JP2017107123A - パルス光生成装置及びパルス光生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりをＴＬパルスよりも急峻にすることができるパルス光生成装置及びパルス光生成方法を提供する。【解決手段】パルス光生成装置１Ａは、入力光Ｌａを分光する分光素子１２と、分光素子１２と光学的に結合されて分光後の光Ｌｂの位相を変調するＳＬＭ１６とを備える。分光素子１２は、変調後の光Ｌｃを受けてパルス光Ｌｄに変換する。ＳＬＭ１６は、パルス光Ｌｄのスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長に関して点対称とするとともに、パルス光Ｌｄのスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする。【選択図】図１

Description

本発明は、パルス光生成装置及びパルス光生成方法に関するものである。

非特許文献１には、時間幅が極めて短いパルス光（超短パルス光）を発生させるための技術が開示されている。

廣本宜久ほか、「テラヘルツ技術総覧」、テラヘルツテクノロジーフォーラム編、２００７年発行

例えばテラヘルツパルス光は、励起パルス光を光伝導アンテナや結晶素子などに与え、非線形光学効果を生じさせることにより発生することができる。このような非線形光学効果は、励起パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりが急峻であるほど（すなわち強度の時間微分の最大値が大きいほど）顕著に生じる。テラヘルツパルス光を生成する場合、テラヘルツパルス光の時間波形のピーク強度（もしくはスペクトル強度のピーク値）は、励起光パルスの時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりが急峻であるほど大きくなる。

パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりを急峻にする方法としては、例えば、そのパルス光の時間幅を出来る限り短くし、且つピーク値を大きくする方法がある。本発明者の認識によれば、パルス光の時間幅の最小値は、そのパルス光が有する固有のスペクトル帯域幅やスペクトル強度波形の形状により一意に定まる。特に、時間幅の短さが理論限界値と等しく、高いピーク値をもつパルス光は、ＴＬ（Transform limited）パルスと呼ばれる。

図１５（ａ）は、ＴＬパルスのスペクトル強度波形Ｇ１１及びスペクトル位相波形Ｇ１２を示すグラフであって、横軸は波長を示し、左縦軸は強度を示し、右縦軸は位相を示す。また、図１５（ｂ）は、ＴＬパルスの時間波形の一例を示すグラフであって、横軸は時間を示し、縦軸は強度を示す。図１５（ａ）に示されるように、ＴＬパルスは、スペクトル位相波形Ｇ１２が波長によらず一定（フラット）であるときに生じる。

上記のように、パルス光の時間幅の最小値は、理論上、ＴＬパルスにより定められる。従って、上述した考え方に従えば、非線形光学効果の大きさの限界は、励起パルス光がＴＬパルスであるときに得られる。しかしながら、パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりを更に急峻にすることができれば、非線形光学効果を更に顕著に生じさせることが可能となる。非線形光学効果を更に顕著に生じさせることができれば、例えばテラヘルツパルス光の時間波形のピーク強度を更に大きくできるなど、非線形光学効果を利用する光学デバイスにとって多大な利点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりをＴＬパルスよりも急峻にすることができるパルス光生成装置及びパルス光生成方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による第１のパルス光生成装置は、光を分光する分光素子と、分光素子と光学的に結合され、分光後の光の位相を変調する空間光変調器と、空間光変調器と光学的に結合され、変調後の光をパルス光に変換する光変換素子と、を備える。空間光変調器は、パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする。

また、本発明による第２のパルス光生成装置は、光を分光する分光素子と、分光素子と光学的に結合され、分光後の光の位相を変調する空間光変調器と、を備える。分光素子は、変調後の光を受けてパルス光に変換する。空間光変調器は、パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする。

また、本発明によるパルス光生成方法は、光を分光する第１ステップと、分光後の光の位相を変調する第２ステップと、変調後の光をパルス光に変換する第３ステップと、を含む。そして、第２ステップによって、パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする。

本発明者は、パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりをＴＬパルスよりも急峻にするために、ＴＬパルスではフラットであったスペクトル位相波形を様々な形状にすることを試みた。その結果、上記のように、スペクトル位相波形が、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称であり、更に、スペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少であるときに、パルス光の時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方がＴＬパルスよりも急峻となり、他方がＴＬパルスよりも緩やかになることを見出した。なお、パルス光の時間幅はＴＬパルス光よりも僅かに広がることが確認された。

このように、上記の装置及び方法によれば、パルス光の時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方をＴＬパルスよりも急峻にできるので、非線形光学効果を更に顕著に生じさせることが可能となる。従って、例えば非線形光学効果を用いてテラヘルツパルス光を生成する場合には、テラヘルツパルス光の時間波形のピーク強度を、ＴＬパルス光を励起光とする場合と較べて更に大きくすることができる。

上記の装置及び方法において、波長ω０は、パルス光のスペクトル強度波形の半値全幅の波長範囲内に含まれてもよい。これにより、パルス光の時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方を、より確実に、ＴＬパルスよりも急峻にできる。

上記の装置及び方法において、スペクトル位相波形はシグモイド関数状であってもよい。或いは、スペクトル位相波形はｎ次関数状（ｎは正の奇数）であってもよい。或いは、スペクトル位相波形はｋ次関数状（ｋは正の奇数を除く正の実数）であってもよい。或いは、スペクトル位相波形は、シグモイド関数、ｎ次関数（ｎは正の奇数）、及びｋ次関数状（ｋは正の奇数を除く正の実数）のうち少なくとも２つの関数の線形和に応じた形状であってもよい。これにより、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称であり、更に、スペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少であるスペクトル位相波形を好適に実現できる。

上記の装置において、分光素子は、回折格子またはプリズムを含んでもよい。これにより、空間光変調器に提供される光を好適に分光することができる。

上記の装置において、光変換素子は集光レンズを含んでもよい。これにより、空間光変調器により変調された光をパルス光に好適に変換することができる。

本発明によるパルス光生成装置及びパルス光生成方法によれば、パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりをＴＬパルスよりも急峻にすることができる。

本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置の構成を概略的に示す図である。 空間光変調器の変調面を示す図である。 空間光変調器によってパルス光に付与されるスペクトル位相波形の一例を示すグラフである。 （ａ）図３に示されたスペクトル位相波形及びスペクトル強度波形を有するパルス光の時間波形と、ＴＬパルスの時間波形との比較を示す。（ｂ）（ａ）の各グラフの時間微分波形を示す。 数式（１）のα、βの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。 空間光変調器によってパルス光に付与されるスペクトル位相波形の別の例を示すグラフである。 数式（２）のａ、ｎの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。 空間光変調器によってパルス光に付与されるスペクトル位相波形の更に別の例を示すグラフである。 数式（３）のａ、ｋの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。 空間光変調器によってパルス光に付与されるスペクトル位相波形の更に別の例を示すグラフである。 数式（４）のｂ、ｃの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。 複数の区間に分けて線形近似されたスペクトル位相波形の例を示すグラフである。 パルス光生成方法を示すフローチャートである。 一変形例に係るパルス光生成装置の構成を示す。 （ａ）ＴＬパルスのスペクトル強度波形及びスペクトル位相波形を示すグラフである。（ｂ）ＴＬパルスの時間波形の一例を示すグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明によるパルス光生成装置及びパルス光生成方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置１Ａの構成を概略的に示す図である。本実施形態のパルス光生成装置１Ａは、入力光Ｌａから、時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりが急峻な（すなわち、時間変化率の絶対値が大きい）パルス光Ｌｄを生成する。図１に示されるように、パルス光生成装置１Ａは、光源２、光学系１０、及び制御部２０を備える。

光源２は、光学系１０に入力される入力光Ｌａを出力する。光源２は例えば固体レーザ光源等のレーザ光源であり、入力光Ｌａは例えばコヒーレントなパルス光である。

光学系１０は、分光素子１２、曲面ミラー１４、及び空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）１６を有する。分光素子１２は光源２と光学的に結合されており、ＳＬＭ１６は曲面ミラー１４を介して分光素子１２と光学的に結合されている。分光素子１２は、入力光Ｌａを波長成分毎に分光する。分光素子１２は、例えば板面に形成された回折格子を含む。或いは、分光素子１２は、プリズムを含んで構成されてもよい。入力光Ｌａは、分光素子１２に対して斜めに入力し、回折若しくは屈折の作用によって複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分からなる分光後の光Ｌｂは、曲面ミラー１４に達する。光Ｌｂは、曲面ミラー１４によって反射され、ＳＬＭ１６に達する。

ＳＬＭ１６は、時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりが急峻なパルス光Ｌｄを生成するために、分光後の光Ｌｂの位相を変調する。ＳＬＭ１６は、一次元若しくは二次元に配列された複数の画素を有し、分光素子１２によって分光された光Ｌｂを画素毎に変調する。一実施例では、ＳＬＭ１６はＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型である。図２は、ＳＬＭ１６の変調面１７を示す図である。変調面１７は、二次元に配列された複数の画素により構成される。図２では、理解しやすくするために、複数の画素が或る方向Ｂに沿って並んで配列された変調領域１７ａを示している。変調領域１７ａは、方向Ｂと交差する方向Ａに沿って複数並んでいる。この方向Ａは、分光素子１２による分光方向である。したがって、複数の変調領域１７ａのそれぞれには、分光された各波長成分が入力する。ＳＬＭ１６は、各変調領域１７ａにおいて、入力された各波長成分の位相を変調する。

ＳＬＭ１６によって変調された各波長成分からなる変調光Ｌｃは、再び曲面ミラー１４によって反射され、分光素子１２に達する。このときの曲面ミラー１４は、変調光Ｌｃを集光する集光光学系として機能する。また、分光素子１２は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、分光素子１２により、変調光Ｌｃの複数の波長成分は互いに集光・合波されてパルス光Ｌｄに変換される。

制御部２０は、プロセッサ及びメモリ等を含むコンピュータ２１、及びプロセッサ及びメモリ等を含むコントローラ２２により構成される。コンピュータ２１は、例えば、パーソナルコンピュータあるいはスマートデバイスなどであり、プロセッサにより、光源２等の動作を制御する。コントローラ２２は、ＳＬＭ１６の複数の画素それぞれに対応する制御値が二次元に分布する変調パターンに従って、複数の画素毎の変調量を制御する。詳述すると、コントローラ２２は、コンピュータ２１及びＳＬＭ１６と電気的に接続されており、ＳＬＭ１６のパルス光Ｌｄの時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりを急峻にするための位相変調パターンを含む制御信号をＳＬＭ１６に提供する。以下、時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりを急峻にするためにパルス光Ｌｄに付与されるスペクトル位相波形について詳しく述べる。

図３は、ＳＬＭ１６によってパルス光Ｌｄに付与されるスペクトル位相波形の一例を示すグラフである。グラフＧ２１はパルス光Ｌｄのスペクトル位相波形を示し、グラフＧ２２はパルス光Ｌｄのスペクトル強度波形を示す。ここで示すスペクトル強度波形の形状は、Ｓｅｃｈ²型である。横軸は波長（単位：ｎｍ）を示し、左縦軸はスペクトル強度（任意単位）を示し、右縦軸はスペクトル位相（単位：ｒａｄ）を示す。

図３に示されるように、ＳＬＭ１６は、パルス光Ｌｄのスペクトル位相波形Ｇ２１を波長に対して非線形とし、且つ、スペクトル強度波形Ｇ２２の半値全幅Ｗの波長範囲内に含まれる波長ω０（図では８００ｎｍ）に関して点対称とする（以下、条件Ａとする）。ここで、点対称とはスペクトル位相波形のグラフを図形として捉えた場合の表現であって、言い換えれば、波長ω０に関して反対称であるとも言える。反対称性とは、ある要素にある変換を施した結果が、元の要素に逆符号を付けたもの（実数でいえば絶対値が同じで正負が逆）と等しくなる性質を意味する。交代性や歪対称性ともいう。すなわち、スペクトル位相波形における波長ω０に対応する位相値をφ０とすると、波長ω０よりも小さな波長領域のスペクトル位相波形を位相値φ０を中心として反転させ、更に波長ω０を中心として反転させたとき、波長ω０よりも大きな波長領域のスペクトル位相波形と一致することをいう。

更に、ＳＬＭ１６は、スペクトル強度波形Ｇ２２の少なくとも半値全幅Ｗの波長範囲内において、パルス光Ｌｄのスペクトル位相波形Ｇ２１を単調増加または単調減少とする（以下、条件Ｂとする）。これらの条件Ａ，Ｂを満たすスペクトル位相波形の一例として、図３にはシグモイド関数状のスペクトル位相波形が示されている。数式（１）は、シグモイド関数状のスペクトル位相波形Ｐｈａｓｅ（ω）を表す。α、βは任意の実数である。

図４（ａ）は、図３に示されたスペクトル位相波形Ｇ２１及びスペクトル強度波形Ｇ２２を有するパルス光Ｌｄの時間波形（グラフＧ３１）と、図１５（ｂ）に示されたＴＬパルスの時間波形（グラフＧ３２）との比較を示す。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のグラフＧ３１の時間微分波形（グラフＧ４１）と、図４（ａ）のグラフＧ３２の時間微分波形（グラフＧ４２）との比較を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）（特に図４（ｂ）を参照）に示されるように、立ち上がりに関してはパルス光Ｌｄの時間微分の最大値がＴＬパルスの時間微分の最大値よりも大きくなっており、パルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻になっていることがわかる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの時間微分の最小値がパルス光Ｌｄの時間微分の最小値よりも小さくなっており、ＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻になっている。なお、パルス時間幅に関しては、パルス光ＬｄがＴＬパルスよりも僅かに長くなる。

図５は、数式（１）のα、βの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。図中のグラフＧ５１はα＝０．５１、β＝１．９６の場合を示し、グラフＧ５２はα＝２．０１、β＝０．９６の場合を示し、グラフＧ５３はα＝２９．０１、β＝０．８１の場合を示す。本発明者は、α、βが少なくともこれらの値である場合に、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻になることを確認した。また、このシグモイド関数状のスペクトル位相波形によれば、パルス光Ｌｄの傾きがＴＬパルスの傾きに比べて１１％以上大きくなる条件（α、β）が存在することが見出された。

なお、上記の例ではスペクトル強度波形Ｇ２２の半値全幅Ｗの波長範囲内においてスペクトル位相波形が単調増加のシグモイド型位相となっており、この場合立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。逆に、半値全幅Ｗの波長範囲内においてスペクトル位相波形が単調減少であるシグモイド型位相の場合には、立ち下がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。

図６は、ＳＬＭ１６によってパルス光Ｌｄに付与されるスペクトル位相波形の別の例を示すグラフである。この例においても図３と同様に、ＳＬＭ１６は、条件Ａ，Ｂを満たすスペクトル位相波形を実現する。そのようなスペクトル位相波形の一例として、図６はｎ次関数状（ｎは正の奇数）のスペクトル位相波形Ｇ６１,Ｇ６２を示す。具体的には、グラフＧ６１はｎ＝３の場合を示し、グラフＧ６２はｎ＝５の場合を示す。数式（２）は、ｎ次関数状のスペクトル位相波形Ｐｈａｓｅ（ω）を表す。ａは任意の実数である。

上記のようなａ＜０の場合のｎ次関数状のスペクトル位相波形によれば、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻となる。ａ＞０の場合は、立ち上がりと立ち下がりの急峻度合いは逆転する。なお、パルス時間幅に関しては、パルス光ＬｄがＴＬパルスよりも僅かに長くなる。

図７は、数式（２）のａ、ｎの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。図中のグラフＧ７１はａ＝−４．６×１０^-4、ｎ＝３の場合を示し、グラフＧ７２はａ＝−２．０×１０^-6、ｎ＝５の場合を示し、グラフＧ７３はａ＝−１．６×１０^-8、ｎ＝７の場合を示す。本発明者は、ａ、ｎが少なくともこれらの値である場合に、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻になることを確認した。また、このｎ次関数状のスペクトル位相波形によれば、パルス光Ｌｄの傾きがＴＬパルスの傾きに比べて７％以上大きくなる条件（ａ、ｎ）が存在することが見出された。

図８は、ＳＬＭ１６によってパルス光Ｌｄに付与されるスペクトル位相波形の更に別の例を示すグラフである。この例においても図３と同様に、ＳＬＭ１６は、条件Ａ，Ｂを満たすスペクトル位相波形を実現する。そのようなスペクトル位相波形の一例として、図８はｋ次関数状（ｋは正の奇数を除く正の実数）のスペクトル位相波形を示す。具体的には、グラフＧ８１はｋ＝１．２５の場合を示し、グラフＧ８２はｋ＝２．５の場合を示す。数式（３）は、ｋ次関数状のスペクトル位相波形Ｐｈａｓｅ（ω）を表す。ａは任意の実数である。

上記のようなｋ次関数状のスペクトル位相波形Ｇ８１，Ｇ８２によれば、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻となる。なお、パルス時間幅に関しては、パルス光ＬｄがＴＬパルスよりも僅かに長くなる。

図９は、数式（３）のａ、ｋの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。図中のグラフＧ９１はａ＝−１．１３×１０^-2、ｋ＝２の場合を示し、グラフＧ９２はａ＝−３．０×１０^-5、ｋ＝４の場合を示し、グラフＧ９３はａ＝−１．７×１０^-3、ｋ＝２．５の場合を示す。本発明者は、ａ、ｋが少なくともこれらの値である場合に、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻になることを確認した。また、このｋ次関数状のスペクトル位相波形によれば、パルス光Ｌｄの傾きがＴＬパルスの傾きに比べて１７％以上大きくなる条件（ａ、ｋ）が存在することが見出された。

上記のようなａ＜０の場合のｋ次関数状のスペクトル位相波形によれば、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻となる。ａ＞０の場合は、立ち上がりと立ち下がりの急峻度合いは逆転する。

図１０は、ＳＬＭ１６によってパルス光Ｌｄに付与されるスペクトル位相波形の更に別の例を示すグラフである。この例においても図３と同様に、ＳＬＭ１６は、条件Ａ，Ｂを満たすスペクトル位相波形を実現する。そのようなスペクトル位相波形の一例として、図１０は正弦関数状のスペクトル位相波形Ｇ１０１を示す。数式（４）は、正弦関数状のスペクトル位相波形Ｐｈａｓｅ（ω）を表す。ｂ，ｃは任意の実数である。

図１０，図１２のようなｂ＞０の正弦関数状のスペクトル位相波形によれば、スペクトル強度波形Ｇ２２の半値全幅Ｗの波長範囲内においてスペクトル位相波形が単調増加となっているので、このとき立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻となる。一方、ｂ＜０の場合は、立ち上がりと立ち下がりの急峻度合いは逆転する。なお、パルス時間幅に関しては、パルス光ＬｄがＴＬパルスよりも僅かに長くなる。

図１１は、数式（４）のｂ、ｃの組み合わせに応じた３つのスペクトル位相波形の例を示すグラフである。図中のグラフＧ１１１はｂ＝０．２８５、ｃ＝０．３４５の場合を示し、グラフＧ１１２はｂ＝０．６１５、ｃ＝０．２２５の場合を示し、グラフＧ１１３はｂ＝２．８６５、ｃ＝０．０９の場合を示す。本発明者は、ｂ，ｃが少なくともこれらの値である場合に、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻になることを確認した。また、この正弦関数状のスペクトル位相波形によれば、パルス光Ｌｄの傾きがＴＬパルスの傾きに比べて１１．３％以上大きくなる条件（ｂ，ｃ）が存在することが見出された。

以上に説明した例では何れもスペクトル位相波形が曲線である場合を示したが、スペクトル位相波形は複数の区間に分けて線形近似されてもよく、その場合であってもパルス光Ｌｄの傾きを急峻化することができる。その一例として、図１２は、図３に示されたシグモイド関数状のスペクトル位相波形（α＝０．５１、β＝１．９６）を３つの区間に区切り、各区間において直線近似したときのスペクトル位相波形Ｇ１２１を示す。なお、この例においても図３と同様に、スペクトル位相波形Ｇ１２１は条件Ａ，Ｂを満たしている。数式（５）は、シグモイド関数の線形近似型のスペクトル位相波形Ｐｈａｓｅ（ω）を表す。ｙ０，ｙ１，ｂは任意の実数である。図１２のグラフＧ１２１はｙ０＝０、ｙ１＝１．９６、ｂ＝０．１９９の場合を示している。

上記のようなシグモイド関数状を直線近似したスペクトル位相波形によれば、スペクトル強度波形Ｇ２２の半値全幅Ｗの波長範囲内においてスペクトル位相波形が単調増加となる。このとき、立ち上がりに関してパルス光Ｌｄの方がＴＬパルスよりも急峻となる。一方、立ち下がりに関してはＴＬパルスの方がパルス光Ｌｄよりも急峻となる。なお、パルス時間幅に関しては、パルス光ＬｄがＴＬパルスよりも僅かに長くなる。

スペクトル位相波形は上記の各例に限られるものではなく、例えば、シグモイド関数（図３を参照）、ｎ次関数（図６を参照）、ｋ次関数（図８を参照）、正弦関数（図１０を参照）、及びこれらの線形近似関数のうち少なくとも２つの関数の線形和に応じた形状であってもよい。また、例えばマルチパルスを生成可能とするような位相パターンと、急峻化を可能とする上記位相パターンとの和であっても良い。このような場合であっても、立ち上がり若しくは立ち下がりに関してパルス光ＬｄをＴＬパルスよりも急峻とすることができる。

ここで、パルス光生成装置１Ａを用いたパルス光生成方法について、図１３に示されるフローチャートを参照しながら説明する。まず、入力光Ｌａを分光素子１２によって分光する（第１ステップＳ１）。次に、分光後の光Ｌｂの位相をＳＬＭ１６によって変調する（第２ステップＳ２）。続いて、変調後の光Ｌｃを分光素子１２によってパルス光Ｌｄに変換する（第３ステップＳ３）。第２ステップＳ２では、パルス光Ｌｄのスペクトル位相波形が、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称となるとともに（条件Ａ）、パルス光Ｌｄのスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅Ｗの波長範囲内において単調増加または単調減少となる（条件Ｂ）ように、光Ｌｂの位相を変調する。

以上に説明した本実施形態のパルス光生成装置１Ａ及びパルス光生成方法によって得られる効果について説明する。本発明者は、パルス光の時間強度波形の立ち上がり又は立ち下がりをＴＬパルスよりも急峻にするために、ＴＬパルスではフラットであったスペクトル位相波形を様々な形状にすることを試みた。その結果、スペクトル位相波形が前述した条件Ａ，Ｂの双方を満たす場合に、パルス光の時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方がＴＬパルスよりも急峻となり、他方がＴＬパルスよりも緩やかになることを見出した。

本実施形態のパルス光生成装置１Ａ及びパルス光生成方法によれば、パルス光Ｌｄが条件Ａ，Ｂを満たすようにＳＬＭ１６が光Ｌｂの位相変調を行うので、パルス光Ｌｄの時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方をＴＬパルスよりも急峻にできる。これにより、非線形光学効果を更に顕著に生じさせることが可能となる。なお、数値計算の結果、本実施形態によればパルス光Ｌｄの時間強度波形の傾きをＴＬパルス光と比較して１０〜１７％程度大きくできることが確かめられた。

本実施形態による効果の例としては、ＴＨｚ（テラヘルツ）光の高効率発生が挙げられる。ＴＨｚ光の発生方法として例えば光伝導アンテナを用いる場合を考えると、一般的にＴＨｚ光の時間波形あるいはそのスペクトルは、電流密度Ｊｐｃ（ｔ）及び光伝導率σ（ｔ）の時間変化によって決まる。光伝導率σ（ｔ）の時間変化はパルス光の強度プロファイルＩ（ｔ）に基づいて決まるので、パルス光の時間波形の急峻さはＴＨｚ光の発生強度向上およびスペクトル帯域拡大に寄与すると考えられる。また、非線形光学結晶を用いてＴＨｚ光を発生させる場合においても、そのＴＨｚ光の発生強度は、強度プロファイルＩ（ｔ）の二階微分に比例するので、パルス光の時間波形の急峻さは、上記と同様にＴＨｚ光の発生強度向上およびスペクトル帯域拡大に寄与すると考えられる。なお、他の非線形光学効果を用いる様々な技術（レーザ加工、レーザ顕微鏡計測など）においても更なる高効率化、高精度化が期待される。

また、本実施形態のように、波長ω０は、半値全幅Ｗの波長範囲内に含まれてもよい。これにより、パルス光Ｌｄの時間強度波形の立ち上がり及び立ち下がりの一方を、より確実に、ＴＬパルスよりも急峻にできる。

（変形例）
図１４は、上記実施形態の一変形例に係るパルス光生成装置１Ｂの構成を示す。このパルス光生成装置１Ｂにおいて上記実施形態と異なる点は、光変換素子の形態である。すなわち、上記実施形態では分光素子１２が変調後の光Ｌｃを受けてパルス光Ｌｄに変換しているが、本変形例のパルス光生成装置１Ｂは、ＳＬＭ１６と光学的に結合されて変調後の光Ｌｃをパルス光Ｌｄに変換する光変換素子１８を更に備えている。なお、このような光変換素子１８は、例えば集光レンズを含むことによって好適に実現される。

本発明によるパルス光生成装置及びパルス光生成方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では条件Ａ，Ｂを満たすスペクトル位相波形の例としてシグモイド関数等を示したが、本発明のスペクトル位相波形は上述した各形状に限られず、条件Ａ，Ｂを満たす様々な波形を採用できる。

１Ａ，１Ｂ…パルス光生成装置、２…光源、１０…光学系、１２…分光素子、１４…曲面ミラー、１７…変調面、１７ａ…変調領域、１８…光変換素子、２０…制御部、Ｌａ…入力光、Ｌｃ…変調光、Ｌｄ…パルス光、Ｗ…半値全幅。

Claims (15)

1. 光を分光する分光素子と、
   前記分光素子と光学的に結合され、分光後の光の位相を変調する空間光変調器と、
   前記空間光変調器と光学的に結合され、変調後の光をパルス光に変換する光変換素子と、を備え、
   前記空間光変調器は、前記パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、前記パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする、パルス光生成装置。
2. 光を分光する分光素子と、
   前記分光素子と光学的に結合され、分光後の光の位相を変調する空間光変調器と、を備え、
   前記分光素子は、変調後の光を受けてパルス光に変換し、
   前記空間光変調器は、前記パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、前記パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする、パルス光生成装置。
3. 前記波長ω０は、前記半値全幅の波長範囲内に含まれる、請求項１または２に記載のパルス光生成装置。
4. 前記スペクトル位相波形がシグモイド関数状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光生成装置。
5. 前記スペクトル位相波形がｎ次関数状（ｎは正の奇数）である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光生成装置。
6. 前記スペクトル位相波形がｋ次関数状（ｋは正の奇数を除く正の実数）である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光生成装置。
7. 前記スペクトル位相波形が、シグモイド関数、ｎ次関数（ｎは正の奇数）、及びｋ次関数（ｋは正の奇数を除く正の実数）のうち少なくとも２つの関数の線形和に応じた形状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光生成装置。
8. 前記分光素子が回折格子またはプリズムを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載のパルス光生成装置。
9. 前記光変換素子が集光レンズを含む、請求項１に記載のパルス光生成装置。
10. 光を分光する第１ステップと、
    分光後の光の位相を変調する第２ステップと、
    変調後の光をパルス光に変換する第３ステップと、を含み、
    前記第２ステップによって、前記パルス光のスペクトル位相波形を、非線形且つ或る波長ω０に関して点対称とするとともに、前記パルス光のスペクトル強度波形の少なくとも半値全幅の波長範囲内において単調増加または単調減少とする、パルス光生成方法。
11. 前記波長ω０は、前記半値全幅の波長範囲内に含まれる、請求項１０に記載のパルス光生成方法。
12. 前記スペクトル位相波形がシグモイド関数状である、請求項１０または１１に記載のパルス光生成方法。
13. 前記スペクトル位相波形がｎ次関数状（ｎは正の奇数）である、請求項１０または１１に記載のパルス光生成方法。
14. 前記スペクトル位相波形がｋ次関数状（ｋは正の奇数を除く正の実数）である、請求項１０または１１に記載のパルス光生成方法。
15. 前記スペクトル位相波形が、シグモイド関数、ｎ次関数（ｎは正の奇数）、及びｋ次関数（ｋは正の奇数を除く正の実数）のうち少なくとも２つの関数の線形和に応じた形状である、請求項１０または１１に記載のパルス光生成方法。

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