JPH0545230A - 光パルス幅測定装置及びそれを用いた光パルス幅測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２光子吸収効果を有する媒体を利用して光パル
ス幅を高精度に測定することができる光パルス幅測定装
置及びそれを用いた光パルス幅測定方法を得ること。 【構成】 光源手段１１から放射した光束を光分割器１
２で２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異なっ
た光路で、異なった光学的作用を付与した後該光分割器
で合成して２光子吸収効果を有する媒体１７に互いに強
度が異なる２光束で入射させ、該媒体を介した２光束の
うち一方の光束を光検出器１９で検出し、該光検出器で
得られる信号を用いて該光束の光パルス幅を測定したこ
と。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザ等の光源手段から
放射される光のピコ秒オーダーの非常に短い光パルス幅
を光学的に高精度に測定することができる光パルス幅測
定装置及びそれを用いた光パルス幅測定方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より非線形光学結晶を利用して光源
から放射される光束のピコ秒程度の非常に短い光パルス
幅を測定するようにした光学装置が種々と提案されてい
る。

【０００３】図１１は従来の第２高調波発生（ＳＨＧ）
が発生可能な非線形光学結晶としてＳＨＧ結晶（ＫＤ
Ｐ）を用いた光パルス幅測定装置の要部概略図である。

【０００４】同図では光源手段１０１から放射された被
測定光としての周波数ωの光束はビームスプリッター１
０２によって反射光ＬＲと透過光ＬＴの２つの光束に分
割している。このうち透過光ＬＴは固定のミラー１０４
で反射し、元の光路に戻している。又反射光ＬＲは光軸
方向に可動のミラー１０３で光路長を透過光ＬＴに比べ
て変化させて（相対的時間差τを付与して）反射し、元
の光路を戻している。そしてビームスプリッター１０２
で反射光と透過光を合成している。このときミラー１０
３を所定量移動させることにより透過光と反射光に既知
の相対的時間差を付与するようにしている。

【０００５】そして２つの光束をＫＤＰ等の第２高調波
（ＳＨＧ）が発生可能な非線形光学結晶（ＳＨＧ結晶）
１０５に入射させている。

【０００６】このとき２つの光束の偏光方位とＳＨＧ結
晶の結晶軸との相対的な位置関係とをＳＨＧ発生に必要
な位相整合条件を満足するように配置し、これにより高
効率の周波数２ωの第２高調波（ＳＨＧ）が発生するよ
うにしている。そしてωカットフィルター１０６で周波
数ωの光束をカットし、周波数２ωの光束のみを通過さ
せて光検出器１０７で検出している。このときＳＨＧ結
晶１０５からの周波数２ωのＳＨＧ光（第２高調波）の
発生効率は２光束ＬＴ，ＬＲの時間に関する相関関数に
依存してくる。

【０００７】そこで一方のミラー１０３を光軸方向に順
次移動させて光路長を０から１パルスに相当する値以上
に変え、このとき光検出器１０７でＳＨＧ光の光強度を
測定することにより被測定光の光パルスの自己相関関数
を得ている。これより演算手段により被測定光のパルス
形状を求め、被測定光の光パルス幅を求めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図１１に示すＳＨＧ結
晶を利用した光パルス幅測定装置では光源手段から放射
された光束がＳＨＧ結晶に入射する際、光束が位相整合
条件を満足して入射するように各要素を設定しなければ
ならず、この為各要素を精度良く組立調整するのが大変
困難であった。

【０００９】又、精度の良いＳＨＧ結晶を得るにはＳＨ
Ｇ結晶を所望の結晶方位に高精度に切り出さなければな
らず、この為製造が大変難しいという問題点があった。

【００１０】本発明は光束の高精度な位相整合を全く不
要として被測定光の光パルス幅を高精度に容易に測定す
ることができる光パルス幅測定装置及びそれを用いた光
パルス幅測定方法の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の光パルス幅測定
装置は、 （イ）２光子吸収効果（ＴＰＡ効果）を有する媒体に参
照光と計測光の２つの光束を入射させ、該媒体を介した
２つの光束のうち少なくとも該計測光を光検出器で検出
し、該光検出器からの信号を利用して、該光束の光パル
ス幅を測定したことを特徴としている。特に前記計測光
の光強度は前記参照光の光強度に比べて弱いことを特徴
としている。

【００１２】（ロ）光源手段から放射した光束を光分割
器で２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異った
光路で、異った光学的作用を付与した後、該光分割器で
合成して２光子吸収効果を有する媒体に互いに強度が異
なる２光束で入射させ、該媒体を介した２光束のうち少
なくとも一方の光束を光検出器で検出し、該光検出器で
得られる信号を用いて該光束の光パルス幅を測定したこ
とを特徴としている。 （ハ）光源手段から放射した光束を光分割器で２つの光
束に分割し、該２つの光束を互いに異った光路を介して
２つの光束間に時間差を付与した後、該光分割器で合成
し、該２つの光束を互いに強度の異った光束で２光子吸
収効果を有する媒体に入射させ、該媒体から射出する２
光束のうち少なくとも強度の弱い方の光束を該時間差を
時間的又は空間的に変化させて光検出器で検出し、該光
検出器で得られる信号を用いて該光束の光パルス幅を測
定したことを特徴としている。

【００１３】この他本発明の光パルス幅測定方法として
は、 （ニ）光源手段から放射した光束を光分割器で２つの光
束に分割し、該２つの光束を互いに異った光路に導光
し、このうち一方の光束の光路長を変えて他方の光束に
比べて時間差を付与した後、該光分割器で合成し、その
後２光子吸収効果を有する媒体に互いに強度が異なる２
光束で入射させ、該媒体を介した２光束のうち少なくと
も強度の弱い方の光束の光強度を光検出器で該時間差を
時間的に又は空間的に種々と変化させながら検出し、該
光検出器で得られた信号を用いて該光束の光パルス幅を
測定したことを特徴としている。

【００１４】又更に本発明の光パルス幅測定装置は、 （ホ）光強度に応じて光透過率が変化する媒体に参照光
と計測光の２つの光束を入射させ該媒体を介した２光束
のうち少なくとも該計測光を２光束の該媒体への到達時
間差を時間的又は空間的に変化させて光検出器で検出
し、該光検出器からの信号を利用して該光束の光パルス
幅を測定した事を特徴としている。

【００１５】（ヘ）光源手段から放射した光束を光分割
器で２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異なっ
た光路に導光し、このうちの少なくとも一方の光束の光
パルスの波頭を傾けて、その後２光子吸収効果を有する
媒体に互いに強度が異なる２光束で異なる方向から入射
させ、該媒体を透過した２光束のうち少なくとも強度の
弱い方の光束の光強度の空間分布を光検出器で検出し、
該光検出器で得られた信号を用いて該光束の光パルス幅
を測定したことを特徴としている。

【００１６】この他、前記強度の弱い方の光束が前記２
光子吸収効果を有する媒体に入射する面と透過する面が
互いに非平行となっていることを特徴としている。

【００１７】

【実施例】図１は本発明において光パルス幅を測定する
際の原理を示した要部概略図である。同図において１は
参照光としてのポンプ光束、２は計測光としてのプロー
ブ光束であり、双方の光束１，２は同一の光源手段から
放射され分離したものである。このうちポンプ光束１は
プローブ光束２に比べてパルスエネルギー（光強度）が
大きくなるようにしている。又、双方の光束１，２間に
は所定の時間差を付与している。

【００１８】３は２光子吸収効果（ＴＰＡ効果）を有す
る媒体（以下「ＴＰＡ媒体」という。）であり、例えば
ＧａＡｓ等の非線形光学結晶より成っている。ポンプ光
束とプローブ光束の光子エネルギーはＴＰＡ媒体３のバ
ンドギャップより小さいものを用い、ＴＰＡ媒体３によ
る光吸収が顕著になるようにしている。４は光検出器で
あり、ＴＰＡ媒体３を通過した２つの光束のうちプロー
ブ光束２の光強度（光透過率）を検出している。

【００１９】本実施例ではポンプ光束１に対してプロー
ブ光束２に所定の時間遅れ（時間差τ）があるとプロー
ブ光束２はＴＰＡ媒体３を通過する際、時間差に応じた
量だけＴＰＡ媒体３で光吸収される。この結果ＴＰＡ媒
体３を通過する際のプローブ光束２の光強度（透過率）
が時間差τに応じて変化してくる。

【００２０】光検出器４はポンプ光束１に対してプロー
ブ光束２の時間差を種々と変えたときのプローブ光束２
の光量を検出している。即ちプローブ光束２の自己相関
関係を検出している。そして後述する図２に示すよう
に、このとき光検出器４で得られるプローブ光束２の光
強度（透過率）の変化と２光束間の時間差との関係より
プローブ光束（ポンプ光束）の光パルス幅を演算し求め
ている。

【００２１】次に本発明における光パルス幅の測定方法
について数式を用いて説明する。プローブ光束２がＴＰ
Ａ媒体３中の伝搬方向（ｚ軸方向）で受ける光吸収は次
の微分方程式で記述される。

【００２２】

【数１】 ここでαは線形吸収係数、β₁₁ ,β₁₂ ,β₂₂,は２光子
吸収係数、ＩはＴＰＡ媒体３の表面からの伝搬距離ｚ、
同径距離ｒでの光強度で、添字１，２はそれぞれポンプ
光束とプローブ光束を示し、τはプローブ光束２に対す
るポンプ光束１の時間的遅れ（時間差）を示す。尚、上
式では２光束１，２のパルスエネルギーがあまり大きく
なく、線形吸収及び２光子吸収により生成された自由キ
ャリアによる２光束の光吸収が無視できるものとしてい
る。この場合Ｉ₁ 》Ｉ₂ としてポンプ光束の減衰が無視
できるとしてさらにβ₁₁＝β₁₂≡βの場合を考えると次
の解を得る。

【００２３】

【数２】 ここでＩ₁₀（ｒ，ｏ；ｔ）、Ｉ₂₀（ｒ，ｏ；ｔ）はＴＰ
Ａ媒体に入射する２光束の強度、ＲはＴＰＡ媒体の表面
でのフレネル反射率で、ＴＰＡ媒体中の多重反射を無視
して、ＴＰＡ媒体の透過直後のプローブ光束２の光強度
を Ｉ₂ ^out（ｒ，ｚ；ｔ）＝（１−Ｒ）Ｉ₂ （ｒ，ｚ；ｔ） としている。

【００２４】さらに、２光子吸収による減衰が小さい場
合、（２）式は Ｉ₂ ^out(r,z;t) ≒(1-R)² Ｉ₂₀(r,o;t)e^{- αz} { 1-β(1-R)Ｉ₁₀(r,o;t- τ)z} ………（３） と近似できる。上式から２光子吸収による透過光強度の
変化は、２光束のパルス形状が同じで相対強度のみ異な
るとして、Ｉ₂₀＝γＩ₁₀と置くと、 ΔＩ≡Ｉ₂ ^out（ｒ，ｚ；ｔ）−（１−Ｒ）² Ｉ₂₀（ｒ，ｏ；ｔ） ≡ −γβ（１−Ｒ）³ Ｉ₂₀（ｒ，ｏ；ｔ）Ｉ₂₀（ｒ，ｏ；ｔ＋τ）ｚ となる。実際の検出値はピコ秒オーダーの光パルスの場
合、その時間積分値となるので単一光パルスについて考
えると

【００２５】

【数３】 となり、入射光束パルスの自己相関関数に比例する。例
えば、入射パルス波形がガウシアン分布であるとする
と、今、便宜上、パルス幅を半値全幅（ＦＷＨＭ）で定
義することにして、入射光束パルスの半値全幅（ＦＷＨ
Ｍ）ｔ_p と総関値の半値全幅（ＦＷＨＭ）Δτとの間に
は、

【００２６】

【数４】 なる関係があることから、本発明に係る２光子吸収効果
を有した媒体による相関値の半値全幅Δτの測定からパ
ルス幅ｔ_p を算出することができる。このように自己相
関によるパルス幅の推定は、パルスの形がガウス分布以
外でも、特定の関数形（例えば、ｓｅｃｈ² パルス）を
仮定することでその自己相関関数が事前にわかるために
（これは、従来のＳＨＧ法でも同じ）、上述と同様に本
発明によりパルス幅を推定できる。

【００２７】図２はＧａＡｓを用いてＮｄ：ＹＡＧレー
ザ（波長１．０６μｍ）の半値全幅ｔ_p ＝２８．７ピコ
秒（ストリークカメラによる測定値）のガウシアン形状
の光パルスによる２光子吸収を、２光束間の相対時間差
τに対して光検出器４で得られる値を透過率変化として
測定した例である。

【００２８】本実施例においては、２光束の強度比をポ
ンプ光束：プローブ光束＝２４：１としている。これは
プローブ光束の単独の２光子吸収が２光束の相関による
２光子吸収よりも十分に小さい条件であり、一パルス当
りのエネルギーは７ｍＪ／ｃｍ² で、自由キャリア吸収
は無視できる。図中の曲線は、光パルスがガウシアン形
状である場合の相関関数がやはりガウシアン形状となる
ことからガウシアン関数でフィッティングしたもので、
本実施例においてフィッティングの誤差は２％未満程度
であった。

【００２９】この曲線のフィッティング・パラメータか
ら求めたΔτは３５ピコ秒であり（４）式から、パルス
幅ｔ_p は２８．８ピコ秒と推定できる。この測定例から
得られたパルス幅ｔ_p はストリークカメラによる単一光
パルスの測定値にほぼ等しいことが確認された。

【００３０】尚、本発明においては２光子吸収効果（Ｔ
ＰＡ効果）を有する媒体としてＧａＡｓを用いた場合を
示したが、ＴＰＡ効果を有する他の媒体として、例えば
ＣｄＴｅ，ＩｎＰ等の半導体やＢａＴｉＯ₃ 、ＫＮｂＯ
₃ ，ＳＢＮ等の絶縁体等を用いても前述した実施例と同
様の効果を得ることができる。

【００３１】図１に示した原理図ではポンプ光とプロー
ブ光をＴＰＡ媒体に非平行に入射させたが双方の光束を
ＴＰＡ媒体に平行に入射させても良い。この場合、双方
の光束の偏光状態を直行させればプローブ光束のみを光
検出器で効果的に検出することが出来、Ｓ／Ｎ比が向上
するので好ましい。

【００３２】次に本発明の光パルス幅測定装置及びそれ
を用いた光パルス幅測定方法の具体例について説明す
る。

【００３３】図３は本発明の光パルス幅測定装置の実施
例１の要部概略図である。

【００３４】同図において１１は光源手段であり、例え
ばレーザ光源等を有しており、被測定光としての偏光し
ているパルス光を放射している。１２は光分割器として
の偏光ビームスプリッターであり光源手段１１からの光
束を反射光ＬＲと透過光ＬＴの互いに直交する２つの直
線偏光の光束に分割している。

【００３５】このうち例えば紙面に垂直方向に偏光面を
有する反射光ＬＲ（以下「プローブ光束」とする。）は
λ／４板１３を通り円偏光となり、光軸方向に移動可能
なミラー１４で反射し、再度λ／４板１３を通って紙面
と平行方向に偏光面を有する直線偏光となり今度は偏光
ビームスプリッター１２を通過している。

【００３６】一方、偏光ビームスプリッター１２を通過
した紙面に平行方向に偏光面を有する透過光ＬＴ（以下
「ポンプ光束」とする。）はλ／４板１５を通過し円偏
光となり、固定のミラー１６で反射して再度λ／４板１
５を通って紙面と垂直方向に偏光面を有する直線偏光と
なり今度は偏光ビームスプリッター１２で反射してい
る。これにより２つの光束ＬＲ、ＬＴを偏光ビームスプ
リッター１２で合成している。

【００３７】このときミラー１４の光軸方向の位置を変
えることによりポンプ光束ＬＴに対してプローブ光束Ｌ
Ｒを所定時間遅らせて偏光ビームスプリッター１２で合
成している。即ちプローブ光束ＬＲとポンプ光束ＬＴと
の間に相対的な時間差を付与している。

【００３８】そして偏光ビームスプリッター１２からの
２つの光束を２光子吸収効果を有する媒体（ＴＰＡ媒
体）１７に平行状態で入射させている。このときプロー
ブ光束ＬＲとポンプ光束ＬＴとの２光束間の光強度が互
いに異なるようにして双方の光束をＴＰＡ媒体１７に入
射させている。

【００３９】例えば光源手段１１から放射した光束の偏
光状態（楕円偏光の形）を調整して偏光ビームスプリッ
ター１２に入射させることにより、又は光路中にＮＤフ
ィルター等の光学的フィルター等を配置することにより
ＴＰＡ媒体１７に入射するプローブ光束ＬＲとポンプ光
束ＬＴの光強度が互いに異なるようにしている。そして
プローブ光束２がＴＰＡ媒体１７を通過する際に、時間
差に応じた量だけＴＰＡ媒体１７で光吸収させている。

【００４０】次いでＴＰＡ媒体１７を通過したポンプ光
とプローブ光の２つの光束のうち光強度の弱い方のプロ
ーブ光束ＬＲのみを偏光板１８により通過させて光検出
器１９に入射させている。このとき可動のミラー１４を
光軸方向に例えば光パルス幅よりも長い距離だけ移動さ
せて、双方の光束に付与する時間差を種々と変えてい
る。そしてＴＰＡ媒体１７を通過したプローブ光束ＬＲ
の光強度を、即ち時間差に応じたプローブ光束ＬＲの透
過率変化を光検出器１９で検出している。

【００４１】次いで光検出器１９からの信号（即ち光束
時間差毎の光強度）を用いて演算手段２０により光源手
段１１から放射される光束の光パルス幅を前述した式を
用いて演算し求めている。

【００４２】図４は本発明の光パルス幅測定装置の実施
例２の要部概略図である。同図において図３の実施例１
で示した要素と同一要素には同符番を付している。

【００４３】本実施例は図３の実施例１に比べて光源手
段４１から放射される被測定光が直線偏光であること例
えば紙面に垂直方向に偏光面を有する直線偏光である点
が大きく異なっている。

【００４４】本実施例では光源手段４１から放射された
直線偏光の光束はビームスプリッター（ハーフミラー）
４２で反射光ＬＲと透過光ＬＴの２つの光束に分割して
いる。このうち反射光（プローブ光束）ＬＲは光軸方向
に可動のコーナーキューブ４３で反射して光路を平行移
動させた状態でビームスプリッター４２に再入射してい
る。

【００４５】又、透過光（ポンプ光束）ＬＴは固定のミ
ラー４４で反射してビームスプリッター４２に再入射し
ている。これにより２光束ＬＲ，ＬＴ間に所定の時間差
を付与してビームスプリッター４２で合成している。

【００４６】そして例えばポンプ光束ＬＴのみをλ／２
板４５を介して偏光面を９０度回転させて紙面と平行方
向に偏光面を有する直線偏光としている。そして２光束
ＬＲ，ＬＴを集光レンズ４６により集光してＴＰＡ媒体
１７に非平行の状態で入射させている。

【００４７】これは、プローブ光ＬＲとポンプ光ＬＴと
が同一の偏光方向の場合、ＴＰＡ媒体１７で過渡的に生
じる屈折率格子による過渡的エネルギー結合を防ぐため
である。ただし、この効果が生じないようなＴＰＡ媒体
であれば、同一偏光でも良いことは言うまでもない。こ
のとき例えばビームスプリッター４２の反射率と透過率
の比率を調整したり、又は光路中にＮＤフィルター等の
光学フィルターを配置したりしてプローブ光束ＬＲとポ
ンプ光束ＬＴとの光強度が互いに異なるようにしてＴＰ
Ａ媒体１７に入射させている。

【００４８】そしてＴＰＡ媒体１７を通過した光束のう
ち光強度の弱い方のプローブ光束ＬＲのみを光検出器１
９で検出している。

【００４９】そしてコーナーキューブ４３を光軸上変位
させ、２光束間に１パルス以上の時間差を付与し、この
とき光検出器１９で得られる信号を用いて実施例１と同
様にして演算手段２０で光源手段４１から放射した光束
の光パルス幅を演算し求めている。

【００５０】尚、本実施例においてλ／２板４５の代わ
りにビームスプリッター４２とミラー４４との間にλ／
４板を配置して、これよりポンプ光束ＬＴの偏光面を９
０度回転させるようにしても良い。

【００５１】図５は本発明の実施例３の要部概略図であ
る。一方の鏡の光路長を逐次変化させて各々の光路長に
対して被測定光の光パルスのＳＨＧによるある時間遅れ
に対する自己相関の値を得ていると全体の自己相関関数
（つまり、パルス幅の推定値）を得るためには、数多く
のパルスについて測定を行なうことが必要となる。つま
り、得られたパルス幅の推定値は、数多くのパルスに対
しての平均値となっている。

【００５２】ところが、このようにして求められるパル
ス幅は被測定光の光パルスを発生するレーザーが順次に
全く同一のパルスを発生する場合には正確な値となる
が、特に高エネルギーのパルスを発生するレーザーにお
いては、それぞれのパルスが同一のパルスを発生するこ
とは稀であった。

【００５３】本実施例では被測定光の光パルス幅の時間
的な相関関数を空間座標の相関関数に変換して光パルス
幅を測定している点が実施例１と異なっている。

【００５４】即ち、本実施例においては光源手段５０か
ら放射した被測定光は一次元のコリメーターレンズ５１
により紙面（ｚ方向）に拡大された（ｘ方向は、入射時
と同じ）「シートビーム」にしている。このとき、シー
トビームの両端でのパルスに時間遅れはない。次ぎに、
このシートビームをビームスプリッター５２で二つのシ
ートビームに分けている。

【００５５】さらに二つのシートビームのうち、一方の
シートビームのエネルギーは、他方のシートビームのエ
ネルギーよりも十分小さいようにしている。そしてそれ
ぞれのシートビームは、ｙｚ面内でそれぞれｘｙ面、ｘ
ｚ面にθだけ傾けられた回折格子５３および５４により
ｚ方向に対しては入射方向と同一方向に回折（反射）し
ている。これを実現するために、該回折格子５３および
５４にはブレイズト格子（ｂｌａｚｅｄ ｇｒａｔｉｎ
ｇ）を用いて、入射方向と同一の方向に強い回折光束が
得られるようにしている。

【００５６】さらに、該回折格子５３および５４はそれ
ぞれｙ軸、ｚ軸を中心軸に、互いに逆方向に多少傾けて
おり、該回折格子５３と５４から反射したシートビーム
をビームスプリッター５２に再入射後もｘ方向に（紙面
に垂直方向）上下に分離している。ここで反射されたシ
ートビームは、該回折格子５３および５４がそれぞれｘ
ｙ面、ｘｚ面に対してθだけ傾けられているために、反
射時には図のように各々のシートビームの両端のパルス
は、ｚ軸にたいして傾いている。

【００５７】そのために、二つのシートビームは、その
中心位置で両パルスは重なっている（つまり、時間遅れ
無し）が、中心位置からｙ方向では、二つのシートビー
ムのパルスの相対的な時間遅れが空間の位置に変換され
た形で生じる。これら二つのシートビームは、再びビー
ムスプリッター５２を介して光学素子５５に入射する。
該光学素子５５（例えば、プリズム）は、該回折格子５
３と５４からのシートビームをｘ方向に平行にする役割
を果たす。

【００５８】そして、このように平行にされたシートビ
ームは、ｘ方向に集光作用を有する一次元レンズ５６を
介して媒体５８上でｘ方向に集光する様にされると共に
二つのシートビームのうちの一方のシートビームの偏光
方向を半波長板５７により９０度回転させて、他方のシ
ートビームの偏光方向と直交させて２光子吸収媒体（Ｔ
ＰＡ媒体）５８に入射させている。

【００５９】これは、同一の偏光方向の場合、該２光子
吸収媒体５８で過渡的に生じる屈折率格子による過渡的
エネルギー結合を防ぐためである。該２光子吸収媒体５
８を透過する二つのシートビームのうち、エネルギーの
小さいほうのシートビームは、ｘ方向に集光作用を有
し、ｙ方向にレンズ作用をもたない（例えばシリンドリ
カル）レンズ系５９を介してｙ方向に素子が配列された
ラインセンサー６０上に線状結像してラインセンサーに
検出される。

【００６０】このとき、検出される側のシートビームは
該２光子吸収媒体５８内での非線形吸収効果により、シ
ートビームの中心部分での吸収が最大となりそこからｙ
方向にずれるにつれ吸収が小さくなる。このため、セン
サー６０によりこの一方のシートビームのエネルギーを
検出すると、ラインセンサーの各素子毎の出力分布は図
２の実験結果と同様の形状、即ちシートビームの透過率
がシートビーム中心で最小となる被測定光の光パルスの
相関関数の形となる。

【００６１】これにより被測定光の光パルスの時間的相
関関数が空間座標（図のセンサー上ｙ軸方向位置）の関
数として、同時刻に検出でき、これを用いて前述と同様
に被測定光の光パルス幅を推定している。本実施例では
以上のようにして光パルスは幅を測定している。

【００６２】図６は本発明の実施例４の要部概略図であ
る。

【００６３】本実施例では、図５の実施例３に比べて回
折格子６３および６４は、ｙ−ｚ面上でそれぞれｘｙ
面、ｘｚ面にθだけ傾けられているのは同じであるが、
それぞれｙ軸ｚ軸を中心にしては傾けられてはいない点
が異なっている。そのために、該回折格子６３および６
４から反射した二つのシートビームは空間的には分離さ
れていない。この場合、反射したシートビームの一方の
偏光方向を他方のシートビームの偏光方向と直交させる
ために４分の１波長板６５を一方のシートビームの光路
内においている。

【００６４】更に２つのシートビームのうち、一方のシ
ートビームのエネルギーは、他方のシートビームのエネ
ルギーよりも十分小さいようにしている。そして、一次
元レンズ６６によりｘ方向に集光して２光子吸収媒体６
７に集めている。該２光子吸収媒体６７を透過する二つ
のシートビームのうち、エネルギーの小さいほうのシー
トビームは、ｘ方向のみに集光作用を有するレンズ系６
８を介して偏光素子６９により選択的に透過させてｙ方
向に素子が配列されたラインセンサー６０上に線状結像
している。

【００６５】このとき、該２光子吸収媒体６７内での非
線形吸収効果により、シートビームの中心部分での吸収
が最大となり、そこからｙ方向にずれるにつれ吸収が小
さくなる。このため、図５の実施例と同様にシートビー
ムの透過率がシートビーム中心で最小となる被測定光の
光パルスの相関関数の形となる出力がラインセンサーの
出力分布として検出される。これにより、被測定光の光
パルスの時間的相関関数が空間座標の関数として、同時
刻に検出でき、被測定光の光パルス幅を推定している。

【００６６】図７は本発明において光パルス幅を測定す
る際の原理を示した要部概略図である。

【００６７】同図に示す原理は図１に示した原理に比べ
て二光子吸収媒体７１に対して計測光７２と参照光７３
を直交した角度で入射させ、このとき参照光の光パルス
の波頭が参照光の光束幅に沿って図７に示すように傾け
られている点が異なっている。

【００６８】図７に示すようなパルス光の波頭の傾け方
法としては例えば図８に示すようにブレーズド格子８１
により参照光束８２を反射させることにより実現でき
る。以下に、このパルス光の波頭の傾けの理由を図７に
より説明する。

【００６９】互いに直交して該二光子吸収媒体７１に入
射した計測光７２と参照光７３は、該媒体中を伝搬す
る。このとき、図７のＡ０，Ｂ０，Ｃ０の各点において
は参照光と計測光の光パルスの重なりはそれぞれ、「参
照光が進んでいる」、「参照光と計測光の進み・遅れが
無い」、「計測光が進んでいる」というようになる。

【００７０】ところが参照光束の波頭に傾きが無いと計
測光の波面の同一点（Ｐ１で示した部分）においてＡ０
と同一線上のＡ１及びＡ２を通過した時に交差する参照
光との時間差はＡ０での時間差とは異なる時間差となっ
てしまう。同様にＢ０とＢ１，Ｂ２そしてＣ０とＣ１，
Ｃ２についても同様な結果となる。

【００７１】そこで、計測光束の水平方向の各点が該媒
体を伝搬中に参照光束と交差するときに各点毎に参照光
と常に同一の時間差となるようにするには、参照光束の
波頭を図７に示すように傾ける必要がある。このときの
傾きは、図７において媒体中でのＡ０とＡ１の差Ｌ１´
に対して、Ｌ１＝ｎ・Ｌ１´（ここでｎは該媒体の屈折
率）となるように空気中での差がＬ１となるように設定
しておく。

【００７２】こうすると、計測光束のうちＰ１の光パル
スはＡ１，Ａ０，Ａ２の各点において参照光束の光パル
スと同一の時間差（この場合、参照光が進んでいる）で
出会うことになる。同様にして、計測光束のうちＰ２の
光パルスはＢ１，Ｂ０，Ｂ２の各点において参照光束の
光パルスと同一の時間差（この場合、時間差無し）で出
会い、又計測光束のうちＰ３の光パルスはＣ１，Ｃ０，
Ｃ２の各点において参照光束の光パルスと同一の時間差
（この場合、計測光が進んでいる）で出会うことにな
る。

【００７３】次にこのようにして計測光束の各点での光
パルスが参照光束のそれらとある決まった時間差で出会
うときの計測光束の光パルスの様子を説明する。

【００７４】今、計測光の該媒体からの出射面ｚ＝Ｌで
の光強度をＩ_P （Ｌ；ｔ）とし、垂直方向の点ｘでの参
照光の光強度をＩ_r （ｘ；ｔ＋τ）とすると、（ここで
τは計測光束のｘ軸方向の位置に依存し、ｃを真空中の
光の速度としてτ＝ｎ（ｘ-ｘ０）／ｃであらわされ
る）、Ｉ_P＜＜Ｉ_r のとき計測光が受ける二光子吸収効
果は近似的に以下であらわされる。 Ｉ_P (Ｌ；ｔ)＝Ｉ_P0（０；ｔ）ｅｘｐ［−（α＋βＩ_r （ｘ；ｔ＋τ））Ｌ］ ≒Ｉ_P0（０；ｔ)[１−βＩ_r（ｘ；ｔ＋τ）Ｌ］ｅｘｐ(−αＬ) ‥‥（５） ここでＩ_P0は該媒体の入射面での計測光束の光強度、α
は該媒体の線形吸収係数、βは該媒体の二光子吸収係数
であり、二光子吸収効果は小さいとした。

【００７５】尚、上式の中でＩ_r （ｘ；ｔ＋τ）はｘ軸
方向に線形吸収及び自分自身の二光子吸収効果による減
衰を受ける（計測光による二光子吸収による減衰は無視
できるとする）ことから、

【００７６】

【数５】 とあらわされる。ここでＩ_r （０；ｔ＋τ）はｘ＝０で
の参照光の光強度であり、β₁₁は参照光自身の二光子吸
収係数で近似は線形吸収及び二光子吸収が小さいとし
た。（６）式を（５）式に代入すると、ββ₁₁の項はβ
の項に比べ小さいので無視して、 Ｉ_P(L;t)＝Ｉ_P0(0;t)［１−β(L+x)Ｉ_ro(o;t+τ)ｅｘｐ(-αx)］ｅｘｐ(-αL) ‥‥（７） となる。上式から二光子吸収による計測光の変化は計測
光強度と参照光強度との積となることがわかる。

【００７７】更に、このような計測光束は光ラインセン
サーにより光検出されるが、この光検出器の応答速度は
計測光パルス幅よりも十分遅いために検出されるのはそ
の時間積分値となる。したがって、該光ラインセンサー
により検出される計測光束の空間分布は

【００７８】

【数６】 となる。ここで時間差τは該ラインセンサー上のｘ軸方
向に対応しておりｘ＝ｘ０＋ｃτ／ｎであらわされる。

【００７９】この結果から参照光束の該媒体での光吸収
により光ラインセンサー７４面上で観測される空間分布
は被測定光パルスの自己相関関数（τの関数）と線形及
び非線形光吸収の影響の項（τの関数）の積であらわさ
れる。

【００８０】通常、二光子吸収効果を有する媒体に対し
て参照光及び計測光の波長は線形吸収を受ける波長に比
べ約２倍程度の波長であるために、その波長での線形吸
収は（不純物等による吸収がなければ）非常に小さい。
その場合には（８）式の線形吸収の影響は無視できて、

【００８１】

【数７】 と書ける。

【００８２】この場合、自己相関関数の前のβ（Ｌ＋
ｘ）の項の影響（即ちτの依存性）は、光検出後の信号
処理により校正するか、あるいは図９（Ａ）あるいは図
９（Ｂ）のように該媒体７１の厚みＬをＬ＝Ｌ０＋ｘ０
- ｘ＝Ｌ０- ｃτ／ｎ（Ｌ０＞ｘ０）とウエッジ形状に
することにより解消することができる。

【００８３】尚、本発明において用いられる二光子吸収
媒体としてＧａＡｓ，ＣｄＴｅ，ＩｎＰ等の半導体や、
ＢａＴｉＯ３，ＫＮｂＯ３，ＳＢＮ，ＫＮＳＢＮ等の絶
縁体等を用いることにより、前述した効果を得ることが
できる。

【００８４】次に前述した原理に基づく光パルス幅測定
装置の具体例について説明する。

【００８５】図１０は本発明の光パルス幅測定装置の実
施例５の要部概略図である。光源手段９０から射出した
被測定光パルスは、円筒レンズ系からなるコリメーター
９１により紙面に平行な面でシートビームに変換され
る。そしてビームスプリッター９２により二分された一
方のビームは図８で説明したようにビームスプリッター
９３及びブレーズド格子９４により波頭が傾いた光束と
してビームスプリッター９３を介して二光子吸収媒体９
６に参照光として入射される。

【００８６】又、他方のビームはミラー９５を介して該
二光子吸収媒体９６に計測光として該参照光と直交して
入射される。尚、この場合、計測光の光強度は参照光の
光強度に比べて十分弱くする必要がある。

【００８７】図７で説明したような該媒体９６中での参
照光との相互作用後、該媒体９６の射出面での該計測光
はレンズ９７により光センサー９８上に結像され、該計
測光と該参照光との間の自己相関関数が、該光センサー
９８上での空間分布として検出される。これにより該光
源手段９０からの単一の被測定光パルスのパルス幅が自
己相関関数により推定される。

【００８８】例として、被測定光パルスの時間波形がガ
ウス分布であり、その半値全幅（ＦＷＨＭ）がｔｐであ
るとすると、自己相関関数のＦＷＨＭをΔτとしたとき
には前述の（４）式と同様に

【００８９】

【数８】 で与えられるので、Δτから被測定光パルス幅ｔｐを推
定することができる。

【００９０】尚、図１０において計測光の波頭を傾け、
その代わり参照光の波頭は傾けないようにしても良いこ
とはいうまでもない。あるいは参照光の該媒体９６から
の透過光束をレンズ９７および光センサー９８により検
出しても良いことはいうまでもない。ただし、この場
合、上記の実施例とは逆に参照光の光強度は計測光の光
強度に比べて十分弱くする必要がある。そしてこの場
合、図９に示した該媒体７１の形状の配置は９０度回転
して用いる必要がある。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば以上のように２光子吸収
効果を有する媒体を用いて、該媒体を通過する被測定光
の光パルスの自己相関関数を順次得ることにより、又は
被測定光パルスの自己相関関数を一度に空間の分布に変
換して得ることにより、光束の高精度な位相整合を全く
不要とし、光パルス幅を高精度に測定することができる
光パルス幅測定装置及びそれを用いた光パルス幅測定方
法を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光パルス幅の測定方法の原理を示し
た要部概略図

【図２】 本発明に係る２光束間の時間差と２光子吸収
による透過率変化を示す説明図

【図３】 本発明の光パルス幅測定装置の実施例１の要
部概略図

【図４】 本発明の光パルス幅測定装置の実施例２の要
部概略図

【図５】 本発明の光パルス幅測定装置の実施例３の要
部概略図

【図６】 本発明の光パルス幅測定装置の実施例４の要
部概略図

【図７】 本発明の光パルス幅測定法の他の原理を示し
た要部概略図

【図８】 本発明の光パルス幅測定法に係わる光束の波
頭を傾ける方法を示した要部概略図

【図９】 本発明の光パルス幅測定法に係わる二光子吸
収媒体の形状を示した要部概略図

【図１０】 本発明の光パルス幅測定装置の実施例５の
要部概略図

【図１１】 従来の光パルス幅測定装置の要部概略図

【符号の説明】

１ ポンプ光（参照光） ２ プローブ光（計測光） ３，１７，５８，７１，９６ 二光子吸収効果を有す
る媒体 ４，１９，６０，７４，９８ 光検出器 １１，９０ 光源手段 １２，８３，９２ 光分割器 １３，１５ λ／４板 １４ 可動ミラー １６ 固定ミラー １８ 偏光板 ２０ 演算手段

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２光子吸収効果を有する媒体に参照光と
   計測光の２つの光束を入射させ、該媒体を介した２つの
   光束のうち少なくとも該計測光を光検出器で検出し、該
   光検出器からの信号を利用して、該光束の光パルス幅を
   測定したことを特徴とする光パルス幅測定方法。
2. 【請求項２】 前記計測光の光強度は前記参照光の光強
   度に比べて弱いことを特徴とする請求項１の光パルス幅
   測定方法。
3. 【請求項３】 光源手段から放射した光束を光分割器で
   ２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異った光路
   で、異った光学的作用を付与した後、該光分割器で合成
   して２光子吸収効果を有する媒体に互いに強度が異なる
   ２光束で入射させ、該媒体を介した２光束のうち少なく
   とも一方の光束を光検出器で検出し、該光検出器で得ら
   れる信号を用いて該光束の光パルス幅を測定したことを
   特徴とする光パルス幅測定装置。
4. 【請求項４】 光源手段から放射した光束を光分割器で
   ２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異った光路
   を介して２つの光束間に時間差を付与した後、該光分割
   器で合成し、該２つの光束を互いに強度の異った光束で
   ２光子吸収効果を有する媒体に入射させ、該媒体から射
   出する２光束のうち少なくとも強度の弱い方の光束を該
   時間差を時間的又は空間的に変化させて光検出器で検出
   し、該光検出器で得られる信号を用いて該光束の光パル
   ス幅を測定したことを特徴とする光パルス幅測定装置。
5. 【請求項５】 光源手段から放射した光束を光分割器で
   ２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異った光路
   に導光し、このうち一方の光束の光路長を変えて他方の
   光束に比べて時間差を付与した後、該光分割器で合成
   し、その後２光子吸収効果を有する媒体に互いに強度が
   異なる２光束で入射させ、該媒体を介した２光束のうち
   少なくとも強度の弱い方の光束の光強度を光検出器で該
   時間差を時間的又は空間的に種々と変化させながら検出
   し、該光検出器で得られた信号を用いて該光束の光パル
   ス幅を測定したことを特徴とする光パルス幅測定方法。
6. 【請求項６】 光強度に応じて光透過率が変化する媒体
   に参照光と計測光の２つの光束を入射させ該媒体を介し
   た２光束のうち少なくとも該計測光を２光束の該媒体へ
   の到達時間差を時間的又は空間的に変化させて光検出器
   で検出し、該光検出器からの信号を利用して該光束の光
   パルス幅を測定した事を特徴とする光パルス幅測定装
   置。
7. 【請求項７】 光源手段から放射した光束を光分割器で
   ２つの光束に分割し、該２つの光束を互いに異なった光
   路に導光し、このうちの少なくとも一方の光束の光パル
   スの波頭を傾けて、その後２光子吸収効果を有する媒体
   に互いに強度が異なる２光束で異なる方向から入射さ
   せ、該媒体を透過した２光束のうち少なくとも強度の弱
   い方の光束の光強度の空間分布を光検出器で検出し、該
   光検出器で得られた信号を用いて該光束の光パルス幅を
   測定したことを特徴とする光パルス幅測定装置。
8. 【請求項８】 前記強度の弱い方の光束が前記２光子吸
   収効果を有する媒体に入射する面と透過する面が互いに
   非平行となっていることを特徴とする請求項７の光パル
   ス幅測定装置。