JP3688841B2 - レーザパルス比較方法、高速レーザー走査方法、高速走査レーザー装置、短パルスレーザー装置、距離計測装置、電気光学サンプリング・オシロスコープ、短パルスレーザー安定制御方法および較正時間スケール発生装置 - Google Patents
レーザパルス比較方法、高速レーザー走査方法、高速走査レーザー装置、短パルスレーザー装置、距離計測装置、電気光学サンプリング・オシロスコープ、短パルスレーザー安定制御方法および較正時間スケール発生装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短パルス幅レーザーの技術分野に属し、特に極小（すなわちミクロンスケール）の機械的な動作を実行するための装置および方法の技術分野に属する。本発明はまた、高精度（すなわちサブピコ秒）のタイミング較正に使用できる方法に関し、同方法は前述の時間的走査方法に対しても在来の時間的走査方法に対しても適用可能である。分けても本発明は、コリレーターやレンジング、三次元イメージング、コンターリング、トモグラフィーおよび光学時間領域レフレクトメトリー（ＯＴＤＲ）を含む他の形式のポンプ・プローブデバイスにおいて、機械的な走査遅延アームの必要性をなくする。
【０００２】
【従来の技術】
超高速レーザーオッシレータは、今のところ、反復率が５ＭＨｚから１ＧＨｚ程度までの範囲で、ナノジュールレベルのパルスエネルギーで１０ｆｓ（フェムト秒）のオーダーのパルス幅（のレーザー）を発生する能力があると知られている。この様な短パルスは、タイムゲーティングや度量衡学を含む多くの応用に使用されている。このような短光パルスの応用の多くにおいては、光パルスのワンセットが他の光パルスのワンセットに対して遅れていることが必要である。ここにおいては、時間遅れは非常に高精度であることが必要であり、例えば１０ｆｓのオーダーの精度であることが必要である。短パルスの時間遅れは、生物学的または医学的なイメージングや、高速光検出および光サンプリング、光時間領域反射率計、並びに度量衡学などの応用で、多く使用されている。光パルスの遅延および走査（スキャニング）のための通常の方法は、光パルスを鏡から反射すると共に、この鏡を何らかの機械的な手段で物理的に距離Ｄだけ動かすことである。距離Ｄは、遅延時間ΔＴと、真空中では３．０×１０8 ｍ／ｓの光速との積で定義される。すなわち、
Ｄ＝ｃ／２×ΔＴ または Ｄ（ｃｍ）＝１５×ΔＴ（ｎｓ）
この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことにする。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パルスの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指すものとする。鏡の精密な位置決めおよび走査のために、すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば以下のようなものがある。
・ボイスコイル型デバイス（シェーカー）（ R. F. Fork and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978)）。
・回転鏡対（ Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Comm., 36, 406(1981)）
・ステップモーターを採用しているリニアートランスレーター（多くのベンダーから商品化されている）
・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレーター（ D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Scheuermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990)）可調整群遅延（アジャスタブル・グループ・ディレイ）を使用している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなものがある。
・走査ガルバノメーターを採用しているフェムト秒パルスシェーパー（ＦＰＳ）（ K. F. Kwong, D. Yankelevich, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes; "400-Hz mechanical scanning optical delay line" Opt. Lett. 18, (7) 558(1993)（以下 Kwong et al.と略記）；K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A. Denes, Conference on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest Series, Vol.8, 1994, paper CThI23.）
・回転ガラスブロック
物理的遅延方法には数々の短所をがあるが、その最たるものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしまうことである。例えば、１０ｎｓ（ナノ秒）の遅延を得るためには、５フィートの鏡の移動が必要である。その他にもまた、物理的な制約や短所がある。長い遅延が使用されているときには、ミスアラインメントやピント外れは、計測を歪ませる。コーナーキューブ反射器を使用すると、ミスアラインメントの問題は軽減されるが、ピント外れの問題は軽減されない。このピント外れの影響は、走査振幅が光ビームの共焦点パラメーターのかなりの部分に相当する時に起きやすい。１０ｎｓの時間遅れは、１０フィート（約３ｍ）の自由空間での伝搬を必要とする。それゆえ、ピント外れの影響を最小限に抑えるためには、共焦点パラメーター（ＺR ）はおおよそこの値（１０フィート）の１０倍、すなわちＺR ＝３０ｍでなくてはならない。このため、１５５０ｎｍの波長では１２ｍｍのビーム半径（ｗo ）が要求される。これでは多くの場合に非現実的に大きいものになってしまう。
【０００３】
鏡を大きく移動させることの必要性は、遅延線を何度も通過すること（マルチパッシング）により、低減される。（例えば、遅延線のダブルパッシングによれば、必要とされる鏡の移動距離を半減させることができる。）しかしながら、これによっては、ピント外れの問題は軽減されない。マルチパッシングでは、アラインメント作業がより複雑になり、光学的な損失が増えるといった独自の問題が生じてしまう。
【０００４】
しかし、走査率（スキャニングレート）および走査周波数に関する別の制限は、同時に解決することができる。進行中の計測の「リアルタイム」ディスプレイを得るために、素早く（３０Ｈｚより上で）走査する間に平均して信号を送ることが、多くの場合望ましい。それでも、このように高い走査周波数では、走査範囲は限られてしまう。これまでに達成された走査範囲の最高記録は、走査ＦＰＳ法（ Kwong et al. ）を用い、１００Ｈｚのレート（走査率）で１００ｐｓ（ピコ秒）である。走査範囲およびまたは走査周波数をこれ以上いくらかでも増加させると、高レベルの振動が発生してしまい、レーザーの作動が成り立たなくなってしまう可能性がある。回転しているガラスブロックは、この振動問題を防ぎ、より高い走査速度を出す能力を持っているが、走査範囲を全く調整することができない。さらに、これら（回転ガラスブロック）は、群速度の分散の変動をもたらすので、１００ｆｓ未満の幅のパルスに使用するのは不適当である。
【０００５】
物理的遅延に加えて、機械的な動きを全く必要としない時間的な走査方法が導入されている。例えば、以下のようなものがある。
・自由走査レーザー（ A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bloom, Rev.Sci, Instrum. 63,3191(1992); K.S.Giboney, S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers; "Picosecond Measurements by Free-Running Electro-Optic Sampling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.1994; J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-color subpocosecond optical sampling technique." Opt.Lett., 17, pp.1286-9, Sept.15, 1992（以下 Kafka et al.と略称）; M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann; "Controllable dual-wavelength operation of a Femtosecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-7, Jan.15, 1995 ）。
・分散要素として音響光学デフレクター（偏向器）を採用しているステップミラー遅延線（ R.payaket, S.Hunter, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort optical pulse delay using an acousto-optic deflector." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 1995 ）。
・二つのモードロックレーザー間のＲＦ位相のねじれ（ D.E.Spence, W.E.Sleat, J.M.Evance, W.Sibbett, and J.D.Kafka; "Time synchronization measurements between two self-modelocked Ti:sapphire lasers." Opt.Comm., 101, pp.286-296, Aug.15, 1993）。
【０００６】
これらの非機械的な方法によれば、とりわけ高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーでは、レーザーの反復周期全体にわたるスパン（幅）が得られる。例えば、図１に示す公知の自由走査レーザーシステムは、互いに異なるキャビティー長を持っているマスターレーザー１０およびスレーブレーザー２０を有し、両者１０，２０は互いに異なる反復周波数ν1 およびν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波数差Δν＝ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー２０のキャビティー長を所定の長さに調整することにより所望の値に設定される。相関器（コリレーター）４０は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成する。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関する情報が得られ、データ取得電子装置５０にトリガー信号が与えられる。例えば、Kafka et al.によれば、二つの独立なモードロック・チタン：サファイア・レーザー、つまりマスターレーザー１０およびスレーブレーザー２０（それぞれの公称反復率は８０ＭＨｚ）が、（８０ＭＨｚ程度の）互いに異なる反復周波数を持つように設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おおよそ１００ｋＨｚのオフセット周波数Δνで、互いを通して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカルＲＦオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反復率が８０ＭＨｚ付近であったから、総走査範囲は約１３ｎｓであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く使用することなく、時間走査が達成された。タイミングの較正は、非線形結晶（例えば相関器４０）の中へ鏡３０から反射された二つのレーザービームの相互相関により達成された。結果として得られた信号は、トリガーデータ取得ユニット５０（例えばオシロスコープ）へ送られて使用された。レーザー１０，２０からのレーザービーム出力もまた、別の鏡６０で反射され、レーザービームを使用した所望の計測や実験を行う計測装置７０により受信される。
【０００７】
この技術の最大の欠点は、次の二つの理由によりデータ取得時間が極めて長くかかることである。
１．固定された走査範囲：走査範囲が、レーザーの反復周波数（すなわちラウンドトリップタイム）の逆数に固定されている。
２．無駄時間：１３ｎｓのパルス空間の全部の代わりに、１００ｐｓだけとか１０ｐｓだけとかに関心が流れがちである。それゆえ、１０μｓ（マイクロ秒）ある走査時間のうち、ほんの１％（または０．１％）しか活用されておらず、残りの９９％（９９．９％）は「無駄時間」である。そのため、データ取得時間が１００倍とか１０００倍とかに増大する。
【０００８】
Kafka et al.は、これらの制限に言及しており、もっと高い反復率（例えばνo ＝１ＧＨｚ）のレーザーを用いればこれを部分的に回避することができると示唆している。しかしながら、たいへん多様な走査範囲が要求される多くの応用のためには、この解決策は受け入れ難い。例えば、半導体のポンププローブ計測は、しばしば多種多様な時間範囲にわたって行われる。半導体のキャリヤー（すなわち電子および正孔）の寿命は数ナノ秒のオーダーであり、１ＧＨｚのレーザーは全く受け入れることができない。なぜなら、次のパルスが届くときにも、以前のレーザパルスによる残留キャリヤーが依然として存在しているからである。それでも同時に、極端に高速なダイナミックスを見るために、もっと狭い時間スケールにズームインすることが望ましいことも、しばしばある。それゆえ、自由走査レーザー技術には、多くの応用で要求される走査範囲の選定の柔軟性が欠けている。極端に長い取得時間がかからずに広い時間的なダイナミックレンジを得るための方法は、タイミング調整を粗くも細かくもできる柔軟性を持つことである。
【０００９】
関連する研究で、レーザーが能動的にモード同期している場合にも受動的にモード同期している場合にも、あるいは受動モードロックレーザーと能動モードロックレーザーとの組み合わせの場合にも、二つのモードロックレーザーの間でタイミングを安定化させるために、数種類の方法が使用されてきた。同期化のために使用された方法は、大きく分けて（１）受動光学的方法と（２）電子的安定化との二つのタイプに分かれる。最も高い同期精度は、二つのレーザーを光学効果を介して干渉させる受動光学的方法によって達成される（ J.M.Evans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual-wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt.Lett., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993; M.R.X.de Barros and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.631-3, Apr.15, 1993; D.R.Dykaar and S.B.Darak; "Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993（以下Dykaar et al.と略称）; Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt.Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993）。これらの光学効果（例えば相互位相変調等）は、一パルス幅（１００フェムト秒未満）以下に同期される二つのレーザー間での強固なモード同期を発生させる。これらは最も正確な同期化をもたらすものの、レーザー間の時間遅れは強固に固定されている。そのため、これらの間の時間遅れを走査するためには、通常の物理的な走査遅延方法を使用せざるを得ない。
【００１０】
単純なＲＦ位相検知を使用した電子的な安定化によれば、相対的な時間遅れを調整する上で最も柔軟性が得られるが、しかし現時点ではこれらのシステムは、２〜３ピコ秒よりも良好なタイミングの正確さを維持することができない。このようなシステムは、外部の参照周波数に合わせてＴｉ：サファイア・レーザーを安定化させたり、二つのモードロックＴｉ：サファイア・レーザーの同期を取るたりするために、市販されている（スペクトラフィジックス Lok-to-Clock/TM システム）。パルス光学位相同期ループ（ＰＯＰＬＬ）を使用すれば、１００フェムト秒よりも良好な安定化が達成される。これはハイブリッド光学電子的方法であって、ディジャーリ等の文献（ S.P.Dijaili, J.S.Smith, and A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Jul.1989,以下Dijaili et al.と略称）に開示されている。同文献では、電子安定化回路が、光学的相互相関器からのタイミング誤差信号をもたらす。しかしながら、この方法は、受動的光学方法としての同じタイミング調整の同期（ロック）を被っている。タイミングの調整は、一つのパルス幅未満でのみ可能である。それゆえ、ＰＯＰＬＬ法を使用するに際して、一つのパルス幅より少しでも大きく相対パルスタイミングを変更したい場合には、一つのレーザービームの中にある種の物理的な遅延線を挿入することが必要になるであろう。
【００１１】
もしもレーザー固有のタイミングジッターが低減されるのであれば、ＲＦ法によるタイミング安定化の性能を向上させることができるであろう。二つのレーザーができる限り同一の環境条件に置かれることにより、固有のレーザージッターのある程度の低減が可能である。スティッキーパルス・レーザーは、Dykaar et al. に開示されているが、Ｔｉ：サファイア・レーザー結晶の空間的に分かれている二つの領域をポンピングするために、空間的に分割されたレーザービームを採用している。これには、二つの分割されているレーザーが、エンドミラーを除いて同じポンプレーザー、レーザー結晶、空気の空間、およびその他のキャビティー内の要素のほとんどを共有していることが不可欠である。このようにすれば、二つのレーザーは、同じ温度変動、ポンプレーザーのノイズ、および擾乱を経験するので、反復率のジッターにおける差異が最低限に抑制される。こうすれば、たとえ二つのレーザー間での光学的干渉が弱くても、複数のパルスを一緒に同期（ロック）することができる。「環境的カップリング」の一般的な原則は、モードロック・ファイバーレーザーを含む他の形式のレーザーにも適用可能である。しかしながら、Dykaar et al. の目的は二つのレーザーを一緒にロックすることであり、本発明の目的とするところでは好ましくないことに注意すべきである。なぜならば、この時間遅れは走査できないからである。すなわち、前述のスティッキーパルス・レーザーの二つのカップリングされたレーザーからのタイミングパルスは、光学的カップリングを通して一緒にロックされるものであり、独立に制御することはできないからである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、たとえば「マスター」レーザーおよび「スレーブ」レーザーのように、光学要素の大きな機械的な動きを必要とすることなく、パルス反復周期ＴR の連続していかようにも選択されるサブインターバルでの走査を可能とする、二つのモードロックレーザーの間での時間遅れを急速に走査（スキャン）するための方法および装置を提供することである。これは、二つのレーザー間での平均タイミング（位相）を連続的にモニターするための電子的フィードバック回路を使用しているが、一つのレーザー（たとえばスレーブレーザー）のキャビティー長をミクロン単位で適正に調整することにより達成される。なお、データー取得のデューティーサイクルが大きく改善されるように、反復周期のいくつかのサブインターバルにわたって、自由走査法とは異なり相対時間遅れが走査されるよう、二つのレーザーのＲＦ安定化を改造（モディファイ）することが望ましい。
【００１４】
本発明のさらにもう一つの目的は、上記走査方法および上記走査方法の結合に使用されるように、サブピコ秒の精度をもって走査時間スケールを較正する方法を提供することである。例えば、一つのレーザー（例えばマスターレーザー）からのパルスを、部分反射する光学要素のシリーズを通して別のレーザー（例えばスレーブレーザー）からの通過パルスによって得られるパルスシーケンスに対する相互相関を取る（クロスコリレートする）ために、本発明は使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の実施例は、複数の図面を参照してより詳細に以下に記述されており、これらの図面には明細書と同一の符号が付されている。
［高速走査法の原理］
本発明は、自由走査レーザーシステムと同様に、例えば図２（ａ）に示すようにほとんど同一の反復率をもつマスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１２０の二つのレーザーから構成されている。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なって、マスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１２０からのパルス出力は、互いを通して完全に走査することはできないようになっている。むしろ、波長λ１をもつマスターレーザー１１０は、一定の反復率ν1 に保持されているか、自発的にドリフトするのが容認されている一方で、スレーブレーザー１２０の反復周波数ν2 は、マスターレーザー１１０の反復率の付近を動揺（ディザー）させられている。この反復率の動揺は、例えば３０Ｈｚから１ｋＨｚまでの範囲の「高」周波でスレーブレーザー１２０のキャビティー長（Ｌ2 ）を変えることによって達成されている。その一方で、その「平均的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を含む安定器ユニット１３０により、マスターレーザー１１０の反復率に合わせて追従ないし制御されている。マスターレーザー１１０とスレーブレーザー１２０との間の平均的な時間遅れは、スレーブレーザー１２０のキャビティー長を制御する安定器ユニット１３０により、一定に保持されている。一方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、信号発生器１４０からの高速動揺信号出力は、安定器ユニット１３０からの制御電圧出力と（合算器Σで）足し合わされている。反復周波数の追従および動揺は、スレーブレーザー１２０のエンドミラーをピエゾ素子（ＰＺＴ）１２１に取付け、周波数信号発生器１４０からの必須の電圧信号を（ＰＺＴに）印加することにより、実現することができる。ＰＬＬ回路の帯域幅は動揺周波数未満であることが必要であり、さもないと、（スレーブレーザー１２０の周波数が）マスターレーザー１１０に追従しようとしてキャビティー長の走査を妨害してしまうであろう。
【００１６】
図２（ｂ）は別の実施例を示しており、この実施例ではマスターレーザー１１０もＰＺＴ１１１を装置していて、両レーザー１１０，１２０が共にＰＺＴ１１１，１２１によりそれぞれ制御されるエンドミラーを有している。この場合には、マスターレーザー１１０が走査周波数で動揺させられており、スレーブレーザー１２０はマスターレーザー１１０の「平均的」反復率を追従（トラック）している。マスターレーザー１１０のキャビティー長は信号発生器１４０により急速に動揺させられており、安定器ユニット１３０はスレーブレーザー１２０を所望の平均的時間遅れに固持している。
【００１７】
繰り返すが、ＰＬＬ回路がタイミング走査と干渉しないために、ＰＬＬ回路の帯域幅を動揺周波数が凌駕していることが必要である。
キャビティー長の走査がどう作用するかを説明する一例として、スレーブレーザー１２０のＰＺＴに対して走査周波数ｆS の矩形波を印加する。すると、キャビティー長のミスマッチは、次の数１の時間の関数で急速に変動する。
【００１８】
【数１】
ΔＬ（ｔ）＝ΔＬ0 ・Sq（ｆS ｔ）
ここで、ΔＬ0 は矩形波の移動量の振幅であり、Sq（ｘ）は矩形波関数である。これにより、走査サイクルの半分毎に正負の線形走査遅れが生じる（三角波）。安定している場合には、ΔＬだけの一定のキャビティー長のミスマッチが、次の数２のオフセット周波数を生じる。
【００１９】
【数２】
Δν＝−ｃΔＬ／（２Ｌ2 )
または書き改めて、
Δν／ν＝−ΔＬ／Ｌ
しかしながら、高速走査法においては、キャビティー長は十分に高い周波数で動揺させられるので、（両レーザーの）パルスは互いにすれ違う可能性はない。すなわち、走査周波数および振幅は、次の数３の条件を満たす。
【００２０】
【数３】
この場合には、時間変動する時間遅れＴ D (t)は、次の数４に示すように、キャビティー長のミスマッチの時間積分に比例するであろう。
【００２１】
【数４】
【００２２】
ここで、ｃは真空中の光速であり、積分期間は走査サイクルのオーダーにある。図３（ａ）は矩形波変調の例を示しており、同図では１ｋＨｚの矩形波が二つのレーザーのうち一つのＰＺＴに印加されている。図３（ａ）〜（ｃ）に示されている波形は、時間に依存しているキャビティー長のミスマッチΔＬ(t) およびその結果として生じる瞬時の時間遅れＴD(t)を、各種の動揺波形がスレーブレーザー１２０のＰＺＴに印加される際の時間の関数として示している。瞬時の反復率ν2 は、ν1 の周辺を動揺しており、相対的な時間遅れは時間に関して線形に前後に走査している。合計走査範囲は基本反復率ν1 または走査周波数ｆs に依存しており、走査範囲は次の数５に従う。
【００２３】
【数５】
Ｔmax＝（ΔＬ／２Ｌ）・（１／ｆs ）
またはオフセット周波数で表現して
Ｔmax＝（Δν／２ν）・（１／ｆs ）
走査率は、（ミリ秒／ミリ秒）の単位で次の数６により与えられる。
【００２４】
【数６】
Ｒscan＝２ΔＬν／ｃ
または
Ｒscan＝ΔＬ／Ｌ
あるいは研究室で使うのに便利な単位で、
Ｒscan＝１０9 ΔＬ／Ｌ（ｐｓ／ｍｓ）
「サンプリンググリッド」は、次の数７のラウンドトリップあたりの時間的なパルス進みから与えられる。
【００２５】
【数７】
δｔg ＝２ΔＬ／ｃ
走査速度パラメーターを、１秒あたりの空間的なパルスの進みの総計として、次の数８に示すように定義することができる。
【００２６】
【数８】
νscan＝（２ΔＬ(t)）／ＴR ＝（ΔＬ(t)）／Ｌ・ｃ
走査率、サンプリンググリッド、および走査速度の概念は、自由走査（フリー・スキャン）レーザーにもまた適用可能であることに注意されたい。
一例を挙げると、公称キャビティー長がＬ＝１．５ｍのレーザー一対により、ν1 ＝１００ＭＨｚが得られる。もしΔＬ＝１５μｍの走査振幅を仮定すると、Δν＝１ｋＨｚのオフセット周波数、Ｒscan＝１０4 ｐｓ／ｍｓ、およびδｔg ＝１００ｆｓが結果として得られる。もしキャビティー長が動揺させられないと、フルパルス・ウォークオフが１ｍｓで起こる。したがって、もし１５μｍの走査振幅が使用されると、トータル・ウォークオフを防ぐためにはｆs ＞１ｋＨｚの走査周波数が必要である。
【００２７】
表１〜３には、１０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、および１ＧＨｚの反復率νをもつモードロックレーザーについて、いくつかの可能な走査範囲、走査率、および各種走査速度パラメーターの関数としてのサンプリンググリッド・インターバルが記載されている。表３から、１ＧＨｚのレーザーについて、実際的な走査条件の大半においてトータル・ウォークオフが生じていることが分かり、それゆえに時間遅れは１ナノ秒を超えることができない。したがって、反復率が１ＧＨｚ未満のレーザーでは、本発明の動揺方法が自由走査レーザー方法として望ましい。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】
注：表３中の＊は、トータル・ウォークオフ（最大で１ナノ秒）を示す。対称形の矩形波が唯一の望ましい方法と言うわけではない。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、矩形波変調に加えて別の二つの動揺方法（スキーム）を示している。単方向の走査を得るために、図３（ｂ）に示すように方形波（非対称な矩形波）を使用することもできる。こうすれば、後方への走査の無用の無駄時間を低減することができるであろう。無指向性走査が市販のファブリ・ペロー干渉計で使用されているとは言え、図３（ｂ）に示す方形波によるよりも、むしろ三角波で（無指向性走査を）実行している。
【００３２】
矩形波および方形波の前縁および後縁での電圧の急変は、機械的なショックとＰＺＴの浮き上がりを起こしかねず、それゆえ異なる走査の線形時間スケールを歪ませることになる。これらの影響を低減するような信号条件の何らかのタイプ（例えば遷移のスムージング）が望ましい。あるいは、図３（ｃ）に示すように、正弦波電圧をＰＺＴに印加しても良い。正弦波走査の利点は、矩形波や方形波にある鋭い電圧遷移に関連して起こるショックや浮き上がりを避けることができることである。また、誘起されたキャビティー長のミスマッチに反応しようとするＰＬＬによるタイミングの歪みをもさけることができる。すなわち、単純なアナログ安定化回路にとって、たとえ走査時間遅れに対してなにがしかの反応をこの安定器がしても、正弦波駆動電圧は正弦波的な走査特性をもたらす。これらの理由により、正弦波走査が実施上もっとも単純である。しかしながら、正弦波走査では、図３（ｂ）に示すように単方向の走査を生じる方形波のもつ利点は得られない。それゆえ、単純さが求められる度合いに応じて、正弦波走査でＰＺＴを駆動するのが望ましくなる。
【００３３】
表１〜３中の走査速度パラメーターは、ＰＺＴの対称形の矩形波変調に基づいて得られている。正弦波走査では、走査範囲および走査率が若干変わることであろう。時間に依存する遅れは依然として前述の数４で求められるが、キャビティー長の変調は次の数９により与えられる。
【００３４】
【数９】
ΔＬ(t) ＝ΔＬ0・ｃｏｓ（２πｆsｔ）
その際の遅れは、次の数１０で与えられる。
【００３５】
【数１０】
ＴD(t) ＝（ΔＬ0／Ｌ）・（１／２πｆs）・ｓｉｎ（２πｆsｔ）
以上のようにして正弦波走査（の特性）が求まる。ただし、ＰＺＴの位置に対して時間遅れは９０度になる。この場合、走査特性は線形ではなく、ある種のスケール補正が必要であることに注意されたい。
【００３６】
ここに記載されているレーザー走査技術は一対のモードロック・ファイバーレーザーを使用して実証されているが、この技術は前述の二つの実施例に限定されるものではなく、むしろソリッドステート、ダイオードレーザー、およびダイレーザーを含むモードロックレーザーの多くのタイプに適用可能である。
［走査ファイバーレーザーシステム］
図４に、二つのファイバーレーザーすなわちマスターレーザー２１０およびスレーブレーザー２２０を採用している本発明の好ましい実施例を示す。
【００３７】
両レーザー２１０，２２０は、同じレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされており、同レーザーダイオードのパワーはスプリッターＳＰＬ ２０６により二つのレーザーへと分割されている。マスターレーザー２１０は、ファラデー回転子（旋光器）ミラーＦＲＭ ２１５によって終端が形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、光学アセンブリＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。これはＦＲＭ ２１５とほぼ同じであるが、ミラーがＰＺＴ上に取り付けられている点が異なっている。二つのファイバーレーザー２１０，２２０は、同一のモード同期光学系（すなわち波長板λ／４，λ／２、ファラデー回転子ＦＲ、および偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を構成要素としている。レーザーモード同期は、飽和吸収器ＳＡによって始動される。両レーザー２１０，２２０の低雑音出力ポートからの出力パルスは、それぞれフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２よって検知される。両フォトダイオードは、駆動安定器１３０によって使用される。
【００３８】
両ファイバーレーザー２１０，２２０は、ν0 ＝４．６２９ＭＨｚの公称反復率を持っている。これらは、ファーマン等の文献（ M.E.Ferman, L.M.Yang, M.L.Stock, and M.J.Andrejco, "Enviromentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber lazer producing 360-fs pulses." Opt.Lett., 10, pp.43-5, Jan.1994）に開示されている。同文献では、モード同期機構として非線形偏光エヴォルーション（ＮＰＥ）が使用されている。両レーザー２１０，２２０は、ファラデー回転子ミラーを除いて、同一の構成要素を持っている。すなわち、マスターレーザー２１０は、シングルパッケージのファラデー回転子ミラーＦＲＭ ２１５で終端を形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、ＦＲＭと同一ではあるがミラーがＰＺＴ上に取り付けられている分離した構成要素であるアセンブリーＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。ここで使用されているＰＺＴは、全移動行程が４０ミクロンのものである。両レーザー２１０，２２０は、同じファイバースプール２８０に一緒に巻き付けられることにより、熱的および力学的にカップリングされている（同一状態に保たれている）。そのうえ、両レーザー２１０，２２０は、同じポンプレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされているので、二つのレーザー内のポンプノイズは相関している。両レーザー２１０，２２０間の相対的なタイミングは、ＰＬＬ回路を含む安定器１３０によって設定され安定化されている。ひとたび安定器１３０が稼働し両レーザー２１０，２２０が適正な遅れに設定されると、走査させるようにスレーブレーザー２２０のＰＺＴに動揺信号が印加される。動揺信号は、信号発生器１３５により印加され、ＰＺＴを駆動するための信号を生成するために、安定器１３０からの安定化信号出力に加えられる。あるいは、安定器１３０の出力が安定化信号および動揺信号の両方を含んでいるようにして、安定器１３０から動揺信号を発生させても良い。いずれのレーザー２１０，２２０も、キャビティー内の偏光器に関連した二つの出力ポートをそれぞれ持っている。これら二つの出力ポートは、図４中に各ＰＢＳの二つの出力として図示されている。これら二つのレーザー出力は、互いに極めて異なった雑音特性を持っている。すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが知られている（ＮＰＥに起因する）光学限界効果のゆえである。安定化回路１３０への入力を生成するフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって検出されのは、この静かな出力ビームである。安定化回路１３０への入力として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッターを最小限に抑制する助けになる。
【００３９】
正弦波時間走査は、このツインファイバーレーザーシステムを使用した本発明者らによって初めて達成された。図５は、図４に示した二つのファイバーレーザー２１０，２２０の間の相互相関走査（クロスコリレーション・スキャン）の二サイクルを示している。この相互相関走査は、平均化なしの単発のデータ取得により収集されたデータである。より詳しくは、走査周波数１０６Ｈｚ、走査範囲２００ピコ秒における本発明の動揺方法により走査させられている二つのファイバーレーザー２１０，２２０間の相互相関信号を、図５は示している。ここで、図５はフルに二サイクル分の走査を図示しており、前進走査（フォウォードスキャン）および後退走査（バックウォードスキャン）を示している。併せて、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、矩形波として現れている信号発生器１３５のトリガー出力とが図示されている。図５のプロットは、二つのレーザー２１０，２２０からのパルスを、非線形結晶すなわちベータバリウム・ボレート（ＢＢＯ）結晶内での和周波混合（サム・フリーケンシー・ミキシング）を使用した変形相互相関器を通して得られたものである。
【００４０】
走査の機械的な遅延（遅れ、ディレイ）は、公知の相関器（コリレーター）の一枝（ワンアーム）の中で使用される。しかしながら、本発明の相関器では、機械的な遅延は使用されていない。全ての走査は、前述のレーザー動揺法によって行われている。また図５には、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、信号発生器１３５からのトリガー出力とが図示されている。数９および数１０から予期できるように、グラフ上にマークされたＰＺＴの移動端は、印加された正弦波から９０度だけ位相が外れていることに留意されたい。走査範囲は、走査周波数１００Ｈｚで約２００ピコ秒である。これは、反復率１００Ｈｚでの３ｃｍの物理的な遅延と等価である。しかし、このツインレーザーシステムでは、これと同じ走査範囲が、スレーブレーザー２２０のＰＺＴをほんの２〜３ミクロンだけ動かすことにより達成されている。
【００４１】
この相互相関法は、二つのレーザー２１０，２２０間のタイミングジッターを計測するために使用された。タイミングの較正は、２０ピコ秒だけ分離されたパルス列を作り出す厚さ２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することにより、行われている。これらのパルス列は、図５中の走査上で明瞭に視認できる。図６は、同じ走査を引き伸ばした時間スケールで図示している。同図から、２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することによって生成されたごく近傍に間隔を空けている二つのパルス（一つのレーザーはサテライトパルスを持っている）と、この一対のパルスの複製とが見て取れる。この一対のパルスは、エタロンの光学的厚さに対応している２０ピコ秒だけ、主たる（メイン）パルス対（つい）から離れている。ここで、パルス幅は１ピコ秒のオーダーにあり、またサテライトパルスは２〜３ピコ秒だけメインパルスから離れて存在している。したがって、ＲＭＳタイミングジッターは、±２０ピコ秒までの状況によるタイミングの偏差を伴って、ΔＴj ＝５ピコ秒と測定された。タイミングジッターのデータは図７に示されており、同図では各データポイントが、走査率１０６Ｈｚでの各レーザー２１０，２２０の走査間の相対的な時間遅れを表している。この計測されたジッターは、安定器１３０の電子的ＰＬＬ回路の精度の限界を例示していると共に、これだけのジッターにもかかわらず如何に精密にタイミングの情報が得られるかをも例示している。もし走査が十分に急速に行われるのであれば、走査時間内の相対的なタイミングジッターは、極めて小さくすることができる。そして、例えばレーザパルスをエタロンに通すことにより、もし安定なタイミングパルス列が得られるのであれば、走査時間の間のジッターさえも正確に知ることができる。このようにして、レーザーに数ピコ秒のジッターがありながらも、走査特性はサブピコ秒の精度で明らかになる。
【００４２】
一緒にパッケージ（コ・パッケージング）された複数のレーザーの効用は、重大である。
以前に本発明者により組み立てられたあまりうまくないデュアルレーザーシステムでは、同様の一対のレーザーが異なる基台（ブレッドボード）上に別々に組み上げられており、異なるレーザーによってポンピングされていた。安定器を使用しても、ＰＺＴの移動範囲の４０ミクロンをキャビティー長のミスマッチが超える前に、そのスレーブレーザーがマスターレーザーに追随していたのは、わずかに３０分程度であった。この（ミスマッチが４０ミクロンを超える）時点で、追随（トラッキング）は不可能となった。それゆえ、正常な室温の下にあっても、５ＭＨｚレーザーの一対の間でのキャビティー長のミスマッチのドリフトは、大半のＰＺＴの可動範囲である４０ミクロンを容易に超えてしまった。
【００４３】
これとは対称的に、本発明の一緒にパッケージされたシステムは、無期限に追従することができるので、正常な室内状態の下でＰＺＴによる４０ミクロンの制限内にキャビティー長のミスマッチが見事に留まっていることを示している。周波数ドリフトの絶対値の計測と相対値の計測によれば、二つのレーザー２１０，２２０の間の相対的な周波数ドリフトは、一つのレーザーの絶対的なドリフトの７分の１程度に小さいことが分かる。相対的なドリフトは、製作上で二つのレーザーを真に同一に作ることにより、さらに小さく改善することができる。これは、両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＰＺＴ−ＦＲＭアセンブリで形成することによるか、または両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＦＲＭパッケージで形成し、スレーブレーザー２２０のキャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更することにより、達成することができる。
【００４４】
相対的タイミングドリフトおよび絶対的タイミングドリフトの両方をさらに低減するには、ファイバースプール２８０および他の構成要素を遮音して、同じ容器内に二つのレーザーを構成すると良い。こうすると遮音されるし、温度も制御される。つまるところ、前述の各方法の全てを用いて、相対的タイミングジッターは量子限界にまで達した（ H.A.Haus and A.Mecozzi, "Noise of mode-locked lasers," IEEE J. Quantum Electron., QE-29, pp.983-996, March 0993）。量子限界によるタイミングジッターは、分散（ディスパーション）の増大に伴って増大するので、分散ゼロの波長の付近でモードロックレーザーを作動させることにより、ジッターはさらに低減されうるであろう。
【００４５】
モードロックレーザーのエンドミラーを動揺させることにより、ミラーのミスアラインメントとピント外れとのせいで、走査周波数における振幅の変動が誘起される。ミスアラインメントの作用は、角度の感度を減らすようにＰＺＴミラーに焦点を結ばせることにより、また、市販のファブリペロー干渉計でできるがアラインメントを保つように三点ミラー走査ＰＺＴを用いることによって、最小化される。ピント外れの影響は、ＰＺＴミラーへのビームウエスト入射（ビーム・ウエスト・インシデント）の共焦点パラメーターに対し、走査振幅が許容できる程に小さいときに、発生しうる。ファイバーレーザーにおいて、このピント外れは、ファイバー内に戻ってくるビームの結合効率（カップリング・エフェシエンシー）の減少を起こし、今度はパワーの変動を起こす。それゆえ、ＰＺＴミラーの焦点深度が浅いこと（タイト・フォーカシング）は、望ましくないことである。ビームのコリメーションの賢明な選定により、このピント外れの影響を低減することができる。例えば、もし４０ミクロンの走査範囲を持つＰＺＴを使用すると、共焦点パラメーターは少なくとも２〜３ｍｍは必要であろう。そこで、ＺR がＰＺＴミラーでのビーム・ウェイストの共焦点パラメーターであるとして、（ΔＬ／ＺR）2の量がおおよそ１０-4であるというのはかなり小さい。この量が小さければ、レーザーの振幅変調はこれに伴って小さい。
【００４６】
たとえもしミラーの軽度のミスアラインメントが走査中の振幅にいくらかの変動をもたらしたとしても、ファイバーの導波特性（ガイディング・プロパティー）の故に、ビーム指向性（ポインティング）の安定性はいささかも減退しない。しかしながら、ソリッドステート・モードロックレーザーを使用した場合には、もし出力ビームの偏差の発生を防止するように計測が行われないならば、いくらかの出力ビームの偏差が生じる可能性がある。
【００４７】
変形態様のレーザーシステムとして、同一のＦＲＭで両レーザーの終端が形成されていても良く、またキャビティー長がＰＺＴファイバー・ストレッチャーにより調整されるようになっていても良い。このようなピエゾセラミックチューブ・アクチュエータ（ＰｉＴ ４０×１８×１）は、ドイツのピエゾメカニック株式会社により製造されている。
【００４８】
［タイミング較正］
ＰＬＬ回路安定器１３０が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例えば１００フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミング信号で、データ取得ユニット５０が適正にトリガーされることが補償されていることが必要である。このような信号は、ＢＢＯのような非線形結晶内での非線形光学ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。このようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka et al.のようなその他の人によっても行われている。走査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合にも、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精度を得るためにも必須であることが示されている。
【００４９】
しかしながら、これは必要条件ではあっても十分条件ではない。ジッターの計測によれば、タイミングの変動は、走査と走査との間で発生するばかりではなく、単一の走査の間にも生じていることが明らかになっている。すなわち、走査率Ｒscanは、走査と走査の間で変化するばかりではなく、走査サイクルの中でさえも変動する。それゆえ、走査の作動が信号平均化よりも「前に」起こることが必須である。したがって、相関器からの走査毎に「少なくとも」二つのタイミングパルスがあることが必要である。この二つのタイミングパルスのうち、一方はトリガリングのためであり、他方は時間スケール情報のためである。これを行うのに、本発明は、（振幅と時間との両方において）一様なパルス列でも非一様なパルス列でも、走査インターバルを満足することができる。このようにすれば、各走査サイクルの各々における走査インターバルに関すして、タイミング情報を得ることができる。
【００５０】
［タイミングスケールの発生］
時間スケールの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発生させるのに使用するように、光学的方法を選択することである。好ましい実施例においては、図８（ａ）〜（ｂ）に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様に生成するよう、高度に精妙（フィネッセ）なファブリペロー（ＦＰ）エタロンから単パルスを反射することにより、パルス列を生成することができる。なぜならば、このＦＰエタロンは「ガタガタ板」として使用されており、その中ではＦＰエタロン（すなわち高度に精妙なエタロン）内でパルスが何度も内部反射されるからである。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率はむしろ低い。
【００５１】
一例として二つのミラーからなるＲ＝９８％の反射率のＦＰエタロンを採用したとすると、その透過率はＴ＝０．０００４である。この例について今から説明する。透過したパルス列は、図８（ａ）に示すように、ＦＰエタロンの通過時間により分離されている一連のパルスであり、ミラー損失およびミスアラインメントに依存している減衰率により弱まって立ち上がっている。すなわち、送信されたパルス列は、Ｔをエタロン表面の透過率としてＴ2 のファクターにより減衰する。送信されたパルス列には、パルス強度がラウンドトリップ毎にゆっくりと弱まるが、多かれ少なかれ一様性がある。パルス列中の第１の（かつ最大の）パルスは、ＦＰエタロンに入射するパルスに比べて２５００分の１に弱まっている。
【００５２】
図９および図１０は、表面の反射率がＲ＝９８％でありミラーの間隔が約１ｍｍの実際にエアギャップがあるＦＰエタロンを通して送信されたパルス列が、ゆっくりと減衰していく様子を示している。図１０は、引き伸ばした時間軸上に、１７パルスを持つ単一の後退走査（バックウォード・スキャン）のプロットと、走査の終端に対応する点とを示している。これらのデーターは、単に、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り付けられたリトロレフレクターを採用している通常の走査相関器の一枝に、ＦＰエタロンを挿置することにより得られたものである。スピーカーには正弦波電圧が印加されたので、時間遅れは、いくらか正弦波的な仕方で走査されている。パルス間の時間的な間隔により、図１１（ａ）に示すように、シェーカーミラーの走査特性が得られる。総走査範囲（トータル・スキャンレンジ）は、これらのデータから次の数１１に従って算出される。
【００５３】
【数１１】
Ｔmax ＝〜（１７パルス）×（６．７ピコ秒／パルス）
図１１（ａ）に示すデーターは、予期されたように、走査特性が正確に線形ではないことを示している。線形性からの偏差を示すために、このデーターは直線でフィッティングされ、そしてこのデーターはこのベストフィット（の直線）から減算された。その結果を図１１（ｂ）に示すように、時間走査特性は線形性からの偏差を有する。
【００５４】
反射されたパルス列は、図８（ｂ）に示すように、最初の表面反射でありパルスエネルギーの大半（すなわち９８％）を含んでいるプロンプトパルスによって減少していること以外は、送信されたパルス列と同一である。この最初に反射されたパルスが強度の大半を占めているので、どのような試験的な応用や計測を行うにも便利である。このプロンプトパルスの強度は、プロンプトパルスの直後に続くパルス列の強度の２５００倍であることに留意されたい。ほとんどの場合、この弱いパルス列は計測に影響することはない。しかしながら、それでも受け入れがたい場合もあり得るであろう。
【００５５】
もちろん、精妙さの低いエタロンを使用することもできるが、そうすると送信されるパルス列の減衰がもっとずっと急速になり、この相関器のダイナミックレンジが限定要素になってしまう。例えば、表面の反射率がＲ＝３０％のエタロンを使用すると、各パルスが直前のパルスよりも１０分の１に弱くなって急激に減衰する一連のパルスが発生する。それゆえ、ほとんどのデーター取得装置においては一度の測定で三桁のダイナミックレンジであるので、リアルタイムの較正にはたったの三個程度のパルスしか使えない。これは、図５〜７に示す相関の場合であった。例えば対数アンプを使用するなどのダイナミックレンジ圧縮スキームによって、この影響はある程度まで除去することができる。
【００５６】
さらに別の実施例では、ＦＰエタロンの組み合わせを使用することができる。例えば、（カバースリップのような）薄いエタロンによれば、極めて近接したパルス（〜１ピコ秒）の対を発生させることができ、これをもっと間隔が広く（例えば２０ピコ秒）より高度に精妙なＦＰに送ることができるであろう。その結果、一連の２０ピコ秒おきのパルス対が得られるであろう。これにより、タイミング特性に関するローカルで派生的な情報が得られる。
【００５７】
上記ＦＰエタロンは、固形（ソリッド）でも空間型（エアスペースド）でも構わない。ソリッド・エタロンはもっとでこぼこでコンパクトであるが、エアスペースド・エタロンは調整可能でパルスの広がりを避けることができる。ここで、パルスの広がりは、エタロンを透過して多数回のラウンドトリップをしてきたパルスに起こる現象である。高精度を得るためには、エタロンの温度を制御することが必要である。例えば、融けたシリカの一片を透過して起こる群遅延（グループ・ディレイ）の機能的な変化は、近似的にΔｌ／ｌ〜１０-6℃である。それゆえ、もし１ミクロン（６フェムト秒）の精度が全長１ｍ（６ナノ秒）の範囲で要求される場合には、エタロンの温度は１℃以内で一定にすべきである。エアスペースド・エタロンには、温度補償取付け技術を使用して構成できる点で利点がある。したがって、ソリッド・エタロンの温度感度は低減することができ、正常な室温での作動には温度制御は必要ないかもしれない。
【００５８】
その他にも実施可能なものとしては、図１２（ａ）に示すように、光ファイバー３００上に形成された光反射率の異なる一連のファイバー格子３１０を使用するものがある。これらの格子３１０は、一様にも非一様にもパルス・シーケンスを顕すように製作することができる。この場合には、間隔（スペーシング）は一様であるが、同図に示す如く５パルス毎または１０パルス毎に大きなパルスが生じる「規則的な（ルーラー）」スケールを形成するように、その振幅は非一様である。もちろん、ファイバー３００内であれば所望の位置にどこにでもファイバー格子３１０を形成することができることは、たいへんに融通性に富んだことであり、格子３１０を非一様に配設することは、タイミングの曖昧さを取り除く上で有利であろう。
【００５９】
そのうえ、もしファイバー３００の実長をパルスが通過するようにしたいのであれば、ファイバー３００内での群速度分散（ＧＶＤ）によってパルスが拡がってしまう。そこで、通過すべきファイバー３００のＧＶＤが適正に補償されるようなやり方で、チャープ格子３１０を形成しても良い。実際にも、ノーマルなチャープのない格子では反射帯域幅がほんの２ｎｍ程度しかないので、サブピコ秒のパルスに対しては不安定になってしまい、高精度の時間分解能を得ようとすればチャープ格子が必要である。中央波長８００ｎｍの１００フェムト秒パルスは、半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅が８ｎｍである。そして波長１５００ｎｍでは、帯域幅は約３０ｎｍである。これらのパルスに対しては、チャープ格子だけが充分に広い帯域幅を持っている。
【００６０】
チャープ格子からのフェムト秒の反射パルスは、それらのパルス自身が拡がっておりかつチャープされていることが知られている。この場合には、図１２（ｂ）に概要を示すように、チャープの方向が互いに逆の二つのチャープ格子３２０，３３０からのパルスを連続的に反射することが必要である。ここでは、パルスは、まず最初にチャープ格子シーケンスＣＦＧＳ ３２０から反射され、続いて反対向きにチャープされたほとんど同一のチャープ格子３１０から反射されるという補償スキームを使用することにより、パルスの拡大（ブロードニング）が防止されている。この順番は逆にしても（すなわちＣＦＧの次にＣＦＧＳの順で反射されても）、同様の結果が得られる。偏光ビームスプリッタＰＢＳ ３４０により、また１／４波長板ＱＷＰ ３５０によって、有効な分割（スプリッティング）および反射がもたらされる。
【００６１】
この技術は、ガルバナスカス等によるファイバー内でのチャープパルス増幅に応用されて成功を収めている（ A.Galvanauskas, M.E.Fermann, K.Sugden, and Bennion, "All-fiber femtosecond pulse amplification circuit using chirped Bragg gratings." Appl.Phys.Lett., 66, pp.1053-5, Feb.27, 1995 ）。しかしながら、本発明のこの見地での目的は、ガルバナカス等のそれとは異なっている。彼らの研究では、チャープパルス増幅のために光パルスを非常に長い持続時間（＞３００ピコ秒）に引き伸ばすためと、そしてそのパルスを再び圧縮するためとに、一対の格子が使われている。本発明では、チャープされていない格子は短パルスをサポートするのに帯域幅（〜１ｎｍ）が不十分であるので、また、ファイバーの実長を横切るパルスに対してファイバーのＧＶＤを補償する必要性がいくらか生じるであろうからという理由で、チャープ格子が使用されている。ここで、本発明のこの見地での目的は短パルスのシーケンスを発生させることであるから、パルスを引き伸ばそうという要求はない。
【００６２】
二つのファイバー格子は、透過にも反射にも使用可能なファイバーＦＰエタロンを形成するためにも使用できる。あるいは、受動的光ファイバーループを使用しても良い。反射を起こせる他の構造は、ファイバー内の光ファイバーとマイクロベンドとの接合が不十分である。これらの場合には、温度制御が必要であろうし、タイミングの較正のバリエーションは前もって知ることができ数学的に補償されるであろう。
【００６３】
パルス列は、物理的に可能であれば、所望のパルス列が得られるように注意深く選ばれた各ミラーの反射率および間隔により、部分的に反射する一連のミラーによってもまた、生成が可能である。単一のパルスから所望のパルス列を生じるために必要なミラーパラメーターを計算するためのアルゴリズムがすでに開発されている（ V.Narayan et al., "Design of multimirror structure for hig-frequency bursts and codes of ultrashort pulses," IEEE J.Quantum Electron. QE-30, pp.1671-1680, July 1994 ）。単一のパルスからパルス列を生成するためにも使用できる部分レフレクターからなる光学デバイスは、その他にも数々ある。
【００６４】
任意にプログラムすることができるパルス列は、パルスシェーピング分散遅延線（ＤＤＬ）にレーザパルスを通すことによって生成できる。これによれば、前述の方法よりもずっと大きな柔軟性が得られるが、しかし達成しうる最大のパルス間隔の点で限界がある。実際上の限界は、おおよそ１００〜２００ピコ秒である。パルス間隔をこれよりいくらかでも大きくしようとすると、物理的に大きな装置が必要になり、法外に高価なものになってしまう。
【００６５】
波長が１５５０ｎｍ付近の低い反復率（３０ＭＨｚ以下）のレーザーに最も有用な別の実施例は、ゲイン・セクション（例えばＥｒドープされたファイバー）のあるファイバーループからなる再生ソリトン保存リング内に、パルス列を注入するためのものであろう。このリング内に注入されたパルス列は、ここで説明した方法を含むいろいろな方法で得られるであろう（例えば、ファブリペロー・エタロン、ファイバー格子、パルスシェーパー、その他）。このループは再生的であるので、各レーザパルスについてダンピングすることと再注入することが必要である。これは、５ＭＨｚのレーザーでは２００ナノ秒毎に起こるであろう。ダンピングおよび注入は、ＡＯ（音響光学的）であってもＥＯ（電気光学的）であっても、市販のある種の光スイッチで達成されうる。
【００６６】
ただし、別の実施例は、閾値（スレッショルド）またはその付近にまでバイアスされたレーザーダイオードに、単一のレーザーからの複数の短パルスを注入するためのものであろう。レーザーダイオードの複数の小面は、３０％の反射率を持ち、精妙さが低いＦＰエタロンを形成している。しかしながら、このレーザーダイオードの利得は、光パルスの「リングダウン」を阻止ないし防止するであろう。このようにして、数十のパルスからなるパルス列を得ることが可能になろう。実際に、このダイオード中での群速度分散および利得の狭まり（ゲイン・ナローイング）は、その構造を通って多数回のラウンドトリップをするパルスを拡げてしまい、それゆえに実際に使用可能なパルスの数を制限してしまうことになろう。このデバイスは、反射にも透過にも使用することができる。
【００６７】
特別に細かい（サブミクロンの）較正は、その計測システムの一つのビーム内に複屈折結晶（例えば水晶）を挿入して、その結晶の常軸および異常軸に沿って伝搬するパルスの到着時刻を比較することによってなし得る。１ｍｍの典型的な板厚では２〜３波長分のリターデーションを生じ、そのリターデーションにより、１００フェムト秒以下の持続時間のパルスが使用されるならば容易に認められる違いを生じるであろう。
【００６８】
［相互相関器光学系］
前述の方法によって生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用して、別のレーザパルスと相互相関を取ることができる。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出するためには、各種の非線形プロセスを使用することができる。使用可能なある種の非線形性としては、第２高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生、利得飽和、吸収飽和、四波混合、および光電流があるが、これらに限定されるものではない。非線形要素のありそうな選択としては、ＳＨＧ結晶がある。しかしながら、ＳＨＧ結晶を使用すると、レーザパルス間にオーバーラップがあったときにしか信号が発生しないという短所がある。それゆえ、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパー、エタロン、その他の各種を使用することが必要になる。ある状況においては、ＳＨＧ結晶の使用によって得られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非即時の応答を持つ故に「振幅」情報を介して時間遅れに関する情報が得られる要素を使用することが、より望ましいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイオード増幅器（ＴＷＡｓ）や飽和吸収器や光検出器などの適切なデバイスや材料、あるいはＰＩＮフォトダイオードやアバランシェ・フォトダイオードあるいはＳＥＥＤデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスなどは、数多くある。例えば、ＴＷＡなどは、光通信の中で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら（ＴＷＡ）は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲とは、そのデバイスの回復時間（リカバリータイム）によって決まる。ＴＷＡデバイスは、１０-3ラジアン程度までの位相精度で計測ができることが分かっている。このような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけがタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。そのデバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化するそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的な特性を観測することによってもまた、パルスタイミング情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当たり、これは大きな単純化である。
【００６９】
これらのタイミング較正技術は、高速走査レーザー法と共に使用するようになっているとはいえ、ここに述べられたレーザー走査システムだけにとは限らず、自由走査レーザー、二重波長モードロックレーザー、および物理的な遅れを採用している通常の走査システムにさえも、応用できると期待している。その一例としては、図９〜１１に示されている較正データーがある。このデーターは、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り付けられたリトロレフレクターからなる走査システムから取得された。そのスピーカーに正弦波電圧が印加されているから、その時間遅れは、いくらか正弦波的な調子で走査された。図１１（ａ）に示す走査特性は、走査中に取得されたどんなデーターの時間スケールの修正にも使用することができる。そのアクチュエータがもっと大きな振幅で駆動されると、その走査特性は明らかに正弦波的に偏差を生じる。これもまた、修正可能である。回転しているガラスブロックや回転ミラーなどのような他のデバイスでもまた、ここで説明された本発明のタイミング法によって修正可能な非線形走査特性を持っている。
【００７０】
［レーザー安定化］
いかなるキャビティー長の誤差もレーザーキャビティーのラウンドトリップ毎にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビティー長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じうる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」反復率をν1 に、または等価であるが「時間平均」キャビティー長ミスマッチΔＬをゼロに保持することが必要になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために使われるフィードバック信号は、図１３に示すように、一対の光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２によって検知され、通常の位相同期ループ（ＰＬＬ）回路に導入される。以前に説明したように、このようなＰＬＬ安定化システムの精度は、すでに計測されており、２０ピコ秒までの最大タイミング移動で５ピコ秒以内のＲＭＳに、二つのファイバーレーザーを同期させることができることが分かっている。ここに引用されている安定化の精度は現在の技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を示すものでは全くない。本質的には、１ピコ秒未満まで精度を向上させることが可能なはずである。しかしながら、場合によっては１フェムト秒以下にまでなる所望の時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然として必要である。
【００７１】
図１３に、好ましい実施例として、安定器１３０を含むレーザー安定化動揺システムの詳細な模式図を示す。安定器１３０は、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２、位相検出器１３３、フィルター１３４、直流電圧発生器１３５、アンプ１３６、周波数発生器１４０および加算器１３７を含んでいる。パルスアンプ（ＰＡ）４３０，４４０は、それぞれ光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２からの電気パルス出力を受け取る。パルスアンプ４３０，４４０は、これらの受け取った電気パルスを増幅して、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２にそれぞれ出力する。タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２は、その信号が位相検出器１３３に入力される前にその信号を整える。ＰＺＴ制御装置４５０には、ここでは市販のＰＺＴ制御装置を使用している。高電圧アンプは、１〜１０Ｖの範囲の入力信号を取り込み、これに比例した０〜１５０Ｖの範囲の出力を生成する。ＰＺＴ制御装置４５０は別ユニットとして図示されているが、安定器１３０内に統合してしまうこともでき、その方が望ましい。
【００７２】
安定器１３０のこの好ましい実施例においては、ＰＬＬのための位相検出器１３３は、標準的なＲＦ位相検出器か、線形性が高いＸＯＲゲートのような混合器（ミキサー）でよい。ラウンドトリップ時間のどんなサブインターバルの走査を行おうとする場合にも、線形性は非常に重要である。あるいは、時間振幅コンバーター（ＴＡＣ）を位相検出器１３３として使用しても良い。これもまた線形性がとても高く、５ＭＨｚなどという低い反復率においては特に適当であろう。高度に精密な位相安定性の一つの限界は、単純なＲＦ混合器の中で起こり得るＡＭからＦＭへの変換（コンバージョン）である。すなわち、この混合器によって、レーザーの振幅の変動がタイミングの変動へと変換されてしまうのである。それゆえ、光ダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって生成された電気パルスに対し、信号調整（シグナル・コンディショニング）を行うことが望ましい。こうすれば図１３に示すように、位相検出器１３３の前のタイミング弁別装置１３１，１３２により、最も容易に行うことができる。しかしながら、レーザーの振幅雑音を低減することによってもまた、この影響は最小化され得る。ある条件下のモード同期作動の間に、レーザーのある出力ポートに対して、光学的制限プロセスが起こることが知られている。これにより、安定器１３０が作動する場合に、タイミングジッターを大幅に低減することができる。
【００７３】
安定化システムの帯域幅よりも走査周波数が大きいこともまた、重要である。このため、ＰＬＬは平均時間位置を適正に維持するが、適用されたミラー走査を妨害することはない。前述のツインファイバーレーザーは、たった３０Ｈｚの帯域幅のＰＬＬ回路を使用して安定化されていた。このずいぶん低めの帯域幅には、走査率の範囲を３０Ｈｚから数ｋＨｚに至るまでの範囲で設定できるという利点がある。３０Ｈｚの安定器の帯域幅を使用しながら１０ピコ秒未満の精度で同期を維持し続けるためには、一対のレーザーの固有の相対的タイミングジッターは極めて低くなければならない。これは、以前に説明した構成の方法を使用して達成される。その方法とは、可能な限り大きな範囲で同じ環境条件に二つのレーザーを置くことを確実にするものである。
【００７４】
安定化のために必要なフィードバック信号を、単純な相関器で生成することもまた可能である。レーザーが走査している間に、相関器により計測されるピーク位置を、安定器１３０にフィードバックする誤差信号として使用することもできる。本発明においてはレーザーがコンスタントに走査しているので、Dykaar et al.の単純な静的相互相関器の技術はここではうまく行かないことに留意されたい。
【００７５】
本発明の高速走査システムは、多くの点で通常の走査物理遅延や自由走査レーザーに勝っている。
とりわけ、可動アーム（ムーヴィング・アーム）を持つ通常の走査物理遅延とは異なり、走査に数ナノ秒の大きな遅れが生じた場合にも、本発明ではレーザービームにミスアラインメントやピント外れが起こらない。物理的遅延では、アラインメントは非常に注意深く行わなくてはならず、共焦点パラメーターは１ナノ秒の遅延線に対しても１ｍより大きくなければならない。そのうえ、本発明によれば、音速を超えることもできる高速走査速度が可能である。しかし物理的遅延では、１００Ｈｚで１ナノ秒（１００フィート毎秒）の走査さえおぼつかない。それなのに本発明によれば、大きな（調整可能な）走査範囲が実施でき、例えば５ＭＨｚのファイバーレーザーで約５０ピコ秒から２００ナノ秒に至るまでの範囲での走査が可能である。このような走査範囲を通常の走査システムで達成するには、２００フィートの遅延線が必要であろう。また、通常の自由走査システムと同様に、よりよい衝撃係数（デューティーサイクル）のために高反復率のレーザーを採用する必要もない。
【００７６】
さらに、大きな時間的ダイナミックレンジが可能であり、これは離れた目標の走査やＯＴＤＲをする上で有用である。例えば、１フェムト秒未満の時間分解能を持ち総走査範囲がＴR ＝２００ナノ秒であれば、１０8 の時間ダイナミックレンジが得られる。また、通常の自由走査システムとは異なって、無駄時間が大幅に減っており向上した衝撃係数が達成されている。さらに今や本発明によれば、可動部品を一切必要とせずに、極めて単純でコンパクトな相互相関器の設計が化のである。例えば、この相関器は、ゲームボーイ（商品名）のサイズにすることもできる。そのうえ本発明では、行程の長さがマッチしている必要がないので、実験のセットアップは極めて単純になる。
【００７７】
前述の高速走査および較正の方法は、多種多様な計測や実験を行うために使用することができる。本発明の方法および装置を使用できる２〜３の応用について、以下に説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明は多くの応用に適用でき、以下に説明する応用に限定されるものではないことが、容易に理解できるであろう。
【００７８】
図１４は、本発明による、ＦＰエタロンを使用しているタイミング較正方法と高速走査レーザーシステムとを採用している一般的な計測システムの好ましい実施例を示す。レーザー５１０（レーザー５１０がマスターレーザーであるかスレーブレーザーであるかは不問）は、ＦＰエタロンに入射している。ＦＰエタロンを通過して発射されたパルス列は、タイミングユニット５４０に送られ、レーザー５２０からの単パルスと相互相関を取られて、較正された時間スケールを与える一連のデーター（データーストリーム）が発生する。上記エタロンから反射されたパルス列は、レーザー５２０からの単パルスに沿って計測ユニット（図略）に送られる。この計測ユニットからの上記一連のデーターは、データー取得システム（ＤＡＱ）５５０の「Ｙチャンネル」に入力され、一方、タイミングユニット５４０からの一連のデーターは、ＤＡＱ ５５０の「Ｘチャンネル」に入力される。この情報には、次の異なる二つの用途がある。
【００７９】
１．飛行時間スケール修正：この技術では、タイミングパルスは時間スケールを形成する。例えば、もし正弦波走査が使われるなら、一様なパルスシーケンスであっても時間において非一様性を表す。高速プロセッサーであれば、信号平均化以前の正確な時間スケールで（補間法を用いて）適正に走査データーを調整するために、この時間スケール情報を使用できるであろう。
【００８０】
言い換えれば、タイミングパルスにより形成された時間スケールに基づいた高速プロセッサーによって、各走査点が修正されるのである。例えば、図１１（ａ）は、図１０に示してある走査の各ピークに対する走査特性を示しており、そして図１１（ｂ）は、これらの点の線形性からの偏差を示している。この時間スケール情報はこの偏差の修正に使用され、「飛行中」の各ピークを本質的に修正することができる。
【００８１】
２．走査の排除（賢明なトリガリング）：この技術は、トリガーパルスと相対的に上手に定義された所定の時間スロット内で起こるたくさんの（少なくとも二つの）タイミングパルスを探す「走査選択器（スキャンセレクター）」を使用する。この選択器は、信号平均化器に入る走査データーの合計をするか否か（ゴー／ノーゴー）の決定をする。相関器からのタイミングパルスがこの時間スロットにはまり込むと、現在のデーターバッファーに走査を合計する。逆にもしタイミングパルスがその時間スロットを「ミス」した場合には、その走査は排除される。信号の平均化が済んだ後、時間スケールのいかなる非線形性も適正に補償することができる。
【００８２】
この賢明なトリガリング法は、実施するには最も単純なものであるが、多くの走査が無駄になってしまう。飛行中スケール修正はもっと洗練されており、走査の無駄から言えばもっと効率的ではあるが、もっと計算負荷が大きい。したがって、応用での制限がどちらの技術を使うかを決めることになろう。
［表面計測システム］
さらに明確な応用の一例として、図１５および図１６に示すように、通常の動ミラー法の代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
【００８３】
図１５は、表面計測システムの一実施例を示す。同実施例では、スレーブレーザー６２０からのビームは、タイミングユニット６４１に入力されるパルス列を発生するＦＰエタロンに入射する。マスターレーザー６１０からのビームは、普通のビームスプリッターＢＳ ６６０によって分割される。スレーブレーザー６２０の分割されたビームの一方は、タイミングユニット６４１に入力される。同ビームの他方は検査される表面に向けられ、同表面で反射される。反射されたビームは相関器６４０に入力される。同様に、ＦＰエタロンから反射された単パルスも相関器６４０に入力される。したがって、相関器６４０は計測されるべき目標物（供試体）のために使用され、タイミングユニット６４１は時間スケール較正のために使用される。相関器６４０からの出力である目標物に対応しているデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＹチャンネルへ入力される。そして、また相関器を含むタイミングユニット６４１から出力されたデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＸチャンネルへ入力される。Ｘチャンネルに入力されたタイミングユニットデーターは、時間スケールをもたらす。そして、相関器６４０から出力されＹチャンネルに入力されたデーターからは、目標物表面の距離情報が得られる。
【００８４】
図１６は、本発明の複数の技術を採用している表面計測システムの別の実施例を示す。同実施例では、タイミングデバイス（ＦＰエタロン）は、目標物へのビーム経路の中に挿置されている。ＦＰエタロンから反射されたビームは、計測すべき目標物を照射する。目標物表面から散乱する光は、レンズＬ１によって集光され、ＦＰエタロンを通過した較正済みのパルス列と（ビームスプリッタＢＳ ６７０を介して）再結合される。スレーブレーザー６２０からのゲーティングパルスと目標物およびエタロンからのパルス列との間の結果として得られる相互相関からは、このエタロンからの複数パルス・タイミングスケールに重畳された目標物までの距離情報（単一パルス）が得られる。この結果は単一データーストリームであって、これには目標物までの距離情報と時間スケール較正との両方が含まれている。さすれば、目標物表面上の一点までの距離は、データーストリーム中のタイミングパルスと目標物パルスとの間の相対的な時間遅れを計測することによって推定される。目標物パルスとエタロンパルスとの間のこの比較は、超短パルスを用いた差分計測法の一変形である。
【００８５】
図１５および図１６では、ＦＰエタロンは入力ビームに対して鋭角で対向しているように図示されている。この入射角は、明瞭にするために誇張されている。ＦＰエタロンを垂直入射から傾けていくと、図８（ａ）に示すように、このエタロンからの一連の反射光が横にずれる量が増えていくことが、当業者にはお分かりになろう。したがって、入射角を実現可能な限り小さくしてＦＰエタロンを使うことが望ましい。もしＦＰエタロンの前に偏光子およびファラデー回転子があれば、垂直入射角での使用も可能である。この空間的なずれは、相関器６４０，７４０のレンズや他の開口からはみ出さない限りは、同相関器の性能を損なうことはない。
【００８６】
あるいは、この横ずれの影響は、急激な劣化とは異なった何かであるパルス列の包絡線の形を変えて、なにがしかの利点を生じることもあり得る。このようなことは、ビームの光景を介してか、または相関器内の非線形混合結晶の位相マッチング条件の角度の選択可能性により、起こりうるであろう。
［ＯＴＤＲシステム］
図１７は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを採用している光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）システムの模式図である。走査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くなるように、低い反復率のレーザー（ν〜５−１０ＭＨｚ）からなることが望ましい。マスターレーザー７１０からの短パルスは、ビームスプリッタＢＳ ７６０により二つのビームに分割される。分割されたビームのうち一方はタイミングユニット７４１に送られ、他方はファイバーなどの導波供試デバイス（ＤＵＴ）７９０に送られる。ＤＵＴ７９０内の表面や接続部、欠陥などから反射されたパルスは、約１０フェムト秒すなわち約３ミクロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のために、相関器７４０に送られる。これは、次のような方法で実現される。
【００８７】
すなわち、スレーブレーザー７２０からの単一パルスは、二つのビームに分割される。それらのビームのうち一方は、ファイバーからの信号のためのゲーティングパルスとして使用されるために、相関器７４０に送られる。その他方は、データー取得（ＤＡＱ）ユニット７５０のために較正された時間スケールをもたらすために、次にはそれ自身が別の相関器であるタイミングユニット７４１によって使用されるパルスシーケンスを生成するパルスシェーパー７８０に送られる。５ＭＨｚ（ＴR ＝２００ｎｓ）程度の低い反復率のシステムのためには、パルスシェーパー７８０は、２００ナノ秒のタイミングインターバル全体をだいたい満たすパルスシーケンスを生成しなければならない。この好ましい実施例では、パルスシェーパーは、図１２（ｂ）に示すようなチャープ・ファイバーブラッグ格子を利用して構成できるであろう。
【００８８】
このレーザーの変形態様としては、タイミングユニットおよび相関器が使用可能である。例えば、マスターレーザー７１０の役とスレーブレーザー７２０の役とは、交換可能である。パルスシェーパーとしては、ファイバーＦＰエタロンまたは（受動でも利得ありでも）ファイバーループが使用可能である。
［ＥＯサンプリング・オシロスコープ］
図１８は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを使用した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロスコープの模式図である。本実施例では、十分に確立されている非接触ＥＯサンプリング技術が、ここで説明された高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
【００８９】
マスターレーザー８１０からのパルスは、二つのビームに分割される。一方のビームはタイミングユニット８４１に送られ、他方のパルスは供試デバイス（ＤＵＴ）上に電気パルスを発生させるために送られる。この場合、供試デバイスは、光導電（ＰＣ）スイッチ８９１を介して、集積回路（ＩＣ）上に取り付けられている。スレーブレーザー８２０からのパルスもまた、二つのビームに分割される。一方のビームは、電気光学（ＥＯ）プローブチップ８９２に送られ、他方のビームは、パルス列を生成するパルスシェーパー８８０に送られる。このパルス列は、時間スケールの較正のために、次にはタイミングユニット８４１に送られる。ＥＯプローブチップ８９２から返ってきたパルスは、ＤＵＴからの電圧とＥＯプローブチップ８９２との間の干渉によって変調されている。これらのパルスは、偏光光学素子８９３によって検出され、ＤＡＱ８５０のＹチャンネルに送られる。したがって、精密タイミング較正が、図１７のＯＤＴＲのために説明したのと同じようにして得られる。
【００９０】
時間遅れ、走査インターバル、および走査周波数は、安定器８３０によって所望の値に設定することができる。例えば、もし（走査範囲ではなく）走査周波数を二倍に増加させたければ、スレーブレーザー８２０内の変調周波数を倍にして、対応する量だけＰＺＴの走査電圧を増大させる必要がある。それに比べ、走査周波数を変化させないで走査範囲を増大させるには、単純にＰＺＴの走査電圧を増せばよい。時間掃引範囲（タイム・スウィープレンジ）の相対遅れは、安定器８３０の位相制御によって調整される。時間スケールの調整のこの柔軟性は、通常のオシロスコープの遅れ時間ベースによって与えられるものと同様である。
【００９１】
この目的のために、光導電性サンプリングを使用することもまた、同様に可能であろう。こうすればずっと高い感度が得られるが、時間分解能は約２ピコ秒までに限られる。
短レーザーパルスおよび走査遅れの最も広く使用される応用は、ずっと物理、化学、または電子システムのポンプ・プローブ計測であった。しかしながら、この技術のための応用範囲は急速に拡がってきており、この技術が科学市場を越えて商品になることは今にも起こりそうなことである。ここに説明された高速走査および時間較正の技術は、超短レーザーパルスを利用するほとんど全ての応用に使用可能である。なぜならば、これらの応用の事実上全てが、レーザパルス間の時間遅れの調整を何らかの形式で必要としているからである。これらの応用は、半導体材料および半導体デバイスの分野での超高速電子／光電子デバイスのチャージ・ダイナミックス特性の電気光学試験や、全光信号処理光導電サンプリング、および各種各様の時間分解ナノメーター・プロービングなどに適用でき、またこれらに限定されずに広く応用可能である。
【００９２】
したがって、テラヘルツ・イメージングを含むこれらの走査方法が応用できるテラヘルツ・ビームのための新しい応用は、数多く開発中である。その一例としては、フー等の文献（ B.B.Hu et al., "Imaging with Teraherz Waves", Optic Letters, Vol.20, No.16, August 15, 1995, pp.1716-1719）により開示されているものがある。最近では、超高速光検出器が市販されるようになり、そのスピード（５０ＧＨｚ，１０ｐｓ ＦＷＨＭ）は、市販のオシロスコープ（例えばPicometrix製の Newport Corp. Model #PX-D7 ）の計測能力を遥かに凌駕するものである。ピコ秒レーザーおよび走査遅れは、これらの検出器のスピードの利点を最大限に引き出すために必要である。そのうえさらに、本発明の走査方法は、その走査範囲の選定の非常なる優越性のゆえに、サブミリメーターの分解能のレーザーレーダーおよび目標物のリモート・プロファイフィングに特に適当である。その走査範囲調整の柔軟性により、高速走査システムをオシロスコープの可調整時間ベースと相似にすることができる。
【００９３】
ここで説明された高速走査方法によって達成できる非常に高い走査率によれば、新しい潜在的な応用をたくさん実施可能にすることができる。走査速度パラメーター（表１〜３参照）は、特別に利用価値がある長所の象徴である。表１〜３の走査速度は、３ｍ／ｓから３０，０００ｍ／ｓにまで範囲が及んでいることに留意されたい。それゆえ、自由走査技術でも高速走査技術でも超音速の走査速度が可能であるから、例えばレーザーに誘起される固体中および液体中の音響効果および光弾性効果などの研究や応用で、本発明は潜在的に利用価値がある。このような応用では、通常の走査方法を使用するのは実際的ではない。というのは、通常の走査方法では物理的遅延システムの中で走査ミラーを音速で動かすことが必要であり、非現実的だからである。
【００９４】
本発明は、好ましい実施例を参照して説明されてきたが、これらの実施例に応用が限定されることはない。以上の開示と教唆から、本発明に対するその他の変形態様やヴァリエーションがあることは、当業者にとっては明白である。したがって、ここで取り上げて説明してきた本発明の実施例はほんのいくつかのであるが、本発明の思想および見解から離れることなく、なおその上に数々の変形が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知の自由走査レーザーシステムの構成を示す模式図
【図２】 本発明の高速走査レーザーシステムの構成を示す組図
（ａ）スレーブレーザーのキャビティー長制御の場合の模式図
（ｂ）両レーザーのキャビティー長が制御される場合の模式図
【図３】 時間遅れＴD(t)と、レーザーキャビティー内のＰＺＴに印加される電圧とを示す組図
（ａ）印加電圧が矩形波の場合のグラフ
（ｂ）印加電圧が方形波の場合のグラフ
（ｃ）印加電圧が正弦波の場合のグラフ
【図４】 本発明のツインファイバーレーザーシステムの構成を示す模式図（同システムでは、両レーザーのファイバーは同じ軸に巻かれており、モード同期機構として非線形偏光展開（エヴォルーション）を使用する二つの同一のモードロック・ファイバーレーザーを使用。）
【図５】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示すグラフ
【図６】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示す拡大グラフ
【図７】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間のタイミングジッターを示すグラフ
【図８】 ファブリペロー・エタロンの作用を示す組図
（ａ）ファブリペロー・エタロンの作用を示す模式図
（ｂ）発射パルス列と反射パルス列との時間配列を示す概念図
【図９】 単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列との間の相互相関信号を示す全走査サイクル二つ分のグラフ
【図１０】単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列との間の相互相関信号を示す半走査サイクル分の拡大グラフ
【図１１】ファブリペロー・エタロンのピーク位置を示す組図
（ａ）ピーク位置の線形フィッティングを示すグラフ
（ｂ）線形フィッティングの偏差を示すグラフ
【図１２】光屈折性成長チャープファイバー格子の並びからなるパルス列ジェネレーターの構成を示す組図
（ａ）パルス列ジェネレーター単体の構成および作用を示す模式図（ｂ）二つのパルス列ジェネレーターの組み合わせを示す模式図
【図１３】レーザー安定化動揺システムの構成を詳細に示す模式図
【図１４】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング較正法を採用している計測システムの模式図
【図１５】本発明の高速走査レーザーを採用している計測システムの模式図
【図１６】本発明の高速走査レーザーを採用している計測システムの模式図
【図１７】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング較正法を採用しているフェムト秒ＯＴＤＲシステムの構成を示す模式図
【図１８】本発明の高速走査レーザーシステムおよびタイミング較正法を採用している電気光学サンプリング・オシロスコープの構成を示す模式図
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，５１０，６１０，７１０，８１０：マスターレーザー
２０，１２０，２２０，５２０，６２０，７２０，８２０：スレーブレーザー
３０：ハーフミラー ４０，６４０，７４０：相関器（コリレーター）
５０：オシロスコープ ６０：ミラー ７０：計測装置
１１１，１２１：ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ（ＰＺＴ）
１３０，６３０，８３０：安定器ユニット、駆動安定器、ＰＬＬ回路安定器
１３１：タイミング弁別装置（ＴＤ） １３３：位相検出器
１３４：フィルター、濾波器 １３５：信号発生器
１３６：オペアンプ １３８：加算器（Σ） １４０：低周波信号発生器
２０５：レーザーダイオード（ＬＤ） ２０６：スプリッター（ＳＰＬ）
２１５：ファラデー回転子（旋光器）ミラー（ＦＲＭ）
２２５：光学アセンプリ（ＰＺＴ−ＦＲＭ） ２８０：ファイバースプール
３００：ファイバー ３１０，３２０，３３０：チャープ・ファイバー格子
３４０：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３５０：四分の一波長板（ＱＷＰ）
４３０，４４０：パルスアンプ（ＰＡ） ４５０：ＰＺＴ制御装置
５４０：タイミングユニット、相互相関器
５５０，６５０，７５０，８５０：データー取得システム（ＤＡＱ）
６４１，７４１，８４１：タイミングユニット
６６０，６７０，７６０，７７０：ビームスプリッター（ＢＳ）
７８０，８８０：パルスシェーパー ７９０：供試デバイス（ＤＵＴ）
８９１：光導電（ＰＣ）スイッチ ８９２：電気光学（ＥＯ）プローブチップ８９３：偏光光学素子
Ｌ１：集光レンズ ＦＰ：ＦＰエタロン ＦＲ：ファラデー旋光器
ＰＤ−１，ＰＤ−２：フォトダイオード、光検出器 ＳＡ：飽和吸収器
λ／２：半波長板 λ／４：四分の一波長板（ＱＷＰ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短パルス幅レーザーの技術分野に属し、特に極小（すなわちミクロンスケール）の機械的な動作を実行するための装置および方法の技術分野に属する。本発明はまた、高精度（すなわちサブピコ秒）のタイミング較正に使用できる方法に関し、同方法は前述の時間的走査方法に対しても在来の時間的走査方法に対しても適用可能である。分けても本発明は、コリレーターやレンジング、三次元イメージング、コンターリング、トモグラフィーおよび光学時間領域レフレクトメトリー（ＯＴＤＲ）を含む他の形式のポンプ・プローブデバイスにおいて、機械的な走査遅延アームの必要性をなくする。
【０００２】
【従来の技術】
超高速レーザーオッシレータは、今のところ、反復率が５ＭＨｚから１ＧＨｚ程度までの範囲で、ナノジュールレベルのパルスエネルギーで１０ｆｓ（フェムト秒）のオーダーのパルス幅（のレーザー）を発生する能力があると知られている。この様な短パルスは、タイムゲーティングや度量衡学を含む多くの応用に使用されている。このような短光パルスの応用の多くにおいては、光パルスのワンセットが他の光パルスのワンセットに対して遅れていることが必要である。ここにおいては、時間遅れは非常に高精度であることが必要であり、例えば１０ｆｓのオーダーの精度であることが必要である。短パルスの時間遅れは、生物学的または医学的なイメージングや、高速光検出および光サンプリング、光時間領域反射率計、並びに度量衡学などの応用で、多く使用されている。光パルスの遅延および走査（スキャニング）のための通常の方法は、光パルスを鏡から反射すると共に、この鏡を何らかの機械的な手段で物理的に距離Ｄだけ動かすことである。距離Ｄは、遅延時間ΔＴと、真空中では３．０×１０8 ｍ／ｓの光速との積で定義される。すなわち、
Ｄ＝ｃ／２×ΔＴ または Ｄ（ｃｍ）＝１５×ΔＴ（ｎｓ）
この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことにする。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パルスの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指すものとする。鏡の精密な位置決めおよび走査のために、すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば以下のようなものがある。
・ボイスコイル型デバイス（シェーカー）（ R. F. Fork and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978)）。
・回転鏡対（ Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Comm., 36, 406(1981)）
・ステップモーターを採用しているリニアートランスレーター（多くのベンダーから商品化されている）
・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレーター（ D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Scheuermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990)）可調整群遅延（アジャスタブル・グループ・ディレイ）を使用している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなものがある。
・走査ガルバノメーターを採用しているフェムト秒パルスシェーパー（ＦＰＳ）（ K. F. Kwong, D. Yankelevich, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes; "400-Hz mechanical scanning optical delay line" Opt. Lett. 18, (7) 558(1993)（以下 Kwong et al.と略記）；K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A. Denes, Conference on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest Series, Vol.8, 1994, paper CThI23.）
・回転ガラスブロック
物理的遅延方法には数々の短所をがあるが、その最たるものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしまうことである。例えば、１０ｎｓ（ナノ秒）の遅延を得るためには、５フィートの鏡の移動が必要である。その他にもまた、物理的な制約や短所がある。長い遅延が使用されているときには、ミスアラインメントやピント外れは、計測を歪ませる。コーナーキューブ反射器を使用すると、ミスアラインメントの問題は軽減されるが、ピント外れの問題は軽減されない。このピント外れの影響は、走査振幅が光ビームの共焦点パラメーターのかなりの部分に相当する時に起きやすい。１０ｎｓの時間遅れは、１０フィート（約３ｍ）の自由空間での伝搬を必要とする。それゆえ、ピント外れの影響を最小限に抑えるためには、共焦点パラメーター（ＺR ）はおおよそこの値（１０フィート）の１０倍、すなわちＺR ＝３０ｍでなくてはならない。このため、１５５０ｎｍの波長では１２ｍｍのビーム半径（ｗo ）が要求される。これでは多くの場合に非現実的に大きいものになってしまう。
【０００３】
鏡を大きく移動させることの必要性は、遅延線を何度も通過すること（マルチパッシング）により、低減される。（例えば、遅延線のダブルパッシングによれば、必要とされる鏡の移動距離を半減させることができる。）しかしながら、これによっては、ピント外れの問題は軽減されない。マルチパッシングでは、アラインメント作業がより複雑になり、光学的な損失が増えるといった独自の問題が生じてしまう。
【０００４】
しかし、走査率（スキャニングレート）および走査周波数に関する別の制限は、同時に解決することができる。進行中の計測の「リアルタイム」ディスプレイを得るために、素早く（３０Ｈｚより上で）走査する間に平均して信号を送ることが、多くの場合望ましい。それでも、このように高い走査周波数では、走査範囲は限られてしまう。これまでに達成された走査範囲の最高記録は、走査ＦＰＳ法（ Kwong et al. ）を用い、１００Ｈｚのレート（走査率）で１００ｐｓ（ピコ秒）である。走査範囲およびまたは走査周波数をこれ以上いくらかでも増加させると、高レベルの振動が発生してしまい、レーザーの作動が成り立たなくなってしまう可能性がある。回転しているガラスブロックは、この振動問題を防ぎ、より高い走査速度を出す能力を持っているが、走査範囲を全く調整することができない。さらに、これら（回転ガラスブロック）は、群速度の分散の変動をもたらすので、１００ｆｓ未満の幅のパルスに使用するのは不適当である。
【０００５】
物理的遅延に加えて、機械的な動きを全く必要としない時間的な走査方法が導入されている。例えば、以下のようなものがある。
・自由走査レーザー（ A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bloom, Rev.Sci, Instrum. 63,3191(1992); K.S.Giboney, S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers; "Picosecond Measurements by Free-Running Electro-Optic Sampling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.1994; J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-color subpocosecond optical sampling technique." Opt.Lett., 17, pp.1286-9, Sept.15, 1992（以下 Kafka et al.と略称）; M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann; "Controllable dual-wavelength operation of a Femtosecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-7, Jan.15, 1995 ）。
・分散要素として音響光学デフレクター（偏向器）を採用しているステップミラー遅延線（ R.payaket, S.Hunter, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort optical pulse delay using an acousto-optic deflector." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 1995 ）。
・二つのモードロックレーザー間のＲＦ位相のねじれ（ D.E.Spence, W.E.Sleat, J.M.Evance, W.Sibbett, and J.D.Kafka; "Time synchronization measurements between two self-modelocked Ti:sapphire lasers." Opt.Comm., 101, pp.286-296, Aug.15, 1993）。
【０００６】
これらの非機械的な方法によれば、とりわけ高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーでは、レーザーの反復周期全体にわたるスパン（幅）が得られる。例えば、図１に示す公知の自由走査レーザーシステムは、互いに異なるキャビティー長を持っているマスターレーザー１０およびスレーブレーザー２０を有し、両者１０，２０は互いに異なる反復周波数ν1 およびν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波数差Δν＝ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー２０のキャビティー長を所定の長さに調整することにより所望の値に設定される。相関器（コリレーター）４０は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成する。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関する情報が得られ、データ取得電子装置５０にトリガー信号が与えられる。例えば、Kafka et al.によれば、二つの独立なモードロック・チタン：サファイア・レーザー、つまりマスターレーザー１０およびスレーブレーザー２０（それぞれの公称反復率は８０ＭＨｚ）が、（８０ＭＨｚ程度の）互いに異なる反復周波数を持つように設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おおよそ１００ｋＨｚのオフセット周波数Δνで、互いを通して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカルＲＦオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反復率が８０ＭＨｚ付近であったから、総走査範囲は約１３ｎｓであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く使用することなく、時間走査が達成された。タイミングの較正は、非線形結晶（例えば相関器４０）の中へ鏡３０から反射された二つのレーザービームの相互相関により達成された。結果として得られた信号は、トリガーデータ取得ユニット５０（例えばオシロスコープ）へ送られて使用された。レーザー１０，２０からのレーザービーム出力もまた、別の鏡６０で反射され、レーザービームを使用した所望の計測や実験を行う計測装置７０により受信される。
【０００７】
この技術の最大の欠点は、次の二つの理由によりデータ取得時間が極めて長くかかることである。
１．固定された走査範囲：走査範囲が、レーザーの反復周波数（すなわちラウンドトリップタイム）の逆数に固定されている。
２．無駄時間：１３ｎｓのパルス空間の全部の代わりに、１００ｐｓだけとか１０ｐｓだけとかに関心が流れがちである。それゆえ、１０μｓ（マイクロ秒）ある走査時間のうち、ほんの１％（または０．１％）しか活用されておらず、残りの９９％（９９．９％）は「無駄時間」である。そのため、データ取得時間が１００倍とか１０００倍とかに増大する。
【０００８】
Kafka et al.は、これらの制限に言及しており、もっと高い反復率（例えばνo ＝１ＧＨｚ）のレーザーを用いればこれを部分的に回避することができると示唆している。しかしながら、たいへん多様な走査範囲が要求される多くの応用のためには、この解決策は受け入れ難い。例えば、半導体のポンププローブ計測は、しばしば多種多様な時間範囲にわたって行われる。半導体のキャリヤー（すなわち電子および正孔）の寿命は数ナノ秒のオーダーであり、１ＧＨｚのレーザーは全く受け入れることができない。なぜなら、次のパルスが届くときにも、以前のレーザパルスによる残留キャリヤーが依然として存在しているからである。それでも同時に、極端に高速なダイナミックスを見るために、もっと狭い時間スケールにズームインすることが望ましいことも、しばしばある。それゆえ、自由走査レーザー技術には、多くの応用で要求される走査範囲の選定の柔軟性が欠けている。極端に長い取得時間がかからずに広い時間的なダイナミックレンジを得るための方法は、タイミング調整を粗くも細かくもできる柔軟性を持つことである。
【０００９】
関連する研究で、レーザーが能動的にモード同期している場合にも受動的にモード同期している場合にも、あるいは受動モードロックレーザーと能動モードロックレーザーとの組み合わせの場合にも、二つのモードロックレーザーの間でタイミングを安定化させるために、数種類の方法が使用されてきた。同期化のために使用された方法は、大きく分けて（１）受動光学的方法と（２）電子的安定化との二つのタイプに分かれる。最も高い同期精度は、二つのレーザーを光学効果を介して干渉させる受動光学的方法によって達成される（ J.M.Evans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual-wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt.Lett., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993; M.R.X.de Barros and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.631-3, Apr.15, 1993; D.R.Dykaar and S.B.Darak; "Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993（以下Dykaar et al.と略称）; Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt.Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993）。これらの光学効果（例えば相互位相変調等）は、一パルス幅（１００フェムト秒未満）以下に同期される二つのレーザー間での強固なモード同期を発生させる。これらは最も正確な同期化をもたらすものの、レーザー間の時間遅れは強固に固定されている。そのため、これらの間の時間遅れを走査するためには、通常の物理的な走査遅延方法を使用せざるを得ない。
【００１０】
単純なＲＦ位相検知を使用した電子的な安定化によれば、相対的な時間遅れを調整する上で最も柔軟性が得られるが、しかし現時点ではこれらのシステムは、２〜３ピコ秒よりも良好なタイミングの正確さを維持することができない。このようなシステムは、外部の参照周波数に合わせてＴｉ：サファイア・レーザーを安定化させたり、二つのモードロックＴｉ：サファイア・レーザーの同期を取るたりするために、市販されている（スペクトラフィジックス Lok-to-Clock/TM システム）。パルス光学位相同期ループ（ＰＯＰＬＬ）を使用すれば、１００フェムト秒よりも良好な安定化が達成される。これはハイブリッド光学電子的方法であって、ディジャーリ等の文献（ S.P.Dijaili, J.S.Smith, and A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Jul.1989,以下Dijaili et al.と略称）に開示されている。同文献では、電子安定化回路が、光学的相互相関器からのタイミング誤差信号をもたらす。しかしながら、この方法は、受動的光学方法としての同じタイミング調整の同期（ロック）を被っている。タイミングの調整は、一つのパルス幅未満でのみ可能である。それゆえ、ＰＯＰＬＬ法を使用するに際して、一つのパルス幅より少しでも大きく相対パルスタイミングを変更したい場合には、一つのレーザービームの中にある種の物理的な遅延線を挿入することが必要になるであろう。
【００１１】
もしもレーザー固有のタイミングジッターが低減されるのであれば、ＲＦ法によるタイミング安定化の性能を向上させることができるであろう。二つのレーザーができる限り同一の環境条件に置かれることにより、固有のレーザージッターのある程度の低減が可能である。スティッキーパルス・レーザーは、Dykaar et al. に開示されているが、Ｔｉ：サファイア・レーザー結晶の空間的に分かれている二つの領域をポンピングするために、空間的に分割されたレーザービームを採用している。これには、二つの分割されているレーザーが、エンドミラーを除いて同じポンプレーザー、レーザー結晶、空気の空間、およびその他のキャビティー内の要素のほとんどを共有していることが不可欠である。このようにすれば、二つのレーザーは、同じ温度変動、ポンプレーザーのノイズ、および擾乱を経験するので、反復率のジッターにおける差異が最低限に抑制される。こうすれば、たとえ二つのレーザー間での光学的干渉が弱くても、複数のパルスを一緒に同期（ロック）することができる。「環境的カップリング」の一般的な原則は、モードロック・ファイバーレーザーを含む他の形式のレーザーにも適用可能である。しかしながら、Dykaar et al. の目的は二つのレーザーを一緒にロックすることであり、本発明の目的とするところでは好ましくないことに注意すべきである。なぜならば、この時間遅れは走査できないからである。すなわち、前述のスティッキーパルス・レーザーの二つのカップリングされたレーザーからのタイミングパルスは、光学的カップリングを通して一緒にロックされるものであり、独立に制御することはできないからである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一つの目的は、たとえば「マスター」レーザーおよび「スレーブ」レーザーのように、光学要素の大きな機械的な動きを必要とすることなく、パルス反復周期ＴR の連続していかようにも選択されるサブインターバルでの走査を可能とする、二つのモードロックレーザーの間での時間遅れを急速に走査（スキャン）するための方法および装置を提供することである。これは、二つのレーザー間での平均タイミング（位相）を連続的にモニターするための電子的フィードバック回路を使用しているが、一つのレーザー（たとえばスレーブレーザー）のキャビティー長をミクロン単位で適正に調整することにより達成される。なお、データー取得のデューティーサイクルが大きく改善されるように、反復周期のいくつかのサブインターバルにわたって、自由走査法とは異なり相対時間遅れが走査されるよう、二つのレーザーのＲＦ安定化を改造（モディファイ）することが望ましい。
【００１４】
本発明のさらにもう一つの目的は、上記走査方法および上記走査方法の結合に使用されるように、サブピコ秒の精度をもって走査時間スケールを較正する方法を提供することである。例えば、一つのレーザー（例えばマスターレーザー）からのパルスを、部分反射する光学要素のシリーズを通して別のレーザー（例えばスレーブレーザー）からの通過パルスによって得られるパルスシーケンスに対する相互相関を取る（クロスコリレートする）ために、本発明は使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態および実施例】
本発明の実施例は、複数の図面を参照してより詳細に以下に記述されており、これらの図面には明細書と同一の符号が付されている。
［高速走査法の原理］
本発明は、自由走査レーザーシステムと同様に、例えば図２（ａ）に示すようにほとんど同一の反復率をもつマスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１２０の二つのレーザーから構成されている。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なって、マスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１２０からのパルス出力は、互いを通して完全に走査することはできないようになっている。むしろ、波長λ１をもつマスターレーザー１１０は、一定の反復率ν1 に保持されているか、自発的にドリフトするのが容認されている一方で、スレーブレーザー１２０の反復周波数ν2 は、マスターレーザー１１０の反復率の付近を動揺（ディザー）させられている。この反復率の動揺は、例えば３０Ｈｚから１ｋＨｚまでの範囲の「高」周波でスレーブレーザー１２０のキャビティー長（Ｌ2 ）を変えることによって達成されている。その一方で、その「平均的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相同期ループ（ＰＬＬ）回路を含む安定器ユニット１３０により、マスターレーザー１１０の反復率に合わせて追従ないし制御されている。マスターレーザー１１０とスレーブレーザー１２０との間の平均的な時間遅れは、スレーブレーザー１２０のキャビティー長を制御する安定器ユニット１３０により、一定に保持されている。一方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、信号発生器１４０からの高速動揺信号出力は、安定器ユニット１３０からの制御電圧出力と（合算器Σで）足し合わされている。反復周波数の追従および動揺は、スレーブレーザー１２０のエンドミラーをピエゾ素子（ＰＺＴ）１２１に取付け、周波数信号発生器１４０からの必須の電圧信号を（ＰＺＴに）印加することにより、実現することができる。ＰＬＬ回路の帯域幅は動揺周波数未満であることが必要であり、さもないと、（スレーブレーザー１２０の周波数が）マスターレーザー１１０に追従しようとしてキャビティー長の走査を妨害してしまうであろう。
【００１６】
図２（ｂ）は別の実施例を示しており、この実施例ではマスターレーザー１１０もＰＺＴ１１１を装置していて、両レーザー１１０，１２０が共にＰＺＴ１１１，１２１によりそれぞれ制御されるエンドミラーを有している。この場合には、マスターレーザー１１０が走査周波数で動揺させられており、スレーブレーザー１２０はマスターレーザー１１０の「平均的」反復率を追従（トラック）している。マスターレーザー１１０のキャビティー長は信号発生器１４０により急速に動揺させられており、安定器ユニット１３０はスレーブレーザー１２０を所望の平均的時間遅れに固持している。
【００１７】
繰り返すが、ＰＬＬ回路がタイミング走査と干渉しないために、ＰＬＬ回路の帯域幅を動揺周波数が凌駕していることが必要である。
キャビティー長の走査がどう作用するかを説明する一例として、スレーブレーザー１２０のＰＺＴに対して走査周波数ｆS の矩形波を印加する。すると、キャビティー長のミスマッチは、次の数１の時間の関数で急速に変動する。
【００１８】
【数１】
ΔＬ（ｔ）＝ΔＬ0 ・Sq（ｆS ｔ）
ここで、ΔＬ0 は矩形波の移動量の振幅であり、Sq（ｘ）は矩形波関数である。これにより、走査サイクルの半分毎に正負の線形走査遅れが生じる（三角波）。安定している場合には、ΔＬだけの一定のキャビティー長のミスマッチが、次の数２のオフセット周波数を生じる。
【００１９】
【数２】
Δν＝−ｃΔＬ／（２Ｌ2 )
または書き改めて、
Δν／ν＝−ΔＬ／Ｌ
しかしながら、高速走査法においては、キャビティー長は十分に高い周波数で動揺させられるので、（両レーザーの）パルスは互いにすれ違う可能性はない。すなわち、走査周波数および振幅は、次の数３の条件を満たす。
【００２０】
【数３】
【００２１】
【数４】
ここで、ｃは真空中の光速であり、積分期間は走査サイクルのオーダーにある。図３（ａ）は矩形波変調の例を示しており、同図では１ｋＨｚの矩形波が二つのレーザーのうち一つのＰＺＴに印加されている。図３（ａ）〜（ｃ）に示されている波形は、時間に依存しているキャビティー長のミスマッチΔＬ(t) およびその結果として生じる瞬時の時間遅れＴD(t)を、各種の動揺波形がスレーブレーザー１２０のＰＺＴに印加される際の時間の関数として示している。瞬時の反復率ν2 は、ν1 の周辺を動揺しており、相対的な時間遅れは時間に関して線形に前後に走査している。合計走査範囲は基本反復率ν1 または走査周波数ｆs に依存しており、走査範囲は次の数５に従う。
【００２３】
【数５】
Ｔmax＝（ΔＬ／２Ｌ）・（１／ｆs ）
またはオフセット周波数で表現して
Ｔmax＝（Δν／２ν）・（１／ｆs ）
走査率は、（ミリ秒／ミリ秒）の単位で次の数６により与えられる。
【００２４】
【数６】
Ｒscan＝２ΔＬν／ｃ
または
Ｒscan＝ΔＬ／Ｌ
あるいは研究室で使うのに便利な単位で、
Ｒscan＝１０9 ΔＬ／Ｌ（ｐｓ／ｍｓ）
「サンプリンググリッド」は、次の数７のラウンドトリップあたりの時間的なパルス進みから与えられる。
【００２５】
【数７】
δｔg ＝２ΔＬ／ｃ
走査速度パラメーターを、１秒あたりの空間的なパルスの進みの総計として、次の数８に示すように定義することができる。
【００２６】
【数８】
νscan＝（２ΔＬ(t)）／ＴR ＝（ΔＬ(t)）／Ｌ・ｃ
走査率、サンプリンググリッド、および走査速度の概念は、自由走査（フリー・スキャン）レーザーにもまた適用可能であることに注意されたい。
一例を挙げると、公称キャビティー長がＬ＝１．５ｍのレーザー一対により、ν1 ＝１００ＭＨｚが得られる。もしΔＬ＝１５μｍの走査振幅を仮定すると、Δν＝１ｋＨｚのオフセット周波数、Ｒscan＝１０4 ｐｓ／ｍｓ、およびδｔg ＝１００ｆｓが結果として得られる。もしキャビティー長が動揺させられないと、フルパルス・ウォークオフが１ｍｓで起こる。したがって、もし１５μｍの走査振幅が使用されると、トータル・ウォークオフを防ぐためにはｆs ＞１ｋＨｚの走査周波数が必要である。
【００２７】
表１〜３には、１０ＭＨｚ、１００ＭＨｚ、および１ＧＨｚの反復率νをもつモードロックレーザーについて、いくつかの可能な走査範囲、走査率、および各種走査速度パラメーターの関数としてのサンプリンググリッド・インターバルが記載されている。表３から、１ＧＨｚのレーザーについて、実際的な走査条件の大半においてトータル・ウォークオフが生じていることが分かり、それゆえに時間遅れは１ナノ秒を超えることができない。したがって、反復率が１ＧＨｚ未満のレーザーでは、本発明の動揺方法が自由走査レーザー方法として望ましい。
【００２８】
【表１】
【表２】
【表３】
注：表３中の＊は、トータル・ウォークオフ（最大で１ナノ秒）を示す。対称形の矩形波が唯一の望ましい方法と言うわけではない。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、矩形波変調に加えて別の二つの動揺方法（スキーム）を示している。単方向の走査を得るために、図３（ｂ）に示すように方形波（非対称な矩形波）を使用することもできる。こうすれば、後方への走査の無用の無駄時間を低減することができるであろう。無指向性走査が市販のファブリ・ペロー干渉計で使用されているとは言え、図３（ｂ）に示す方形波によるよりも、むしろ三角波で（無指向性走査を）実行している。
【００３２】
矩形波および方形波の前縁および後縁での電圧の急変は、機械的なショックとＰＺＴの浮き上がりを起こしかねず、それゆえ異なる走査の線形時間スケールを歪ませることになる。これらの影響を低減するような信号条件の何らかのタイプ（例えば遷移のスムージング）が望ましい。あるいは、図３（ｃ）に示すように、正弦波電圧をＰＺＴに印加しても良い。正弦波走査の利点は、矩形波や方形波にある鋭い電圧遷移に関連して起こるショックや浮き上がりを避けることができることである。また、誘起されたキャビティー長のミスマッチに反応しようとするＰＬＬによるタイミングの歪みをもさけることができる。すなわち、単純なアナログ安定化回路にとって、たとえ走査時間遅れに対してなにがしかの反応をこの安定器がしても、正弦波駆動電圧は正弦波的な走査特性をもたらす。これらの理由により、正弦波走査が実施上もっとも単純である。しかしながら、正弦波走査では、図３（ｂ）に示すように単方向の走査を生じる方形波のもつ利点は得られない。それゆえ、単純さが求められる度合いに応じて、正弦波走査でＰＺＴを駆動するのが望ましくなる。
【００３３】
表１〜３中の走査速度パラメーターは、ＰＺＴの対称形の矩形波変調に基づいて得られている。正弦波走査では、走査範囲および走査率が若干変わることであろう。時間に依存する遅れは依然として前述の数４で求められるが、キャビティー長の変調は次の数９により与えられる。
【００３４】
【数９】
ΔＬ(t) ＝ΔＬ0・ｃｏｓ（２πｆsｔ）
その際の遅れは、次の数１０で与えられる。
【００３５】
【数１０】
ＴD(t) ＝（ΔＬ0／Ｌ）・（１／２πｆs）・ｓｉｎ（２πｆsｔ）
以上のようにして正弦波走査（の特性）が求まる。ただし、ＰＺＴの位置に対して時間遅れは９０度になる。この場合、走査特性は線形ではなく、ある種のスケール補正が必要であることに注意されたい。
【００３６】
ここに記載されているレーザー走査技術は一対のモードロック・ファイバーレーザーを使用して実証されているが、この技術は前述の二つの実施例に限定されるものではなく、むしろソリッドステート、ダイオードレーザー、およびダイレーザーを含むモードロックレーザーの多くのタイプに適用可能である。
［走査ファイバーレーザーシステム］
図４に、二つのファイバーレーザーすなわちマスターレーザー２１０およびスレーブレーザー２２０を採用している本発明の好ましい実施例を示す。
【００３７】
両レーザー２１０，２２０は、同じレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされており、同レーザーダイオードのパワーはスプリッターＳＰＬ ２０６により二つのレーザーへと分割されている。マスターレーザー２１０は、ファラデー回転子（旋光器）ミラーＦＲＭ ２１５によって終端が形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、光学アセンブリＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。これはＦＲＭ ２１５とほぼ同じであるが、ミラーがＰＺＴ上に取り付けられている点が異なっている。二つのファイバーレーザー２１０，２２０は、同一のモード同期光学系（すなわち波長板λ／４，λ／２、ファラデー回転子ＦＲ、および偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を構成要素としている。レーザーモード同期は、飽和吸収器ＳＡによって始動される。両レーザー２１０，２２０の低雑音出力ポートからの出力パルスは、それぞれフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２よって検知される。両フォトダイオードは、駆動安定器１３０によって使用される。
【００３８】
両ファイバーレーザー２１０，２２０は、ν0 ＝４．６２９ＭＨｚの公称反復率を持っている。これらは、ファーマン等の文献（ M.E.Ferman, L.M.Yang, M.L.Stock, and M.J.Andrejco, "Enviromentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber lazer producing 360-fs pulses." Opt.Lett., 10, pp.43-5, Jan.1994）に開示されている。同文献では、モード同期機構として非線形偏光エヴォルーション（ＮＰＥ）が使用されている。両レーザー２１０，２２０は、ファラデー回転子ミラーを除いて、同一の構成要素を持っている。すなわち、マスターレーザー２１０は、シングルパッケージのファラデー回転子ミラーＦＲＭ ２１５で終端を形成されている。一方、スレーブレーザー２２０は、ＦＲＭと同一ではあるがミラーがＰＺＴ上に取り付けられている分離した構成要素であるアセンブリーＰＺＴ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。ここで使用されているＰＺＴは、全移動行程が４０ミクロンのものである。両レーザー２１０，２２０は、同じファイバースプール２８０に一緒に巻き付けられることにより、熱的および力学的にカップリングされている（同一状態に保たれている）。そのうえ、両レーザー２１０，２２０は、同じポンプレーザーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされているので、二つのレーザー内のポンプノイズは相関している。両レーザー２１０，２２０間の相対的なタイミングは、ＰＬＬ回路を含む安定器１３０によって設定され安定化されている。ひとたび安定器１３０が稼働し両レーザー２１０，２２０が適正な遅れに設定されると、走査させるようにスレーブレーザー２２０のＰＺＴに動揺信号が印加される。動揺信号は、信号発生器１３５により印加され、ＰＺＴを駆動するための信号を生成するために、安定器１３０からの安定化信号出力に加えられる。あるいは、安定器１３０の出力が安定化信号および動揺信号の両方を含んでいるようにして、安定器１３０から動揺信号を発生させても良い。いずれのレーザー２１０，２２０も、キャビティー内の偏光器に関連した二つの出力ポートをそれぞれ持っている。これら二つの出力ポートは、図４中に各ＰＢＳの二つの出力として図示されている。これら二つのレーザー出力は、互いに極めて異なった雑音特性を持っている。すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが知られている（ＮＰＥに起因する）光学限界効果のゆえである。安定化回路１３０への入力を生成するフォトダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって検出されのは、この静かな出力ビームである。安定化回路１３０への入力として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッターを最小限に抑制する助けになる。
【００３９】
正弦波時間走査は、このツインファイバーレーザーシステムを使用した本発明者らによって初めて達成された。図５は、図４に示した二つのファイバーレーザー２１０，２２０の間の相互相関走査（クロスコリレーション・スキャン）の二サイクルを示している。この相互相関走査は、平均化なしの単発のデータ取得により収集されたデータである。より詳しくは、走査周波数１０６Ｈｚ、走査範囲２００ピコ秒における本発明の動揺方法により走査させられている二つのファイバーレーザー２１０，２２０間の相互相関信号を、図５は示している。ここで、図５はフルに二サイクル分の走査を図示しており、前進走査（フォウォードスキャン）および後退走査（バックウォードスキャン）を示している。併せて、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、矩形波として現れている信号発生器１３５のトリガー出力とが図示されている。図５のプロットは、二つのレーザー２１０，２２０からのパルスを、非線形結晶すなわちベータバリウム・ボレート（ＢＢＯ）結晶内での和周波混合（サム・フリーケンシー・ミキシング）を使用した変形相互相関器を通して得られたものである。
【００４０】
走査の機械的な遅延（遅れ、ディレイ）は、公知の相関器（コリレーター）の一枝（ワンアーム）の中で使用される。しかしながら、本発明の相関器では、機械的な遅延は使用されていない。全ての走査は、前述のレーザー動揺法によって行われている。また図５には、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、信号発生器１３５からのトリガー出力とが図示されている。数９および数１０から予期できるように、グラフ上にマークされたＰＺＴの移動端は、印加された正弦波から９０度だけ位相が外れていることに留意されたい。走査範囲は、走査周波数１００Ｈｚで約２００ピコ秒である。これは、反復率１００Ｈｚでの３ｃｍの物理的な遅延と等価である。しかし、このツインレーザーシステムでは、これと同じ走査範囲が、スレーブレーザー２２０のＰＺＴをほんの２〜３ミクロンだけ動かすことにより達成されている。
【００４１】
この相互相関法は、二つのレーザー２１０，２２０間のタイミングジッターを計測するために使用された。タイミングの較正は、２０ピコ秒だけ分離されたパルス列を作り出す厚さ２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することにより、行われている。これらのパルス列は、図５中の走査上で明瞭に視認できる。図６は、同じ走査を引き伸ばした時間スケールで図示している。同図から、２ｍｍのガラスエタロンを相関器の一枝に挿置することによって生成されたごく近傍に間隔を空けている二つのパルス（一つのレーザーはサテライトパルスを持っている）と、この一対のパルスの複製とが見て取れる。この一対のパルスは、エタロンの光学的厚さに対応している２０ピコ秒だけ、主たる（メイン）パルス対（つい）から離れている。ここで、パルス幅は１ピコ秒のオーダーにあり、またサテライトパルスは２〜３ピコ秒だけメインパルスから離れて存在している。したがって、ＲＭＳタイミングジッターは、±２０ピコ秒までの状況によるタイミングの偏差を伴って、ΔＴj ＝５ピコ秒と測定された。タイミングジッターのデータは図７に示されており、同図では各データポイントが、走査率１０６Ｈｚでの各レーザー２１０，２２０の走査間の相対的な時間遅れを表している。この計測されたジッターは、安定器１３０の電子的ＰＬＬ回路の精度の限界を例示していると共に、これだけのジッターにもかかわらず如何に精密にタイミングの情報が得られるかをも例示している。もし走査が十分に急速に行われるのであれば、走査時間内の相対的なタイミングジッターは、極めて小さくすることができる。そして、例えばレーザパルスをエタロンに通すことにより、もし安定なタイミングパルス列が得られるのであれば、走査時間の間のジッターさえも正確に知ることができる。このようにして、レーザーに数ピコ秒のジッターがありながらも、走査特性はサブピコ秒の精度で明らかになる。
【００４２】
一緒にパッケージ（コ・パッケージング）された複数のレーザーの効用は、重大である。
以前に本発明者により組み立てられたあまりうまくないデュアルレーザーシステムでは、同様の一対のレーザーが異なる基台（ブレッドボード）上に別々に組み上げられており、異なるレーザーによってポンピングされていた。安定器を使用しても、ＰＺＴの移動範囲の４０ミクロンをキャビティー長のミスマッチが超える前に、そのスレーブレーザーがマスターレーザーに追随していたのは、わずかに３０分程度であった。この（ミスマッチが４０ミクロンを超える）時点で、追随（トラッキング）は不可能となった。それゆえ、正常な室温の下にあっても、５ＭＨｚレーザーの一対の間でのキャビティー長のミスマッチのドリフトは、大半のＰＺＴの可動範囲である４０ミクロンを容易に超えてしまった。
【００４３】
これとは対称的に、本発明の一緒にパッケージされたシステムは、無期限に追従することができるので、正常な室内状態の下でＰＺＴによる４０ミクロンの制限内にキャビティー長のミスマッチが見事に留まっていることを示している。周波数ドリフトの絶対値の計測と相対値の計測によれば、二つのレーザー２１０，２２０の間の相対的な周波数ドリフトは、一つのレーザーの絶対的なドリフトの７分の１程度に小さいことが分かる。相対的なドリフトは、製作上で二つのレーザーを真に同一に作ることにより、さらに小さく改善することができる。これは、両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＰＺＴ−ＦＲＭアセンブリで形成することによるか、または両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＦＲＭパッケージで形成し、スレーブレーザー２２０のキャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更することにより、達成することができる。
【００４４】
相対的タイミングドリフトおよび絶対的タイミングドリフトの両方をさらに低減するには、ファイバースプール２８０および他の構成要素を遮音して、同じ容器内に二つのレーザーを構成すると良い。こうすると遮音されるし、温度も制御される。つまるところ、前述の各方法の全てを用いて、相対的タイミングジッターは量子限界にまで達した（ H.A.Haus and A.Mecozzi, "Noise of mode-locked lasers," IEEE J. Quantum Electron., QE-29, pp.983-996, March 0993）。量子限界によるタイミングジッターは、分散（ディスパーション）の増大に伴って増大するので、分散ゼロの波長の付近でモードロックレーザーを作動させることにより、ジッターはさらに低減されうるであろう。
【００４５】
モードロックレーザーのエンドミラーを動揺させることにより、ミラーのミスアラインメントとピント外れとのせいで、走査周波数における振幅の変動が誘起される。ミスアラインメントの作用は、角度の感度を減らすようにＰＺＴミラーに焦点を結ばせることにより、また、市販のファブリペロー干渉計でできるがアラインメントを保つように三点ミラー走査ＰＺＴを用いることによって、最小化される。ピント外れの影響は、ＰＺＴミラーへのビームウエスト入射（ビーム・ウエスト・インシデント）の共焦点パラメーターに対し、走査振幅が許容できる程に小さいときに、発生しうる。ファイバーレーザーにおいて、このピント外れは、ファイバー内に戻ってくるビームの結合効率（カップリング・エフェシエンシー）の減少を起こし、今度はパワーの変動を起こす。それゆえ、ＰＺＴミラーの焦点深度が浅いこと（タイト・フォーカシング）は、望ましくないことである。ビームのコリメーションの賢明な選定により、このピント外れの影響を低減することができる。例えば、もし４０ミクロンの走査範囲を持つＰＺＴを使用すると、共焦点パラメーターは少なくとも２〜３ｍｍは必要であろう。そこで、ＺR がＰＺＴミラーでのビーム・ウェイストの共焦点パラメーターであるとして、（ΔＬ／ＺR）2の量がおおよそ１０-4であるというのはかなり小さい。この量が小さければ、レーザーの振幅変調はこれに伴って小さい。
【００４６】
たとえもしミラーの軽度のミスアラインメントが走査中の振幅にいくらかの変動をもたらしたとしても、ファイバーの導波特性（ガイディング・プロパティー）の故に、ビーム指向性（ポインティング）の安定性はいささかも減退しない。しかしながら、ソリッドステート・モードロックレーザーを使用した場合には、もし出力ビームの偏差の発生を防止するように計測が行われないならば、いくらかの出力ビームの偏差が生じる可能性がある。
【００４７】
変形態様のレーザーシステムとして、同一のＦＲＭで両レーザーの終端が形成されていても良く、またキャビティー長がＰＺＴファイバー・ストレッチャーにより調整されるようになっていても良い。このようなピエゾセラミックチューブ・アクチュエータ（ＰｉＴ ４０×１８×１）は、ドイツのピエゾメカニック株式会社により製造されている。
【００４８】
［タイミング較正］
ＰＬＬ回路安定器１３０が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例えば１００フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミング信号で、データ取得ユニット５０が適正にトリガーされることが補償されていることが必要である。このような信号は、ＢＢＯのような非線形結晶内での非線形光学ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。このようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka et al.のようなその他の人によっても行われている。走査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合にも、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精度を得るためにも必須であることが示されている。
【００４９】
しかしながら、これは必要条件ではあっても十分条件ではない。ジッターの計測によれば、タイミングの変動は、走査と走査との間で発生するばかりではなく、単一の走査の間にも生じていることが明らかになっている。すなわち、走査率Ｒscanは、走査と走査の間で変化するばかりではなく、走査サイクルの中でさえも変動する。それゆえ、走査の作動が信号平均化よりも「前に」起こることが必須である。したがって、相関器からの走査毎に「少なくとも」二つのタイミングパルスがあることが必要である。この二つのタイミングパルスのうち、一方はトリガリングのためであり、他方は時間スケール情報のためである。これを行うのに、本発明は、（振幅と時間との両方において）一様なパルス列でも非一様なパルス列でも、走査インターバルを満足することができる。このようにすれば、各走査サイクルの各々における走査インターバルに関すして、タイミング情報を得ることができる。
【００５０】
［タイミングスケールの発生］
時間スケールの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発生させるのに使用するように、光学的方法を選択することである。好ましい実施例においては、図８（ａ）〜（ｂ）に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様に生成するよう、高度に精妙（フィネッセ）なファブリペロー（ＦＰ）エタロンから単パルスを反射することにより、パルス列を生成することができる。なぜならば、このＦＰエタロンは「ガタガタ板」として使用されており、その中ではＦＰエタロン（すなわち高度に精妙なエタロン）内でパルスが何度も内部反射されるからである。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率はむしろ低い。
【００５１】
一例として二つのミラーからなるＲ＝９８％の反射率のＦＰエタロンを採用したとすると、その透過率はＴ＝０．０００４である。この例について今から説明する。透過したパルス列は、図８（ａ）に示すように、ＦＰエタロンの通過時間により分離されている一連のパルスであり、ミラー損失およびミスアラインメントに依存している減衰率により弱まって立ち上がっている。すなわち、送信されたパルス列は、Ｔをエタロン表面の透過率としてＴ2 のファクターにより減衰する。送信されたパルス列には、パルス強度がラウンドトリップ毎にゆっくりと弱まるが、多かれ少なかれ一様性がある。パルス列中の第１の（かつ最大の）パルスは、ＦＰエタロンに入射するパルスに比べて２５００分の１に弱まっている。
【００５２】
図９および図１０は、表面の反射率がＲ＝９８％でありミラーの間隔が約１ｍｍの実際にエアギャップがあるＦＰエタロンを通して送信されたパルス列が、ゆっくりと減衰していく様子を示している。図１０は、引き伸ばした時間軸上に、１７パルスを持つ単一の後退走査（バックウォード・スキャン）のプロットと、走査の終端に対応する点とを示している。これらのデーターは、単に、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り付けられたリトロレフレクターを採用している通常の走査相関器の一枝に、ＦＰエタロンを挿置することにより得られたものである。スピーカーには正弦波電圧が印加されたので、時間遅れは、いくらか正弦波的な仕方で走査されている。パルス間の時間的な間隔により、図１１（ａ）に示すように、シェーカーミラーの走査特性が得られる。総走査範囲（トータル・スキャンレンジ）は、これらのデータから次の数１１に従って算出される。
【００５３】
【数１１】
Ｔmax ＝〜（１７パルス）×（６．７ピコ秒／パルス）
図１１（ａ）に示すデーターは、予期されたように、走査特性が正確に線形ではないことを示している。線形性からの偏差を示すために、このデーターは直線でフィッティングされ、そしてこのデーターはこのベストフィット（の直線）から減算された。その結果を図１１（ｂ）に示すように、時間走査特性は線形性からの偏差を有する。
【００５４】
反射されたパルス列は、図８（ｂ）に示すように、最初の表面反射でありパルスエネルギーの大半（すなわち９８％）を含んでいるプロンプトパルスによって減少していること以外は、送信されたパルス列と同一である。この最初に反射されたパルスが強度の大半を占めているので、どのような試験的な応用や計測を行うにも便利である。このプロンプトパルスの強度は、プロンプトパルスの直後に続くパルス列の強度の２５００倍であることに留意されたい。ほとんどの場合、この弱いパルス列は計測に影響することはない。しかしながら、それでも受け入れがたい場合もあり得るであろう。
【００５５】
もちろん、精妙さの低いエタロンを使用することもできるが、そうすると送信されるパルス列の減衰がもっとずっと急速になり、この相関器のダイナミックレンジが限定要素になってしまう。例えば、表面の反射率がＲ＝３０％のエタロンを使用すると、各パルスが直前のパルスよりも１０分の１に弱くなって急激に減衰する一連のパルスが発生する。それゆえ、ほとんどのデーター取得装置においては一度の測定で三桁のダイナミックレンジであるので、リアルタイムの較正にはたったの三個程度のパルスしか使えない。これは、図５〜７に示す相関の場合であった。例えば対数アンプを使用するなどのダイナミックレンジ圧縮スキームによって、この影響はある程度まで除去することができる。
【００５６】
さらに別の実施例では、ＦＰエタロンの組み合わせを使用することができる。例えば、（カバースリップのような）薄いエタロンによれば、極めて近接したパルス（〜１ピコ秒）の対を発生させることができ、これをもっと間隔が広く（例えば２０ピコ秒）より高度に精妙なＦＰに送ることができるであろう。その結果、一連の２０ピコ秒おきのパルス対が得られるであろう。これにより、タイミング特性に関するローカルで派生的な情報が得られる。
【００５７】
上記ＦＰエタロンは、固形（ソリッド）でも空間型（エアスペースド）でも構わない。ソリッド・エタロンはもっとでこぼこでコンパクトであるが、エアスペースド・エタロンは調整可能でパルスの広がりを避けることができる。ここで、パルスの広がりは、エタロンを透過して多数回のラウンドトリップをしてきたパルスに起こる現象である。高精度を得るためには、エタロンの温度を制御することが必要である。例えば、融けたシリカの一片を透過して起こる群遅延（グループ・ディレイ）の機能的な変化は、近似的にΔｌ／ｌ〜１０-6℃である。それゆえ、もし１ミクロン（６フェムト秒）の精度が全長１ｍ（６ナノ秒）の範囲で要求される場合には、エタロンの温度は１℃以内で一定にすべきである。エアスペースド・エタロンには、温度補償取付け技術を使用して構成できる点で利点がある。したがって、ソリッド・エタロンの温度感度は低減することができ、正常な室温での作動には温度制御は必要ないかもしれない。
【００５８】
その他にも実施可能なものとしては、図１２（ａ）に示すように、光ファイバー３００上に形成された光反射率の異なる一連のファイバー格子３１０を使用するものがある。これらの格子３１０は、一様にも非一様にもパルス・シーケンスを顕すように製作することができる。この場合には、間隔（スペーシング）は一様であるが、同図に示す如く５パルス毎または１０パルス毎に大きなパルスが生じる「規則的な（ルーラー）」スケールを形成するように、その振幅は非一様である。もちろん、ファイバー３００内であれば所望の位置にどこにでもファイバー格子３１０を形成することができることは、たいへんに融通性に富んだことであり、格子３１０を非一様に配設することは、タイミングの曖昧さを取り除く上で有利であろう。
【００５９】
そのうえ、もしファイバー３００の実長をパルスが通過するようにしたいのであれば、ファイバー３００内での群速度分散（ＧＶＤ）によってパルスが拡がってしまう。そこで、通過すべきファイバー３００のＧＶＤが適正に補償されるようなやり方で、チャープ格子３１０を形成しても良い。実際にも、ノーマルなチャープのない格子では反射帯域幅がほんの２ｎｍ程度しかないので、サブピコ秒のパルスに対しては不安定になってしまい、高精度の時間分解能を得ようとすればチャープ格子が必要である。中央波長８００ｎｍの１００フェムト秒パルスは、半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅が８ｎｍである。そして波長１５００ｎｍでは、帯域幅は約３０ｎｍである。これらのパルスに対しては、チャープ格子だけが充分に広い帯域幅を持っている。
【００６０】
チャープ格子からのフェムト秒の反射パルスは、それらのパルス自身が拡がっておりかつチャープされていることが知られている。この場合には、図１２（ｂ）に概要を示すように、チャープの方向が互いに逆の二つのチャープ格子３２０，３３０からのパルスを連続的に反射することが必要である。ここでは、パルスは、まず最初にチャープ格子シーケンスＣＦＧＳ ３２０から反射され、続いて反対向きにチャープされたほとんど同一のチャープ格子３１０から反射されるという補償スキームを使用することにより、パルスの拡大（ブロードニング）が防止されている。この順番は逆にしても（すなわちＣＦＧの次にＣＦＧＳの順で反射されても）、同様の結果が得られる。偏光ビームスプリッタＰＢＳ ３４０により、また１／４波長板ＱＷＰ ３５０によって、有効な分割（スプリッティング）および反射がもたらされる。
【００６１】
この技術は、ガルバナスカス等によるファイバー内でのチャープパルス増幅に応用されて成功を収めている（ A.Galvanauskas, M.E.Fermann, K.Sugden, and Bennion, "All-fiber femtosecond pulse amplification circuit using chirped Bragg gratings." Appl.Phys.Lett., 66, pp.1053-5, Feb.27, 1995 ）。しかしながら、本発明のこの見地での目的は、ガルバナカス等のそれとは異なっている。彼らの研究では、チャープパルス増幅のために光パルスを非常に長い持続時間（＞３００ピコ秒）に引き伸ばすためと、そしてそのパルスを再び圧縮するためとに、一対の格子が使われている。本発明では、チャープされていない格子は短パルスをサポートするのに帯域幅（〜１ｎｍ）が不十分であるので、また、ファイバーの実長を横切るパルスに対してファイバーのＧＶＤを補償する必要性がいくらか生じるであろうからという理由で、チャープ格子が使用されている。ここで、本発明のこの見地での目的は短パルスのシーケンスを発生させることであるから、パルスを引き伸ばそうという要求はない。
【００６２】
二つのファイバー格子は、透過にも反射にも使用可能なファイバーＦＰエタロンを形成するためにも使用できる。あるいは、受動的光ファイバーループを使用しても良い。反射を起こせる他の構造は、ファイバー内の光ファイバーとマイクロベンドとの接合が不十分である。これらの場合には、温度制御が必要であろうし、タイミングの較正のバリエーションは前もって知ることができ数学的に補償されるであろう。
【００６３】
パルス列は、物理的に可能であれば、所望のパルス列が得られるように注意深く選ばれた各ミラーの反射率および間隔により、部分的に反射する一連のミラーによってもまた、生成が可能である。単一のパルスから所望のパルス列を生じるために必要なミラーパラメーターを計算するためのアルゴリズムがすでに開発されている（ V.Narayan et al., "Design of multimirror structure for hig-frequency bursts and codes of ultrashort pulses," IEEE J.Quantum Electron. QE-30, pp.1671-1680, July 1994 ）。単一のパルスからパルス列を生成するためにも使用できる部分レフレクターからなる光学デバイスは、その他にも数々ある。
【００６４】
任意にプログラムすることができるパルス列は、パルスシェーピング分散遅延線（ＤＤＬ）にレーザパルスを通すことによって生成できる。これによれば、前述の方法よりもずっと大きな柔軟性が得られるが、しかし達成しうる最大のパルス間隔の点で限界がある。実際上の限界は、おおよそ１００〜２００ピコ秒である。パルス間隔をこれよりいくらかでも大きくしようとすると、物理的に大きな装置が必要になり、法外に高価なものになってしまう。
【００６５】
波長が１５５０ｎｍ付近の低い反復率（３０ＭＨｚ以下）のレーザーに最も有用な別の実施例は、ゲイン・セクション（例えばＥｒドープされたファイバー）のあるファイバーループからなる再生ソリトン保存リング内に、パルス列を注入するためのものであろう。このリング内に注入されたパルス列は、ここで説明した方法を含むいろいろな方法で得られるであろう（例えば、ファブリペロー・エタロン、ファイバー格子、パルスシェーパー、その他）。このループは再生的であるので、各レーザパルスについてダンピングすることと再注入することが必要である。これは、５ＭＨｚのレーザーでは２００ナノ秒毎に起こるであろう。ダンピングおよび注入は、ＡＯ（音響光学的）であってもＥＯ（電気光学的）であっても、市販のある種の光スイッチで達成されうる。
【００６６】
ただし、別の実施例は、閾値（スレッショルド）またはその付近にまでバイアスされたレーザーダイオードに、単一のレーザーからの複数の短パルスを注入するためのものであろう。レーザーダイオードの複数の小面は、３０％の反射率を持ち、精妙さが低いＦＰエタロンを形成している。しかしながら、このレーザーダイオードの利得は、光パルスの「リングダウン」を阻止ないし防止するであろう。このようにして、数十のパルスからなるパルス列を得ることが可能になろう。実際に、このダイオード中での群速度分散および利得の狭まり（ゲイン・ナローイング）は、その構造を通って多数回のラウンドトリップをするパルスを拡げてしまい、それゆえに実際に使用可能なパルスの数を制限してしまうことになろう。このデバイスは、反射にも透過にも使用することができる。
【００６７】
特別に細かい（サブミクロンの）較正は、その計測システムの一つのビーム内に複屈折結晶（例えば水晶）を挿入して、その結晶の常軸および異常軸に沿って伝搬するパルスの到着時刻を比較することによってなし得る。１ｍｍの典型的な板厚では２〜３波長分のリターデーションを生じ、そのリターデーションにより、１００フェムト秒以下の持続時間のパルスが使用されるならば容易に認められる違いを生じるであろう。
【００６８】
［相互相関器光学系］
前述の方法によって生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用して、別のレーザパルスと相互相関を取ることができる。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出するためには、各種の非線形プロセスを使用することができる。使用可能なある種の非線形性としては、第２高調波発生（ＳＨＧ）、和周波発生、利得飽和、吸収飽和、四波混合、および光電流があるが、これらに限定されるものではない。非線形要素のありそうな選択としては、ＳＨＧ結晶がある。しかしながら、ＳＨＧ結晶を使用すると、レーザパルス間にオーバーラップがあったときにしか信号が発生しないという短所がある。それゆえ、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパー、エタロン、その他の各種を使用することが必要になる。ある状況においては、ＳＨＧ結晶の使用によって得られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非即時の応答を持つ故に「振幅」情報を介して時間遅れに関する情報が得られる要素を使用することが、より望ましいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイオード増幅器（ＴＷＡｓ）や飽和吸収器や光検出器などの適切なデバイスや材料、あるいはＰＩＮフォトダイオードやアバランシェ・フォトダイオードあるいはＳＥＥＤデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスなどは、数多くある。例えば、ＴＷＡなどは、光通信の中で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら（ＴＷＡ）は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲とは、そのデバイスの回復時間（リカバリータイム）によって決まる。ＴＷＡデバイスは、１０-3ラジアン程度までの位相精度で計測ができることが分かっている。このような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけがタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。そのデバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化するそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的な特性を観測することによってもまた、パルスタイミング情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当たり、これは大きな単純化である。
【００６９】
これらのタイミング較正技術は、高速走査レーザー法と共に使用するようになっているとはいえ、ここに述べられたレーザー走査システムだけにとは限らず、自由走査レーザー、二重波長モードロックレーザー、および物理的な遅れを採用している通常の走査システムにさえも、応用できると期待している。その一例としては、図９〜１１に示されている較正データーがある。このデーターは、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り付けられたリトロレフレクターからなる走査システムから取得された。そのスピーカーに正弦波電圧が印加されているから、その時間遅れは、いくらか正弦波的な調子で走査された。図１１（ａ）に示す走査特性は、走査中に取得されたどんなデーターの時間スケールの修正にも使用することができる。そのアクチュエータがもっと大きな振幅で駆動されると、その走査特性は明らかに正弦波的に偏差を生じる。これもまた、修正可能である。回転しているガラスブロックや回転ミラーなどのような他のデバイスでもまた、ここで説明された本発明のタイミング法によって修正可能な非線形走査特性を持っている。
【００７０】
［レーザー安定化］
いかなるキャビティー長の誤差もレーザーキャビティーのラウンドトリップ毎にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビティー長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じうる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」反復率をν1 に、または等価であるが「時間平均」キャビティー長ミスマッチΔＬをゼロに保持することが必要になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために使われるフィードバック信号は、図１３に示すように、一対の光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２によって検知され、通常の位相同期ループ（ＰＬＬ）回路に導入される。以前に説明したように、このようなＰＬＬ安定化システムの精度は、すでに計測されており、２０ピコ秒までの最大タイミング移動で５ピコ秒以内のＲＭＳに、二つのファイバーレーザーを同期させることができることが分かっている。ここに引用されている安定化の精度は現在の技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を示すものでは全くない。本質的には、１ピコ秒未満まで精度を向上させることが可能なはずである。しかしながら、場合によっては１フェムト秒以下にまでなる所望の時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然として必要である。
【００７１】
図１３に、好ましい実施例として、安定器１３０を含むレーザー安定化動揺システムの詳細な模式図を示す。安定器１３０は、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２、位相検出器１３３、フィルター１３４、直流電圧発生器１３５、アンプ１３６、周波数発生器１４０および加算器１３７を含んでいる。パルスアンプ（ＰＡ）４３０，４４０は、それぞれ光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２からの電気パルス出力を受け取る。パルスアンプ４３０，４４０は、これらの受け取った電気パルスを増幅して、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２にそれぞれ出力する。タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３２は、その信号が位相検出器１３３に入力される前にその信号を整える。ＰＺＴ制御装置４５０には、ここでは市販のＰＺＴ制御装置を使用している。高電圧アンプは、１〜１０Ｖの範囲の入力信号を取り込み、これに比例した０〜１５０Ｖの範囲の出力を生成する。ＰＺＴ制御装置４５０は別ユニットとして図示されているが、安定器１３０内に統合してしまうこともでき、その方が望ましい。
【００７２】
安定器１３０のこの好ましい実施例においては、ＰＬＬのための位相検出器１３３は、標準的なＲＦ位相検出器か、線形性が高いＸＯＲゲートのような混合器（ミキサー）でよい。ラウンドトリップ時間のどんなサブインターバルの走査を行おうとする場合にも、線形性は非常に重要である。あるいは、時間振幅コンバーター（ＴＡＣ）を位相検出器１３３として使用しても良い。これもまた線形性がとても高く、５ＭＨｚなどという低い反復率においては特に適当であろう。高度に精密な位相安定性の一つの限界は、単純なＲＦ混合器の中で起こり得るＡＭからＦＭへの変換（コンバージョン）である。すなわち、この混合器によって、レーザーの振幅の変動がタイミングの変動へと変換されてしまうのである。それゆえ、光ダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって生成された電気パルスに対し、信号調整（シグナル・コンディショニング）を行うことが望ましい。こうすれば図１３に示すように、位相検出器１３３の前のタイミング弁別装置１３１，１３２により、最も容易に行うことができる。しかしながら、レーザーの振幅雑音を低減することによってもまた、この影響は最小化され得る。ある条件下のモード同期作動の間に、レーザーのある出力ポートに対して、光学的制限プロセスが起こることが知られている。これにより、安定器１３０が作動する場合に、タイミングジッターを大幅に低減することができる。
【００７３】
安定化システムの帯域幅よりも走査周波数が大きいこともまた、重要である。このため、ＰＬＬは平均時間位置を適正に維持するが、適用されたミラー走査を妨害することはない。前述のツインファイバーレーザーは、たった３０Ｈｚの帯域幅のＰＬＬ回路を使用して安定化されていた。このずいぶん低めの帯域幅には、走査率の範囲を３０Ｈｚから数ｋＨｚに至るまでの範囲で設定できるという利点がある。３０Ｈｚの安定器の帯域幅を使用しながら１０ピコ秒未満の精度で同期を維持し続けるためには、一対のレーザーの固有の相対的タイミングジッターは極めて低くなければならない。これは、以前に説明した構成の方法を使用して達成される。その方法とは、可能な限り大きな範囲で同じ環境条件に二つのレーザーを置くことを確実にするものである。
【００７４】
安定化のために必要なフィードバック信号を、単純な相関器で生成することもまた可能である。レーザーが走査している間に、相関器により計測されるピーク位置を、安定器１３０にフィードバックする誤差信号として使用することもできる。本発明においてはレーザーがコンスタントに走査しているので、Dykaar et al.の単純な静的相互相関器の技術はここではうまく行かないことに留意されたい。
【００７５】
本発明の高速走査システムは、多くの点で通常の走査物理遅延や自由走査レーザーに勝っている。
とりわけ、可動アーム（ムーヴィング・アーム）を持つ通常の走査物理遅延とは異なり、走査に数ナノ秒の大きな遅れが生じた場合にも、本発明ではレーザービームにミスアラインメントやピント外れが起こらない。物理的遅延では、アラインメントは非常に注意深く行わなくてはならず、共焦点パラメーターは１ナノ秒の遅延線に対しても１ｍより大きくなければならない。そのうえ、本発明によれば、音速を超えることもできる高速走査速度が可能である。しかし物理的遅延では、１００Ｈｚで１ナノ秒（１００フィート毎秒）の走査さえおぼつかない。それなのに本発明によれば、大きな（調整可能な）走査範囲が実施でき、例えば５ＭＨｚのファイバーレーザーで約５０ピコ秒から２００ナノ秒に至るまでの範囲での走査が可能である。このような走査範囲を通常の走査システムで達成するには、２００フィートの遅延線が必要であろう。また、通常の自由走査システムと同様に、よりよい衝撃係数（デューティーサイクル）のために高反復率のレーザーを採用する必要もない。
【００７６】
さらに、大きな時間的ダイナミックレンジが可能であり、これは離れた目標の走査やＯＴＤＲをする上で有用である。例えば、１フェムト秒未満の時間分解能を持ち総走査範囲がＴR ＝２００ナノ秒であれば、１０8 の時間ダイナミックレンジが得られる。また、通常の自由走査システムとは異なって、無駄時間が大幅に減っており向上した衝撃係数が達成されている。さらに今や本発明によれば、可動部品を一切必要とせずに、極めて単純でコンパクトな相互相関器の設計が化のである。例えば、この相関器は、ゲームボーイ（商品名）のサイズにすることもできる。そのうえ本発明では、行程の長さがマッチしている必要がないので、実験のセットアップは極めて単純になる。
【００７７】
前述の高速走査および較正の方法は、多種多様な計測や実験を行うために使用することができる。本発明の方法および装置を使用できる２〜３の応用について、以下に説明する。しかしながら、当業者であれば、本発明は多くの応用に適用でき、以下に説明する応用に限定されるものではないことが、容易に理解できるであろう。
【００７８】
図１４は、本発明による、ＦＰエタロンを使用しているタイミング較正方法と高速走査レーザーシステムとを採用している一般的な計測システムの好ましい実施例を示す。レーザー５１０（レーザー５１０がマスターレーザーであるかスレーブレーザーであるかは不問）は、ＦＰエタロンに入射している。ＦＰエタロンを通過して発射されたパルス列は、タイミングユニット５４０に送られ、レーザー５２０からの単パルスと相互相関を取られて、較正された時間スケールを与える一連のデーター（データーストリーム）が発生する。上記エタロンから反射されたパルス列は、レーザー５２０からの単パルスに沿って計測ユニット（図略）に送られる。この計測ユニットからの上記一連のデーターは、データー取得システム（ＤＡＱ）５５０の「Ｙチャンネル」に入力され、一方、タイミングユニット５４０からの一連のデーターは、ＤＡＱ ５５０の「Ｘチャンネル」に入力される。この情報には、次の異なる二つの用途がある。
【００７９】
１．飛行時間スケール修正：この技術では、タイミングパルスは時間スケールを形成する。例えば、もし正弦波走査が使われるなら、一様なパルスシーケンスであっても時間において非一様性を表す。高速プロセッサーであれば、信号平均化以前の正確な時間スケールで（補間法を用いて）適正に走査データーを調整するために、この時間スケール情報を使用できるであろう。
【００８０】
言い換えれば、タイミングパルスにより形成された時間スケールに基づいた高速プロセッサーによって、各走査点が修正されるのである。例えば、図１１（ａ）は、図１０に示してある走査の各ピークに対する走査特性を示しており、そして図１１（ｂ）は、これらの点の線形性からの偏差を示している。この時間スケール情報はこの偏差の修正に使用され、「飛行中」の各ピークを本質的に修正することができる。
【００８１】
２．走査の排除（賢明なトリガリング）：この技術は、トリガーパルスと相対的に上手に定義された所定の時間スロット内で起こるたくさんの（少なくとも二つの）タイミングパルスを探す「走査選択器（スキャンセレクター）」を使用する。この選択器は、信号平均化器に入る走査データーの合計をするか否か（ゴー／ノーゴー）の決定をする。相関器からのタイミングパルスがこの時間スロットにはまり込むと、現在のデーターバッファーに走査を合計する。逆にもしタイミングパルスがその時間スロットを「ミス」した場合には、その走査は排除される。信号の平均化が済んだ後、時間スケールのいかなる非線形性も適正に補償することができる。
【００８２】
この賢明なトリガリング法は、実施するには最も単純なものであるが、多くの走査が無駄になってしまう。飛行中スケール修正はもっと洗練されており、走査の無駄から言えばもっと効率的ではあるが、もっと計算負荷が大きい。したがって、応用での制限がどちらの技術を使うかを決めることになろう。
［表面計測システム］
さらに明確な応用の一例として、図１５および図１６に示すように、通常の動ミラー法の代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
【００８３】
図１５は、表面計測システムの一実施例を示す。同実施例では、スレーブレーザー６２０からのビームは、タイミングユニット６４１に入力されるパルス列を発生するＦＰエタロンに入射する。マスターレーザー６１０からのビームは、普通のビームスプリッターＢＳ ６６０によって分割される。スレーブレーザー６２０の分割されたビームの一方は、タイミングユニット６４１に入力される。同ビームの他方は検査される表面に向けられ、同表面で反射される。反射されたビームは相関器６４０に入力される。同様に、ＦＰエタロンから反射された単パルスも相関器６４０に入力される。したがって、相関器６４０は計測されるべき目標物（供試体）のために使用され、タイミングユニット６４１は時間スケール較正のために使用される。相関器６４０からの出力である目標物に対応しているデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＹチャンネルへ入力される。そして、また相関器を含むタイミングユニット６４１から出力されたデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＸチャンネルへ入力される。Ｘチャンネルに入力されたタイミングユニットデーターは、時間スケールをもたらす。そして、相関器６４０から出力されＹチャンネルに入力されたデーターからは、目標物表面の距離情報が得られる。
【００８４】
図１６は、本発明の複数の技術を採用している表面計測システムの別の実施例を示す。同実施例では、タイミングデバイス（ＦＰエタロン）は、目標物へのビーム経路の中に挿置されている。ＦＰエタロンから反射されたビームは、計測すべき目標物を照射する。目標物表面から散乱する光は、レンズＬ１によって集光され、ＦＰエタロンを通過した較正済みのパルス列と（ビームスプリッタＢＳ ６７０を介して）再結合される。スレーブレーザー６２０からのゲーティングパルスと目標物およびエタロンからのパルス列との間の結果として得られる相互相関からは、このエタロンからの複数パルス・タイミングスケールに重畳された目標物までの距離情報（単一パルス）が得られる。この結果は単一データーストリームであって、これには目標物までの距離情報と時間スケール較正との両方が含まれている。さすれば、目標物表面上の一点までの距離は、データーストリーム中のタイミングパルスと目標物パルスとの間の相対的な時間遅れを計測することによって推定される。目標物パルスとエタロンパルスとの間のこの比較は、超短パルスを用いた差分計測法の一変形である。
【００８５】
図１５および図１６では、ＦＰエタロンは入力ビームに対して鋭角で対向しているように図示されている。この入射角は、明瞭にするために誇張されている。ＦＰエタロンを垂直入射から傾けていくと、図８（ａ）に示すように、このエタロンからの一連の反射光が横にずれる量が増えていくことが、当業者にはお分かりになろう。したがって、入射角を実現可能な限り小さくしてＦＰエタロンを使うことが望ましい。もしＦＰエタロンの前に偏光子およびファラデー回転子があれば、垂直入射角での使用も可能である。この空間的なずれは、相関器６４０，７４０のレンズや他の開口からはみ出さない限りは、同相関器の性能を損なうことはない。
【００８６】
あるいは、この横ずれの影響は、急激な劣化とは異なった何かであるパルス列の包絡線の形を変えて、なにがしかの利点を生じることもあり得る。このようなことは、ビームの光景を介してか、または相関器内の非線形混合結晶の位相マッチング条件の角度の選択可能性により、起こりうるであろう。
［ＯＴＤＲシステム］
図１７は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを採用している光学時間領域反射率計（ＯＴＤＲ）システムの模式図である。走査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くなるように、低い反復率のレーザー（ν〜５−１０ＭＨｚ）からなることが望ましい。マスターレーザー７１０からの短パルスは、ビームスプリッタＢＳ ７６０により二つのビームに分割される。分割されたビームのうち一方はタイミングユニット７４１に送られ、他方はファイバーなどの導波供試デバイス（ＤＵＴ）７９０に送られる。ＤＵＴ７９０内の表面や接続部、欠陥などから反射されたパルスは、約１０フェムト秒すなわち約３ミクロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のために、相関器７４０に送られる。これは、次のような方法で実現される。
【００８７】
すなわち、スレーブレーザー７２０からの単一パルスは、二つのビームに分割される。それらのビームのうち一方は、ファイバーからの信号のためのゲーティングパルスとして使用されるために、相関器７４０に送られる。その他方は、データー取得（ＤＡＱ）ユニット７５０のために較正された時間スケールをもたらすために、次にはそれ自身が別の相関器であるタイミングユニット７４１によって使用されるパルスシーケンスを生成するパルスシェーパー７８０に送られる。５ＭＨｚ（ＴR ＝２００ｎｓ）程度の低い反復率のシステムのためには、パルスシェーパー７８０は、２００ナノ秒のタイミングインターバル全体をだいたい満たすパルスシーケンスを生成しなければならない。この好ましい実施例では、パルスシェーパーは、図１２（ｂ）に示すようなチャープ・ファイバーブラッグ格子を利用して構成できるであろう。
【００８８】
このレーザーの変形態様としては、タイミングユニットおよび相関器が使用可能である。例えば、マスターレーザー７１０の役とスレーブレーザー７２０の役とは、交換可能である。パルスシェーパーとしては、ファイバーＦＰエタロンまたは（受動でも利得ありでも）ファイバーループが使用可能である。
［ＥＯサンプリング・オシロスコープ］
図１８は、本発明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを使用した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロスコープの模式図である。本実施例では、十分に確立されている非接触ＥＯサンプリング技術が、ここで説明された高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
【００８９】
マスターレーザー８１０からのパルスは、二つのビームに分割される。一方のビームはタイミングユニット８４１に送られ、他方のパルスは供試デバイス（ＤＵＴ）上に電気パルスを発生させるために送られる。この場合、供試デバイスは、光導電（ＰＣ）スイッチ８９１を介して、集積回路（ＩＣ）上に取り付けられている。スレーブレーザー８２０からのパルスもまた、二つのビームに分割される。一方のビームは、電気光学（ＥＯ）プローブチップ８９２に送られ、他方のビームは、パルス列を生成するパルスシェーパー８８０に送られる。このパルス列は、時間スケールの較正のために、次にはタイミングユニット８４１に送られる。ＥＯプローブチップ８９２から返ってきたパルスは、ＤＵＴからの電圧とＥＯプローブチップ８９２との間の干渉によって変調されている。これらのパルスは、偏光光学素子８９３によって検出され、ＤＡＱ８５０のＹチャンネルに送られる。したがって、精密タイミング較正が、図１７のＯＤＴＲのために説明したのと同じようにして得られる。
【００９０】
時間遅れ、走査インターバル、および走査周波数は、安定器８３０によって所望の値に設定することができる。例えば、もし（走査範囲ではなく）走査周波数を二倍に増加させたければ、スレーブレーザー８２０内の変調周波数を倍にして、対応する量だけＰＺＴの走査電圧を増大させる必要がある。それに比べ、走査周波数を変化させないで走査範囲を増大させるには、単純にＰＺＴの走査電圧を増せばよい。時間掃引範囲（タイム・スウィープレンジ）の相対遅れは、安定器８３０の位相制御によって調整される。時間スケールの調整のこの柔軟性は、通常のオシロスコープの遅れ時間ベースによって与えられるものと同様である。
【００９１】
この目的のために、光導電性サンプリングを使用することもまた、同様に可能であろう。こうすればずっと高い感度が得られるが、時間分解能は約２ピコ秒までに限られる。
短レーザーパルスおよび走査遅れの最も広く使用される応用は、ずっと物理、化学、または電子システムのポンプ・プローブ計測であった。しかしながら、この技術のための応用範囲は急速に拡がってきており、この技術が科学市場を越えて商品になることは今にも起こりそうなことである。ここに説明された高速走査および時間較正の技術は、超短レーザーパルスを利用するほとんど全ての応用に使用可能である。なぜならば、これらの応用の事実上全てが、レーザパルス間の時間遅れの調整を何らかの形式で必要としているからである。これらの応用は、半導体材料および半導体デバイスの分野での超高速電子／光電子デバイスのチャージ・ダイナミックス特性の電気光学試験や、全光信号処理光導電サンプリング、および各種各様の時間分解ナノメーター・プロービングなどに適用でき、またこれらに限定されずに広く応用可能である。
【００９２】
したがって、テラヘルツ・イメージングを含むこれらの走査方法が応用できるテラヘルツ・ビームのための新しい応用は、数多く開発中である。その一例としては、フー等の文献（ B.B.Hu et al., "Imaging with Teraherz Waves", Optic Letters, Vol.20, No.16, August 15, 1995, pp.1716-1719）により開示されているものがある。最近では、超高速光検出器が市販されるようになり、そのスピード（５０ＧＨｚ，１０ｐｓ ＦＷＨＭ）は、市販のオシロスコープ（例えばPicometrix製の Newport Corp. Model #PX-D7 ）の計測能力を遥かに凌駕するものである。ピコ秒レーザーおよび走査遅れは、これらの検出器のスピードの利点を最大限に引き出すために必要である。そのうえさらに、本発明の走査方法は、その走査範囲の選定の非常なる優越性のゆえに、サブミリメーターの分解能のレーザーレーダーおよび目標物のリモート・プロファイフィングに特に適当である。その走査範囲調整の柔軟性により、高速走査システムをオシロスコープの可調整時間ベースと相似にすることができる。
【００９３】
ここで説明された高速走査方法によって達成できる非常に高い走査率によれば、新しい潜在的な応用をたくさん実施可能にすることができる。走査速度パラメーター（表１〜３参照）は、特別に利用価値がある長所の象徴である。表１〜３の走査速度は、３ｍ／ｓから３０，０００ｍ／ｓにまで範囲が及んでいることに留意されたい。それゆえ、自由走査技術でも高速走査技術でも超音速の走査速度が可能であるから、例えばレーザーに誘起される固体中および液体中の音響効果および光弾性効果などの研究や応用で、本発明は潜在的に利用価値がある。このような応用では、通常の走査方法を使用するのは実際的ではない。というのは、通常の走査方法では物理的遅延システムの中で走査ミラーを音速で動かすことが必要であり、非現実的だからである。
【００９４】
本発明は、好ましい実施例を参照して説明されてきたが、これらの実施例に応用が限定されることはない。以上の開示と教唆から、本発明に対するその他の変形態様やヴァリエーションがあることは、当業者にとっては明白である。したがって、ここで取り上げて説明してきた本発明の実施例はほんのいくつかのであるが、本発明の思想および見解から離れることなく、なおその上に数々の変形が可能であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 公知の自由走査レーザーシステムの構成を示す模式図
【図２】 本発明の高速走査レーザーシステムの構成を示す組図
（ａ）スレーブレーザーのキャビティー長制御の場合の模式図
（ｂ）両レーザーのキャビティー長が制御される場合の模式図
【図３】 時間遅れＴD(t)と、レーザーキャビティー内のＰＺＴに印加される電圧とを示す組図
（ａ）印加電圧が矩形波の場合のグラフ
（ｂ）印加電圧が方形波の場合のグラフ
（ｃ）印加電圧が正弦波の場合のグラフ
【図４】 本発明のツインファイバーレーザーシステムの構成を示す模式図（同システムでは、両レーザーのファイバーは同じ軸に巻かれており、モード同期機構として非線形偏光展開（エヴォルーション）を使用する二つの同一のモードロック・ファイバーレーザーを使用。）
【図５】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示すグラフ
【図６】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間の相互相関信号を示す拡大グラフ
【図７】 本発明の動揺法により走査された二つのファイバーレーザーの間のタイミングジッターを示すグラフ
【図８】 ファブリペロー・エタロンの作用を示す組図
（ａ）ファブリペロー・エタロンの作用を示す模式図
（ｂ）発射パルス列と反射パルス列との時間配列を示す概念図
【図９】 単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列との間の相互相関信号を示す全走査サイクル二つ分のグラフ
【図１０】単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列との間の相互相関信号を示す半走査サイクル分の拡大グラフ
【図１１】ファブリペロー・エタロンのピーク位置を示す組図
（ａ）ピーク位置の線形フィッティングを示すグラフ
（ｂ）線形フィッティングの偏差を示すグラフ
【図１２】光屈折性成長チャープファイバー格子の並びからなるパルス列ジェネレーターの構成を示す組図
（ａ）パルス列ジェネレーター単体の構成および作用を示す模式図（ｂ）二つのパルス列ジェネレーターの組み合わせを示す模式図
【図１３】レーザー安定化動揺システムの構成を詳細に示す模式図
【図１４】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング較正法を採用している計測システムの模式図
【図１５】本発明の高速走査レーザーを採用している計測システムの模式図
【図１６】本発明の高速走査レーザーを採用している計測システムの模式図
【図１７】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング較正法を採用しているフェムト秒ＯＴＤＲシステムの構成を示す模式図
【図１８】本発明の高速走査レーザーシステムおよびタイミング較正法を採用している電気光学サンプリング・オシロスコープの構成を示す模式図
【符号の説明】
１０，１１０，２１０，５１０，６１０，７１０，８１０：マスターレーザー
２０，１２０，２２０，５２０，６２０，７２０，８２０：スレーブレーザー
３０：ハーフミラー ４０，６４０，７４０：相関器（コリレーター）
５０：オシロスコープ ６０：ミラー ７０：計測装置
１１１，１２１：ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ（ＰＺＴ）
１３０，６３０，８３０：安定器ユニット、駆動安定器、ＰＬＬ回路安定器
１３１：タイミング弁別装置（ＴＤ） １３３：位相検出器
１３４：フィルター、濾波器 １３５：信号発生器
１３６：オペアンプ １３８：加算器（Σ） １４０：低周波信号発生器
２０５：レーザーダイオード（ＬＤ） ２０６：スプリッター（ＳＰＬ）
２１５：ファラデー回転子（旋光器）ミラー（ＦＲＭ）
２２５：光学アセンプリ（ＰＺＴ−ＦＲＭ） ２８０：ファイバースプール
３００：ファイバー ３１０，３２０，３３０：チャープ・ファイバー格子
３４０：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
３５０：四分の一波長板（ＱＷＰ）
４３０，４４０：パルスアンプ（ＰＡ） ４５０：ＰＺＴ制御装置
５４０：タイミングユニット、相互相関器
５５０，６５０，７５０，８５０：データー取得システム（ＤＡＱ）
６４１，７４１，８４１：タイミングユニット
６６０，６７０，７６０，７７０：ビームスプリッター（ＢＳ）
７８０，８８０：パルスシェーパー ７９０：供試デバイス（ＤＵＴ）
８９１：光導電（ＰＣ）スイッチ ８９２：電気光学（ＥＯ）プローブチップ８９３：偏光光学素子
Ｌ１：集光レンズ ＦＰ：ＦＰエタロン ＦＲ：ファラデー旋光器
ＰＤ−１，ＰＤ−２：フォトダイオード、光検出器 ＳＡ：飽和吸収器
λ／２：半波長板 λ／４：四分の一波長板（ＱＷＰ）
Claims (6)
- 第１短パルスレーザーからの第１パルス出力と第２短パルスレーザーからの第２パルス出力との間の時間差を検出する検出ステップと、
該検出ステップで検出された該時間差に基づく時間遅れ制御信号を発生させる制御信号発生ステップと、
該時間遅れ制御信号に基づいて該第２短パルスレーザーからの第２パルス出力の反復周波数を変えることにより、該第２パルス出力の時間遅れを変更し、それによって二つの短パルスレーザー間の平均的な時間遅れを一定にするように該第１パルス出力に関して該第２パルス出力を安定化させる時間遅れ変更ステップと、
該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザーのうち一方のレーザーからのパルス出力の反復周波数を変えて該第１パルス出力及び該第２パルス出力のうち一方の時間遅れを変えることにより、該二つの短パルスレーザー間の瞬時の時間遅れを走査するように該時間遅れ変更ステップで変更された該第２パルス出力と該第１パルス出力とを走査する走査ステップと、
を有することを特徴とする高速レーザー走査方法。 - 前記第２短パルスレーザーからのパルス出力の反復周波数を変えることにより、時間遅れを変更する前記時間遅れ変更ステップは、該第２短パルスレーザーのレーザーキャビティー長を変えることにより行われ、
前記走査ステップにおいて、前記第１パルス出力および第２パルス出力のうちの一方の時間遅れが前記第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザーのうち一方のレーザーキャビティー長を変えることにより変えられる、
請求項１記載の高速レーザー走査方法。 - 前記走査ステップにおける前記第１短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーのうち一方のレーザーキャビティー長を変えることは、該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザーのうち一方のレーザーキャビティー内に挿置されたピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）に、矩形波、方形波および正弦波のうちいずれかを印加することにより、該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザーのうち該一方の該レーザーキャビティー長が変えられる、
請求項２記載の高速レーザー走査方法。 - 各々レーザキャビティーをもち、少なくとも一方は該キャビティー内に挿置されたキャビティー長変更ユニットを備えており、ほとんど同じ反復周波数の短パルスを出力する第１短パルスレーザーおよび第２短パルスレーザーと、
該第１短パルスレーザーからの第１パルス出力と該第２短パルスレーザーからの第２パルス出力との間のタイミング差に基づいて制御信号を発生させ、該キャビティー長変更ユニットに該制御信号を出力する安定器と、
該キャビティー長変更ユニットに動揺信号を出力する信号発生器と、
を有し、
該キャビティー長変更ユニットが該制御信号に基づいてそのキャビティー長を変更することで該一方のレーザーの反復周波数が変えられ、該一方のレーザーからの短パルス出力の時間遅れが変更され、該第１および第２短パルスレーザー間の平均的な時間遅れが一定にされ、該キャビティー長変更ユニットが該動揺信号に基づいてそのキャビティー長を変更することで該一方のレーザーの反復周波数が該他方のレーザーの反復周波数付近に動揺させられ、該第１および第２短パルスレーザー間の瞬時の時間遅れが走査されることを特徴とする高速走査レーザ装置。 - 前記安定器は、
前記第１短パルスレーザーからの第１パルス出力と前記第２短パルスレーザーからの第２パルス出力との間の位相差を検出して制御する位相ロックループ回路と、
該位相ロックループ回路によって検出された該位相差に基づいて前記制御信号を発生させ、該制御信号を調整して出力する制御信号発生手段とを有する、
請求項４記載の高速走査レーザー装置。 - 前記キャビティー長変更ユニットは、ピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）上に取り付けられているミラーを有する、
請求項４記載の高速走査レーザー装置。
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