JP4824855B2 - 空間光変調器および光パルス波形制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器および光パルス波形制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒レーザに代表される超短光パルスは、次世代の大容量光通信など様々な科学技術分野における応用が期待されている。超短光パルスは、例えば、チタンサファイアレーザーの超短光パルスが１パルス中に７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を含むように、単色光と異なり広いスペクトル幅を持つ。このとき、レンズ、窓材あるいは大気など群遅延量に波長分散が存在する媒質中を伝播すると、光パルス内の波長毎に速度が異なってしまい、位相が乱れてパルス幅が広がってしまう。このため、超短光パルスに関する応用技術の実用化においては、パルス圧縮等の超短光パルス制御技術が不可欠である。
【０００３】
超短光パルスの圧縮に利用される光デバイスとして、誘電体多層膜ミラーを用いたチャープミラーがある（例えば、特開２０００―２２１５５５号公報）。すなわち、薄膜の干渉効果を利用して入射光を反射させる誘電体多層膜ミラーでは、金属膜での反射と異なり、入射光がミラーの内部まで浸透して反射されるため、波長毎に異なった群遅延を生じる。そして、この多層膜内での群遅延を逆に積極的に利用することによって、超短光パルスの圧縮等の波形制御に利用可能な光の群遅延制御（位相制御）が可能となる。
【０００４】
これを詳しく説明すると、まず、超短光パルスは上記のように広いスペクトル幅を持つので、一般的なλ／４交互多層膜ミラーと比べて広帯域の反射特性を有するように誘電体多層膜ミラーを構成する。このときのそれぞれの反射特性の一例を図１０に示す。一般的なλ／４交互多層膜ミラーの波長に対する反射率分布（図中のグラフａ）に比べて、広帯域の反射特性を有するように構成された誘電体多層膜ミラーの反射率分布（図中のグラフｂ）は反射域が広くなっており、広い波長域の光を反射可能になっている。ここで、このように反射特性のみ考慮して群遅延特性に関して考慮していない広帯域のミラーは、図１１に示すように、その群遅延量が波長に対して不均一となる。このとき、超短光パルスのような広いスペクトルを持つ光が反射されると、波長毎に異なる群遅延が生じてパルスの位相が乱れ、超短光パルスの制御に適さない。
【０００５】
これに対して、チャープ補償誘電体多層膜ミラーでは、反射率特性に加えて群遅延特性も考慮に入れた多層膜構造の設計が行われている。これにより、レンズや窓材や大気などの媒質で生じた波長毎に異なる群遅延量が相殺されて、短パルス化等の位相制御が可能とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のチャープミラーは、上述のようにその多層膜の構造による固定的な位相制御特性を有する。このため、その位相制御特性は、適用するレーザシステム等に合わせて固定的に設計され、能動的に位相制御特性を調節することができない。
【０００７】
これに対して、超短光パルスの位相等の制御を能動的に行うデバイスとして、空間光変調器を用いることが提案されている。例えば、特開平６−５１３４０号公報には、光アドレス方式の反射型空間光変調器が開示されている。この空間光変調器は、液晶セルに電圧を印加すると液晶の分子配列が変化してその屈折率が変化することを利用したもので、入射光がこの液晶セルを透過することにより位相が変調される。また、透過型のように電極により形成される影の影響を受けることのない反射型の構成を備えている。
【０００８】
この空間光変調器のアドレス光強度に対する読み出し光の位相変調度を、読み出し光の波長をそれぞれ５３０ｎｍ、６３３ｎｍ、８００ｎｍとした場合について、各々図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。アドレス光強度を０．１μＷ／ｃｍ2から１０００μＷ／ｃｍ2まで変化させていくと、いずれの場合も０〜２π（１波長分）までの位相変調が得られ、アドレス光強度を変化させることにより、能動的に変調量を制御することが可能となっている。
【０００９】
ところで、従来の空間光変調器では、読み出し光として単一波長のレーザ光を用いることがほとんどであるために、反射ミラーとして、例えば、λ／４交互多層膜を有する誘電体多層膜ミラーのような一般的なミラーが採用されている。しかしながら、一般的な誘電体多層膜ミラーは上述したように群遅延量が波長に対して不均一であり、超短光パルスのような広いスペクトルを持つ光を反射すると、波長毎に異なる位相の遅延が生じて余分な位相の乱れが生じる。また、空間光変調器を構成するガラス基板等による位相の遅延が起こる場合もある。そのため、従来の空間光変調器では、液晶層による位相変調以外に、誘電体多層膜ミラーやガラス基板による余分な位相の乱れを生じてしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、余分な位相の乱れなく所定の波長域内の光の位相変調が可能な空間光変調器、および、それを用いた光パルス波形制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る空間光変調器は、入射光を透過する透明基板と、入射光を変調する光変調手段と、アドレス情報に基づいて光変調手段の変調特性を変化させるアドレス手段と、入射光を反射させる誘電体多層膜ミラーとを備える反射型の空間光変調器において、誘電体多層膜ミラーは、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、波長域内で、光変調手段を除き、少なくとも透明基板で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有して構成されることを特徴とする。
【００１２】
これにより、所定の入射光の全ての波長成分が誘電体多層膜ミラーにより反射されるとともに、空間光変調器を通過する際に光変調手段以外の少なくとも透明基板で生じる位相の乱れが、誘電体多層膜ミラーで反射される際にうち消される。したがって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、光変調手段によってのみ所望の変調が行われる。
【００１４】
また、誘電体多層膜ミラーは、波長域内で、誘電体多層膜ミラーで生じる群遅延が略一定となる群遅延特性を有して構成されてもよい。これにより、誘電体多層膜ミラー以外の各層で生じる群遅延量が無視できる場合に、誘電体多層膜ミラーで反射される際に受ける群遅延量が波長に関わらず同じなので、出射光に余分な位相の乱れが加わることが防止される。
【００１５】
また、アドレス手段は光導電層であり、光変調手段は液晶層であるとともに、光導電層、誘電体多層膜ミラー、および、液晶層が一対の透明電極の間に順次積層されてなってもよい。このような空間光変調器により、その機能が十分に発揮される。
【００１６】
本発明にかかる光パルス波形制御装置は、上記した空間光変調器、空間光変調器のアドレス手段に前記アドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、位相変調を行うための空間光変調装置と、空間光変調器への入射光パルスを分光する第１の分光手段、および、第１の分光手段で分光された入射光パルスを前記空間光変調器へと集光させつつ入射させる第１の集光手段を有する入射光学系と、空間光変調器からの出射光パルスを合成する第２の分光手段、および、空間光変調器で反射された出射光パルスを第２の分光手段へと集光させつつ入射させる第２の集光手段を有する出射光学系とを備えることを特徴とする。このような光パルス波形制御装置によれば、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、所定の波長域を有する入射光の位相変調が可能とされる。
【００１７】
また、位相変調を行うための空間光変調装置に加えて、上記の空間光変調器と、空間光変調器のアドレス手段にアドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、強度変調を行うための空間光変調装置と、強度変調を行うための空間光変調装置からの光パルスが通過または反射される偏光手段とをさらに備えてもよい。このような光パルス波形制御装置によれば、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、所定の波長域を有する入射光の位相と強度の変調が可能とされる。
【００１８】
また、アドレス情報はアドレス光を介して送られ、アドレス情報書込手段は、アドレス光の生成に用いられるアドレス用光源、電気信号によってアドレスされるとともにアドレス用光源からの光が透過される液晶素子、および、液晶素子を透過して形成されたアドレス光を空間光変調器のアドレス手段へと結像する結像手段を有してもよい。このような光パルス波形制御装置により、その機能が十分に発揮される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る空間光変調器、および、これを用いた光パルス波形制御装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明の空間光変調器１の一実施形態を示す概略構成図である。この空間光変調器１は、図示左側のアドレス光側と図示右側の読み出し光側が、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により分けられている。
【００２１】
空間光変調器１のアドレス光側には、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０側から、アドレス光側と読み出し光側とを光学的に分離する光遮蔽層１１、アモルファスシリコンなどの光アドレス手段からなる光導電層１２、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）膜からなる透明電極１３、好ましくはガラス基板からなる透明基板１４、および、反射防止コート１５が順次積層されている。
【００２２】
一方、読み出し光側には、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０側から、配向層１６、ネマチック液晶などの光変調手段からなり透明基板１４と平行に液晶分子がホモジニアス配向された液晶層１７、配向層１８、好ましくはＩＴＯ膜からなる透明電極１９、好ましくはガラス基板からなる透明基板２０、および、反射防止コート２１が順次積層されている。
【００２３】
チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、入射した読み出し光を反射するためのものであり、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が、スパッタ装置または蒸着装置によって、交互に積層されている。また、このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、当該波長域内で、液晶層１７を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有して構成されている。
【００２４】
つぎに、このような空間光変調器１の作用について説明する。
【００２５】
まず、図示しない電源により透明電極１３，１９間に３Ｖ程度の交流電圧を印加する。このとき、アドレス光が照射されない場合は、光導電層１２のインピーダンスが大きいので液晶層１７には一定量のわずかな電圧しかかからず、液晶層１７の液晶分子は変化しない。また、アドレス光側からアドレス光が入射された場合、そのアドレス光が透明基板１４を透過して光導電層１２に入射すると、入射した部位の光導電層１２のインピーダンスが低下し、対応する部位の液晶層１７に電圧がかかって液晶分子が傾く。このようにして、液晶層１７の各部位での屈折率がアドレス光強度に対応して変化し、アドレス光パターンに対応した屈折率分布が液晶層１７内に形成される。
【００２６】
この状態で、読み出し光側から、チタンサファイアレーザ等の超短光パルスを入射する。読み出し光側から入射される読み出し光が液晶層１７を透過するとアドレス光に対応した部位で位相が変調され、位相が変調された光は、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射され外部に出射される。
【００２７】
このとき、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により所定の入射光の全ての波長成分が反射されるとともに、空間光変調器１を通過する際に液晶層１７以外の各層、例えば、透明基板２０や透明電極１９等、から受ける位相の乱れが、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際にうち消される。したがって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、液晶層１７によってのみ所望の変調が行われるようになっている。
【００２８】
ここで、本発明の空間光変調器１が採用するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の第１実施例を説明する。図２は、本実施例によるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の（ａ）反射特性および（ｂ）群遅延特性を示すグラフである。
【００２９】
本実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が、スパッタ装置または蒸着装置によって、交互に３９層積層されている。そして、この多層膜の各層の厚みは、このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０が、７００ｎｍ〜１０００ｎｍまでの広帯域にわたって十分な反射能力を有し（図２（ａ）参照）、かつ、７００ｎｍから１０００ｎｍまでの広帯域にわたって均一な群遅延特性を有する（図２（ｂ）参照）ように設定されている（例えば特開２０００−２２１５５５号公報参照）。
【００３０】
このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を空間光変調器１に採用すると、一般的なλ／４多層膜ミラーと違って、７００ｎｍ〜１０００ｎｍまでの光を高反射率で反射できる特性を有しているために、読み出し光の全ての波長成分が効率よく反射される。また、多層膜の構造を制御してその波長成分の群遅延特性が波長に関わらず均一にされているので、超短光パルスを反射する際の群遅延の波長分散による位相の乱れが防止されている。
【００３１】
なお、このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用した空間光変調器１の構成は、読み出し光が液晶層１７以外の各層を通過するときに生じる位相の乱れが無視できるほど小さいときに、十分に発揮される。
【００３２】
つづいて、本発明の空間光変調器１が採用するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の第２実施例を説明する。図３は、本実施例によるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の（ａ）反射特性および（ｂ）群遅延特性を示すグラフである。
【００３３】
このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、第１実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０と同様に、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が交互に積層された層数３９層からなるミラーであり、第１実施例と同様の広帯域の反射特性（図３（ａ）参照）を有し、さらに、透明基板１４を構成する厚さ５ｍｍの石英板の７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域の群遅延特性（図４参照）の正負を逆転した群遅延特性（図３（ｂ）参照）を有するように各層の厚みが設定されている。
【００３４】
このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を空間光変調器１に採用すると、読み出し光が透明基板２０を通過することにより生じる位相の乱れが、透明基板２０で受ける位相の乱れをうち消すような群遅延特性を有するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際に相殺され、読み出し光が液晶層１７以外の部分で位相の遅延を起こさないので、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、液晶層によってのみ所望の変調を行うことが可能となっている。
【００３５】
なお、このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用した空間光変調器１の構成は、読み出し光が透明基板２０以外の各層を通過する際に生じる位相の乱れが無視できるほど小さいときに、十分に発揮される。
【００３６】
また、上記実施例では、透明基板２０による位相の乱れのみを補償するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用しているが、空間光変調器１を構成する他の層、例えば、透明電極１９等による位相の乱れが問題になる場合は、それらの各層の遅延の影響も合わせて相殺できるような群遅延特性を備えるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用しても構わない。
【００３７】
このように、本発明による空間光変調器１は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、所定の波長域内で、液晶層１７を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を備え、所定の入射光の全ての波長成分がチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により反射されるとともに、空間光変調器１を通過する際に液晶層１７以外の各層から受ける位相の乱れが、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際にうち消されるので、出射光に余分な位相の乱れを与えることなく液晶層１７によってのみ所望の変調を行うことが可能となっている。
【００３８】
つづいて、図５を参照して、図１に示した空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置２について説明する。この光パルス波形制御装置２は、入力されたパルス光を空間光変調器１で位相変調することによりパルス圧縮等のパルス波形制御をする装置であり、空間光変調器１、空間光変調器１による入射光の変調量を制御するためのアドレス光パターンを形成する透過型液晶素子３２、レーザダイオード３３とコリメートレンズ３４からなるアドレス用光源３５、および、アドレス光を空間光変調器１のアドレス光側に結像する結像レンズ（結像手段）３６を有する空間光変調装置３を備えている。透過型液晶素子３２の各画素に表れるアドレス光パターンはコンピュータ３７により制御されている。
【００３９】
また、位相変調の対象となるパルス光の空間光変調器１への入射については、入射光パルスを分光するグレーティング（第１の分光手段）３０、および、分光された光を空間光変調器１の読み出し光側に集光しつつ入射させるコリメートレンズ（第１の集光手段）３８からなる入射光学系４０が設けられている。また、パルス光の出射については、空間光変調器１からの出射光パルスを集光するコリメートレンズ（第２の集光手段）３９、および、集光された光を合成するグレーティング（第２の分光手段）３１からなる出射光学系４１が設けられている。
【００４０】
このような構成からなる光パルス波形制御装置２に対して、グレーティング３０にパルス光Ｐ1が入射されると、パルス光はグレーティング３０により１次元に分光された後、コリメートレンズ３８により集光されて空間光変調器１の読み出し光側に入射される。一方、レーザダイオード３３から出射した光は、コリメートレンズ３４によりコリメートされて透過型液晶素子３２に入射し、コンピュータ３７により制御された透過型液晶素子３２の各画素を透過することにより位相制御量情報を備えるアドレス光となる。アドレス光は、結像レンズ３６で結像されて空間光変調器１のアドレス光側に入射される。そして、前述と同様の作用により、入射したパルス光の位相が各波長毎にそれぞれアドレス光に対応して位相変調され、所望の位相を有する光が出射される。出射された光は、コリメートレンズ３９で集光されたのち、グレーティング３１で合成されて、必要な位相制御が行われた超短光パルスＰ2として出射される。
【００４１】
このように、空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置２によって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく所定の波長域を有する入射光の位相変調が可能な、光パルス波形制御装置が提供されている。
【００４２】
なお、パルス光を分光・合成する手段はグレーティング３０、３１に限らず、プリズムなどの透過型分光素子を用いてもよい。また、分光方式は一次元に限らずに２次元に分布させてもよく、２次元にすることで、空間光変調器１の変調能力をさらに有効に利用することができる。パルス光を２次元に分光する方法として、例えば、エシェル（ｅｃｈｅｌｌｅ）回折格子などを採用することができる。
【００４３】
つづいて、図６を参照して、図５の光パルス波形制御装置２に、さらにもう一つの空間光変調装置４を備えた光パルス波形制御装置６について説明する。本実施形態の光パルス波形制御装置６においては、入射光学系４０として、図５のグレーティング３０とコリメートレンズ３８に代えて、分光用プリズム５０と集光用プリズム５１とを用いている。また、出射光学系４１として、図５のグレーティング３１とコリメートレンズ３９とに代えて、分光用プリズム５２と集光用プリズム５３とを用いている。また、位相変調用の空間光変調装置３と入射光学系４０との間に、空間光変調装置３と同じ構成を備え強度変調を行う空間光変調装置４と偏光板（偏光手段）６０とをさらに備えている。
【００４４】
一般に、マルチ縦モードが寄与する超短パルス光の波形は次式で表される。
【数１】
この式より、各モードの位相φnを制御するだけではパルス波形制御が不十分で、各モードの電界Ｅn、すなわち、強度も制御する方が好ましい場合がある。
【００４５】
ここで、空間光変調器１は、出射光側に偏光板６０や偏光子等の偏光手段を設置すると、各部位での液晶分子の傾きに応じて、強度変調をすることができる。
【００４６】
そして、このような光パルス波形制御装置６にパルス光Ｐ1が入射されると、入射光はプリズム５０，５１により分光・集光され、強度変調用の空間光変調装置４内の空間光変調器１に入射される。入射された光は空間光変調器１により各部位でのアドレス光に対応した液晶分子の傾きに応じて偏波面が回転され、偏光板６０を通過することにより、強度が変調される。強度変調された光は、位相変調用の空間光変調装置３内の空間光変調器１に入射され、前述と同様の作用で位相制御が行われ、出射した光はプリズム５３，５２により集光・合成されて超短光パルスＰ2となる。
【００４７】
このように、さらに強度変調用の空間光変調装置４と偏光板６０とを備えることにより、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく入射光の位相と強度の両方が制御されるので、極めて自由度の高い波形のコントロールやパルス圧縮が可能となっている。
【００４８】
また、空間光変調器１は、アドレス光パターンを高速で変化させると、光変調手段である液晶層１７に印加される電圧が高速に変化する。そのため、各波長の光に対する位相や強度等の変調特性を任意にしかもリアルタイムに変化・制御することができ、例えば、図７に示すように、光変調手段の群遅延特性を、ある時間では図７（ａ）とし、次の瞬間には図７（ｂ）に代えるといったことが可能となっている。
【００４９】
そして、このような空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置６によれば、図８に示すように、パルス光を数フェムト秒のパルスへ圧縮する（図８（ａ））だけでなく、図８（ｂ）のように進行方向前側から波長が徐々に短くなるようにしたり、図８（ｃ）のように進行方向前側から波長が徐々に長くなるようにできる。また、図８（ｄ）のように短波長パルスと長波長パルスに分離して進行方向前側に長波長部を設定したり、図８（ｅ）のように短波長パルスと長波長パルスに分離して進行方向前側に短波長部を設定したりすることもできる。このように、数十フェムト秒の中で、光パルス内の波長成分とその強度を変化させることが可能となっている。これにより、物質に光を照射してフェムト秒レベルで原子、分子を励起させる場合等に、所望のパルス光を容易に得ることができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形態様をとることが可能である。
【００５１】
上記実施形態では、空間光変調器として、１対の透明電極１９の間に、光アドレス手段としての光導電層１２、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０、および、光変調手段としての液晶層１７が順次積層された空間光変調器１が採用されているが、これに限られない。例えば、アドレス光を光導電層１２で受けて液晶層１７の変調特性を変化させるのではなく、図９に示すように、光電子により液晶部１０１にアドレス情報を書き込む、いわゆる、ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器１０２でもよい「N. Mukouzaka et al., Japanese Journal of Applied Physics, 29, 1227-1230, 1990参照」。この空間光変調器１０２は、図９（ａ）に示すように、アドレス光入射側から順に、光電面１１１、ＭＣＰ１１２、メッシュ電極１１３、および、液晶部１０１を備えている。アドレス光は、光電面１１１で電子に変換された後、電極１１４によって加速・収束され、ＭＣＰ１１２で増幅されて、液晶部１０１に入射される。そして、液晶部１０１は、光電子が入射される透明基板１４から読み出し光側に向かって、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０、配向層１６、液晶層１７、配向層１８、透明電極１９および透明基板２０が順に積層されて構成されている。このような構成からなる空間光変調器１０２においても、同様にチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０によって余分な位相の乱れを無くすことができる。
【００５２】
また、これ以外にも、上記ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器１０２の構成において、変調手段をＬＩＮｂＯ2結晶等の電気光学結晶としたＭＳＬＭや、ＭＳＬＭから光電面をなくして外部からの電子ビームを直接受ける電子ビーム書込型のＭＳＬＭ、アドレス手段としてＣＣＤを備えるＣＣＤ−ＬＣＬＶ、さらに、光変調手段とアドレス手段を兼ねるＢＳＯ等の材料を用いたＰＲＯＭなど、光変調手段とアドレス手段とを備え、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により入射光が反射される空間光変調器であればその種類を問わない。なお、光変調手段は、液晶、電気光学結晶以外にも有機材料等が利用できる。
【００５３】
また、本実施形態の光パルス波形制御装置において、空間光変調器への書き込み手段として、透過型液晶素子３２を採用しているが、これに限られない。例えば、本実施形態の空間光変調器１や、上述のＬＣ−ＭＬＳＭ、ＭＬＳＭおよびＰＲＯＭ等の光アドレス型の空間光変調器の場合、ＣＲＴ等でも構わない。また、電子ビームＭＳＬＭや、ＣＣＤ−ＬＣＬＶ等の電気アドレス型の空間光変調器では、電子ビームや電気信号で書き込むこととなる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明による空間光変調器は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、所定の波長域内で、光変調手段を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有する誘電体多層膜ミラーを備え、所定の入射光の全ての波長成分が誘電体多層膜ミラーにより反射されるとともに、空間光変調器を通過する際に光変調手段以外の各層から受ける位相の乱れが、誘電体多層膜ミラーで反射される際にうち消されるので、出射光に余分な位相の乱れを与えることなく光変調手段によってのみ所望の変調を行うことが可能な空間光変調器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空間光変調器を示す概略構成図である。
【図２】第１実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラーの特性を示す図であり、（ａ）は反射特性図、（ｂ）は群遅延特性図である。
【図３】第２実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラーの特性を示す図であり、（ａ）は反射特性図、（ｂ）は群遅延特性図である。
【図４】図１中の透明基板の群遅延特性を示す図である。
【図５】本発明の空間光変調器を備えた光パルス波形制御装置を示す構成図である。
【図６】図５の空間光変調装置を２つ備えた光パルス波形制御装置を示す構成図である。
【図７】図６中の空間光変調器の群遅延特性の変化を示す図であり、（ａ）時間ｔ0、（ｂ）時間ｔ1での群遅延特性を示す図である。
【図８】 図６の光パルス波形制御装置における波形制御の例を示す図であり、（ａ）圧縮した場合、（ｂ）長波長から短波長に変化させた場合、（ｃ）短波長から長波長へ変化させた場合、（ｄ）分離して先に長波長、後に短波長とした場合、（ｅ）分離して先に短波長、後に長波長とした場合の出力パルスの波形図である。
【図９】ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器の断面図であり、（ａ）全体断面図、（ｂ）液晶部の拡大断面図である。
【図１０】λ／４型および広帯域化された誘電体多層膜ミラーの反射特性図である。
【図１１】広帯域化のみが行われた誘電体多層膜ミラーの群遅延特性図である。
【図１２】空間光変調器のアドレス光強度に対する読み出し光の波長が、（ａ）５３０ｎｍ、（ｂ）６３３ｎｍ、（ｃ）８００ｎｍでの位相変調度を示す図である。
【符号の説明】
１，１０２…空間光変調器、２，６…光パルス波形制御装置、３，４…空間光変調装置、１０…チャープ補償誘電体多層膜ミラー、１２…光電導層、１３，１９…透明電極、１４，２０…透明基板、１７…液晶層、３０…グレーティング（第１の分光手段）、３１…グレーティング（第２の分光手段）、３２…透過型液晶素子、３５…アドレス用光源、３６…結像レンズ（結像手段）、３８…コリメートレンズ（第１の集光手段）、３９…コリメートレンズ（第２の集光手段）、４０…入射光学系、４１…出射光学系、５０…プリズム（第１の分光手段）、５１…プリズム（第２の分光手段）、５２…プリズム（第１の集光手段）、５３…プリズム（第２の集光手段）、６０…偏光板（偏光手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、空間光変調器および光パルス波形制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒レーザに代表される超短光パルスは、次世代の大容量光通信など様々な科学技術分野における応用が期待されている。超短光パルスは、例えば、チタンサファイアレーザーの超短光パルスが１パルス中に７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長を含むように、単色光と異なり広いスペクトル幅を持つ。このとき、レンズ、窓材あるいは大気など群遅延量に波長分散が存在する媒質中を伝播すると、光パルス内の波長毎に速度が異なってしまい、位相が乱れてパルス幅が広がってしまう。このため、超短光パルスに関する応用技術の実用化においては、パルス圧縮等の超短光パルス制御技術が不可欠である。
【０００３】
超短光パルスの圧縮に利用される光デバイスとして、誘電体多層膜ミラーを用いたチャープミラーがある（例えば、特開２０００―２２１５５５号公報）。すなわち、薄膜の干渉効果を利用して入射光を反射させる誘電体多層膜ミラーでは、金属膜での反射と異なり、入射光がミラーの内部まで浸透して反射されるため、波長毎に異なった群遅延を生じる。そして、この多層膜内での群遅延を逆に積極的に利用することによって、超短光パルスの圧縮等の波形制御に利用可能な光の群遅延制御（位相制御）が可能となる。
【０００４】
これを詳しく説明すると、まず、超短光パルスは上記のように広いスペクトル幅を持つので、一般的なλ／４交互多層膜ミラーと比べて広帯域の反射特性を有するように誘電体多層膜ミラーを構成する。このときのそれぞれの反射特性の一例を図１０に示す。一般的なλ／４交互多層膜ミラーの波長に対する反射率分布（図中のグラフａ）に比べて、広帯域の反射特性を有するように構成された誘電体多層膜ミラーの反射率分布（図中のグラフｂ）は反射域が広くなっており、広い波長域の光を反射可能になっている。ここで、このように反射特性のみ考慮して群遅延特性に関して考慮していない広帯域のミラーは、図１１に示すように、その群遅延量が波長に対して不均一となる。このとき、超短光パルスのような広いスペクトルを持つ光が反射されると、波長毎に異なる群遅延が生じてパルスの位相が乱れ、超短光パルスの制御に適さない。
【０００５】
これに対して、チャープ補償誘電体多層膜ミラーでは、反射率特性に加えて群遅延特性も考慮に入れた多層膜構造の設計が行われている。これにより、レンズや窓材や大気などの媒質で生じた波長毎に異なる群遅延量が相殺されて、短パルス化等の位相制御が可能とされている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のチャープミラーは、上述のようにその多層膜の構造による固定的な位相制御特性を有する。このため、その位相制御特性は、適用するレーザシステム等に合わせて固定的に設計され、能動的に位相制御特性を調節することができない。
【０００７】
これに対して、超短光パルスの位相等の制御を能動的に行うデバイスとして、空間光変調器を用いることが提案されている。例えば、特開平６−５１３４０号公報には、光アドレス方式の反射型空間光変調器が開示されている。この空間光変調器は、液晶セルに電圧を印加すると液晶の分子配列が変化してその屈折率が変化することを利用したもので、入射光がこの液晶セルを透過することにより位相が変調される。また、透過型のように電極により形成される影の影響を受けることのない反射型の構成を備えている。
【０００８】
この空間光変調器のアドレス光強度に対する読み出し光の位相変調度を、読み出し光の波長をそれぞれ５３０ｎｍ、６３３ｎｍ、８００ｎｍとした場合について、各々図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。アドレス光強度を０．１μＷ／ｃｍ2から１０００μＷ／ｃｍ2まで変化させていくと、いずれの場合も０〜２π（１波長分）までの位相変調が得られ、アドレス光強度を変化させることにより、能動的に変調量を制御することが可能となっている。
【０００９】
ところで、従来の空間光変調器では、読み出し光として単一波長のレーザ光を用いることがほとんどであるために、反射ミラーとして、例えば、λ／４交互多層膜を有する誘電体多層膜ミラーのような一般的なミラーが採用されている。しかしながら、一般的な誘電体多層膜ミラーは上述したように群遅延量が波長に対して不均一であり、超短光パルスのような広いスペクトルを持つ光を反射すると、波長毎に異なる位相の遅延が生じて余分な位相の乱れが生じる。また、空間光変調器を構成するガラス基板等による位相の遅延が起こる場合もある。そのため、従来の空間光変調器では、液晶層による位相変調以外に、誘電体多層膜ミラーやガラス基板による余分な位相の乱れを生じてしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、余分な位相の乱れなく所定の波長域内の光の位相変調が可能な空間光変調器、および、それを用いた光パルス波形制御装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る空間光変調器は、入射光を透過する透明基板と、入射光を変調する光変調手段と、アドレス情報に基づいて光変調手段の変調特性を変化させるアドレス手段と、入射光を反射させる誘電体多層膜ミラーとを備える反射型の空間光変調器において、誘電体多層膜ミラーは、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、波長域内で、光変調手段を除き、少なくとも透明基板で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有して構成されることを特徴とする。
【００１２】
これにより、所定の入射光の全ての波長成分が誘電体多層膜ミラーにより反射されるとともに、空間光変調器を通過する際に光変調手段以外の少なくとも透明基板で生じる位相の乱れが、誘電体多層膜ミラーで反射される際にうち消される。したがって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、光変調手段によってのみ所望の変調が行われる。
【００１４】
また、誘電体多層膜ミラーは、波長域内で、誘電体多層膜ミラーで生じる群遅延が略一定となる群遅延特性を有して構成されてもよい。これにより、誘電体多層膜ミラー以外の各層で生じる群遅延量が無視できる場合に、誘電体多層膜ミラーで反射される際に受ける群遅延量が波長に関わらず同じなので、出射光に余分な位相の乱れが加わることが防止される。
【００１５】
また、アドレス手段は光導電層であり、光変調手段は液晶層であるとともに、光導電層、誘電体多層膜ミラー、および、液晶層が一対の透明電極の間に順次積層されてなってもよい。このような空間光変調器により、その機能が十分に発揮される。
【００１６】
本発明にかかる光パルス波形制御装置は、上記した空間光変調器、空間光変調器のアドレス手段に前記アドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、位相変調を行うための空間光変調装置と、空間光変調器への入射光パルスを分光する第１の分光手段、および、第１の分光手段で分光された入射光パルスを前記空間光変調器へと集光させつつ入射させる第１の集光手段を有する入射光学系と、空間光変調器からの出射光パルスを合成する第２の分光手段、および、空間光変調器で反射された出射光パルスを第２の分光手段へと集光させつつ入射させる第２の集光手段を有する出射光学系とを備えることを特徴とする。このような光パルス波形制御装置によれば、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、所定の波長域を有する入射光の位相変調が可能とされる。
【００１７】
また、位相変調を行うための空間光変調装置に加えて、上記の空間光変調器と、空間光変調器のアドレス手段にアドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、強度変調を行うための空間光変調装置と、強度変調を行うための空間光変調装置からの光パルスが通過または反射される偏光手段とをさらに備えてもよい。このような光パルス波形制御装置によれば、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、所定の波長域を有する入射光の位相と強度の変調が可能とされる。
【００１８】
また、アドレス情報はアドレス光を介して送られ、アドレス情報書込手段は、アドレス光の生成に用いられるアドレス用光源、電気信号によってアドレスされるとともにアドレス用光源からの光が透過される液晶素子、および、液晶素子を透過して形成されたアドレス光を空間光変調器のアドレス手段へと結像する結像手段を有してもよい。このような光パルス波形制御装置により、その機能が十分に発揮される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る空間光変調器、および、これを用いた光パルス波形制御装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一または相当要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は、本発明の空間光変調器１の一実施形態を示す概略構成図である。この空間光変調器１は、図示左側のアドレス光側と図示右側の読み出し光側が、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により分けられている。
【００２１】
空間光変調器１のアドレス光側には、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０側から、アドレス光側と読み出し光側とを光学的に分離する光遮蔽層１１、アモルファスシリコンなどの光アドレス手段からなる光導電層１２、好ましくはＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）膜からなる透明電極１３、好ましくはガラス基板からなる透明基板１４、および、反射防止コート１５が順次積層されている。
【００２２】
一方、読み出し光側には、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０側から、配向層１６、ネマチック液晶などの光変調手段からなり透明基板１４と平行に液晶分子がホモジニアス配向された液晶層１７、配向層１８、好ましくはＩＴＯ膜からなる透明電極１９、好ましくはガラス基板からなる透明基板２０、および、反射防止コート２１が順次積層されている。
【００２３】
チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、入射した読み出し光を反射するためのものであり、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が、スパッタ装置または蒸着装置によって、交互に積層されている。また、このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、当該波長域内で、液晶層１７を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有して構成されている。
【００２４】
つぎに、このような空間光変調器１の作用について説明する。
【００２５】
まず、図示しない電源により透明電極１３，１９間に３Ｖ程度の交流電圧を印加する。このとき、アドレス光が照射されない場合は、光導電層１２のインピーダンスが大きいので液晶層１７には一定量のわずかな電圧しかかからず、液晶層１７の液晶分子は変化しない。また、アドレス光側からアドレス光が入射された場合、そのアドレス光が透明基板１４を透過して光導電層１２に入射すると、入射した部位の光導電層１２のインピーダンスが低下し、対応する部位の液晶層１７に電圧がかかって液晶分子が傾く。このようにして、液晶層１７の各部位での屈折率がアドレス光強度に対応して変化し、アドレス光パターンに対応した屈折率分布が液晶層１７内に形成される。
【００２６】
この状態で、読み出し光側から、チタンサファイアレーザ等の超短光パルスを入射する。読み出し光側から入射される読み出し光が液晶層１７を透過するとアドレス光に対応した部位で位相が変調され、位相が変調された光は、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射され外部に出射される。
【００２７】
このとき、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により所定の入射光の全ての波長成分が反射されるとともに、空間光変調器１を通過する際に液晶層１７以外の各層、例えば、透明基板２０や透明電極１９等、から受ける位相の乱れが、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際にうち消される。したがって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、液晶層１７によってのみ所望の変調が行われるようになっている。
【００２８】
ここで、本発明の空間光変調器１が採用するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の第１実施例を説明する。図２は、本実施例によるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の（ａ）反射特性および（ｂ）群遅延特性を示すグラフである。
【００２９】
本実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が、スパッタ装置または蒸着装置によって、交互に３９層積層されている。そして、この多層膜の各層の厚みは、このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０が、７００ｎｍ〜１０００ｎｍまでの広帯域にわたって十分な反射能力を有し（図２（ａ）参照）、かつ、７００ｎｍから１０００ｎｍまでの広帯域にわたって均一な群遅延特性を有する（図２（ｂ）参照）ように設定されている（例えば特開２０００−２２１５５５号公報参照）。
【００３０】
このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を空間光変調器１に採用すると、一般的なλ／４多層膜ミラーと違って、７００ｎｍ〜１０００ｎｍまでの光を高反射率で反射できる特性を有しているために、読み出し光の全ての波長成分が効率よく反射される。また、多層膜の構造を制御してその波長成分の群遅延特性が波長に関わらず均一にされているので、超短光パルスを反射する際の群遅延の波長分散による位相の乱れが防止されている。
【００３１】
なお、このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用した空間光変調器１の構成は、読み出し光が液晶層１７以外の各層を通過するときに生じる位相の乱れが無視できるほど小さいときに、十分に発揮される。
【００３２】
つづいて、本発明の空間光変調器１が採用するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の第２実施例を説明する。図３は、本実施例によるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０の（ａ）反射特性および（ｂ）群遅延特性を示すグラフである。
【００３３】
このチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０は、第１実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０と同様に、高屈折率材料としてのＴｉＯ2と低屈折率材料としてのＳｉＯ2が交互に積層された層数３９層からなるミラーであり、第１実施例と同様の広帯域の反射特性（図３（ａ）参照）を有し、さらに、透明基板１４を構成する厚さ５ｍｍの石英板の７００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長域の群遅延特性（図４参照）の正負を逆転した群遅延特性（図３（ｂ）参照）を有するように各層の厚みが設定されている。
【００３４】
このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を空間光変調器１に採用すると、読み出し光が透明基板２０を通過することにより生じる位相の乱れが、透明基板２０で受ける位相の乱れをうち消すような群遅延特性を有するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際に相殺され、読み出し光が液晶層１７以外の部分で位相の遅延を起こさないので、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく、液晶層によってのみ所望の変調を行うことが可能となっている。
【００３５】
なお、このようなチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用した空間光変調器１の構成は、読み出し光が透明基板２０以外の各層を通過する際に生じる位相の乱れが無視できるほど小さいときに、十分に発揮される。
【００３６】
また、上記実施例では、透明基板２０による位相の乱れのみを補償するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用しているが、空間光変調器１を構成する他の層、例えば、透明電極１９等による位相の乱れが問題になる場合は、それらの各層の遅延の影響も合わせて相殺できるような群遅延特性を備えるチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を採用しても構わない。
【００３７】
このように、本発明による空間光変調器１は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、所定の波長域内で、液晶層１７を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有するチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０を備え、所定の入射光の全ての波長成分がチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により反射されるとともに、空間光変調器１を通過する際に液晶層１７以外の各層から受ける位相の乱れが、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０で反射される際にうち消されるので、出射光に余分な位相の乱れを与えることなく液晶層１７によってのみ所望の変調を行うことが可能となっている。
【００３８】
つづいて、図５を参照して、図１に示した空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置２について説明する。この光パルス波形制御装置２は、入力されたパルス光を空間光変調器１で位相変調することによりパルス圧縮等のパルス波形制御をする装置であり、空間光変調器１、空間光変調器１による入射光の変調量を制御するためのアドレス光パターンを形成する透過型液晶素子３２、レーザダイオード３３とコリメートレンズ３４からなるアドレス用光源３５、および、アドレス光を空間光変調器１のアドレス光側に結像する結像レンズ（結像手段）３６を有する空間光変調装置３を備えている。透過型液晶素子３２の各画素に表れるアドレス光パターンはコンピュータ３７により制御されている。
【００３９】
また、位相変調の対象となるパルス光の空間光変調器１への入射については、入射光パルスを分光するグレーティング（第１の分光手段）３０、および、分光された光を空間光変調器１の読み出し光側に集光しつつ入射させるコリメートレンズ（第１の集光手段）３８からなる入射光学系４０が設けられている。また、パルス光の出射については、空間光変調器１からの出射光パルスを集光するコリメートレンズ（第２の集光手段）３９、および、集光された光を合成するグレーティング（第２の分光手段）３１からなる出射光学系４１が設けられている。
【００４０】
このような構成からなる光パルス波形制御装置２に対して、グレーティング３０にパルス光Ｐ1が入射されると、パルス光はグレーティング３０により１次元に分光された後、コリメートレンズ３８により集光されて空間光変調器１の読み出し光側に入射される。一方、レーザダイオード３３から出射した光は、コリメートレンズ３４によりコリメートされて透過型液晶素子３２に入射し、コンピュータ３７により制御された透過型液晶素子３２の各画素を透過することにより位相制御量情報を備えるアドレス光となる。アドレス光は、結像レンズ３６で結像されて空間光変調器１のアドレス光側に入射される。そして、前述と同様の作用により、入射したパルス光の位相が各波長毎にそれぞれアドレス光に対応して位相変調され、所望の位相を有する光が出射される。出射された光は、コリメートレンズ３９で集光されたのち、グレーティング３１で合成されて、必要な位相制御が行われた超短光パルスＰ2として出射される。
【００４１】
このように、空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置２によって、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく所定の波長域を有する入射光の位相変調が可能な、光パルス波形制御装置が提供されている。
【００４２】
なお、パルス光を分光・合成する手段はグレーティング３０、３１に限らず、プリズムなどの透過型分光素子を用いてもよい。また、分光方式は一次元に限らずに２次元に分布させてもよく、２次元にすることで、空間光変調器１の変調能力をさらに有効に利用することができる。パルス光を２次元に分光する方法として、例えば、エシェル（ｅｃｈｅｌｌｅ）回折格子などを採用することができる。
【００４３】
つづいて、図６を参照して、図５の光パルス波形制御装置２に、さらにもう一つの空間光変調装置４を備えた光パルス波形制御装置６について説明する。本実施形態の光パルス波形制御装置６においては、入射光学系４０として、図５のグレーティング３０とコリメートレンズ３８に代えて、分光用プリズム５０と集光用プリズム５１とを用いている。また、出射光学系４１として、図５のグレーティング３１とコリメートレンズ３９とに代えて、分光用プリズム５２と集光用プリズム５３とを用いている。また、位相変調用の空間光変調装置３と入射光学系４０との間に、空間光変調装置３と同じ構成を備え強度変調を行う空間光変調装置４と偏光板（偏光手段）６０とをさらに備えている。
【００４４】
一般に、マルチ縦モードが寄与する超短パルス光の波形は次式で表される。
【数１】
【００４５】
ここで、空間光変調器１は、出射光側に偏光板６０や偏光子等の偏光手段を設置すると、各部位での液晶分子の傾きに応じて、強度変調をすることができる。
【００４６】
そして、このような光パルス波形制御装置６にパルス光Ｐ1が入射されると、入射光はプリズム５０，５１により分光・集光され、強度変調用の空間光変調装置４内の空間光変調器１に入射される。入射された光は空間光変調器１により各部位でのアドレス光に対応した液晶分子の傾きに応じて偏波面が回転され、偏光板６０を通過することにより、強度が変調される。強度変調された光は、位相変調用の空間光変調装置３内の空間光変調器１に入射され、前述と同様の作用で位相制御が行われ、出射した光はプリズム５３，５２により集光・合成されて超短光パルスＰ2となる。
【００４７】
このように、さらに強度変調用の空間光変調装置４と偏光板６０とを備えることにより、出射光に余分な位相の乱れが与えられることなく入射光の位相と強度の両方が制御されるので、極めて自由度の高い波形のコントロールやパルス圧縮が可能となっている。
【００４８】
また、空間光変調器１は、アドレス光パターンを高速で変化させると、光変調手段である液晶層１７に印加される電圧が高速に変化する。そのため、各波長の光に対する位相や強度等の変調特性を任意にしかもリアルタイムに変化・制御することができ、例えば、図７に示すように、光変調手段の群遅延特性を、ある時間では図７（ａ）とし、次の瞬間には図７（ｂ）に代えるといったことが可能となっている。
【００４９】
そして、このような空間光変調器１を用いた光パルス波形制御装置６によれば、図８に示すように、パルス光を数フェムト秒のパルスへ圧縮する（図８（ａ））だけでなく、図８（ｂ）のように進行方向前側から波長が徐々に短くなるようにしたり、図８（ｃ）のように進行方向前側から波長が徐々に長くなるようにできる。また、図８（ｄ）のように短波長パルスと長波長パルスに分離して進行方向前側に長波長部を設定したり、図８（ｅ）のように短波長パルスと長波長パルスに分離して進行方向前側に短波長部を設定したりすることもできる。このように、数十フェムト秒の中で、光パルス内の波長成分とその強度を変化させることが可能となっている。これにより、物質に光を照射してフェムト秒レベルで原子、分子を励起させる場合等に、所望のパルス光を容易に得ることができる。
【００５０】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形態様をとることが可能である。
【００５１】
上記実施形態では、空間光変調器として、１対の透明電極１９の間に、光アドレス手段としての光導電層１２、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０、および、光変調手段としての液晶層１７が順次積層された空間光変調器１が採用されているが、これに限られない。例えば、アドレス光を光導電層１２で受けて液晶層１７の変調特性を変化させるのではなく、図９に示すように、光電子により液晶部１０１にアドレス情報を書き込む、いわゆる、ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器１０２でもよい「N. Mukouzaka et al., Japanese Journal of Applied Physics, 29, 1227-1230, 1990参照」。この空間光変調器１０２は、図９（ａ）に示すように、アドレス光入射側から順に、光電面１１１、ＭＣＰ１１２、メッシュ電極１１３、および、液晶部１０１を備えている。アドレス光は、光電面１１１で電子に変換された後、電極１１４によって加速・収束され、ＭＣＰ１１２で増幅されて、液晶部１０１に入射される。そして、液晶部１０１は、光電子が入射される透明基板１４から読み出し光側に向かって、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０、配向層１６、液晶層１７、配向層１８、透明電極１９および透明基板２０が順に積層されて構成されている。このような構成からなる空間光変調器１０２においても、同様にチャープ補償誘電体多層膜ミラー１０によって余分な位相の乱れを無くすことができる。
【００５２】
また、これ以外にも、上記ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器１０２の構成において、変調手段をＬＩＮｂＯ2結晶等の電気光学結晶としたＭＳＬＭや、ＭＳＬＭから光電面をなくして外部からの電子ビームを直接受ける電子ビーム書込型のＭＳＬＭ、アドレス手段としてＣＣＤを備えるＣＣＤ−ＬＣＬＶ、さらに、光変調手段とアドレス手段を兼ねるＢＳＯ等の材料を用いたＰＲＯＭなど、光変調手段とアドレス手段とを備え、チャープ補償誘電体多層膜ミラー１０により入射光が反射される空間光変調器であればその種類を問わない。なお、光変調手段は、液晶、電気光学結晶以外にも有機材料等が利用できる。
【００５３】
また、本実施形態の光パルス波形制御装置において、空間光変調器への書き込み手段として、透過型液晶素子３２を採用しているが、これに限られない。例えば、本実施形態の空間光変調器１や、上述のＬＣ−ＭＬＳＭ、ＭＬＳＭおよびＰＲＯＭ等の光アドレス型の空間光変調器の場合、ＣＲＴ等でも構わない。また、電子ビームＭＳＬＭや、ＣＣＤ−ＬＣＬＶ等の電気アドレス型の空間光変調器では、電子ビームや電気信号で書き込むこととなる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、本発明による空間光変調器は、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、所定の波長域内で、光変調手段を除く各部で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有する誘電体多層膜ミラーを備え、所定の入射光の全ての波長成分が誘電体多層膜ミラーにより反射されるとともに、空間光変調器を通過する際に光変調手段以外の各層から受ける位相の乱れが、誘電体多層膜ミラーで反射される際にうち消されるので、出射光に余分な位相の乱れを与えることなく光変調手段によってのみ所望の変調を行うことが可能な空間光変調器が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空間光変調器を示す概略構成図である。
【図２】第１実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラーの特性を示す図であり、（ａ）は反射特性図、（ｂ）は群遅延特性図である。
【図３】第２実施例のチャープ補償誘電体多層膜ミラーの特性を示す図であり、（ａ）は反射特性図、（ｂ）は群遅延特性図である。
【図４】図１中の透明基板の群遅延特性を示す図である。
【図５】本発明の空間光変調器を備えた光パルス波形制御装置を示す構成図である。
【図６】図５の空間光変調装置を２つ備えた光パルス波形制御装置を示す構成図である。
【図７】図６中の空間光変調器の群遅延特性の変化を示す図であり、（ａ）時間ｔ0、（ｂ）時間ｔ1での群遅延特性を示す図である。
【図８】 図６の光パルス波形制御装置における波形制御の例を示す図であり、（ａ）圧縮した場合、（ｂ）長波長から短波長に変化させた場合、（ｃ）短波長から長波長へ変化させた場合、（ｄ）分離して先に長波長、後に短波長とした場合、（ｅ）分離して先に短波長、後に長波長とした場合の出力パルスの波形図である。
【図９】ＬＣ−ＭＳＬＭ型の空間光変調器の断面図であり、（ａ）全体断面図、（ｂ）液晶部の拡大断面図である。
【図１０】λ／４型および広帯域化された誘電体多層膜ミラーの反射特性図である。
【図１１】広帯域化のみが行われた誘電体多層膜ミラーの群遅延特性図である。
【図１２】空間光変調器のアドレス光強度に対する読み出し光の波長が、（ａ）５３０ｎｍ、（ｂ）６３３ｎｍ、（ｃ）８００ｎｍでの位相変調度を示す図である。
【符号の説明】
１，１０２…空間光変調器、２，６…光パルス波形制御装置、３，４…空間光変調装置、１０…チャープ補償誘電体多層膜ミラー、１２…光電導層、１３，１９…透明電極、１４，２０…透明基板、１７…液晶層、３０…グレーティング（第１の分光手段）、３１…グレーティング（第２の分光手段）、３２…透過型液晶素子、３５…アドレス用光源、３６…結像レンズ（結像手段）、３８…コリメートレンズ（第１の集光手段）、３９…コリメートレンズ（第２の集光手段）、４０…入射光学系、４１…出射光学系、５０…プリズム（第１の分光手段）、５１…プリズム（第２の分光手段）、５２…プリズム（第１の集光手段）、５３…プリズム（第２の集光手段）、６０…偏光板（偏光手段）。
Claims (6)
- 入射光を透過する透明基板と、前記入射光を変調する光変調手段と、アドレス情報に基づいて前記光変調手段の変調特性を変化させるアドレス手段と、前記入射光を反射させる誘電体多層膜ミラーとを備える反射型の空間光変調器において、前記誘電体多層膜ミラーは、所定の波長域内の入射光を反射するとともに、前記波長域内で、前記光変調手段を除き、少なくとも前記透明基板で生じる群遅延が補償される群遅延特性を有して構成されることを特徴とする、空間光変調器。
- 前記誘電体多層膜ミラーは、前記波長域内で、前記誘電体多層膜ミラーで生じる群遅延が略一定となる群遅延特性を有して構成されることを特徴とする、請求項１に記載の空間光変調器。
- 前記アドレス手段は光導電層であり、前記光変調手段は液晶層であるとともに、前記光導電層、前記誘電体多層膜ミラー、および、前記液晶層が一対の透明電極の間に順次積層されてなることを特徴とする、請求項１または２に記載の空間光変調器。
- 請求項１〜３の何れか１項に記載の空間光変調器と、前記空間光変調器のアドレス手段に前記アドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、位相変調を行うための空間光変調装置と、前記空間光変調器への入射光パルスを分光する第１の分光手段、および、前記第１の分光手段で分光された前記入射光パルスを前記空間光変調器へと集光させつつ入射させる第１の集光手段を有する入射光学系と、前記空間光変調器からの出射光パルスを合成する第２の分光手段、および、前記空間光変調器で反射された前記出射光パルスを前記第２の分光手段へと集光させつつ入射させる第２の集光手段を有する出射光学系と、を備えることを特徴とする、光パルス波形制御装置。
- 前記位相変調を行うための空間光変調装置に加えて、請求項１〜３の何れか１項に記載の空間光変調器と、前記空間光変調器のアドレス手段に前記アドレス情報を送るアドレス情報書込手段とを有する、強度変調を行うための空間光変調装置と、前記強度変調を行うための空間光変調装置からの光パルスが通過または反射される偏光手段とをさらに備えることを特徴とする、請求項４に記載の光パルス波形制御装置。
- 前記アドレス手段はアドレス光によって前記アドレス情報が書込まれ、前記アドレス情報書込手段は、前記アドレス光の生成に用いられるアドレス用光源、電気信号によってアドレスされるとともに前記アドレス用光源からの光が透過される液晶素子、および、前記液晶素子を透過して形成された前記アドレス光を前記空間光変調器のアドレス手段へと結像する結像手段を有することを特徴とする、請求項４または５に記載の光パルス波形制御装置。
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