JP4614903B2 - Method and apparatus for measuring optical carrier absolute phase of optical pulse - Google Patents
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Description
本発明は、光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法および装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for measuring the optical carrier absolute phase of an optical pulse.
近年の可視・近赤外波長領域の極短パルスレーザ技術により、パルスの半値全幅(パルス幅)が例えば10fs以下という、光の振動時間に極めて近い極短光パルスを容易に発生できるようになってきた。このような極短光パルスは、そのパルス幅の中に光の電界振動を2〜3周期しか含んでおらず、「数サイクルパルス」と呼ばれる。 The ultrashort pulse laser technology in the visible / near infrared wavelength region in recent years makes it possible to easily generate an ultrashort optical pulse with a full width at half maximum (pulse width) of, for example, 10 fs or less, which is very close to the light oscillation time. I came. Such an ultrashort light pulse includes only a few periods of electric field oscillation of light in its pulse width, and is called “several cycle pulse”.
極短光パルス中における電界振動の位相は、光搬送波絶対位相と呼ばれ、光パルスの電界(光搬送波電界)を式(1)で表した場合、位相角ΔφCEで定義される。
E(t)=A(t)cos(ωt−ΔφCE) …(1)
ここで、ωは電界振動の角周波数、tは時間、A(t)は時間0に尖頭値をとる電界振動の包絡線関数を表す。図5に示すように、光パルスの強度波形の尖頭値に対応する時刻と、電界振動の最初の極大値に対応する時刻との間の時間差が、ΔφCE/ωとなる。
Pole phase of the electric field oscillating in the optical short pulses, called optical carrier absolute phase, when expressed light pulse electric field (optical carrier field) in equation (1) is defined by a phase angle [Delta] [phi CE.
E (t) = A (t ) cos (ωt-Δφ CE) ... (1)
Here, ω represents an angular frequency of electric field vibration, t represents time, and A (t) represents an envelope function of electric field vibration having a peak value at
光パルスの尖頭値強度を考えると、パルス幅中に多数の電界振動を含む「マルチサイクルパルス」の場合には、光搬送波絶対位相の変化に対する尖頭値強度の違いは無視できる程に小さいのに対して、数サイクルパルスの場合には、その違いは最大数パーセントにも達し、スイッチング、波長変換等で利用される光非線形性の発現に大きく影響する。また、光非線形現象が起こるタイミングも変化する。数サイクルパルスにおける数fs(フェムト秒)という時間スケールにおいては、このタイミング変化は決して小さなものではない。このため、極短光パルスを光非線形現象へ利用するときには、光搬送波絶対位相の制御が重要となる。 Considering the peak intensity of an optical pulse, in the case of a “multi-cycle pulse” that includes many electric field oscillations in the pulse width, the difference in peak intensity with respect to the change in the optical carrier absolute phase is negligibly small On the other hand, in the case of several cycle pulses, the difference reaches a maximum of several percent, which greatly affects the expression of optical nonlinearity used in switching, wavelength conversion, and the like. In addition, the timing at which the optical nonlinear phenomenon occurs also changes. On a time scale of a few fs (femtoseconds) in a few cycle pulses, this timing change is by no means small. For this reason, control of the optical carrier absolute phase is important when using ultrashort light pulses for optical nonlinear phenomena.
近年、モード同期レーザから出力されるパルス列における光搬送波絶対位相のパルスごとの揺らぎを自己スペクトル干渉法と呼ばれる手法を利用したフィードバック制御で安定化させ、そのパルスを数100μJ/pulseまで増幅したレーザシステムが開発され、ある特定の光搬送波絶対位相に固定された高強度(1013W/cm2以上)極短光パルスが得られるようになった(例えば非特許文献1を参照)。 In recent years, a laser system in which the fluctuation of each pulse of the optical carrier absolute phase in a pulse train output from a mode-locked laser is stabilized by feedback control using a technique called self-spectrum interferometry, and the pulse is amplified to several hundred μJ / pulse. Has been developed, and high-intensity (10 13 W / cm 2 or more) ultrashort optical pulses fixed to a specific optical carrier absolute phase can be obtained (for example, see Non-Patent Document 1).
しかし、極短光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法の開発は、発展途上の段階にある。現在までに、極短光パルスの光搬送波絶対位相に依存した物理現象や、それに基づいた光搬送波絶対位相の計測方法の提案がいくつか報告されている(例えば、非特許文献2,3,4,5を参照)。これらの報告は、光搬送波絶対位相の違いにより生ずる極短光パルスにおける光電界の空間非対称性に着目しており、数10〜100μJ/pulseの増幅光パルスをガスに集光強度1014W/cm2以上で集光した際に起こる光電界イオン化によって放出される光電子の電子数やエネルギーの空間分布を測定するものである。この測定を行うためには、空間位置分解能を持った検出器を用意するか、複数の検出器を空間的に配置する必要がある。また、測定は真空中で行うため、真空容器が必要である。このため、上記の測定の実現は一般に容易ではない。実際、実証実験が行われているのは、ガスに対して2台の光電子検出器を対象に配置して光電子エネルギーの空間分布測定を行ったPaulus等の提案のみである。
However, the development of a method for measuring the optical carrier absolute phase of ultrashort light pulses is in a developing stage. To date, several proposals have been made on physical phenomena depending on the optical carrier absolute phase of an ultrashort optical pulse and methods for measuring the optical carrier absolute phase based on the physical phenomenon (for example, Non-Patent
以上のように、極短光パルスにおける従来の光搬送波絶対位相の計測方法は、数10〜100μJ/pulse以上の高強度極短光パルス、複数の光電子検出器、真空容器を必要とし、簡便な計測方法ではない。特に、極短光パルスの光非線形現象への利用を考えた場合には、光搬送波絶対位相の直接計測方法を確立することが重要であり、その方法はいまだ確立されていない。 As described above, the conventional optical carrier absolute phase measurement method for ultrashort optical pulses requires a high-intensity ultrashort optical pulse of several tens to 100 μJ / pulse or more, a plurality of photoelectron detectors, and a vacuum vessel. It is not a measurement method. In particular, it is important to establish a method for directly measuring the absolute phase of an optical carrier when considering the use of an ultrashort optical pulse for an optical nonlinear phenomenon, and the method has not been established yet.
なお、レーザ光を固体表面に照射することによって3次高調波を、基本波を2次高調波発生用結晶に入射することによって2次高調波を発生させ、両者の干渉信号から相対的な光搬送波絶対位相の変化量を計測する方法が提案されている(例えば、非特許文献6を参照)。しかし、この計測方法では、光搬送波絶対位相の絶対量を計測することはできない。 The third harmonic is generated by irradiating the solid surface with the laser light, and the second harmonic is generated by making the fundamental wave incident on the second harmonic generation crystal. A method for measuring the amount of change in the absolute phase of the carrier wave has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 6). However, this measurement method cannot measure the absolute amount of the optical carrier absolute phase.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも簡便、かつ、1μJ/pulse以下の光パルスを使用して光搬送波絶対位相の絶対量を計測できるようにすることにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to make it possible to measure the absolute amount of the optical carrier absolute phase by using an optical pulse of 1 μJ / pulse or less, which is simpler than before. Is to make it.
このような目的を達成するために、本発明に係る光パルスの光搬送波絶対位相の計測方
法は、光パルスの光搬送波絶対位相を変化させて固体ターゲットに斜入射で照射し、前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波と、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの偶数次高調波との干渉強度、または、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの奇数次高調波と偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で繰り返し計測するステップと、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップとを備える。
To achieve the above object, the measurement method of the optical carrier absolute phase of the optical pulse according to the present invention, by changing the optical pulse optical carrier absolute phase irradiated at an oblique incidence to the solid target, said solid target surface in the fundamental wave reflected the light pulse, the interference intensity of the even harmonics of the light pulse generated in the reflection direction of the fundamental wave on the surface of the solid target, or the fundamental wave at the surface of said solid target interference strength between odd harmonics and even harmonics of the light pulse generated in the reflection direction, a step of interference distinct vision degree is repeatedly measured at a wavelength having the maximum optical carrier absolute phase of the optical pulse a periodic variation of the interference intensity with respect to variation and calculating a value of the optical carrier absolute phase.
ここで、前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップは、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における1周期分の区間を検出するステップと、前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップとを備えることを特徴とする。
Here, the step of calculating the value of the optical carrier absolute phase includes the steps of detecting a section of one period in the periodic variation of the interference intensity with respect to the optical carrier absolute phase change amount of the light pulse, in the section wherein from said optical carrier absolute phase change amount which the interference intensity is maximum and the interference intensity variation of the optical carrier absolute phase as a minimum, the light corresponding to the amount of change in the optical carrier absolute phase of the optical pulse Calculating the value of the absolute phase of the carrier wave .
また、本発明に係る光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、光パルスを出力する光パルス出力手段と、通過する光パルスの光搬送波絶対位相を変化させる光搬送波絶対位相調整手段と、前記光パルス出力手段から出力され前記光搬送波絶対位相調整手段を通過した光パルスが斜入射で照射される固体ターゲットと、前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波または前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した奇数次高調波と前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で測定する光検出手段と、前記光搬送波絶対位相調整手段による前記光搬送波絶対位相の変化量を変えて前記干渉強度を繰り返し測定したときの前記光検出手段の測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出する光搬送波絶対位相算出手段とを備える。
Further, the optical carrier absolute phase measurement apparatus for an optical pulse according to the present invention, an optical pulse output means for outputting an optical pulse, the optical carrier absolute phase adjusting means for varying the optical carriers absolute phase of the optical pulse passing through the light a solid target which light pulses are irradiated at an oblique incidence passing through the optical carrier absolute phase adjusting means is outputted from the pulse output unit, the basic wave or surface of the solid target of the reflected said light pulse in said solid target surface the interference intensity of even-order harmonics generated in the direction of reflection of the fundamental wave in the reflection direction to the odd harmonics generated surface of the solid target fundamental wave, interference distinct vision degree is measured at a wavelength of maximum It said light detecting means when the light detection means, was measured repeatedly the interference intensity by changing the change amount of the optical carrier absolute phase by the optical carrier wave absolute phase adjusting means Based on the measurement results, and an optical carrier absolute phase calculating means for calculating the value of the optical carrier absolute phase from the cyclic change of the interference intensity with respect to the variation of the optical carrier absolute phase.
ここで、前記光搬送波絶対位相算出手段は、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における1周期の区間を検出する手段と、前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出する手段とを備えることを特徴とする。 Here, the optical carrier absolute phase calculation means includes means for detecting one cycle interval of the periodic variation of the interference intensity with respect to the optical carrier absolute phase change amount of the light pulse, the interference intensity in the section is maximum said optical carrier from said interference intensity and the change amount of the absolute phase is the variation of the optical carrier absolute phase as a minimum, the optical carrier absolute phase value corresponding to the amount of change in the optical carrier absolute phase of the light pulse to be And means for calculating .
上述した光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、固体ターゲットと光検出手段との間の光路に配置され、固体ターゲットに反射した光パルスに含まれる所定の基本波または高調波の波長成分を選択的に通過させる波長選択手段をさらに備えていてもよい。
また、光検出手段の測定結果に基づき、基本波または奇数次高調波と偶数次高調波との干渉光の明視度を最大にするパラメータを算出するパラメータ算出手段と、算出されたパラメータに基づき固体ターゲットおよび波長選択手段の少なくとも1つを制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。
The optical pulse absolute phase measurement device for optical pulses described above is arranged in the optical path between the solid target and the light detection means, and selects a predetermined fundamental or harmonic wavelength component contained in the optical pulse reflected by the solid target. There may be further provided wavelength selection means for allowing the light to pass through.
Further, based on the measurement result of the light detection means, parameter calculation means for calculating a parameter that maximizes the visibility of the interference light of the fundamental wave or odd-order harmonics and even-order harmonics, and based on the calculated parameters Control means for controlling at least one of the solid target and the wavelength selection means may further be provided.
また、光パルスの強度を計測する計測手段をさらに備え、光搬送波絶対位相算出手段は、光パルスの光強度の値が所定の範囲内のときの光検出手段からの測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の値を算出するようにしてもよい。 The optical carrier absolute phase calculating means further comprises a measuring means for measuring the intensity of the optical pulse, the optical carrier absolute phase calculating means based on the measurement result from the optical detecting means when the value of the optical intensity of the optical pulse is within a predetermined range. An absolute phase value may be calculated.
本発明では、光パルスを固体ターゲットに斜入射で照射することにより発生する高調波と基本波との干渉強度、または、異なる次数の高調波同士の干渉強度を、光パルスの光搬送波絶対位相を変化させて繰り返し計測する。上記の干渉強度は光パルスの光搬送波絶対位相に対応して周期的に変化するので、干渉強度の計測結果から光パルスの光搬送波絶対位相の絶対量を算出することができる。 In the present invention, the interference intensity between the harmonic wave and the fundamental wave generated by irradiating the solid pulse with the oblique incidence to the solid target, or the interference intensity between the harmonics of different orders, is obtained as the optical carrier absolute phase of the light pulse. Change and measure repeatedly. Since the interference intensity periodically changes in accordance with the optical carrier absolute phase of the optical pulse, the absolute amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse can be calculated from the measurement result of the interference intensity.
この際、1μJ/pulse以下の極短光パルスを使用して光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
また、空間分解能を持った光電子検出器または複数の光電子検出器は不要である。さらに、干渉させる光成分の波長が200nm程度以上の場合には、特別な真空容器を用いずに空気中で光搬送波絶対位相を計測することができる。したがって、従来よりも簡便に光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
At this time, it is possible to measure the optical carrier absolute phase using an ultrashort optical pulse of 1 μJ / pulse or less.
Further, a photoelectron detector having a spatial resolution or a plurality of photoelectron detectors is not necessary. Furthermore, when the wavelength of the light component to be interfered is about 200 nm or more, the optical carrier absolute phase can be measured in the air without using a special vacuum vessel. Therefore, it is possible to measure the optical carrier absolute phase more easily than in the past.
[第1の実施の形態]
以下、図面を参照し、本発明の第1の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。この極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、極短パルスレーザ装置1と、光搬送波絶対位相調整機構3と、偏光回転素子4と、集光用光学素子5と、ターゲット・レーザ光相互作用部6と、波長選択装置7と、光検出器8と、コンピュータ10とから構成される。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical carrier absolute phase measuring apparatus for ultrashort optical pulses according to the present embodiment. This optical carrier absolute phase measuring device for ultrashort optical pulses includes an ultrashort
ここで、極短パルスレーザ装置1は、極短光パルス2を出力する光パルス出力手段である。この極短パルスレーザ装置1は、極短光パルスの尖頭値強度および光搬送波絶対位相が一定に固定された直線偏光の極短光パルス2を出力できるものであるとする。例えばチタン・サファイアレーザを用いた場合には、極短光パルス2のスペクトル幅は数100nmとなる。極短光パルス2のエネルギーは、1μJ/pulse以下であってもよい。
Here, the ultrashort
光搬送波絶対位相調整機構3は、極短パルスレーザ装置1の出力側に配置され、通過する極短光パルス2の光搬送波絶対位相を変化させるものである。この光搬送波絶対位相調整機構3は、群速度と位相速度の違いを可変できる機能を有する装置、例えば、屈折率の異なる媒質の光路への挿入量を可変とした一組のガラスウェッジで構成される。光搬送波絶対位相の変化量は、コンピュータ10により制御される。
The optical carrier absolute
偏光回転素子4は、光搬送波絶対位相調整機構3を通過した極短光パルス2の偏光方向を調整するものであり、偏光方向はコンピュータ10により制御される。
集光用光学素子5は、偏光回転素子4を通過した極短光パルス2を、ターゲット・レーザ光相互作用部6に所定の光電界強度で供給するものである。集光用光学素子5の軸に対する傾斜角(煽り)により、極短光パルス2の光電界強度を調整することができる。集光用光学素子5の煽りは、コンピュータ10により制御される。
The polarization rotation element 4 adjusts the polarization direction of the ultrashort
The condensing optical element 5 supplies the ultrashort
ターゲット・レーザ光相互作用部6は、光路に対し急峻な密度境界を形成する高密度のターゲットを有する。ターゲットの反射面(急峻な高密度境界面)に直線偏光の極短光パルス2を照射すると、極短光パルス2の高調波が発生する。より詳しく言うと、反射面に極短光パルス2が直入射(反射面の法線方向からの入射)すると、ターゲットの空間反転対称性によって奇数次の高調波のみが発生し、偶数次の高調波は発生しない。これに対し、反射面に極短光パルス2が斜入射(反射面の法線方向に対し傾斜する方向からの入射)すると、空間反転対称性が破れ、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。本実施の形態では、この性質を利用し、極短光パルス2をターゲットに斜入射で照射することにより、反射方向に偶奇数次両方の高調波を発生させる。
ターゲットとしては、例えば、ガラス、アルミ蒸着ミラー、金蒸着ミラー、シリコン(001)等の固体ターゲットを用いることができる。また、非線形感受率の大きい材料を使用することにより、高調波発生効率を向上させることや、計測に必要となる極短パルスレーザ装置1からの供給エネルギーの最低閾値をさらに低く抑制することが可能である。以下、ターゲットとして、上述した固体ターゲットを用いるものとして説明する。
ターゲット・レーザ光相互作用部6はさらに、固体ターゲットの反射面を回転させて極短光パルス2の入射角度を調整するターゲット駆動装置を有する。極短光パルス2の入射角度は、コンピュータ10により制御される。
The target / laser
As the target, for example, a solid target such as glass, an aluminum deposition mirror, a gold deposition mirror, or silicon (001) can be used. Further, by using a material having a large nonlinear susceptibility, it is possible to improve the harmonic generation efficiency and to further suppress the minimum threshold value of the energy supplied from the ultrashort
The target / laser
波長選択装置7は、ターゲット・レーザ光相互作用部6の固体ターゲットに反射された極短光パルスに含まれる所定の偶数次高調波と奇数次高調波の波長成分を選択的に通過させるものである。選択波長はコンピュータ10により制御される。波長選択装置7は、例えばコンピュータ制御可能な分光器で構成される。
光検出器8は、波長選択装置7を通過してきた偶数次高調波と奇数次高調波との干渉強度を測定するものであり、例えば光電子増倍管または半導体光検出器で構成される。
The
The
コンピュータ10は、次の2つの機能を有する。第1は、光検出器8の測定結果に基づき、干渉光の明視度(干渉光の明暗のコントラストを意味する。以下「干渉明視度」という。)が大きくなる高調波の波長および強度を算出し、偏光回転素子4、集光用光学素子5、ターゲット・レーザ光相互作用部6および波長選択装置7を制御する機能である。第2は、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を変えて干渉強度を繰り返し測定したときの光検出器8の測定結果に基づき、極短光パルス2の光搬送波絶対位相の変化量に対応する光搬送波絶対位相の値を算出する機能である。
The
コンピュータ10の機能についてさらに詳しく説明する。図2は、コンピュータ10の機能ブロック図である。コンピュータ10は、光搬送波絶対位相調整機構制御部11と、干渉明視度測定部12と、最適値算出部13と、光学素子制御部14と、干渉強度記憶部15と、光搬送波絶対位相算出部16とから構成される。
The function of the
光搬送波絶対位相調整機構制御部11は、光搬送波絶対位相調整機構3に対して制御信号を出力し、光搬送波絶対位相の変化量を制御する。同じ制御信号を干渉強度記憶部15にも出力し、干渉強度記憶部15に光搬送波絶対位相調整機構3による現在の光搬送波絶対位相の変化量を通知する。
干渉明視度測定部12は、光検出器8の測定結果に基づき干渉明視度を測定する。具体的には、光搬送波絶対位相調整機構3によって与えられる位相の変化量を変えて繰り返し測定した干渉強度を複数取得し、これらの測定結果から干渉強度の最大値と最小値を推定し、最大値と最小値との差を干渉明視度とする。
The optical carrier absolute phase adjustment
The interference visibility
最適値算出部13は、干渉明視度測定部12の測定結果に基づき、干渉明視度を最大にするパラメータの値を算出し、この値を光学素子制御部14に出力する。干渉明視度は、干渉をとる高調波の波長の組合わせと、高調波の強度によって決まる。さらに、高調波の強度は、高調波の発生効率によって決まり、高調波の発生効率は、極短光パルス2の偏光方向、極短光パルス2の光電界強度、固体ターゲットの非線形感受率、固体ターゲットへの入射角度等に依存する。このため、極短光パルス2の偏光方向、極短光パルス2の光電界強度、固体ターゲットの非線形感受率、固体ターゲットへの入射角度、干渉をとる高調波の波長等を、干渉明視度のパラメータとして用いることができる。
Based on the measurement result of the interference visibility
光学素子制御部14は、最適値算出部13から入力されたパラメータの値にしたがって、偏光回転素子4、集光用光学素子5、ターゲット・レーザ光相互作用部6、波長選択装置7を制御する。これにより、干渉明視度を最大にすることができる。干渉明視度を大きくすることにより、干渉強度の分解能を向上させることができる。
The optical
干渉強度記憶部15は、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量に対応づけて、そのときに光検出器8で測定された干渉強度を記憶する。干渉強度の測定は光搬送波絶対位相の変化量を変えて繰り返し行われ、干渉強度記憶部15には光搬送波絶対位相の変化量と高調波干渉強度とが複数対記憶される。
光搬送波絶対位相算出部16は、干渉強度記憶部15に記憶されているデータから、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量に対して周期的に変化する高調波干渉強度の1周期分の区間を検出し、この区間の長さを2πとおき、この区間における「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」とその変化が与えられた光パルスの「光搬送波絶対位相の値」との対応関係を求める。
The interference
The optical carrier absolute
次に、図3を参照し、図1および図2に示した計測装置を用いた極短光パルスの光搬送波絶対位相計測方法について説明する。図3は、極短光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法の流れを示すフローチャートである。なお、干渉明視度を最大にする各パラメータの最適化は、すでに完了しているものとする。
まず、光搬送波絶対位相調整機構制御部11を用いて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を設定する(ステップSl)。
Next, an optical carrier absolute phase measurement method for an ultrashort optical pulse using the measurement apparatus shown in FIGS. 1 and 2 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a flow of a method for measuring an optical carrier absolute phase of an ultrashort optical pulse. It is assumed that optimization of each parameter that maximizes the interference visibility is already completed.
First, the optical carrier absolute phase
極短パルスレーザ装置1から、スペクトル幅が数100nmの極短光パルス2を出力する。極短光パルス2は光搬送波絶対位相調整機構3を通過するときに、ステップS1で設定された量だけ光搬送波絶対位相が変化する。そして、偏光回転素子4、集光用光学素子5を経由して、ターゲット・レーザ光相互作用部6において固体ターゲットの反射面に斜入射で照射される(ステップS2)。これにより、極短光パルス2の反射方向に、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。このとき、全次数の高調波の直線偏光は揃っている。
The ultrashort
このようにして発生した高調波のうち、干渉明度が最大となる偶数次高調波と奇数次高調波を波長選択装置7で分光し、これらの高調波の干渉強度を光検出器8で測定する(ステップS3)。この高調波干渉強度の測定は、1パルスの極短光パルス2、すなわちシングルショットで行うことができる。なお、極短光パルス2のスペクトル幅は数100nmと広いので、低次数で互いに異なる次数の高調波の間でも干渉を起こす。
そして、測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部15に記憶する(ステップS4)。
Of the generated harmonics, even-order harmonics and odd-order harmonics having the maximum interference brightness are spectrally separated by the
Then, the measured harmonic interference intensity is stored in the interference
次に、光搬送波絶対位相調整機構制御部11を用いて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を所定量変化させる(ステップS5、NO→ステップS1)。そして、再び極短光パルス2を光搬送波絶対位相調整機構3を経由してターゲット・レーザ光相互作用部6の固体ターゲットに照射し、これにより発生した異なる次数間の高調波干渉強度を測定し、その値を記憶する(ステップS2,S3,S4)。
Next, the optical carrier absolute phase adjustment
このようなシングルショットの測定を、光搬送波絶対位相の変化量を変えながらn回(nは2以上の整数)繰り返したら(ステップS5、YES)、干渉強度記憶部15に記憶されているデータを光搬送波絶対位相算出部16に出力する。
極短光パルス2の光搬送波絶対位相とこの極短光パルス2に与えられる位相の変化量との相関により、干渉強度は図4に示すように、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量に対して周期的に変化する。
If such single shot measurement is repeated n times (n is an integer of 2 or more) while changing the amount of change in the optical carrier absolute phase (step S5, YES), the data stored in the interference
Due to the correlation between the optical carrier absolute phase of the ultrashort
そこで、光搬送波絶対位相算出部16では、干渉強度記憶部15から入力されるデータを基に、干渉強度の周期的変化における1周期の区間を検出する(ステップS6)。ここで、干渉強度の1周期の長さは光パルスの電界の式(1)から明らかなように2πであるから、検出された区間で干渉強度が極大となる位相を「2mπ」(mは「0」または自然数)、続いて現れる干渉強度が極小となる位相を「(2m+1)π」とおく。また、干渉強度の1周期は光搬送波絶対位相の1周期に対応するから、検出された区間における「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」の値に応じた位相を、その変化が与えられた「極短光パルス2の光搬送波絶対位相の値」とみなす。このようにして「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」に対応する「極短光パルス2の光搬送波絶対位相の値」を算出する(ステップS7)。
Therefore, the optical carrier absolute
このようにして算出された「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」と「光搬送波絶対位相の値」との対応関係に基づいて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を制御することにより、所望の光搬送波絶対位相を容易に得ることができる。
Based on the correspondence relationship between the “amount of change in the optical carrier absolute phase by the optical carrier absolute
図4は、極短パルスレーザ光を固体ターゲットに斜入射した場合に発生する2次高調波と3次高調波との干渉強度を計算した結果を示す図である。光パルスの電界強度をI(t)=(A(t)cos(ωt−Δφ))2と仮定し、強度波形A(t)を半値全幅5fs双曲正割関数、角周波数をω=2.5×1015rad/s(中心波長を750nmに対応)、そして光搬送波絶対位相をΔφと仮定した。計算は、Δφが0から4πまでの範囲について行った。この図は、偶奇数次両方の高調波の干渉強度を表しているので、光搬送波絶対位相の値として2π周期で強度変化している。したがって、光搬送波絶対位相調整機構3による位相変化量の関数として偶数次高調波と奇数次高調波との干渉強度を測定し、図4のような周期変化を見出すことにより、その変化量に対応する光搬送波絶対位相を決定することが可能である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a result of calculating the interference intensity between the second harmonic and the third harmonic generated when the ultrashort pulse laser beam is obliquely incident on the solid target. Assuming that the electric field strength of the optical pulse is I (t) = (A (t) cos (ωt−Δφ)) 2 , the intensity waveform A (t) is a full width at half maximum 5 fs hyperbolic secant function, and the angular frequency is ω = 2. .5 × 10 15 rad / s (center wavelength corresponds to 750 nm) and the optical carrier absolute phase was assumed to be Δφ. The calculation was performed for a range of Δφ from 0 to 4π. Since this figure represents the interference intensity of both harmonics of even odd and odd orders, the intensity changes in 2π cycles as the value of the optical carrier absolute phase. Therefore, by measuring the interference intensity between the even-order harmonics and the odd-order harmonics as a function of the phase change amount by the optical carrier absolute
以上のように、本実施の形態によれば、極短光パルス2を固体ターゲットに斜入射で照射し、これにより発生する高調波の干渉信号を利用して、光搬送波絶対位相の絶対量を計測することができる。
この際、1μJ/pulse以下の極短光パルスを使用して光搬送波絶対位相を計測することも可能である。
また、従来の計測方法とは異なり、空間分解能を持った光電子検出器または複数の光電子検出器は不要である。さらに、可視・近赤外波長領域の極短光パルス2を用いる場合には、2次高調波および3次高調波の波長が200nm程度以上となるから、これらの高調波の干渉信号を利用することにより、特別な真空容器を用いずに空気中で光搬送波絶対位相を計測することができる。したがって、従来よりも簡便に光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
As described above, according to the present embodiment, the absolute amount of the optical carrier absolute phase is determined by irradiating the solid target with oblique light incident on the
At this time, it is also possible to measure the optical carrier absolute phase using an ultrashort optical pulse of 1 μJ / pulse or less.
Further, unlike a conventional measurement method, a photoelectron detector or a plurality of photoelectron detectors having a spatial resolution is not necessary. Further, when the ultrashort
以上では、固体ターゲットに反射された極短光パルス2に含まれる偶数次高調波と奇数次高調波との干渉信号を利用する場合について説明したが、同様に、反射された極短光パルス2の基本波と偶数次高調波(反射方向に発生した偶奇数次両方の高調波のうちの偶数次高調波)との干渉信号を利用して、光搬送波絶対位相を計測することもできる。
なお、固体表面を使用した高調波発生の方式は、結晶を使用した高調波発生の方式と異なり、位相整合がどの波長に対しても取られる。つまり、N次高調波(Nは2以上の整数)は、基本波のスペクトル帯域を高調波の次数Nで割ったスペクトル帯域で発生する。このため、異なる次数の高調波同士の干渉強度を測定する本実施の形態には、固体表面から発生する高調波を利用することが適している。
In the above, the case of using the interference signal between the even-order harmonics and the odd-order harmonics included in the ultrashort
The harmonic generation method using a solid surface is different from the harmonic generation method using a crystal, and phase matching can be achieved for any wavelength. That is, the Nth harmonic (N is an integer of 2 or more) is generated in a spectral band obtained by dividing the spectral band of the fundamental wave by the harmonic order N. For this reason, it is suitable for this Embodiment which measures the interference intensity | strength of harmonics of a different order to utilize the harmonic generated from the solid surface.
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図6は、本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。なお、本実施形態において、第1の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the optical carrier absolute phase measurement apparatus for ultrashort optical pulses according to the present embodiment. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same names and reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、極短パルスレーザ装置1と、光搬送波絶対位相調整機構3と、偏光回転素子4と、集光用光学素子5と、ターゲット・レーザ光相互作用部6と、波長選択装置7と、光検出器8と、コンピュータ10と、ビームスプリッタ20と、光検出器21とから構成される。
An optical carrier absolute phase measurement device for an ultrashort optical pulse according to the present embodiment includes an ultrashort
ここで、ビームスプリッタ20は、極短パルスレーザ装置1と光搬送波絶対位相調整機構3との間に配設され、極短パルスレーザ装置1から出力される極短光パルス2を分割するものである。このビームスプリッタ20により分割された極短光パルス2の一方は、光搬送波絶対位相調整機構3に、他方は光検出器21に入力される。
Here, the
光検出器21は、ビームスプリッタ20により分割された極短光パルス2の強度を測定する。このような光検出器21は、例えば、光電子増倍管や半導体光検出器から構成される。
The
コンピュータ10は、次の3つの機能を有する。第1は、光検出器8の測定結果に基づき、干渉明視度が大きくなる高調波の波長および強度を算出し、偏光回転素子4、集光用光学素子5、ターゲット・レーザ光相互作用部6および波長選択装置7を制御する機能である。第2は、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を変えて干渉強度を繰り返し測定したときの光検出器8の測定結果に基づき、極短光パルス2の光搬送波絶対位相の変化量に対応する光搬送波絶対位相の値を算出する機能である。第3は、光検出器21の測定結果に基づいて、極短光パルス強度が所定の範囲内のときに光検出器8で測定する値を記憶する機能である。
The
コンピュータ10は、図7に示すように、光搬送波絶対位相調整機構制御部11と、干渉明視度測定部12と、最適値算出部13と、光学素子制御部14と、干渉強度記憶部15と、光搬送波絶対位相算出部16と、光パルス強度測定部17とから構成される。
As shown in FIG. 7, the
ここで、干渉強度記憶部15は、光パルス強度測定部17による判定結果に基づき、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量に対応づけて、そのときに光検出器8で測定された干渉強度を記憶する。干渉強度の測定は光搬送波絶対位相の変化量を変えて繰り返し行われ、干渉強度記憶部15には光搬送波絶対位相の変化量と高調波干渉強度とが複数対記憶される。
Here, the interference
光パルス強度測定部17は、光検出器21の測定結果に基づいて、極短光パルス2の光強度を測定し、この光強度が所定の範囲内にあるか否か判定する。この判定結果は干渉強度記憶部15に入力される。上記所定の範囲は、予め適宜自由に設定される。
The light pulse
次に、図8を参照し、図6および図7に示した計測装置を用いた極短光パルスの光搬送波絶対位相計測方法について説明する。なお、干渉明視度を最大にする各パラメータの最適化、および、光パルス強度測定部17で判定される光強度の所定の範囲の設定は、すでに完了しているものとする。また、図8において、図3を参照して説明した第1の実施の形態と同等の動作については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。
Next, an optical carrier absolute phase measurement method for an ultrashort optical pulse using the measurement apparatus shown in FIGS. 6 and 7 will be described with reference to FIG. It is assumed that the optimization of each parameter that maximizes the interference visibility and the setting of the predetermined range of the light intensity determined by the optical pulse
まず、光搬送波絶対位相調整機構制御部11を用いて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を設定する(ステップSl)。
First, the optical carrier absolute phase
次に、極短パルスレーザ装置1から、スペクトル幅が数100nmの極短光パルス2を出力する。極短光パルス2は光搬送波絶対位相調整機構3を通過するときに、ステップS1で設定された量だけ光搬送波絶対位相が変化する。そして、偏光回転素子4、集光用光学素子5を経由して、ターゲット・レーザ光相互作用部6において固体ターゲットの反射面に斜入射で照射される(ステップS2)。これにより、極短光パルス2の反射方向に、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。
Next, an ultrashort
このようにして発生した高調波のうち、干渉明度が最大となる偶数次高調波と奇数次高調波を波長選択装置7で分光し、これらの高調波の干渉強度を光検出器8で測定する(ステップS3)。
Of the generated harmonics, even-order harmonics and odd-order harmonics having the maximum interference brightness are spectrally separated by the
このとき、光パルス強度測定部17において、極短光パルス2の強度を測定し、この強度が所定の範囲内にあるか否かを判定する(ステップS10)。極短パルスレーザ装置1から出力される極短光パルス2は、装置や光パルスの特性等により、強度が揺らぐ場合がある。強度が異なる極短光パルス2に基づいて算出される光搬送波絶対位相の値は、正確性が低下する恐れがある。そこで、本実施の形態では、極短光パルス2の光強度を測定し、この値が所定の範囲内にある場合にのみ、光検出器8で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部15に記憶する。これにより、同一の光強度を有する極短光パルス2のみに基づいて測定された高調波干渉強度から光搬送波絶対位相が算出されるので、算出される光搬送波絶対位相の値をより正確なものとすることができる。
At this time, the light pulse
極短光パルス2が所定の範囲内にない場合(ステップS10:NO)、ステップS2の処理に戻る。一方、極短光パルス2の強度が所定の範囲内にある場合(ステップS10:YES)、光検出器8で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部15に記憶する(ステップS4)。
If the ultrashort
このようなシングルショットの測定をn回繰り返していない場合(ステップS5:NO)、ステップS1の処理に戻り、光搬送波絶対位相調整機構制御部11を用いて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を所定量変化させる。そして、再び極短光パルス2を光搬送波絶対位相調整機構3を経由してターゲット・レーザ光相互作用部6の固体ターゲットに照射し、これにより発生した異なる次数間の高調波干渉強度を測定し、光パルスの強度が所定の範囲内の場合にその値を記憶する(ステップS2,S3,S10,S4)。
When such single shot measurement has not been repeated n times (step S5: NO), the process returns to step S1, and the optical carrier absolute phase adjustment
このようなシングルショットの測定を、光搬送波絶対位相の変化量を変えながらn回(nは2以上の整数)繰り返したら(ステップS5:YES)、干渉強度記憶部15に記憶されているデータを光搬送波絶対位相算出部16に出力する。
If such single shot measurement is repeated n times (n is an integer of 2 or more) while changing the amount of change in the optical carrier absolute phase (step S5: YES), the data stored in the interference
光搬送波絶対位相算出部16では、干渉強度記憶部15から入力されるデータを基に、干渉強度の周期的変化における1周期の区間を検出する(ステップS6)。また、「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」に対応する「極短光パルス2の光搬送波絶対位相の値」を算出する(ステップS7)。
The optical carrier absolute
このようにして算出された「光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量」と「光搬送波絶対位相の値」との対応関係に基づいて、光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量を制御することにより、所望の光搬送波絶対位相を容易に得ることができる。
Based on the correspondence relationship between the “amount of change in the optical carrier absolute phase by the optical carrier absolute
このように本実施の形態では、ビームスプリッタ20により分割した極短光パルス2を光検出器21で検出し、光パルス強度測定部17により極短光パルス2の光強度を測定し、この光強度が所定の範囲内にある場合にのみ、光検出器8で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構3による光搬送波絶対位相の変化量とともに干渉強度記憶部15に記憶する。これにより、光搬送波絶対位相算出部16は、同一の光強度を有する極短光パルス2に基づいて測定された高調波干渉強度から光搬送波絶対位相の値を算出する。このため、算出される光搬送波絶対位相の値を、より正確なものとすることができる。
As described above, in this embodiment, the ultrashort
1…極短パルスレーザ装置、2…極短光パルス、3…光搬送波絶対位相調整機構、4…偏光回転素子、5…集光用光学素子、6…ターゲット・レーザ光相互作用部、7…波長選択装置、8…光検出器、10…コンピュータ、11…光搬送波絶対位相調整機構制御部、12…干渉明視度測定部、13…最適値算出部、14…光学素子制御部、15…干渉強度記憶部、16…光搬送波絶対位相算出部、17…光パルス強度測定部、20…ビームスプリッタ、21…光検出器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップと
を備え、
前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップは、
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における1周期分の区間を検出するステップと、
前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップと
を備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測方法。
An optical carrier of an optical pulse is changed in absolute phase to irradiate a solid target at an oblique incidence, and the fundamental wave of the optical pulse reflected on the surface of the solid target and generated in the reflection direction of the fundamental wave on the surface of the solid target interference intensity of the even harmonics of the light pulse, or interference strength between odd harmonics and even harmonics of the light pulse at the surface of the solid target has occurred in the reflection direction of the fundamental wave, interference Repeatedly measuring at a wavelength where the visibility is maximum ,
Calculating a value of the optical carrier absolute phase from a periodic change of the interference intensity with respect to a change amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse , and
Calculating the value of the optical carrier absolute phase,
Detecting a period of one period in the periodic change of the interference intensity with respect to the change amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse;
Corresponds to the change amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse from the change amount of the optical carrier absolute phase where the interference intensity becomes maximum in the section and the change amount of the optical carrier absolute phase where the interference intensity becomes minimum. Calculating the optical carrier absolute phase value;
Optical carrier absolute phase measurement method of the light pulses, characterized in Rukoto equipped with.
通過する光パルスの光搬送波絶対位相を変化させる光搬送波絶対位相調整手段と、
前記光パルス出力手段から出力され前記光搬送波絶対位相調整手段を通過した光パルスが斜入射で照射される固体ターゲットと、
前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波または前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した奇数次高調波と前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で測定する光検出手段と、
前記光搬送波絶対位相調整手段による前記光搬送波絶対位相の変化量を変えて前記干渉強度を繰り返し測定したときの前記光検出手段の測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出する光搬送波絶対位相算出手段と
を備え、
前記光搬送波絶対位相算出手段は、
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における1周期の区間を検出する手段と、
前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出する手段と
を備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
An optical pulse output means for outputting an optical pulse;
An optical carrier absolute phase adjusting means for changing an optical carrier absolute phase of a passing optical pulse;
A solid target to be irradiated with oblique incidence of a light pulse output from the light pulse output means and passed through the optical carrier absolute phase adjustment means;
The fundamental wave of the optical pulse reflected on the surface of the solid target or the odd harmonics generated in the reflection direction of the fundamental wave on the surface of the solid target and the even number generated in the reflection direction of the fundamental wave on the surface of the solid target Photodetection means for measuring the interference intensity with the second harmonic at a wavelength at which interference visibility is maximized ;
Based on the measurement result of the light detection means when the interference intensity is repeatedly measured by changing the change amount of the optical carrier absolute phase by the optical carrier absolute phase adjustment means, the interference intensity with respect to the change amount of the optical carrier absolute phase is changed. An optical carrier absolute phase calculating means for calculating a value of the optical carrier absolute phase from a periodic change , and
The optical carrier absolute phase calculating means includes
Means for detecting a period of one period in the periodic change of the interference intensity with respect to the change amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse;
Corresponds to the change amount of the optical carrier absolute phase of the optical pulse from the change amount of the optical carrier absolute phase where the interference intensity becomes maximum in the section and the change amount of the optical carrier absolute phase where the interference intensity becomes minimum. Means for calculating the value of the optical carrier absolute phase;
Optical carrier absolute phase measurement device of the optical pulse, wherein Rukoto equipped with.
前記固体ターゲットと前記光検出手段との間の光路に配置され、前記固体ターゲットに反射した前記光パルスに含まれる所定の基本波または高調波の波長成分を選択的に通過させる波長選択手段をさらに備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
In the optical carrier absolute phase measuring device of the optical pulse according to claim 2 ,
Wavelength selection means that is disposed in an optical path between the solid target and the light detection means, and selectively passes a wavelength component of a predetermined fundamental wave or higher harmonic wave included in the light pulse reflected by the solid target. An optical carrier absolute phase measurement apparatus for optical pulses, comprising:
前記光検出手段の測定結果に基づき、前記基本波または前記奇数次高調波と前記偶数次高調波との干渉光の明視度を最適にするパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
算出された前記パラメータに基づき前記固体ターゲットおよび前記波長選択手段の少なくとも1つを制御する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
The optical carrier absolute phase measurement apparatus for optical pulses according to claim 3 ,
Based on the measurement result of the light detection means, parameter calculation means for calculating a parameter for optimizing the visibility of the interference light of the fundamental wave or the odd harmonic and the even harmonic;
An optical carrier absolute phase measurement apparatus for an optical pulse, further comprising: a control unit that controls at least one of the solid target and the wavelength selection unit based on the calculated parameter.
前記光パルスの強度を計測する計測手段
をさらに備え、
前記光搬送波絶対位相算出手段は、前記光パルスの光強度の値が所定の範囲内のときの前記光検出手段からの測定結果に基づき、前記光搬送波絶対位相の値を算出する
ことを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
In the optical carrier absolute transfer measuring device of the optical pulse according to claim 2 ,
A measuring means for measuring the intensity of the light pulse;
The optical carrier absolute phase calculating means calculates the value of the optical carrier absolute phase based on a measurement result from the light detecting means when the light intensity value of the optical pulse is within a predetermined range. An optical carrier absolute phase measurement device for optical pulses.
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