JP4753063B2 - 光電場波形制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
回折格子を用いたパルスストレッチャーコンプレッサー、再生増幅器、マルチパル増幅器で構成される一般的なチャープパルス増幅システムにおいても安定化増幅が報告されている(例えば、非特許文献2参照)。
差周波発生による安定化(例えば、非特許文献4参照)も報告されている。CEPの値を変化させるには何らかのCEPシフターが必要となる。従来技術は光路中に分散媒質を配置し角度を変えることで光路長を変化させ媒質通過によるCEPシフトを調整する方法、あるいは発振器のCEO制御の電気信号を調整する方法などがあるが、同時にパルス遅延の変化やパルス波形の変形を引き起こす。
また従来の波形整形技術ではスペクトル位相の相対値を制御することでパルスのエンベロープの制御は行われているが、パルス内光波位相の制御はされていない。
従来、光パルスのパルス内光波位相を、レーザー発振器外部で制御する方法としては分散媒質(石英板など)の透過量を変化させる方法が知られていたが、この場合には波長による分散依存性があるため、波長帯域の狭いパルスに対しては近似的に有効であるが、広帯域なパルスに対してこの方法を用いる場合、パルス波形の変化をもたらしてしまう。つまり非常に広帯域なスペクトルに対し分散媒質の光路長変化でCEPをシフトさせる方法は、厳密には位相変化が波長依存性を有し結局エンベロープの変化やパルス遅延時間の変化を伴うため、良い方法ではない。また石英板などの分散媒質の光路長を変化させる方法は、パルス内光波位相を変化させる速度や精度などの可制御性が困難である。
パルス整形器を用いた本方式は、広帯域なスペクトル成分すべてに対して正確な位相変化を動的に与えることができる。従来、光パルスのパルス内光波位相を安定化する技術はあったが、これを動的に制御する装置はなかった。また、パルス整形器はパルス波形(エンベロープ)の制御装置として用いられていたが、パルス内光波位相を制御する装置として用いられていなかった。
入射パルスのパルス内光波位相を制御した状態で、パルス整形器を用いたパルス内光波位相シフターを組み合わせる本方式は、パルス整形器をパルスエンベロープの制御装置として動作するとともに、CEPを調整させる装置として動作できるため、光パルスの光電場波形制御が可能となる。
(1) 制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルスを発生するパルス内光波位相制御レーザー装置と、分光器と、干渉計と、パルス整形器と、光パルスの位相変化を検出すると供に前記パルス整形器を制御する出力制御装置とを備え、
前記レーザーパルスを入力段のハーフミラーにより2光路に分離し、一方の光路をパルス整形器を介してプローブ光を出力する光路とし、他方の光路をリファレンスパルス光を出力する光路とし、前記両光路を合成して分光器に入射し、スペクトル位相差を計測する光パルスの光電場波形制御装置において、
前記パルス整形器にパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相を与えて前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉から位相差Φ1(ω)を求め、
前記パルス整形器に位相差を与え、このときのスペクトル干渉からリファレンス光とプローブ光との位相差の変化Φ2(ω)を求め、前記位相差の変化Φ2(ω)の値から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き、変化した位相差Φs(ω)を求め、
前記位相差Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似し、パルス内光波位相の変化量と遅延変化量を求め、前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御してパルス内光波位相変化特性と遅延の変化特性をパルスエンベロープ波形の制御を行いながら任意の値に設定することを特徴とする。
前記レーザーパルスを入力段のハーフミラーにより2光路に分離し、一方の光路をパルス整形器を介してプローブ光を出力する光路とし、プローブ光を取り出すハーフミラーを配置しパルス内光波位相検出装置とパルスエンベロープ計測装置を設け、他方の光路をリファレンスパルス光を出力する光路とし、前記両光路を合成して分光器に入射し、スペクトル位相差を計測する光パルスの光電場波形制御装置において、
前記パルス整形器にパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相を与えて前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉から位相差Φ1(ω)を求め、
前記パルス整形器に位相差を与え、このときのスペクトル干渉からリファレンス光とプローブ光との位相差の変化Φ2(ω)を求め、前記位相差の変化Φ2(ω)の値から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き、変化した位相差Φs(ω)を求め、
前記位相差Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似し、パルス内光波位相の変化量と遅延変化量を求め、前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御してパルス内光波位相変化特性と遅延の変化特性をパルスエンベロープ波形の制御を行いながら任意の値に設定することを特徴とする。
(4) 上記(1)記載の光電場波形制御装置において、前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御して、前記遅延の変化特性として、角周波数の値が変化したとき位相差の値が遅延量に応じて変化する角周波数変化特性を得ること、および任意の値に設定することを特徴とする。
前記レーザーパルスを入力段のハーフミラーにより2光路に分離し、一方の光路をパルス整形器を介してプローブ光を出力する光路とし、他方の光路をリファレンスパルス光を出力する光路とし、前記両光路を合成して分光器に入射し、スペクトル位相差を計測する光パルスの光電場波形制御装置において、
前記パルス整形器にパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相を与えて前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉から位相差Φ1(ω)を求め、
前記パルス整形器に位相差を与え、このときのスペクトル干渉からリファレンス光とプローブ光との位相差の変化Φ2(ω)を求め、前記位相差の変化Φ2(ω)の値から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き、変化した位相差Φs(ω)を求め、
前記位相差Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似し、パルス内光波位相の変化量と遅延変化量を求め、前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御してパルス内光波位相変化特性と遅延の変化特性をパルスエンベロープ波形の制御を行いながら任意の値に設定することを特徴とする。
また、前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御して、
前記パルス内光波位相変化特性として、角周波数の値が変化しても位相差の値が変化しない、相対位相が保たれた変化特性を得ること、および任意の値に設定することができる。
また、前記出力制御装置により
前記遅延の変化特性として、角周波数の値が変化したとき位相差の値が遅延量に応じて変化する角周波数変化特性を得ること、および任意の値に設定することができる。
図1は本発明の光電場波形制御装置およびその特性を示す図である。
パルス整形器のCEPシフターとしての実用性を調べるためのスペクトル位相差計測実験装置としての光電場波形制御装置を図1(a)に示す。図1(b)は図1(a)の光電場波形制御装置によるスペクトル位相の相対値および絶対値と、CEP変化および遅延変化の関係を示す特性図である。
図1(a)のCEPシフターの特性評価のための光電場波形制御装置は、制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルスを発生するパルス内光波位相制御レーザー装置7と、分光器4と、干渉計と、パルス整形器1と、光パルスの位相変化を検出すると供に前記パルス整形器1を制御する出力制御装置6とを備え、前記レーザーパルスを干渉計を構成する入力段のハーフミラーにより2光路に分離し、一方の光路をパルス整形器1を介してプローブ光を出力する光路(干渉計を構成する)とし、他方の光路(干渉計を構成する)をリファレンスパルス光を出力する光路とし、前記両光路を合成して分光器4に入射し、スペクトル干渉を計測する。なお、分光器4を出力制御装置6中に組み込み一体化することもできる。
この装置によりリファレンスパルスとパルス整形器を通過したパルスとのスペクトル干渉(SI)を観測する。
チタンサファイアレーザー発振器(繰り返し80MHz, パルス幅35fs)の出力パルスを二つに分け、一方をリファレンスビーム、他方をプローブビームとし、プローブビームをパルス整形器に入射し、その後再合成して分光器に入射し、スペクトル干渉を計測した。パルス整形器1は空間位相変調器(例えば、SLM−S640/12, Jenoptic社製)3と4fの光学配置から構成される。(分散素子、フーリエ変換用光学素子、液晶空間位相変調器SLM3, フーリエ変換用光学素子、分散素子の配置になっており、フーリエ変換用光学素子の焦点距離をfとすると、各素子が距離fだけ離れて配置されている)。
(計測手順)
初めに、液晶の空間位相変調器SLM3にパルスエンベロープを制御する適当な位相を与えて、式1のリファレンスとプローブとの位相差
Φ1(ω)=Φprb,0(ω)−Φref(ω)・・・(式1)
を計測する。次に液晶の空間位相変調器SLM3でスペクトル位相に変調を与える。このときのスペクトル干渉から式2のリファレンスとプローブ間の位相変化を計測する。
Φ2(ω)=Φprb(ω)−Φref(ω)・・・・(式2)
次に、式3のように初めに計測した位相差をこの値から差し引くことで位相の変化
Φs(ω)=Φ2(ω)−Φ1(ω)・・・・(式3)
を求めた。したがって、CEPシフターとしての性能評価の計測では入射光のCEPが安定化されている必要がない。つぎに、この位相Φs(ω)をω−φ平面で一次関数により近似し、遅延の変化(傾きの変化)と相対的なCEP変化(切片の変化)を求めた。
前記空間位相変調器3にパルスエンベロープを制御する任意の位相を与えて前記リファレンスパルス光と前記プローブ光との位相差Φ1(ω)を求め、
前記空間位相変調器3に位相変化を与え、このときのスペクトル干渉からリファレンス光とプローブ光との位相変化Φ2(ω)を求め、前記位相変化Φ2(ω)の値から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き変化する位相Φs(ω)を求め、
前記位相Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似し、前記出力制御装置6により前記空間位相変調器3を制御して遅延の傾きの変化特性とパルス内光波位相変化特性を求める。
また、
前記出力制御装置6により前記空間位相変調器3を制御して、
前記パルス内光波位相変化特性として、角周波数の値が変化しても位相差の値が変化しない相対位相が保たれた変化特性を得る。
また、
前記出力制御装置6により前記空間位相変調器3を制御して、
角周波数の値が変化したとき位相差の値が遅延量に応じて変化する角周波数変化特性を得る。
(パルス内光波位相制御レーザー装置とパルス整形器の組み合わせの例)
光パルスの光電場波形制御装置の構成例を図3に示す。
パルス内光波位相制御レーザー装置7は、具体的には、図4のパルス内光波位相変化安定化発振器21として構成され、構成要素はレーザー発振器、自己参照型パルス内光波位相変化計測装置、位相シフト調整装置、位相同期ループ制御装置からなる。レーザー発振器から放出される80MHzのパルス列の1パルス間隔でのパルス内光波位相変化量が2π/8になるように制御をし、8パルスごとに同じパルス内光波位相を有するパルスを発生する。このパルス列から8の倍数に等しい間隔でパルスを選択することで等しいパルス内光波位相を有するパルスのみを選択することができる。この制御はnパルスごとにパルス内光波位相が同じになるように1パルス間隔でのパルス内光波位相変化量が2π/nとなるように制御しても良い。ここでnは1以上の整数である。また、パルス内光波位相制御レーザー装置は等しいパルス内光波位相を持つパルス列、あるいはパルス間のパルス内光波位相が規則的に変化するような光パルスを発生する装置であれば、レーザー媒質がチタンサファイア以外でもよく、レーザー発振器でなくてもレーザー増幅装置、レーザーパルス圧縮装置でもよい。またレーザーパルスの繰り返しは、いくらでも良い。パルス整形器は図1で説明したので省略する。以上の構成により、出力パルスのパルスエンベロープとパルス内光波位相、すなわち光電場波形は制御される。さらに、出力パルスをパルス内光波位相計測装置とパルス波形計測装置を用いて計測し、設定したパルス波形からの誤差をフィードバック制御することにより精度を高めることも可能である。
チャープパルス増幅システムに光電場波形制御装置を挿入し、増幅後のCEPがパルス整形器で制御できることを確認した。図4に実験構成を示す。
図4は、増幅システムに光電場波形制御装置を挿入した構成図である。
図4において、各部構成要素は図のとおりに接続されている。
パルス内光波位相変化安定化発振器21は、チタンサファイアレーザー発振器、自己参照型パルス内光波位相変化計測装置、位相シフト調整装置、位相同期ループ制御装置からなり、フィードバック制御を行う。パルス内光波位相変化安定化発振器21は、パルス内光波位相制御レーザー装置7と同じ機能とすることができる。
パルス選択部22は、ポッケルスセル駆動回路、同期回路、遅延回路、分周器からなる。
増幅段23は、パルス伸張器、再生増幅器、励起レーザー、マルチパス増幅器、パルス圧縮器からなる。
評価装置24は、中空ファイバー、2倍波発生装置、偏光子、分光器からなる。
以上の構成により、自己参照型スペクトル干渉法によるパルス内光波位相計測装置を構成する。
チャープパルス増幅システムは、パルス内光波位相変化量(CEO)安定化発振器、等しいCEPを有するパルスを選択するシステム、回折格子を用いたパルス伸張器、再生増幅器、マルチパス増幅器、回折格子を用いたパルス圧縮器で構成される。伸張器後のパルス幅は220ps以上であり、数百ミリジュール以上のパルスエネルギーまで増幅するのに十分な条件となっている。発振器はプリズム対による分散補償を行う構成となっており、全反射鏡の角度制御によりCEOビート(周波数fceo)をリファレンス周波数(fref=fosc/8)に位相同期してCEOの安定化を行った。等しいCEPを有するパルスの選択は、CEOビート信号の位相をモニターする方法を用い、再生増幅器のパルス取り込み用ポッケルスセルの動作で行った。増幅されたパルスのスペクトル幅は20nm(半値全幅)であり、50fsのトランスフォームリミットパルスに相当する。励起光のエネルギーが十分であれば原理的にはこのシステムは数TWのレベルにまで出力を増大させることが可能である。
図5は本発明に関するパルス内光波位相変化の3秒間での143トレースの強度イメージである。図5(a)はパルス整形器で0.5Hzの方形波的なCEP変調を与えた結果、図5(b)は2Hzの三角波的なCEP変調を与えた結果である。パルス整形器で与えたCEP変調は増幅後のCEP計測でも確認され(フリンジ(自己参照スペクトル干渉縞)の位相シフトがCEPシフトに相当する)、パルス整形器がCEPシフターとして動作することを確認できた。
以上述べたとおりに構成することにより、パルス整形器を用いたCEPシフター動作を実現することができる。光電場波形制御装置をチャープパルス増幅システムと組み合わせて用いることにより、増幅パルスの光電場波形制御を行った。パルス内光波位相制御レーザーとパルス整形器との組み合わせにより、光エンベロープの形とパルス内光波位相の値および遅延特性を制御する、光電場波形制御が可能となる。
2 円筒面鏡(CM)
3 空間位相変調器(SLM)
4 分光器(Spectrometer)
5 プリズム
6 出力制御装置
7 パルス内光波位相制御レーザー装置
11 パルス波形計測装置
12 パルス内光波位相計測装置
21 パルス内光波位相変化安定化発振器
22 パルス選択部
23 増幅段
24 評価装置
Claims (4)
- 制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルスを発生するパルス内光波位相制御レーザー装置と、分光器と、干渉計と、空間位相変調器を備えるパルス整形器と、光パルスの位相変化を検出すると供に前記パルス整形器を制御する出力制御装置とを備え、
前記パルス内光波位相制御レーザー装置は、等しいパルス内光波位相に制御されたパルス内光波位相を持つパルス列、あるいはパルス間のパルス内光波位相が規則的に変化するように制御されたパルス内光波位相を有する光パルスを発生する装置であり、
光路は3本から構成され、
第1の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の入力側のハーフミラーで一方の分岐光として分岐され、前記空間位相変調器を備えた前記パルス整形器でパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相が与えられ、前記干渉計内の出力側のハーフミラーにより分岐されて一方の分岐光である光電場波形制御パルスとして出力されるように構成され、
第2の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の前記入力側のハーフミラーで一方の分岐光として分岐され、前記空間位相変調器を備えた前記パルス整形器でパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相が与えられ、前記干渉計内の前記出力側のハーフミラーにより分岐されて他方の分岐光出力であるプローブ光として分岐され、前記干渉計内の光路合成用のハーフミラーを通して下記第3の光路におけるリファレンスパルス光と合波して前記分光器へ入力されるように構成され、
第3の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の前記入力側のハーフミラーで他方の分岐光であるリファレンスパルス光として分岐され、前記干渉計内の前記光路合成用のハーフミラーを通して前記第2の光路のプローブ光と合波されて前記分光器へ入力されるように構成され、
前記干渉計は、前記入力側のハーフミラーにより前記第1の光路と前記第2の光路からなる光路Aと前記第3の光路からなる光路Bの2光路に分離し、一方の光路Aを前記パルス整形器を介して前記プローブ光および前記光電場波形制御パルスを出力する光路とし、他方の光路Bをリファレンスパルス光を出力する前記第3の光路とし、前記第2の光路と前記第3の光路の両光路を合成するように前記光路合成用のハーフミラーを配置して構成し、
前記レーザーパルスを前記干渉計を介して前記分光器に入射し、前記分光器でスペクトル位相差を計測する光パルスの光電場波形制御装置において、
前記パルス整形器に前記出力制御装置を介してパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相を与えて、前記分光器により前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉信号を求め、前記出力制御装置により前記スペクトル干渉信号から位相差Φ1(ω)を求め、
前記パルス整形器に前記出力制御装置を介して位相を与え、
このとき前記分光器により前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉信号を求め、前記出力制御装置により前記スペクトル干渉信号から位相差の変化後の値Φ2(ω)を求め、前記出力制御装置により前記位相差の変化後の値Φ2(ω)から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き、位相差の変化量Φs(ω)を求め、
前記出力制御装置により前記位相差の変化量Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似しパルス内光波位相の変化量とリファレンスパルスに対するプローブ光の遅延変化量をそれぞれ切片の変化量と傾きの変化量より求め、
前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御してパルスエンベロープ波形の制御を行いながら、前記光電場波形制御パルスのパルス内光波位相の変化量と前記光電場波形制御パルスのリファレンスパルスに対する遅延変化量を任意の値に設定することを特徴とする光電場波形制御装置。 - 制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルスを発生するパルス内光波位相制御レーザー装置と、分光器と、干渉計と、空間位相変調器を備えるパルス整形器と、光パルスの位相変化を検出すると供に前記パルス整形器を制御する出力制御装置とを備え、
前記出力制御装置はパルス内光波位相検出装置とパルス波形計測装置を備え、
前記パルス内光波位相制御レーザー装置は、等しいパルス内光波位相に制御されたパルス内光波位相を持つパルス列、あるいはパルス間のパルス内光波位相が規則的に変化するように制御されたパルス内光波位相を有する光パルスを発生する装置であり、
光路は3本から構成され、
第1の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の入力側のハーフミラーで一方の分岐光として分岐され、前記空間位相変調器を備えた前記パルス整形器でパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相が与えられ、前記干渉計内の出力側のハーフミラーにより分岐されて一方の分岐光である光電場波形制御パルスとして出力されるように構成され、
第2の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の前記入力側のハーフミラーで一方の分岐光として分岐され、前記空間位相変調器を備えた前記パルス整形器でパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相が与えられ、前記干渉計内の前記出力側のハーフミラーにより分岐されて他方の分岐光出力であるプローブ光として分岐され、前記干渉計内の光路用のハーフミラーを通して下記第3の光路におけるリファレンスパルス光と合波して前記分光器へ入力されるように構成され、
第3の光路は、前記パルス内光波位相制御レーザー装置からの制御されたパルス内光波位相を有するレーザーパルス光が、順に、前記干渉計内の前記入力側のハーフミラーで他方の分岐光であるリファレンスパルス光として分岐され、前記干渉計内の前記光路合成用のハーフミラーを通して前記第2の光路のプローブ光と合波されて前記分光器へ入力されるように構成され、
前記干渉計は、前記入力側のハーフミラーにより前記第1の光路と前記第2の光路からなる光路Aと前記第3の光路からなる光路Bの2光路に分離し、一方の光路Aを前記パルス整形器を介して前記プローブ光および前記光電場波形制御パルスを出力する光路とし、他方の光路Bをリファレンスパルス光を出力する前記第3の光路とし、前記第2の光路と前記第3の光路の両光路を合成するように前記光路合成用のハーフミラーを配置して構成し、
前記レーザーパルスを前記干渉計を介して前記分光器に入射し、前記分光器でスペクトル位相差を計測し、
前記光電場波形制御パルスが分岐され、前記パルス内光波位相検出装置と前記パルス波形計測装置に入力され、前記パルス内光波位相検出装置は前記光電場波形制御パルスのパルス内光波位相を測定し、前記パルス波形計測装置は前記光電場波形制御パルスのパルス波形を計測する光パルスの光電場波形制御装置において、
前記パルス整形器に前記出力制御装置を介してパルスのエンベロープの形を制御する任意の位相を与えて、前記分光器により前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉信号を求め、前記出力制御装置により前記スペクトル干渉信号から位相差Φ1(ω)を求め、
前記パルス整形器に前記出力制御装置を介して位相を与え、
このとき前記分光器により前記リファレンスパルス光と前記プローブ光とのスペクトル干渉信号を求め、前記出力制御装置により前記スペクトル干渉信号から位相差の変化後の値Φ2(ω)を求め、前記出力制御装置により前記位相差の変化後の値Φ2(ω)から前記位相差Φ1(ω)の値を差し引き、位相差の変化量Φs(ω)を求め、
前記出力制御装置により前記位相差の変化量Φs(ω)をω−Φ平面で1次関数近似しパルス内光波位相の変化量とリファレンスパルスに対するプローブ光の遅延変化量をそれぞれ切片の変化量と傾きの変化量より求め、
前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御してパルスエンベロープ波形の制御を行いながら前記光電場波形制御パルスのパルス内光波位相の変化量と前記光電場波形制御パルスのリファレンスパルスに対する遅延変化量を任意の値に設定し、
前記出力制御装置に含まれる前記パルス波形計測装置は、前記光電場波形制御パルスの一部を取り込んで、前記パルス整形器を制御してパルス波形を整形し、前記パルス内光波位相計測装置は、前記光電場波形制御パルスの一部を取り込んで、前記パルス整形器をフィードバック制御して、前記光電場波形制御パルスのパルス内光波位相を任意の値にすることを特徴とする光電場波形制御装置。
- 前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御して、上記位相差の変化量Φs(ω)が光の角周波数ωの値によらずある一定値を有し、周波数成分間の相対的な位相関係を意味する相対位相を保ちつつ変化することで、前記光電場波形制御パルスの前記パルス内光波位相変化量を任意の値に設定することを特徴とする請求項1記載の光電場波形制御装置。
- 前記出力制御装置により前記パルス整形器を制御して、前記リファレンスパルスに対するプローブ光の遅延変化量に応じて、上記位相差の変化量Φs(ω)の傾きが変化するようにし、前記光電場波形制御パルスのリファレンスパルスに対する遅延変化量を任意の値に設定することを特徴とする請求項1記載の光電場波形制御装置。
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