(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）被測定光パルスの入力光を一対の出力光に分岐する光分岐器と、
（ｂ）該光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を変調する手段と、
（ｃ）前記光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を、前記光分岐器の出力光の他方と比して変化させる手段と、
（ｄ）前記一対の出力光を合波する光合波器と、
（ｅ）該光合波器の出力光をホモダイン検波する光検波器と、
（ｆ）該光検波器から出力する交流信号の振幅を測定する手段とを備えたことを特徴とする光パルス特性測定装置。
【請求項２】
（ａ）被測定光パルスの入力光を第１光及び第２光に分岐し、
（ｂ）前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、
（ｃ）前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を、前記第１光又は第２光の他方と比して変化させ、
（ｄ）前記第１光及び第２光を光合波器で合波し、
（ｅ）前記光合波器の出力光を光検波器でホモダイン検波し、
（ｆ）前記光検波器から出力する交流信号の振幅を測定する工程を含む、入力光の光パルス特性測定方法で、
前記第１光及び第２光のどちらか一方の光路長を変調し、前記第１光と第２光とを前記光合波器で合波して、該光合波器の出力光を前記光検波器でホモダイン検波し、光路長の変調により発生する交流信号成分を測定することを特徴とする光パルス特性測定方法。
【請求項３】
（ａ）被測定光パルスの入力光を一対の出力光に分岐する光分岐器と、
（ｂ）該光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を変調する手段と、
（ｃ）前記光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を、前記光分岐器の出力光の他方と比して変化させる手段と、
（ｄ）前記光分岐器の一対の出力光のうちどちらか一方の光を断続する手段と、
（ｅ）一対の出力光を合波する光合波器と、
（ｆ）該光合波器の出力光をホモダイン検波する光検波器と、
（ｇ）前記光検波器から出力した交流信号の振幅を検波する検波手段と、
（ｈ）前記光を断続する手段の操作と同期した前記交流信号の検波手段の出力の振幅を同期検出する手段とを備えることを特徴とする光パルス特性測定装置。
【請求項４】
（ａ）被測定光パルスの入力光を第１光及び第２光に分岐し、
（ｂ）前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、
（ｃ）前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を、前記第１光又は第２光の他方と比して変化させ、
（ｄ）前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光を断続し、
（ｅ）前記第１光及び第２光を光合波器で合波し、
（ｆ）前記光合波器の出力光を光検波器でホモダイン検波し、
（ｇ）前記光検波器の出力交流信号の振幅を検波し、
前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光の断続と同期した前記光検波器の出力交流信号の振幅を同期検出する工程を含む光パルス特性測定方法で、
前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、及び、前記第１光及び第２光のどちらか一方の光を断続し、前記第１光及び第２光とを合波して、該光合波器の出力光を前記光検波器でホモダイン検波し、光路長の変調により発生する交流信号成分を振幅検波し、その出力の断続した信号成分を同期検波することを特徴とする光パルス特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光パルスのパルス特性測定装置およびその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特に光パルスのパルス幅がピコ秒、フェムト秒の光パルスのパルス特性測定において、光検波器を用いて直接検波する場合には、光検波器を含めた測定系全体の周波数特性によって測定されたパルス特性は、実際の値よりも大きくなる。このため、現在では１０ピコ秒程度のパルス特性測定が限度である。また、ストリークカメラ、光サンプリングオシロスコープを用いる方法でも、数百フェムト秒以上である。
【０００３】
さらに、非線形光学結晶を用いた自己相関法では、０．１フェムト秒程度と高いが、高次の非線形光学効果を利用するために、測定に必要な光量は大きくなり、微弱な光パルスを測定することができない。また、測定できるパルス幅は結晶の長さに、測定波長は結晶の材質に依存し、それぞれ目的にあった結晶を用意しなければならない。
【０００４】
高感度なパルス幅測定法として、ヘテロダイン法（参考文献  戸丸ほか：ヘテロダイン法による光パルス自己相関法、第４３回応用物理学関連講演会２６ａ−Ａ−２、１９９６）が提案されているが、この方法では、測定用光学系に用いる周波数変調器の２次分散によって、実際のパルス幅に対して測定されたパルス幅は広がる。さらに、高次の高調波によるヘテロダイン成分の光検波が必要になり、光検波器に１０ＧＨｚ以上の広帯域特性が要求される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の技術では、光パルスのパルス特性を測定するためには、広帯域特性を持つ光検波器が必要であったり、測定に必要な光量が大きくなり測定感度に問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を除去し、光検波器に広帯域特性を要求することなく、高感度、かつ、高安定な光パルス特性測定装置およびその測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光パルス特性測定装置において、被測定光パルスの入力光を一対の出力光に分岐する光分岐器と、この光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を変調する手段と、前記光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を、前記光分岐器の出力光の他方と比して変化させる手段と、前記一対の出力光を合波する光合波器と、この光合波器の出力光をホモダイン検波する光検波器と、この光検波器から出力する交流信号の振幅を測定する手段とを備えるようにしたものである。
【０００８】
〔２〕光パルス特性測定装置において、被測定光パルスの入力光を第１光及び第２光に分岐し、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を、前記第１光又は第２光の他方と比して変化させ、前記第１光及び第２光を光合波器で合波し、前記光合波器の出力光を光検波器でホモダイン検波し、前記光検波器から出力する交流信号の振幅を測定する工程を含む、入力光の光パルス特性測定方法で、前記第１光及び第２光のどちらか一方の光路長を変調し、前記第１光と第２光とを前記光合波器で合波して、この光合波器の出力光を前記光検波器でホモダイン検波し、光路長の変調により発生する交流信号成分を測定するようにしたものである。
【０００９】
〔３〕光パルス特性測定装置において、被測定光パルスの入力光を一対の出力光に分岐する光分岐器と、この光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を変調する手段と、前記光分岐器の一対の出力光のうちのどちらか一方の光路長を、前記光分岐器の出力光の他方と比して変化させる手段と、前記光分岐器の一対の出力光のうちどちらか一方の光を断続する手段と、一対の出力光を合波する光合波器と、この光合波器の出力光をホモダイン検波する光検波器と、前記光検波器から出力した交流信号の振幅を検波する検波手段と、前記光を断続する手段の操作と同期した前記交流信号の検波手段の出力の振幅を同期検出する手段とを備えるようにしたものである。
【００１０】
〔４〕光パルス特性測定装置において、被測定光パルスの入力光を第１光及び第２光に分岐し、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を、前記第１光又は第２光の他方と比して変化させ、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光を断続し、前記第１光及び第２光を光合波器で合波し、前記光合波器の出力光を光検波器で検波し、前記光検波器の出力交流信号の振幅をホモダイン検波し、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光の断続と同期した前記光検波器の出力交流信号の振幅を同期検出する工程を含む光パルス特性測定方法で、前記第１光及び第２光のうちのどちらか一方の光路長を変調し、及び、前記第１光及び第２光のどちらか一方の光を断続し、前記第１光及び第２光とを合波して、この光合波器の出力光を前記光検波器でホモダイン検波し、光路長の変調により発生する交流信号成分を振幅検波し、その出力の断続した信号成分を同期検波するようにしたものである。
【００１１】
上記のように構成したので、
光パルス特性、特に、光パルス幅測定および光パルス検出は、ホモダイン自己相関法によって、ホモダイン干渉計を安定化せず、干渉計の光路差を変調することによって発生する安定な交流信号の振幅を測定することができる。
【００１２】
ホモダイン干渉計の光路差の変動は直接出力信号の変化となり、一般的には干渉計を安定化する必要がある。この安定化には負帰還制御が通常用いられる。
【００１３】
しかし、自己相関法で光パルスのパルス幅を測定する時には、光パルスの重なりのない状態、すなわち、干渉計出力のない状態から測定を開始する。
【００１４】
したがって、この状態では安定化のための制御信号が得られず、安定化は不可能である。さらに、相関長を求めるために、干渉計の一方の光路を変化させる。このとき、干渉計が安定化のための制御をしていると、制御信号がこの光路の変化にも追随するので、制御信号と測定信号の分離が困難である。
【００１５】
いま、干渉計を安定化させずに、一方の光路長を時間的に変調すると、その変調速度と振幅にしたがって干渉縞が変化し交流信号が発生する。この交流信号の振幅は干渉計の可視度に一致しているので、干渉計の光路差を変えながらこの交流信号の振幅を測定すれば、光路差に対する自己相関波形を求めることができる。ここで、干渉計が安定化されていないために生じる不安定性は、この交流信号の位相および周波数変化に変換されるので、振幅の変動は非常に小さくなる。
【００１６】
この干渉計はホモダイン検波方式であるから、一方の光路を局部発振光として十分な光量を用いれば、他方の光路の信号光の強度は非常に小さくすることが可能であり、高感度な光パルスの検出ができる。さらに、ここで用いる光検波器は、光路差を変調したときに発生する交流信号を検波するのに必要な帯域幅で十分である。一例として、光路の変調波形を三角波で行い、その周期を１００Ｈｚ、振幅を光波長の１０倍とすると、発生する交流信号の周波数は２ｋＨｚとなり、通常の光検波器で十分である。
【００１７】
被測定光パルスのパルス幅は、光路差を変えながら自己相関波形を測定して求める。いま、自己相関波形の半値幅をΔＬ（ｍ）とすると、パルス幅Δτは、
Δτ＝ΔＬ／Ｋ（ｓｅｃ）                          …（１）
となる。
【００１８】
ここで、被測定光パルス波形をガウス形とすると、Ｋ＝４．２４×１０8 となる。
【００１９】
また、Ｓｅｃｈ2 形とすると、Ｋ＝４．６５×１０8 になる。
【００２０】
光路差を強制的に変調しているために、パルス幅測定の分解能が制限される。変調振幅を被測定光パルスの半波長にすると、往復の振幅変化によって、交流信号は１周期分が発生し、交流信号の振幅の測定が可能となる。
【００２１】
従って、半波長分がパルス位置の分解能に相当する。いま、光波長を１μｍ、光パルス波形をＳｅｃｈ2 形とすると、分解能は、上記（１）式より、約２．５フェムト秒になり、非常に高分解能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００２４】
図１は本発明の第１実施例を示す光パルス特性測定装置の構成図である。
【００２５】
この図に示すように、光パルス特性測定装置は、光分岐器１、ミラー２、光路差調整用遅延器３、光路差変調用信号発生器４、光路差変調用ミラー５、相関長測定用遅延器６、光合波器７、光検波器８，９、差動増幅器１０、帯域通過ろ波器１１、交流電圧計１２により構成されている。
【００２６】
ここで、光路差変調用信号発生器４、光路差変調用ミラー５は光路長を変調する手段に、相関長測定用遅延器６は光路長を変化させる手段に、差動増幅器１０、帯域通過ろ波器１１、交流電圧計１２は交流信号の振幅を測定する手段にそれぞれ対応する。
【００２７】
光分岐器１は被測定光パルスを分岐するものであり、光合波器７は二つの光を合波するもので、ハーフミラー、無偏光ビームスプリッタ、光方向性結合器などが使用可能である。
【００２８】
光路差変調用ミラー５は光波長の数倍の振動が得られれば十分であり、ピエゾ素子にミラーを張り付けたものが使用可能である。さらに、この作用は、光の位相を連続的に変化させるもので、同等の位相変化が得られるものならばどんなものでも良い。
【００２９】
相関長測定用遅延器６はパルス幅を測定するときに用いるもので、その遅延距離は被測定光パルスのパルス幅に依存する。光路差調整用遅延器３は光分岐器１と光合波器７との間の二つの光路長を等しくするために設ける。これらの遅延器の一つに光路差変調用ミラー５を設けることも可能である。
【００３０】
光合波器７の出力の光検波として、１個の光検波器を用いる方法もあるが、この実施例に示すように、２個の光検波器８，９と差動増幅器１０を用いる構成の方が、入力光の持つ振幅雑音が抑圧され、雑音がショット雑音レベルになるので、ＳＮ比が改善されることは明らかである。
【００３１】
図１において、被測定光パルスは、入射端から入射され、光分岐器１で分岐され、一方はホモダイン検波の局部発振光として、ミラー２で反射され、光路差調整用遅延器３で光路長が他方と一致するように調整されて、光合波器７に導かれる。光分岐器１で分岐されたもう一方は信号光として、光路差変調用信号発生器４の信号で動作する光路差変調用ミラー５、相関長測定用遅延器６で反射されて、光合波器７に導かれる。
【００３２】
光合波器７で合波された二つの光信号は光検波器８，９で検波され、差動増幅器１０で光路差の変調によって生じた交流信号成分を測定可能な電圧まで増幅する。帯域通過ろ波器１１は光路差の変調によって生じた交流信号成分のみを通過させて、ＳＮ比を改善する。相関長測定用遅延器６の遅延量に対する交流信号成分を交流電圧計１２で測定すれば、自己相関波形が得られる。
【００３３】
この第１実施例では、光路差の変調によって発生した交流信号成分を測定するときには、帯域通過ろ波器１１を用いればＳＮ比が改善できる。
【００３４】
次に、第１実施例を用いて、微弱な光パルスを検出する方法について述べる。当然、帯域通過ろ波器１１は光路差の変調によって生じた交流信号成分が通過するように調整する。
【００３５】
（１）入力側光分岐器１の分岐比を調整して、必要かつ十分な局部発振光側の光量を設定する。
【００３６】
（２）信号光側に設置した被測定試料からの透過光、反射光または発光光の光路長を光路差調整用遅延器３で局部発振光側と一致させる。
【００３７】
（３）光路差調整用遅延器３、相関長測定用遅延器６を用いて、光路長を変調して発生する交流信号成分が最大になるように調整する。
【００３８】
（４）既知の信号光側の光強度の交流信号の振幅と比較して、被測定パルスの強度を求める。
【００３９】
さらに、第１実施例を用いて、光パルスの位相特性を測定する方法について述べる。
【００４０】
本実施例の出力交流信号の位相は、局部発振光と信号光との位相差を示している。
【００４１】
したがって、この出力交流信号の位相を測定すれば光パルスの位相特性を測定することが可能である。位相測定には位相の基準となる交流信号が必要であるが、本実施例では、それが得られない。そこで、本実施例の出力交流信号と周波数がほぼ等しい基準交流信号を別に用意して、この基準信号と出力交流信号との位相差を位相検波器で測定する。しかし、位相検波器の出力には、基準信号と出力交流信号との定常的な位相差が加わる。ここで短時間の測定ならば、この定常位相差はほぼ直線になり、測定結果からこの直線成分を差し引くことによって、光パルスの位相特性を求めることができる。
【００４２】
一方、光走査トンネル顕微鏡の検出手段に用いることにより、被測定試料の局所時間分光、局所コヒーレント発光を高感度に測定できる。
【００４３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００４４】
図２は本発明の第２実施例を示す光パルス特性測定装置の構成図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してその説明は省略する。
【００４５】
この実施例の特徴は、第１実施例の構成に、光チョッパ１３、検波回路１４、同期検出器１５を加えた点である。光チョッパ１３は光を断続する手段に、検波回路１４は光路差の変調によって生じた交流信号を検波する手段に、同期検出器１５は光を断続させる手段と同期して、交流信号検波器の出力の振幅を測定する同期検出手段にそれぞれ対応する。
【００４６】
この実施例では、交流信号の検波後に、通常のＲＣ形の平滑回路が使用できるが、カットオフ特性の急峻な低域通過ろ波器、帯域通過ろ波器を用いれば、高効率な同期信号成分とのＳＮ比の改善が可能である。同期検出の手段としては通常のロックインアンプが使用できる。
【００４７】
また、一般に、同期検出を行えばさらに高感度になる。しかし、光路差の変調で発生した交流信号を用いて同期検出を行うことは、参照信号が得られず不可能である。そこで、一方の光路に光チョッパを設けて光を断続すれば、光路差の変調によって生じた交流信号が断続される。この断続交流信号成分を検波すれば、光チョッパに同期した信号が得られ、同期検出を行うことが可能になる。
【００４８】
ここで、第２実施例による実験結果について説明する。
【００４９】
第２実施例の実験結果である受動モード同期チタンサファイア・パルスレーザの自己相関波形を測定した結果を図３に示す。この図において、横軸は相関長測定用遅延器６の移動距離による光路差を、縦軸は同期検出器１５の出力振幅を示す。
【００５０】
光分岐後の局部発振光側の光強度は、５ｍＷ、信号光側の光強度は１５ｆＷである。この結果、自己相関波形の半値幅の光路差は９３．５７μｍであり、前記（１）式を用いて求めたパルス幅は２０１．２ｆｓｅｃとなり、非線形光学結晶を用いた測定値とよく一致している。
【００５１】
図４に示す（Ａ）は、第２実施例の結果、つまり受動モード同期チタンサファイア・パルスレーザの自己相関波形を測定した結果（図３）をｄＢ表示したものであり、ＳＮ比が２５ｄＢ以上確保されていることがわかる。なお、ここでは、同期検出器としてロックインアンプを用い、その積分時間を１秒に設定した。図４に示す（Ｂ）は第１実施例による実験結果である。この結果より、ＳＮ比を比べると、第２実施例の場合では、１０ｄＢ以上良く、高感度であることを示している。ホモダイン検波の信号出力は、局部発振光と信号光の積の平方根に比例するので、もしこの測定条件で、入力側光分岐器１の分岐比を１：１にすると、入力光量約８．６ｎＷの光パルスのパルス幅測定が、ＳＮ比２５ｄＢ以上で可能であり、非常に高感度であることを示している。
【００５２】
なお、第１実施例及び第２実施例ではマッハツェンダー形干渉計での構成を示したが、マイケルソン形干渉計などの構成でも同様の動作を行わせることができる。さらに、構成部品も光ファイバを用いた部品の使用も可能である。
【００５３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００５４】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【００５５】
（１）ホモダイン自己相関法を用いるために、非常に高感度である。
【００５６】
（２）さらに、干渉計を安定化する必要もなく、単に光路差を変調して発生する交流信号成分を測定するために、非常に安定であり、光検波器の周波数特性も広帯域特性を必要とせず、構成も簡単である。
【００５７】
（３）また、非常に微弱な光パルスの検出も可能である。
【００５８】
（４）光パルスの位相も測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す光パルス特性測定装置の構成図である。
【図２】  本発明の第２実施例を示す光パルス特性測定装置の構成図である。
【図３】  第２実施例の実験結果である受動モード同期チタンサファイア・パルスレーザの自己相関波形を測定した結果を示す図である。
【図４】  第２実施例及び第１実施例の実験結果である受動モード同期チタンサファイア・パルスレーザの自己相関波形を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
１    光分岐器
２    ミラー
３    光路差調整用遅延器
４    光路差変調用信号発生器
５    光路差変調用ミラー
６    相関長測定用遅延器
７    光合波器
８，９    光検波器
１０    差動増幅器
１１    帯域通過ろ波器
１２    交流電圧計
１３    光チョッパ
１４    検波回路
１５    同期検出器
【図１】
0003657362.tif 000002
【図２】
0003657362.tif 000003
【図３】
0003657362.tif 000004
【図４】
0003657362.tif 000005