L out is thus to spatially compressed, becomes an incident light beam L in the same substantially circular beam shape, the optical pulse of each wavelength component are different each delay time, the time axis When viewed above, it is stretched.

ここで、図2を参照して、入射光ビームLinおよび出射光ビームLoutの、光学系に対する位置関係を説明する。図2では、煩雑さを避けるため空間変調器14の図示を省略している。また、本実施の形態では、入射光ビームLinと出射光ビームLoutとの干渉を避けるために、反射ミラー12の角度を鉛直方向に対してわずかに傾けている。 Referring now to FIG. 2, the incident light beam L in and the outgoing beam L out, the positional relationship with respect to the optical system will be described. In FIG. 2, the spatial modulator 14 is not shown in order to avoid complexity. In the present embodiment, in order to avoid interference between the incident light beam Lin and the outgoing light beam Lout , the angle of the reflection mirror 12 is slightly inclined with respect to the vertical direction.

図2に示すように、入射光ビームLinは、直接回折格子16の点Pに入射する。回折格子16で回折され、上述した、コーナーキューブ18 → 回折格子16 → 空間変調器14 → 反射ミラー12 → 空間変調器14 → 回折格子16 →コーナーキューブ18 → 回折格子16の経路で空間的に圧縮された光ビームは、再び回折格子16の面上の点P’に集束する。図3を用いた上記説明では、理解の容易化のため、空間的に圧縮された光ビームも点Pに集束するとして説明したが、入射光ビームLinと出射光ビームLoutとの干渉を避けるため、実際には反射ミラー12の鉛直方向に対する角度を調整して、Pとは異なる点P’に集束させている。 As shown in FIG. 2, the incident light beam L in is incident at point P 1 of the direct diffraction grating 16. Diffracted by the diffraction grating 16 and spatially compressed by the above-described path of the corner cube 18 → the diffraction grating 16 → the spatial modulator 14 → the reflection mirror 12 → the spatial modulator 14 → the diffraction grating 16 → the corner cube 18 → the diffraction grating 16. The light beam thus focused is again focused on the point P 1 ′ on the surface of the diffraction grating 16. In the above description with reference to FIG. 3, for ease of understanding, been described as focusing the light beam is also the point P 1 which is spatially compressed, interference between the incident light beam L in the outgoing light beam L out to avoid, in practice by adjusting the angle with respect to the vertical direction of the reflecting mirror 12, and is focused at different points P 1 'and P 1.

点P’に集束された光ビームは、回折格子16で反射され、出射光ビームLoutとして出射される。このように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10では、反射ミラー12の角度を調整することによって、入射光ビームLinと出射光ビームLoutとが干渉しないように相互の空間的な位置(鉛直面内における位置)をずらしている。なお、本実施の形態では、入射光ビームLinを鉛直方向下側に、出射光ビームLoutを鉛直方向上側に配置する形態を例示しているが、この配置関係は逆であってもよい。 The light beam focused on the point P 1 ′ is reflected by the diffraction grating 16 and is emitted as the outgoing light beam L out . Thus, the optical pulse waveform shaping apparatus 10 according to the present embodiment, by adjusting the angle of the reflecting mirror 12, spatial cross as the incident light beam L in the outgoing light beam L out does not interfere The position (position in the vertical plane) is shifted. In this embodiment, the lower side in the vertical direction of the incident light beam L in, is exemplified a mode of placing the outgoing light beam L out on the upper side in the vertical direction, the arrangement relationship may be reversed .

つぎに、図4を参照して、以上のように構成された本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の作用について説明する。図4(a)は、入射光ビームLinに含まれる光パルスである入射光パルスPinの時間波形、図4(b)は、空間的、時間的に伸長された後、空間変調器14に入射する前の光ビームに含まれる光パルスである伸長光パルスPの時間波形、図4(c)は、出射光ビームLoutに含まれる光パルスである出射光パルスPoutの時間波形を各々示している。 Next, the operation of the optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. 4 (a) is the time waveform of the incident light beam L in the incident light pulse P in an optical pulses contained, FIG. 4 (b), spatial, after being temporally extended, the spatial modulator 14 time waveform before the light beam is a light pulse included in the elongated light pulse P S incident on, Fig. 4 (c), the time waveform of the output optical pulse P out is the optical pulses contained in the output light beam L out Respectively.

図4(a)に示す本実施の形態に係る入射光パルスPinは、先述したように広帯域超短パルスであり、入射光パルスPinの時間幅tinは一例として数ps、帯域は一例として数nm(nanometer)程度である。ここで、本実施の形態では、光パルスの時間幅は、FWHM(Full Width at Half Maximum)で定義している。 Incident light pulse P in the present embodiment shown in FIG. 4 (a) is a broadband ultrashort pulses as previously described, several ps, band one example as an example the time width t in the incident light pulse P in Is about several nm (nanometer). Here, in this embodiment, the time width of the optical pulse is defined by FWHM (Full Width at Half Maximum).

図4(b)に示すように、伸長光パルスPは入射光パルスPinが時間軸方向に伸長され、パルス幅を時間幅tとされた光パルスであり、回折格子16で分離された各波長成分の光パルスが、短波長成分λから長波長成分λまで遅延時間を異ならせて(時刻を異ならせて)並んでいる。伸長光パルスPの時間波形は、該各波長成分の光パルスの包絡線(エンベロープ)である。伸長光パルスPの時間幅tは、一例として数10psである。なお、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10では、方式上、短波長成分λの方が長波長成分λよりも時間的に早い位置に配置される。 As shown in FIG. 4 (b), the elongated light pulse P S incident light pulse P in is extended in the time axis direction, a light pulse with a pulse width time width t w, is separated by the diffraction grating 16 In addition, the optical pulses of the respective wavelength components are arranged from the short wavelength component λ B to the long wavelength component λ R with different delay times (different times). Time waveform of the elongated light pulse P S is the envelope of the optical pulses of respective wavelength components (envelope). Time width t w of the elongated light pulse P S is the number 10ps as an example. In the optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment, the short wavelength component λ B is arranged at a position earlier in time than the long wavelength component λ R in terms of the method.

図4(c)に示すように、出射光パルスPoutの時間波形は、伸長光パルスPの時間波形を整形し、パルス形状を異ならせた波形となる。本実施の形態に係る空間変調器14は、時間軸上先頭部分に配置される波長の短い光パルスの透過率を大きくし、時間軸上その後に続く長波の長い光パルスの透過率を小さくしている。出射光パルスPoutの形状は、各波長成分の光パルスの包絡線となるため、出射光パルスPoutのパルス波形は、先頭領域に配置されたピーク値の高い部分と、該ピーク値の高い部分に続く低いピーク値が維持された部分とが組み合わされた形状となっている。 As shown in FIG. 4 (c), the time waveform of the output optical pulse P out, shaping the time waveform of the elongated light pulse P S, a waveform having different pulse shapes. The spatial modulator 14 according to the present embodiment increases the transmittance of a short-wavelength optical pulse arranged at the head portion on the time axis, and decreases the transmittance of a long-wave long light pulse that follows on the time axis. ing. The shape of the emitted light pulse P out, since the envelope of the optical pulse of each wavelength component, the pulse waveform of the output optical pulse P out has a portion having a high peak value, which is placed at the head region, high the peak value It has a shape that is combined with a portion that maintains a low peak value following the portion.

図4(c)に示す出射光パルスPoutの形状は一例であり、空間変調器14における透過率の分布条件、回折格子16における溝の形成方法による波長分散の条件等を調整することによって、任意の形状に整形することが可能である。 The shape of the outgoing light pulse Pout shown in FIG. 4C is an example, and by adjusting the distribution condition of transmittance in the spatial modulator 14, the condition of wavelength dispersion by the groove forming method in the diffraction grating 16, and the like, It can be shaped into any shape.

つぎに、図5を参照して、伸長光パルスPの時間幅tの算出方法について説明する。図5(a)は、図1と同じ本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の平面図、図5(b)は、図5(a)のうちの回折格子16の部分を抜き出し、入射光ビームLinの光軸、伸長光パルスPに含まれる長波長成分λの光軸とともに表した図である。図5(b)は、回折格子16の点Pで回折した入射光ビームLinが、コーナーキューブ18で反射して折り返された後、再度回折格子16で回折されてビーム径が空間的に伸長されるまでの状態を示している。 Next, referring to FIG. 5, a description will be given of a method of calculating the time width t w of the elongated light pulse P S. FIG. 5A is a plan view of the optical pulse waveform shaping device 10 according to the same embodiment as FIG. 1, and FIG. 5B is a diagram illustrating a portion of the diffraction grating 16 in FIG. the optical axis of the incident light beam L in, is a diagram showing along with the optical axis of the long wavelength components lambda R contained in the elongated light pulse P S. FIG. 5 (b), the incident light beam L in diffracted by the point P 1 of the diffraction grating 16 after being folded back is reflected by the corner cube 18, it is diffracted by the diffraction grating 16 again beam diameter spatially The state until it is expanded is shown.

図5(b)を参照して、回折格子16で分離された各波長成分のうちの長波長成分λの光路長差の算出方法について説明する。δLは、点Pを基準とする光源のスペクトルの中心波長λと長波長成分λの光路長の差分である。δLは1回の通過による光路長の差分であり、本実施の形態では2回通過するので、入射光ビームLinが入射してから出射光ビームLoutが出射するまでの光路長の差分は2δLとなる。また、短波長成分λについても同様に2δLの光路長の差分が発生するので、分離された波長成分全体の光路長の差分である光路長差は4δLとなる。伸長光パルスPの時間幅tは、光路長差を光速で割って求められるので、t=4δL/cとなる。 With reference to FIG. 5B, a method of calculating the optical path length difference of the long wavelength component λ R among the wavelength components separated by the diffraction grating 16 will be described. δL is the difference in optical path length of the central wavelength lambda and a long wavelength component lambda R of the spectrum of the light source relative to the point P 1. δL is one difference in optical path length due to the passage of, so two passes in this embodiment, the difference of the optical path length to the emitted light beams L out is emitted from the incident light beam L in the incident 2δL. Further, since the same manner the difference of the optical path length of 2δL also shorter wavelength component lambda B occurs, the optical path length difference which is a difference in optical path length of the entire separated wavelength components becomes 4DerutaL. Time width t w of the elongated light pulse P S, since obtained by dividing the optical path length difference at the speed of light, and t w = 4δL / c.

以下のように記号を定義し、図5を参照して、伸長光パルスPの時間幅tの算出方法についてより詳細に説明する。 And notations are defined as follows, with reference to FIG. 5, described in more detail the method of calculating the time width t w of the elongated light pulse P S.

直線L :入射光ビームLinの光路
直線L :コーナーキューブ18で折り返された長波長成分λの光路
直線L :直線Lを辿った長波長成分λの光が回折格子16で反射された後の光路
直線h :点Pにおける回折格子16の表面に対する法線
直線h’ :点Pにおける回折格子16の表面に対する法線
θδ :入射光ビームLinが回折格子16で回折されて広がった回折光の回折角の幅を示す角度(本実施の形態ではθδ<<1と仮定)
θ :光源(光パルス発生装置)スペクトルの中心波長λの回折角(中心波長λの回折光の光軸と法線hとのなす角度)
θ :入射光ビームLinの回折格子16へ入射角(法線hと直線Lとがなす角度)
:点Pから直線Lに引いた垂線と直線Lとの交点と点Pとの間の長さ
R :回折格子16とコーナーキューブ18との間隔(コーナーキューブ18における各波長成分の折り返し点と点Pとの間の長さ)
W :コーナーキューブ18で反射、折り返された光ビームの回折格子16の面上におけるビームサイズの1/2の長さ(=W/2、点Pと点Pとの間の距離)
c :光速
m :回折次数
λ :光源のスペクトルの中心波長
a :直線L上の光路長の差分
b :直線L上の光路長の差分
d :回折格子16の溝Sの本数密度(本/mm)(図2参照)
Linear L 1: the incident light beam L in the optical path linearly L 2: optical path length lines wavelength component lambda R folded back by corner cube 18 L 3: linear L 2 long wavelength components followed the lambda R of the light diffraction grating 16 in the reflected light path straight h after: normal linear h 'to the surface of the diffraction grating 16 at point P 1: normal theta [delta] relative to the surface of the diffraction grating 16 at point P 5: the incident light beam L in the diffraction grating 16 An angle indicating the width of the diffraction angle of the diffracted light diffracted and spread by (assuming that θ δ << 1 in this embodiment)
θ D : diffraction angle of the center wavelength λ of the light source (optical pulse generator) spectrum (angle formed by the optical axis of the diffracted light of the center wavelength λ and the normal h)
theta I: incident angle to the diffraction grating 16 of the incident light beam L in (angle formed normal h and the straight line L 1)
x 1: length between the points P 1 between the intersection and the point P 1 of the perpendicular and the line L 2 drawn to a straight line L 2 R: each wavelength in distance (corner cube 18 and the diffraction grating 16 and the corner cube 18 length between the turning point and the point P 1 component)
W: A length of ½ of the beam size on the surface of the diffraction grating 16 of the light beam reflected and folded by the corner cube 18 (= W p / 2, distance between points P 1 and P 5 )
c: speed of light m: diffraction order λ: center wavelength of spectrum of light source a: difference in optical path length on line L 2 b: difference in optical path length on line L 3 d: number density of grooves S in diffraction grating 16 (number) / Mm) (See Fig. 2)

図5(b)の定義から、δLはδL=a+bで与えられる。aは、回折格子16で回折した光ビームが、コーナーキューブ18で反射後回折格子16に到達するまでに発生する、中心波長λと長波長成分λとの光路長の差分である。また、bは、長波長成分λが回折格子16に再入射後、再度入射光ビームLinの方向に回折するときの光路長の差分である。 From the definition of FIG. 5B, δL is given by δL = a + b. a is a difference in optical path length between the center wavelength λ and the long wavelength component λ R that is generated before the light beam diffracted by the diffraction grating 16 reaches the diffraction grating 16 after being reflected by the corner cube 18. Further, b is a difference in optical path length when the long wavelength component λ R is diffracted again in the direction of the incident light beam Lin after entering the diffraction grating 16 again.

まず、回折格子16における回折の条件から、下記式(1)が成立する。
First, the following formula (1) is established from the diffraction conditions in the diffraction grating 16.

回折格子16で分離された光源に含まれる各波長成分が、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の光学系で異なる遅延時間を与えられることにより発生する波長成分全体の時間差である時間幅tは、最終的に下記式(2)で与えられる。
以下、式(2)の導出について説明する。
Each time component included in the light source separated by the diffraction grating 16 is a time difference that is the time difference of the entire wavelength components generated by giving different delay times in the optical system of the optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment. The width tw is finally given by the following formula (2).
Hereinafter, derivation of Expression (2) will be described.

先述したように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10の光学系では、回折格子16を2往復すること、および中心波長λと短波長成分λでも長波長成分λと同様の光路長の差分を生ずる。そのため、長波長成分λから短波長成分λまでの全波長(スペクトル)成分の光路長差から生ずる光パルスの遅延時間(伸長量)である時間幅tは、以下に示す式(3)で与えられる。
As described above, in the optical system of the optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment, the diffraction grating 16 is reciprocated twice, and the center wavelength λ and the short wavelength component λ B are the same as the long wavelength component λ R. A difference in optical path length is generated. Therefore, all wavelengths (spectra) time width t w is the delay time of the light pulses (expansion amount) resulting from the optical path length difference of the components from the long wavelength components lambda R to the short wavelength component lambda B is formula (3 below ).

ここで、上記定義から以下に示す一連の式が成立する。
Here, the following series of expressions is established from the above definition.

上記一連の式から、δLは、下記式(4)のように記述することができる。
From the above series of equations, δL can be described as the following equation (4).

式(1)より
と記述できるので、これを式(4)に代入して、上記式(2)を得る。
From equation (1)
Therefore, this is substituted into the equation (4) to obtain the above equation (2).

以上のように構成された本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10は、以下のような特徴を有する。
(1)1枚の回折格子を使用するので、部品点数を削減でき、コスト的にも有利である。
(2)回折格子で4回回折させる構成のため、同じパルス伸長量を得る場合、光学系全体の大きさが約1/2ですむ。(同じ大きさの光学系であれば、パルス伸長量を約2倍にすることができる。)
(3)空間変調器を2回透過させる構成のため、大きな整形量を得ることが可能である。
したがって、光パルスの波形整形を効率的に行うことができる。
(4)時間的に伸長された光ビームである出射光ビームの形状(光強度分布)は、入射光ビームの形状とほぼ同様の形状である。したがって、光ビームの断面の方向等を考慮する必要がないので、取り扱いがより容易である。
The optical pulse waveform shaping device 10 according to the present embodiment configured as described above has the following characteristics.
(1) Since one diffraction grating is used, the number of parts can be reduced, which is advantageous in terms of cost.
(2) Since the diffraction grating is diffracted four times, when the same pulse expansion amount is obtained, the size of the entire optical system can be about ½. (If the optical system has the same size, the pulse expansion amount can be doubled.)
(3) Since the spatial modulator is transmitted twice, a large shaping amount can be obtained.
Therefore, the waveform shaping of the optical pulse can be performed efficiently.
(4) The shape (light intensity distribution) of the outgoing light beam, which is a light beam extended in time, is substantially the same as the shape of the incident light beam. Therefore, it is not necessary to consider the direction of the cross section of the light beam, and handling is easier.

以上詳述したように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置によれば、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法が得られる。   As described above in detail, according to the optical pulse waveform shaping device according to the present embodiment, it is possible to reduce the size with a simple configuration and to shape the optical pulse time waveform into an arbitrary shape. A pulse waveform shaping device and an optical pulse waveform shaping method are obtained.

[第2の実施の形態]
図6を参照して、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10aについて説明する。
本実施の形態は、第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置10における反射型の回折格子16を、透過型の回折格子16aに置き換えた形態である。したがって、図1ないし図3と同様の構成には同様の符号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
The optical pulse waveform shaping device 10a according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
In the present embodiment, the reflection type diffraction grating 16 in the optical pulse waveform shaping device 10 according to the first embodiment is replaced with a transmission type diffraction grating 16a. Therefore, the same components as those in FIGS. 1 to 3 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

図6における点P11ないしP17は、各々図3における点PないしPに対応している。入射光ビームLinは回折格子16aの点P11に入射し、光源に含まれる各波長成分に分散、回折された後、コーナーキューブ18で折り返され再度回折格子16aに入射する。回折格子16aで再度回折されて、光ビームが空間的、時間的にが伸長され、空間変調器14に入射される。空間変調器14で各波長成分ごとに振幅変調を受けた後、反射ミラー12で全反射して再度空間変調器14によって振幅変調を受け、回折格子16aに入射する。 Points P 11 to P 17 in FIG. 6 correspond to points P 1 to P 7 in FIG. 3, respectively. The incident light beam L in the diffraction enters the P 11 point grid 16a, distributed to each wavelength component included in the light source, after being diffracted, and enters again the diffraction grating 16a is folded back at corner cube 18. The light beam is diffracted again by the diffraction grating 16 a, and the light beam is expanded spatially and temporally and is incident on the spatial modulator 14. After being subjected to amplitude modulation for each wavelength component by the spatial modulator 14, it is totally reflected by the reflection mirror 12, subjected to amplitude modulation again by the spatial modulator 14, and is incident on the diffraction grating 16 a.

回折格子16aで回折された光ビームは、コーナーキューブ18で反射して折り返され、空間的に圧縮されつつ回折格子16aの点P11に再度入射される。回折格子16aで回折されたビームは、出射光ビームLoutとして光パルス波形整形装置10aから出射される。 Light beam diffracted by the diffraction grating 16a is folded back and reflected by the corner cube 18, and is incident again to the point P 11 of the diffraction grating 16a while being spatially compressed. The beam diffracted by the diffraction grating 16a is emitted from the optical pulse waveform shaping device 10a as an emitted light beam Lout .

入射光ビームLinが点P11で回折した後の長波長成分λおよびλの光路も、光パルス波形整形装置10と同様に考えることができる。すなわち、回折格子16aにおける回折角θを点P11における回折格子16aの入射面に対する法線から測った角度で定義すると、長波長成分λの回折角θDRは、短波長成分の回折角θDBより小さい。したがって、長波長成分λと短波長成分λの配置関係は図6に示すように、紙面正面視でλが左側、λが右側となる。 The optical path of the incident light beam L in the long wavelength components lambda R and lambda B after diffraction at point P 11 can also be considered similarly to the optical pulse waveform shaping apparatus 10. That is, when defined by an angle measured from the normal to the incident surface of the diffraction grating 16a at point P 11 of the diffraction angle theta D in the diffraction grating 16a, the diffraction angle theta DR of long wavelength components lambda R is the diffraction angle of the short wavelength component θ DB smaller. Accordingly, as shown in FIG. 6, the arrangement relationship between the long wavelength component λ R and the short wavelength component λ B is λ R on the left side and λ B on the right side as viewed from the front of the paper.

長波長成分λの光路について説明する。
点P11で回折した長波長成分λは、コーナーキューブ18の点P12、点P13で反射され、回折格子16aの点P15に入射する。点P15で反射された長波長成分λは、空間変調器14の点P17に入射し、振幅変調を受けた後反射ミラー12で全反射され、再度空間変調器14で振幅変調を受けて回折格子16aの点P15に入射する。
The optical path of the long wavelength component λ R will be described.
Long wavelength components lambda R diffracted at point P 11 is a point P 12 of the corner cube 18, is reflected at point P 13, is incident on the point P 15 of the diffraction grating 16a. The long wavelength component λ R reflected by the point P 15 enters the point P 17 of the spatial modulator 14, undergoes amplitude modulation, is totally reflected by the reflection mirror 12, and is subjected to amplitude modulation by the spatial modulator 14 again. Te is incident at point P 15 of the diffraction grating 16a.

点P15で回折された長波長成分λは、コーナーキューブ18の点P13、点P12で反射されて回折格子16aの点P11に再度入射し、回折され、出射光ビームLoutとして出射する。
短波長成分λの光路についても同様に辿ることができる。
The long wavelength component λ R diffracted at the point P 15 is reflected at the points P 13 and P 12 of the corner cube 18 and is incident again on the point P 11 of the diffraction grating 16a, and is diffracted as an outgoing light beam L out. Exit.
The optical path of the short wavelength component λ B can be similarly traced.

ここで、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10aでも、光パルス波形整形装置10と同様、反射ミラー12の角度を鉛直方向に対してわずかに傾け、入射光ビームLinと出射光ビームLoutとの干渉を避けるように構成してもよい。 Here, even the optical pulse waveform shaping apparatus 10a according to the present embodiment, similar to the optical pulse waveform shaping apparatus 10, slightly inclined angle of the reflecting mirror 12 with respect to the vertical direction, the emitted light beam and the incident light beam L in it may be configured so as to avoid interference with the L out.

以上のように動作する本実施の形態に係る光パルス波形整形装置10aによっても、第1の実施の形態に係る光パルス波形整形装置10と同様、図4に示す光パルス波形の整形作用を奏することができる。ただし、光パルス波形整形装置10aでは、光パルス波形整形装置10と異なり、図4(c)に示す出射光パルスPoutの時間波形において、長波長成分λが短波長成分λより時間的に早い位置に配置される(長波長成分λと短波長成分λの位置が入れ替わる)。図6から明らかなように、長波長成分λの光路長の方が、短波長成分λの光路長より短いからである。 The optical pulse waveform shaping device 10a according to the present embodiment that operates as described above also exhibits the optical pulse waveform shaping action shown in FIG. 4 as with the optical pulse waveform shaping device 10 according to the first embodiment. be able to. However, in the optical pulse waveform shaping device 10a, unlike the optical pulse waveform shaping device 10, in the time waveform of the outgoing light pulse Pout shown in FIG. 4C, the long wavelength component λ R is temporally different from the short wavelength component λ B. are arranged in an early position (the position of the long wavelength components lambda R and short wavelength components lambda B are interchanged). As apparent from FIG. 6, towards the optical path length of the long wavelength components lambda R is because shorter than the optical path length of the short wavelength component lambda B.

なお、上記各実施の形態では、回折格子で回折された回折光を折り返す手段として、コーナーキューブを用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、代わりに、たとえば反射鏡を用いてもよい。この場合、図4(c)に示す出射光パルスPoutの時間波形において、長波長成分λが短波長成分λより時間的に早い位置に配置される(長波長成分λと短波長成分λの位置が入れ替わる)。 In each of the above-described embodiments, the embodiment using the corner cube as the means for turning back the diffracted light diffracted by the diffraction grating has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, a reflector may be used instead. Good. In this case, in the time waveform of the outgoing light pulse Pout shown in FIG. 4C, the long wavelength component λ R is arranged at a position earlier in time than the short wavelength component λ B (the long wavelength component λ R and the short wavelength The position of the component λ B is switched).

10、10a 光パルス波形整形装置
12 反射ミラー
14 空間変調器
16、16a 回折格子
18 コーナーキューブ
100 光パルス波形整形装置
102 MEMS−MMA
104 グレーティング
106 レンズ
in 入射光ビーム
out 出射光ビーム
in 入射光パルス
伸長光パルス
out 出射光パルス
S 溝
10, 10a Optical pulse waveform shaping device 12 Reflection mirror 14 Spatial modulator 16, 16a Diffraction grating 18 Corner cube 100 Optical pulse waveform shaping device 102 MEMS-MMA
104 grating 106 lens L in incident light beam L out outgoing light beam P in incident light pulse P S extension light pulse P out outgoing light pulse S groove

Claims (8)

光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、
入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備え、
パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長した後前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された前記複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射する
光パルス波形整形装置。
An extension / compression unit that separates the optical pulse into a plurality of optical pulses having different wavelength components and spatially expands or compresses the optical pulse;
A spatial modulation unit that modulates the amplitude of the light pulse with a modulation rate according to the incident position and emits the light pulse; and
The shaped optical pulse incident from the pulse light source is expanded by the expansion / compression unit, and then the spatial modulation unit is reciprocated to amplitude-modulate the plurality of optical pulses, and the amplitude-modulated optical pulses An optical pulse waveform shaping device that emits a shaped optical pulse by giving a different delay time to each of the plurality of optical pulses by being compressed by the expansion / compression unit.
前記伸長・圧縮部は、入射した光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離する回折格子と、入射した光パルスを反射し光軸を変えて入射方向に折り返す折返し部と、を含み、
入射した前記光パルスを前記回折格子で回折させて複数の光パルスに分離し、該分離した複数の光パルスを前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させることにより前記光パルスを空間的に伸長し、該空間的に伸長された前記光パルスを前記回折格子で回折させ、前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させて圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与える
請求項1に記載の光パルス波形整形装置。
The extension / compression unit includes a diffraction grating that separates an incident optical pulse into a plurality of optical pulses having different wavelength components, and a folding unit that reflects the incident optical pulse and changes the optical axis and folds it back in the incident direction.
The incident optical pulse is diffracted by the diffraction grating and separated into a plurality of optical pulses, and the separated plurality of optical pulses are folded back by the folding section and then diffracted by the diffraction grating again to make the optical pulse spatial. Each of the plurality of light pulses is diffracted by the diffraction grating, diffracted by the diffraction grating, diffracted again by the diffraction grating, and compressed. The optical pulse waveform shaping device according to claim 1, wherein different delay times are provided.
前記折返し部は、コーナーキューブまたは反射鏡を含んで構成された
請求項2に記載の光パルス波形整形装置。
The optical pulse waveform shaping device according to claim 2, wherein the folding portion includes a corner cube or a reflecting mirror.
前記空間変調部は、前記複数の光パルスの各々の入射位置に応じて透過率が異なるフィルタ部を含み、入射した前記複数の光パルスを前記フィルタ部を透過させて前記複数の光パルスごとに振幅を変調する
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の光パルス波形整形装置。
The spatial modulation unit includes a filter unit having different transmittance according to the incident position of each of the plurality of light pulses, and transmits the plurality of incident light pulses through the filter unit for each of the plurality of light pulses. The optical pulse waveform shaping device according to any one of claims 1 to 3, wherein the amplitude is modulated.
入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とが空間的に分離されている
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の光パルス波形整形装置。
The optical pulse waveform shaping device according to any one of claims 1 to 4, wherein an optical axis of the shaped optical pulse to be incident and an optical axis of the shaped optical pulse to be emitted are spatially separated.
前記空間変調部から出射した伸長後の前記被整形光パルスを反射させて再度前記空間変調部に入射させる反射部をさらに備えた
請求項5に記載の光パルス波形整形装置。
The optical pulse waveform shaping device according to claim 5, further comprising a reflection unit that reflects the stretched shaped optical pulse emitted from the spatial modulation unit and makes it incident on the spatial modulation unit again.
前記反射部の反射角度を調整することにより入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とを空間的に分離する
請求項6に記載の光パルス波形整形装置。
The optical pulse waveform shaping device according to claim 6, wherein the optical axis of the shaped optical pulse to be incident and the optical axis of the shaped optical pulse to be emitted are spatially separated by adjusting a reflection angle of the reflection unit.
光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備えた光パルス波形整形装置における光パルス波形整形方法であって、
パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長し、
該伸長された被整形光パルスを前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、
該振幅変調された複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮し、
前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射する
光パルス波形整形方法。
The optical pulse is separated into a plurality of optical pulses of different wavelength components and expanded / compressed spatially, and the incident optical pulse is modulated by the modulation rate according to the incident position. An optical pulse waveform shaping method in an optical pulse waveform shaping device comprising:
The to-be-shaped light pulse incident from the pulse light source is expanded by the expansion / compression unit,
Amplifying the stretched shaped optical pulse for each of the plurality of optical pulses by reciprocating the spatial modulation unit,
The plurality of amplitude-modulated optical pulses are compressed by the expansion / compression unit,
An optical pulse waveform shaping method in which a different delay time is given to each of the plurality of optical pulses and emitted as a shaped optical pulse.
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JP7463595B2 (en) 2017-07-25 2024-04-08 イムラ アメリカ インコーポレイテッド Multipulse Amplification

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