JP3713350B2

JP3713350B2 - 光反応装置

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Publication number: JP3713350B2
Application number: JP02402297A
Authority: JP
Inventors: 紳一郎青島; 晴義豊田; 誠細田; 晴康伊藤; 裕土屋
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 2005-11-09
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: JPH10223959A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光と物質の相互作用である光反応を行わせる装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化学工業分野では、目的の生成物を高い収率や特定の収率で得られる化学反応制御が強く要求されている。Ｐ．ブルマーらは、「レーザーによる化学反応の制御」（邦訳、日経サイエンス１９９５年５月号８６〜９３頁）でレーザ光線の照射により特定の化学反応を他の反応に優先させる制御が可能なことを示している。例えば、２原子分子を解離する場合に、２つのパルスレーザを照射することで、目的の生成物の収率を全体の３％〜９５％までの範囲で操作できることを理論計算により指摘している。
【０００３】
一方、励起源として用いるパルス列の波形を制御することにより、軟Ｘ線の利得係数を高められることを、原民夫が「Ｘ線レーザー」（光エレクトロニクス第１３０委員会第１９６研究会資料８〜１３頁、１９９６年）で示している。
【０００４】
これらはいずれも物体と光の干渉作用に基づくものであり、光反応によって化学反応や物理現象を制御する可能性を示したものである。短光パルスは連続光と異なり、異なる周波数のコヒーレントな光が集合したものである。周波数が異なる光は、異なるエネルギーを有している。さらに、ハイデルベルグの不確定性原理により、パルス幅が短いほどその中に含まれるエネルギー範囲は広くなる。分子の状態は、特有のエネルギー値によって定まる。したがって、これに対応するエネルギー値を与えるコヒーレントな光を分子に衝突させることで、分子の状態を変えることができる。
【０００５】
このような特定のエネルギー値をパルス光に与えるには、パルスを構成するいろいろな振動数成分の相対的強度分布を変えること、即ち、パルスの波形を変形することによって行うことができる。また、軟Ｘ線の利得係数は、光の振動数には強く依存せず、光強度とパルスの波形が直接的に反応に影響を及ぼす。所定形状の光パルス列を発生するには従来、図１９〜２１に示すような装置が用いられてきた。
【０００６】
図１９は、光パルスを伸長するシングルモード光ファイバ１０１と、特定の透過特性を有するフィルタ１０２から構成される装置を示している。入力光パルスは、光ファイバ１０１を通過する際に、長波長成分が先行し、短波長成分が後から出力されて、伸長される。この伸長された光パルスを所定の透過特性を有するフィルタ１０２を通過させることにより、パルス幅、強度の異なる光パルスの組み合わせに変形させることができる。
【０００７】
しかし、この装置では、所定の透過特性を有するフィルタ１０２の製作が困難であった。そこで、図２０に示されるように、１対の回折格子１０３、１０４と特定の部位を通る光のみを透過するマスク１０５からなる装置が用いられてきた。この装置では、回折格子１０３で分光された光は、マスク１０５を通過する際に、特定の位置つまり特定の周波数の光が遮断される。こうして得られた透過光を回折格子１０４で集光することにより、図１９の装置と同様の出力光を得ることができる。
【０００８】
さらに、図２１は、図２０に示される装置のマスク１０５の代わりに空間光変調器１０６を用いることで、光波形の制御を行う装置を示している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光反応で必要とするパルス波形を理論的に求めるには、通常膨大なシミュレーション計算が必要とされるため、パルス波形を理論的に求めることは困難であり、シミュレーションできない現象もある。仮に、シミュレーション結果が得られる場合でも、図１９、図２０に示される装置では、特定波長の光の透過を厳密に制御することが難しく、望み通りの光波形を得ることが困難だった。特に、これらの装置では、光波形の微調整が困難という問題点があった。
【００１０】
一方、図２１に示される装置では、特定波長の位相を厳密に制御することが難しく、特に、理論的なシミュレーションが困難な場合や不可能な場合には、最適な光波形を新たに設定する必要があるが、こうした新たな設定は多分の手間と労力がかかるため、事実上不可能だった。
【００１１】
さらに、図１９〜図２１の装置を用いて計算結果通りの光パルス列を生成できた場合でも、シミュレーションの精度や他の条件の相違等によりその光波形では、計算どおりの光反応が得られないことも多かった。
【００１２】
本発明は、自動的に最適な反応効率が得られる光波形を出力して光反応を起こさせることができる光反応装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の光反応装置は、(1)複数の周波数成分を含むコヒーレントな光が集合した短パルス光を射出する光源と、(2)この短パルス光を入力光とし、この光の波形を変形して射出する光波形変形手段と、(3)光波形変形手段の出力光を用いて所定の光反応を行う光反応作用手段と、(4)光反応の反応効率を随時測定する反応効率測定手段と、(5)光波形制御手段で設定された光波形に関する情報及びこれに対応する反応効率測定手段で測定された反応効率を関連づけて随時記憶する記憶手段と、(6)光波形変形手段を制御して光波形変形手段で変形される光波形を調整する機能を有し、所定のシーケンスに従って光波形を変化させながら反応効率測定手段により測定した反応効率をこの光波形に関する情報と共に記憶手段に記憶させ、所定シーケンス終了後、記憶手段に記憶された光波形と反応効率の組み合わせの中から最適な反応効率の光波形を呼び出して光波形変形手段を制御することにより、この光波形に調整する光波形制御手段とを備えていることを特徴とする。
【００１４】
一般的に、分子に特定の周波数の光を照射することにより、特定の状態に移行させることができる。複数の周波数成分を含むコヒーレントな光が集合した短パルス光の光波形を制御することで、所定の周波数成分のみを含む短パルス光を生成することが可能である。この装置では、その光波形を光波形制御手段によって所定シーケンスに基づいて自動的に変形し、その結果得られた光による光反応の効率を測定して光波形と関連づけて記憶手段に記憶しておき、全シーケンス終了後に記憶しておいた光波形と反応効率の組み合わせの中から最も反応効率の良い光波形を呼び出すことにより、最終的にその光波形に固定する制御を行うことで、最適な光反応を行わせることができる。
【００１５】
また本発明の光反応装置は、上記の(1)〜(5)と、光波形変形手段を制御して光波形変形手段で変形される光波形を調整する機能を有し、光波形変形を制御するパラメータのうち特定のパラメータを所定の範囲で変化させながら、反応効率測定手段により反応効率を測定して、得られた反応効率を基にこの特定パラメータの所定範囲中における好適な範囲を絞り込み、この絞り込んだ特定パラメータの好適な範囲においてさらに同一又は他のパラメータについて同様の絞り込みを行う動作を繰り返すことにより、最適な反応効率の光波形を判定したうえで、光波形変形手段を制御してこの光波形に調整する光波形制御手段とを備える装置であってもよい。
これにより、光波形を制御して光反応を行わせる光反応装置において、光波形制御手段によりその光波形をそれぞれのパラメータごとに自動的に変形し、得られた光による光反応の効率を測定して、これを随時記憶しておいたそれまでに得られた他の光波形による反応効率と比較することで、それぞれのパラメータについての好適な範囲を絞り込み、この絞り込んだ範囲においてさらに同一の又は他のパラメータについて同様に好適な範囲を絞り込む動作を繰り返すことで、最も反応効率の良い光波形を自動的に求め、そのうえでその光波形に固定して最適な光反応を行わせることができる。
【００１６】
さらに、光波形変形手段は、空間光変調器と、その入出力側のそれぞれに配置された２個の回折格子とを有していてもよい。これにより、空間変調器の入力側の回折格子で光を分光して空間光変調器でその周波数成分ごとに光を変調したうえで、出力側の回折格子で分光された光が合成されて出力される。
【００１７】
そして、空間変調器は、その光路が直列に接続された強度変調用と位相変調用の２つの平行配向ネマチック液晶（ＰＡＬ−ＳＬＭ）型空間光変調器であってもよい。これにより、光の位相、強度が２つの空間光変調器でそれぞれ独立に変調される。
【００１８】
一方、光波形変形手段への入力光は１次元方向に広がりを有するストライプ状の平行光であって、この１次元方向は入力側回折格子の分光方向に直交していてもよい。これにより、回折格子を経て空間光変調器へ入射する光は、波長分布方向と直交する方向に広がりを有する光となり、その広がりの方向で独立した光変調が行えるので、一度に複数の異なる光波形が形成される。
【００１９】
あるいは、空間光変調器は、読出光の波長分布方向に対応して分光反射特性を異ならせた読出光反射鏡を有するＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器であってもよい。これにより、空間光変調器への入射位置により波長成分を異ならせた読出光は、全波長領域で高い反射率を有する読み出し光反射鏡を用いた時と同様に、効率的に反射される。
【００２０】
または、空間光変調器は、書込みがレーザ走査により行われるＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器であってもよい。これにより、高速で分解能の高い空間光変調器への画像書込みが行える。
【００２１】
一方、光波形変形手段は、入力された短パルス光の強度を増幅する光増幅器をさらに備えていてもよい。これにより、光強度の増幅を含めた光波形の変形が可能になり、光波形変形の自由度が増す。
【００２２】
また、反応効率測定手段は、光源あるいは光波形変形手段の出力光の光強度を測定する手段と、この光強度をもとに反応効率を補正する手段とをさらに備えていてもよい。これにより、光反応を引き起こす光の強度変動を補正した反応効率が測定される。
【００２３】
あるいは、光波形変形手段からの出力光を複数に分割し、分割された出力光相互の遅延時間を制御して光反応作用手段に導く出力光導光手段をさらに備えていてもよい。これにより、パルス間隔の異なる光ダブルパルスが光反応作用手段に導かれる。
【００２４】
または、反応効率測定手段は、光反応作用手段から出力された光の強度の時間変化を測定するストリークカメラを有していてもよい。これにより、反応効率に関係する光反応作用手段からの出力光の強度の時間的変化の測定が容易になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。説明を簡単にするため、以下、光反応作用としてレーザ励起プラズマから軟Ｘ線を発生する装置について説明する。図１は、本発明に係る装置の基本的な全体構成のブロック図であり、図２は、その第１の実施形態の全体構成図である。
【００２６】
装置の構成説明に先立って、レーザ励起プラズマからの軟Ｘ線発生について簡単に説明する。パルスレーザを励起源として用いることにより、軟Ｘ線域遷移について利得を発生できることが知られている。前述した原の報告では、第１パルスの直後にその４分の１の強度の第２パルスを入射させると、利得係数が向上することが報告されている。ただし、ここでは、第１、第２パルス共、連続する８個の短パルス列で代用している。
【００２７】
しかし、レーザ励起プラズマの物理現象が完全には解明されていないため、シミュレーション等により軟Ｘ線を発生するのに最適な光波形を導くことが困難である。本実施形態は、パルス列波形を制御することにより最適な光波形を自動的に判定したうえで、最適な光波形に制御して軟Ｘ線を発生する装置である。
【００２８】
まず、本発明の装置全体の基本的な構成を図１により説明する。複数の周波数成分を含むコヒーレントな広帯域光を発する光源１の出力光路上には、各種光学系からなる入力光導光手段２を介して、光波形を変形する光波形変形手段３が接続されている。光波形変形手段３には、さらに、各種光学系からなる出力光導光手段４を介して、光反応を起こさせる光反応作用手段５が接続されている。光波形変形手段３には、光波形を制御する各種パラメータを含んだ光波形制御信号を用いて光波形変形手段３を制御する光波形制御手段６が接続されている。また、光反応作用手段５には、光反応作用の反応効率を測定する反応効率測定手段７が接続されている。光波形制御手段６には、この反応効率測定手段７と、光波形を制御するパラメータ及び反応効率に関する情報を関連づけて記憶する記憶手段８とが接続されている。
【００２９】
続いて、図２を参照して第１の実施形態の各構成要素について説明する。
【００３０】
光源１には、例えば、パルス幅１０ｆｓで波長７５０〜９００ｎｍ、パルス強度１ｍＪのチタンサファイアレーザを用いることができる。入力光導光手段２は例えば、集光レンズ２０と光ファイバ２１とコリメートレンズ２２を組み合わせた光学系により構成されている。光波形変形手段３は、入力光をミラー３０で１対の回折格子３１、３２に導く。これらの回折格子３１、３２の間には、２つの透過型の空間光変調器３３、３４が直列に配置されており、それぞれの空間光変調器３３（３４）の入出力側には、入出力光の光路をそれぞれ調整する一対ずつの凸レンズ３５、３６（３７、３８）が配置されている。回折格子３２の出力側には、ミラー３９が配置されている。出力光導光手段４は、入力光導光手段２と同様に、集光レンズ４０と光ファイバ４１とコリメートレンズ４２を組み合わせた光学系により構成されている。光反応作用手段５は、出力光導光手段４から出力された光により軟Ｘ線の励起プラズマを発生するアルミターゲット５０からなる。
【００３１】
一方、光波形制御手段６は、パソコン６０と光波形変形手段３へ光波形を制御する光波形制御信号を転送するインタフェース６１からなる。また、光反応効率測定手段７は、光反応作用手段５のアルミターゲット５０から放出された光を測定処理系に導くミラー７０、グレーティング７１、スリット７２と、光強度を測定するＣｓＩ光電面を利用した光電管７３と、光電管７３の出力を積分する積分回路７４と、積分結果を演算処理するパソコン６０からなる。記憶手段８は、記憶する情報を関連づけて処理するパソコン６０と、情報を磁気的に記録するハードディスク８０からなる。
【００３２】
次に、図２を参照して、この実施形態の動作について説明する。光源１から発せられた短パルス光は、入力光導光手段２の集光レンズ２０、光ファイバ２１、コリメートレンズ２２を経て、平行光に調整されて、光波形変形手段３に導かれる。光波形変形手段３に入射した平行光は、ミラー３０により、回折格子３１に導かれ、１次元方向に周波数分布を持つ光に分光される。この光は、凸レンズ３３により、ほぼ平行光に調整されて強度変調を行う第１の空間光変調器３３に入射される。ここで強度変調された光は、２枚の凸レンズ３６、３７により再び平行光に調整されて、位相変調を行う第２の空間光変調器３４に入射される。こうして第２の空間光変調器３４で周波数成分ごとに位相変調された光は、凸レンズ３８で集光されて回折格子３２に導かれ、平行なパルス光に調整された上でミラー３９を経て出力光導光手段４に送られる。このようにして周波数成分ごとに強度と位相の変調を行うことで所定のパルス波形に変形することができる。
【００３３】
ここで、回折格子３１に入射する光の分光される方向のビーム幅が狭いと、波長分解能が低下することが知られている。一方、このビーム幅が広すぎると、空間光変調器３３、３４での波長成分間のクロストークが大きくなり、光変調の精度を低下させることになる。従って、分光方向のビーム幅を適切な幅に調整する必要がある。さらに精度を向上させるためには、レンズ３５のＦ値に対応するようビームに広がりを持たせて、回折格子３１表面のビーム照射面積が広くなるようビームを入射させることが望ましい。
【００３４】
光波形変形手段３で所定のパルス波形に変形されたパルス光は、出力光導光手段４の集光レンズ４０、光ファイバ４１、コリメートレンズ４２により、平行光に調整されて、光反応作用手段５のアルミターゲット５０に照射される。これにより、アルミターゲット上にＡｌの多価イオンを多量に含む高温プラズマが生成される。そのプラズマから軟Ｘ線が放出される。この軟Ｘ線をミラー７０を介してグレーティング７１で分光させた後、必要な周波数成分のみをスリット７２により抽出して光電管７３でその強度を電気信号に変換する。変換した電気信号は、積分回路７４によって発生した軟Ｘ線の強度が積分されて、パソコン６０に送られる。
【００３５】
パソコン６０は、所定のシーケンスに基づいて、光波形変形手段３で変形する光波形を制御するパラメータを含む異なる制御信号を生成して、順次インタフェース６１を介して、光波形変形手段３の空間光変調器３３、３４へ転送する。また、この制御信号と、積分回路７４から送られた軟Ｘ線強度に対応する電気信号を関連づけてハードディスク８０に記憶する操作を行っている。そして、ハードディスク８０に記憶された制御信号と軟Ｘ線強度の電気信号の組み合わせを読み出して比較することにより、軟Ｘ線強度が最大になる制御信号を選び出し、最終的にこの制御信号をインタフェース６１を介して転送して空間光変調器３３、３４によって変形されるパルス波形を固定することにより生成する軟Ｘ線強度を最大になるように保つ。
【００３６】
続いて、この軟Ｘ線強度が最大となる制御信号を求めるシーケンスの一例を、図３を用いて説明する。図３は制御例のフローチャートである。以下、空間光変調器３３、３４は、周波数分布方向に画素が１０００画素あるものとして説明する。入力光パルスの波長領域は前述したように７５０〜９００ｎｍであるため、この場合は、１画素あたり０．１５ｎｍ幅の波長の光を制御することになる。光波形の変形は１パルスごとに別々の波形に変形し、その反応効率を測定する。
【００３７】
最初に、周波数領域を均等に１０分割（周波数分布方向に空間光変調器３３、３４の画素を１００画素ずつ同時に制御することに相当）する（Ｓ１）。そして、分割した各領域の強度値を絞り込む（Ｓ２）。例えば、位相を固定して、各領域の強度値を０、５０、１００％のうちのいずれかとする全ての組み合わせ（３¹⁰＝５９０４９通り）の光波形に対する光反応効率を比較し、反応効率が最も良かった上位２つの強度の組み合わせを選び出す。次に、これら２つの強度の組み合わせに固定して、位相値の絞り込みを行う（Ｓ３）。固定された強度の組み合わせに対して、それぞれの分割領域の位相を０、１２０、２４０度のいずれかに変化させる全ての組み合わせ（２×３¹⁰＝１１８０９８通り）について同じように光反応効率を比較して反応効率が最も良い組み合わせ２つを選定する。ここまでの操作には、３¹¹＝１７７，１４７通りの組み合わせを試す必要がある。
【００３８】
続いて、この組み合わせを基にして、さらに周波数領域を前回の１０倍の１００分割（空間光変調器３３、３４の画素を周波数分布方向に１０画素ずつ同時に制御することに相当）して（Ｓ４）、強度、位相を細かく設定した絞り込みを行う。まず、短波長側の最初の１０個の分割領域（１０画素ずつの１００画素に相当）を指定領域に設定し（Ｓ５）、すでに絞り込まれた強度、位相の組み合わせを基にして、指定領域の光強度を±２５％変化させた全ての組み合わせ（２×３¹⁰＝１１８，０９８通り）について同じように光反応効率が最適となる２つの組み合わせを選定する（Ｓ６）。次に、この２つの組み合わせについて、指定領域の位相を±６０度変更させた組み合わせ（２×３¹⁰＝１１８，０９８通り）について同じように光反応効率が最適となる２つの組み合わせを選定する（Ｓ７）。その後、全ての領域の選定が終了するまで（Ｓ８）指定領域を順次隣の長波長側の領域にずらして（Ｓ９）、全分割領域について同様の選定操作（Ｓ５、Ｓ６）を繰り返す。この１００分割した領域の絞り込み動作には、１０×２×２×３¹⁰＝２，３６１，９６０通りの組み合わせを試す必要がある。
【００３９】
続いて、周波数領域をさらに１０倍の１０００分割（空間光変調器３３、３４の周波数分布方向の１画素ずつを個別に制御することに相当）して（Ｓ１０）、強度、位相をさらに細かくして最適な波形への絞り込みを行う。まず、短波長側の最初の１０画素を指定領域に設定する（Ｓ１１）。次に、選定した強度、位相の組み合わせに対して、指定領域のいずれかの画素の強度を±１２．５％変化させた全ての組み合わせ（２×３¹⁰＝１１８０９８通り）について同じように光反応効率が最適となる２つの組み合わせを選定する（Ｓ１２）。次に、この２つの組み合わせについて、指定領域の位相を±３０度変更させた組み合わせ（２×３¹⁰＝１１８０９８通り）について同じように光反応効率が最適となる２つの組み合わせを選定する（Ｓ１３）。全ての周波数領域について選定が終了するまで（Ｓ１４）、調整した画素に隣接する次の１０画素を指定領域に設定し（Ｓ１５）、同様の操作（Ｓ６、Ｓ７）を繰り返して、最終的に１０００分割した周波数領域について最適な強度、位相の組み合わせ１つに絞り込む（Ｓ１６）。この１０００分割した領域の絞り込み動作には１００×２×２×３¹⁰＝２３，６１９，６００通りの組み合わせを試す。
【００４０】
したがって、強度の分解能が１２．５％、位相の分解能が３０度、波長分解能が０．１５ｎｍのとき、軟Ｘ線の発生効率が最適となる光波形を求めるには、全部で２６，１５８，７０７通りの計算が必要になる。
【００４１】
このアルゴリズムは、制御の一例であって、最適な波形を求めるアルゴリズムはこれに限られるものではない。例えば、位相、強度の分解能の全ての組み合わせについて反応効率を測定し、最後に最適な組み合わせを判定する方法や、シミュレーションなどによって求めた波形形状がある場合は、これを基にして特定の範囲で強度、位相を変動させて調整する方法などが適用できる。
【００４２】
続いて、本発明の他の実施形態について説明する。以下に説明する他の実施形態においては、それらの基本的な構成は図１、図２に示す第１の実施形態と同様であり、以下第１の実施形態と共通する部分については説明を省略する。
【００４３】
図４は、図２に示される入力光導光手段２に光路切り替え装置を備えた第２の実施形態の入力光導光手段２部分のブロック図である。入力光導光手段２は、時間的に出力される光の経路を切り替える音響光学変調器２０１を１個と、切り替えによって分岐された光を光波形変形手段３に導く凸レンズ２０２及び光ファイバ２０３を複数個組み合わせて構成されている。したがって、この第２の実施形態では、後続の光波形変形手段３以降の構成要素は同一の構成で分割された光路数と同じ数だけ必要となる。入力光導光手段２には、音響光学変調器２０１のほかに、機械的な切り替えスイッチ等を用いることもできる。
【００４４】
光源１として繰り返し周波数が３００Ｈｚのパルス光源を用い、凸レンズ２０２及び光ファイバ２０３を１０組使用して、１つの光路を１０本の光路に分岐させる場合、音響光学変調器２０１には、入力パルス光に同期した３０Ｈｚの駆動信号が印加されている。そして、入力パルス光を１個ずつ１０本の進路に振り分けることにより、繰り返し周波数３０Ｈｚのパルス光１０組を生成する。こうして生成されたパルス光は、凸レンズ２０２₁〜２０２₁₀と対応する光ファイバ２０３₁〜２０３₁₀を経て、後続する１０組の光波形変形手段３のうち対応する１組へ送られる。この実施形態では、複数の光波形変形手段３を用いて単位時間あたりに多くの波形を生成することができるので、最適な波形を求める絞り込み処理の時間を短縮することができる。
【００４５】
光波形変形手段３を複数用意する場合は、図２に示されるパソコン６０は、それぞれの光波形変形手段３あるいは複数の光波形変形手段３に対応させて複数台設けても、１台で全ての光波形変形手段３に対応させても良い。複数台のパソコン６０を使用する場合は、記憶手段であるハードディスク８０はそれぞれのパソコン６０に設けても、共有しても良い。複数のパソコン６０を使用する場合は、それぞれのパソコン６０がネットワークにより情報の転送、共有ができるように構成されている必要がある。
【００４６】
次に、図５を参照して、光波形変形手段３に光増幅手段を備えた第３の実施形態について説明する。図５は、この第３の実施形態の光波形変形手段３部分のブロック図である。光路上に入射光を増幅する光増幅手段３００と、光波形を所定形状に変形する光変調手段３２０が直列に配置されている。ここで、光変調手段３２０は、図２に示される光波形変形手段３と同一の構成のものを用いることができる。
【００４７】
このうち、光増幅手段３００の具体的な構成例を図６に示す。増幅を高効率化するためパルス幅を引き伸ばすパルス伸長部３０１と、実際にパルス強度を増幅する光増幅部３０２と、パルス幅を圧縮して元の幅に戻すパルス圧縮部３０３とから構成されている。パルス伸長部３０１は例えば、単一モード光ファイバであり、入出力光を調整する凸レンズ３０４、３０５がこの光ファイバ３０１の両端に配置されている。凸レンズ３０４の後ろには、光増幅部３０２へ光を導くミラー３０６が配置されている。光増幅部３０２は、１対の対向して配置されたミラー３０７、３０８の間に偏光方向を変えるポッケルスセル３０９と、偏光状態を変換する１／４波長板３１０と、偏光状態によって光を分岐する偏光子３１１と、レーザ媒質３１２とを設置した構成になっている。光増幅部３０２からの出力光路は、入力光の光路とずれており、この出力光路上にはミラー３１３のみが配置されている。ミラー３１３からの反射光の光路上には、パルス圧縮部３０３が配置されている。パルス圧縮部３０３は対向して置かれた１対の回折格子３１５、３１６とミラー３１７により構成されている。パルス圧縮部３０３からの出力光の光路は、入力光の光路とずれており、この出力光路上には、光増幅器３００外部へ光を導くためのミラー３１４、３１８が配置されている。
【００４８】
次に、この光増幅手段３００の動作を図６を参照して説明する。光増幅手段３００へ入力された光パルス（図６(a)参照）は、凸レンズ３０４を経て、パルス伸長部３０１に送られる。パルス伸長部３０１の光ファイバは１km程度あり、入力された超短パルスのうち長波長成分のほうが短波長成分より短い光路長を経由して早く出力され、短波長成分は遅れて出力される。この結果、光パルスはパルス幅数百psまで引き伸ばされる（同図(b)参照）。この伸長された光パルスが凸レンズ３０５とミラー３０６を介して光増幅部３０２に入射される。
【００４９】
光増幅部３０２に入射された光パルスは、偏光子３１１に反射された後、ミラー３０７、３０８で多重反射され、レーザ媒質３１２を複数回往復して通過することにより十分に増幅される。この後に、ポッケルスセル３０９で偏光状態が変えられた後で、４分の１波長板３１０と偏光子３１１によって光増幅部３０２の外部へ取り出される（同図(c)参照）。取り出された光はミラー３１３で反射されて、パルス圧縮部３０３に入射される。パルス圧縮部３０３内部では、入射光は、第１の回折格子３１５で分光されて、第２の回折格子３１６で平行光線に調整された後、ミラー３１７で反射されて再度第２の回折格子３１６に入射して集光され、第１の回折格子３１５で再び一本の光に集光されてパルス圧縮部３０３の外へ送られる。この際に、図示のように先行して入射する長波長成分は長い経路を通り、後続して入射する短波長成分が短い経路を通るように光路が調整されているため、光ファイバ３０１で伸長した分が補償される形となり、パルス幅が圧縮される。圧縮されたパルス光（同図(d)参照）は、ミラー３１４と、ミラー３１９を経て光増幅器３００外部へ送られる。
【００５０】
この実施形態では、光増幅に再生光増幅技術を用いたが、これに限られるものではなく、光増幅部３０２のミラー３０７、３０８で光を多重反射させることなく、レーザ媒質中を複数回通過させることにより増幅させる技術などが適用できる。また、ここでは、図５に示されるように光増幅手段３００が光変調手段３２０の前にある例について説明したが、光増幅と光変調はこの順序に限られるものではなく、光変調を光増幅の前、つまり図６(a)の位置のほか、パルス伸長の直後（図６(b)の位置）、又は光増幅器３０２の内部、又は光増幅後（同図(c)の位置）、又はパルス圧縮部３０３内部のいずれの位置で行っても良い。
【００５１】
続いて、図７を参照して、図１の光波形変形手段３としてＰＡＬ−ＳＬＭを２つ用いた第４の実施形態について説明する。図７は、この実施形態の光波形変形手段３のブロック図であり、これを図５に示す第３の実施形態の光変調手段３２０として用いてもよい。以下、光変調手段３２０として説明する。
【００５２】
まず、光変調手段３２０の構成を説明する。光変調手段３２０は、図７に示されるように、入力光の光強度を変える強度変調部３５１と光の位相を変える位相変調部３５２の２つの部分から構成されている。強度変調部３５１と位相変調部３５２にはそれぞれ、光の変調を行うＰＡＬ−ＳＬＭ型の空間光変調器３５３、３５４と、それぞれの空間光変調器３５３、３５４に変調情報を書込むＣＲＴ３５５、３５６と、ＣＲＴ３５５、３５６の像を空間光変調器３５３、３５４に導く結像レンズ３５７、３５８と、空間光変調器３５３、３５４に読出光を入力させる凹面鏡３５９、３６０及び変調された読出光を外部に導く凹面鏡３６１、３６２がそれぞれ配置されている。さらに、強度変調部３５１の光入力側には、入力光を特定の偏光成分に調整する偏光子３６３と、周波数成分に分光する回折格子３６４が配置されている。また、強度変調部３５１と位相変調部３５２の間には、特定の偏光成分のみを通過する検光子３６５が配置されている。さらに、位相変調部３５２の出力側には分光された光を一本にまとめる回折格子３６６が配置されている。
【００５３】
ここで、ＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器３５３、３５４の具体的構成を図８により詳細に説明する。図８に示されるように、この形式の空間光変調器は、書込光が入射する側は、光を透過するガラス面板３７０の入射面と反対の面に第１の透明電極膜（ＩＴＯ）３７１と、入射光によりインピーダンスの変化する水素化アモルファスシリコン層３７２と、多層膜により読出光を反射する誘電体ミラー３７３と、第１の配向層３７４が順に積層されている。一方、読出光側は、ガラス面板３７５の入射面と反対の面に第２のＩＴＯ３７６と、第２の配向層３７７が積層され、第１の配向層３７４と第２の配向層３７７を対向させて間に枠型のスペーサ３７８を挟み込み、挟まれた内部の空間に平行配向のネマチック液晶３７９が充填された構成となっている。配向層３７４、３７７は液晶の配向を揃える働きがある。ＩＴＯ３７１、３７６間に電圧を印加して、書込光を入射すると、書込光の強度に対応してアモルファスシリコン層３７２のインピーダンスが低下する。この結果、液晶３７９に電圧が印加されて、内部の液晶分子が傾き、出力される読出光の位相が変化する。
【００５４】
続いて、この光変調手段３２０の動作を図７を参照して説明する。光変調手段３２０に送られたパルス光は、まず偏光子３６３により、所定方向に偏光される。その後、回折格子３６４により、周波数成分ごとに分光される。この光は凹面鏡３５９により読出光として第１の空間光変調器３５３に導かれる。第１の空間光変調器３５３には、ＣＲＴ３５５の出力像が結像レンズ３５７を経由して結像され書き込まれている。
【００５５】
この第１の空間光変調器３５３には平行配向ネマチック液晶が用いられているため、図９(a)に示す一般的なツイスト配向液晶と異なり、同図(b)に示すように、書込み前の液晶の配向方向は、入出力面に平行に配されている。書込光により液晶の傾き角が変化して同図(c)のようになる。このとき、読出光の偏光方向が液晶分子軸の長軸方向とずれているため、液晶から出力される光は楕円偏光となる。この光を図７に示されるように凹面鏡３６１で集光して検光子３６５を通過させることにより、強度変調された光が出力される。前述したように入力光は回折格子３６４により分光されているため、分光方向に対して異なる変調を与えることによって周波数成分ごとに強度を変調することが可能である。
【００５６】
この強度変調された光が凹面鏡３６０により読出光として第２の空間光変調器３５４に導かれる。この第２の空間光変調器３５４には、第１の空間光変調器３５３と同じようにＣＲＴ３５６と結像レンズ３５８により書込光が入射されている。入射する読出光の偏光方向は第２の空間光変調器３５４の液晶の本来の配向方向と一致している。このため、図９(c)に示されるように液晶分子の長軸方向に平行な偏光成分にのみ位相の変化が与えられ、これに直交する成分は影響を受けない。この結果、純粋な位相変調を行うことができる。こうして分光方向に対して異なる変調を与えることにより周波数成分ごとに位相変調された光は、図７に示すように凹面鏡３６２で集光されて、回折格子３６６によりそれぞれの光の周波数成分を併せ持つ一本のパルス光に調整されて出力光導光手段４へ送られる。このようにして所定の周波数成分ごとに強度と位相の変調を行うことにより、パルス光の波形を様々に変形することができる。但し、強度変調も原理的には位相変調であるので、位相変調部３５２の変調量は、強度変調部３５１における位相変調量を考慮して調整する必要がある。
【００５７】
空間光変調器３５３、３５４としては、例えば、５０mm角で１０００×１０００画素の解像度が得られるタイプのものを使用することができる。また、ＣＲＴ３５５、３５６には、６５mm角で１０００ラインの解像度を有するものを使用することができる。したがって、空間光変調器３５３、３５４上への書込像は結像レンズ３５７、３５８により０．７７倍に調整されている。
【００５８】
次に、図１０を参照して、空間光変調器への光書込をレーザ光によって書込む第５の実施形態を説明する。図１０は、空間光変調器への光書込部分を示している。この第５の実施形態は、図７に示される第４の実施形態における書込み系であるＣＲＴ３５５（３５６）と結像レンズ３５７（３５８）に代えて用いることが好ましい。書込系は、レーザ光を発するＨｅ−Ｎｅレーザ光源３６７と、書込む光の強度を制御して書込画像を調整する強度変調器３６８と、空間光変調器３５３（３５４）への書込位置を調整するＸ−Ｙスキャナ３６９とからなり、強度変調器３６８と、Ｘ−Ｙスキャナ３６９は光波形制御手段６のパソコン６０にインターフェース６１を介して接続されている（図２参照）。
【００５９】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ３６７から射出されたレーザ光は、パソコン６０から送られた制御信号により、強度変調器３６８で強度を調整された後、Ｘ−Ｙスキャナ３６９で空間光変調器３５３（３５４）の所定の位置に照射される。このレーザ光の強度と照射される位置を制御することにより所望の画像を空間光変調器３５３（３５４）に書込むことができる。レーザ光で画像を書込む速さが遅いと初期に書き込んだ画素では、インピーダンスが回復してそこでの液晶層３７９（図８参照）のインピーダンス変化が小さくなり、光変調が十分に行われないため、レーザ光照射のスキャン速度を空間光変調器３５３（３５４）の応答時間に対して速くする必要がある。レーザ光照射を利用することにより、第４の実施形態のようにＣＲＴを書き込みに使用する場合に比べて空間光変調器にビデオレートの３０Ｈｚより高速で画像を書き込むことができ、３０Ｈｚを超える繰り返し周期のパルス光に対応させることができる。したがって、ＣＲＴ利用の場合よりも高速で絞り込み操作を繰り返すことができ、最適な反応効率を求めるために必要な時間も短縮できる。また、ＣＲＴによる書き込みに比べて分解能を向上させることもできる。
【００６０】
続いて、図８に示される空間光変調器に用いられる誘電体ミラー３７３に読出光の波長分布方向で分光反射特性を異ならせたミラーを使用した第６の実施形態について説明する。図１１は、この誘電体ミラー３７３の配置の概念図であり、模様の異なる部分は、異なる分光反射特性を有していることを示している。読出光の全波長領域で高い反射特性を有するミラーを製作するのは困難であり、そのようなミラーを製作すると誘電体ミラー３７３の厚さが厚くなって、誘電体ミラー３７３自体のインピーダンスが大きくなるため、空間光変調器の感度が低下して好ましくない。一方、前述したように読出光は分光されているため、空間光変調器の所定部位に入射する読出光の光波長領域は限定されている。このため、入射する読出光の波長領域についてのみ高い反射特性を有するミラーを製作すれば、薄い誘電体ミラーで効率良く読出光を反射でき、空間光変調器の感度低下を防止することができる。
【００６１】
ここでは、段階的に異なるコーティングを施す例を示したが、コーティングの際に誘電体ミラー３７３がコーティングされるシリコン層３７２（図８参照）を予め傾けておき、蒸着膜の厚さを連続的に変化させて、場所ごとの分光反射特性を変化させてもよい。
【００６２】
次に、図１２、図１３を参照して、１つの光変調手段を用いて多数の光波形を生成する第７の実施形態について説明する。図１２は、この実施形態における光波形変形手段３の概略図であり、図１３は、図１２に示される光変調手段３２０の斜視図である。最初に、この実施形態の構成を説明する。図１２に示されるように、凸レンズ３３０と、シリンドリカルレンズ３３１と、平面凹レンズ３３２が光変調手段３２０の入力側に直列に配置されている。図１３に示されるように、光変調手段３２０は、一対の回折格子３２１、３２２の間に、一対のシリンドリカルレンズ３２３、３２４を直列に配置して、さらにその間に透過型の空間光変調器３２５を配置した構成になっている。空間光変調器は、２次元方向に画素を有し、それぞれの画素で独立して光変調を行うことができる。
【００６３】
続いて、本実施形態の動作を説明する。図１２に示されるように、入射光は、凸レンズ３３０によって平行光に調整された後、シリンドリカルレンズ３３１と、平面凹レンズ３３２によって、１次元方向に広がりのあるストライプ状の平行光に調整され、光変調手段３２０に入射される。図１３に示されるように、光変調手段３２０に入射したこのストライプ状の平行光は、回折格子３２１により分光されて、分光方向と直交する方向にも広がりを持つ２次元光に調整される。この光をシリンドリカルレンズ３２３により空間光変調器３２５に導く。空間光変調器では、分光方向とこれに直交する方向で異なる変調を与える。図１３に示される例では、分光方向と直交する方向に４分割してそれぞれ異なる光変調を加えている。こうして変調された光は、シリンドリカルレンズ３２４により集光され、回折格子３２２によって、再びストライプ状の光に調整される。従って、ストライプの長手方向で分割された４つの異なる光波形の光が出力される。空間光変調器として１０００×１０００画素の空間光変調器を用いた場合は、最大１０００個の波形を同時に変形することも可能である。
【００６４】
ここでは、光変調手段３２０として透過型の空間光変調器を１個用いる例について説明したが、図７に示されるような反射型のＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器を２個用いる光変調手段を用いてもよい。この場合は、強度と位相を独立に制御して、１組の光変調手段で複数の光波形を生成できる利点がある。この場合、分光方向だけでなく、それに直交する方向についても各々の空間光変調器のそれぞれの画素が正確に対応するよう光学系を調整する必要がある。
【００６５】
次に、図１４を参照して、出力光導光手段４に光分岐手段を備えた第８の実施形態について説明する。図１４(a)はミラーを用いた光分岐手段であり、同図(b)は、光ファイバを用いた光分岐手段を示している。同図 (a)に示される手段では、入力光の１次元分布方向に並べられた複数個のミラー４３とこれにそれぞれ対向するミラー４４が組み合わされて構成されている。一方、同図(b)に示される手段では、入力光は凸レンズ４５と光ファイバ４６を複数組み合わせて構成されている。いずれの場合も、入射光は、複数に分割されて、複数の出力光が取り出される。得られた複数の出力光はすべて同一の波形を有する。一方、第７の実施形態の光変調手段を利用した場合は、入力光はストライプ状で、ストライプの長手方向で異なる波形を有している。したがって、本実施形態の光分岐手段を用いることにより、それぞれの波形の光を分離することができる。こうして取り出された複数の出力光は、図２に示される光反応作用手段５の同じアルミターゲット５０の異なる位置に照射されても良いし、別々のアルミターゲット５０に照射されてもよい。
【００６６】
続いて、図１５を参照して、光源１の強度変動を補正する手段を有する第９の実施形態について述べる。この実施形態では、図２の反応効率測定手段７に図１５に示す補正回路７５等を付加したものである。図１５に示されるように光源１の強度変動を補正する手段は、光源１の出力光を分岐するビームスプリッタ１１と、分岐した光を検出する光検出器１２と、光検出器１２と積分回路７４の出力を入力として、補正後の信号をパソコンに出力する補正回路７５からなる。光源１から射出されたレーザ光は、ビームスプリッタ１１で一部が分岐される。分岐された光は光検出器１２に入射されて光強度に対応した電気信号が出力される。補正回路７５は、この電気信号によって積分回路７４の出力信号を補正してパソコン６０に転送する。この結果、光源の強度が変動する場合でも、反応効率を正しく評価することができ、検出精度が向上する。光強度を検出する手段は、光源１の直後に限られるものではなく、光反応作用手段５までのいずれの段階に設置してもかまわない。
【００６７】
次に、図１６を参照して、出力光導光手段４で分離された光をさらに分岐して用いる第１０の実施形態について述べる。ここでは、図１４(b)に示される出力光を光ファイバにより分岐する装置で用いる場合について示すが、同図(a)に示される複数のミラーで出力光を分岐する場合についても適用可能である。図１６に示されるように、光ファイバ４６に光を複数の経路に分岐する光分岐器４７が接続され、分岐された光経路上には、それぞれの光相互の遅延時間を調整して出力する出射光学系４８が配置されている。この出力光は、アルミターゲット５０に導かれる。出射光学系４８はコントローラ４９を介して装置全体を制御するパソコン６０に接続されている。
【００６８】
光分岐器４７により分岐された光は、出射光学系４８によりそれぞれアルミターゲット５０に照射されるタイミングが調整される。つまり、アルミターゲット５０に衝突させる光ダブルパルスの時間間隔を調整することが可能となる。このタイミングの調整は、パソコン６０によりコントローラ４９を介して行われる。従って、この照射されるパルスの時間間隔も光反応効率を左右するパラメータとして用いることができる。分岐の数は２本より多くてもよい。また、ここでは、アルミターゲット５０の同じ位置に光を入射させているが、入射位置を変更して、異なる光波形の光が異なる位置に入射するように配置しても良い。あるいは、光分岐器４７を用いずに、異なるチャンネルの光ファイバ４６を経由した光を異なる出射光学系４８に導いて、同一場所に照射しても良い。さらにこの場合は、、出射光学系４８の後に光スイッチを設けても良い。
【００６９】
次に、図１７を参照して、反応効率測定にストリークカメラを用いた第１１の実施形態について説明する。図１７は、ストリークカメラを用いた反応効率測定手段７の概略図である。ここでは、アルミターゲット５０に複数の光パルスを同時に照射させる場合の反応効率の測定について説明する。この複数の光パルスは、アルミターゲット５０の１次元状に並んだ異なる位置に入射される。以下の説明では、同時に１０個の光パルスが入射するものとする。
【００７０】
まず、装置の構成を説明する。アルミターゲット５０から出射された光は、射出位置の違いによって１次元状に並んだ複数の光からなる。出射光の光路上には、この１次元方向（以下、出射光の分布方向と呼ぶ）に円筒軸を合わせたシリンドリカルレンズ７６が配置されている。このレンズ７６の焦点位置には、グレーティング７１が配置されている。このグレーティング７１の分光方向は、出射光の分布方向に直交する方向である。グレーティング７１で分光された光の光路上には、出射光の分布方向に沿って細長いスリット７２が設けられている。このスリット７２の後ろには、入力光学系７７、ストリークカメラ７８、撮像装置７９が配置されている。
【００７１】
次に、本装置の動作を説明する。出力光導光手段４から１０個の異なる波形の光パルスがアルミターゲット５０の１次元状に並んだ異なる位置に同時に入射される。それぞれの光パルスに対応してアルミターゲット５０から出射される光もそれぞれこの１次元状に並んで分散している（前述の出射光の分布方向）。それぞれの光は、分散位置を保ったまま、レンズ７６により集光されて、グレーティング７１の反射面に入射し、ここでこの１次元方向に直交する方向に分光される。分光された光のうち、所望の波長の光のみがスリット７２を通過して、入力光学系７７を経て、ストリークカメラ７８に入射する。ストリークカメラ７８では、図１８に示されるような観測画像が得られる。図１８から分かるようにそれぞれの出射光について強度の時間変化の情報が得られる。したがって、反応効率の時間変化の測定が容易になり、かつ、一度に複数の波形に対する反応効率の測定ができて好ましい。この画像を図１７に示されるように、撮像装置７９により、電気信号に変換して、パソコン６０に伝送して処理する。
【００７２】
以上説明した実施形態は、それぞれ単独で用いるのではなく、組み合わせて用いることができる。例えば、光波形変形手段の入力光を分岐する第２の実施形態と、光波形変形手段としてＰＡＬ−ＳＬＭを２個用いる第４の実施形態と、多数の光波形を生成する第７の実施形態と、光波形変形手段の出力光を分岐する第８の実施形態を組み合わせて使用する例について述べる。光源に繰り返し周波数３００Ｈｚのパルス光を使用し、これを１０組に分割することで、１０組あるそれぞれの光波形変形手段には繰り返し周波数３０Ｈｚのパルス光が入射する。このため、空間光変調器への書込みはビデオレートに制限されるＣＲＴにより行うことができる。空間光変調器１つで１０個の異なる波形に変形すれば、１秒間に３０×１０×１０＝３０００個の異なる波形のパルス光を生成することができる。出力光導光手段でこの異なる波形ごとに分割してアルミターゲットの異なる位置あるいは異なるアルミターゲットに照射することで、１秒間に３０００個の異なるパルス波形に対する反応効率を得ることができる。
【００７３】
例えば、図３に示した制御シーケンスを行う場合、１秒間に３０００種類の光パルス波形を生成して、強度の分解能が１２．５％、位相の分解能が３０度の最適な光波形を求めるには、全部で２６，１５８，７０７／３０００秒、すなわち約８７２０秒＝約２．４時間で最適な光波形を求めることができる。
【００７４】
さらに、強度、位相の分解能を高める場合には、強度、位相の変更幅を前回の半分にして図３のＳ１１〜Ｓ１６を繰り返せばよい。強度の分解能を約１．６％、位相の分解能を３．７５度とする場合は、さらにもう３回繰り返す必要がある。前述したように、１秒間に３０００種類の光パルスの組み合わせについて検討を行えば、この場合でも約９．０時間で最適な光波形が得られる。
【００７５】
空間光変調器の台数や１つの空間光変調器で１度に生成する波形の数を増やすことにより、単位時間に得られる波形の数及びこれに対応する反応効率の測定数を増やすことができ、最適な波形を求める絞り込み時間も短縮される。
【００７６】
最適な波形を求めるアルゴリズムには、いろいろなものがあるが、図３に示す制御シーケンスでは、チャンネルが多くなると、反応効率を試す組み合わせが指数関数的に増大していく。また、光学系の経時変動などを吸収して、常に最高の効率が得られるような最適な制御を行う必要がある場合も存在する。これには、いわゆる「山登り法」等に代表されるフィードバック型のアルゴリズムを適用できる。
【００７７】
反応効率を最大にする場合の「山登り法」の制御シーケンスの一例を以下に述べる。このシーケンスのフロー図を図１９に示す。以下、説明を簡略化するため、チャンネルｘに与える強度変調量をＡ(ｘ)、位相変調量をＰ(ｘ)として表す。また、random[ａ，ｂ]は、ａからｂまでの乱数発生関数を表している。そして、評価関数Ｖは、それぞれの強度変調量、位相変調量に対して得られる軟Ｘ線の強度を示す（図２の積分回路７４の出力信号に相当する）。
【００７８】
最初に、変調量Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)の初期値Ａ₀(ｘ)、Ｐ₀(ｘ)を設定する（Ｓ２１）。初期変調量として与えるＡ₀(ｘ)、Ｐ₀(ｘ)は、シミュレーションより求めた最適解を用いても良いし、乱数等を利用して与えても良い。設定した変調量Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)によって光波形を変形して、変形した光波形を用いて光反応を起こし、その反応効率を測定することによってこの変調量Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)に対応する評価関数Ｖを得る（Ｓ２２）。続いて、変調量変化分ΔＡ(ｘ)、ΔＰ(ｘ)を乱数を用いて設定する（Ｓ２３）。ここで、Ｃ_a、Ｃ_pは学習係数であり、これらは正の実数値、例えば０．０１とする。
【００７９】
そして、変調量Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)にこの変調量変化分ΔＡ(ｘ)、ΔＰ(ｘ)を加えて新しい変調量Ａ_new(ｘ)、Ｐ_new(ｘ)を設定する（Ｓ２４）。そして、この変調量によって光波形を変形して、変形した光波形を用いて光反応を起こし、その反応効率を測定することによってこの変調量に対応する評価関数Ｖ_newを得る（Ｓ２５）。そして、評価関数Ｖ_newとＶの値を比較する（Ｓ２６）。
【００８０】
Ｖ_newがＶより大きいときは、Ａ_new(ｘ)、Ｐ_new(ｘ)、Ｖ_newをそれぞれ新たなＡ(ｘ)、Ｐ(ｘ)、Ｖに設定し（Ｓ２７）、Ｓ２４に戻り、この変調量Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)にこの変調量変化分ΔＡ(ｘ)、ΔＰ(ｘ)を加えて新しい変調量Ａ_new(ｘ)、Ｐ_new(ｘ)を設定する。そして、Ｓ２５以降を繰り返す。一方、Ｖ_newがＶと等しいか、それ以下のときは、Ｓ２３に戻り、新たな変調量変化分ΔＡ(ｘ)、ΔＰ(ｘ)を乱数を用いて設定して、Ｓ２４以降を繰り返す。
【００８１】
これによって評価関数が大きな値をとるように、Ａ(ｘ)、Ｐ(ｘ)をフィードバック制御することができる。特に、学習係数を工夫することによって、収束の速さを改善するほか、評価関数の極大値に変調量が設定される等の問題点を回避することもできる。
【００８２】
以上の説明においては、光源として、短パルス光を発するチタンサファイアレーザを用いた例について説明したが、光源はこれに限られるものではなく、ＱスイッチモードロックＮｄ：ＹＡＧレーザやモード同期Ｃｒ：ＬｉＳＡＦレーザ、モード同期色素レーザ等のパルスレーザの他、位相の揃った複数のコヒーレント光を同軸上に合成して用いてもよい。
【００８３】
さらに、空間変調器としては、ＰＡＬ−ＳＬＭを用いた例について説明したが、光変調材料としてニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）を用いた空間光変調器（ＭＳＬＭ）やＢＳＯを用いたＰＲＯＭ素子の２次元空間光変調器を利用することができる。あるいは、簡易的にＬＣＴＶ（液晶テレビ）のような電気アドレス型の空間光変調器を用いても良い。
【００８４】
また、ここでは、軟Ｘ線を発生する光反応作用手段について説明したが、光反応は、種々の化学反応や超短光パルスを発生する光反応についても適用可能である。これらのケースに適用する場合には、それぞれの反応効率を的確に把握できる反応効率測定手段を用いる必要がある。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光波形を所定シーケンスに基づいて自動的に変形し、その結果得られた光による光反応の効率を測定して光波形とともに記憶しておき、シーケンス終了後に記憶しておいた光波形と反応効率の組み合わせの中から最も反応効率の良い光波形を自動的に求め、その光波形に固定して最適な光反応を行わせることができる。したがって、理論シミュレーションによって光反応を起こさせる光波形を求めることが不可能な場合や困難な場合でも、最適な光反応を起こさせることができる。
【００８６】
また、光波形の設定は、それぞれのパラメータごとに自動的に変形し、得られた光による光反応の効率を測定して随時記憶しておいた反応効率と比較することにより、それぞれのパラメータについて好適な範囲を絞り込み、この絞り込んだ範囲においてさらに同一の又は他のパラメータについて同様に好適な範囲を絞り込む動作を繰り返すことで、最も反応効率の良い光波形を自動的に求め、そのうえでその光波形に固定して最適な光反応を行わせることもできる。この場合は、より短時間で最適な光波形を求めることが可能である。さらに、理論的なシミュレーションが可能な場合には、計算結果をもとにして調整を行うことで、計算精度等による計算結果の最適な波形からのずれを調整することが可能である。
【００８７】
光波形変形手段として空間光変調器と、その入出力側のそれぞれに配置された２個の回折格子を用いれば、周波数成分ごとに光変調が可能なため、光波形の変形が容易であり、細かい調整ができる。
【００８８】
この空間変調器にその光路を直列に接続した強度変調用と位相変調用のＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器を２つ用いれば、光の周波数成分ごとに強度と位相を独立に制御できるため、簡単に任意のパルス波形を出力することが可能となる。
【００８９】
光波形変形手段への入力光を回折格子の分光方向に直交する１次元方向に広がりを持つ光とすれば、空間光変調器へ入射する読出光が２次元分布を有する光となるため、１台の空間光変調器で複数の光波形を生成することができて、最適な光波形を求める時間が短縮される。
【００９０】
また、空間光変調器は、読出光の波長分布方向に対応して分光反射特性を異ならせた読出し光反射鏡を有するＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器を用いれば、全領域で反射率の高い反射鏡を製作する場合に比較して反射鏡の厚さを薄くすることができ、反射鏡のインピーダンス増大に伴う空間光変調器の感度低下を防止できる。
【００９１】
レーザ走査により書込みを行うＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器を用いれば、ＣＲＴよりも高速な書込みが可能となり、結果的に、装置全体の応答速度を向上させることができ、最適な光波形を求める時間も短縮される。また、書込画像の分解能を向上させることができる。
【００９２】
光波形変形手段は、入力された短パルス光の強度を増幅する光増幅器を有していてもよい。光増幅により、光波形変形の自由度が増すからである。
【００９３】
反応効率測定手段は、測定した反応効率に対応する光強度を測定する光源の光強度を測定する手段と、この光強度をもとに反応効率を補正する手段をそなえていてもよい。これにより、光源の強度変動を補正して、反応効率の検出精度を高めることができ、最適な光波形を正確に求めることができる。
【００９４】
また、光波形変形手段からの出力光を複数に分割し、分割された出力光相互の遅延時間を制御して光反応作用手段に導く出力光導光手段をさらに備えていてもよい。これにより、複数の光パルスを衝突させることによる光反応を起こさせることが可能となり、これについても自動的に最適な光波形及び遅延時間を設定することができる。
【００９５】
反応効率測定手段は、光反応作用手段から出力された光の強度の時間変化を測定するストリークカメラを有していてもよい。反応効率の時間的変化を合わせて測定することにより、一度に複数の光波形の評価が可能となり、最適な光波形の評価がさらに容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置全体の基本構成のブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の全体構成図である。
【図３】図２に係る第１の実施形態の制御フロー図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の入力光導光手段のブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の光波形変形手段のブロック図である。
【図６】図５に示される光波形変形手段の光増幅手段のブロック図である。
【図７】本発明の第４の実施形態の光変調手段のブロック図である。
【図８】ＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器の断面構成図である。
【図９】図８に示されるＰＡＬ−ＳＬＭ型空間光変調器の動作原理を示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態の空間光変調器への光書込系を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態の空間光変調器の断面概略図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態の光波形変形手段の概略図である。
【図１３】図１２に係る光波形変形手段の光変調手段の構成図である。
【図１４】本発明の第８の実施形態の出力光導光手段のブロック図である。
【図１５】本発明の第９の実施形態の光源強度の変動補正手段のブロック図である。
【図１６】本発明の第１０の実施形態の出力光導光手段のブロック図である。
【図１７】本発明の第１１の実施形態の反応効率測定手段のブロック図である。
【図１８】図１７に係るストリークカメラの観測画像の例を示す図である。
【図１９】本発明の他の制御シーケンスのフロー図である。
【図２０】光波形変形手段の第１の従来例を示す図である。
【図２１】光波形変形手段の第２の従来例を示す図である。
【図２２】光波形変形手段の第３の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１…光源、２…入力光導光手段、３…光波形変形手段、４…出力光導光手段、５…光反応作用手段、６…光波形制御手段、７…反応効率測定手段、８…記憶手段、１１…ビームスプリッタ、１２…光検出器、２０…集光レンズ、２１…光ファイバ、２２…コリメートレンズ、３０…ミラー、３１、３２…回折格子、３３、３４…空間光変調器、３５〜３８…凸レンズ、３９…ミラー、４０…集光レンズ、４１…光ファイバ、４２…コリメートレンズ、４３、４４…ミラー、４５…凸レンズ、４６…光ファイバ、４７…光分岐器、４８…出射光学系、４９…コントローラ、５０…アルミターゲット、６０…パソコン、６１…インタフェース、７０…ミラー、７１…グレーティング、７２…スリット、７３…光電管、７４…積分回路、７５…補正回路、７６…レンズ、７７…入力光学系、７８…ストリークカメラ、７９…撮像装置、８０…ハードディスク、１０１…シングルモード光ファイバ、１０２…フィルタ、１０３、１０４…回折格子、１０５…マスク、１０６…空間光変調器、２０１…音響光学変調器、２０２…凸レンズ、２０３…光ファイバ、３００…光増幅手段、３０１…パルス伸長部、３０２…光増幅部、３０３…パルス圧縮部、３０４、３０５…凸レンズ、３０６〜３０８…ミラー、３０９…ポッケルスセル、３１０…１／４波長板、３１１…偏光子、３１２…レーザ共振器、３１３、３１４…ミラー、３１５、３１６…回折格子、３１７、３１８…ミラー、３２０…光変調手段、３２１、３２２…回折格子、３２３、３２４…シリンドリカルレンズ、３２５…空間光変調器、３３０…凸レンズ、３３１…シリンドリカルレンズ、３３２…平面凹レンズ、３５１…強度変調部、３５２…位相変調部、３５３、３５４…空間光変調器、３５５、３５６…ＣＲＴ、３５７、３５８…結像レンズ、３５９〜３６２…凹面鏡、３６３…偏光子、３６４…回折格子、３６５…検光子、３６６…回折格子、３６７…Ｈｅ−Ｎｅレーザ、３６８…強度変調器、３６９…Ｘ−Ｙスキャナ、３７０、３７５…ガラス面板、３７１、３７６…ＩＴＯ、３７２…アモルファスシリコン層、３７３…誘電体ミラー層、３７４、３７７…配向層、３７８…スペーサ、３７９…液晶層。

Claims

複数の周波数成分を含むコヒーレントな光が集合した短パルス光を射出する光源と、
前記短パルス光を入力光とし、この光の波形を変形して射出する光波形変形手段と、
前記光波形変形手段の出力光を用いて所定の光反応を行う光反応作用手段と、
前記光波形変形手段で変形された光波形に対する前記光反応の反応効率を随時測定する反応効率測定手段と、
前記光波形変形手段で変形された光の波形に関する情報及びこれに対応する前記反応効率測定手段で測定された反応効率を関連づけて随時記憶する記憶手段と、
前記光波形変形手段を制御して前記光波形変形手段で変形される光波形を調整する機能を有し、所定のシーケンスに従って光波形を変化させながら前記反応効率測定手段により測定した反応効率をこの光波形に関する情報と共に前記記憶手段に記憶させ、所定シーケンス終了後、前記記憶手段に記憶された光波形と反応効率の組み合わせの中から最適な反応効率の光波形を呼び出して前記光波形変形手段を制御することにより、この光波形に調整する光波形制御手段と、
を備えることを特徴とする光反応装置。
複数の周波数成分を含むコヒーレントな光が集合した短パルス光を射出する光源と、
前記短パルス光を入力光とし、この光の波形を変形して射出する光波形変形手段と、
前記光波形変形手段の出力光を用いて所定の光反応を行う光反応作用手段と、
前記光波形変形手段で変形された光の波形に対する前記光反応の反応効率を随時測定する反応効率測定手段と、
前記光波形変形手段で変形された光の波形に関する情報及びこれに対応する前記反応効率測定手段で測定された反応効率を関連づけて随時記憶する記憶手段と、
前記光波形変形手段を制御して前記光波形変形手段で変形される光波形を調整する機能を有し、光波形変形を制御するパラメータのうち特定のパラメータを所定の範囲で変化させながら、前記反応効率測定手段により反応効率を測定して、得られた反応効率を基に前記特定のパラメータの前記所定範囲中における好適な範囲を絞り込み、この絞り込んだ特定パラメータの好適な範囲においてさらに同一又は他のパラメータについて同様の絞り込みを行う動作を繰り返すことにより、最適な反応効率の光波形を判定したうえで、前記光波形変形手段を制御してこの光波形に調整する光波形制御手段と、
を備えることを特徴とする光反応装置。
前記光波形変形手段は、空間光変調器と、その入出力側のそれぞれに配置された２個の回折格子と、を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反応装置。
前記空間変調器は、その光路が直列に接続された強度変調用と位相変調用の２つの平行配向ネマチック液晶型空間光変調器であることを特徴とする請求項３記載の光反応装置。
前記光波形変形手段へ入力される前記短パルス光は１次元方向に広がりを有するストライプ状の平行光であって、前記１次元方向は前記入力側回折格子の分光方向に直交していることを特徴とする請求項３記載の光反応装置。
前記空間光変調器は、読出光の波長分布方向に対応して分光反射特性を異ならせた読出光反射鏡を有する平行配向ネマチック液晶空間光変調器であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の光反応装置。
前記空間光変調器は、書込みがレーザ走査により行われる平行配向ネマチック液晶空間光変調器であることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の光反応装置。
前記光波形変形手段は、入力された前記短パルス光の強度を増幅する光増幅器を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反応装置。
前記反応効率測定手段は、前記光源あるいは前記光波形変形手段の出力光の光強度を測定する手段と、前記光強度をもとに前記反応効率測定結果を補正する手段とをさらに備えている請求項１又は２に記載の光反応装置。
前記光波形変形手段からの出力光を複数に分割し、分割された出力光相互の遅延時間を制御して光反応作用手段に導く出力光導光手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反応装置。
前記反応効率測定手段は、前記光反応作用手段から出力された光の強度の時間変化を測定するストリークカメラを有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光反応装置。