JP3252994B2 - 光学応答測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学材料および素子の
応答時間の測定器に関するものであり、広い波長範囲に
わたって動作を可能とし、光源のパルス幅より格段に短
い時間分解能を実現するものである。

【０００２】

【従来の技術】非線形光学材料をはじめとして、光学材
料および素子の応答時間は、その応答時間より高速な短
パルスレーザを用いて測定される。これまで安定で波長
可変なピコ秒、サブピコ秒光源といえば、Ａｒイオンレ
ーザやＮｄ³⁺：ＹＡＧレーザのモード同期レーザに同期
励起された複合モード同期色素レーザに限られていた。
最近では、波長可変サブピコ秒、フェムト秒光源として
Ｔｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ レーザが用いられるようになってき
た。しかしながら、使用可能な発振波長の範囲Δλは、
色素レーザでΔλ〜１０ｎｍ程度、Ｔｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ レ
ーザでΔλ〜１００ｎｍ程度である。また、発振波長の
変更は、色素レーザではゲイン媒質、可飽和吸収体を取
り替えるだけでなく、ミラーをはじめ光学部品を変えな
ければならず、手間のいる作業となる。また、Ｔｉ：Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ レーザといえども、光パルスの時間幅を一定に
保つためには、レーザ共振器内の分散が変化しないよう
にせねばならず、７００ｎｍ≦λ≦１０００ｎｍの発振
波長の範囲に限ったとしても、Δλ〜１００ｎｍの程度
で、光学部品は変更せざるを得ない。

【０００３】一方、コヒーレンスが保てない光はインコ
ヒーレント光と呼ばれる。このインコヒーレント光は、
例えばパルス幅がナノ秒以上であっても、光のスペクト
ル幅がパルス幅に相当する値より広く、コヒーレンス時
間がピコ秒、サブピコ秒オーダーと極端に短くなってい
る光を指す。したがって、このコヒーレンス時間に相当
する時間分解能が、パルス幅が広い光源でも得られるこ
とが解る。このため、パルス幅が互いにかなり異なるイ
ンコヒーレント光パルスと極短光パルスにおいて、パル
スの相関を利用する測定の場合には、コヒーレンス時間
の観点から、等価に扱うことができる（Ｔ．Ｙａｊｉｍ
ａ，Ｎ．Ｍｏｒｉｔａ，“Ｍｅｔｈｏｄｏｆ Ｌａｓｅ
ｒ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ．”Ｙ．Ｐｒｉｏｒ，
Ａ．Ｂｅｎ−Ｒｅｕｖｅｎ，ａｎｄ Ｍ．Ｒｏｓｅｎｂ
ｌｕｈ，ｅｄｓ．（Ｐｌｅｎｕｍ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，
１９８６），ｐｐ７５−８５）。このインコヒーレント
光を用いた緩和時間の測定は、インコヒーレント分光と
もよばれ、特に超高速光パルスが必要な、位相緩和時間
の測定に用いられた（Ｙ．Ｉｓｈｉｄａ ａｎｄＴ．Ｙ
ａｊｉｍａ，Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ａｐｐｌ．２２，１６
２９（１９８７））。実際には、ナノ秒レーザよりむし
ろピコ秒レーザ光を用いた報告例の方が多い。例えば、
光ファイバ等にピコ秒、サブピコ秒パルスを入射する
と、自己位相変調効果によってスペクトル幅が増加す
る。このチャープパルスを光源として利用した例として
中野らの報告がある（Ｈ．Ｎａｋａｎｏ，Ｙ．Ｉｓｈｉ
ｄａ，ａｎｄ Ｔ．Ｙａｎａｇａｗａ，Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｌｅｔｔ．５９，３０９０（１９９１））。この
インコヒーレント分光の手法は、これまで困難を極めた
極短光パルスの発生に要する労力をかなり緩和するもの
となったが、それでも得られるスペクトル幅は、ピコ
秒、サブピコ秒レーザの出力光を励起光として採用した
としても、高々数１０ｎｍ程度であり、このスペクトル
幅に対応する時間分解能は最短でも数１０ｆｓ程度まで
である。

【０００４】以上から、従来から用いられている光学応
答測定器は、光源と利用する光学部品で制限される波長
範囲および時間分解能の範囲でしか用いることができ
ず、それぞれピコ秒、サブピコ秒光源を用いたとして
も、高々１００ｎｍのスペクトル幅、数１０ｆｓから１
００ｆｓ程度の時間分解能である。これに対し、光パラ
メトリック変換器からの出力光を、インコヒーレント光
源として利用する光学応答測定器（特願平４−２４０２
７０，特開平６−９４５７１）は、ナノ秒光パルスを励
起光源として用いたとしても、ピコ秒からサブピコ秒領
域の光学応答が、簡便に測定できる。しかし、非共鳴型
（吸収を伴わない）の非線形光学応答を示す電子効果や
分子の配向効果等に関する応答をそれぞれ測定したり、
全光型の高速スイッチの特性を把握するためには、非線
形屈折率による偏光回転効果を利用する光カー（Ｋｅｒ
ｒ）シャッタ配置が望ましい。

【０００５】一方、共鳴型非線形光学応答を決定する光
励起キャリヤの寿命測定については、ポンプ・プローブ
法がよく用いられる。しかし、キャリヤ寿命の測定に
は、プローブ光の透過率変化を観測しているため、縮退
型のポンプ・プローブ法では、往々にしてポンプ光の漏
れ光がＳ／Ｎを劣化させる。この点で非縮退型のポンプ
・プローブ法が有利であるが、波長が異なる短パルス光
源を準備したり、コヒーレンスが一致するインコヒーレ
ント光源を得ることが簡単ではない。この点で光パラメ
トリック変換器を用いる場合には、コヒーレンスの一致
した光子対（シグナル光とアイドラ光）を異なる波長領
域で簡単に得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べた如く、従来
の光学応答測定器は、ピコ秒、サブピコ秒光源を用いた
としても、高々１００ｎｍのスペクトル幅、数１０ｆｓ
程度の時間分解能である。パルス幅が２−３ｎｓ程度の
ナノ秒光源を用いるに至っては、インコヒーレント分光
法を用いても、スペクトル幅は０．０２−０．２ｎｍで
あり、時間分解能は数ｐｓであることが森田らによって
報告された（Ｎ．Ｍｏｒｉｔａ，Ｔ．Ｔｏｋｉｚａｋ
ｉ，ａｎｄ Ｔ．Ｙａｊｉｍａ．Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．
Ａｍ．Ｂ ４，１２９６（１９８７））。しかも光源と
して使用できる発振波長の範囲は１００ｎｍ以下であ
る。

【０００７】本発明の目的は、使用可能波長を可視域か
ら近赤外域まで拡張し、時間分解能をｐｓから１０ｆｓ
程度以下とする光学応答速度測定器を提供することにあ
り、特に非共鳴型の非線形光学応答を分離した形に利用
できる、偏光回転型（光カーシャッタ系）の応答測定器
を提供することにある。

【０００８】また、Ｓ／Ｎの向上や、キャリヤダイナミ
クスにおける波長依存性の測定には、光源の確保が困難
であるにも関わらず、非縮退型のポンプ・プローブ法が
期待されている。本発明のもう１つの目的は、この非縮
退型のポンプ・プローブ法に、光パラメトリック変換光
をインコヒーレント光として用い、簡便に波長の異なる
コヒーレンスの揃った複数のインコヒーレント光を提供
することである。これによって、キャリヤ寿命等の共鳴
型非線形光学応答が測定できる。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的および
新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって
明らかにする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の（１）の解決手段の光学応答測定器は、非
線形屈折率効果を有する光学媒質を互いに偏光軸が直交
するように配置された２枚の偏光子ではさんだ非線形光
学装置において、光パラメトリック発振器、光パラメト
リック増幅器あるいは光パラメトリック蛍光発生器のう
ち、少なくともいずれか１つを含む、光パラメトリック
変換器からの出力光を光源として用いることを特徴とす
る。

【００１１】本発明の（２）の解決手段の光学応答測定
器は、（１）に記載の光学応答測定器において、前記光
パラメトリック変換器の出力光を分離する手段を備え、
出力光をシグナル光、アイドラ光に分離し、いずれか一
方の光だけを使用するようにしたことを特徴とする。

【００１２】本発明の（３）の解決手段の光学応答測定
器は、（１）に記載の光学応答測定器において、前記光
パラメトリック変換器の出力光を分離する手段を備え、
シグナル光、アイドラ光に分離し、双方の光を共軸配置
にして使用することを特徴とする。

【００１３】本発明の（４）の解決手段の光学応答測定
器は、（１）〜（３）のいずれか一つに記載の光学応答
測定器において、前記光パラメトリック変換器の出力光
を、分離または合波する手段として、ダイクロイックミ
ラーを備えたことを特徴とする。

【００１４】本発明の（５）の解決手段の光学応答測定
器は、（２）に記載の光学応答測定器において、前記光
パラメトリック変換器の出力光を分離する手段は、波長
フィルタであることを特徴とする。

【００１５】

【００１６】本発明の（６）の解決手段の光学応答測定
器は、光パラメトリック発振器、光パラメトリック増幅
器あるいは光パラメトリック蛍光発生器のうち、少なく
ともいずれか１つを含む、光パラメトリック変換器から
の出力光を光源として用い、非線形吸収効果を有する光
学媒質に、複数の光ビームを入射し、少なくとも１つの
光ビームの遅延時間を調節することにより該光学媒質の
非線形吸収効果を測定する光学応答測定器において、前
記光パラメトリック変換器の出力光を分離する手段を備
え、出力光をシグナル光、アイドラ光に分離し、一方を
光強度の強いポンプ光（励起光）として用い、他方を該
ポンプ光に対する遅延時間を調節するプローブ光として
用いることを特徴とする。

【００１７】本発明の（７）の解決手段の光学応答測定
器は、光パラメトリック発振器、光パラメトリック増幅
器あるいは光パラメトリック蛍光発生器のうち、少なく
ともいずれか１つを含む、光パラメトリック変換器から
の出力光を光源として用い、非線形吸収効果を有する光
学媒質に、複数の光ビームを入射し、少なくとも１つの
光ビームの遅延時間を調節することにより該光学媒質の
非線形吸収効果を測定する光学応答測定器において、前
記光パラメトリック変換器の出力光を分離する手段を備
え、出力光をシグナル光、アイドラ光に分離し、双方の
光を共軸配置にして使用することを特徴とする。

【００１８】

【作用】前述の手段によれば、３５５ｎｍの励起光に対
してＢＢＯ結晶を用いた光パラメトリック変換を利用す
る場合においては、短波長限界は４５０ｎｍ以下、長波
長限界も１７００ｎｍ以上となり、Δλ〜１２５０ｎｍ
以上の広範囲な波長可変光源が実現できる。ナノ秒光パ
ルスを励起光として用いても、本発明の時間分解能は数
ｐｓ以下となる。ピコ秒光源を用いれば、１０ｆｓ以下
の時間分解能も可能となる光学応答速度測定法およびそ
の測定器が実現できる。光パラメトリック変換器の出力
光を、広帯域な光増幅器に入射して光増幅する場合に
は、さらに高速で可変波長の広い光学応答測定器が得ら
れる。このようにして、４００ｎｍ〜３０００ｎｍの範
囲で数ｐｓ〜数１０ｆｓの時間分解能が得られる。

【００１９】前記の広範な波長可変領域と細い時間分解
能は、光パラメトリック変換器（光パラメトリック発振
器（ＯＰＯ）、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）、光
パラメトリック蛍光発生器（ＯＰＦ））とインコヒーレ
ント分光の手法を同時に用いることによって実現でき
る。例えば、光パラメトリック発振器を考えると、励起
光の角周波数をω₃ 、光パラメトリック効果によって発
生するシグナル光の角周波数をω₁ 、アイドラ光の角周
波数をω₂ とすると、ω₃ ＝ω₁ ＋ω₂ が成立してい
る。このとき、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ ）のよ
うな負の一軸性結晶では、

【００２０】

【数１】

【００２１】が満たされる。ただし、ｅ，ｏはそれぞれ
異常光線、常光線を表し、ｎ₃ は励起光の屈折率、ｎ₂
はアイドラ光の屈折率、ｎ₁ はシグナル光の屈折率を表
す。また、このときの利得幅δωは、

【００２２】

【数２】

【００２３】で表される。ここで、Ｌは結晶長、ｃは光
速である。結晶内での光の位相変化φは、光の伝搬定数
をｋとして、φ＝ｋｎＬと表せる。このとき群遅延時間
τ_g は、

【００２４】

【数３】

【００２５】となる。従って（２），（３）より

【００２６】

【数４】 δω＝２π／｜τ_1g−τ_2g｜ （４） が得られる。

【００２７】

【外１】

【００２８】

【数５】

【００２９】が得られる。

【００３０】

【外２】

【００３１】および位相整合角θにおける屈折率ｎ
（θ）とｎ_o 、ｎ_e の関係式のλ微分と、（３）式から
求められる。セルマイヤ方程式とそのλ微分をそれぞれ
次の（６），（７）式に、屈折率の関係式とそのλ微分
を、同じく（８），（９）式にそれぞれ示す。

【００３２】

【数６】

【００３３】例えば、ＢＢＯ（β−ＢａＢ₂ Ｏ₄ ）を用
いて、Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザの第３高調波（３５５ｎ
ｍ）励起を行うと、４８８ｎｍ付近の波長でシグナル光
を得るには、位相整合角θがおよそ３０°となる。この
ときシグナル光、アイドラ光間の群遅延時間差は（３）
および（６）〜（９）式を用いて算出でき、２１５ｆｓ
／ｍｍが得られる。ＢＢＯ結晶の長さを１２ｍｍとする
とδν＝４ＴＨｚという大きな値になる。この値は、イ
ンコヒーレント分光の手法を用いた場合、２００ｆｓ程
度の時間分解能が得られることを意味する。

【００３４】光学応答時間を測定するには、フォトルミ
ネッセンスの発光強度を時間分解分光して、その減衰時
間を観測したり、試料に入射するレーザ光を２ビーム、
あるいは３ビームとして、トランジェントグレーティン
グを構成し、その回折光強度の減衰時間や、ポンプ・プ
ローブ法では非線形吸収の回復時間を観測する。インコ
ヒーレント分光において、これらの減衰時間や回復時間
と、試料のエネルギー緩和時間Ｔ₁ 、位相緩和時間Ｔ₂
との間の関係は、光パルスのパルス幅ｔ_p とコヒーレン
ス時間ｔ_c 、それに、Ｔ₁ ，Ｔ₂ の大小関係と試料の励
起光波長における光学遷移のスペクトル幅が、均一か不
均一かによって決定されている。各々の実験配置による
結果と理論検討は、以下に示すような報告の中で詳しく
議論されている（Ｎ．Ｍｏｒｉｔａ，Ｔ．Ｙａｊｉｍ
ａ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ ３０，２５２５（１９８
４）；Ｎ．Ｍｏｒｉｔａ，Ｔ．Ｔｏｋｉｚａｋｉ，ａｎ
ｄ Ｔ．Ｙａｊｉｍａ，Ｊ，Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ
４， １２６９（１９８７）：Ａ．Ｗ．Ｗｅｉｎｅ
ｒ，Ｓ．Ｄｅ Ｓｉｌｖｅｓｔｒｉ，ａｎｄ Ｅ．Ｐ．
Ｉｐｐｅｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ ２，６５
４（１９８５））。

【００３５】本発明によって、光パラメトリック変換器
の出力光をインコヒーレント光として用い、光カーシャ
ッタ系および２波長非縮退ポンプ・プローブ系を構成
し、前述のように極めて広い波長可変域において、高速
の応答時間測定器が実現できた。また、光パラメトリッ
ク変換器出力光のスペクトル幅と同程度の利得幅を有す
る光増幅器に、この光パラメトリック変換器出力光を入
射すると、インコヒーレント分光の時間分解能を損なう
ことなく、応答時間測定器の測定感度が改善できる。

【００３６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００３７】［実施例１］図１に本発明の光学応答時間
測定器の実施例として、空間配置の光カーシャッタ系の
概略構成をブロック図で示す。用いるレーザには、Ｑス
イッチＮｄ³⁺：ＹＡＧレーザ（Ｑ−ＹＡＧ）をはじめ、
高出力モード同期Ｎｄ³⁺：ＹＡＧレーザ（ＭＬ−ＹＡ
Ｇ）やＡｒレーザの他、パルス光出力を増幅すれば、チ
タンサファイヤレーザ（Ｔｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、衝突パル
スモード同期色素レーザ（ＣＰＭ）等も考えられる。こ
こでは、数ＭＷ以上のピークパワーが確保されているも
のと考え、最も保守作業が簡便なＱ−ＹＡＧを使用する
例を示すこととする。勿論ここにあげたレーザをはじ
め、波長変換が可能な出力を有するレーザであれば、以
下に示すことは同様に実現可能である。使用したＱ−Ｙ
ＡＧレーザはパルスエネルギーが６００ｍＪ、パルス幅
が１５ｎｓ、繰り返し周波数は１０Ｈｚである。レーザ
１の出力光（基本波）をまずＣＤ^* Ａ等の非線形光学結
晶を用いた第２高調波発生器（ＳＨＧ）２に入射する。
Ｑ−ＹＡＧのＳＨ波のパルスエネルギーは１４０ｍＪ、
パルス幅は１２ｎｓ程度である。出力される第２高調波
（ＳＨ波）と該基本波の透過光をＫＤ^* Ｐ等の非線形光
学結晶を用いた第３高調波発生器（ＴＨＧ）３に入射
し、和周波発生により第３高調波（ＴＨ波）を得る。Ｑ
−ＹＡＧのＴＨ波のパルスエネルギーは９０ｍＪ、パル
ス幅は１０ｎｓ程度である。得られたＴＨ波のみを、Ｂ
ＢＯ等の非線形光学結晶を用いた光パラメトリック発振
器（ＯＰＯ）４に入射し、シグナル光、アイドラ光をＯ
ＰＯ出力の光子対として得る。シグナル光、アイドラ光
の出力の和は１５ｍＪ、パルス幅は８ｎｓ程度である。
ここではＯＰＯの発振波長可変域を可視域から近赤外域
と広くとり、角度位相整合を用いた波長設定がよりしや
すいＴＨ波の使用について記述するが、ＳＨ波や４倍
波、５倍波を用いても支障はない。該ＯＰＯ出力の光子
対は波長フィルタ５で一方を選択し、プリズム（ｐ）あ
るいは４５°入射全反射ミラー（Ｍ）６，７で全反射さ
れ、光カーシャッタの系８に入射する。ここでは、２ビ
ーム空間配置型の系を示しており、２ビームＡ，Ｂの偏
光方向の違いは４５°である。この場合、シグナル光、
アイドラ光のどちらかを用いるかで最適なものを選択
し、１波長のみが縮退４光波混合系８に入射するように
する。波長フィルタの代わりに分散プリズム等の波長選
択機能を有する光学部品を用いてもよい。ＯＰＯ出力は
ビームスプリッタ（ＢＳ）９、によって２ビームＡ，Ｂ
に分割され、それぞれ４５°入射全反射ミラー１０〜１
２あるいはコーナーリフレクタ（ＣＲ）１３，１４で反
射され、半波長板１５，１６、偏光子１７，１８をとお
り、レンズ（Ｌ）１９で試料２０に集光される。コーナ
ーリフレクタは用いる時間分解能により、プリズムでも
よい。半波長板、偏光子は、光路の違いによる分散変化
の影響を極力避けるためにＡ，Ｂ双方の光路に挿入する
のが望ましい。波長可変域を広くとるには、半波長板に
フレネルロムを採用する。ここでビームＡとビームＢの
偏光は、図１の○中に示したように、互いに４５°傾い
ている。ビームＡをプローブ光、Ｂをゲート光とする
と、試料２０を通過後のプローブ光は、通過前の偏光方
向と直交する偏光成分のみが検光子２１によって切り出
され、光電子増倍管（ＰＭＴ）に代表される受光器２２
で検出される。分光器２３は迷光を除去し、信号のＳ／
Ｎを向上させるが、雑音成分がほとんど無視できるよう
な場合には、無くてもよい。コーナーリフレクタ１４は
パルスステージ（ＰＳ）２４による位置制御が行われ、
ゲート光に対するプローブ光の遅延時間τ_d を調整して
いる。該分光器２３に試料通過後のプローブ光、つまり
シグナル光Ｓを入射するためには、レンズ２５を用い
る。光電子増倍管２２の出力は、ボックスカー積分器
（ＢＣＩ）２６やブロッタに入力され、Ｓの強度変化を
記録する。該ボックスカー積分器２６やパルスステージ
２４は、計算機２７で制御される。ここで、ＯＰＯ出力
は上述したようにインコヒーレント光として利用してい
るので、ピコ、サブピコ秒の応答時間測定が簡単に実行
できる。

【００３８】図２に本発明の手法を用いた場合のＣＳ₂
の光カーシャッタ出力の波形を示す。横軸にプローブ光
の遅延時間をとると、被測定物質の応答速度が得られ
る。図３に応答時間の測定結果を示す。横軸にプローブ
光（光路Ａ）の遅延時間、縦軸にシグナル光強度をプロ
ットした。図２では励起光波形が反映されたナノ秒の出
力パルス波形が観測されているが、パルスステージ２４
を動かしながらシグナル光Ｓの強度変化を測定すると、
図３に示したようにＯＰＯインコヒーレントパルスの相
関波形が得られる。パルスの相関波形の裾には、試料の
電子効果や分子の配向緩和に由来する応答が重なり、τ
_d に依存しないバックグラウンドの上に重畳される。図
３ではピコ秒オーダーの応答が見られるが、これはパル
スの相関波形が支配的なためであり、試料の応答波形は
明確でない。この理由は４９０ｎｍと短波長側での測定
であるため、ＯＰＯの利得幅が狭く、時間分解能がピコ
秒オーダーとなるためである。図４に本実施例に用いた
ＢＢＯ−ＯＰＯの利得幅の波長依存性を示す。アイドラ
光については対応するシグナル光と同じであるので省略
した。この図からも明らかであるが、６００ｎｍ近傍で
同様の実験を行うと、試料のサブピコ秒対応は簡単に得
られる。

【００３９】図４に示したスペクトル幅δλは、４８８
ｎｍで０．３ｎｍ程度であり、δν＝０．４ＴＨｚとな
る。この値は上述の応答速度測定の時間分解能の値と一
致しているが、「作用」の項で述べたδνの計算値より
１桁小さい。この原因は、ＯＰＯの共振器ミラーの反射
率で決まる光子寿命によって、時間分解能が決定される
ためである。このように光が光共振器中を数往復する
と、バンド幅が狭くなるので、共振器構造を廃し、進行
波型にする場合は、当然のことながら上述の結果より、
時間分解能は短かくなる。時間分解能と光パラメトリッ
ク変換光の出力パワーとの間では、トレードオフの関係
が成立するため、共振器を組むか、進行波型にするか
は、試料や測定器に課せられた条件を満たすように、選
択すればよい。

【００４０】インコヒーレント光源の増幅には、前述の
ように広い利得帯域が必要なため、光パラメトリック増
幅器か、チタンサファイヤ（Ｔｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ ）を代表
とする広波長帯域固体増幅器が利用できる。これら光増
幅器の挿入箇所は、ＯＰＯ出力光が光カーシャッタ系８
に入射する直前である。

【００４１】［実施例２］図５には、ゲート光とプロー
ブ光が共軸配置された光カーシャッタ系を示す。用いた
光学部品は、図１に示した実施例１の場合と同一であ
る。実施例１では、非線形光学媒質と光との相互作用長
は、入射光強度や入射光のなす角度によっても異なる
が、高々数ｍｍである。実施例２では、この相互作用長
が実施例１よりも長くとれるので、Ｓ／Ｎが高くなる
他、非線形性の小さいものでも、キャピラリーや導波
路、ファイバの形態を採用することによって、応答速度
が測定できる。光源部分は、基本的に実施例１と同様で
あるが、この系では、ＯＰＯの縮退点近傍の２波長の光
（シグナル光、アイドラ光）を使用する。波長分離が可
能でありさえすれば、同じコヒーレンスを示しながら
も、波長の異なる２つのインコヒーレント光が得られる
ので、前述の時間分解能を有する光カーシャッタが得ら
れる。当然のことながら、実施例１においても、ゲート
光、プローブ光にシグナル光、アイドラ光のどちらかを
割り当てて実験系を組み立てれば、同様な結果を得るこ
とができる。

【００４２】図５の糸では、図１と同様にレーザ１、第
２高調波発生器２、第３高調波発生器３、光パラメトリ
ッタ発振器４を用いているが、ＯＰＯ出力のシグナル
光、アイドラ光を、ゲート光、プローブ光のどちらかに
割り当てて、波長分離用のダイクロイックミラー２８で
分離して光カーシャッタの糸３０に入射する。実施例１
と同様、分離された光はミラー９〜１２，３３あるいは
コーナーリフレクタ１３，１４で反射させ、双方ともに
偏光操作を行う。さらに波長分散の差を極力抑制するた
め、半波長板１５，１６、偏光子１７，１８を透過させ
る。ゲート光に対するプローブ光の遅延時間τ_d は、コ
ーナーリフレクタ（ＣＲ）１４の位置をパルスステージ
（ＰＳ）２４と計算機２７によって制御することによっ
て調節する。図５では、ゲート光に対しても同様な配置
とした。ゲート光をｐ偏波もしくはｓ偏波とする。プロ
ーブ光の偏光をゲート光の偏光から４５°回転させ、波
長合波用のダイクロイックミラー３２にゲート光ととも
に入射する。出射光（プローブ光は透過、ゲート光は反
射）はレンズ１９で試料２０に集光させる。試料を通過
した光は、波長分離用のフィルタあるいはダイクロイッ
クミラー３１に入射し、検光子２１を透過する。ここで
は必ずゲート光の除去が不可欠であるので、試料の直後
に波長フィルタやダイクロイックミラー３１が配置され
ている。３１は検光子２１の後に置いてもよい。検光子
２１の偏光方向は、試料入射前のプローブ光の偏光に対
し直交するものとする。ダイクロイックミラー３１によ
って試料透過後のゲート光は反射される。ゲート光の強
度によって偏光回転が施された試料透過後のプローブ光
は、検光子２１の偏光成分のみが切り出されてレンズ２
５を通って分光器２３に入射され、光電子増倍管２２で
検出される。Ｓ／Ｎが充分とれる場合には、分光器は必
要ない。光電子増倍管２２の出力は、ボックスカー積分
器（ＢＣＩ）２６やブロッタに入力され、Ｓの強度変化
を記録する。該ボックスカー積分器２６やパルスステー
ジ２４は、計算機２７で制御されるこれによって例え
ば、Ｑ−ＹＡＧのＴＨ波に対してはシグナル光が６７４
ｎｍ、アイドラ光が７５０ｎｍ、ＳＨ波に対してはシグ
ナル光１．０μｍ、アイドラ光１．１４μｍ近傍の任意
の波長で位相整合させると、サブピコ秒以下の時間分解
能が得られ、実施例１で示した応答より高速の時間分解
分光が可能になる。

【００４３】ＯＰＯインコヒーレント光源の増幅には、
前述のように広い利得帯域が必要かつ２波長増幅が必要
なため、光パラメトリック増幅器を利用する。この光増
幅器の挿入箇所は、ＯＰＯ出力光が光カーシャッタ系に
入射する直前であり、通常入力光はポンプ光（ここでは
Ｑ−ＹＡＧのＴＨ波かあるいはＳＨ波）とシグナル光か
あるいはアイドラ光のどちらかである。

【００４４】［実施例３］実施例１，２では光カーシャ
ッタを用いた応答測定器の構成例について述べた。ここ
ではポンプ・プローブ法を用いた共鳴型非線形光学材料
のキャリヤ寿命の測定法に関する、光学応答測定器の構
成について述べる。基本的には実施例１，２とほとんど
変わらない構成である。光学部品に付された符号は図１
および図５に共通している。特願平４−２４０２７０
（特願平６−９４５７１）でも述べたように、一方の光
路に時間遅延を設けた２ビームのＯＰＯインコヒーレン
ト法でキャリヤ寿命が測定できる。図６に示すキャリヤ
寿命測定器は、図１と同様にレーザ１、第２高調波発生
器２、第３高調波発生器３、光パラメトリック発振器４
を用いているが、波長フィルタ５は省かれている。ここ
で光パラメトリック変換器４の出力光、つまり、波長が
異なるシグナル光とアイドラ光のどちらかを上述した２
ビームの各々、即ちポンプ光かプローブ光に割り当て
る。シグナル光、アイドラ光の分離には、ダイクロイッ
クミラー２８が用いられる。ダイクロイックミラーの替
わりにプリズム、回折格子を用いてもよい。このように
して分離された２ビームは、ダイクロイックミラー２
８、折り返しのミラー２９（プリズムでもよい）によっ
て、ポンプ・プローブ実験系３０に導入される。導入さ
れた２ビームはミラー９〜１２、あるいはコーナーリフ
レクタ１３，１４で反射させレンズ１９で試料２０に集
光させる。キャリヤ寿命、即ちエネルギー緩和時間Ｔ₁
は、透過率変化ΔＴの回復時間から得られる。透過光強
度を測定するので、ポンプ光非入射時の背景透過率Ｔ₀
の上に、ポンプ光入射時のプローブ光透過率変化ΔＴ
が、インコヒーレント分光のバックグラウンド信号とと
もに重畳される。Ｓ／Ｎに作用するこのポンプ光の除去
にはポンプ光の除去には、ダイクロイックミラー３１が
用いられているが、この他にも、波長フィルタ、反射ミ
ラー、ピンホール、スリット等が使用できる。２ビーム
を試料２０に集光させるには、凹面鏡による反射を利用
してもよい。試料２０へ２ビームを集光させるには、図
６に示したようなレンズ１９を用いるが、レンズを用い
る代わりに、凹面鏡による反射光を利用することも可能
である。試料２０を通過後のプローブ光、つまりシグナ
ル光は分光器２３に入射され、光電子増倍管２２で検出
される。光電子増倍管２２の出力は、ボックスカー積分
器（ＢＣＩ）２６やブロッタに入力され、Ｓの強度変化
を記録する。該ボックスカー積分器２６やパルスステー
ジ２４は、計算機２７で制御される。

【００４５】前述のように、光パラメトリック変換を利
用することによって得られるインコヒーレント光を２分
して、ポンプ・プローブ法の光源に利用すると、Ｔ₁ が
測定できる。Ｑスイッチ・モードロックＹＡＧレーザ
（Ｑ−ＭＬ−ＹＡＧ）を用いて富田らがはじめて示した
手法がこれである（Ｍ．Ｔｏｍｉｔａ，Ｍ．Ｍａｔｓｕ
ｏｋａ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ ３，５６０
（１９８６））。また、ポンプ光にコヒーレントなレー
ザパルスを用い、時間遅延を設けるプローブ光にスペク
トル幅の広い光パラメトリック変換光出力を用いる場
合、プローブ光の試料通過後の強度を測定することによ
って、時間分解スペクトルが測定できる。この場合、広
いスペクトル幅をもつプローブ光の試料透過光を測定で
きるので、広い波長領域にわたるキャリヤ緩和過程のプ
ローブ光遅延時間依存性が一望できる。例えば、Ｔｉ：
Ａｌ₂ Ｏ₃ レーザのピコ秒、フェムト秒パルス光をＴ
ｉ：Ａｌ₂Ｏ₃ 増幅器で増幅し、この増幅後の出力光を
２分する。一方をポンプ光とし、他方は第２高調波発生
器に入射し、得られるＳＨ波で、光パラメトリック変換
を行う。この光パラメトリック変換光をプローブ光とす
ると、時間分解スペクトルが観測可能になり、広い波長
範囲におよぶキャリヤ緩和過程が一望できることにな
る。

【００４６】［実施例４］図７には、ポンプ光とプロー
ブ光が共軸配置されたキャリア寿命測定系を示す。用い
た光学部品は図１，図５および図６と共通である。光源
部分は、基本的に図６に示す構成と同様である。すなわ
ち、分離された光はミラー９〜１２，３３あるいはコー
ナーリフレクタ１３，１４で反射させ、この系では、Ｏ
ＰＯの縮退点近傍の２波長の光（シグナル光、アイドラ
光）を使用する。波長分離が可能でありさえすれば、同
じコヒーレンスを示しながらも、波長の異なる２つのイ
ンコヒーレント光が得られるので、前述の時間分解能を
有するポンプ・プローブ系が得られる。

【００４７】ＯＰＯ出力のシグナル光、アイドラ光を、
ポンプ光、プローブ光のどちらかに割り当てて、波長分
離用のダイクロイックミラー２８で分離する。分離され
た２ビームはダイクロイックミラー２８と折り返しのミ
ラー２９でポンプ・プローブ実験系３０に導入される。
分離された光はミラー９〜１２，３３あるいはコーナー
リフレクタ１３，１４で反射させ、プローブ光の偏光を
偏光子１６によりポンプ光の偏光から４５°回転させ、
波長合波用のダイクロイックミラー３２にポンプ光とと
もに入射する。ポンプ光に対するプローブ光の遅延時間
τ_d は、コーナーリフレクタ（ＣＲ）１４の位置をパル
スステージ（ＰＳ）２４と計算機２７によって制御する
ことによって調節する。出射光（プローブ光は透過、ポ
ンプ光は反射）はレンズ１９で試料２０に集光させる。
実施例３でも述べたように、２ビームの集光には、レン
ズの代わりに凹面鏡を用いることができる。試料２０を
透過した光は、再び波長分離用のフィルタあるいはダイ
クロイックミラー３１に入射する。必要に応じて３１は
複数にしてもよい。ダイクロイックミラー３１によって
試料透過後のポンプ光は反射される。ポンプ光の除去は
ダイクロイックミラー３１が用いられているが、この他
にも波長フィルタ、反射ミラー、ピンホール、スリット
等が使用できる。ポンプ光の強度によって透過率変化が
起こる試料透過後のプローブ光はレンズ２５で分光器２
３に入射され、光電子増倍管２２で検出される。ちなみ
にＳ／Ｎが充分とれる場合には、分光器は必要ない。光
電子増倍管２２の出力は、ボックスカー積分器（ＢＣ
Ｉ）２６やブロッタに入力され、Ｓの強度変化を記録す
る。該ボックスカー積分器２６やパルスステージ２４
は、計算機２７で制御される。

【００４８】使用波長に関しては、実施例３とまったく
同様にすればよい。ＯＰＯインコヒーレント光の増幅に
関しても実施例３と同じである。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光パ
ラメトリック発振器、光パラメトリック増幅器あるいは
光パラメトリック蛍光発生器のうち、少なくともいずれ
か１つを含む、光パラメトリック変換器からの出力光を
光源として用いることによって４５０ｎｍから１７００
ｎｍにもわたる広い波長範囲で、光カーシャッタやポン
プ・プローブ法を用いて、光学応答時間の測定ができる
ようになった。しかも、ナノ秒レーザを励起光源として
用いても、１２ｍｍ程度のＢＢＯ結晶を用いるだけで、
時間分解能が、ピコ秒からサブピコ秒以下と非常に短い
ものが実現できる。さらに結晶長を短くしたり、共振器
構造をやめて、進行波タイプにすれば、さらに高速な現
象の応答時間が測定できる。このように簡便で、広い波
長領域の光が連続的に使用でき、時間分解能が充分短い
光学応答時間測定器は、これまでに例がない。また、最
近では高出力でパルス幅の短いパルスレーザが精力的に
開発されており、チタンサファイヤレーザ（Ｔｉ：Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）のようなフェムト秒レーザまでが実用化される
に至っている。特にＴｉ：Ａｌ₂ Ｏ₃ はＳＨ波でＯＰＯ
が可能であるばかりでなく、パルス幅が短いため、わず
かな増幅で高いピークパワーが得られ、時間分解能の飛
躍的な向上が可能である。今後、本発明は高速光現象の
解明や高速光現象を利用した様々な応用分野において、
大きな貢献を果たすものと期待される。

【００５０】特に、Ｈ．Ｍ．Ｇｉｂｂｓらによって提案
された光双安定デバイス（Ｈ．Ｍ．Ｇｉｂｂｓ，Ｇ．
Ｒ．Ｏｌｂｒｉｇｈｔ．Ｎ．Ｐｅｙｇｈａｎｂａｒｉａ
ｎ．Ｈ．Ｅ．Ｓｃｈｍｉｄｔ，Ｓ．Ｗ．Ｋｏｃｈ，ａｎ
ｄ Ｈ．Ｈａｕｇ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ ３２，６９
２（１９８５））、光カー（Ｋｅｒｒ）効果を利用した
高速光スイッチ、位相共役波を利用した光学像の歪補正
（Ｒ．Ｋ．Ｊａｉｎ ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｌｉｎｄ，Ｊ．
Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．７３，６４７（１９８３））、
可飽和吸収特性を利用した超短光パルスの生成、光のス
クイージングによる量子雑音の抑圧（Ｒ．Ｅ．Ｓｌｕｓ
ｈｅｒ，Ｌ．Ｗ．Ｈｏｌｌｂｅｒｇ，Ｂ．Ｙｕｒｋｅ，
Ｊ．Ｃ．Ｍｅｒｔｚ，ａｎｄ Ｊ．Ｆ．Ｖａｌｌｅｙ，
Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．５５，２４０９（１９８
５））等をはじめとする、非線形光学、量子光学の応用
上不可欠な、高速で、かつ大きな非線形光学効果をもた
らす材料や、Ｅ−Ｏサンプリング材料等の探索には、試
料の光学応答速度を測定することが重要であるため、サ
ブピコ秒程度の高速な応答時間が、可視域から近赤外域
までの広い波長範囲にわたって１つの測定系だけを用い
て連続的に測定できることが切望されている。これに
は、極短光パルスレーザ光が簡便に利用できればよいわ
けであるが、実際には、極短光パルスの発生、応用に
は、かなり熟練した技術者の多大なる時間と労力が要求
されることになる。本発明によればほとんどメンテナン
スフリーであるＱスイッチ（ナノ秒）レーザ光であって
も、ピコ秒程度からサブピコ秒程度、さらにはフェムト
秒領域にまで及ぶ高速の応答時間が、可視域から近赤外
域までの広い波長範囲にわたって１つの測定系だけを用
いて連続的に測定できることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のＯＰＯインコヒーレント光
を用いた光学応答時間測定器の概略構成を示すブロック
図である。

【図２】ＯＰＯインコヒーレント分光による、ＣＳ₂ 光
カーシャッタの出力波形の測定例を示す図であり、
（ａ）はゲート光がオン（ＯＮ）、（ｂ）はゲート光が
オフ（ＯＦＦ）の場合に対応する。

【図３】図２に示したＯＰＯインコヒーレント分光によ
る、ＣＳ₂ 光カーシャッタ出力のプローブ光遅延時間依
存性を示す図である。

【図４】ＢＢＯ−ＯＰＯのシグナル光のスペクトル幅測
定例を示す図である。

【図５】本発明の実施例２のＯＰＯインコヒーレント光
源を用いた共軸配置型光カーシャッタの概略構成を示す
ブロック図である。

【図６】本発明の実施例３のＯＰＯインコヒーレント光
源から得られる２波長の光（シグナル光とアイドラ光）
を利用したポンプ・プローブ実験系の概略構成を示すブ
ロック図である。

【図７】本発明の実施例４のＯＰＯインコヒーレント光
源から得られるシグナル光、アイドラ光を用いた共軸配
置型のポンプ・プローブ系の概略構成を示すブロック図
である。

【符号の説明】

１ レーザ（Ｑ−ＹＡＧ） ２ 第２高調波発生器（ＳＨＧ） ３ 第３高調波発生器（ＴＨＧ） ４ 光パラメトリック発振器（ＯＰＯ） ５ 波長フィルタ（光強度可変減衰器を含む） ６，７，１０〜１２ ４５°入射全反射ミラー ８ 光カーシャッタ系 ９ ビームスプリッタ（ＢＳ） １３，１４ コーナーリフレクタ（ＣＲ） １５，１６ 半波長板 １７，１８ 偏光子 １９，２５ レンズ ２０ 試料 ２１ 検光子（１８と直交偏光系となる偏光子） ２２ 光電子増倍管（ＰＭＴ） ２３ 分光器 ２４ パルスステージ（ＰＳ） ２６ ボックスカー積分器（あるいはプロッタ） ２７ 計算機 Ａ，Ｂ 光ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 戒能 俊邦 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 石田 祐三 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平６−94571（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非線形屈折率効果を有する光学媒質を互
   いに偏光軸が直交するように配置された２枚の偏向子で
   はさみ、該光学媒質の非線形屈折率効果を測定する光学
   応答測定器において、光パラメトリック発振器、光パラ
   メトリック増幅器あるいは光パラメトリック蛍光発生器
   のうち、少なくともいずれか１つを含む、光パラメトリ
   ック変換器からの出力光を光源として用いることを特徴
   とする光学応答測定器。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光学応答測定器におい
   て、前記光パラメトリック変換器の出力光を分離する手
   段を備え、出力光をシグナル光、アイドラ光に分離し、
   いずれか一方の光だけを使用するようにしたことを特徴
   とする光学応答測定器。
3. 【請求項３】 請求項１に記載の光学応答測定器におい
   て、前記光パラメトリック変換器の出力光を分離する手
   段を備え、シグナル光、アイドラ光に分離し、双方の光
   を共軸配置にして使用することを特徴とする光学応答測
   定器。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか一つに記載の光
   学応答測定器において、前記光パラメトリック変換器の
   出力光を、分離または合波する手段として、ダイクロイ
   ックミラーを備えたことを特徴とする光学応答測定器。
5. 【請求項５】 請求項２に記載の光学応答測定器におい
   て、前記光パラメトリック変換器の出力光を分離する手
   段は、波長フィルタであることを特徴とする光学応答測
   定器。
6. 【請求項６】 光パラメトリック発振器、光パラメトリ
   ック増幅器あるいは光パラメトリック蛍光発生器のう
   ち、少なくともいずれか１つを含む、光パラメトリック
   変換器からの出力光を光源として用い、非線形吸収効果
   を有する光学媒質に、複数の光ビームを入射し、少なく
   とも１つの光ビームの遅延時間を調節することにより該
   光学媒質の非線形吸収効果を測定する光学応答測定器に
   おいて、前記光パラメトリック変換器の出力光を分離す
   る手段を備え、出力光をシグナル光、アイドラ光に分離
   し、一方を光強度の強いポンプ光（励起光）として用
   い、他方を該ポンプ光に対する遅延時間を調節するプロ
   ーブ光として用いることを特徴とする光学応答測定器。
7. 【請求項７】 光パラメトリック発振器、光パラメトリ
   ック増幅器あるいは光パラメトリック蛍光発生器のう
   ち、少なくともいずれか１つを含む、光パラメトリック
   変換器からの出力光を光源として用い、非線形吸収効果
   を有する光学媒質に、複数の光ビームを入射し、少なく
   とも１つの光ビームの遅延時間を調節することにより該
   光学媒質の非線形吸収効果を測定する光学応答測定器に
   おいて、前記光パラメトリック変換器の出力光を分離す
   る手段を備え、出力光をシグナル光、アイドラ光に分離
   し、双方の光を共軸配置にして使用することを特徴とす
   る光学応答測定器。