TWI729098B - 脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置 - Google Patents
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Abstract
於波形計測方法中，首先，將初始脈衝光Lp按波長於空間上分散。其次，於使偏光面相對於偏光依存型之SLM中之調變軸方向傾斜之狀態下，將初始脈衝光Lp輸入至SLM，對沿調變軸方向之初始脈衝光Lp之第1偏光成分之相位光譜進行調變，藉此，使包括第1偏光成分之第1脈衝光Lp1
、與包括和該第1偏光成分正交之初始脈衝光Lp之第2偏光成分的第2脈衝光Lp2
產生時間差。將各波長成分合成之後，向對象物24照射脈衝光Lp1
、脈衝光Lp2
，並檢測產生於對象物24之光。一面變更脈衝光Lp1
、脈衝光Lp2
之時間差，一面進行上述檢測處理，根據檢測結果求出脈衝光Lp1
之時間波形。藉此，實現可減少因對象脈衝光與參照脈衝光之干涉引起之雜訊的脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置。
Description
本發明係關於一種脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置。
於專利文獻1中，揭示有使用空間光調變器產生具有時間差之複數個脈衝光成分之系統。於該系統中，藉由對空間光調變器上呈現之調變圖案進行控制，而產生複數個脈衝光成分。然後，對非線性光學結晶照射複數個脈衝光成分，一面對非線性光學結晶中所產生之光進行檢測，一面變更脈衝光成分之時間間隔，藉此，求出相關波形。
[專利文獻1]美國專利申請公開第2010/0187208號
[非專利文獻1]Rick Trebino et al., "Measuring ultrashort laser pulses in the time-frequency domain using frequency-resolved optical gating", Review of Scientific Instruments, Vol. 68 No. 9, pp. 3277-3295 (1997)
近年來，利用時間寬度極短(例如，數飛秒~數微微秒左右)之超短脈衝光之雷射加工或顯微鏡等之開發有所進展。又，利用非線性光學效應之
資訊通信系統之開發亦有所進展。於該等領域中，期望產生所需之時間強度波形之超短脈衝光之技術，為此，必須對超短脈衝光之波形進行計測。
作為對超短脈衝光之波形進行計測之方法，例如，有如下方法。即，對非線性光學結晶之類之對象物照射作為計測對象之脈衝光(以下，對象脈衝光)及參照脈衝光，並對自對象物輸出之光(二次諧波等)之強度進行檢測，藉此，求出對象脈衝光與參照脈衝光之時間上之重疊度。繼而，一面改變對象脈衝光與參照脈衝光之時間差，一面反覆進行此種處理，基於所獲得之對象脈衝光與參照脈衝光之關聯而獲得對象脈衝光之時間強度波形。
於進行如上所述之超短脈衝光之時間強度波形之計測時，有時為了使相互具有時間差之對象脈衝光及參照脈衝光產生，而使用空間光調變器。然而，於使用具有偏光依存性之液晶型之空間光調變器之情形時，為了提高調變效率，一般地，將朝向空間光調變器之輸入光設為直線偏光，並使其偏光方向與液晶之配向方向一致。其結果，對象脈衝光及參照脈衝光之偏光方向相互一致，從而有於使該等重疊時產生干涉而計測結果產生雜訊之問題。
實施形態之目的在於提供一種脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置。
本發明之實施形態係脈衝光之波形計測方法。脈衝光之波形計測方法包含：時間差產生步驟，其係將初始脈衝光按波長於空間上分散，於使偏光面相對於在偏光依存型之空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將分散後之初始脈衝光輸入至空間光調變器，對沿該偏光方
向之初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；光檢測步驟，其係向對象物照射第1脈衝光及第2脈衝光，並對因該照射而產生於對象物之光進行檢測；及解析步驟，其係一面變更時間差產生步驟中之第1脈衝光與第2脈衝光之時間差，一面進行光檢測步驟，基於各光檢測步驟之檢測結果而求出第1脈衝光之時間強度波形。
又，本發明之實施形態係脈衝光之波形計測裝置。脈衝光之波形計測裝置具備：調變部，其具有偏光依存型之空間光調變器，於使偏光面相對於在該空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將於空間上分散後之初始脈衝光輸入至空間光調變器，對沿偏光方向之初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；光檢測部，其對藉由向對象物照射第1脈衝光及第2脈衝光而產生於對象物之光進行檢測；及運算部，其基於每次變更第1脈衝光與第2脈衝光之時間差所獲得之光檢測部之檢測結果而求出第1脈衝光之時間強度波形。
於該等方法及裝置中，初始脈衝光按波長成分於空間上分散之後，按波長進行調變。其後，將各波長成分合成。因此，藉由對空間光調變器上呈現之相位圖案進行控制而可賦予任意之時間延遲。而且，於該等方法及裝置中，空間光調變器係偏光依存型，輸入至空間光調變器之初始脈衝光之偏光面相對於空間光調變器具有調變作用之偏光方向傾斜。即，沿偏光方向之初始脈衝光之第1偏光成分被調變，而與第1偏光成分正交之初始
脈衝光之第2偏光成分不易被調變。
因此，例如，藉由對第1偏光成分賦予時間延遲，而於包括第1偏光成分之第1脈衝光(對象脈衝光)與包括第2偏光成分之第2脈衝光(參照脈衝光)之間產生時間差。然後，一面變更第1脈衝光與第2脈衝光之時間差，一面對來自對象物之光進行檢測。藉此，可使用例如交叉相關法等較佳地求出第1脈衝光之時間強度波形。而且，於該等方法及裝置中，第1脈衝光之偏光方向與第2脈衝光之偏光方向互不相同，因此，第1脈衝光與第2脈衝光不會產生干涉。因此，可有效地減少因干涉引起之雜訊，從而精度良好地求出第1脈衝光之時間強度波形。
根據實施形態之脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置，可減少因對象脈衝光與參照脈衝光之干涉引起之雜訊。
1A:波形計測裝置
10A:光脈衝整形部
11:光束分光器
12:分散元件
13:聚光光學系統
14:空間光調變器(SLM)
14a:調變面
21:光源
22:偏光控制部
23:聚光光學系統
24:對象物
25:光檢測部
26:運算部
A1:偏光方向
A1:箭頭
A2:偏光方向
A2:箭頭
E:偏光方向向量
EMO:第1偏光成分
ENON:第2偏光成分
G1:光譜強度
G4:脈衝光Lp2之時間強度波形
G5:光譜強度
G6:光譜相位
G7:脈衝光Lp1之時間強度波形
G8:脈衝光Lp2之時間強度波形
G21:光譜相位
G22:光譜相位
G23:光譜相位
G31:脈衝光Lp1之時間強度波形
G32:脈衝光Lp1之時間強度波形
G33:脈衝光Lp1之時間強度波形
Lp:(初始)脈衝光
Lp1:第1脈衝光
Lp2:第2脈衝光
Lλ1:波長成分
Lλ2:波長成分
Lλ3:波長成分
Lλ4:波長成分
Lλ5:波長成分
Lλ6:波長成分
X:調變軸方向
Y:非調變軸方向
θ:旋轉角
圖1係概略性地表示一實施形態之波形計測裝置之構成之圖。
圖2係表示光脈衝整形部(脈衝整形器)之構成之圖。
圖3係表示(a)自光源輸出之脈衝光之時間波形之一例、(b)自空間光調變器輸出之2個脈衝光成分之時間波形之一例、及(c)時間波形互不相同且具有時間差之2個脈衝光成分之時間波形之一例的圖。
圖4係概念性地表示空間光調變器之調變面之圖。
圖5係表示波形計測方法之流程圖。
圖6係表示(a)對第1脈衝光賦予之光譜波形、(b)第1脈衝光及第2脈衝光之時間強度波形、及(c)(b)所示之各脈衝光成分之偏光方向的圖。
圖7係表示自相關波形之例之曲線圖。
圖8係表示(a)對第1脈衝光賦予之光譜波形、(b)第1脈衝光及第2脈衝光之時間強度波形、及(c)(b)所示之各脈衝光成分之偏光方向的圖。
以下，一面參照隨附圖式，一面對脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置之實施形態進行詳細說明。再者，於圖式之說明中，對相同之要素標註相同之符號，並省略重複之說明。
圖1係概略性地表示一實施形態之波形計測裝置1A之構成之圖。圖2係表示波形計測裝置1A所具備之光脈衝整形部(脈衝整形器)10A之構成之圖。如圖1所示，該波形計測裝置1A具備光源21、偏光控制部22、光脈衝整形部10A、聚光光學系統23、對象物24、光檢測部25、及運算部26。又，如圖2所示，光脈衝整形部10A具有光束分光器11、分散元件12、聚光光學系統13、及空間光調變器(Spatial Light Modulator，SLM)14。
光源21輸出例如雷射光之類之同調之脈衝光Lp(初始脈衝光)。光源21例如包括鈦藍寶石雷射或YAG(Yttrium Aluminum Garnet，釔鋁石榴石)雷射等固體雷射、光纖雷射、或半導體雷射。脈衝光Lp係超短脈衝光，脈衝光Lp之時間寬度例如為1fs~100ps。脈衝光Lp之波長例如為200nm~2000nm。脈衝光Lp具有直線偏光(偏光方向A1)。圖3(a)表示自光源21輸出之脈衝光Lp之時間強度波形之一例。圖3(a)之縱軸表示光強度。
偏光控制部22係與光源21光學耦合並使輸入至SLM14之脈衝光Lp之偏光面旋轉之光學元件。藉此，輸入至SLM14之脈衝光Lp包含偏光方向A1之偏光成分及與偏光方向A1交叉之偏光方向A2之偏光成分。偏光方向A2例如與偏光方向A1正交。作為偏光控制部22，例如可使用λ/2板等波長
板、偏光元件、法拉第旋轉器、可變旋轉器、偏光調變型SLM等。進而，較理想為偏光控制部22之偏光面旋轉角可變。
光脈衝整形部10A係本實施形態中之調變部，將所輸入之脈衝光Lp分離為偏光面相互正交之脈衝光成分即第1脈衝光Lp1(對象脈衝光、第1子脈衝光)及第2脈衝光Lp2(參照脈衝光、第2子脈衝光)。又，光脈衝整形部10A將脈衝光Lp1控制為任意之時間強度波形，且賦予時間差。
具體而言，於光脈衝整形部10A，光束分光器11、分散元件12、聚光光學系統13、及SLM14依序光耦合。光束分光器11使自偏光控制部22輸入之脈衝光Lp透過。分散元件12使脈衝光Lp按波長於空間上分散(分光)。於圖2中，為了容易理解而示出6個波長成分Lλ1~Lλ6。作為分散元件12，例如可應用繞射光柵或稜鏡等各種分散元件。又，分散元件12可為反射型、透過型之任一種。
聚光光學系統13使自分散元件12按波長成分向不同方向輸出之各波長成分Lλ1~Lλ6之傳播方向相互一致，並且使各波長成分Lλ1~Lλ6分別於SLM14聚光。具體而言，聚光光學系統13至少於包含分散元件12之波長分散方向之平面內具有透鏡光學能力。作為此種聚光光學系統13，例如使用透鏡或柱面透鏡。又，作為聚光光學系統13，並不限定於透過型之透鏡，例如，亦可使用凹面鏡等反射型之透鏡。
SLM14係相位調變型(或相位．強度調變型)SLM，對分散後之脈衝光Lp按波長進行調變。即，SLM14之調變面14a包含與複數個波長成分分別對應之複數個調變區域，該等調變區域沿分散元件12之分散方向排列。而且，各波長成分Lλ1~Lλ6輸入至對應之調變區域，根據該調變區域中呈現之調變圖案分別獨立地進行調變。再者，SLM14可為反射型及透過型之
任一種(於圖中例示反射型)。又，SLM14可為一維型空間光調變器及二維型空間光調變器之任一者。
又，SLM14具有偏光依存性，對某偏光成分具有調變作用，但對該偏光成分以外之偏光成分不具有調變作用。作為不具有調變作用之偏光成分，例如可列舉與被調變之偏光成分正交之其他偏光成分。作為一例，SLM14係液晶型(Liquid Crystal on Silicon(矽基液晶)，LCOS)之SLM。於液晶型SLM，使用液晶之雙折射性進行相位調變，因此，僅沿液晶之配向方向之偏光成分進行調變，而與該偏光成分正交之偏光成分不進行調變。
圖4係概念性地表示SLM14之調變面14a之圖。此處，定義具有調變作用之方向(調變軸方向)X及不具有調變作用方向(非調變軸方向)Y。調變軸方向X與非調變軸方向Y相互正交，調變軸方向X與液晶之配向方向一致。
輸入至SLM14之脈衝光Lp之偏光方向向量E(其中，向量之大小相當於光強度)藉由偏光控制部22而進行旋轉後，相對於調變軸方向X傾斜。因此，沿調變軸方向X之第1偏光成分EMO藉由SLM14而進行調變，但沿與調變軸方向X正交之非調變軸方向Y之第2偏光成分ENON未被調變而直接於SLM14反射(或透過)。因此，使SLM14呈現時間上延遲(或提前)之相位圖案而對第1偏光成分EMO之相位光譜進行控制，藉此，於包括第1偏光成分EMO之第1脈衝光Lp1與包括第2偏光成分ENON之第2脈衝光Lp2之間產生時間差。圖3(b)表示自SLM14輸出之脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之時間強度波形之一例。
第1偏光成分EMO及第2偏光成分ENON可使用脈衝光Lp之偏光面相對
於調變軸方向X之旋轉角θ，由以下之數式表示。即，藉由在偏光控制部22中操作旋轉角θ，而可操作脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之強度比。於旋轉角θ為45°之情形時，脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之光強度相互相等。
EMO=Ecosθ
ENON=Esinθ
再者，SLM14亦可重疊於使第1偏光成分EMO於時間上延遲(或提前)之相位圖案，進而呈現使脈衝光Lp1之時間強度波形變化般之相位圖案。即，於各波長成分Lλ1~Lλ6之波長已知之情形時，可計算出用以形成所需之時間強度波形之相位光譜及強度光譜，因此，藉由使SLM14呈現基於所計算出之相位光譜及強度光譜之相位圖案而對各波長成分Lλ1~Lλ6進行調變，而可輸出所需之時間強度波形之脈衝光Lp1。於該情形時，如圖3(c)所示，可容易地產生時間強度波形互不相同且具有時間差之脈衝光Lp1、脈衝光Lp2。再者，脈衝光Lp1之時間強度波形可整形為任意之波形，例如，可擴大脈衝光Lp1之時間寬度、將脈衝光Lp1進而分割為複數個脈衝光成分(脈衝串)、或者製成啁啾脈衝等。
自SLM14輸出之各波長成分Lλ1~Lλ6再次通過聚光光學系統13。此時，聚光光學系統13使各波長成分Lλ1~Lλ6分別向不同之方向輸出，使各波長成分Lλ1~Lλ6於分散元件12於空間上重疊，並且使各波長成分Lλ1~Lλ6分別平行化。分散元件12將調變後之脈衝光Lp1之各波長成分Lλ1~Lλ6合成，並且將脈衝光Lp2之各波長成分Lλ1~Lλ6合成。合成後之脈衝光Lp1、脈衝光Lp2於光束分光器11反射，而朝與脈衝光Lp之輸入方向不同之方向輸出。
再者，於本實施形態中，例示了分散元件12及聚光光學系統13進行
分散及合成之兩者之形態，但分散及合成亦可分別由不同之元件進行。例如，藉由將SLM14設為透過型，並於SLM14之後段配置分散元件及聚光光學系統，而能夠實施此種形態，該分散元件將已透過SLM14之各波長成分Lλ1~Lλ6向不同方向輸出，該聚光光學系統使所輸出之各波長成分Lλ1~Lλ6於空間上重疊，並且使各波長成分Lλ1~Lλ6分別平行化。
又，亦可將自SLM14輸出之各波長成分Lλ1~Lλ6向聚光光學系統23導光，藉由利用聚光光學系統23進行之聚光而產生脈衝光Lp1、脈衝光Lp2。進而，於本實施形態中，使用光束分光器11將脈衝光Lp與脈衝光Lp1、脈衝光Lp2分離，但藉由例如使各波長成分Lλ1~Lλ6相對於調變面14a之輸入方向相對於調變面14a之法線傾斜，可不使用光束分光器11而將脈衝光Lp與脈衝光Lp1、脈衝光Lp2分離。
聚光光學系統23設置於光脈衝整形部10A與對象物24之間，朝向對象物24將脈衝光Lp1、脈衝光Lp2聚光。藉由該聚光光學系統23之作用，而使脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之聚光點形成於對象物24之任意之位置(例如，對象物24之內部或表面)。
對象物24受到脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之照射，並相應於該等脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之重疊而產生光。於對象物24，根據脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之重疊之程度，而產生之光之強度發生變化。對象物24例如為非線性光學結晶，非線性光學結晶例如為GaAs、GaP、ZnTe、KDP、BBO、BIBO、LiNbO3、KTP、LBO、或CLBO。
或者，作為對象物24，可較佳地使用玻璃、聚合物、生物細胞(蛋白質、脂質、鈣離子等)、稀有氣體(例如，氙氣或氬氣等)、半導體(例如，矽或鍺、石墨烯等)、金屬(例如，金或銀等)、空氣、螢光物質(例如，若
丹明、GFP(Green Fluorescent Protein，綠色螢光蛋白)、RFP(Red Fluorecent Protein，紅色螢光蛋白)、Alexa Fluor(註冊商標)488等)、量子點、水等。又，對象物24中所產生之光例如為二次諧波、三次諧波、高次諧波、和頻波、差頻波、拉曼散射光之任一者。再者，即便於同時產生數種光成分之情形時，由於各自波長不同，故而亦能夠藉由波長濾波器進行分離。
光檢測部25係對藉由向對象物24照射脈衝光Lp1、脈衝光Lp2而產生於對象物24之光進行檢測之光檢測器。作為光檢測部25，例如使用檢測產生於對象物24之光之強度之光電倍增管或雪崩光電二極體等光電二極體、或者檢測產生於對象物24之光之強度光譜之分光器等。
運算部26與偏光控制部22及光脈衝整形部10A電性連接，對偏光控制部22及光脈衝整形部10A進行控制。又，運算部26與光檢測部25電性連接，對自光檢測部25輸出之檢測信號進行處理。運算部26係運算處理電路或具有運算處理電路之電腦。運算部26例如為個人電腦、智慧裝置、微電腦、或雲端伺服器等。
運算部26視需要對偏光控制部22中之偏光面旋轉角進行控制，藉此變更脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之強度比。又，運算部26對SLM14之相位圖案進行控制，藉此，變更脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之時間差。進而，運算部26基於每次變更脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之時間差所獲得之光檢測部25之檢測結果而求出脈衝光Lp1之時間強度波形。
此處，對使用波形計測裝置1A之本實施形態之波形計測方法進行詳細說明。圖5係表示波形計測方法之流程圖。首先，自光源21輸出脈衝光Lp(光輸出步驟S1)。脈衝光Lp之複合電場由以下數式(1)表示。I(t)表示電
場之強度波形，Φ(t)表示時間相位，ω0表示中心角頻率。
其次，進行時間差產生步驟S2。首先，藉由偏光控制部22使自光源21輸出之脈衝光Lp之偏光面旋轉(偏光控制步驟S21)。藉此，脈衝光Lp轉換為由以下數式(2)表示之具有任意之偏光面之脈衝光。再者，於數式(2)中，ex、ey分別為與調變軸方向X、非調變軸方向Y平行之向量(|ex|=|ey|=1)。右邊第一項及二項分別相當於第1偏光成分EMO及第2偏光成分ENON。
繼而，藉由分散元件12將脈衝光Lp按波長於空間上分散(分散步驟S22)。然後，使用偏光依存型之SLM14對分散後之脈衝光Lp之相位光譜按波長進行調變(調變步驟S23)。此時，使輸入至SLM14之脈衝光Lp之偏光面相對於調變軸方向X傾斜，對沿調變軸方向X之脈衝光Lp之第1偏光成分EMO之相位光譜進行調變，藉此，於第1偏光成分EMO與第2偏光成分ENON之間產生時間差。藉此，產生脈衝光Lp2及相對於脈衝光Lp2具有時間差之脈衝光Lp1。
再者，於該步驟中，亦可以將脈衝光Lp1之時間強度波形轉換為任意波形之方式進一步調變第1偏光成分EMO之相位光譜。其後，將調變後之脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之各波長成分Lλ1~Lλ6藉由分散元件12合成(合成步驟S24)。
於上述調變步驟S23中，使第1偏光成分EMO僅延遲時間τ之情形時，
合成後之複合電場由以下數式(3)表示。
數式(3)之右邊第一項(第1偏光成分EMO)受調變之影響而延遲，但第二項(第2偏光成分ENON)由於未被調變，故而不延遲。因此，經調變之脈衝光Lp1與未經調變之脈衝光Lp2於時間上分離。進而，若進行用以轉換為任意之時間強度波形之控制，則複合電場成為以下數式(4)。I'(t)表示轉換後之時間強度波形，Φ'(t)表示轉換後之時間相位。
數式(4)表示已轉換為任意波形之脈衝光Lp1與保持脈衝光Lp之波形之脈衝光Lp2於時間上分離之情況。
繼而，向對象物24照射脈衝光Lp1、脈衝光Lp2，並藉由光檢測部25對起因於該等照射之重疊而產生於對象物24之光進行檢測(光檢測步驟S3)。例如，於對象物24為Type II之非線性光學結晶之情形時，若脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之照射重疊，則產生二次諧波(Second Harmonic Generation(二次諧波產生)，SHG光)。
運算部26對SLM14進行控制，藉此，一面變更(掃描)調變步驟S23中之脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之時間差(即，脈衝光Lp1之延遲時間τ)，一面將光輸出步驟S1、時間差產生步驟S2及光檢測步驟S3反覆進行複數次(步驟S4)。繼而，運算部26基於複數次光檢測步驟S3之檢測結果，而求出脈衝光Lp1之時間強度波形(解析步驟S5)。
例如，若一面一點一點地變更延遲時間τ一面對SHG光之強度進行檢
測，則獲得以下數式(5)。
數式(5)表示脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之相關波形。一般而言，初始脈衝光Lp之波形為sech函數型或高斯型，因此，所獲得之相關波形成為接近於經複雜轉換之脈衝光Lp1之時間強度波形之波形。於初始脈衝光Lp產生畸變或者因透鏡等光學元件而產生畸變之情形時，使用繞射光柵對或啁啾鏡等對畸變進行補償即可。
再者，根據上述相關波形，可獲得脈衝光Lp1之時間強度波形，但無法獲得相位資訊。因此，若將光檢測部25設為分光器而獲得SHG光之強度光譜，則成為以下數式(6)。
該數式(6)稱為FROG(Frequency Resolved Optical Gating，頻率解析光閘)跡，可根據該資料求出相位資訊。
例如，運算部26亦可改變為上述相關波形或者同時基於上述相關波形及SHG光之強度光譜而求出脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之相關圖(時間、相關波形及波長之三維資訊)。再者，關於FROG法，於非專利文獻1(Rick Trebino et al.,Review of Scientific Instruments,Vol.68 No.9,pp.3277-3295(1997))中有詳細記載。
上述數式(5)及(6)所表示之相關波形之強度於旋轉角θ為45°之時成為最大。因此，於使用交叉相關法對脈衝光Lp1之時間強度波形進行計測時，較佳為將旋轉角θ設定為45°。再者，於分散元件12之繞射效率具有偏
光依存性之情形時，亦可選擇亦包含其效率在內相關波形之強度成為最大之旋轉角θ。另一方面，於將脈衝光Lp1用於雷射顯微鏡或雷射加工等之情形時，將旋轉角θ設定為0°，藉此，可消除作為參照脈衝光之脈衝光Lp2，而僅提取作為對象脈衝光之脈衝光Lp1。
此處，作為使用本實施形態之波形計測方法及波形計測裝置1A進行之相關計測法之例，對自相關計測法及交叉相關計測法進行詳細說明。
首先，藉由偏光控制部22對脈衝光Lp之偏光面之旋轉角θ進行調整。旋轉角θ(單位：度)只要為90×n(n為整數)以外即可。其後，脈衝光Lp經由SLM14而分離為脈衝光Lp1及脈衝光Lp2。此處，進行脈衝光Lp1之相位調變，而賦予相對於脈衝光Lp2之時間差。此處，圖6(a)表示對脈衝光Lp1賦予之光譜波形(曲線G1：光譜強度，曲線G21~G23：光譜相位)。圖6(b)之曲線G31~G33表示脈衝光Lp1之時間強度波形，曲線G4表示脈衝光Lp2之時間強度波形。圖6(c)表示圖6(b)所示之各脈衝光成分之偏光方向。
如圖6(a)所示，SLM14對脈衝光Lp1賦予一次函數型之相位圖案G21。而且，使其斜率如曲線G22、G23般逐漸傾斜(圖中之箭頭A1)。藉此，脈衝光Lp1自曲線G31經由G32逐漸移動至G33(圖中之箭頭A2)，因此，脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之時間差逐漸變化。即，可使作為對象脈衝光之脈衝光Lp1相對於作為參照脈衝光之脈衝光Lp2於時間軸上進行掃描(掃掠)。又，如圖6(c)所示，脈衝光Lp1之偏光方向(調變軸方向X)與脈衝光Lp2之偏光方向(非調變軸方向Y)不管時間差而始終維持正交狀態。
將該等脈衝光Lp1、脈衝光Lp2照射至對象物24，而產生光。一面變更脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之時間差，一面於光檢測部25對來自對象物24
之光之強度進行檢測，藉此，可獲得自相關波形。圖7係表示以此方式獲得之自相關波形之一例之曲線圖。又，藉由在光檢測部25獲得來自對象物24之光之強度光譜，而可獲得FROG波形。
於該方法中，除脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之時間差以外，亦任意控制脈衝光Lp1之時間強度波形。此處，圖8(a)表示對脈衝光Lp1賦予之光譜波形(曲線G5：光譜強度，曲線G6：光譜相位)。圖8(b)之曲線G7表示脈衝光Lp1之時間強度波形，曲線G8表示脈衝光Lp2之時間強度波形。圖8(c)表示圖8(b)所示之各脈衝光成分之偏光方向。
如圖8(a)所示，SLM14對脈衝光Lp1賦予用以賦予時間延遲之一次函數型之相位圖案與用以控制時間強度波形之相位圖案(例如，二次函數型之相位圖案)疊加而成之相位圖案G6。再者，用以控制時間強度波形之相位圖案並不限定於二次函數型，可設為轉換為任意形狀(例如，矩形脈衝、三角脈衝、雙脈衝等)之相位圖案。藉此，將脈衝光Lp1之時間強度波形控制為任意形狀。於圖8中，表示根據二次函數型之相位圖案使脈衝光Lp1之時間寬度擴展之例。
繼而，與自相關計測法同樣地，使構成相位圖案G6之一次函數型之相位圖案之斜率逐漸傾斜(箭頭A1)。藉此，脈衝光Lp1可於時間軸上逐漸移動(箭頭A2)而對脈衝光Lp2進行掃描(掃掠)。又，如圖8(c)所示，脈衝光Lp1之偏光方向(調變軸方向X)與脈衝光Lp2之偏光方向(非調變軸方向Y)不管時間差而始終維持正交狀態。
將該等脈衝光Lp1、脈衝光Lp2照射至對象物24，而產生光。一面變更脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之時間差，一面於光檢測部25對來自對象物24
之光之強度進行檢測，藉此，可獲得交叉相關波形。又，藉由在光檢測部25獲得來自對象物24之光之強度光譜，而可獲得X-FROG(Cross-Correlated Frequency Resolved Optical Gating，互相關頻率解析光閘)波形。
對藉由以上所說明之本實施形態之波形計測方法及波形計測裝置1A而獲得之效果進行說明。如上所述，於使用SLM之先前之波形計測方法中，對象脈衝光及參照脈衝光之偏光方向相互一致，因此，有於使該等重疊時產生干涉而計測結果產生雜訊之問題。於本實施形態中，作為對象脈衝光之脈衝光Lp1之偏光方向與作為參照脈衝光之脈衝光Lp2之偏光方向互不相同，因此，脈衝光Lp1、脈衝光Lp2不相互干涉。因此，可有效地減少因干涉引起之雜訊，而精度良好地求出脈衝光Lp1之時間強度波形。
又，於如先前之波形計測方法般對象脈衝光及參照脈衝光之偏光方向相互一致之情形時，若使用相關測定法，則所獲得之相關波形成為干涉相關波形，因此，必須增加取樣數，而計測需要較長時間。與此相對，於本實施形態中，對象脈衝光及參照脈衝光之偏光方向相互正交，因此，所獲得之相關波形成為強度相關波形，而可減少取樣數。因此，能夠以更短時間進行計測。
又，於先前之波形計測中，對象脈衝光與參照脈衝光之分離及重疊係使用干涉光學系統，參照脈衝光之掃描係使用機械性光學延遲機。然而，於此種方式中，必須使用干涉光學系統或光學延遲機，而產生裝置變得大型、對干擾極其敏感等問題。根據本實施形態，不需要干涉光學系統或機械性光學延遲機，可藉由SLM14之波形控制功能進行對象脈衝光與參照脈衝光之分離及重疊、以及參照脈衝光之掃描，因此，可使裝置小型
化，且可抑制因干擾引起之影響。例如，於SLM14之相位解析度為2 π/255之情形時，估計中心波長800nm、時間寬度100fs之脈衝光之時間解析度為1fs左右。此相當於在機械性光學延遲器中於300nm以下之誤差範圍內對光程長度進行調整。
又，亦可如本實施形態般，時間差產生步驟S2包含使初始脈衝光Lp之偏光面旋轉之偏光控制步驟S21。藉此，可容易使初始脈衝光Lp之偏光面相對於調變軸方向X傾斜。再者，於本實施形態中，偏光控制步驟S21於分散步驟S22之前進行，但亦可於分散步驟S22與調變步驟S23之間進行。
又，亦可如本實施形態般，對象物24包含非線性光學結晶。例如藉由使用此種對象物24，而可較佳地產生因脈衝光Lp1、脈衝光Lp2之照射引起之光(二次諧波等)。
又，亦可如本實施形態般，根據複數次光檢測步驟S3之檢測結果而求出脈衝光Lp1與脈衝光Lp2之相關波形或相關圖，以求出脈衝光Lp1之時間強度波形。例如藉由此種方法，可較佳地求出脈衝光Lp1之時間強度波形。
又，如本實施形態般，產生於對象物24之光可包含至少二次諧波、三次諧波、高次諧波、和頻波、差頻波、拉曼散射光之任一者。例如藉由對該等光成分進行檢測，而可較佳地求出脈衝光Lp1之時間強度波形。
又，亦可如本實施形態般，於光檢測步驟S3中，使用至少分光器、光電倍增管、及光電二極體之任一者而檢測產生於對象物24之光。藉由使用光電倍增管或光電二極體，而可精度良好地檢測來自對象物24之微弱之光。又，藉由使用分光器，而可獲得產生於對象物24之光之強度光譜，從
而藉由例如FROG進而求出脈衝光Lp1之相位資訊。
脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置並不限定於上述實施形態，可進行其他各種變化。例如，於上述實施形態中，藉由偏光控制部使輸入至SLM之脈衝光之偏光面相對於SLM具有調變作用之偏光方向傾斜，但亦可使SLM本身傾斜。即，以具有調變作用之偏光方向相對於輸入至SLM之脈衝光之偏光面傾斜之方式使SLM傾斜，藉此，可不需要偏光控制部。
又，於上述實施形態中，作為SLM，例示了LCOS型者，但作為SLM，亦可應用其他液晶型SLM(例如，電定址型、光定址型等)。
又，脈衝光之波形計測方法亦可輸出至少1個脈衝光成分，使所輸出之脈衝光之偏光面旋轉，使用對特定之偏光成分之光進行調變之偏光依存型之空間光調變器，將偏光面經旋轉之脈衝光分割為2個子脈衝光成分，對經分割之子脈衝光成分之至少一者所誘發之光特性進行計測。
上述實施形態之脈衝光之波形計測方法係設為如下構成，即，包含：時間差產生步驟，其係將初始脈衝光按波長於空間上分散，於使偏光面相對於在偏光依存型之空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將分散後之初始脈衝光輸入至空間光調變器，對沿該偏光方向之初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；及光檢測步驟，其係向對象物照射第1脈衝光及第2脈衝光，並對因該照射而產生於對象物之光進行檢測；且一面變更時間差產生步驟中之第1脈衝光與第2脈衝光之時間差，一面進行光檢測步驟，基於各光檢測步驟之檢測結果而求出第1脈衝
光之時間強度波形。
又，上述實施形態之脈衝光之波形計測裝置係設為如下構成，即，具備：調變部，其具有偏光依存型之空間光調變器，於使偏光面相對於在該空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將於空間上分散後之初始脈衝光輸入至空間光調變器，對沿偏光方向之初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；光檢測部，其對藉由向對象物照射第1脈衝光及第2脈衝光而產生於對象物之光進行檢測；及運算部，其基於每次變更第1脈衝光與第2脈衝光之時間差所獲得之光檢測部之檢測結果而求出第1脈衝光之時間強度波形。
上述波形計測方法亦可進而包含使初始脈衝光之偏光面旋轉之偏光控制步驟。又，上述波形計測裝置亦可進而包含使初始脈衝光之偏光面旋轉之偏光控制部。藉由該等，而可容易使初始脈衝光之偏光面相對於空間光調變器具有調變作用之偏光方向傾斜。
於上述波形計測方法及波形計測裝置中，對象物亦可包含非線性光學結晶。例如藉由使用此種對象物，而可較佳地產生因第1脈衝光及第2脈衝光之照射引起之光(二次諧波等)。
於上述波形計測方法中，解析步驟亦可基於各光檢測步驟之檢測結果而求出第1脈衝光與第2脈衝光之相關波形或相關圖，以求出第1脈衝光之時間強度波形。又，於上述波形計測裝置中，運算部亦可基於各光檢測步驟之檢測結果而求出第1脈衝光與第2脈衝光之相關波形或相關圖，以求出第1脈衝光之時間強度波形。例如藉由此種方法及裝置，可較佳地求出
第1脈衝光之時間強度波形。
於上述波形計測方法及波形計測裝置中，產生於對象物之光可包含至少二次諧波、三次諧波、高次諧波、和頻波、差頻波、拉曼散射光之任一者。例如藉由對該等光成分進行檢測，而可較佳地求出第1脈衝光之時間強度波形。
於上述波形計測方法中，於光檢測步驟中，亦可使用至少分光器、光電倍增管、及光電二極體之任一者檢測產生於對象物之光。又，於上述波形計測裝置中，光檢測部可包含至少分光器、光電倍增管、及光電二極體之任一者。藉由使用光電倍增管或光電二極體，而可精度良好地檢測來自對象物之微弱之光。又，藉由使用分光器，而可獲得產生於對象物之光之強度光譜，從而藉由例如頻率解析光閘法(Frequency-Resolved Optical Gating，FROG)進而求出第1脈衝光之相位資訊。
實施形態可用作脈衝光之波形計測方法及波形計測裝置。
1A‧‧‧波形計測裝置
10A‧‧‧光脈衝整形部
21‧‧‧光源
22‧‧‧偏光控制部
23‧‧‧聚光光學系統
24‧‧‧對象物
25‧‧‧光檢測部
26‧‧‧運算部
A1‧‧‧偏光方向
A2‧‧‧偏光方向
Lp‧‧‧(初始)脈衝光
Lp1‧‧‧第1脈衝光
Lp2‧‧‧第2脈衝光
Claims (9)
- 一種脈衝光之波形計測方法，其包含：時間差產生步驟，其係將初始脈衝光按波長於空間上分散，於使偏光面相對於在偏光依存型之空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將分散後之上述初始脈衝光輸入至上述空間光調變器，對沿上述偏光方向之上述初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括上述第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之上述初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；光檢測步驟，其係向對象物照射上述第1脈衝光及上述第2脈衝光，並對因該照射而產生於上述對象物之光進行檢測；及解析步驟，其係一面變更上述時間差產生步驟中之上述第1脈衝光與上述第2脈衝光之時間差，一面進行上述光檢測步驟，基於各光檢測步驟之檢測結果而求出上述第1脈衝光之時間強度波形。
- 如請求項1之脈衝光之波形計測方法，其進而包含使上述初始脈衝光之偏光面旋轉之偏光控制步驟。
- 如請求項1之脈衝光之波形計測方法，其中上述對象物包含非線性光學結晶。
- 如請求項2之脈衝光之波形計測方法，其中上述對象物包含非線性光 學結晶。
- 如請求項1至4中任一項之脈衝光之波形計測方法，其中上述解析步驟係基於各光檢測步驟之檢測結果而求出上述第1脈衝光與上述第2脈衝光之相關波形或相關圖，以求出上述第1脈衝光之時間強度波形。
- 如請求項1至4中任一項之脈衝光之波形計測方法，其中產生於上述對象物之光包含至少二次諧波、三次諧波、高次諧波、和頻波、差頻波、拉曼散射光之任一者。
- 如請求項1至4中任一項之脈衝光之波形計測方法，其中於上述光檢測步驟中，使用至少分光器、光電倍增管、及光電二極體之任一者對產生於上述對象物之光進行檢測。
- 一種脈衝光之波形計測裝置，其具備：調變部，其具有偏光依存型之空間光調變器，於使偏光面相對於在該空間光調變器中獲得調變作用之偏光方向傾斜之狀態下，將於空間上分散後之初始脈衝光輸入至上述空間光調變器，對沿上述偏光方向之上述初始脈衝光之第1偏光成分之相位光譜進行調變之後將各波長成分合成，藉此，使包括上述第1偏光成分之第1脈衝光、與包括和該第1偏光成分正交之上述初始脈衝光之第2偏光成分的第2脈衝光產生時間差；光檢測部，其對藉由向對象物照射上述第1脈衝光及上述第2脈衝光而產生於上述對象物之光進行檢測；及 運算部，其基於每次變更上述第1脈衝光與上述第2脈衝光之時間差所獲得之上述光檢測部之檢測結果而求出上述第1脈衝光之時間強度波形。
- 如請求項8之脈衝光之波形計測裝置，其進而具備使上述初始脈衝光之偏光面旋轉之偏光控制部。
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