JP7841726B2 - Measurement system and detector used in the measurement system - Google Patents

Measurement system and detector used in the measurement system

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JP7841726B2 JP2021090573A JP2021090573A JP7841726B2 JP 7841726 B2 JP7841726 B2 JP 7841726B2 JP 2021090573 A JP2021090573 A JP 2021090573A JP 2021090573 A JP2021090573 A JP 2021090573A JP 7841726 B2 JP7841726 B2 JP 7841726B2
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Description

本発明は、計測対象の時間分解計測を行う計測システム等に関する。 This invention relates to a measurement system, etc., for performing time-resolved measurement of a target object.

極めて短い時間内に生じる現象を計測する装置として、ストリークカメラが知られている。下記の非特許文献1には、ストリークカメラの動作原理が示されている。ストリークカメラは、被測定光をストリーク管の光電面に結像させて、その強度に応じた光電子を発生させ、これを加速電極によって加速して蛍光面に向けて移動させる。この際、ストリークカメラは、加速方向に垂直な掃引電界をかけることにより、光電子群を空間方向に位置分解する。そして、ストリークカメラは、この光電子群を蛍光面で光に変換し、この光の像をストリーク像として生成する。ストリークカメラの時間分解は極めて高く、例えば1ピコ秒の時間分解計測で光を計測できるものも存在する。 Streak cameras are known as devices for measuring phenomena that occur within extremely short timeframes. Non-Patent Document 1 below describes the operating principle of a streak camera. A streak camera focuses the light to be measured onto the photocathode of a streak tube, generating photoelectrons corresponding to its intensity. These photoelectrons are then accelerated by an accelerating electrode and moved towards the fluorescent screen. During this process, the streak camera applies a sweeping electric field perpendicular to the acceleration direction, spatially resolving the photoelectron cluster. The streak camera then converts this photoelectron cluster into light on the fluorescent screen, generating a streak image of this light. Streak cameras have extremely high time resolution; for example, some can measure light with a time resolution of 1 picosecond.

「動作原理 | ストリークカメラ | 浜松ホトニクス」[2020年5月19日検索]インターネット〈URL:https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/photometry-systems/streak-camera/operating-principle/index.html〉"Operating Principle | Streak Camera | Hamamatsu Photonics" [Accessed May 19, 2020] Internet <URL: https://www.hamamatsu.com/jp/ja/product/photometry-systems/streak-camera/operating-principle/index.html>

ストリークカメラは、上記のとおり被測定光をストリーク管の光電面に結像させる構成となっている。このため、ストリークカメラで計測可能な光の強度には制限があり、強度の高い光の計測にストリークカメラを適用することは難しい。 As described above, a streak camera is configured to focus the light to be measured onto the photocathode of a streak tube. Therefore, there are limitations to the light intensity that can be measured by a streak camera, making it difficult to apply to measuring high-intensity light.

本発明の一態様は、ストリークカメラでは計測が難しい高強度の光やレーザ等の種々の計測対象についても時間分解計測を行うことが可能な計測システム等を実現することを目的とする。 One aspect of the present invention aims to realize a measurement system that can perform time-resolved measurements of various measurement targets, such as high-intensity light and lasers, which are difficult to measure with streak cameras.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測システムは、計測対象の時間分解計測を行う計測システムであって、検出用レーザ出射装置と、ポッケルス素子と光ファイバとを備える検出器と、分析装置と、を含み、上記検出用レーザ出射装置は、波長が連続的に経時変化するパルスからなる直線偏光のレーザ光を出射し、上記計測対象は、上記検出器に入射して上記ポッケルス素子の周囲に電界を発生させ、上記光ファイバは、上記レーザ光を上記ポッケルス素子に導光すると共に、上記レーザ光が上記ポッケルス素子を透過した透過光を上記分析装置に導光し、上記分析装置は、上記透過光を波長と偏光状態に基づいて分析する。 To solve the above problems, a measurement system according to one aspect of the present invention is a measurement system for performing time-resolved measurement of a measurement target, comprising a detection laser emitter, a detector equipped with a Pockels element and an optical fiber, and an analysis device. The detection laser emitter emits linearly polarized laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time. The measurement target is incident on the detector, generating an electric field around the Pockels element. The optical fiber guides the laser light to the Pockels element and also guides the transmitted light, which has passed through the Pockels element, to the analysis device. The analysis device analyzes the transmitted light based on its wavelength and polarization state.

また、本発明の一態様に係る検出器は、計測対象の時間分解計測を行う計測システムで使用される検出器であって、ポッケルス素子と光ファイバとを備え、上記光ファイバは、波長が連続的に経時変化するパルスからなる直線偏光のレーザ光を上記ポッケルス素子に導光すると共に、当該レーザ光が上記ポッケルス素子を透過した透過光を、該透過光を波長と偏光状態に基づいて分析する分析装置に導光する。 Furthermore, a detector according to one aspect of the present invention is a detector used in a measurement system that performs time-resolved measurement of a measurement target, comprising a Pockels element and an optical fiber. The optical fiber guides linearly polarized laser light, consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time, to the Pockels element, and also guides the transmitted light, which has passed through the Pockels element, to an analytical device that analyzes the transmitted light based on its wavelength and polarization state.

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測システムは、計測対象の時間分解計測を行う計測システムであって、検出用レーザ出射装置と、光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備える検出器と、分析装置と、を含み、上記検出用レーザ出射装置は、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を出射し、上記光ファイバは、上記検出器に入射した上記計測対象により生じた電界により電気光学効果が発生した上記電気光学素子に上記レーザ光を導光すると共に、上記レーザ光が当該電気光学素子を透過した透過光を上記分析装置に導光し、上記分析装置は、上記透過光を波長に基づいて分析する。 To solve the above problems, a measurement system according to one aspect of the present invention is a measurement system for performing time-resolved measurement of a measurement target, and includes a detection laser emitter, a detector equipped with an optical fiber and an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an electric field, and an analysis device. The detection laser emitter emits laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time, the optical fiber guides the laser light to the electro-optic element where an electro-optic effect is generated by the electric field produced by the measurement target incident on the detector, and the transmitted light that has passed through the electro-optic element is guided to the analysis device, and the analysis device analyzes the transmitted light based on its wavelength.

また、本発明の一態様に係る検出器は、計測対象の時間分解計測を行う計測システムで使用される検出器であって、光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備え、上記光ファイバは、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を上記電気光学素子に導光すると共に、当該レーザ光が上記電気光学素子を透過した透過光の波長に基づいて分析する分析装置に導光する。 Furthermore, a detector according to one aspect of the present invention is a detector used in a measurement system that performs time-resolved measurement of a target to be measured, and comprises an optical fiber and an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an electric field. The optical fiber guides laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time to the electro-optic element, and also guides the laser light to an analytical device that analyzes the transmitted light after it has passed through the electro-optic element based on its wavelength.

本発明の一態様によれば、高強度の計測対象についても時間分解計測を行うことができる。 According to one aspect of the present invention, time-resolved measurement can be performed even for high-intensity measurement targets.

本発明の一実施形態に係る計測システムの構成例を示す図である。This figure shows an example configuration of a measurement system according to one embodiment of the present invention. 上記計測システムにおける計測原理と分析装置の構成例を示す図である。This figure shows the measurement principle and an example of the configuration of the analytical device in the above measurement system. 上記分析装置の他の構成例を示す図である。This figure shows another example configuration of the analytical device described above. 上記計測システムによる計測結果の出力例を示す図である。This figure shows an example of the output of measurement results from the above measurement system. 検出器の構成例を示す図である。This figure shows an example of a detector configuration. 上記計測システムによる検出感度と分解能を確認するためのシミュレーションについて説明する図である。This figure illustrates a simulation used to verify the detection sensitivity and resolution of the measurement system described above. グリップを備える検出器の構成例を示す図である。This figure shows an example of a detector configuration with a grip. 複数の検出器を備えた計測システムの構成例を示す図である。This figure shows an example configuration of a measurement system equipped with multiple detectors. 本発明の実施形態2に係る計測システムの概要を説明する図である。This figure illustrates an overview of a measurement system according to Embodiment 2 of the present invention. シュタルク効果を生じさせる電気光学素子の一例である光電ポリマーの構成と、その光吸収特性を示す図である。This figure shows the structure of a photoelectric polymer, an example of an electro-optic element that produces the Stark effect, and its light absorption characteristics. シュタルク効果を利用して超高速電子とX線の時間分解計測を行う実験に用いた計測システムの概略構成を示す図である。This diagram shows the schematic configuration of the measurement system used in an experiment to perform time-resolved measurements of ultrafast electrons and X-rays using the Stark effect. 図11に示すデータを用いて生成した、超高速電子とX線の強度の時系列変化を示す図である。This figure shows the time-series changes in the intensity of ultrafast electrons and X-rays, generated using the data shown in Figure 11.

〔実施形態1〕
〔システム構成〕
本発明の一実施形態に係る計測システムの構成を図1に基づいて説明する。図1は、計測システム1の構成例を示す図である。詳細は以下説明するが、計測システム1によれば、電磁波・電子・イオン・中性子・ガンマ線・X線・可視光等を1ピコ秒程度の超高時間分解能で計測することが可能である。このような計測は、例えば超短パルス現象を扱う科学研究や工業において非常に有用である。
[Embodiment 1]
[System Configuration]
The configuration of a measurement system according to one embodiment of the present invention will be described with reference to Figure 1. Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of the measurement system 1. As will be explained in detail below, the measurement system 1 makes it possible to measure electromagnetic waves, electrons, ions, neutrons, gamma rays, X-rays, visible light, etc., with an ultra-high time resolution of about 1 picosecond. Such measurements are extremely useful, for example, in scientific research and industry dealing with ultrashort pulse phenomena.

図1に示す計測システム1には、検出用レーザ出射装置11、ファイバサーキュレータ13、検出器15、および分析装置16が含まれている。また、検出用レーザ出射装置11には、レーザ発振器111と偏光子112が含まれており、検出器15には光ファイバ151が含まれている。 The measurement system 1 shown in Figure 1 includes a detection laser emitter 11, a fiber circulator 13, a detector 15, and an analysis device 16. The detection laser emitter 11 includes a laser oscillator 111 and a polarizer 112, and the detector 15 includes an optical fiber 151.

検出用レーザ出射装置11は、波長が連続的に経時変化するパルスからなる直線偏光のレーザ光を出射する。より詳細には、レーザ発振器111が、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を出射し、このレーザ光が偏光子112を透過することにより直線偏光となって、検出用レーザ出射装置11から出射される。 The detection laser emitter 11 emits linearly polarized laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time. More specifically, the laser oscillator 111 emits laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time, and this laser light becomes linearly polarized by passing through the polarizer 112 and is emitted from the detection laser emitter 11.

なお、波長が連続的に経時変化するパルスは、チャープパルスと呼ばれる。チャープパルスは、例えば、超短パルスレーザ光を回折格子からなる波長チャープ装置によってチャーピングすることにより得られる。以下、検出用レーザ出射装置11から出射されるレーザ光をチャープパルスレーザと呼ぶ。チャープパルスレーザは、検出器15で計測対象を検出するために用いられるレーザ光である。検出用レーザ出射装置11が出射するチャープパルスレーザは、ファイバサーキュレータ13に入射する。なお、偏光子112は、レーザ発振器111に内蔵されていてもよい。 A pulse whose wavelength continuously changes over time is called a chirp pulse. A chirp pulse can be obtained, for example, by chirpening an ultrashort pulse laser beam using a wavelength chirp device consisting of a diffraction grating. Hereinafter, the laser beam emitted from the detection laser emitter 11 will be referred to as a chirp pulse laser. The chirp pulse laser is used to detect the object to be measured by the detector 15. The chirp pulse laser emitted from the detection laser emitter 11 is incident on the fiber circulator 13. The polarizer 112 may be built into the laser oscillator 111.

ファイバサーキュレータ13は、検出用レーザ出射装置11が出射するチャープパルスレーザを検出器15に導光する。また、当該チャープパルスレーザは、検出器15の内部で反射して戻ってくるので、ファイバサーキュレータ13は、この戻り光を分析装置16に導光する。 The fiber circulator 13 guides the chirp pulse laser emitted by the detection laser emitter 11 to the detector 15. Furthermore, since the chirp pulse laser reflects back within the detector 15, the fiber circulator 13 guides this reflected light to the analysis device 16.

検出器15は、計測対象を検出するものである。図1には検出器15の構成を拡大図で示している。図示のように、検出器15は、光ファイバ151と、ポッケルス素子152と、反射板153と、コーティング部154とを備える。なお、図1では、光ファイバ151の端面とポッケルス素子152とを離して記載しているが、これらは密着した状態で固定される。ポッケルス素子152と反射板153についても同様である。 The detector 15 detects the object to be measured. Figure 1 shows an enlarged view of the detector 15's configuration. As shown in the figure, the detector 15 comprises an optical fiber 151, a Pockels element 152, a reflector 153, and a coating portion 154. Although Figure 1 shows the end face of the optical fiber 151 and the Pockels element 152 separated, they are fixed in close contact. The same applies to the Pockels element 152 and the reflector 153.

光ファイバ151は、チャープパルスレーザをポッケルス素子152に導光する。また、光ファイバ151は、チャープパルスレーザがポッケルス素子152を透過した透過光をファイバサーキュレータ13経由で分析装置16に導光する。光ファイバ151としては、その内部を通る光の偏光状態を変化させないシングルモードの光ファイバを用いる。 The optical fiber 151 guides the chirp-pulsed laser light to the Pockels element 152. The optical fiber 151 also guides the transmitted light from the chirp-pulsed laser, after it has passed through the Pockels element 152, to the analysis device 16 via the fiber circulator 13. A single-mode optical fiber, which does not change the polarization state of light passing through its interior, is used as the optical fiber 151.

ポッケルス素子152は、電界によりポッケルス効果が生じる素子である。ポッケルス効果とは、電界の印加により複屈折性が生じる現象であり、ポッケルス効果が生じたポッケルス素子152を光が透過すると、その偏光状態が変化する。ポッケルス素子152としては、例えば、DAST(4'-dimethylamino-N-metyl-4-stilbazolium tosylate)結晶等のように、電界の印加により複屈折性が生じる各種結晶を用いることができる。このような結晶はポッケルス結晶とも呼ばれる。 The Pockels element 152 is an element that exhibits the Pockels effect when an electric field is applied. The Pockels effect is a phenomenon in which birefringence occurs when an electric field is applied. When light passes through the Pockels element 152 exhibiting the Pockels effect, its polarization state changes. As the Pockels element 152, various crystals that exhibit birefringence when an electric field is applied can be used, such as DAST (4'-dimethylamino-N-metyl-4-stilbazolium tosylate) crystals. Such crystals are also called Pockels crystals.

反射板153は、光を反射するものである。反射板153は、ポッケルス素子152における図1の左右方向の2つの端面のうち、光ファイバ151が接続されている側の端面とは反対側の端面に接続されている。つまり、ポッケルス素子152は、反射板153と光ファイバ151の端面とに挟まれて配置されている。 The reflector 153 reflects light. The reflector 153 is connected to the end face of the Pockels element 152 opposite to the end face to which the optical fiber 151 is connected, as shown in Figure 1. In other words, the Pockels element 152 is positioned between the reflector 153 and the end face of the optical fiber 151.

このため、光ファイバ151からポッケルス素子152に入射するチャープパルスレーザは、ポッケルス素子152を透過して反射板153で反射し、再度ポッケルス素子152を透過して光ファイバ151に戻る。反射板153を設けることにより、ポッケルス素子152に入射したチャープパルスレーザの大部分を戻り光として光ファイバ151に戻すことができる。 Therefore, the chirp pulse laser incident from the optical fiber 151 to the Pockels element 152 passes through the Pockels element 152, is reflected by the reflector 153, and then passes through the Pockels element 152 again to return to the optical fiber 151. By providing the reflector 153, most of the chirp pulse laser incident on the Pockels element 152 can be returned to the optical fiber 151 as reflected light.

また、図1に示すように、反射板153は、計測対象とポッケルス素子152との間に位置しているから、計測対象がポッケルス素子152や光ファイバ151に入射することを防ぐ保護材としても機能する。計測システム1では、計測対象がポッケルス素子152や光ファイバ151に入射せず、それゆえ分析装置16にも入射しない。このため、例えば計測対象が大強度レーザのパルス等であっても、その強度により分析装置16等が損傷を受けることがない。 Furthermore, as shown in Figure 1, the reflector 153 is positioned between the measurement target and the Pockels element 152, and therefore also functions as a protective material to prevent the measurement target from entering the Pockels element 152 or the optical fiber 151. In the measurement system 1, the measurement target does not enter the Pockels element 152 or the optical fiber 151, and therefore does not enter the analysis device 16. For this reason, even if the measurement target is, for example, a high-intensity laser pulse, the analysis device 16 and other components will not be damaged by its intensity.

なお、反射板153を設けない場合でも、偏光レーザ光は、ポッケルス素子152の端面(光ファイバ151が接続されていない側の端面)で反射して光ファイバ151に戻る。このため、反射板153は省略することも可能である。 Furthermore, even without the reflector 153, the polarized laser light is reflected back to the optical fiber 151 by the end face of the Pockels element 152 (the end face on the side not connected to the optical fiber 151). Therefore, the reflector 153 can be omitted.

コーティング部154は、ポッケルス素子152および光ファイバ151の先端部を覆うように形成されている。コーティング部154を設けることは必須ではないが、計測感度の向上や検出器15の耐久性の向上のために、コーティング部154を設けることが好ましい。 The coating portion 154 is formed to cover the tip of the Pockels element 152 and the optical fiber 151. While providing the coating portion 154 is not essential, it is preferable to provide it to improve measurement sensitivity and the durability of the detector 15.

例えば、計測対象が光である場合、光を反射する金属などでコーティング部154を形成し、計測対象である光がポッケルス素子152や光ファイバ151に入射することを防ぐことが可能である。また、例えば、計測対象が中性子である場合に、電磁波を遮蔽するコーティング部154を形成して、中性子の測定に対する電磁波の影響を防いでもよい。このように、計測においてノイズとなるものをコーティング部154により遮蔽することにより、計測感度を向上させることができる。 For example, if the measurement target is light, a coating portion 154 can be formed using a light-reflecting metal or similar material to prevent the light being measured from entering the Pockels element 152 or optical fiber 151. Alternatively, if the measurement target is neutrons, a coating portion 154 that shields against electromagnetic waves can be formed to prevent the influence of electromagnetic waves on neutron measurement. In this way, by shielding against noise in the measurement using the coating portion 154, the measurement sensitivity can be improved.

分析装置16は、ポッケルス素子152を透過した透過光を波長と偏光状態に基づいて分析する。そして、コンピュータ17は、分析装置16の分析結果の出力や、分析結果に基づく演算等を行う。なお、分析装置16の詳細については後述する。 The analysis device 16 analyzes the transmitted light that has passed through the Pockels element 152 based on its wavelength and polarization state. The computer 17 then outputs the analysis results from the analysis device 16 and performs calculations based on those results. Details of the analysis device 16 will be described later.

〔計測原理と分析装置の構成例1〕
図2は、計測システム1における計測原理と分析装置16の構成例を示す図である。図2では、検出用レーザ出射装置11が出射するチャープパルスレーザを構成するチャープパルスをP1~P5で示している。チャープパルスP1~P5は波長がそれぞれ相違している。具体的には、チャープパルスP1が最も短波長であり、P5にかけて波長が順次長くなる。
[Measurement principle and example of analytical device configuration 1]
Figure 2 shows the measurement principle in the measurement system 1 and an example of the configuration of the analysis device 16. In Figure 2, the chirp pulses that make up the chirp pulse laser emitted by the detection laser emitter 11 are shown as P1 to P5. The chirp pulses P1 to P5 each have different wavelengths. Specifically, chirp pulse P1 has the shortest wavelength, and the wavelengths gradually increase from P5 onwards.

チャープパルスP1~P5は、光ファイバ151を通ってポッケルス素子152に入射する。そして、ポッケルス素子152に入射したチャープパルスP1~P5は、反射板153で反射して光ファイバ151に戻り、その後、分析装置16に入射する。 The chirp pulses P1 to P5 travel through the optical fiber 151 and enter the Pockels element 152. The chirp pulses P1 to P5 that enter the Pockels element 152 are then reflected by the reflector 153 and return to the optical fiber 151, after which they enter the analysis device 16.

ここで、チャープパルスP1~P5がポッケルス素子152を透過している期間中に、計測対象が反射板153に入射すると、その入射に起因してポッケルス素子152に電界が生じる。図2の例では、ポッケルス素子152の2つの端面のうち、反射板153が設けられている側の端面に負の電荷が生じ、これによりポッケルス素子152の他の端面との間に電界が発生している。 Here, when the object to be measured is incident on the reflector 153 during the period when chirp pulses P1 to P5 are passing through the Pockels element 152, an electric field is generated in the Pockels element 152 due to the incident. In the example in Figure 2, a negative charge is generated on the end face of the Pockels element 152 on the side where the reflector 153 is located, and this generates an electric field between it and the other end face of the Pockels element 152.

このようにして電界が発生すると、ポッケルス素子152にはポッケルス効果が生じる。このため、ポッケルス素子152を透過したチャープパルスP1~P5のうち、電界が発生している期間、すなわち計測対象が入射した期間に透過したものは偏光状態が変化する。具体的には、計測対象が入射した期間に入射したチャープパルスレーザは、直線偏光が楕円偏光に変わり、偏光軸が回転する。この偏光軸の回転角は電界強度に比例する。一方、その他の期間に透過したものは偏光状態が直線偏光のまま維持される。 When an electric field is generated in this way, the Pockels effect occurs in the Pockels element 152. Therefore, among the chirp pulses P1 to P5 that pass through the Pockels element 152, those transmitted during the period when the electric field is generated, i.e., the period when the object being measured was incident, undergo a change in polarization state. Specifically, the chirp pulse laser incident during the period when the object being measured was incident changes from linearly polarized to elliptically polarized, and its polarization axis rotates. This rotation angle of the polarization axis is proportional to the electric field strength. On the other hand, the polarization state of those transmitted during other periods remains linearly polarized.

ここで、電界が発生した後、ポッケルス効果が生じるまでにはタイムラグがあるが、そのタイムラグは10フェムト秒かそれ以下の極めて短い時間である。このため、チャープパルスレーザの偏光状態が変化した期間を、計測対象が入射した期間であるとみなすことにより、極めて高精度な時間分解計測が可能になる。 Here, there is a time lag between the generation of the electric field and the occurrence of the Pockels effect, but this time lag is extremely short, about 10 femtoseconds or less. Therefore, by considering the period during which the polarization state of the chirp pulse laser changes as the period during which the object being measured was incident, extremely high-precision time-resolved measurements become possible.

例えば、図2の例では、ポッケルス素子152を通過したチャープパルスP1~P5のうち、チャープパルスP3とP4のみが楕円偏光になっており、他は直線偏光のままである。このことから、チャープパルスP3とP4がポッケルス素子152を通過した期間を、計測対象が入射した期間であるとみなすことができる。 For example, in the example shown in Figure 2, of the chirp pulses P1 to P5 that passed through the Pockels element 152, only chirp pulses P3 and P4 are elliptically polarized, while the others remain linearly polarized. Therefore, the period during which chirp pulses P3 and P4 passed through the Pockels element 152 can be considered as the period during which the object being measured was incident.

図2に示す分析装置16は、偏光分離装置161と波長分光器162とを含む。また、波長分光器162は、波長分光カメラとも呼ばれるものであり、波長分光素子1621と、撮像素子1622とを含む。波長分光素子1621は、例えば回折格子であってもよい。また、撮像素子1622は、例えばCCD(Charge-Coupled Device)素子であってもよい。 The analytical apparatus 16 shown in Figure 2 includes a polarization separator 161 and a wavelength spectrometer 162. The wavelength spectrometer 162, also called a wavelength spectroscopic camera, includes a wavelength spectroscopic element 1621 and an image sensor 1622. The wavelength spectroscopic element 1621 may be, for example, a diffraction grating. The image sensor 1622 may be, for example, a CCD (Charge-Coupled Device) element.

偏光分離装置161は、ポッケルス素子152を通過した透過光に含まれるチャープパルスP1~P5のうち、偏光状態が変化した光成分であるチャープパルスP3とP4を透過させて波長分光器162に出射する。偏光分離装置161は、例えば、1/4波長板と偏光ビームスプリッタを含む構成としてもよい。 The polarization separator 161 transmits chirp pulses P3 and P4, which are the optical components with changed polarization states from the chirp pulses P1 to P5 contained in the transmitted light that has passed through the Pockels element 152, and outputs them to the wavelength spectrometer 162. The polarization separator 161 may, for example, include a quarter-wave plate and a polarization beam splitter.

ここで、偏光分離装置161から出射されたチャープパルスP3とP4は波長が異なる。このため、チャープパルスP3とP4は、波長分光素子1621の通過後には異なる方向に進み、撮像素子1622上で分離されて結像する。波長分光素子1621からの光の出射角度は、その光の波長に応じて定まるから、撮像素子1622における結像位置は、チャープパルスP3とP4の波長を示している。 Here, the chirp pulses P3 and P4 emitted from the polarization separator 161 have different wavelengths. Therefore, after passing through the wavelength spectrometer 1621, the chirp pulses P3 and P4 travel in different directions and are separated and imaged on the image sensor 1622. Since the emission angle of light from the wavelength spectrometer 1621 is determined according to the wavelength of that light, the image formation position on the image sensor 1622 indicates the wavelengths of the chirp pulses P3 and P4.

また、チャープパルスレーザにおいて、波長と時間は1対1に対応しているから、波長の変化はそのまま時間変化に読み替えることができる。よって、チャープパルスP3とP4の時間間隔は、撮像素子1622に結像したチャープパルスP3とP4の像の位置から特定することができる。このように、波長分光器162を用いることにより撮像素子1622に結像したチャープパルスの像の位置を特定することができ、特定した像の位置からポッケルス効果の時間変化を算出することができる。 Furthermore, in a chirp-pulsed laser, wavelength and time correspond one-to-one; therefore, a change in wavelength can be directly interpreted as a change in time. Thus, the time interval between chirp pulses P3 and P4 can be determined from the positions of the images of chirp pulses P3 and P4 formed on the image sensor 1622. In this way, by using the wavelength spectrometer 162, the positions of the chirp pulse images formed on the image sensor 1622 can be determined, and the time evolution of the Pockels effect can be calculated from the determined image positions.

また、計測システム1における時間分解能は極めて高いものである。例えば、検出用レーザ出射装置11が、パルス幅が0.1psのレーザを発振させ、チャーピングにより、100psのパルス幅間をかけて1ps/1nmで波長が変化する100nmのチャープパルスを発するとする。この場合、波長分光器162に1nmの分解能があれば、計測システム1の時間分解能は1psとなる。従来、ここまで高度な時間分解計測が可能な機器は、極めて高額なストリークカメラの最高性能製品のみであった。 Furthermore, the time resolution of the measurement system 1 is extremely high. For example, suppose the detection laser emitter 11 emits a laser with a pulse width of 0.1 ps, and through chirpening, generates a 100 nm chirp pulse where the wavelength changes at a rate of 1 ps/1 nm over a pulse width of 100 ps. In this case, if the wavelength spectrometer 162 has a resolution of 1 nm, the time resolution of the measurement system 1 becomes 1 ps. Previously, the only equipment capable of such high-level time-resolved measurement was the extremely expensive, top-of-the-line streak camera.

また、パルス幅間を100psから10psに変更すれば、0.1ps/1nmで波長が変化するチャープパルスとなるから、1nmの分解能の分光器を用いたときの計測システム1の時間分解能は0.1psとなる。このようなチャープパルスの変更は検出用レーザ出射装置11を調整することにより容易に実現できる。 Furthermore, by changing the pulse width from 100 ps to 10 ps, a chirp pulse with a wavelength change of 0.1 ps/1 nm is obtained. Therefore, the time resolution of the measurement system 1, when using a spectrometer with a resolution of 1 nm, becomes 0.1 ps. Such changes to the chirp pulse can be easily achieved by adjusting the detection laser emitter 11.

また、上述のように、ポッケルス素子152を透過する際の偏光軸の回転角は電界強度に比例する。また、ポッケルス素子152に生じる電界の強度は、計測対象である超短パルスの強度に比例する。よって、ポッケルス素子152を透過した透過光が偏光分離装置161に入射すると、計測対象の強度に応じた強度の光が偏光分離装置161から出射される。 Furthermore, as described above, the rotation angle of the polarization axis when light passes through the Pockels element 152 is proportional to the electric field strength. Also, the electric field strength generated in the Pockels element 152 is proportional to the intensity of the ultrashort pulse being measured. Therefore, when the transmitted light that has passed through the Pockels element 152 enters the polarization separator 161, light with an intensity corresponding to the intensity of the measured object is emitted from the polarization separator 161.

例えば、偏光分離装置161が1/4波長板を含む場合、偏光分離装置161から出射される光の強度は、偏光軸の回転角に比例する。また、例えば、偏光分離装置161が1/4波長板を含まず、例えば偏光子のみからなる場合、偏光分離装置161から出射される光の強度は、偏光軸の回転角の2乗に比例する。 For example, if the polarization separator 161 includes a quarter-wave plate, the intensity of the light emitted from the polarization separator 161 is proportional to the rotation angle of the polarization axis. Furthermore, if the polarization separator 161 does not include a quarter-wave plate and consists only of a polarizer, for example, the intensity of the light emitted from the polarization separator 161 is proportional to the square of the rotation angle of the polarization axis.

つまり、計測対象の強度によって、ポッケルス素子152を通過する際の偏光軸の回転角が決まり、偏光軸の回転角によって偏光分離装置161から出射される光の強度が決まる。よって、撮像素子1622にて結像する光の強度は、計測対象の強度を示すものとなる。 In other words, the rotation angle of the polarization axis as it passes through the Pockels element 152 is determined by the intensity of the object being measured, and the intensity of the light emitted from the polarization separator 161 is determined by the rotation angle of the polarization axis. Therefore, the intensity of the light imaged by the image sensor 1622 represents the intensity of the object being measured.

そして、計測対象のパルス幅と強度が計測できれば、その波形を導出することもできる。なお、計測対象のパルス幅や強度の算出ならびに波形の導出は、分析装置16で行う構成としてもよいし、コンピュータ17等の分析装置16以外の装置で行う構成としてもよい。 Furthermore, if the pulse width and intensity of the target object can be measured, the waveform can also be derived. Note that the calculation of the pulse width and intensity of the target object and the derivation of the waveform may be performed by the analysis device 16, or by a device other than the analysis device 16, such as a computer 17.

以上のように、計測システム1は、検出用レーザ出射装置11と、ポッケルス素子152と光ファイバ151とを備える検出器15と、分析装置16と、を含む。この検出用レーザ出射装置11は、波長が連続的に経時変化するパルスからなる直線偏光のレーザ光であるチャープパルスを出射する。また、計測対象は、検出器15に入射してポッケルス素子152の周囲に電界を発生させる。そして、光ファイバ151は、チャープパルスレーザをポッケルス素子152に導光すると共に、チャープパルスレーザがポッケルス素子152を透過した透過光を分析装置16に導光し、分析装置16は、上記透過光を波長と偏光状態に基づいて分析する。 As described above, the measurement system 1 includes a detection laser emitter 11, a detector 15 equipped with a Pockels element 152 and an optical fiber 151, and an analysis device 16. The detection laser emitter 11 emits chirp pulses, which are linearly polarized laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time. The object to be measured is incident on the detector 15, generating an electric field around the Pockels element 152. The optical fiber 151 guides the chirp pulse laser to the Pockels element 152 and also guides the transmitted light that has passed through the Pockels element 152 to the analysis device 16. The analysis device 16 analyzes the transmitted light based on its wavelength and polarization state.

上記の構成によれば、検出器15にポッケルス素子152が含まれている。このため、計測対象が検出器15に入射すると、その計測対象により発生する電界によりポッケルス素子152にポッケルス効果が生じる。そして、ポッケルス効果が生じると、ポッケルス素子152を透過する光の偏光状態が変化する。 According to the above configuration, the detector 15 includes a Pockels element 152. Therefore, when the object to be measured enters the detector 15, the electric field generated by the object causes the Pockels effect to occur in the Pockels element 152. When the Pockels effect occurs, the polarization state of the light passing through the Pockels element 152 changes.

ここで、ポッケルス素子152を透過する光は、チャープパルスレーザであるから、その波長が経時変化する。したがって、ポッケルス素子152を透過した透過光を波長と偏光状態に基づいて分析することにより、計測対象の計測が可能になる。 Here, since the light transmitted through the Pockels element 152 is a chirp-pulsed laser, its wavelength changes over time. Therefore, by analyzing the transmitted light that has passed through the Pockels element 152 based on its wavelength and polarization state, it becomes possible to measure the target object.

また、計測システム1は、計測対象が発生させたポッケルス効果による偏光状態の変化を検出するものであり、計測対象は分析装置16には入射しない。よって、計測システム1によれば、ストリークカメラでは計測が難しい高強度の光やレーザ等の種々の計測対象についても時間分解計測を行うことが可能である。 Furthermore, the measurement system 1 detects changes in polarization state caused by the Pockels effect generated by the object being measured, and the object being measured does not enter the analysis device 16. Therefore, the measurement system 1 makes it possible to perform time-resolved measurements of various objects, such as high-intensity light and lasers, which are difficult to measure with a streak camera.

なお、計測対象は、ポッケルス素子152に電界を発生させるものであればよく、例えば、電荷を有する粒子(電子、イオン等)等であってもよい。また、詳細は図5に基づいて後述するが、ガンマ線やX線等の電磁波、中性子、光等を計測対象とすることも可能である。 Furthermore, the measurement target can be anything that generates an electric field in the Pockels element 152, such as charged particles (electrons, ions, etc.). Also, as will be described in detail later based on Figure 5, it is possible to measure electromagnetic waves such as gamma rays and X-rays, neutrons, light, etc.

また、分析装置16は、透過光を波長と偏光状態に基づいて分析するものであればよく、計測システム1の用途に応じて様々な分析装置16を適用することができる。例えば、計測対象がレーザ光であれば、透過光の波長と偏光状態を分析して、当該レーザ光のパルス幅や波形等を示すデータを出力する分析装置16を適用してもよい。また、例えば、透過光の波長と偏光状態を分析して、計測対象が検出器15に入射したか否かを検出する分析装置16を適用してもよい。 Furthermore, the analysis device 16 only needs to analyze transmitted light based on its wavelength and polarization state, and various analysis devices 16 can be applied depending on the application of the measurement system 1. For example, if the measurement target is laser light, an analysis device 16 that analyzes the wavelength and polarization state of the transmitted light and outputs data indicating the pulse width and waveform of the laser light may be applied. Alternatively, for example, an analysis device 16 that analyzes the wavelength and polarization state of the transmitted light and detects whether or not the measurement target has entered the detector 15 may be applied.

さらに、上記の構成によれば、極限まで高速な時間分解計測が可能になる。これは、上述のように、ポッケルス素子に電界が発生してからポッケルス効果が現れるまでの時間遅れは10フェムト秒以下とも言われているためである。 Furthermore, the above configuration enables extremely high-speed time-resolved measurements. This is because, as mentioned above, the time delay between the generation of an electric field in the Pockels element and the appearance of the Pockels effect is said to be less than 10 femtoseconds.

その他の利点として、計測システム1は、ストリーク管のような高価な構成要素を備えておらず、それゆえストリークカメラと比べて著しく低コストでの製造が可能である点が挙げられる。また、検出器15は、計測システム1から取り外しが可能であり、取り換えも容易である。それゆえ、例えば検出器15を核融合プラズマに接触させて、レーザ核融合におけるX線・中性子・イオン・電子の時間発展を計測する、といった用途にも適用できる。この場合、計測ごとに検出器15を交換して使い捨てにすればよい。 Other advantages include the fact that the measurement system 1 does not have expensive components such as streak tubes, and therefore can be manufactured at a significantly lower cost compared to streak cameras. Furthermore, the detector 15 is detachable from the measurement system 1 and easily replaceable. Therefore, it can be applied to applications such as measuring the time evolution of X-rays, neutrons, ions, and electrons in laser fusion by bringing the detector 15 into contact with the fusion plasma. In this case, the detector 15 can be replaced and disposed of after each measurement.

また、以上のように、計測システム1で使用される検出器15は、ポッケルス素子152と光ファイバ151とを備えている。そして、光ファイバ151は、チャープパルスレーザをポッケルス素子152に導光すると共に、チャープパルスレーザがポッケルス素子152を透過した透過光を分析装置16に導光する。これにより、ストリークカメラでは計測が難しい高強度の光やレーザ等の種々の計測対象についても時間分解計測を行うことが可能になる。さらに、光ファイバ151は、軽量で嵩張らず、ポッケルス素子152も光ファイバ151の直径と同程度の幅を有するもので十分であるから、検出器15全体のサイズを極めて小型・軽量なものとすることが可能である。 Furthermore, as described above, the detector 15 used in the measurement system 1 comprises a Pockels element 152 and an optical fiber 151. The optical fiber 151 guides the chirp pulse laser to the Pockels element 152 and also guides the transmitted light from the chirp pulse laser through the Pockels element 152 to the analysis device 16. This makes it possible to perform time-resolved measurements of various measurement targets, such as high-intensity light and lasers, which are difficult to measure with a streak camera. Moreover, since the optical fiber 151 is lightweight and compact, and the Pockels element 152 only needs to have a width approximately the same as the diameter of the optical fiber 151, the overall size of the detector 15 can be made extremely small and lightweight.

〔分析装置の構成例2〕
図3は、分析装置16の他の構成例を示す図である。図3に示す分析装置16aは、1/4波長板161aと、偏光ビームスプリッタ162aと、波長分光器163aとを備えている。
[Example of analytical device configuration 2]
Figure 3 shows another example of the configuration of the analytical apparatus 16. The analytical apparatus 16a shown in Figure 3 includes a quarter-wave plate 161a, a polarizing beam splitter 162a, and a wavelength spectrometer 163a.

ポッケルス素子152を透過した透過光は、まず1/4波長板161aに入射する。この透過光は、偏光軸が45°回転して1/4波長板161aから出射される。1/4波長板161aは必須ではないが、1/4波長板161aを設けることにより検出感度を高めることができる。 The transmitted light that passes through the Pockels element 152 first enters the quarter-wave plate 161a. This transmitted light is then emitted from the quarter-wave plate 161a after its polarization axis is rotated by 45°. While the quarter-wave plate 161a is not essential, its inclusion can improve detection sensitivity.

1/4波長板161aからの出射光は、偏光ビームスプリッタ162aに入射し、偏光ビームスプリッタ162aにより水平偏光成分と垂直偏光成分とに分割される。そして、水平偏光成分は、波長分光器163aの水平偏光チャンネルに入力され、垂直偏光成分は、波長分光器163aの垂直偏光チャンネルに入力される。 The light emitted from the quarter-wave plate 161a is incident on the polarizing beam splitter 162a, where it is split into horizontally polarized and vertically polarized components. The horizontally polarized component is then input to the horizontal polarization channel of the wavelength spectrometer 163a, and the vertically polarized component is input to the vertical polarization channel of the wavelength spectrometer 163a.

波長分光器163aの水平偏光チャンネルに入力された入力された水平偏光成分は、波長分光器163a内の光学系によりその波長に基づいて分光され、CCD素子等の撮像素子における当該垂直偏光成分の波長に応じた位置に結像する。同様に、波長分光器163aの垂直偏光チャンネルに入力された垂直偏光成分も、撮像素子における当該垂直偏光成分の波長に応じた位置に結像する。なお、垂直偏光成分を結像させる撮像素子と、水平偏光成分を結像させる撮像素子は、1つの撮像装置が備えるものであってもよいし、個別の撮像装置が備えるものであってもよい。 The horizontal polarization component input to the horizontal polarization channel of the wavelength spectrometer 163a is spectrally analyzed by the optical system within the wavelength spectrometer 163a based on its wavelength, and imaged at a position on the image sensor, such as a CCD element, corresponding to the wavelength of the vertical polarization component. Similarly, the vertical polarization component input to the vertical polarization channel of the wavelength spectrometer 163a is also imaged at a position on the image sensor corresponding to the wavelength of the vertical polarization component. Note that the image sensor for imaging the vertical polarization component and the image sensor for imaging the horizontal polarization component may be provided by a single imaging device, or by separate imaging devices.

このように、分析装置16aでは、ポッケルス素子152を透過した透過光に対し、1/4波長板161aで偏光制御した上で、偏光ビームスプリッタ162aによって得た2つの直交する偏光成分の信号を検出する。この場合、2つの直交する偏光成分の信号の差分を算出することにより、ノイズ成分を打ち消すことができるので、計測精度を高めることができる。なお、このような演算は、分析装置16で行う構成としてもよいし、コンピュータ17等の分析装置16以外の装置で行う構成としてもよい。 Thus, in the analysis device 16a, the transmitted light that has passed through the Pockels element 152 is polarized using the quarter-wave plate 161a, and then the signals of two orthogonal polarization components obtained by the polarization beam splitter 162a are detected. In this case, by calculating the difference between the two orthogonal polarization component signals, noise components can be canceled out, thereby improving measurement accuracy. This calculation may be performed by the analysis device 16, or it may be performed by a device other than the analysis device 16, such as a computer 17.

〔計測結果の出力例〕
図4は、計測システム1による計測結果の出力例を示す図である。図3に示した分析装置16aは、分析結果を図4に401で示すような画像として出力してもよい。画像401において、左右方向が波長を示し、輝度値が強度を示している。また、画像401では、垂直偏光チャンネルに入力された光についての計測結果と、水平偏光チャンネルに入力された光についての計測結果とを上下方向に並べて示している。
[Example of measurement result output]
Figure 4 shows an example of the output of measurement results by the measurement system 1. The analyzer 16a shown in Figure 3 may output the analysis results as an image as shown in Figure 401. In image 401, the left-right direction represents wavelength, and the brightness value represents intensity. In addition, in image 401, the measurement results for light input to the vertical polarization channel and the measurement results for light input to the horizontal polarization channel are shown side by side in the vertical direction.

画像401からわかるように、垂直偏光チャンネルに入力された光と、水平偏光チャンネルに入力された光の何れにおいても、同様の波長帯において輝度値に変化が見られる。これは、チャープパルスレーザを構成するチャープパルスのうち、この波長帯のチャープパルスの偏光状態が変化したことを示している。 As can be seen from Image 401, changes in brightness values are observed in the same wavelength range for both the light input to the vertical polarization channel and the light input to the horizontal polarization channel. This indicates that the polarization state of the chirp pulses in this wavelength range, which constitute the chirp pulse laser, has changed.

また、画像401のようなデータから、図4に402で示すようなグラフを生成し、これを計測結果として出力してもよい。グラフ402は、横軸を時間、縦軸を強度としたグラフである。 Alternatively, a graph like the one shown in Figure 402 may be generated from data such as that in Image 401, and this graph may be output as the measurement result. Graph 402 is a graph with time on the horizontal axis and intensity on the vertical axis.

上述のように、画像401における左右方向は波長を示しており、チャープパルスレーザを構成するパルスの波長は経時変化する。このため、画像401における左右方向の位置を時間に換算し、輝度値を強度に換算することにより、横軸を時間、縦軸を強度として計測対象の波形を示す402のようなグラフを生成することができる。 As described above, the left-right direction in image 401 represents wavelength, and the wavelength of the pulses constituting the chirp pulse laser changes over time. Therefore, by converting the left-right position in image 401 to time and the brightness value to intensity, a graph like 402 can be generated, showing the waveform of the measured object with time on the horizontal axis and intensity on the vertical axis.

グラフ402は、ポッケルス素子152としてDAST結晶を用い、このDAST結晶にレーザ光を照射したときに発生するテラヘルツの電波を計測する実験の結果を示している。 Graph 402 shows the results of an experiment in which a DAST crystal was used as the Pockels element 152, and terahertz radio waves generated when this DAST crystal was irradiated with laser light were measured.

この実験では、レーザ装置から発振されたレーザ光を2分割し、その一方をチャープパルスレーザとし、他方をDAST結晶に入射させた。DAST結晶にレーザ光が入射することにより、当該DAST結晶からテラヘルツ電波が発生する。そして、このテラヘルツ電波により当該DAST結晶が複屈折性を示す状態となり、この状態変化がDAST結晶を透過するチャープパルスレーザの一部の波長のパルスの偏光状態を変化させる。この変化を分析装置16aで検出し、この検出結果に基づいてグラフ402を作成した。 In this experiment, the laser beam emitted from the laser device was split into two; one beam was used as a chirp pulsed laser, and the other was incident on a DAST crystal. When the laser beam is incident on the DAST crystal, terahertz radio waves are generated from the crystal. These terahertz radio waves cause the DAST crystal to exhibit birefringence, and this change in state alters the polarization state of pulses at certain wavelengths of the chirp pulsed laser that passes through the DAST crystal. This change was detected by the analysis device 16a, and graph 402 was created based on the detection results.

図4に示すグラフ402には、上記のようにして計測したテラヘルツ電波の信号波形に加え、この計測における限界分解能と、検出用レーザの波形についても示している。この実験で用いた検出用レーザの波長幅が8nmであったため、時間分解能は90ps(11GHz)程度が限界であったが、より波長幅の広いレーザを用いれば時間分解能をさらに向上させることができる。 Graph 402 in Figure 4 shows the signal waveform of the terahertz radio waves measured as described above, as well as the limiting resolution in this measurement and the waveform of the detection laser. Because the wavelength width of the detection laser used in this experiment was 8 nm, the time resolution was limited to approximately 90 ps (11 GHz). However, the time resolution can be further improved by using a laser with a wider wavelength width.

〔検出器の構成例〕
図5は、検出器15の構成例を示す図である。図5に示す検出器15aは、図1に示した検出器15と比べて、反射板153の外側(反射板153を挟んでポッケルス素子152の反対側)に電子変換材155が設けられている点で相違している。
[Example of detector configuration]
Figure 5 shows an example of the configuration of the detector 15. The detector 15a shown in Figure 5 differs from the detector 15 shown in Figure 1 in that the electron conversion material 155 is provided on the outside of the reflector 153 (on the opposite side of the Pockels element 152, with the reflector 153 in between).

電子変換材155は、入射した光を電子に変換する。より詳細には、電子変換材155は、光が入射したときにその強度に応じた数の電子を放出する。このため、光が電子変換材155に入射すると、その電子変換材155から電子が放出され、放出された電子によって発生する電界により、ポッケルス素子152にポッケルス効果が生じる。したがって、電子変換材155を含む検出器15aを用いれば、計測対象を光として計測を行うことができる。例えば可視光の計測も可能である。 The electron conversion material 155 converts incident light into electrons. More specifically, the electron conversion material 155 emits a number of electrons corresponding to the intensity of the incident light. Therefore, when light strikes the electron conversion material 155, electrons are emitted from it, and the electric field generated by these emitted electrons causes the Pockels effect in the Pockels element 152. Consequently, by using a detector 15a containing the electron conversion material 155, measurements can be performed using light as the object being measured. For example, visible light can also be measured.

また同様に、例えば高エネルギーX線等の電磁波を電子に変換する電子変換材を用いて、そのような電磁波の計測を行うこともできる。この場合、例えば金などの高Z材を電子変換材として用いればよい。なお、電子変換材155は、電子変換材155が放出する電子によりポッケルス素子152にポッケルス効果が生じるような位置および範囲に配置すればよい。例えば、コーティング部154の一部を電子変換材155としてもよい。 Similarly, electromagnetic waves, such as high-energy X-rays, can also be measured using an electron conversion material that converts them into electrons. In this case, a high-Z material such as gold can be used as the electron conversion material. The electron conversion material 155 should be positioned and placed in a range such that the electrons emitted by the electron conversion material 155 cause the Pockels effect in the Pockels element 152. For example, a portion of the coating 154 may be made of the electron conversion material 155.

また、図5に示す検出器15bは、検出器15aと比べて、電子変換材155の代わりに陽子変換材156が設けられている点で相違している。陽子変換材156は、入射した中性子を陽子に変換する。より詳細には、陽子変換材156は、中性子が入射したときにその強度に応じた数の陽子を放出する。このため、中性子が陽子変換材156に入射すると、その陽子変換材156から陽子が放出され、放出された陽子によって発生する電界により、ポッケルス素子152にポッケルス効果が生じる。したがって、陽子変換材156を含む検出器15bを用いれば、計測対象を中性子線として計測を行うことができる。 Furthermore, the detector 15b shown in Figure 5 differs from detector 15a in that it is equipped with a proton conversion material 156 instead of an electron conversion material 155. The proton conversion material 156 converts incident neutrons into protons. More specifically, the proton conversion material 156 emits a number of protons corresponding to the intensity of the neutrons incident on it. Therefore, when neutrons are incident on the proton conversion material 156, protons are emitted from it, and the electric field generated by these emitted protons causes the Pockels effect in the Pockels element 152. Thus, by using detector 15b, which includes the proton conversion material 156, the measurement target can be measured as neutron beams.

陽子変換材156は、中性子を陽子に変換するものであればよく、例えばプラスチックを陽子変換材156として用いてもよい。また、陽子変換材156は、陽子変換材156が放出する陽子によりポッケルス素子152にポッケルス効果が生じるような位置および範囲に配置すればよい。例えば、コーティング部154の一部を陽子変換材156としてもよい。このように、検出器15の構成を変更することにより、計測対象の幅を広げることができる。 The proton conversion material 156 can be any material that converts neutrons into protons; for example, plastic may be used as the proton conversion material 156. Furthermore, the proton conversion material 156 should be positioned and placed in a range such that the protons emitted by the proton conversion material 156 cause the Pockels effect in the Pockels element 152. For example, a portion of the coating 154 may be made of the proton conversion material 156. In this way, by changing the configuration of the detector 15, the range of objects that can be measured can be broadened.

また、図5に示す検出器15cは、光ファイバ151のコアの端部がポッケルス素子152cとなったものである。このようなポッケルス素子152cは、光ファイバ151のガラス製のコアをポーリング処理(より詳細にはガラスポーリング処理)することにより生成することができる。このような検出器15cは、製造の際にポッケルス結晶の微細加工や光ファイバ151への貼り付け等を行う必要がなく、加工の手間や材料費を抑えることができる。また、ポッケルス素子152cの大きさ(長さ)も容易に調整することができる。ただし、検出感度を向上させたい場合には、検出器15、15a、15bのように、ポッケルス素子152を光ファイバ151に貼り付けた構成とすることが好ましい。 Furthermore, the detector 15c shown in Figure 5 has a Pockels element 152c at the end of the core of the optical fiber 151. Such a Pockels element 152c can be produced by polling (more specifically, glass polling) the glass core of the optical fiber 151. Such a detector 15c does not require microfabrication of Pockels crystals or attachment to the optical fiber 151 during manufacturing, thus reducing processing time and material costs. Also, the size (length) of the Pockels element 152c can be easily adjusted. However, if detection sensitivity is to be improved, it is preferable to have a configuration in which the Pockels element 152 is attached to the optical fiber 151, as shown in detectors 15, 15a, and 15b.

〔検出感度と分解能について〕
計測システム1の検出感度と分解能を確認するためのシミュレーション計算を行った。この結果について、図6に基づいて説明する。図6は、計測システム1による検出感度と分解能を確認するためのシミュレーションについて説明する図である。
[Regarding detection sensitivity and resolution]
A simulation was performed to verify the detection sensitivity and resolution of measurement system 1. The results will be explained based on Figure 6. Figure 6 is a diagram illustrating the simulation used to verify the detection sensitivity and resolution of measurement system 1.

ここでは、計測対象が超短パルスレーザダイオード発振器の発振するレーザパルスであり、そのパルス幅を計測するとする。光ファイバ151の片面にフォトカソード18を形成し、ここに上記レーザパルスを照射する。フォトカソード18は、レーザパルスの照射により光電子を放出するので、この光電子によりポッケルス効果が生じる。フォトカソード18は、例えばバイアルカリ金属を光ファイバ151の表面に蒸着することにより形成することができる。 Here, the measurement target is assumed to be the laser pulse oscillated by an ultrashort pulse laser diode oscillator, and its pulse width is to be measured. A photocathode 18 is formed on one side of an optical fiber 151, and the laser pulse is irradiated onto it. The photocathode 18 emits photoelectrons upon irradiation with the laser pulse, and these photoelectrons cause the Pockels effect. The photocathode 18 can be formed, for example, by depositing a bialkali metal onto the surface of the optical fiber 151.

また、検出器15としては図5に示した検出器15cを用いるとする。そして、検出器15cにおけるポッケルス素子152cの長さをL、光ファイバ151の直径をDとする。 Furthermore, the detector 15c shown in Figure 5 will be used as the detector 15. The length of the Pockels element 152c in the detector 15c will be L, and the diameter of the optical fiber 151 will be D.

ここで、紫外線ポーリングにより生成されたポッケルス素子の半波長電圧は100V/cmであることが分かっている。これは、100Vの電圧を印加したポッケルス素子にレーザ光を入射させると、そのレーザ光がポッケルス素子中を1cm進む間に、偏光軸が90°回転することを意味する。偏光軸の回転角が0~90°の範囲内であれば、偏光分離装置161を通過した光(信号)の変化を0~1の範囲とすることができるので、偏光計測に適切であるといえる。 Here, it is known that the half-wavelength voltage of the Pockels element generated by ultraviolet poling is 100 V/cm. This means that when laser light is incident on a Pockels element to which a voltage of 100 V is applied, the polarization axis rotates by 90° while the laser light travels 1 cm through the Pockels element. If the rotation angle of the polarization axis is within the range of 0 to 90°, the change in light (signal) that has passed through the polarization separator 161 can be within the range of 0 to 1, making it suitable for polarization measurement.

フォトカソード18にレーザを照射すると、その強度に応じた数の光電子がフォトカソード18から発生する。例えば、エネルギー1nJ、パルス幅10psのレーザを照射した場合、2.5×10個のフォトンがフォトカソード18に当たる。この場合、フォトカソード18の光電子量子効率を20%とすると、全パルス幅合計で5×10個の光電子がフォトカソード18から発生する。 When a laser is shone onto the photocathode 18, a number of photoelectrons corresponding to the laser intensity are generated from the photocathode 18. For example, when a laser with an energy of 1 nJ and a pulse width of 10 ps is shone, 2.5 × 10⁹ photons hit the photocathode 18. In this case, assuming a photoelectron quantum efficiency of 20% for the photocathode 18, a total of 5 × 10⁸ photoelectrons are generated from the photocathode 18 across the entire pulse width.

図6には、フォトカソード18から光電子が発生した状態を簡易モデル化したモデルM1を示している。モデルM1に示すように、フォトカソード18から光電子が発生することにより、フォトカソード18と、光ファイバ151におけるポッケルス素子152cを挟んでフォトカソード18の反対側の面とにより、コンデンサが形成される。このコンデンサの電極面積はD×Lであり、電極ギャップはDである。 Figure 6 shows Model M1, a simplified model of the state in which photoelectrons are generated from the photocathode 18. As shown in Model M1, the generation of photoelectrons from the photocathode 18 forms a capacitor between the photocathode 18 and the opposite side of the Pockels element 152c in the optical fiber 151. The electrode area of this capacitor is D × L, and the electrode gap is D.

例えば、D=125μm、L=100μm、上記コンデンサの比誘電率が3であるとすれば、上記コンデンサの一電極であるフォトカソード18には、5×10個の電子が溜り、このコンデンサの電圧は1500Vとなる。図6には、この電圧の経時変化を表したグラフについても示している。 For example, if D = 125 μm, L = 100 μm, and the relative permittivity of the capacitor is 3, then 5 × 10⁸ electrons will accumulate on the photocathode 18, which is one electrode of the capacitor, and the voltage of this capacitor will be 1500 V. Figure 6 also shows a graph illustrating the change in this voltage over time.

また、偏光軸の回転角は、電圧と光路長の積で算出される。チャープパルスレーザは、ポッケルス素子152c中を一往復するため、チャープパルスレーザがポッケルス素子152c中を通過する光路長は2×Lとなる。よって、L=100μmとすれば光路長は200μm(0.02cm)である。 Furthermore, the rotation angle of the polarization axis is calculated by the product of the voltage and the optical path length. Since the chirp pulse laser makes one round trip through the Pockels element 152c, the optical path length through which the chirp pulse laser passes is 2 × L. Therefore, if L = 100 μm, the optical path length is 200 μm (0.02 cm).

このため、コンデンサの電圧が1500Vであれば、偏光軸の回転角は、1500V×0.02cm=30Vcmとなる。上述のように、ポッケルス素子152cの半波長電圧は100V/cmであり、100Vであれば1cmで偏光軸の回転角は90°回転すると期待されるので、30Vcmの場合の回転角は27°程度と予測される。したがって、今回シミュレーションした程度のレーザパルスであれば、計測システム1により十分検出可能であることが分かる。 Therefore, if the capacitor voltage is 1500V, the rotation angle of the polarization axis will be 1500V × 0.02cm = 30Vcm. As mentioned above, the half-wavelength voltage of the Pockels element 152c is 100V/cm, and at 100V, the rotation angle of the polarization axis is expected to rotate 90° for every 1cm. Therefore, the rotation angle at 30Vcm is predicted to be approximately 27°. Thus, it can be seen that laser pulses of the magnitude simulated in this study are sufficiently detectable by the measurement system 1.

また、計測システム1の時間分解能は、チャープパルスレーザのパルス幅の設定と、使用するポッケルス素子の厚さに依存する。例えば、上記シミュレーションに係る長さ0.1mmのポッケルス素子152cの場合、チャープパルスレーザがポッケルス素子152c内を往復する時間である1psの分解能となる。 Furthermore, the time resolution of the measurement system 1 depends on the pulse width setting of the chirp pulse laser and the thickness of the Pockels element used. For example, in the case of a Pockels element 152c with a length of 0.1 mm as used in the above simulation, the resolution is 1 ps, which is the time it takes for the chirp pulse laser to travel back and forth within the Pockels element 152c.

1psの時間分解能をもつ計測システム1でパルス幅が10psのレーザパルスを測定した場合、得られる信号のパルス幅は、√(10+1)の関係から、10.1psになると予想される。この程度の差は、パルス幅計測において誤差として無視することができる。図6の下側に示すグラフは計算予測に基づいて作成したものであり、このグラフは、横軸を時間、縦軸をポッケルス結晶に発生する電場として、当該電場の時間変化を示している。 When a laser pulse with a pulse width of 10 ps is measured using measurement system 1, which has a time resolution of 1 ps, the pulse width of the resulting signal is expected to be 10.1 ps, based on the relationship √( 10² + ). This degree of difference can be ignored as an error in pulse width measurement. The graph shown at the bottom of Figure 6 was created based on the calculation prediction, and this graph shows the time evolution of the electric field generated in the Pockels crystal, with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the electric field.

〔検出器の付属構成〕
計測システム1によれば、広帯域高精度の電磁波計測も可能となる。例えば、高度情報化科学の進展により、モバイル・通信機器で用いられる電磁波の高周波数化が進んでおり、将来的にはTHzの領域の電磁波まで利用することが視野に入りつつある。1THzは繰り返し周期が1psであるから、計測システム1を用いれば1THzの電磁波も計測することができる。
[Detector component configuration]
Measurement system 1 enables broadband, high-precision electromagnetic wave measurement. For example, advances in advanced information science are leading to higher frequencies of electromagnetic waves used in mobile and communication devices, and in the future, the use of electromagnetic waves in the THz range is becoming a possibility. Since 1 THz has a repetition period of 1 ps, measurement system 1 can also be used to measure 1 THz electromagnetic waves.

計測システム1では、検出器15が光ファイバ151の先端に設けられていることから、検出器15の取り回しがしやすい。例えば、計測システム1によれば、モバイル機器の通信ユニットに検出器15を近づけて、当該通信ユニットが発する電磁波の波形を計測すること等も容易である。 In measurement system 1, since the detector 15 is located at the tip of the optical fiber 151, the detector 15 is easy to handle. For example, with measurement system 1, it is easy to bring the detector 15 close to the communication unit of a mobile device and measure the waveform of the electromagnetic waves emitted by the communication unit.

また、検出器15にグリップを設けることにより、計測システム1の使用性をさらに向上させることができる。これについて図7に基づいて説明する。図7は、グリップ20を備える検出器15の構成例を示す図である。 Furthermore, by providing a grip on the detector 15, the usability of the measurement system 1 can be further improved. This will be explained with reference to Figure 7. Figure 7 shows an example configuration of the detector 15 equipped with a grip 20.

グリップ20は、その先端にかけて縮径する円筒状の形状であり、ペンのような形状である。グリップ20の中心部が空洞になっており、この空洞に光ファイバ151が挿通されている。光ファイバ151は、ポッケルス素子152がグリップ20の先端付近に位置するように、上記空洞内で固定されている。 The grip 20 has a cylindrical shape that tapers towards the tip, resembling a pen. The center of the grip 20 is hollow, and the optical fiber 151 is inserted through this hollow. The optical fiber 151 is fixed within the hollow so that the Pockels element 152 is located near the tip of the grip 20.

このようなグリップ20を設けることにより、計測システム1の使用者が検出器15を安定して保持することができると共に、計測対象の電磁波の発生源にポッケルス素子152を容易に接近させることができる。例えば、モバイル装置が備える小型の通信ユニットが発する電磁波の波形を、その通信ユニットからごく近い位置で計測するといった繊細な作業も、グリップ20を備えた検出器15であれば容易に行うことができる。 By providing such a grip 20, the user of the measurement system 1 can stably hold the detector 15, and the Pockels element 152 can be easily brought close to the source of the electromagnetic waves to be measured. For example, delicate tasks such as measuring the waveform of electromagnetic waves emitted by a small communication unit in a mobile device at a very close distance to the communication unit can be easily performed with the detector 15 equipped with the grip 20.

〔空間分解時間変化計測〕
計測システム1では、複数の検出器15を用いて多チャンネル同時計測を行うこともでき、これにより空間分解時間変化計測が実現できる。これについて、図8に基づいて説明する。図8は、複数の検出器15を備えた計測システム1aの構成例を示す図である。なお、計測システム1aには、計測システム1と同様に検出用レーザ出射装置11やファイバサーキュレータ13等も含まれているが図8では省略している。
[Spatial resolution time change measurement]
Measurement system 1 can perform multi-channel simultaneous measurement using multiple detectors 15, thereby enabling spatially resolved time-varying measurement. This will be explained with reference to Figure 8. Figure 8 shows an example configuration of measurement system 1a equipped with multiple detectors 15. Note that measurement system 1a also includes a detection laser emitter 11 and a fiber circulator 13, similar to measurement system 1, but these are omitted in Figure 8.

計測システム1aは、計測システム1と比べて、検出器15を複数含む点、および画像生成装置30を含む点で相違している。空間分解計測を実現するため、複数の光ファイバ151は束ねられており、それらの先端に設けられた検出器15の相対的な配置が固定されている。 Measurement system 1a differs from measurement system 1 in that it includes multiple detectors 15 and an image generation device 30. To achieve spatially resolved measurement, multiple optical fibers 151 are bundled together, and the relative arrangement of the detectors 15 at their ends is fixed.

図8の例では、検出器15の正面で非一様な空間パターンをもち、場所ごとに時間波形が異なるレーザを計測する場合を想定する。このパターンは、具体的には「ILE」の3文字のパターンである。 In the example shown in Figure 8, we assume a scenario where a laser with a non-uniform spatial pattern in front of the detector 15, where the time waveform differs at each location, is being measured. Specifically, this pattern is the three letters "ILE".

このパターンを計測するのが複数の検出器15である。図8の例では、50本の光ファイバ151が束ねられている。そして、図8において、検出器15を正面から見た様子を模式的に示しているように、各光ファイバ151の先端部に設けられた計50個のポッケルス素子152が、同一平面上に5行(1行~5行)×10列(A列~J列)に並ぶ配置で固定されている。 Multiple detectors 15 measure this pattern. In the example shown in Figure 8, 50 optical fibers 151 are bundled together. As schematically shown in Figure 8, which depicts the detector 15 viewed from the front, a total of 50 Pockels elements 152, each attached to the tip of one optical fiber 151, are fixed in an arrangement of 5 rows (rows 1 to 5) x 10 columns (columns A to J) on the same plane.

この5×10の2次元配列を、分析装置16の手前で1×50の1次元配列に並べ替え、1×50の計測結果(1行-A列~5行-J列の計測結果)の時間変化を分析装置16が記録する。そして、画像生成装置30において、上記計測結果を5×10の2次元配列に並べ直す。これにより、空間分解時間変化を記録することができる。 This 5x10 two-dimensional array is rearranged into a 1x50 one-dimensional array before reaching the analysis device 16. The analysis device 16 then records the time changes of the 1x50 measurement results (measurement results from row 1-column A to row 5-column J). The image generation device 30 then rearranges the above measurement results back into a 5x10 two-dimensional array. This allows for the recording of spatially resolved time changes.

以上のように、計測システム1aは、検出器15を複数含む。そして、分析装置16は、複数の検出器15におけるポッケルス素子152を同時に透過した各透過光を分析する。この構成によれば、透過光が各ポッケルス素子152を透過した瞬間の計測対象の空間分布を計測することができる。これは、各検出器15が備えるポッケルス素子152の空間的な位置が、それぞれ相違しているためである。 As described above, the measurement system 1a includes multiple detectors 15. The analysis device 16 then analyzes the transmitted light that simultaneously passes through the Pockels elements 152 in each of the multiple detectors 15. This configuration allows for the measurement of the spatial distribution of the object being measured at the moment the transmitted light passes through each Pockels element 152. This is because the spatial positions of the Pockels elements 152 in each detector 15 are different.

また、分析装置16は、上記透過光を分析することにより、検出器15に計測対象が入射したか否かを検出する。そして、画像生成装置30は、複数の検出器15のそれぞれについての分析装置16による上記検出の結果を、検出器15の空間配置に応じた画素の画素値に反映させた画像を生成する。 Furthermore, the analysis device 16 detects whether or not the object to be measured has entered the detector 15 by analyzing the transmitted light. The image generation device 30 then generates an image in which the detection results from the analysis device 16 for each of the multiple detectors 15 are reflected in the pixel values of the pixels according to the spatial arrangement of the detectors 15.

この構成によれば、透過光が各ポッケルス素子152を透過した瞬間の計測対象の空間分布を示す画像を自動で生成することができる。このような画像は、計測対象の挙動を把握する等の用途に好適である。 This configuration allows for the automatic generation of an image showing the spatial distribution of the object being measured at the moment the transmitted light passes through each Pockels element 152. Such an image is suitable for applications such as understanding the behavior of the object being measured.

〔実施形態2〕
本発明の他の実施形態について図9から図12に基づいて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成には同一の参照番号を付し、その説明を省略する。本実施形態に係る計測システム1dは、ポッケルス効果の代わりにシュタルク効果を利用して時間分解計測を行う点で上述の実施形態で説明した計測システム1等と異なる。
[Embodiment 2]
Other embodiments of the present invention will be described with reference to Figures 9 to 12. Components similar to those in the above embodiments will be given the same reference numerals, and their descriptions will be omitted. The measurement system 1d according to this embodiment differs from the measurement system 1 described in the above embodiments in that it uses the Stark effect instead of the Pockels effect to perform time-resolved measurement.

〔概要〕
図9は、計測システム1dの概要を説明する図である。図示のように、計測システム1dは、検出器15dと、分析装置16dと、を含む。また、図示していないが、計測システム1dには、計測システム1と同様に検出用レーザ出射装置11が含まれる。
〔overview〕
Figure 9 is a diagram illustrating the overview of the measurement system 1d. As shown in the figure, the measurement system 1d includes a detector 15d and an analyzer 16d. Although not shown in the figure, the measurement system 1d also includes a detection laser emitter 11, similar to the measurement system 1.

検出器15dは、計測対象を検出するためのものであり、光ファイバ151dと、電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子152dと、反射板153dと、を備える。より詳細には、光ファイバ151dが電気光学素子152dに接続されており、電気光学素子152dが反射板153dに接続されている。なお、反射板153dは、実施形態1の反射板153と同様の構成であり、入射した光を反射するものである。反射板153dとしては、例えばシリコン等を用いることもできる。 The detector 15d is for detecting the object to be measured and comprises an optical fiber 151d, an electro-optic element 152d that generates an electro-optic effect using an electric field, and a reflector 153d. More specifically, the optical fiber 151d is connected to the electro-optic element 152d, and the electro-optic element 152d is connected to the reflector 153d. The reflector 153d has the same configuration as the reflector 153 in Embodiment 1 and reflects incident light. For example, silicon can be used as the reflector 153d.

以上のように、電気光学素子152dは、反射板153dと光ファイバ151dの端面とに挟まれて配置されている。これにより、光ファイバ151dから電気光学素子152dに向けて入射した光(詳細は後述するがチャープパルスレーザ)が、電気光学素子152dを透過して反射板153dで反射し、反射光が再び電気光学素子152dを透過して光ファイバ151dに戻る構成となっている。 As described above, the electro-optic element 152d is positioned between the reflector 153d and the end face of the optical fiber 151d. This configuration ensures that light incident from the optical fiber 151d toward the electro-optic element 152d (a chirp pulse laser, as detailed later) passes through the electro-optic element 152d, is reflected by the reflector 153d, and the reflected light passes through the electro-optic element 152d again and returns to the optical fiber 151d.

電気光学素子152dは、具体的には、電界によりシュタルク効果を発生させる素子である。電気光学素子152dは、電界によりシュタルク効果を発生させるものであればよく、例えば、電気光学素子152dとして光電(EO:Electro Optic)ポリマー等を用いてもよい。 Specifically, the electro-optic element 152d is an element that generates the Stark effect in the presence of an electric field. The electro-optic element 152d can be any element that generates the Stark effect in the presence of an electric field; for example, an electro-optic polymer (EO) may be used as the electro-optic element 152d.

分析装置16dは、検出器15dの検出結果を分析する装置であり、波長分光器161dと撮像素子162dとを備えている。分析装置16dは、実施形態1の分析装置16と比べて、偏光アナライザ光学系を含まない点で相違している。分析装置16dでは、波長分光器161dが、検出器15dから出射される光(詳細は後述するが電気光学素子152dを透過した透過光)を波長で分光して撮像素子162d上に結像させる。 The analysis device 16d is a device that analyzes the detection results of the detector 15d, and includes a wavelength spectrometer 161d and an image sensor 162d. The analysis device 16d differs from the analysis device 16 of Embodiment 1 in that it does not include a polarization analyzer optical system. In the analysis device 16d, the wavelength spectrometer 161d spectrally separates the light emitted from the detector 15d (transmitted light that has passed through the electro-optic element 152d, as will be described in detail later) by wavelength and forms an image on the image sensor 162d.

〔計測原理〕
続いて、計測システム1dの計測原理について上記と同じく図9に基づいて説明する。計測システム1dにおいても、実施形態1の計測システム1と同様に、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光、すなわちチャープパルスレーザを出射する検出用レーザ出射装置11を用いる。なお、本実施形態で用いるチャープパルスレーザは、直線偏光である必要はない。
[Measurement principle]
Next, the measurement principle of the measurement system 1d will be explained based on Figure 9, as described above. In the measurement system 1d, as with the measurement system 1 of Embodiment 1, a detection laser emitter 11 is used that emits laser light consisting of pulses whose wavelength changes continuously over time, i.e., a chirp pulse laser. Note that the chirp pulse laser used in this embodiment does not need to be linearly polarized.

検出用レーザ出射装置11が出射するチャープパルスレーザは、光ファイバ151dにより電気光学素子152dに導かれる。そして、チャープパルスレーザは、電気光学素子152dを透過して反射板153dで反射し、再び電気光学素子152dを透過して光ファイバ151dに戻る。 The chirp pulse laser emitted by the detection laser emitter 11 is guided to the electro-optic element 152d via the optical fiber 151d. The chirp pulse laser then passes through the electro-optic element 152d, is reflected by the reflector 153d, and passes through the electro-optic element 152d again to return to the optical fiber 151d.

ここで、電気光学素子152dを透過している期間中に、計測対象が反射板153dに入射すると、その入射に起因して電気光学素子152dに電界が生じ、シュタルク効果が発生する。そして、シュタルク効果により、電気光学素子152dの光吸収ピーク波長が、長波長または短波長にシフトする。つまり、図9のグラフ901に示すように、計測対象が入射した期間に電気光学素子152dの吸収率が変化する。 Here, when the object to be measured is incident on the reflector 153d during the period when it is passing through the electro-optic element 152d, an electric field is generated in the electro-optic element 152d due to the incident light, and the Stark effect occurs. As a result of the Stark effect, the peak wavelength of light absorption of the electro-optic element 152d shifts to a longer or shorter wavelength. In other words, as shown in graph 901 of Figure 9, the absorption rate of the electro-optic element 152d changes during the period when the object to be measured is incident.

これにより、電気光学素子152dを透過したチャープパルスレーザの一部の波長域が、電気光学素子152dの吸収率変化の影響を受ける。より詳細には、電気光学素子152dを透過したチャープパルスレーザのうち、電界が発生している期間、すなわち計測対象が入射した期間に透過した波長域の部分についてはその強度が変化する。 As a result, a portion of the wavelength range of the chirp pulse laser that passes through the electro-optic element 152d is affected by the change in the absorption rate of the electro-optic element 152d. More specifically, the intensity of the chirp pulse laser that passes through the electro-optic element 152d changes in the wavelength range that passes through during the period when the electric field is generated, i.e., during the period when the object being measured was incident.

そして、電界が発生した後、シュタルク効果が生じるまでのタイムラグはポッケルス効果と同様に極めて短い時間である。このため、チャープパルスレーザの強度が変化した期間を、計測対象が入射した期間であるとみなすことにより、極めて高精度な時間分解計測が可能になる。 Furthermore, the time lag between the generation of the electric field and the occurrence of the Stark effect is extremely short, similar to the Pockels effect. Therefore, by considering the period during which the intensity of the chirp pulse laser changes as the period during which the object being measured was incident, extremely high-precision time-resolved measurements become possible.

具体的には、図9に示すように、電気光学素子152dを透過したチャープパルスレーザを光ファイバ151d経由で波長分光器161dに入射させる。波長分光器161dを通過したチャープパルスレーザは、その波長により分光され、撮像素子162d上で分離されて結像する。波長分光器161dからの光の出射角度は、その光の波長に応じて定まるから、撮像素子162dにおける結像位置は、チャープパルスレーザの波長を示している。撮像素子162dにより、グラフ902に示されるような波長ごとの光強度を記録することができる。 Specifically, as shown in Figure 9, a chirp-pulsed laser that has passed through the electro-optic element 152d is incident on the wavelength spectrometer 161d via the optical fiber 151d. The chirp-pulsed laser that has passed through the wavelength spectrometer 161d is spectrally separated according to its wavelength and imaged on the image sensor 162d. Since the emission angle of the light from the wavelength spectrometer 161d is determined according to the wavelength of the light, the image formation position on the image sensor 162d indicates the wavelength of the chirp-pulsed laser. The image sensor 162d can record the light intensity for each wavelength, as shown in Graph 902.

また、チャープパルスレーザにおいて、波長と時間は1対1に対応している。つまり、図9のグラフ903に示すように、時間tを波長λで表すことができ、波長変化はそのまま時間変化に読み替えることができる。したがって、グラフ902に示される波長ごとの光強度のデータから、グラフ904に示されるような光強度の時間変化を特定することができる。 Furthermore, in chirp pulse lasers, wavelength and time correspond one-to-one. That is, as shown in graph 903 of Figure 9, time t can be expressed in terms of wavelength λ, and wavelength changes can be directly interpreted as time changes. Therefore, from the light intensity data for each wavelength shown in graph 902, the time changes in light intensity shown in graph 904 can be identified.

このように、計測システム1dによれば、時間分解計測を行うことができる。また、計測システム1dの時間分解能は、計測システム1と同様に、使用するチャープパルスレーザのパルス幅に依存する。例えば、パルス幅間が100psのチャープパルスレーザ(0.1ps/1nmで波長が変化)と、1nmの分解能の波長分光器161dとを用いたときの計測システム1dの時間分解能は1.0psとなる。 Thus, time-resolved measurements can be performed using the measurement system 1d. Furthermore, the time resolution of the measurement system 1d, like that of the measurement system 1, depends on the pulse width of the chirp pulse laser used. For example, when using a chirp pulse laser with a pulse width of 100 ps (wavelength changes at 0.1 ps/1 nm) and a wavelength spectrometer 161d with a resolution of 1 nm, the time resolution of the measurement system 1d is 1.0 ps.

〔電気光学素子の具体例〕
電気光学素子152dの具体例を図10に基づいて説明する。図10は、シュタルク効果を生じさせる電気光学素子152dの一例である光電ポリマー101の構成と、その光吸収特性を示す図である。
[Specific examples of electro-optical elements]
A specific example of the electro-optic element 152d will be explained based on Figure 10. Figure 10 shows the structure of a photoelectric polymer 101, which is an example of an electro-optic element 152d that produces the Stark effect, and its light absorption characteristics.

光電ポリマー101の構造式のうち、破線で囲む部分の構造が電界により変化する。そして、当該部分の構造が変化することにより、光電ポリマー101の吸収スペクトルが変化する。 The structure of the portion of the photoelectric polymer 101 enclosed by the dashed line changes due to the electric field. This change in the structure of that portion alters the absorption spectrum of the photoelectric polymer 101.

具体的には、電界の影響を受けていない光電ポリマー101の吸収スペクトルは、図10に破線のグラフ1021で示される右下がりの曲線である。ここで、光電ポリマー101に正の電界(+E)をかけると、吸収スペクトルは長波長側にシフトして、一点鎖線のグラフ1022で示される曲線となる。一方、光電ポリマー101に負の電界(-E)をかけると、吸収スペクトルは短波長側にシフトして、二点鎖線のグラフ1023で示される曲線となる。なお、シフト量は電界の強さによって決まる(電界が強いほど大きくシフトする)。 Specifically, the absorption spectrum of the photoelectric polymer 101, unaffected by an electric field, is a downward-sloping curve shown by the dashed line graph 1021 in Figure 10. When a positive electric field (+E) is applied to the photoelectric polymer 101, the absorption spectrum shifts to the longer wavelength side, resulting in the curve shown by the dashed line graph 1022. Conversely, when a negative electric field (-E) is applied to the photoelectric polymer 101, the absorption spectrum shifts to the shorter wavelength side, resulting in the curve shown by the double-dashed line graph 1023. The amount of shift depends on the strength of the electric field (the stronger the electric field, the greater the shift).

よって、電界によって光電ポリマー101の吸収スペクトルが変動する範囲内の波長のレーザ光を光電ポリマー101に入射させれば、そのレーザ光が光電ポリマー101を透過した透過光に、吸収スペクトルの変動の影響が現れる。 Therefore, if laser light with a wavelength within the range in which the absorption spectrum of the photoelectric polymer 101 fluctuates due to the electric field is incident on the photoelectric polymer 101, the effect of the fluctuation in the absorption spectrum will appear in the transmitted light after the laser light passes through the photoelectric polymer 101.

例えば、図10に1024で示すレーザスペクトルのレーザ光を光電ポリマー101に入射させると同時に、光電ポリマー101に正の電界をかけた場合、そのレーザ光の大部分は光電ポリマー101に吸収される。よって、この場合、光電ポリマー101を透過した透過光の強度が相対的に低い期間が、正の電界がかけられた期間であるといえる。 For example, if a laser beam with the laser spectrum shown as 1024 in Figure 10 is incident on the photoelectric polymer 101, and a positive electric field is simultaneously applied to the photoelectric polymer 101, most of the laser beam will be absorbed by the photoelectric polymer 101. Therefore, in this case, the period during which the intensity of the transmitted light passing through the photoelectric polymer 101 is relatively low can be said to be the period during which a positive electric field was applied.

一方、このレーザ光を光電ポリマー101に入射させると同時に、光電ポリマー101に負の電界をかけた場合、そのレーザ光の大部分は光電ポリマー101を透過する。よって、この場合、光電ポリマー101を透過した透過光の強度が相対的に高い期間が、負の電界がかけられた期間であるといえる。 On the other hand, if this laser light is incident on the photoelectric polymer 101 and a negative electric field is applied to the photoelectric polymer 101 simultaneously, most of the laser light will pass through the photoelectric polymer 101. Therefore, in this case, the period during which the intensity of the transmitted light that has passed through the photoelectric polymer 101 is relatively high can be said to be the period during which the negative electric field was applied.

以上のことから、電気光学素子152dを透過したチャープパルスレーザの波長に、電気光学素子152dの周囲の電界の変動の影響が現れるように、チャープパルスレーザの波長と電気光学素子152dの種類とを選択すればよいことがわかる。 From the above, it can be seen that the wavelength of the chirp pulse laser and the type of the electro-optic element 152d should be selected such that the influence of fluctuations in the electric field around the electro-optic element 152d is reflected in the wavelength of the chirp pulse laser transmitted through the electro-optic element 152d.

〔実験例〕
シュタルク効果を利用して超高速電子とX線の時間分解計測を行う実験を行った。この実験について図11に基づいて説明する。図11は、実験に用いた計測システム1eの概略構成を示す図である。
[Experimental Example]
An experiment was conducted to perform time-resolved measurements of ultrafast electrons and X-rays using the Stark effect. This experiment will be explained with reference to Figure 11. Figure 11 is a schematic diagram of the measurement system 1e used in the experiment.

図11に示す計測システム1eは、検出用レーザ出射装置11eと、検出器15eと、分析装置16eとを含む。また、計測システム1eは、検出用レーザ出射装置11eに接続された光ファイバ21eと、計測対象となる超高速電子とX線を出射するLFEX(Laser for Fast ignition EXperiment)レーザ発振器22eとを含む。さらに、計測システム1eには、真空フィードスルー(Vacuum Feed Through)23e、時間遅れ調整器(Timing Delay Adjuster)24e、ファイバサーキュレータ13e、Ybファイバ増幅器25e、および光学シャッタ26eが含まれる。光ファイバ21eは、偏波保持ファイバである。 The measurement system 1e shown in Figure 11 includes a detection laser emitter 11e, a detector 15e, and an analysis device 16e. The measurement system 1e also includes an optical fiber 21e connected to the detection laser emitter 11e, and an LFEX (Laser for Fast Ignition Experiment) laser oscillator 22e that emits ultrafast electrons and X-rays to be measured. Furthermore, the measurement system 1e includes a vacuum feedthrough 23e, a timing delay adjuster 24e, a fiber circulator 13e, a Yb fiber amplifier 25e, and an optical shutter 26e. The optical fiber 21e is a polarization-maintaining fiber.

また、検出用レーザ出射装置11eには、パルスストレッチャ111e、光学シャッタ112e、および再生増幅器(Regenerative Amplifier)113eが含まれる。そして、検出器15eには、光ファイバ151e、電気光学素子152e、および反射板153eが含まれる。なお、電気光学素子152eは、図10に示した光電ポリマーである。また、光ファイバ151eも光ファイバ21eと同様に偏波保持ファイバとしてもよいが、光ファイバ151eについては偏光を保持する必要はない。 Furthermore, the detection laser emitter 11e includes a pulse stretcher 111e, an optical shutter 112e, and a regenerative amplifier 113e. The detector 15e includes an optical fiber 151e, an electro-optic element 152e, and a reflector 153e. The electro-optic element 152e is the photoelectric polymer shown in Figure 10. The optical fiber 151e may also be a polarization-maintaining fiber, similar to the optical fiber 21e, but polarization retention is not required for the optical fiber 151e.

LFEXレーザ発振器22eは、超高強度のレーザを発振することのできる発振器である。計測システム1eでは、LFEXレーザ発振器22eが発生させる超高速電子とX線を真空フィードスルー23eの内部で検出器15eにより検出する。 The LFEX laser oscillator 22e is an oscillator capable of emitting an ultra-high-intensity laser. In the measurement system 1e, the ultrafast electrons and X-rays generated by the LFEX laser oscillator 22e are detected by the detector 15e inside the vacuum feedthrough 23e.

本実験では、LFEXレーザ発振器22eの集光点から65mm離れた位置に検出器15eの先端すなわち電気光学素子152eが位置するように配置したが、電気光学素子152eを集光点に極限まで近づけてもよい。なお、計測システム1eでは、図示のように、電気光学素子152eの正面から計測対象を入射させてもよい。これは、ポッケルス効果とは異なり、シュタルク効果では計測対象の入射方向による効果の差異は生じないためである。これは超高強度レーザなどの実験セットアップにとっては非常に好都合である。 In this experiment, the detector 15e, specifically the electro-optic element 152e, was positioned 65 mm away from the focal point of the LFEX laser oscillator 22e. However, the electro-optic element 152e may be positioned as close to the focal point as possible. Furthermore, in the measurement system 1e, the object to be measured may be incident on the front of the electro-optic element 152e, as shown in the figure. This is because, unlike the Pockels effect, the Stark effect does not produce differences in effect depending on the direction of incidence of the object being measured. This is very advantageous for experimental setups involving ultra-high-intensity lasers.

また、電気光学素子152eの正面から高強度の計測対象を入射させた場合、検出器15eが破損する場合がある。しかし、そのような場合であっても電気光学素子152eを透過したチャープパルスレーザにはシュタルク効果の影響が反映されているから計測結果には影響がない。また、計測対象は分析装置16eには入射しないので、分析装置16eが損傷を受けることはなく、破損した検出器15eを交換すれば、再度の計測が可能である。 Furthermore, if a high-intensity object to be measured is incident on the front of the electro-optic element 152e, the detector 15e may be damaged. However, even in such a case, the chirp pulse laser that passes through the electro-optic element 152e reflects the influence of the Stark effect, so the measurement results are not affected. Also, since the object to be measured does not incident on the analysis device 16e, the analysis device 16e is not damaged, and measurement can be repeated by replacing the damaged detector 15e.

さらに、反射板153eと電気光学素子152eのサイズは、1mm程度まで小型化することも可能であり、これにより、LFEXレーザ発振器22eの集光点のような極限的な環境に設置することが可能になっている。このように、計測システム1eは、従来の計測装置では計測不能な環境下でも使用することができると共に、大幅なコストダウンにも成功している。 Furthermore, the reflector 153e and electro-optic element 152e can be miniaturized to approximately 1 mm, making it possible to install them in extreme environments such as the focal point of the LFEX laser oscillator 22e. Thus, the measurement system 1e can be used in environments where conventional measurement devices are incapable, while also achieving significant cost reductions.

計測システム1eでは、LFEXレーザ発振器22eの発振器光の一部(チャープパルスレーザ)が光ファイバ21eを介して検出用レーザ出射装置11eに出射されるようになっている。上記発振器光は、パルスストレッチャ111eによりパルス幅が調整される。そして、パルス幅調整後の発振光は、光学シャッタ112eを経て再生増幅器113eによりエネルギー増幅されて、時間遅れ調整器24eに出射される。検出用レーザ出射装置11eは、出射される上記発振光が、波長1010~1050nm(半値全幅は20nm)、エネルギー100nJ、パルス幅500psのチャープパルスレーザとなるように調整した。 In the measurement system 1e, a portion of the oscillator light (chirp pulsed laser) from the LFEX laser oscillator 22e is emitted to the detection laser emitter 11e via the optical fiber 21e. The pulse width of this oscillator light is adjusted by the pulse stretcher 111e. After pulse width adjustment, the emitted light is energized by the regenerative amplifier 113e via the optical shutter 112e and emitted to the time delay adjuster 24e. The detection laser emitter 11e is adjusted so that the emitted emitted light is a chirp pulsed laser with a wavelength of 1010-1050 nm (full width at half maximum of 20 nm), an energy of 100 nJ, and a pulse width of 500 ps.

また、検出用レーザ出射装置11eから出射されたチャープパルスレーザが電気光学素子152eに入射するタイミングと、LFEXレーザ発振器22eが発生させる超高速電子およびX線が検出器15eに入射するタイミングとが同時になるように(より正確には超高速電子およびX線による電界変化が生じている期間にチャープパルスレーザが電気光学素子152eを透過するように)、時間遅れ調整器24eにより時間調整を行った。 Furthermore, the timing of the chirp pulse laser emitted from the detection laser emitter 11e entering the electro-optic element 152e and the timing of the ultrafast electrons and X-rays generated by the LFEX laser oscillator 22e entering the detector 15e were synchronized (more precisely, the chirp pulse laser was transmitted through the electro-optic element 152e during the period when the electric field change caused by the ultrafast electrons and X-rays occurred) using the time delay adjuster 24e.

そして、時間遅れ調整器24eによる時間調整後のチャープパルスレーザは、ファイバサーキュレータ13e、Ybファイバ増幅器25e、および光ファイバ151eを介して電気光学素子152eに入射する。入射時のチャープパルスレーザのエネルギーは1μJであった。また、チャープパルスレーザが反射板153eで反射して光ファイバ151eに戻ったときのエネルギーは1nJであった。 The chirp pulsed laser, after time adjustment by the time delay adjuster 24e, is incident on the electro-optic element 152e via the fiber circulator 13e, Yb fiber amplifier 25e, and optical fiber 151e. The energy of the chirp pulsed laser at the time of incidence was 1 μJ. Furthermore, the energy of the chirp pulsed laser when it was reflected by the reflector 153e and returned to the optical fiber 151e was 1 nJ.

反射板153eで反射したチャープパルスレーザは、Ybファイバ増幅器25eで増幅された後、ファイバサーキュレータ13eおよび光学シャッタ26eを介して分析装置16eに入射する。このときのチャープパルスレーザのエネルギーは100nJ未満であった。 The chirp pulse laser reflected by the reflector 153e is amplified by the Yb fiber amplifier 25e and then incident on the analyzer 16e via the fiber circulator 13e and optical shutter 26e. At this time, the energy of the chirp pulse laser was less than 100 nJ.

なお、光ファイバ151eの全長は40mであり、分析装置16eは、LFEXレーザ発振器22eが設置されている部屋とは異なる部屋に配置されている。このように、計測システム1eは、検出対象が発生する場所に検出器15eを持ち込んで検出を行い、その検出結果の分析は検出対象が発生する場所から離れて行うことができる。 Furthermore, the total length of the optical fiber 151e is 40m, and the analysis device 16e is located in a different room from the room where the LFEX laser oscillator 22e is installed. Thus, the measurement system 1e can bring the detector 15e to the location where the detection target occurs to perform detection, and the analysis of the detection results can be performed away from the location where the detection target occurs.

分析装置16eの構成は、図9に示した分析装置16dと同様であり、波長分光器で分光し、撮像素子で検出するというものである。分析装置16eは、例えばCCD(charge-coupled device)撮像素子を用いたCCD分光器であってもよい。図11には、分析装置16eによる分析結果を示すデータ110を示している。データ110の横軸は波長であり、輝度値が強度を表している。このように、分析装置16eによれば、波長分光器の波長スペクトルとしての信号を得ることができる。 The configuration of the analyzer 16e is the same as that of the analyzer 16d shown in Figure 9, and it performs spectral analysis using a wavelength spectrometer and detects the signal with an image sensor. The analyzer 16e may also be a CCD spectrometer using, for example, a CCD (charge-coupled device) image sensor. Figure 11 shows data 110, which represents the analysis results obtained by the analyzer 16e. The horizontal axis of data 110 represents wavelength, and the brightness value represents intensity. Thus, the analyzer 16e allows obtaining a signal as a wavelength spectrum from a wavelength spectrometer.

ここで、上述のように、波長は時間に変換することができる。本実験例では、データ110の上下のスケールで示すように、1010nm~1050nmの波長範囲が、800ps~0psの時間範囲に対応している。よって、データ110は、時間分解計測の結果を表しているともいえる。 As mentioned above, wavelength can be converted to time. In this experimental example, as shown by the upper and lower scales of data 110, the wavelength range of 1010 nm to 1050 nm corresponds to the time range of 800 ps to 0 ps. Therefore, data 110 can be said to represent the results of time-resolved measurement.

〔検出対象の強度の時系列変化〕
図12は、図11に示すデータ110を用いて生成した、超高速電子とX線の強度の時系列変化を示す図である。より詳細には、図12に示すグラフ1202が超高速電子とX線の強度の時系列変化を示している。
[Time-series changes in the intensity of the detected target]
Figure 12 shows the time-series changes in the intensity of ultrafast electrons and X-rays generated using the data 110 shown in Figure 11. More specifically, graph 1202 in Figure 12 shows the time-series changes in the intensity of ultrafast electrons and X-rays.

なお、図10のグラフ1021~1023に示したように、光電ポリマーの吸収率は波長が長くなるにつれて低くなる。このため、データ110の測定前に、検出対象を入射させずに、チャープパルスレーザのみを検出器15eに出射して計測を行った。この計測結果をベースラインとして、データ110が示す計測結果を処理することにより、図12に示すグラフ1202を得ている。 As shown in graphs 1021-1023 of Figure 10, the absorption rate of the photoelectric polymer decreases as the wavelength increases. Therefore, before measuring data 110, measurements were performed by emitting only a chirp pulse laser to the detector 15e without incidenting the object to be detected. Using this measurement result as a baseline, the measurement results shown in data 110 were processed to obtain graph 1202 shown in Figure 12.

また、図12には、グラフ1202と共に、計測システム1eの時間分解能を示すグラフ1203を記載している。グラフ1203は、計測システム1eの時間分解能が4ps程度であることを示している。なお、計測システム1eの時間分解能は、使用するチャープパルスレーザのパルス幅間と、分析装置16eが備える波長分光器の分解能とで決まる。この時間分解能は、当該分野における高エネルギー電子・X線計測において、これまでの最高時間分解能であった25psを大きく下回る。 Furthermore, Figure 12 includes Graph 1203, which shows the time resolution of the measurement system 1e, along with Graph 1202. Graph 1203 indicates that the time resolution of the measurement system 1e is approximately 4 ps. The time resolution of the measurement system 1e is determined by the pulse width of the chirp pulse laser used and the resolution of the wavelength spectrometer equipped in the analysis device 16e. This time resolution is significantly lower than the previous highest time resolution of 25 ps in high-energy electron and X-ray measurements in this field.

さらに、図12には、シミュレーション計算により算出した、LFEXレーザ発振器22eにより発生するX線と超高エネルギー電子の電荷の計時変化を示すグラフ1203も示している。 Furthermore, Figure 12 also shows graph 1203, which illustrates the time-dependent changes in the charge of X-rays and ultra-high-energy electrons generated by the LFEX laser oscillator 22e, calculated through simulation.

グラフ1202には、0ps付近の下に凸のピークと、50ps付近の上に凸のピークとが含まれている。下に凸のピークは光速で伝搬するX線に対応し、凸のピークは電子に対応していると解される。グラフ1202は、光速のX線が入射した後、50~80psだけ遅れて電子が入射する様子を克明に示している。これは、グラフ1203に示すシミュレーション結果ともよく整合している。 Graph 1202 shows a downward-convex peak near 0 ps and an upward-convex peak near 50 ps. The downward-convex peak is understood to correspond to X-rays propagating at the speed of light, while the upward-convex peak corresponds to electrons. Graph 1202 clearly shows how electrons are incident 50-80 ps after the X-rays traveling at the speed of light. This is in good agreement with the simulation results shown in Graph 1203.

なお、グラフ1202と同様の計測結果は複数回取得することに成功している。また、計測対象を入射させるタイミングと、チャープパルスレーザを入射させるタイミングとをずらしたときにはグラフ1202のような計測結果は得られないことが確認されている。 Furthermore, we have successfully obtained measurement results similar to those in Graph 1202 multiple times. It has also been confirmed that when the timing of incident on the object being measured and the timing of incident on the chirp-pulsed laser are staggered, measurement results like those in Graph 1202 cannot be obtained.

以上のとおり、計測システム1eによればX線と超高速電子を計測対象とした時間分解計測が可能である。無論、計測システム1eは、X線や超高速電子に限られず、電気光学素子152eに電界を発生させる任意の計測対象の計測に利用することができる。このような計測は、例えば超短パルス現象を扱う科学研究や工業において非常に有用である。また、本実施形態の検出器15dおよび15eは、図8に示した計測システム1aの検出器として利用することもできる。 As described above, the measurement system 1e enables time-resolved measurements of X-rays and ultrafast electrons. Of course, the measurement system 1e is not limited to X-rays and ultrafast electrons; it can be used to measure any target that generates an electric field in the electro-optic element 152e. Such measurements are extremely useful, for example, in scientific research and industry dealing with ultrashort pulse phenomena. Furthermore, the detectors 15d and 15e of this embodiment can also be used as detectors in the measurement system 1a shown in Figure 8.

〔まとめ〕
上記実施形態1および2で説明した各計測システムは、計測対象の時間分解計測を行う計測システムであって、検出用レーザ出射装置と、光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備える検出器と、分析装置と、を含み、上記検出用レーザ出射装置は、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を出射し、上記光ファイバは、上記検出器に入射した上記計測対象により生じた電界により電気光学効果が発生した上記電気光学素子に上記レーザ光を導光すると共に、上記レーザ光が当該電気光学素子を透過した透過光を上記分析装置に導光し、上記分析装置は、上記透過光を波長に基づいて分析する構成である。
〔summary〕
Each of the measurement systems described in Embodiments 1 and 2 above is a measurement system that performs time-resolved measurement of a measurement target, and includes a detection laser emitter, a detector equipped with an optical fiber and an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an electric field, and an analysis device. The detection laser emitter emits laser light consisting of pulses whose wavelength changes continuously over time, the optical fiber guides the laser light to the electro-optic element where an electro-optic effect is generated by the electric field generated by the measurement target incident on the detector, and also guides the transmitted light that has passed through the electro-optic element to the analysis device, and the analysis device is configured to analyze the transmitted light based on its wavelength.

上記の構成によれば、計測対象により生じた電界により電気光学効果が発生した電気光学素子に、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を導光するので、当該電気光学素子を透過したレーザ光の一部の波長成分は電気光学効果の影響を受ける。したがって、電気光学素子を透過した透過光を分析装置に導光して、当該透過光を波長に基づいて分析する上記の構成によれば、電気光学効果の影響を受けた波長成分の有無や、当該波長成分を特定することが可能になる。 According to the above configuration, laser light consisting of pulses with continuously changing wavelengths over time is guided to an electro-optic element where the electro-optic effect occurs due to the electric field generated by the object being measured. Therefore, some wavelength components of the laser light transmitted through the electro-optic element are affected by the electro-optic effect. Consequently, by guiding the transmitted light through the electro-optic element to an analysis device and analyzing the transmitted light based on its wavelength, it becomes possible to determine the presence or absence of wavelength components affected by the electro-optic effect and to identify those wavelength components.

また、上記の構成によれば、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を用いる。つまり、このレーザ光では波長と時間とが1対1に対応している。このため、当該レーザ光における電気光学効果の影響を受けた波長成分を特定することができれば、電気光学効果が発生していた時間、つまり計測対象が検出器付近に存在していた時間を特定することができる。このように、上記の構成によれば、時間分解計測を行うことが可能になる。 Furthermore, the above configuration uses laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time. In other words, in this laser light, there is a one-to-one correspondence between wavelength and time. Therefore, if the wavelength component affected by the electro-optic effect in the laser light can be identified, the time during which the electro-optic effect occurred, i.e., the time during which the object being measured was near the detector, can be determined. Thus, the above configuration makes time-resolved measurement possible.

また、上記の構成によれば、分析装置に入射するのは、検出用レーザ出射装置が出射したレーザ光が電気光学素子を透過した透過光であり、検出対象は分析装置に入射しない。よって、ストリークカメラでは計測が難しい高強度の光やレーザ等の種々の計測対象についても時間分解計測を行うことが可能になる。 Furthermore, with the above configuration, the light entering the analysis device is the transmitted light from the detection laser emitter that has passed through the electro-optic element; the object to be detected does not enter the analysis device. Therefore, it becomes possible to perform time-resolved measurements of various measurement targets, such as high-intensity light and lasers, which are difficult to measure with streak cameras.

また、上記実施形態1および2で説明した各検出器は、計測対象の時間分解計測を行う計測システムで使用される検出器であって、光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備え、上記光ファイバは、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を上記電気光学素子に導光すると共に、当該レーザ光が上記電気光学素子を透過した透過光の波長に基づいて分析する分析装置に導光する。 Furthermore, the detectors described in Embodiments 1 and 2 above are detectors used in a measurement system that performs time-resolved measurement of a target object, and each detector comprises an optical fiber and an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an electric field. The optical fiber guides laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time to the electro-optic element, and also guides the laser light to an analytical device that analyzes the transmitted light after it has passed through the electro-optic element based on its wavelength.

上述のように、このような検出器を用いることにより、ストリークカメラでは計測が難しい高強度の光やレーザ等の種々の計測対象についても時間分解計測を行うことが可能になる。 As described above, by using such detectors, it becomes possible to perform time-resolved measurements of various measurement targets, such as high-intensity light and lasers, which are difficult to measure with streak cameras.

また、実施形態2で説明したように、上記電気光学素子は、電界によりシュタルク効果を発生させる素子であってもよい。この場合、上記分析装置は、上記透過光を分光する波長分光器と撮像素子とを備え、上記波長分光器で分光した上記透過光の光成分を、上記撮像素子における当該光成分の波長に応じた位置に結像させるものであってもよい。 Furthermore, as described in Embodiment 2, the electro-optic element may be an element that generates the Stark effect by an electric field. In this case, the analytical apparatus may comprise a wavelength spectrometer for spectrally analyzing the transmitted light and an image sensor, and the optical components of the transmitted light spectrally analyzed by the wavelength spectrometer may be imaged at a position on the image sensor corresponding to the wavelength of those optical components.

上述のように、シュタルク効果が発生した電気光学素子を透過した透過光では、一部の周波数成分の強度が変化する。よって、波長分光器で分光した透過光の光成分を、撮像素子における当該光成分の波長に応じた位置に結像させる上記の構成によれば、シュタルク効果の影響を受けた波長成分を示す像を得ることができる。電気光学素子に入射させたレーザ光は、波長が連続的に経時変化するパルスからなるものであり、波長と時間が一対一に対応するから、上記の像は、時間分解計測の結果を示している。つまり、上記の構成によれば時間分解計測が実現される。 As described above, in transmitted light passing through an electro-optic element where the Stark effect occurs, the intensity of some frequency components changes. Therefore, with the above configuration, which images the optical components of the transmitted light spectrally separated by a wavelength spectrometer at a position on the image sensor corresponding to the wavelength of those optical components, an image showing wavelength components affected by the Stark effect can be obtained. The laser light incident on the electro-optic element consists of pulses whose wavelength changes continuously over time, and since there is a one-to-one correspondence between wavelength and time, the above image shows the result of time-resolved measurement. In other words, time-resolved measurement is realized with the above configuration.

また、実施形態1で説明したように、上記電気光学素子は、電界によりポッケルス効果を発生させる素子であってもよい。この場合、上記分析装置は、偏光分離装置と、波長分光器と、撮像素子とを備え、上記偏光分離装置は、上記透過光のうち、上記ポッケルス素子を透過することにより偏光状態が変化した光成分を上記波長分光器に出射し、上記波長分光器は、上記光成分を、撮像素子における当該光成分の波長に応じた位置に結像させる構成としてもよい。この構成によれば、ポッケルス効果の影響を受けた波長成分を示す像を得ることができる。この像も時間分解計測の結果を示している。 Furthermore, as described in Embodiment 1, the electro-optic element may be an element that generates the Pockels effect by an electric field. In this case, the analysis apparatus may comprise a polarization separator, a wavelength spectrometer, and an image sensor. The polarization separator emits the light component whose polarization state has changed after passing through the Pockels element into the wavelength spectrometer, and the wavelength spectrometer images the light component at a position on the image sensor corresponding to the wavelength of the light component. With this configuration, an image showing the wavelength component affected by the Pockels effect can be obtained. This image also shows the results of time-resolved measurement.

また、上記電気光学素子は、ポッケルス効果およびシュタルク効果以外の電気光学効果を発生させる素子であってもよい。例えば、上記電気光学素子として、カー効果を発生させる素子を用いてもよい。この場合、実施形態1と同様の構成により、時間分解計測を行うことが可能である。 Furthermore, the electro-optic element described above may be an element that generates electro-optic effects other than the Pockels effect and the Stark effect. For example, an element that generates the Kerr effect may be used as the electro-optic element. In this case, time-resolved measurement can be performed with the same configuration as in Embodiment 1.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included within the technical scope of the present invention.

1、1a、1d、1e 計測システム
11、11e 検出用レーザ出射装置
15、15a、15b、15c、15d、15e 検出器
151、151d、151e 光ファイバ
152、152c ポッケルス素子
153、153d、153e 反射板
155 電子変換材
156 陽子変換材
16、16a、16d、16e 分析装置
161 偏光分離装置
162 波長分光器
162a 偏光ビームスプリッタ
163a 波長分光器
30 画像生成装置
152d、152e 電気光学素子
161d 波長分光器
162d 撮像素子
1, 1a, 1d, 1e Measurement system 11, 11e Detection laser emitter 15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e Detector 151, 151d, 151e Optical fiber 152, 152c Pockels element 153, 153d, 153e Reflector 155 Electron conversion material 156 Proton conversion material 16, 16a, 16d, 16e Analysis device 161 Polarization separation device 162 Wavelength spectrometer 162a Polarization beam splitter 163a Wavelength spectrometer 30 Image generation device 152d, 152e Electro-optic element 161d Wavelength spectrometer 162d Image sensor

Claims (2)

計測対象の時間分解計測を行う計測システムであって、
検出用レーザ出射装置と、光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備える検出器と、分析装置と、を含み、
上記検出用レーザ出射装置は、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を出射し、
上記検出器において、上記電気光学素子は、上記光ファイバの端面に固定されており、
上記光ファイバは、上記検出器に入射した上記計測対象により生じた電界により電気光学効果が発生した上記電気光学素子に上記レーザ光を導光すると共に、上記レーザ光が当該電気光学素子を透過した透過光を上記分析装置に導光し、
上記分析装置は、上記透過光を波長に基づいて分析し、
上記検出器は、上記計測システムより取り外しが可能であり、
上記電気光学素子は、電界によりシュタルク効果を発生させる素子であり、
上記分析装置は、上記透過光を分光する波長分光器と撮像素子とを備え、上記波長分光器で分光した上記透過光の光成分を、上記撮像素子における当該光成分の波長に応じた位置に結像させる、計測システム。
A measurement system that performs time-resolved measurement of the object to be measured,
It includes a detection laser emitter, a detector equipped with an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an optical fiber and an electric field, and an analysis device.
The above-mentioned detection laser emission device emits laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time.
In the above detector, the electro-optic element is fixed to the end face of the optical fiber.
The optical fiber guides the laser light to the electro-optic element where an electro-optic effect occurs due to the electric field generated by the object to be measured that is incident on the detector, and also guides the transmitted light that has passed through the electro-optic element to the analysis device.
The above analytical device analyzes the transmitted light based on its wavelength.
The above detector is removable from the above measurement system.
The above electro-optic element is an element that generates the Stark effect by an electric field.
The above-mentioned analytical device is a measurement system comprising a wavelength spectrometer for spectrally analyzing the transmitted light and an image sensor, wherein the optical components of the transmitted light spectrally analyzed by the wavelength spectrometer are imaged at a position on the image sensor corresponding to the wavelength of the optical components .
計測対象の時間分解計測を行う計測システムで使用される検出器であって、
光ファイバおよび電界により電気光学効果を発生させる電気光学素子を備え、
上記電気光学素子は、上記光ファイバの端面に固定されており、
上記光ファイバは、波長が連続的に経時変化するパルスからなるレーザ光を上記電気光学素子に導光すると共に、当該レーザ光が上記電気光学素子を透過した透過光の波長に基づいて分析する分析装置に導光し、
上記計測システムより取り外しが可能であり、
上記電気光学素子は、電界によりシュタルク効果を発生させる素子である、検出器。
A detector used in a measurement system that performs time-resolved measurement of the object to be measured,
It comprises an electro-optic element that generates an electro-optic effect using an optical fiber and an electric field,
The above electro-optic element is fixed to the end face of the optical fiber.
The optical fiber guides laser light consisting of pulses whose wavelength continuously changes over time to the electro-optic element, and also guides the laser light to an analytical device that analyzes the transmitted light after it has passed through the electro-optic element based on its wavelength.
It can be removed from the above measurement system.
The above electro-optic element is a detector that generates the Stark effect using an electric field .
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