JPH03282336A - 超短幅パルス光の波形計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、レーザ等の光源がら発生される光ビームの
波形計測方法及びその装置に係り、特に、分子の振動或
いは回転等の分子運動の観測、光の自己集束及び自己束
縛或いはラマン効果等の発生過程の検証、高速度写真撮
影用の光源、及び、超高速光通信或いは光情報処理等に
用いられる超短幅パルス励起レーザ等から発生される超
短幅パルス光ビームの波形計測方法及び装置に関する。

（従来の技術） 一般に、光を用いた計測、加工、記録或いは情報伝達等
の様々な技術分野においては、コヒーレント（可干渉）
性の高いレーザ光源からの光ビームが利用されている。

特に、近年、分子の振動或いは解離等の分子運動や化学
反応に関する観測、光の自己位相変調或いはラマン効果
の発生等の非線形光学過程に関する検証、及び、超高速
光通信或いは高密度光情報処理（光通信）等の技術分野
においては、一定周期毎に高出力の短幅光ビームを発生
させるパルス励起レーザ（以下パルスレーザとする）、
中でも、尖頭値出力が数ＭＷ（メガワット−１０６ワツ
ト）でパルス光ビームの幅が数ｐｓ　（ピコ秒−１０−
１２秒）乃至数十ｆｓ（フェムト秒−ＩＱ−１５秒）程
度の超短幅パルスレーザが多用されている。

しかしながら、この種の超短幅パルスレーザは、パルス
幅が数ｐｓ乃至数十ｆ’ｓと極めて短いことから、−船
釣なエレクトロニクス的計測手法では、その十分な計測
が不可能である。また、ストリークカメラ等の超高速度
撮影装置が用いられた場合であっても、計測装置の大き
さが大型化するとともに、装置が極めて高価である。ま
た、ストリークカメラにおける撮影速度即ち応答時間は
約１ｐｓ（ピコ秒）程度であり、超短幅パルスレーザの
パルス光ビ〜ム幅即ち一周期、例えば、数ｐｓ　（ピコ
秒）乃至数十ｆ’ｓ　（フェムト秒）に対して十分な測
定精度が得られにくくなっている。

このことから、この種の超短幅パルスレーザから発生さ
れるパルス光ビームの波形測定方法としては、パルス光
ビームを２分割し、一方のノ（ルス光ビームに対して光
路長を変化させる等の手段によって遅延時間を与え、そ
れぞれの）くルス光ビームを重ね合わせることで、その
相関を検出する自己相関法、例えば、光高調波法或いは
２光子蛍光法が用いられている。

上述した光高調波法では、パルス光ビームは、例えば、
マイケルソン型干渉計等の干渉計構造を有する光学系を
介して２つに分割され、それぞれのパルス光ビームに適
当な光路長が与えられた後、同軸に重ね合わせられる。

この重ね合わされたノくルス光ビームは、非線形光学効
果（光子によって励起される電子の数が光子の数に直線
比例しない、即ち、電子１個を励起させるために２以上
の光子が同時に消滅する）を有する光学結晶即ち非線形
光学素子に対して入射され、パルス光ビームの周波数が
変換される。即ち、２つのパルス光ビームの光路差に起
因する時間的重なりに依存した光高調波が光路差の関数
として検出され、２次の相関波形が計測される。この光
高調波法では、２つに分割されたパルス光ビームのそれ
ぞれの偏向面が互いに垂直になるよう一方のパルス光ビ
ームの偏向面を回転させ、非線形光学素子を介して再び
２つのパルス光ビームを重ね合わせて、この重ね合わせ
によって発生される第２高調波の強度を光電子増倍管を
用いて検出する第２高調波法（ＳｅｃｏｎｄＨａｒｍｏ
ｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）　−Ｓ　ＨＧ　Ｓ及び
・２つに分割されたパルス光ビームの偏向面に互いに逆
向きの円偏向を与え、等方性非線形光学素子を介して２
つのパルス光ビームを再び重ね合わせて、この重ね合わ
せによって発生される第３高調波の強度を光電子増倍管
を用いて検出する第３高調波法（Ｔｈｉｒｄ　Ｈａｒｍ
ｏｎＩｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）　−Ｔ　ＨＧが利用
されている。

また、２光子蛍光法（Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ　　Ｐｌｕ
ｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）−ＴＰＦでは、上述光高調波法と
同様に、２分割されたパルス光ビームが蛍光体が封入さ
れたセル内に互いに逆向きに入射され、それぞれのパル
ス光ビームの２光子吸収（Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ　　Ａ
ｂｓｏｒｐｔｉ。

ｎ）によって発生される蛍光が１次元または２次元撮影
装置によって撮影されることで超短幅パルスレーザの波
形が測定される。

（発明が解決しようとする課題） 上述した光高調波法即ち第２高調波法−８ＨＧ及び第３
高調波法−ＴＨＧでは、非線形光学素子が用いられるこ
とから、入射パルス光ビームをレンズで集光し、高調波
の発生効率を高める必要がある。また、非線形光学素子
を光路中に挿入することによるパルス光ビームへの群速
度分散（光ビームの波長の差による屈折率の変化−光ビ
ームに周波数（波長）の差が存在する場合には、その進
行速度が周波数（波長）毎に異なる）の影響を除去する
ため上記非線形光学素子は、厚さ０．１１程度の薄板に
形成されるなければならない。さらに、第２或いは第３
高調波を発生させるためには、それぞれの位相を整合し
なければならないことから、位相が整合される条件が満
足されるよう非線形光学素子へのパルス光ビームの入射
角は、非常に高精度に設定されなければならない。加え
て、この第２或いは第３高調波は非常に微弱な光ビーム
であることから、これらを検出するためには、高感度な
光検出能力が要求される。

これらのことは、非線形結晶に加えて、精度の高い光学
部材、例えば、レンズ、フィルタ、精密（非線形）結晶
ホルダ（非線形光学素子を所定の位置に正確に配置させ
る）、及び、高感度な光電子増倍管を必要とすることか
ら、装置の部品コストを非常に高価なものにする問題が
ある。また、装置の組立てにおいては、計測者の技巧に
依存する調整作業が含まれることから、装置の組立てコ
ストが高くなる問題がある。

一方、２光子蛍光法−ＴＰＦでは、蛍光の時間的な強度
分布に対する解像度によって測定するパルス光の時間幅
が制限されることから、計測可能な時間幅は約１ｐｓ程
度になる問題がある。

（課題を解決するための手段） 二の発明は、上述問題点に基づきなされたもので、光源
からの光ビームを２つの光ビームに分離し、この分離さ
れた光ビームの一方は光路長を変換する光路長変換手段
を介して、他方は前記一方の光ビームと異なる光路を用
いて伝達させて、前記光ビームのスペクトル領域とは異
なる検出スペクトル領域を有し、前記２つの光ビームを
同一位置で同時に受光する光ビーム受光手段へ導かれて
光電変換されることを特徴とする超短幅パルス光の波形
計測方法が提供される。また、光源からの光ビームを分
離する光ビーム分離手段と、この光ビーム分離手段で分
離された光ビームの一方を伝達する第一の伝達手段と、
光ビームの光路長を変換する光路長変換手段を有し、前
記光ビーム分離手段で分割された光ビームの他方を伝達
する第二の伝達手段と、前記第一及び第二の光ビームを
同時に受光する光ビーム受光手段とを備え、この光ビー
ム受光手段は、前記光ビームのスペクトル領域とは異な
る検出スペクトル領域を有することを特徴とする超短幅
パルス光の波形を計測する装置が提供される。

（作用） この発明によれば、光源から発生されたパルス光ビーム
は、干渉計構造を介して２つのビームに分割され、一方
の光ビームには、光路長変換装置によって他の一方のビ
ームと異なる光路長が与えられる。この２つの光ビーム
は、互いに異なる光路を介して、光源からのパルス光ビ
ームとは異なる検出波長（スペクトル）領域を有する光
子検出素子へ導かれ、この光子検出素子の検出面上で同
軸に重ね合わされる。このようにして光子検出素子へ導
かれたパルス光ビームは、２光子光導電効果によって、
直接電気信号に変換される。この結果、超短幅パルスレ
ーザから発生されるパルス光ビームの強度相関即ち自己
相関が電気信号として直接測定される。

（実施例） 以下に、図面を参照してこの発明の一実施例を説明する
。

第１図には、この発明の一実施例である超短幅パルス光
の波形を計測する方法の概略が示されている。超短幅パ
ルスレーザ１から発生されたパルス光ビームＬは、ビー
ムスプリッタ即ちハーフミラ−３へ導かれ、このハーフ
ミラ−３によって、１：１の割合で分離される。即ち、
光量の５０％は反射され、５０％は透過される。２分割
された一方のパルス光ビームＬａは、このハーフミラ−
３を透過され、固定ミラー５へ導かれる。また、他方の
パルス光ビームＬｂは、このハーフミラ−３で反射され
て、光路長可変ミラー７へ導かれる。

固定ミラー５へ導かれたパルス光ビームＬａは、このミ
ラー５で反射されて概ね同じ光路を戻され、再びハーフ
ミラ−３へ導かれて２光子光導電素子９へ向かって反射
される。また、光路長可変ミラー７へ導かれたパルス光
ビームＬｂは、この光路長可変ミラー７で反射されて概
ね同じ光路を戻され、同様にハーフミラ−３へ導がれる
。このハーフミラ−３３によって、上記固定ミラー５が
らのパルス光ビームＬａとこのミラー７がらのパルス光
ビームＬｂとが同軸に重ねられて（パルス光ビ−ムＬｃ
となって）、２光子光導電素子９へ導かれる。ここで、
光路長可変ミラー７は、図示しない駆動装置を介して連
続的に或いはステップ状に往復移動され、ハーフミラ−
３までの距離即ち光路長ｐが連続的に或いはステップ変
化される。従って、ハーフミラ−３で同軸に重ねられた
パルス光ビームＬｃは、常に一定距離の光路を通ったパ
ルス光ビームＬａと、時間とともに変化する光路を通っ
たパルス光ビームＬｂとが、互いに光路差に起因する時
間的型なりを有する状態で２光子光導電素子９へ導かれ
る。このことから、パルス光ビームの強度相関即ち自己
相関が得られ、２光子光導電素子９からパルス光ビーム
のパルス波形に対応した電気信号が出力される。

次に、この発明の実施例であるパルス光の波形を計測す
る方法に利用されるパルス波形の検出原理について説明
する。

第２Ａ図には、２光子光導電素子が有する２光子光導電
効果の概略が示されている。

一般に、周波数の異なる２つの光即ち光子ω。

ω。（ここでは、パルス光ビームを量子論的に取扱うこ
とから光ビームを光子に置き換えて説明する）が同時に
存在し、それぞれの光子が単独で照射される場合は、光
子のエネルギーに応じて、価電子帯が励起されて１個の
電子が伝導帯まで引揚げられる、或いは、価電子体の励
起そのものが発生しない（価電子帯のホール・電子ベア
から電子が離脱しない）、のいづれかの事象が発生され
る。

ところで、周波数の異なる２つの光子ω、ω。が同時に
照射（この場合、後述するように光子検出素子の検出ス
ペクトル領域に対して、その領域に到達しない振動数の
多量の光子即ち大きなエネルギーを有する光ビームを入
射させる等の技巧が必要になる）される場合、ω。或い
はωのいづれか一方の光子によって価電子帯が励起され
、価電子帯から電子１個が放出される。この１個の電子
は、禁制帯のあるレベル（準位）まで引揚げられ、中間
状態を一時的に経由してさらにω或いはω。の他の一方
の光子によって伝導帯まで引揚げられる。

即ち、２つの光子が１個の電子に対して作用して（吸収
されて）１個の自由電子が発生される。このことは、光
子検出素子即ち光導電素子に対して、通常利用される検
出スペクトル領域に到達しない振動数のパルス光ビーム
のみを入射させることで２光子吸収のみが発生されるこ
とを示している。

上述したこの現象は、２光子光導電効果と呼ばれ、この
現象によって発生される自由電子の個数は、入射された
光子の数の２乗に比例する。従って、２つの光子が吸収
されて発生される電子を光子検出素子で捕られて計数す
ることにより、２つのパルス光ビームの光路差に起因す
る時間的型なりに依存した相関即ち強度相関を得ること
が可能になる。

第３図には、第１図に示したこの発明の一実施例である
超短幅パルス光の波形を計測する方法が利用されている
超短幅パルス光の波形計測装置の概略が示されている。

ある波長のパルス光ビームを発生するレーザ光源２１か
ら発生された光ビームＬ（所望の波長の光ビームを取出
す方法として光源からの光ビームを水素誘導ラマンセル
２３に導いて、所望の波長の光ビームＬを取出すことも
可能である。）は、超短幅パルス光の波形計測装置１１
に収容されているビームスプリッタ即ちハーフミラ−３
１に導かれて、２つのパルス光ビームＬａ、Ｌｂｌ：：
ｌ：１の割合で分割される。

２つのパルス光ビームＬａ、Ｌｂの一方のビーム例えば
Ｌａは、複数の光路折返しミラー３３ａ。

３３ｂ、３３ｃを介して２光子光導電素子４１へ導かれ
る。また、他方のビームＬｂは、複数の光路折返しミラ
ー３７ａ、３７ｂ、及び、図示しない駆動装置によって
移動され、光ビームが通過する光路の長さを変化させる
ために任意の速度で移動可能な光路長変換ミラー３９を
介して上記第一のパルス光ビームＬａと同様に２光子光
導電素子４１へ導かれる。この超短幅パルス光の波形計
測装置１１では、上記ハーフミラ−３１の前段に、パル
ス光ビームが伝達される光軸を合わせるための赤外光検
出装置５１及びこの赤外光検出装置への光ビーム分岐光
学素子６１が配置されている。

この赤外光検出装置５１は、入射された光ビームのエネ
ルギーが光源の特性によって変動することから、変動の
少ないデータが得られるように、自己相関信号値を赤外
光エネルギー値で規格化する目的で配置されている。

上述した２光子光導電素子４１へ導かれた２つのパルス
光ビームＬａ、Ｌｂは、この２光子光導電素子４１の検
出面上で同軸に重ね合わせられる。

このパルス光ビームＬａ、Ｌｂは、上述した２光子光導
電効果によって光−電気変換され、パルス光ビームＬの
強度が強度（電気）信号Ｉとして検出される。このとき
、パルス光ビームＬｂは、光路長変換ミラー３９の移動
による光路長の変化に対応して、上記第一のパルス光ビ
ームＬａよりも早く、或いは、遅れて、若しくは、同時
に、２光子光導電素子４１の検出面へ導かれる。従って
、レーザ光源２１からのパルス光ビームＬの強度が光路
長の差に起因する時間的型なりを有する状態で検出され
る。尚、光路長変換ミラー３９は、パルス光ビームの繰
返し速度が高い場合には連続的に、パルス光ビームの繰
返し速度が低い場合にはステップ状に移動される。

このようにして検出されたパルス光ビームＬが変換され
た強度信号Ｉは、増幅器７１で増幅され、オシロスコー
プ７３でパルス波形として表示される。或いは、コンピ
ュータ７５へ入力されて、記憶または出力装置へ転送さ
れる。

次に、実際の測定に用いた２光子光導電素子及び極短幅
パルスレーザの組合わせの例を示す。

上述した例１乃至例３の組合わせによって得られた超短
幅パルス光の波形を計測する装置から出力されたパルス
光ビームの波形を示すグラフが第４図乃至第６図に示さ
れている。即ち、第４図には、光源として出力波長１９
０７ｎｍ（水素誘導ラマンセルを介して取出された波長
１０６４ｎＩ１１のパルス光ビームの１次ストークス光
を利用）の超短幅パルスレーザ及び２光子導電素子とし
てシリコンフォトダイオード、第５図には、光源として
出力波長１１０６４ｎの超短幅パルスレーザ及び２光子
導電素子としてガリウム砒素リンフオドセル、及び、第
６図には、光源として出力波長１０６４ｒｖの超短幅バ
ルスレーサ及び２光子導電素子として硫化カドミウムフ
ォトセルが用いられた場合の超短幅パルスレーザからの
パルス波形が示されている。また、従来例との比較のた
めに、第６図に示したパルス光ビームの波形を非線形光
学素子ＫＤＰ（燐酸二水素カリウム−ＫＨ２ＰＯ４）を
用いた光高調波法によって同様に測定した例が第７図に
示されている。

このようにして、例えば、検出スペクトル領域が１９０
ｎｏ１〜１１００ｎＩＩＩこ規定されているシリコンフ
ォトダイオードに対して、１９０７ｎｉの出力波長を有
する光ビームが照射されることで、或いは、検出スペク
トル領域が４００　ｎｍ〜７００　ｎｉｌ：規定されて
いる硫化カドミウム（ＣｄＳ）フォトセルに対して、１
０６４ｎｉの出力波長を有する光ビームが照射されるこ
とで、超短幅パルス光ビームの出力波形が電気信号に直
接変換されて測定される。また、この方法では、２光子
導電素子へ導かれる２つのパルス光ビームが同軸に重ね
られるだけで２光子吸収が発生されることから、２つの
パルス光ビームの位相を整合させる必要もなくなる。

（効果） 以上説明したようにこの発明によれば、光子検出素子へ
導かれたパルス光ビームは、２光子光導電効果によって
、直接電気信号に変換される。従って、超短幅パルスレ
ーザから発生されるパルス光ビームの強度相関即ち自己
相関が電気信号として直接測定される。このことから、
例えば、非線形結晶、精密結晶ホルダ（非線形光学素子
を所定の位置に正確に配置させる）、及び、高感度な光
電子増倍管等の高価な計測機材が不要になる。また、２
つのパルス光ビームの位相を整合させる必要がないこと
から、装置の組立に関する調整作業が非常に簡単になる
。この結果、超短幅パルスレーザのパルス波形を測定す
る装置の部品コスト及び組立コストが大幅に低減される
。加えて、装置全体の大きさも小形化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例に係る超短幅パルスレー
ザのパルス波形の測定方法を示す概略図、第２図は、第
１図に示したパルス波形の測定方法における測定原理を
示すエネルギーバンドモデル、第３図は、第１図に示し
たパルス波形の測定方法が利用されている超短幅パルス
レーザのパルス波形測定装置を示す概略図、第４図乃至
第６図は、第３図に示したパルス波形測定装置によって
得られた超短幅パルスレーザからのパルス波形を示すグ
ラフ、第７図は、第６図に示したパルス波形を従来から
の測定方法で測定したグラフである。 １・・・超短幅パルスレーザ、３・・・ビームスフリツ
タ、５・・・固定ミラー　７・・・光路長可変ミラー９
・・・２光子光導電素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光ビームを２つの光ビームに分離し、
   この分離された光ビームの一方は光路長を変換する光路
   長変換手段を介して、他方は前記一方の光ビームと異な
   る光路を用いて伝達させて、前記光ビームのスペクトル
   領域とは異なる検出スペクトル領域を有し、前記２つの
   光ビームを同一位置で同時に受光する光ビーム受光手段
   へ導かれて光電変換されることを特徴とする超短幅パル
   ス光の波形計測方法。
2. （２）光源からの光ビームを分離する光ビーム分離手段
   と、この光ビーム分離手段で分離された光ビームの一方
   を伝達する第一の伝達手段と、光ビームの光路長を変換
   する光路長変換手段を有し、前記光ビーム分離手段で分
   割された光ビームの他方を伝達する第二の伝達手段と、
   前記第一及び第二の光ビームを同時に受光する光ビーム
   受光手段とを備え、この光ビーム受光手段は、前記光ビ
   ームのスペクトル領域とは異なる検出スペクトル領域を
   有することを特徴とする超短幅パルス光の波形計測装置
   。