JPH046426A - 光波形測定装置 - 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〕 本発明は被測定媒体に超短パルス光を照射し、この照射
によって被測定媒体から発する光の強度波形を測定する
光波形測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

この種の光波形測定装置は被測定媒体の蛍光波形などを
測定するために用いられるものであり、大きく３つの構
成要素に分けることができる。すなわち、被測定光の光
強度波形を測定開始信号に同期して測定する光波形測定
手段と、被測定媒体に照射される励起光である超短パル
ス光の一部を分岐する手段と、分岐した超短パルス光を
入射して電気信号に変換し測定開始信号として出力する
光検出器の３つの構成要素からなる。そして、光波形測
定手段には、ストリークカメラを利用するもの、時間相
関光子計数法を利用するもの、サンプリング型光波形観
測装置を利用するもの等がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、光検出器か出力する測定開始信号のタイミン
グは、入射する超短パルス光の強度に左右される。この
ことを、第１１図を用いて説明する。同図（ａ）は励起
光である超短パルスレーザ光の波形を示し、同図（ｂ）
は光検出器がこの超短パルスレーザ光を受光して出力す
る測定開始信号の波形を示す。光検出器には一般にピン
フォトダイオードやアバランシェフォトダイオードなど
が用いられており、その応答速度は数１０ｐｓ以上であ
り、超短パルスレーザ光のパルス幅（数ｐｓ以下）に比
べて遅い。そのため、同図の実線で示すように測定開始
信号は立ち上がり時間の遅れＴを生ずる。そして、問題
なのはこの遅れが超短パルスレーザ光のパワー変動によ
って変化することである。超短パルスレーザ光のパワー
が同図（ａ）の破線で示すようにΔＰだけ弱くなると、
光検出器が出力する測定開始信号は同図（ｂ）の破線の
ように立ち上がり時間がΔｔだけ遅れる。

つまり、超短パルスレーザ光のパワー変動が測定開始信
号の時間変動となって現れる。

一方、被測定光は通常は極めて微弱な光であるため複数
回の測定を行ってＭ算する必要がある。

したかって、測定開始信号のタイミングに変動があると
、その変動分だけ時間分解能を悪化させることになる。

かかる問題に対して、超短パルスレーザ光のパワーを安
定させるという方法が考えられる。しかし、そのために
用いられるレーザスタビライザ装置は一般に応答か遅く
、比較的遅いレーザの揺らぎ（ドリフト）などには効果
を発揮するが、早い周期のパワー変動や繰り返し周波数
の低いレーザ（エキシマレーザや窒素レーザなど）に対
してはあまり有効ではない。

本発明の課題は、このような問題点を解消することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の光波形測定装置は、
測定開始信号生成手段として、入射する超短パルス光の
強度に屈折率が依存する非線形光学媒質と、この非線形
光学媒質から出射された超短パルス光の照射領域を制限
する手段と、この制限手段を通り抜けた超短パルス光を
検出して電気信号に変換し前記測定開始信号として出力
する光検出手段とを有するものを用いている。

〔作用〕

非線形光学媒質に入射される超短パルス光の強度が高ま
ると、自己発散により光が拡がる。そのため、制限手段
によって遮蔽される割合が高まり、制限手段を透過する
光の強度は変化しない。光検出手段への入射光強度が安
定すると、その検出信号である測定開始信号の立ち上が
り時間が安定する。したがって、超短パルス光で励起さ
れた被測定光の発生タイミングに対する光波形測定手段
の動作タイミングが安定する。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図である。レ
ーザ装置１は、パルス幅が数ｐｓ以下の超短ハルスレー
ザ光２を出力する。超短パルスレーザ光２はミラー３で
反射され、光分岐手段であるハーフミラ−４において透
過光と反射光に分岐される。ハーフミラ−４を透過した
超短パルスレーザ光２は被測定媒体５を照射し、ハーフ
ミラ−４で反射された超短パルスレーザ光２は測定開始
信号生成手段８に入射される。測定開始信号生成手段８
は非線形光学媒質９、アパーチャー１０および光検出器
１１で構成されており、超短パルスレーザ光２の受光に
より測定開始信号を信号線１２に出力する。被測定媒体
５は超短パルスレーザ光２の照射を受けると蛍光を発す
る。その蛍光はミラー６で反射されて被測定光１３とし
て光波上測定手段であるストリークカメラ７に入射され
る。

第２図はストリークカメラ７の構造を示すものであり、
その動作を含めて説明する。被測定光１３はスリット２
１に入射し、レンズ２２を介して入射光のスリット像を
ストリーク管２９の光電面２３に結像する。充電面２３
では入射光が電子に変換される。光電面２３から出た電
子はメツシュ状電極２４で加速され、偏向場を通過した
後、蛍光面２６に射突して再び光学像、すなわち、スト
リーク像に変換される。偏向場には一対の偏向電極２５
ａ、２５ｂかあり、偏向場に入る電子と同期した高速・
高圧の掃引電圧か印加される。この掃引電圧は端子２８
に入力される測定開始信号によってトリガされる掃引電
圧発生器２７により与えられる。この結果、光電面２３
から何時電子が出たかによって、その偏向角、すなわち
、蛍光面２６上の位置が決まり、入射光の時間軸ｔが蛍
光面２６上の縦軸ｙに変換されることとなる。ストリー
ク像の強度は入射光の強度に比例したものとなる。

第３図は測定開始信号生成手段８の詳しい構成を示した
ものである。すなわち、非線形光学媒質９の前後にレン
ズ３１および３２が設けられている。非線形光学媒質９
は自己発散効果を持ち光の強度が強くなると内部にて光
が発散する性質を持っており、本実施例ではＧａＡｓが
採用されている。ここで、自己発散効果について第１０
図を用いて簡単に説明する。非線形屈折率をもった媒質
中を光が伝搬するとき、その空間的強度分布に著しい変
化がおきる。非線形屈折率Δｎはその光の強度Ｅの関数
Δｎ　（ＩＥ　（ｒ、ｔ）Ｉ２）であるため、光の位相
の進み方は場所の関数となる。等位相面に垂直な方向が
光の進路であるから、八〇−〇の場合には、同図（ａ）
に示すように光はほぼ直進するか、Δｎ＞Ｑの場合には
、同図（ｂ）に示すように集束する。これを自己集束（
ｓｅｌｆ−ｒｏｃｕｓｉｎｇ）という。また逆に、Δｎ
＜０の場合には同図（ｃ）に示すように光は発散する。

これを自己発散（ｓｅｌｆ−ｄｅｒｏｃｕｓｉｎｇ　）
という。測定開始信号生成手段８はこの自己発散の性質
を利用して測定開始信号の遅延時間を安定させるもので
ある。

測定開始信号生成手段８に入射した超短パルスレーザ光
２はレンズ３１で非線形光学媒質９に集光される。非線
形光学媒質９では入射光強度か強くなると自己発散によ
りその透過光は破線で示すように拡がる。これによって
、光の一部がアパーチャー］０によって制限され、光検
出器１１に入射されなくなる。結果として超短パルスレ
ーザ光２の強度か強くなっても光検出器１］に入射され
る光の強度はほとんど変化しない。第４図はレンズ３１
への入射光強度と光検出器１１に向けての出射光強度と
の関係を明らかにするだめの実験結果を示すものであり
、・印でプロットしたものはアパーチャー１０を設けな
かった場合、ム印でプロットしたものはアパーチャー１
０を設けた場合である。この図かられかるように、アパ
ーチャー１０か設けられている本実施例では、入射光強
度にかかわらず出射光強度か常にほぼ一定の値（１０８
μＪ）となる。したがって、信号線１２に出力される測
定開始信号の遅延時間は常に安定した値となる。

このように、測定開始信号生成手段８からストリークカ
メラ７に与えられる測定開始信号のタイミングは、超短
パルスレーザ光２の強度変化の影響を受けない。そのた
め、極めて安定した波形測定ができる。

第５図は光波上測定手段としてストリークカメラ７に代
えて時間相関計数装置５１を用いた第２の実施例を示す
ものである。この実施例において、時間相関計数装置５
１以外は上述の第１実施例と同しである。時間相関計数
装置５１は光検出器５２、時間電圧変換器（Ｔｉ１１ｅ
　ｔｏ　ＡＩＩｐｌｉｔｕｄｅＣｏｎｖｅｒｔｅｒ：Ｔ
　Ａ　Ｃ）　５　Ｂ、マルチチャンネルアナライザ（Ｍ
ＣＡ）５４およびフィルタ５５て構成されている。この
装置では、被測定媒体５に超短パルスレーザ光２を照射
し、この照射により被測定媒体５から放出される光子を
光検出器５２で検出し、超短パルスレーザ光２を照射し
てから被測定媒体５からの光子を検出するまでの時間を
ＴＡＣ５３で計測する。１回の超短パルスレーザ光２の
照射に対し、１個程度の光子が検出されるようにフィル
タ５５によって調整されており、この時間計測を多数回
繰り返して得られた多数のデータをＭＣＡ３４でヒスト
グラム表示することにより、被測定媒体５からの光波形
を得るものである。光検出器５２は１個の光子を検出で
きる能力をもつ必要があるため、光電子増倍管やマイク
ロチャンネルプレート付きフォトマルチプライヤ（ＭＣ
Ｐ−ＰＭＴ）などが用いられる。

ＴＡＣ５Ｂは、スタート信号である測定開始信号が入力
されてから光検出器５２からのストップ信号が入力され
るまでの時間を電圧値として出力するものであり、その
時間か短いと電圧値が低く、長いと電圧値が高くなる。

ＭＣＡ３４はＴＡＣ５３の出力電圧とその頻度を記憶し
、横軸を電圧値、縦軸を頻度として表示する。光検出器
５２で検出される光子は被測定光１３の強度が強いとこ
ろではその検出確率が高く、弱いところでは低くなる。

つまり、被測定光１３の光波形は光子の飛来確率分布と
一致する。したがって、ＭＣＡ３４から得られる光子の
飛来確率分布を被測定光１３の光波形としてとらえるこ
とができる。

この装置においても、超短パルスレーザ光２が照射され
た時刻を検出するために、すなわち、測定開始信号を得
るために超短パルスレーザ光２をハーフミラ−４で分岐
して測定開始信号生成手段８に入射させている。そして
、第１の実施例と同様に測定開始信号生成手段８から出
力される測定開始信号のタイミングは極めて安定してい
るため、誤差のないヒストグラム表示が可能である。

第６図はさらに別の光波形測定手段であるサンプリング
型光波形観測装置６１を示すものであり、この装置を第
１実施例のストリークカメラ７と置き換えることも可能
である。光ファイバ６２を通ってきた被測定光１３をレ
ンズ６３でサンプリングストリーク管６４の光電面６５
に集光する。被測定光１３は光電面６５で光の強度に応
した光電子に変換され、放出される。放出された光電子
は加速電極６６で加速され、サンプリングスリット板６
７に向かう。加速電極６６とサンプリングスリット板６
７の間には２対の偏向電極６８．６９があり、光電子が
通過する際に水平と垂直の高速掃引電圧が掃引電圧印加
手段７０から印加される。

偏向電極６８には主掃引電圧が印加され、偏向電極６９
にはブランキング掃引電圧が印加される。

印加のタイミングは測定開始信号生成手段８からの測定
開始信号の入力タイミングが基準となる。

これにより光電子はサンプリングスリット板６７上で第
７図に示す軌跡の偏向を受ける。第７図において符号７
５．７６および７７はそれぞれ主掃引、ブランキング掃
引およびスリットを示す。なお、このとき光電子は図示
省略した集束電極により細いビーム状に集束される。サ
ンプリングスリット板６７には微小スリット７７があり
、高速掃引によりこの微小スリット７７を通過した一部
の光電子が傾向面７１に当たって発光し、その光を光電
子増倍管７２により電気信号として出力する。

その電気信号はアンプ７３で増幅され、図示省略した装
置によりデジタル化され記憶・処理される。

ソシて、この操作を複数回繰り返して行い、そのサンプ
リングのタイミングを順次ずらして観Ｉノすることによ
り、被測定光１３の原波形を求める。

第８図はサンプリングにより波形を求める原理を示すも
のである。観測波形は図示省略したブラウン管に表示さ
れる。

第９図に示す実施例は、第１図に示す第１実施例の変形
であり、被測定光１３の出力タイミングとストリークカ
メラ７に入力する測定開始信号との間の遅延量を調整す
るために、光デイレイ手段９１および遅延回路９２を設
けたものである。なお、この変形例は第５図に示す第２
の実施例や第６図のサンプリング型光波形観測装置６１
を用いた第３の実施例にも適用できる。

上述の実施例では、測定開始信号生成手段８内の非線形
光学媒質９としてＧａＡｓを用いているかこれに限定さ
れるものではなく、例えばＳ　Ｌ　ｓＺ　ｎ　Ｓ　ｅ　
％ポリジアセチレンｃｐｏ＋ｙｄｉａｃｅｔｙ＋ｅｎｅ
　＞などを用いることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の光波形測定装置によれば
、被測定媒体に対する励起光（超短パルス光）の強度に
変動があっても、光波形測定手段の動作にトリガを与え
る測定開始信号のタイミングは常に安定している。した
がって、高時間分解能をもつ光波形の測定を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
ストリークカメラの構造を示す斜視図、第３図は測定開
始信号生成手段８の詳しい構造を示す図、第４図は測定
開始信号生成手段８における入射光強度と出射光強度の
関係を示す図、第５図は本発明の第２の実施例を示すプ
ロ・ツク図、第６図は本発明のさらに別の実施例の光波
形測定手段として用いられるサンプリング型光波形観測
装置、第７図はサンプリング型光波形観測装置６１にお
ける掃引動作を示す図、第８図はサンプリング型光波形
観測装置６１の動作説明図、第９図は本発明のさらに別
の実施例を示すブロック図、第１０図は非線形光学媒質
９における光の伝搬を説明する図、第１１図は従来の測
定開始信号生成手段の動作を示す波形図である。 １・・・レーザ装置、２・・・超短パルスレーザ光、４
・・・ハーフミラ−５・・・被測定媒体、７・・・スト
リークカメラ、８・・・測定開始信号生成手段、９・・
・非線形光学媒質、１０・・・アパーチャー　１１・・
・光検出器、５１・・・時間相関計数装置、６１・・・
サンプリング型光波形観測装置。 、−△ ストリークカメラ 第２図 第１の芙り値例 第　１　図 須り定開文台信号汗」皮＋段 嬉３図 入射光と出射光との関係 第４図 リンブリング型光波形観測装置 第　６ヌ 第７図 サンプリングの原理 第８図 第２の大塵例 第５図 （ａ） （ｂ） 非線形光学媒質の性質 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、測定開始信号を入力する毎に所定の動作を実行して
   超短パルス光で照射された被測定媒体から発せられる被
   測定光の光強度波形を測定する光波形測定手段と、前記
   被測定媒体に照射される前記超短パルス光の一部を分岐
   する手段と、この分岐手段により分岐された超短パルス
   光に基づいて測定開始信号を生成し出力する手段とを備
   え、前記測定開始信号生成手段は 入射する前記超短パルス光の強度に屈折率が依存する非
   線形光学媒質と、この非線形光学媒質から出射された超
   短パルス光の照射領域を制限する手段と、この制限手段
   を通り抜けた超短パルス光を検出して電気信号に変換し
   前記測定開始信号として出力する光検出手段と を有することを特徴とする光波形測定装置。 ２、非線形光学媒質は非線形屈折率Δｎ＜０を示し自己
   発散効果を示すものであることを特徴とする請求項１に
   記載の光波形測定装置。 ３、光波形測定手段はストリークカメラであることを特
   徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光波形測
   定装置。 ４、光波形測定手段は時間相関光子計数装置であること
   を特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光波
   形測定装置。 ５、光波形測定手段はサンプリング型光波形観測装置で
   あることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記
   載の光波形測定装置。 ６、非線形光学媒質はＧａＡｓ、Ｓｉ、ＺｎＳｅまたは
   ポリジアセチレンであることを特徴とする請求項１から
   ５のいずれかに記載の光波形測定装置。