JP6498957B2 - Ｃｅｐ制御装置およびｃｅｐ制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光パルスのキャリアエンベロープ位相を制御する装置および方法に関するものである。

フェムト秒レーザ光やテラヘルツ光等の超短パルス技術において光パルスの振幅の時間的変化の形状（envelope）だけでなく光パルス内の電場（career）の位相も制御されることが重要である。直線偏光の光パルスの場合、キャリアエンベロープ位相（Carrie-Envelope Phase、以下「ＣＥＰ」という場合がある。）は、光パルスの振幅のピーク位置での電場の位相で定義される。また、円偏光の光パルスの場合、ＣＥＰは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトルの方位で定義することができる。

パルス幅が中心光周波数の数サイクル程度である光パルスの場合、ＣＥＰによってパルス幅が変化したり、物質との相互作用の結果に影響を与えたりするようになる。ＣＥＰを制御することは、非線形相互作用の制御や計測応用、周波数標準分野、光電場のフーリエ合成の応用等において、重要になってきている（非特許文献１，２参照）。

非特許文献１に記載されたＣＥＰ制御技術は、光パルスの光路への分散物質の挿入量を調整することで光パルスのＣＥＰを制御する。非特許文献２に記載されたＣＥＰ制御技術は、空間光変調器により波長毎に位相変調を行なって光パルスのＣＥＰを制御するとともに、ＣＥＰ制御と独立して遅延制御をすることもできるとされている。

P. Dombi, et al., "Directmeasurement and analysis of the carrier-envelop phase in light pulsesapproaching the single-cycle regime," New Journal of Physics, Vol.6, p.39(2004). 西嶋一樹、他、「光電場波形制御用キャリア−エンベロープ位相シフター」、電学論Ｃ、第125巻、第11号、第1686頁〜第1693頁、2005年

非特許文献１に記載されたＣＥＰ制御技術では、光パルスの光路に分散物質が挿入されることから、広帯域スペクトルを持つ光パルスに対しては、高次分散によるパルスエンベロープの変化が生じたり、ＣＥＰ制御と同時に時間遅延が生じたりするという問題点がある。

非特許文献２に記載されたＣＥＰ制御技術では、空間光変調器が位相変調できる帯域に制限があることから、極めて広帯域な光パルスに対しては有効に機能させることが難しい。また、非特許文献２に記載されたＣＥＰ制御技術では、装置構成が煩雑であり、使用している部品が高価であり、また、電子的な制御系が必要である。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、簡易な構成で容易に光パルスのＣＥＰを制御することができる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のＣＥＰ制御装置は、(1) 入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、(2) 円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを出力するλ／２板と、を備える。

本発明のＣＥＰ制御装置は、λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ／４板を更に備えるのが好適である。この場合、λ／４板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ／４板が回転自在であるのが好適である。

本発明のＣＥＰ制御装置は、λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子を更に備えるのも好適である。この場合、偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして偏光子が回転自在であるのが好適である。

本発明のＣＥＰ制御方法は、入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力するλ／２板とを用い、λ／２板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ／２板を回転自在とし、λ／２板の回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスをλ／２板から出力する。

本発明のＣＥＰ制御方法は、λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ／４板を更に用い、λ／２板の回転方位およびλ／４板の方位に応じたＣＥＰを有する光パルスをλ／４板から出力するのが好適である。この場合、λ／４板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ／４板を回転自在とし、λ／２板の回転方位およびλ／４板の回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスをλ／４板から出力するのが好適である。

本発明のＣＥＰ制御方法は、λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子を更に用い、λ／２板の回転方位および偏光子の方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを偏光子から出力するのが好適である。この場合、偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして偏光子を回転自在とし、λ／２板の回転方位および偏光子の回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを偏光子から出力するのが好適である。

なお、本発明では、「光」は、ビームとして伝搬し得る電磁波をいい、紫外光からテラヘルツ光に到るまでの帯域の電磁波を含む。

本発明によれば、簡易な構成で容易に光パルスのＣＥＰを制御することができる。

第１実施形態のＣＥＰ制御装置１の構成を示す図である。 λ／４板１０の断面図である。 β＝０°の場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 β＝４５°の場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 β＝９０°の場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 λ／２板２０の方位角αを各値に設定した場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。 第２実施形態のＣＥＰ制御装置２の構成を示す図である。 λ／４板１０Ａの断面図である。 第３実施形態のＣＥＰ制御装置３の構成を示す図である。 第４実施形態のＣＥＰ制御装置４の構成を示す図である。 α＝０°の場合にλ／２板２０から出力される光パルスＰ３の光電場の時間的変化を示す図である。 α＝４５°の場合にλ／２板２０から出力される光パルスＰ３の光電場の時間的変化を示す図である。 α＝９０°の場合にλ／２板２０から出力される光パルスＰ３の光電場の時間的変化を示す図である。 第５実施形態のＣＥＰ制御装置５の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のＣＥＰ制御装置１の構成を示す図である。ＣＥＰ制御装置１は、λ／４板１０、λ／２板２０およびλ／４板３０を備える。

λ／４板１０は、入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部である。λ／４板１０は、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。入力する光パルスＰ１が直線偏光である場合、λ／４板１０の高速軸（fast軸）または低速軸（slow軸）と光パルスＰ１の直線偏光の方位とがなす角度が４５°または−４５°となるようにλ／４板１０の方位を設定することで、λ／４板１０は円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

入力する光パルスが直線偏光でない場合には、例えば、偏光子およびλ／４板を含む円偏光パルス生成部の構成とし、先ず偏光子を用いて直線偏光にした後に、その直線偏光の光パルスをλ／４板に入力させることで、λ／４板から円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

λ／２板２０は、円偏光パルス生成部であるλ／４板１０から出力された光パルスＰ２を入力する。λ／２板２０は、光パルスＰ２の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である。そして、λ／２板２０は、その回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスＰ３を出力する。

λ／４板３０は、λ／２板２０から出力された円偏光の光パルスＰ３を入力して、直線偏光の光パルスＰ４を出力する。λ／４板３０は、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

λ／４板１０、λ／２板２０およびλ／４板３０それぞれは、波長依存性が小さいものであるのが好ましい。好適には、λ／４板１０、λ／２板２０およびλ／４板３０それぞれは、プリズム型波長板、水晶スタック型波長板、金属平板スタック型波長板などである。特に、プリズム型波長板は、材質の屈折率が一定であると見なせる波長範囲においては全ての波長の光に対して設定された位相変化を与えることができる。

図２は、λ／４板１０の断面図である。同図に示されるλ／４板１０は、プリズム型波長板である。λ／４板１０は、光パルスＰ１の波長域において透明であって高い屈折率を有する材料からなる。光パルスＰ１がテラヘルツ光である場合、λ／４板１０は、テラヘルツ光の波長域で屈折率が３.４１であるシリコンからなるのが好適である。λ／４板１０は、入射面１１、出射面１２、全反射面１３ａ〜１３ｄおよび保持面１４ａ〜１４ｆを有する。

入射面１１と出射面１２とは互いに平行である。直線偏光の光パルスＰ１は入射面１１に垂直に入射する。入射面１１に入射した光パルスは、４つの全反射面１３ａ〜１３ｄそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面１２から垂直に円偏光の光パルスＰ２が出射する。入射面１１に入射する光パルスＰ１と出射面１２から出射する光パルスＰ２とは同軸とすることができる。したがって、その軸を中心にしてλ／４板１０を回転させても、出射面１２から出射する光パルスＰ２の位置は変わらない。保持面１４ａ〜１４ｆは、光パルスの入射，全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、λ／４板１０の配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

全反射面１３ａ〜１３ｄそれぞれにおける光パルスの全反射の際にｐ偏光成分とｓ偏光成分との間に位相差が生じる。その位相差は、全反射面１３ａ〜１３ｄにおける光パルスの入射角θ１〜θ４、およひ、λ／４板１０の材料と周囲の媒質（一般には空気）との屈折率比に依存する。したがって、これらを適切に設定することで、全反射面１３ａ〜１３ｄそれぞれにおける光パルスの全反射の際に生じるｐ偏光成分とｓ偏光成分との間の位相差の総和をπ／２とすることができ、これによりλ／４板を構成することができる。同様にして、λ／２板および３λ／４板などを構成することもできる。

次に、本実施形態のＣＥＰ制御装置１の動作について説明するとともに、本実施形態のＣＥＰ制御方法について説明する。入力する光パルスＰ１が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、λ／４板１０の高速軸が４５°だけ傾いているとし、λ／２板２０の高速軸がα°だけ傾いているとし、λ／４板３０の高速軸がβ°だけ傾いているとし、また、λ／４板３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。

光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にしてλ／４板３０を回転させて、λ／４板３０の方位角βを変化させると、λ／４板３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを下記（１）式に従って変化させることができる。また、λ／２板２０の方位角αまたはλ／４板３０の方位角βを変化させると、光パルスＰ４のＣＥＰ（φ_CEP）を下記（２）式に従って変化させることができる。φ_CEP0はＣＥＰの初期値である。
θ＝β−４５° …(1)
φ_CEP＝２α−β−４５°＋φ_CEP0 …(2)

図３〜図５は、λ／４板３０の方位角βを各値に設定した場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。図３はβ＝０°の場合を示し、図４はβ＝４５°の場合を示し、図５はβ＝９０°の場合を示す。ここでは、α＝０°に固定した。これらの図は、光パルスの進行方向に直交する２軸をｘ軸およびｙ軸とし、時刻ｔにλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の振幅および方位を示す。これらの図に示されるように、λ／４板３０の方位角βの変化に従って、λ／４板３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θが変化する。

図６は、λ／２板２０の方位角αを各値に設定した場合にλ／４板３０から出力される光パルスＰ４の光電場の時間的変化を示す図である。α＝０°、４５°、９０°の各値とし、β＝４５°に固定した。破線は光パルスの振幅のエンベロープを示す。同図に示されるように、λ／２板２０の方位角αの変化に従って、λ／４板３０から出力される光パルスＰ４のＣＥＰが変化する。

このように、本実施形態では、λ／４板３０の方位角βの調整によって、λ／４板３０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを制御することができる。さらに、λ／４板３０の方位角βの調整に加えてλ／２板２０の方位角αの調整によって、光パルスＰ４のＣＥＰ（φ_CEP）を制御することができる。本実施形態では、光パルスＰ４のＣＥＰを制御するために波長板を回転させるだけでよいので、簡易な構成で容易に光パルスのＣＥＰを制御することができる。

なお、入力する光パルスＰ１の直線偏光の方位に対してλ／４板１０の高速軸が−４５°だけ傾いていてもよいし、また、λ／４板１０またはλ／４板３０に替えて３λ／４板を用いてもよい。これら何れの場合も、上記（１）式，（２）式の中の符号が異なるだけで、実質的には、入力する光パルスＰ１の直線偏光の方位に対してλ／４板１０の高速軸が４５°だけ傾いている上記の場合と等価である。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＣＥＰ制御装置２の構成を示す図である。このＣＥＰ制御装置２は、λ／４板１０Ａ、λ／２板２０およびλ／４板３０を備える。図１に示された第１実施形態のＣＥＰ制御装置１の構成と比較すると、図７に示される第２実施形態のＣＥＰ制御装置２は、λ／４板１０に替えてλ／４板１０Ａを円偏光パルス生成部として備える点で相違する。

図８は、λ／４板１０Ａの断面図である。同図に示されるλ／４板１０Ａは、入射面１１、出射面１２、全反射面１３ａ，１３ｂおよび保持面１４ａ〜１４ｄを有する。入射面１１と出射面１２とは互いに平行である。直線偏光の光パルスＰ１は入射面１１に垂直に入射する。入射面１１に入射した光パルスは、２つの全反射面１３ａ，１３ｂそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面１２から垂直に円偏光の光パルスＰ２が出射する。入射面１１に入射する光パルスＰ１と出射面１２から出射する光パルスＰ２とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にしてλ／４板１０Ａを回転させると、出射面１２から出射する光パルスＰ２の位置は変化する。保持面１４ａ〜１４ｄは、光パルスの入射，全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、λ／４板１０Ａの配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

ＣＥＰ制御装置２では、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心としてλ／４板１０Ａを回転させることができない。しかし、光パルスＰ１の直線偏光の方位に応じてλ／４板１０Ａの高速軸の方位を適切に固定することで、λ／４板１０Ａから円偏光の光パルスＰ２を出力することができる。

第１実施形態の構成と比較すると、回転できないλ／４板１０Ａを用いる第２実施形態のＣＥＰ制御装置２は、価格、入手性および操作性の点で好ましい。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態のＣＥＰ制御装置３の構成を示す図である。このＣＥＰ制御装置３は、λ／４板１０Ａ、λ／２板２０およびλ／４板３０Ａを備える。図７に示された第２実施形態のＣＥＰ制御装置２の構成と比較すると、図９に示される第３実施形態のＣＥＰ制御装置３は、λ／４板３０に替えてλ／４板３０Ａを備える点で相違する。

λ／４板３０Ａは、前述のλ／４板１０Ａと同様の構成を有する。λ／４板３０Ａにおいても、入射面に入射する光パルスＰ３と出射面から出射する光パルスＰ４とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にしてλ／４板３０Ａを回転させると、出射面から出射する光パルスＰ４の位置は変化する。

ＣＥＰ制御装置３では、光パルスＰ１の入力方向に平行な軸を中心としてλ／４板１０Ａを回転させることができないだけでなく、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心としてλ／４板３０Ａを回転させることができない。すなわち、λ／４板３０Ａの方位角βは、一定値とされ、例えば４５°に固定される。この場合、λ／４板３０Ａから出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θは、λ／４板１０Ａに入力される光パルスＰ１の直線偏光の方位角と一致する。

第２実施形態の構成と比較すると、回転できないλ／４板３０Ａを用いる第３実施形態のＣＥＰ制御装置３は、価格、入手性および操作性の点で更に好ましい。

（第４実施形態）
図１０は、第４実施形態のＣＥＰ制御装置４の構成を示す図である。ＣＥＰ制御装置４は、λ／４板１０およびλ／２板２０を備える。図１に示された第１実施形態のＣＥＰ制御装置１の構成と比較すると、図１０に示される第４実施形態のＣＥＰ制御装置４は、λ／４板３０を備えていない点で相違する。

第４実施形態では、ＣＥＰ制御装置４から出力されるのは、円偏光の光パルスＰ３である。λ／２板２０の方位角αの調整によって、光パルスＰ３のＣＥＰを制御することができる。なお、円偏光の光パルスの場合、ＣＥＰは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトルの方位で定義することができる。

図１１〜図１３は、λ／２板２０の方位角αを各値に設定した場合にλ／２板２０から出力される光パルスＰ３の光電場の時間的変化を示す図である。図１１はα＝０°の場合を示し、図１２はα＝４５°の場合を示し、図１３はα＝９０°の場合を示す。これらの図は、光パルスの進行方向に直交するする２軸をｘ軸およびｙ軸とし、時刻ｔにλ／２板２０から出力される光パルスＰ３の光電場の振幅および方位を示す。これらの図に示されるように、λ／２板２０の方位角αの変化に従って、λ／２板２０から出力される光パルスＰ３のＣＥＰが変化する。

（第５実施形態）
図１４は、第５実施形態のＣＥＰ制御装置５の構成を示す図である。ＣＥＰ制御装置５は、λ／４板１０、λ／２板２０および偏光子４０を備える。図１に示された第１実施形態のＣＥＰ制御装置１の構成と比較すると、図１４に示される第５実施形態のＣＥＰ制御装置５は、λ／４板３０に替えて偏光子４０を備える点で相違する。

偏光子４０は、λ／２板２０から出力された円偏光の光パルスＰ３を入力し、この光パルスＰ３の特定方位の直線偏光成分を光パルスＰ４として出力する。偏光子４０は、光パルスＰ３の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

入力する光パルスＰ１が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、λ／４板１０の高速軸が４５°だけ傾いているとし、λ／２板２０の高速軸がα°だけ傾いているとし、偏光子４０の光学軸の方位がβ°だけ傾いているとし、また、偏光子４０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。本実施形態では、θ＝βであり、偏光子４０の光学軸の方位角βを変化させると、偏光子４０から出力される光パルスＰ４の直線偏光の方位角θを変化させることができる。また、λ／２板２０の方位角αまたは偏光子４０の方位角βを変化させると、光パルスＰ４のＣＥＰを式（２）に従って変化させることができる。

本実施形態では、λ／４板と比べて安価でアライメントが容易である偏光子を用いるので、光パルスＰ４の直線偏光の方位角θおよびＣＥＰを高精度に制御することができる。また、光パルスが偏光子を通過する際の分散を小さくすることができる。

１〜５…ＣＥＰ制御装置、１０，１０Ａ…λ／４板（円偏光パルス生成部）、２０…λ／２板、３０，３０Ａ…λ／４板、４０…偏光子。

Claims (4)

1. 入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、
   前記円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを出力するλ／２板と、
   前記λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子と、
   を備えるＣＥＰ制御装置。
2. 前記偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記偏光子が回転自在である請求項１に記載のＣＥＰ制御装置。
3. 入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、前記円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力するλ／２板と、を用い、
   前記λ／２板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記λ／２板を回転自在とし、
   前記λ／２板の回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを前記λ／２板から出力し、
   前記λ／２板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子を更に用い、前記λ／２板の回転方位および前記偏光子の方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを前記偏光子から出力する、
   ＣＥＰ制御方法。
4. 前記偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記偏光子を回転自在とし、
   前記λ／２板の回転方位および前記偏光子の回転方位に応じたＣＥＰを有する光パルスを前記偏光子から出力する、
   請求項３に記載のＣＥＰ制御方法。

Images