(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成し、前記被測定光と前記位相共役光とを合波して混合光を生成し、この混合光のスペクトルを観測して、前記被測定光信号の電界の周波数領域での位相を測定する光信号電界の時間波形測定方法であって、
前記局発光と被測定光信号との相対位相が、光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成し、この生成された位相共役光と前記被測定光とを合波して混合光を生成し、この混合光のスペクトル強度を、前記位置毎に分解された２次元像として観測記録し、前記位置の変化に伴うスペクトル成分毎の強度の変化を比較してスペクトル成分の間の相対的位相を測定することを特徴とする光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項２】
前記局発光と前記被測定光信号のビーム断面内に、それら両光の相対位相を異にする３つの部分を生成し、それらを非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成し、前記部分毎のスペクトル強度を連立して解きスペクトル成分の間の相対的位相を測定することを特徴とする請求項１に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項３】
前記局発光と前記被測定光信号の波面に傾きを設け、それら両光の相対位相を、光線断面内の位置に直線的に依存させて、非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成し、前記位置に伴うスペクトル強度の変化の位相からスペクトル成分の間の相対的位相を測定することを特徴とする請求項１に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項４】
前記被測定信号を３分し、この３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記局発光の波長を異にする請求項２または３に記載の２つの手段に供給し、前記３者（第３の信号）をスペクトルを観測する手段に供給することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項５】
被測定光信号に対し、波長を互いに異にする２つの局発光を作用させ、前記２つの局発光のそれぞれについての前記２次元像、及び前記局発光の作用を受けないスペクトル像の３つの像を、全て重畳して観測記録することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項６】
被測定光信号を２分し、この２分して得られた１者（第１の信号）を、前記２つの局発光のうち１者の生成にあて、前記局発光に変換されなかった前記２分して得られた１者（第１の信号）の残余を、前記２つ局発光のうち他者の生成にあて、前記２分して得られた他者（第２の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させることを特徴とする請求項５に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項７】
被測定光信号を３分し、この３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記２つの局発光の生成にあて、前記３分して得られた３者（第３の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させることを特徴とする請求項５に記載の光信号電界の時間波形測定方法。
【請求項８】
被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記被測定光と前記位相共役光とを合波した混合光のスペクトルを観測するスペクトル観測手段と、前記被測定光信号の電界の周波数領域での位相を算出する位相算出手段を有する光信号電界の時間波形測装置であって、
前記局発光と被測定光信号との相対位相が、光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、該位相共役光生成手段で得られた位相共役光と前記被測定光とを混合する混合光生成手段と、該混合光生成手段で生成された混合光のスペクトル強度を、前記位置毎に分解された２次元像として観測記録する観測記録手段と、前記位置の変化に伴うスペクトル成分毎の強度の変化を比較して、スペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備することを特徴とする光信号電界の時間波形側定装置。
【請求項９】
前記局発光と前記被測定光信号のビーム断面内に、それら両光の相対位相を異にする３つの部分を生成する光束分割手段と、該光束分割手段で生成された３つの部分を非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記３つの部分毎のスペクトル強度を連立して解きスペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備することを特徴とする請求項８に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【請求項１０】
前記局発光と前記被測定光信号の波面に傾きを設け、それら両光の相対位相を、光線断面内の位置に直線的に依存させて、非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記位置に伴うスペクトル強度の変化の位相からスペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備することを特徴とする請求項８に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【請求項１１】
前記被測定信号を３分する被測定信号３分手段と、該被測定信号３分手段で得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）を、前記局発光の波長を異にする請求項９または１０に記載の２つの手段に供給し、前記３者（第３の信号）をスペクトルを観測する手段に供給する手段とを具備することを特徴とする請求項８乃至１０のうちいずれか１項に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【請求項１２】
前記被測定光信号に対し、波長が互いに異なる２つの局発光を作用させ、前記２つの局発光のそれぞれについての前記２次元像、及び該局発光の作用を受けないスペクトル像の３つの像を、全て重畳して観測記録する観測記録手段を具備することを特徴とする請求項８乃至１０のうちいずれか１項に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【請求項１３】
前記被測定光信号を２分する被測定光信号２分手段と、該被測定光信号２分手段で得られた１者（第１の信号）を、２つの局発光のうち１者の生成にあて、該局発光に変換されなかった該２分して得られた１者（第１の信号）の残余を、前記２つの局発光のうち他者の生成にあて、前記２分して得られた他者（第２の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させる手段を具備することを特徴とする請求項１２に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【請求項１４】
前記被測定光信号を３分する被測定光信号３分手段と、該被測定光信号３分手段で得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記２つの局発光の生成にあて、前記被測定光信号３分手段で得られた３者（第３の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させる手段を具備することを特徴とする請求項１２に記載の光信号電界の時間波形測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
現在の高速光検出器あるいは高速電子回路の応答時間よりも遥かに高速に変化し、それらを用いる通常手段によっては時間波形を測定できないような、高速の光信号の強度及び位相の時間変化を、正確に測定する手段を提供する。一般に、強度と位相とを同時に測定できれば、古典的電磁波としての光信号の特性を余すところなく決定できる。従って、この種の測定方法は、光信号電界の時間波形測定方法と呼ぶことができる。
【０００２】
本発明は、光信号電界の時間波形測定方法及び装置に関し、特に、被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成し、前記被測定光と前記位相共役光とを合波して混合光を生成し、この混合光のスペクトルを観測して、前記被測定光信号の電界の周波数領域での位相を測定する光信号電界の時間波形測定方法及び装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ピコ秒からフェムト秒領域の超高速光信号に対しては、十分な時間分解能を有する光検出器が存在しないので、その強度波形を直接観測することは困難である。
【０００４】
そこで、いきおい間接的な測定法によらざるを得ず、光信号の自己相関データを採取し、それから繰返し演算によって、被測定信号光の強度と位相とを算出する方法が行われてきた。しかしながら、繰返し演算に依拠する光信号電界の時間波形測定方法には、複雑な波形を有する光信号に対応できず、また、繰返し演算に関わる本質的な曖昧さ故に、測定器の品質・精度を保証し難いという問題がある。
【０００５】
そこで、光信号のスペクトル位相を直接観測することで、繰返し演算にたよることなしに、光信号電界の時間波形を求める、所謂、スペクトル位相の直接測定法への関心が高まっている。これには、周波数シアリング干渉計と周波数フォールディング干渉計の２つの種類が知られている。特に、後者は、著しく薄い非線形媒質を要求しないので実質的に感度の低下を免れることができ、また、パラメトリック混合に基づく構成と、４光波混合に基づく構成があり、このそれぞれに、さらに、適宜、光増幅器を導入することで、感度を高めることができ、構成の自由度が高いといった特長を有している。この周波数フォールディング干渉計は、特願平１１−１３９０８７号として提案されている。
【０００６】
図６は、この従来例の光信号電界の時間波形測定方法を説明するための図であり、図６（ａ）は、パラメトリック混合を用いる場合の装置の構成を示し、被測定光信号は、被測定光信号入力６０１として本従来例装置に入射する。この入力は、分岐鏡６０２により２分され、うち一方は濾波器６４２及び光増幅器６４３を通過し、２次の非線形媒質６０４に入射・結焦される。この非線形媒質６０４において第二高調波が発生され、局発光が得られる。発生した局発光は、濾波器６２０及び光増幅器６４４を通過し、反射鏡６０７を経て、合波鏡６２５に達する。２分されたうち他方は、反射器６４５を通過し、反射鏡６２４を経て、合波鏡６２５に達する。
【０００７】
以上、合波鏡６２５に達した局発光と光信号は、合波され、位相調整器６４６を経た後に、２次の非線形媒質６２８に入射・結焦される。この第２の非線形媒質中で、パラメトリック混合が生じる。前記非線形媒質６２８からの出射光のパワースペクトルが、光スペクトル観測器６４１によって観測される。
【０００８】
前記濾波器６４２としては、被測定光信号のスペクトルの一部を抽出する帯域透過濾波器を用いる。続く光増幅器６４３は、この抽出された光のパワーを増し、２次の非線形媒質６０４中での第二高調波発生の効率を高める目的で挿入される。
【０００９】
一方、非線形媒質６０４の後段の濾波器６２０は、第二高調波光に変換されずに残った抽出光を除去するとともに、必要に応じて、発生された局発光の帯域を制限するために設けられる。続く光増幅器６４４は、発生された局発光のパワーを増し、２次の非線形媒質６２８中でのパラメトリック混合の効率を高める目的で挿入される。
【００１０】
前記光増幅器６４３、光増幅器６４４については、入射被測定光が強力で、それ自体ですでに十分なパワーの局発光を発生し得る場合には、当然、これらの一方または両方を省略できる。また、２次の非線形媒質６０４中での第二高調波発生自体の位相整合帯域幅制限により、被測定光信号のスペクトル幅に比して、十分狭い線幅の局発光が得られる場合には、前段の濾波器６４２を省略でき、かつ、後段の濾波器６２０も、高域（短波長）透過濾波器で十分となる。ここにおいて、合波鏡６２５に高域（短波長）反射特性を持たせることで、本機能を担務させ、濾波器６２０を完全に省略することも可能である。
【００１１】
前記位相調整器６４６は、２次の非線形媒質６２８に入射する時点での、局発光と光信号の間の相対位相を調整する目的で挿入される。この場合、局発光と光信号の波長（周波数）が２倍も離れているため、厚みを変化できる任意の分散媒質をこれにあてることができる。このような位相調整が意味を持つためには、合波鏡６２５を出射した局発光と光信号の相対位相が安定していることが必要である。このためには、２つの光路の光路長差が、波長精度で安定していなければならない。これは、通常の干渉計構築手段によって達成し得る。必要ならば、光路長差監視機構を付加し、反射鏡６０７の位置に帰還をかけて動的な安定化を図ることもできる。これらは全て、標準的な干渉計安定化手段に属する。
【００１２】
図６（ｂ）は、前記光スペクトル観測器６４１によって観測される混合スペクトルの容態を示す図である。光周波数νの関数として通常観測されるパワースペクトルＳ（ν）に対して、光子流スペクトルｓ（ν）＝Ｓ（ν）／（ｈν）を導入するとき、得られる混合スペクトルは、数１の式で表される。
【００１３】
【数１】
ｓ（ν１）＝ｓ１＋ｍ２ｓ１＋ｍ２ｓ２＋２ｍ√（１＋ｍ２）√（ｓ１ｓ２）ｓｉｎ（φ１＋φ２−２φ２ｐ＋δ）
ここで、ｓ１、ｓ２はそれぞれ周波数ν１、ν２における被測定光信号の光子流スペクトル、φ１、φ２は同スペクトル位相であり、これら周波数は縮退周波数νｄに対し、関係ν１＋ν２＝２νｄを満たすとする。前記パラメトリック混合による構成では、縮退周波数は局発光周波数の２分の１（ν３＝２νｄ）となり、また、位相φｐは、局発光位相の半分（φ３＝２φｐ）に等しくなる。
【００１４】
このように混合スペクトルには、光信号のスペクトル位相が、縮退周波数νｄに関して対称化された形、φ１＋φ２で含まれている。この対称化位相φ１＋φ２は、干渉位相φ＝φ１＋φ２−２φｐ＋δを求めることができれば、定数を除いて得ることができる。
【００１５】
しかしながら、一般に、１つの混合スペクトルだけからでは、干渉位相φを求めることはできない。干渉位相φを、混合係数ｍの値如何に拘わらず、混合スペクトルから正確に求めるには、位相２φｐを変えて、複数回、混合スペクトルを採取する。前述した位相調整器６４６は、かかる位相調整に用い、このとき、位相２φｐを９０°刻みで変えて測定を行うのがよい。
【００１６】
まず、基準となる位相２φｐについて、混合スペクトルｓａを採取する。次に、位相２φｐが９０°減じるように位相調整器を操作した後、混合スペクトルｓｂを採取し、さらに、位相２φｐが最初の基準値から１８０°減じるところまで位相調整器を操作し、再び混合スペクトルｓｃを採取する。これら３つの混合スペクトルから、干渉位相φを数２の式に従って求めることができる。
【００１７】
【数２】φ＝ｔａｎ−１［（ｓａ−ｓｃ）／（２ｓｂ−ｓａ−ｓｃ）］
図６（ｂ）に示したのは、実は、このような９０°法求位相計算に用いる３つの混合スペクトルの例である。
【００１８】
前述したように、対称化位相中に、スペクトル位相部分は、常に対称化位相φ１＋φ２による対称化を受けた形で含まれている。従って、対称化位相を得ただけでは、一般の非対称なスペクトル位相を求めることはできない。この問題は、縮退周波数νｄ、すなわち、対称化の中心を異にする条件で測定して得る２つの対称化位相を用いることで解決できる。
【００１９】
縮退周波数を変えた混合スペクトルを採取のためには、図６（ａ）の構成では、濾波器６４２及び濾波器６２０の透過帯域をずらし、必要に応じて、２次の非線形媒質６０４の位相整合波長を同調すればよい。後段の２次の非線形媒質６２８は、十分高帯域なので、位相整合波長の再同調は通常要しない。
【００２０】
こうしてスペクトル位相が求まれば、後は極く標準的な処理を残すのみである。すなわち、局発光を遮った状態で、通常にスペクトルを採取し、被測定光信号のパワースペクトルを得る。このスペクトルデータに平方根演算を施してスペクトル振幅データを得る。これに前のスペクトル位相を付与して複素化した上で、逆フーリエ変換を行えば、光信号電界の時間波形が算出される。かくして、前記従来例により、繰返し演算によることなしに、超高速光信号電界の時間波形が測定できるのである。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述した従来の光信号電界の時間波形測定方法には、以下のような問題がある。
【００２２】
前記数２の式による９０°法求位相計算のためには、３つの混合スペクトルｓａ、ｓｂ、ｓｃを、相対的大きさを厳密に保って、採取することが必要である。これは、事実上、繰返し周波数の低いあまたの光源に由来する光信号の測定を、不可能とする要求である。
【００２３】
本発明の測定方法が対象とするところのピコ秒からフェムト秒領域の超高速光信号には、様々な工業的応用が創案されている。その重要な一翼を担うのは、加工ないしは核融合炉の点火への応用である。これらは何れも、１パルス当たりに高いエネルギが要求される応用分野であり、比較的穏健な前者においてすら、必要なエネルギは、通例０．１ｍＪ／パルス以上である。
【００２４】
また、超高速光の理化学的な応用に至っては、甚大な光非線形効果、あるいは更に甚だしく、光解離電子の相対論的な挙動に負うような、非常に多くの現象が取り上げられている。白色フェムト秒光、Ｘ線レーザ、あるいは、高高次高調波光発生は、それらの例であり、かかる極限的な光自身の性質、さらにそれらを用いた物質あるいは生体現象の科学的探求には、人類の視野を更に拡げるものとして、大きな期待が寄せられている。ここでも、通常、前記と同様に、高いパルスエネルギが要求される。
【００２５】
このように、パルスエネルギの比較的大きい超高速光の発生においては、発振器と増幅器の構成が用いられる。ピコ秒からフェムト秒領域の光の生成には、モード同期技術が欠かせず、その結果、かかる光信号の繰返し周波数は、通例、発振器の共振器縦モード間隔に等しい。通常見られる共振器長１ｍ前後の発振器から直接出力されるパルス列においては、パルス列の繰返し周波数は、１００ＭＨｚ程度で、これに伴うパルスエネルギは、高々数１０ｎＪ／パルス程度である。
【００２６】
非常に長い共振器を持つ発振器を構築して、繰返し周波数を低め、その分パルスエネルギを増す手法によっても、この１００倍程度の、１μＪ／パルスが現在の技術の限界に近い。それ故、前記応用のためには、このパルス列を、さらに光増幅することが必要となる。
【００２７】
増幅段において、仮にパルス列の繰返しが保たれ、例えば０．１ｍＪ／パルスが１００ＭＨｚの繰返しで出力されたとすると、その平均パワーは、実に１０ｋＷとなる。このような大出力の増幅器は、未だ実用化されておらず、現状、実用に供されている増幅器の、出力平均パワーは、１Ｗオーダである。これは、パルス列が増幅段において必然的に間引かれ、繰返し周波数が減じることを意味する。実際、０．１ｍＪ／パルス級のパルスを得る場合、１ｋＨｚ台の出力パルス繰返しを持つ再生増幅器を用いることが、現在最も普及している。さらに、１０ｍＪ／パルスを越えるパルスエネルギを得る場合、増幅器の出力パルス繰返しは、通常、１０Ｈｚ台となってしまう。
【００２８】
このように繰返し周波数の低いパルス列においては、隣り合うパルス間の強度の揺らぎが、無視できなくなる。ここで、前記従来例により混合スペクトルを観測しようとすると、先ず、光スペクトル観測器６４１が、掃引型の分光器であっては、１つの混合スペクトル形状すら、正確な測定は覚束ない。波長掃引に際し、異なる波長のスペクトル強度が、異なるショットについて採取されるからである。
【００２９】
従って、このような場合、必要な波長範囲のスペクトルを、単一のパルスについて一挙に採取すべく、光スペクトル観測器６４１には、必然的に、スペクトログラフと線型光検出器列をあてる必要がある。
【００３０】
ところが、問題はこれに留まらない。従来例では、少なくとも３つの混合スペクトルを、大きさを正しく保って採取することが必要だからである。各混合スペクトルを個別のパルスについて採取する場合、被測定光パルスの強度がショット毎に変動すると、３つの混合スペクトルの間での相対的大きさの関係が損なわれてしまう。ここで、許容される強度変動は、前記の混合係数ｍとの兼合いとなるが、通例の値ｍ＝０．１〜０．０５に対しては、１％の強度変動ですら、はなはだ大きな誤差に通ずる。ところが、ショット毎の強度変動が１％といった増幅器は、現状、変動の少ない部類に属し、これ以下の強度変動は到底期待し難いのである。
【００３１】
では、仮に、光スペクトル観測器６４１を前記のように差配した従来例装置を３組用意して、単一の被測定光パルスを３分して、各々に入力する構成としたらどうであろうか。この構成は、装置間の感度差の校正といった一見して存する問題とは別に、より解決し難い困難によって、実の所、全然機能し得ない。
【００３２】
何となれば、３つの混合スペクトルは、局発光と被測定光信号との相対位相を、９０°刻みで変化させた組合わせでなければならないからである。個別に構成した装置間で、かかる相対位相の関係が、自然に保たれることは、全く期待できない。また、これを実現する手段も、到底、容易には想到し難いのである。
この結果、従来例方法では、加工等重要な応用を持つ、比較的パルスエネルギの大きい低繰返し光信号の、干渉位相の測定が行えなかった。
【００３３】
かかる従来例の改良としては、特願平１１−２６０８１６号に、被測定光信号の強度変動の影響に配慮した、光信号電界時間波形測定方法と装置が提案されている。この改良例は、局発光と被測定光信号との相対位相を変化させる手段を備え、前記相対位相の変化に伴う混合スペクトル上の２つ以上のスペクトル成分の強度の変化を比較して、前記２つ以上のスペクトル成分の間の相対的位相が測定される。
【００３４】
しかるに、この改良例においては、局発光と被測定光信号との相対位相を、徐々に変化させることに伴う、混合スペクトルの変化を逐一追跡することが、意図されている。すなわち、測定過程で必要な被測定光パルスのショット数は、前記の従来例技術よりもむしろ多くなる。そもそもこの改良例では、微弱であるものの、十分高い繰返しを持つような、主に、光通信・情報処理分野で用いられる光信号列の測定に注目している。その結果、相対位相を変化させる間、被測定光信号は、間断なく連続的に装置に入射することが、前提とされている。
【００３５】
これに対し、前記加工用等に供給される光の測定に際しては、パルスエネルギはショット毎の信号を十分孤立して得るに十分な一方で、繰返しは、ショット間が無信号となってしまうほど低い。このように見ると、前記の改良例は、パルスエネルギの大きい低繰返し光信号の測定とは、むしろ逆の方向を志向していることが明らかであり、いきおいその解決とならないことは、言うまでもない。
【００３６】
このように、従来、パルスエネルギの大きい低繰返し光信号については、パルスショット毎の強度のばらつきにより、干渉位相の測定が困難であり、すなわち、対称化位相すら得難かった。ところで、前述したように、対称化位相を１つ得たとしても、一般の非対称なスペクトル位相を求めることはできない。縮退周波数、換言すれば、局発光波長を異にする２つの対称化位相を得て、初めてスペクトル位相が求まり、これを通常に採取した（パワー）スペクトルと結合して、光信号電界の時間波形が算出される。
【００３７】
このような事情を勘案すると、仮に１ショットで干渉位相、すなわち対称化位相を得たとしても、パルスの光信号電界の時間波形に至るまでには、別の局発光波長についての対称化位相の測定に、もう１ショット、さらに通常のスペクトル測定に１ショットと、都合３ショットが必要となる。混合スペクトル間の相対的な強度の保持は、各干渉位相の抽出にのみ、要求されるので、パルスショット毎の強度のばらつきが、ショット毎の電界波形の変化を伴わなければ、以上のように３ショットを要する測定でも、精度が損なわれることはない。
【００３８】
勿論、後にも先にも１回きりといった純然たる単発パルス、あるいは、核融合炉の点火パルスのように１時間当たり１発あるかないかといった極低繰返しの場合には、複数ショットを要すること自体により、測定法が全く実用にならない。
【００３９】
さらに、パルス毎のエネルギが高いことは、一般に、増幅段における由々しい光非線形効果の介在の可能性に通じる。こうした非線形効果が作用すると、強度のばらつきが、電界波形のばらつきに転化される。例えば、自己位相変調効果によれば、瞬時強度の変動が、スペクトルの形状すら変化させ得ることは良く知られているが、かかる自己位相変調効果は、大きさの差こそあれ、あらゆる媒質に普遍的に見られるのである。このような事情から、パルスショット毎の強度のばらつきが、電界波形の変化を伴わないという仮定は、楽観的に過ぎる。
【００４０】
すなわち、頻度の低いパルスの取り扱い、または、精密を期する測定のためには、１ショットで必要なデータの全てを採取する、より完全な単発測定の実現が望まれるのである。
【００４１】
以上述べたように、従来の光信号電界波形測定方法では、（１）低繰返し被測定信号光のショット毎の強度の変動が、大きな誤差を招き、ひいては、（２）単発の信号光の測定が、不可能であるという解決すべき問題があった。
【００４２】
本発明の目的は、被測定光信号の一発毎に対称化位相を得ることでショット毎の強度の変動に高い耐性を有し、さらに、完全な単発の信号光の測定を実現することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００４３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【００４４】
第１の発明は、被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成し、前記被測定光と前記位相共役光とを合波して混合光を生成し、この混合光のスペクトルを観測して、前記被測定光信号の電界の周波数領域での位相を測定する光信号電界の時間波形測定方法であって、前記局発光と被測定光信号との相対位相が、光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成し、この生成された位相共役光と前記被測定光とを合波して混合光を生成し、この混合光のスペクトル強度を、前記位置毎に分解された２次元像として観測記録し、前記位置の変化に伴うスペクトル成分毎の強度の変化を比較してスペクトル成分の間の相対的位相を測定するものである。
【００４５】
第２の発明は、前記第１の発明の光信号電界の時間波形測定方法において、前記局発光と前記被測定光信号のビーム断面内に、それら両光の相対位相を異にする３つの部分を生成し、それらを非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成し、前記部分毎のスペクトル強度を連立して解きスペクトル成分の間の相対的位相を測定するものである。
【００４６】
第３の発明は、前記第１の発明の光信号電界の時間波形測定方法において、前記局発光と前記被測定光信号の波面に傾きを設け、それら両光の相対位相を、光線断面内の位置に直線的に依存させて、非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成し、前記位置に伴うスペクトル強度の変化の位相からスペクトル成分の間の相対的位相を測定するものである。
【００４７】
第４の発明は、前記第１乃至３の発明のうちいずれか１つ光信号電界の時間波形測定方法において、前記被測定信号を３分し、この３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記局発光の波長を異にする第２または第３の発明の２つの手段に供給し、前記３者（第３の信号）をスペクトルを観測する手段に供給するものである。
【００４８】
第５の発明は、前記第１乃至３の発明のうちいずれか１つ光信号電界の時間波形測定方法において、被測定光信号に対し、波長を互いに異にする２つの局発光を作用させ、前記２つの局発光のそれぞれについての前記２次元像、及び前記局発光の作用を受けないスペクトル像の３つの像を、全て重畳して観測記録するものである。
【００４９】
第６の発明は、前記第５の発明の光信号電界の時間波形測定方法において、被測定光信号を２分し、この２分して得られた１者（第１の信号）を、前記２つの局発光のうち１者の生成にあて、前記局発光に変換されなかった前記２分して得られた１者（第１の信号）の残余を、前記２つ局発光のうち他者の生成にあて、前記２分して得られた他者（第２の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させるものである。
【００５０】
第７の発明は、前記第５の発明の光信号電界の時間波形測定方法において、被測定光信号を３分し、この３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記２つの局発光の生成にあて、前記３分して得られた３者（第３の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させるものである。
【００５１】
第８の発明は、被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記被測定光と前記位相共役光とを合波した混合光のスペクトルを観測するスペクトル観測手段と、前記被測定光信号の電界の周波数領域での位相を算出する位相算出手段を有する光信号電界の時間波形測装置であって、前記局発光と被測定光信号との相対位相が、光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、該位相共役光生成手段で得られた位相共役光と前記被測定光とを混合する混合光生成手段と、該混合光生成手段で生成された混合光のスペクトル強度を、前記位置毎に分解された２次元像として観測記録する観測記録手段と、前記位置の変化に伴うスペクトル成分毎の強度の変化を比較して、スペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備するものである。
【００５２】
第９の発明は、前記第８の発明の光信号電界の時間波形測定装置において、前記局発光と前記被測定光信号のビーム断面内に、それら両光の相対位相を異にする３つの部分を生成する光束分割手段と、該光束分割手段で生成された３つの部分を非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記３つの部分毎のスペクトル強度を連立して解きスペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備するものである。
【００５３】
第１０の発明は、前記第８の発明の光信号電界の時間波形測定装置において、前記局発光と前記被測定光信号の波面に傾きを設け、それら両光の相対位相を、光線断面内の位置に直線的に依存させて、非線形媒質に入射・結焦して位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、前記位置に伴うスペクトル強度の変化の位相からスペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段とを具備するものである。
【００５４】
第１１の発明は、前記第８乃至１０の発明のうちいずれか１つの光信号電界の時間波形測定装置において、前記被測定信号を３分する被測定信号３分手段と、該被測定信号３分手段で得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）を、前記局発光の波長を異にする第９または第１０の発明の２つの手段に供給し、前記３者（第３の信号）をスペクトルを観測する手段に供給する手段とを具備するものである。
【００５５】
第１２の発明は、前記第８乃至１０の発明のうちいずれか１つの光信号電界の時間波形測定装置において、前記被測定光信号に対し、波長が互いに異なる２つの局発光を作用させ、前記２つの局発光のそれぞれについての前記２次元像、及び該局発光の作用を受けないスペクトル像の３つの像を、全て重畳して観測記録する観測記録手段を具備するものである。
【００５６】
第１３の発明は、前記第１２の発明の光信号電界の時間波形測定装置において、前記被測定光信号を２分する被測定光信号２分手段と、該被測定光信号２分手段で得られた１者（第１の信号）を、２つの局発光のうち１者の生成にあて、該局発光に変換されなかった該２分して得られた１者（第１の信号）の残余を、前記２つの局発光のうち他者の生成にあて、前記２分して得られた他者（第２の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させる手段を具備するものである。
【００５７】
第１４の発明は、前記第１２の発明の光信号電界の時間波形測定装置において、前記被測定光信号を３分する被測定光信号３分手段と、該被測定光信号３分手段で得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記２つの局発光の生成にあて、前記被測定光信号３分手段で得られた３者（第３の信号）に対し、前記２つの局発光を作用させる手段を具備するものである。
【００５８】
本願において開示される発明のポイントは、被測定光信号に対し、局発光を作用させて位相共役光を生成し、前記被測定光と前記位相共役光の合波の結果生ずる混合光のスペクトルを観測して、光信号電界の周波数領域での位相を測定する方法及び装置であって、前記局発光と被測定光信号との相対位相が、光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成する位相共役光生成手段と、得られた混合光のスペクトル強度を、前記位置毎に分解された２次元像として観測記録する観測記録手段と、前記位置の変化に伴うスペクトル成分毎の強度の変化を比較して、スペクトル成分の間の相対的位相を算出する相対的位相算出手段を具備することである。
【００５９】
ここで、局発光と被測定光信号との相対位相が光線断面内の位置に依存するようにして、位相共役光を生成する位相共役光生成手段としては、それら両光の相対位相を異にする３つの部分を生成して、非線形媒質に入射・結焦する方法がある。この場合、前記部分毎のスペクトル強度を連立して解いて、スペクトル成分の間の相対的位相を求める。
【００６０】
さらに、前記の他の手段として、局発光と被測定光信号の波面に、傾きを設け、それら両光の相対位相を、光線断面内の位置に直線的に依存させて、非線形媒質に入射・結焦する方法があり、特に有用である。この時には、前記位置に伴うスペクトル強度の変化の位相から、スペクトル成分の間の相対的位相が、精度良く求められる。
【００６１】
以上により、１つの対称化位相の測定が１ショットで行えるが、さらに歩を進めて、単発の信号光の測定を実現するためには、局発光の波長の設定を異にした前記の光信号電界の時間波形測定装置を２つ用意し、被測定信号を３分し、得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）を、これら装置にそれぞれ供給し、さらに前記３分して得られた３者（第３の信号）を、通常にスペクトル観測する手段に供給すればよい。
【００６２】
単発の信号光の測定を実現する他の方法として、被測定光信号に対し、波長を互いに異にする２つの局発光を作用させ、前記２つの局発光のそれぞれについての前記２次元像、及び前記局発光の作用を受けない通常のスペクトル像の３つの像全てを、重畳して観測記録してもよい。
【００６３】
ここで、一般に、被測定光自身の一部から局発光を生成する自己参照型の構成において、前記の２つの局発光を得る手段として、２つの方法が考えられる。
【００６４】
その１は逐次型であり、被測定光信号を２分する手段を備え、この２分して得られた１者を、前記２つ局発光のうち１者の生成にあて、そのうち局発光に変換されなかった残余を、次いで前記２つ局発光のうち他者の生成にあて、得られた２つの局発光を、前記２分して得られた他者（第２の信号）に対し作用させる。
【００６５】
その２は並列型であり、被測定光信号を３分する手段を備え、前記３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、前記２つの局発光の生成にあて、得られた２つの局発光を、前記３分した残り（第３の信号）に対し作用させる。
【００６６】
ここで、本願発明の原理について説明する。
従来の光信号電界の時間波形測定方法では、混合光のスペクトルｓａを観測・採取し、次に、位相２φｐが９０°減じるように位相調整器を操作した後、混合光のスペクトルｓｂを観測・採取し、さらに、位相２φｐがさらに９０°減じるところまで位相調整器を操作し、再び混合光のスペクトルｓｃを観測・採取する。これを行うためには、少なくとも被測定信号光の３ショットを要し、各々のスペクトルの観測・採取にかかるショット間に強度変化が生じると、前記数２の式による干渉位相φの計算に誤差が生じた。
【００６７】
ここにおいて、位相２φｐが９０°ずつ異なる条件で生成した３つの混合光を、同時にスペクトル分解して観測する対策が想起される。しかし、このために、独立な装置を３組用意して、被測定光パルスを各々に入力するような構成では、一定の位相関係を到底期待できないことは、既に述べた。故に、１つの装置の中で、位相２φｐが９０°ステップで異なる３つの混合光を同時に生成し、それらのスペクトルを一挙に観測・採取することが不可欠である。
【００６８】
このような方法を行うには、そもそも、一般に複数の光のスペクトルを一挙に観測・採取できる分光手段の存在が前提となる。幸いにして昨今では、このような手段として、入射スリットに沿う方向に結像性を持つ分光器の出射側に、２次元光検出器を装着して行う、イメージング分光と称する手法が良く知られている。ここで、２次元光検出器としては、撮像管ないしＣＣＤ（電荷結合素子）など、いわゆるカメラとして用いられる機器から、波長域あるいは感度を考慮して選択して用いればよい。
【００６９】
このイメージング分光によれば、例えば、入射スリットに沿って垂直方向に、複数本の光ファイバを並べて装着すれば、出射側の検出器上には、水平方向に分散されたライン状のスペクトルが、上下方向に平行に並んだ像が得られる。ここで、縦に並んだラインの各々が、それぞれ個別の光ファイバを経て入射した光のスペクトルを与えるのである。すなわち、一般に、水平方向にスペクトル成分が、垂直方向に入射スリットに沿った位置が、張られた２次元像が、出射側に現れる。
【００７０】
次に、位相２φｐが９０°ステップで異なる３つの混合光を、同時に生成するために、従来例装置の構成において、位相調整器６４６に、段差を有する階段状のガラス板を用いる方法につき、考察を加えよう。一般に、位相調整器を通過する光のビーム径は有限であるから、このような板の段の幅を、ビームの断面内に丁度２回の段差が含まれるように、設計・製作することが、常に可能である。さらに、段差△が、数３の式を満たせば、隣接する段を通過したビームの部分には、互いに９０°だけ異なる位相２φｐが付与される。
【００７１】
【数３】
0003566936.tif 000002
ここで、λ３、λｄ（＝２λ３）はそれぞれ局発光波長、縮退波長であり、ｎ（λ３）及びｎ（λｄ）は、階段状のガラス板のそれら波長における屈折率である。
【００７２】
このように、２次の非線形媒質６２８に入射・結焦されるビームの断面にわたり、位相２φｐの異なる複数の部分を作ることで、１つの装置の中で、位相２φｐが異なる混合光を同時に生成することができる。すなわち、２次の非線形媒質を出射するビームの断面内には、前記媒質に入射したビーム上の分布に対応して、異なる位相２φｐの下に生成された混合光が分布する。
【００７３】
ここで、この混合光を前述したイメージング分光によって観測すれば、前記数２の式の９０°法求位相計算に必要なデータを、一発の被測定光信号に対して、得ることができる。例えば、入射スリットに沿って並べた３本の光ファイバのそれぞれに、階段状の位相調整器を用いて得た、互いに９０°だけ異なる位相２φｐを持つ混合光を、結合・入射し、３種の混合光のスペクトルを一挙に観測・採取すればよい。
【００７４】
ここで、混合光のビームを、位相２φｐが異なる部分に分割し、それぞれを光ファイバに結合するのは、いささか繁雑の感を免れない。実は幸いにして、今のように、位相２φｐが異なる部分が、元々１つのビームに束ねられている場合には、イメージング分光器への入射に、光ファイバを介する必要は全然ない。すなわち、混合光のビームを、円筒レンズ等により、スリットの幅方向にのみ集束して、イメージング分光器へ入射すれば事足りる。この際、位相２φｐが異なる部分を分割して観測するためには、それら部分は、入射スリットに沿う方向に並んでいる必要がある。
【００７５】
ところで、円筒レンズ等により混合光を、分光器のスリットに直接集光するならば、混合光ビームはスリットに沿う方向には、拡がらずに平行に進んで行く。このような場合、分光器に、入射スリットに沿う方向への結像性は要求されない。すなわち、あえてイメージング分光器を用いなくとも、２次元光検出器を出射側に装着した通常の分光器で事足りるのである。
【００７６】
以上、段差を有する階段状のガラス板を位相調整器とし、得られた混合光を円筒レンズ等により、２次元光検出器を装着した一般の分光器のスリットに入射すれば、一発の被測定光信号に対して対称化位相を求めるという本発明の目的は、原理的には達成できることが分かった。しかし、この方法は、以下の２つの理由により、未だ十分実用的とは言い難い。
【００７７】
その１つの理由は、位相調整器として用いる階段状のガラス板に係る問題がある。前記数３の式の与える、板に必要な段差は、局発光波長λ３に依存する。それ故、局発光波長λ３を変える毎に、位相調整器を取替える必要がある。１つの被測定光信号のスペクトル位相の測定には、局発光波長を変えた２つの対称化位相の測定が必要なことを想起すれば、最低２個の位相調整器を用意し、差替えて用いなければならない。さらに、局発光波長λ３の２倍は縮退波長λｄであり、後者は被測定光信号のスペクトルの中心付近に設定するのが良いことを考え合わせると、被測定光信号の波長が変わる度に、新たな位相調整器の対の準備を強いられることとなる。これは、汎用的な測定器を工業的に生産・供給しようとする際、甚だしい問題と言わざるを得ない。
【００７８】
その２つめの理由は、２次の非線形媒質に入射・結焦されるビームの断面内の強度分布に起因する問題である。９０°法求位相計算に依拠する限り、位相２φｐを変えた３系列のスペクトルの、相互の大きさの関係が保たれている必要がある。これは今の場合、観測する混合光の３つの部分について、局発光が無い状態での光量が正確に等しく、かつ、混合係数ｍ、換言すれば局発光の作用も正確に等しいことを要求する。一般に、ビーム断面内での光強度分布は、均一ではない。さらに、現実には、２次元光検出器においては、画素による感度のばらつきが避け難い。要求の前段だけならば、標準的なスペクトルの補正手段によって対処可能であるが、要求の後段を保証することは容易でない。いきおい、位相２φｐを変えた３つの部分を、ビームの中心部分に配置することとなるが、これはビームの利用効率の低下を招く。加えて、測定法の精度が、入射する被測定光信号のビーム品質に強く依存する結果ともなる。
【００７９】
ここにおいて、本発明者は、より実用性及び信頼性の高い構成を、鋭意考究し、局発光と被測定光信号の波面に傾きを設けて非線形媒質に入射・結焦する構成に想到した。以下、これについて述べる。
【００８０】
前記分光器に装着された２次元光検出器は、いわゆるカメラであるから、スペクトルが分散される方向（以下、横方向と呼ぶ）の画素数と比較して、スリットに沿う方向（縦方向と呼ぶ）にも、通例同程度の画素数を持つ。すなわち、縦方向の画素数は、例外的に少ない場合でも５０、通常は１００〜２００以上あるのである。ところが、前述した９０°法に依拠する方法においては、要するに、このうちの３画素を利用しているに過ぎず、非常に効率が悪い。
【００８１】
縦方向の画素数の多さをより有効に利用するには、より多数の相対位相２φｐについて、混合光のスペクトルを観測するのが良い。特に、より細かい刻みで、（準）連続的な位相２φｐについて、混合光の強度変化を観測するならば、位相調整器として校正された形で、ビーム内に９０°ステップの２φｐの変化を作る必然性はなくなる。なんとなれば、位相２φｐの変化量は、観測される強度変化から原理的に検知できるからである。それ故、ここで、前記局発光波長に応じて交換を迫られていた位相調整器を不要とすることができる。
【００８２】
ビーム断面内で、最も簡単に、連続的に位相２φｐを変化させるには、局発光と被測定光信号の波面に傾きを設けて非線形媒質に入射・結焦すれば良い。この場合、以下に示すように、局発光と被測定光信号のなす角の方向に、位相２φｐが直線的（リニアー）に変化する混合光ビームが、非線形媒質から出射される。
【００８３】
非線形媒質内で、被測定光信号の周波数ν２成分の伝搬ベクトルをｋ２、局発光の伝搬ベクトルをｋ３とする。これらの相互作用の結果、周波数ν１の位相共役光は、その伝搬ベクトルｋ１（ｃ）が、関係ｋ１（ｃ）＋ｋ２＝ｋ３を満たす方向に発生する。被測定光信号と局発光の伝搬ベクトルのなす角、すなわち、被測定光信号と局発光の波面の傾きをαとする。前記位相共役光の伝搬ベクトルｋ１（ｃ）が局発光に対してなす角α’とし、上の関係から３つのベクトル、ｋ１（ｃ）、ｋ２及びｋ３が三角形を成すことに留意すれば、幾何学的に数４の式を得る。
【００８４】
【数４】
0003566936.tif 000003
混合光は、伝搬ベクトルｋ１（ｃ）の位相共役光と、伝搬ベクトルｋ１を持つ被測定光信号の周波数ν１成分の干渉の結果生じる。ここで、被測定光信号中でｋ１は当然ｋ２と平行であるから、ｋ１（ｃ）とｋ１のなす角はα＋α’となる。一般に伝搬方向の異なる光が干渉する時、空間的な干渉縞が現れることはよく知られている。それとの類推によって、今の場合、混合光のスペクトルを与える前記数１の式中、干渉位相に、位置に依存する項が加わり、φ＝φ１＋φ２−２φｐ−Ｋ⊥Ｙ＋δとなることが、容易に分かる。ここで、Ｙは、被測定光信号の伝搬方向に垂直な平面上で、局発光伝搬ベクトルｋ３の射影方向にとった座標、また、Ｋ⊥はベクトルＫ＝ｋ１（ｃ）−ｋ１のＹ軸上への射影の大きさである。
【００８５】
ベクトルｋ１（ｃ）とｋ１の作る三角形についての初等的考察から、Ｋ⊥＝ｋ１ｓｉｎ（α＋α’）である。これに、前記数４の式の関係を代入すれば、次式の数５の式が得られる。
【００８６】
【数５】Ｋ⊥＝ｋ３ｓｉｎα
このように導出された干渉位相の空間（角）周波数Ｋ⊥は、被測定光信号の成分の周波数ν１、ν２の組合わせに全然依存しない。前記角α’は、周波数ν１に強く依存するにも拘わらず、Ｋ⊥の中では、ｋ１のν１依存性が丁度これを打ち消しているからである。
【００８７】
かくして、混合光の全スペクトル成分にわたって、等しい空間周波数Ｋ⊥が得られるならば、その空間周波数を局発光に付随しているものと解釈することが許される。すなわち、局発光の位相が、φ３＝２φｐ＋Ｋ⊥Ｙの形で、位置Ｙに依存すると考え得る。このＹ軸方向を、２次元光検出器を装着した分光器のスリットに沿う方向と一致させ、位置により分解して混合光スペクトルを採取・記録すれば、連続的な位相２φｐについてのデータが一挙に得られる。
【００８８】
これを陽に表現して、混合光スペクトルを与える式を書き直すと、数６の式が得られる。
【００８９】
【数６】
ｓ（ν１）＝ｓ１＋ｍ２ｓ１＋ｍ２ｓ２＋２ｍ√（１＋ｍ２）×√（ｓ１ｓ２）×ｓｉｎ［φ１＋φ２−（２φｐ＋ｋ３Ｙｓｉｎα）＋δ）］
これが、局発光と被測定光信号の波面に傾きを設けて非線形媒質に入射・結焦する本発明につき、その原理を表す基本的な式である。
【００９０】
次に、波面に傾きを設けて重ねた局発光と被測定光信号を、非線形媒質に結焦する仕方につき、考察を加える。非線形媒質上のビーム径をｗと書くとき、ビームをよぎる際の、位相２φｐの変化量は、Ａφ＝ｋ３ｗ  ｓｉｎαの程度である。
【００９１】
一方、同時に、局発光と被測定光信号は伝搬方向に角度αだけの差を持つために、長さＬの非線形媒質を通過する間に、それらビームの中心は、Ｈ＝Ｌｔａｎαだけの、乖離を蒙らざるを得ない。この乖離は、性質（：Ｌｔａｎα＞Ｌｓｉｎα）を使って、以下の数７の式のように書き表すことができる。
【００９２】
【数７】
0003566936.tif 000004
ここで、括弧内の分母に現れた表式は、共焦点パラメータｂと呼び慣わされている量の、縮退波長における値に他ならない。媒質中での非線形効果の効率の観点からは、媒質長Ｌとｂの比ξを、１〜６にとるのが良いことが知られている。
【００９３】
一方、光強度分布、ないしは、混合係数ｍが均一ではない混合光ビームから、干渉位相を求めるためには、最低でも、混合光スペクトルの正弦的変化の１周期以上にわたって測定を行う必要がある。すなわち、位相２φｐの変化量Ａφは、少なくとも２πである。
【００９４】
以上を斟酌すると、ビーム乖離量は、Ｈ＞πＷとなり、ビーム径を遥かに超越してしまう。位相の変化量Ａφ全域で正しく混合スペクトルを得るには、ビーム乖離量は、ビーム径に比して十分小さく留める必要があるので、ここで矛盾が生じてしまうこととなる。かくして帰謬法により、Ｙ方向のビーム径ｗＹ、と、それと直交するＸ方向のビーム径ｗＸの間に、差を設けるべきことが示唆される。
【００９５】
許容するビーム乖離量のビーム径に対する比をεとすると、角度αは通常小さいことにより、ｃｏｓαを１と置くと、最適のｗＹは、ｗＹ＝√（ＡφＬ／（εｋ３））である。一方、Ｘ方向については、効率の観点から、ｗＸ＝√（Ｌ／（ξｋｄ））が最適である。これらの比をとると、次式の数８の式が得られる。
【００９６】
【数８】
0003566936.tif 000005
変化量Ａφに６π、ビーム乖離比εに０．０５、さらに共焦点パラメータに対する媒質長ξとしては３を用いると、望ましいビーム径の比は７．９、すなわち１０程度と算出される。この最適比は、媒質長あるいは局発光波長に依存しない、普遍的な目安となっている。
【００９７】
現在、加工等、工業的に応用されているパルス光の時間幅は、概ね１００ｆｓ前後である。このように比較的、時間幅の長い被測定信号の場合、パラメトリック混合を行う非線形媒質としては、長さ５ｍｍ程度以上のものが用いられる。この時、局発光波長を０．４μｍとしてＹ方向の最適ビーム径を算定すると、ｗＹとして３５０μｍが得られる。これは、測定器内を通常に伝搬するビームの直径２ｗ＝１ｍｍに、近似する値である。すなわち、このような場合、Ｙ方向には、通常に伝搬するビームを、集束させることなく、そのまま非線形媒質に入射して良いことになる。一方、Ｘ方向には効率を高めるために、ビームを１００μｍ以下の直径に集束するのが望ましい。このように、一方向にのみ光線を結焦する方法としては、円筒鏡あるいは円筒レンズといった既知の方法を用いることができる。
【００９８】
これに対して、時間幅が極限的に狭い白色フェムト秒光などの測定では、用いる非線形媒質の長さが５０μｍ程度となる。これは、媒質におけるパラメトリック混合の周波数帯域が、長さの２乗に反比例し、広帯域の極限短光パルスを扱うには、その分、薄い非線形媒質が必要となるからである。このときには、Ｙ方向ですら、最適のビーム径ｗＹが３５μｍと小さくなる。Ｘ方向のビームの直径に至っては、１０μｍ以下に絞るのが望ましい。このような楕円形のビームウエストを得るには、Ｘ方向とＹ方向に、別個の円筒鏡あるいは円筒レンズを作用させる。それら円筒光学系の焦点距離の比を、前記数８の式の与えるビーム径比にとり、さらに互いの焦点が一致するように、配置すれば良い。
【００９９】
以下に、本発明について、本発明による実施形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
【０１００】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための図であり、図１（ａ）は、その光信号電界の時間波形測定装置単体の概略構成を示す模式図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の光信号電界の時間波形測定装置を複数用いる装置の概略構成を示す模式図である。図１において、１０１は被測定光信号入力、１０２は分岐鏡、１０３はレンズ、１０４は２次の非線形媒質、１０６はレンズ、１０７は反射鏡、１０８は光学楔、１２０は濾波器、１２１、１２２、１２３、１２４は反射鏡、１２５は合波鏡、１２７は円筒鏡、１２８は２次の非線形媒質、１２９は円筒鏡、１３２はスペクトログラフ、１３３は２次元光検出器、１３４、１３５は分岐鏡、１３６は３分手段、１３７、１３８は反射鏡、１３９、１４０は本実施形態１の光信号電界の時間波形測定装置単体、１４１は光スペクトル観測器である。
本実施形態１の光信号電界の時間波形測定装置では、Ｙ方向に集束せずに非線形媒質に入射・結焦できる場合の構成を与えている。
【０１０１】
図１（ａ）に示す被測定光信号は、被測定光信号入力１０１として本実施形態１の光信号電界の時間波形測定装置に入射する。前記該入力被測定光信号入力１０１は、分岐鏡１０２により２分され、その一方はレンズ１０３によって、２次の非線形媒質１０４に入射・結焦される。本媒質１０４において第２高調波が発生され、局発光が得られる。発生した局発光は、レンズ１０６により平行光線とされ、反射鏡１０７を経、光学楔１０８および濾波器１２０を通過して、合波鏡１２５に達する。ここで、濾波器１２０は、２次の非線形媒質１０４で局発光に変換されずに残った被測定光信号を、除去するために、挿入されている。
【０１０２】
分岐鏡１０２によって２分されたうち他方は、反射鏡１２１、１２２、１２３、及び１２４からなる光学遅延線を通過し、合波鏡１２５に達する。該光学遅延線は、合波鏡１２５上で、被測定光信号と局発光が時間的に同期するように、調整・固定される。
【０１０３】
以上、合波鏡１２５に達した局発光と光信号は、合波された後、円筒鏡１２７により、２次の非線形媒質１２８に入射・結焦される。この非線形媒質１２８から出射する混合光は、円筒鏡１２９により、スペクトログラフ１３２のスリットに集光される。このスペクトログラフ１３２に装着された２次元光検出器１３３により、混合光のスペクトルが、図１（ａ）の紙面に垂直な方向に位置分解されて、観測・採取される。
【０１０４】
本実施形態１の構成により測定されるのは、２次の非線形媒質１２８に入射した時点でのスペクトル位相である故、前記非線形媒質に至るまでに装置固有の分散を受けると、被測定光信号入力１０１に入射した被測定光信号のスペクトル位相と、測定結果の間に、装置分散分の系統誤差を生じる。このような被測定光信号に関る装置分散は、測定後に容易に補正することができるものの、小さく抑えるべく装置を設計することが、一般に推奨される。
【０１０５】
本実施形態１の構成においては、被測定光信号入力１０１から２次の非線形媒質１２８に至るまで、被測定光信号は、全て反射光学系のみを経由している。これは、前記装置分散を最小に留める設計の結果である。本実施形態１の装置は、現状で工業応用を見ている、１００ｆｓ  前後の時間幅の光信号を対象としている。その結果、非線形媒質１２８にＹ方向への集束を伴わず入射・結焦している構成となっている。
【０１０６】
一方、この程度の時間幅の信号では、スペクトル幅が甚だしく広くはないので、光信号のスペクトル全域を反射し、かつ局発光を透過するような、誘電体多層膜鏡を容易に入手でき、これを合波鏡１２５として用いることができる。その結果、被測定光信号を、反射光学系のみを使って、２次の非線形媒質１２８まで導くことができるのである。
【０１０７】
光学楔１０８の頂角をθ（＜＜１）、局発光波長における屈折率をｎとすると、この光学楔を通過することにより、局発光の光軸は、αｅ＝（ｎ−１）θだけ偏向する。光学楔の稜を、紙面上向きに配置することで、局発光は仰角を持って、２次の非線形媒質１２８に入射する。この時、前述したＹ方向は紙面上向きとなり、被測定光信号と局発光の波面の傾きαとしては、ｓｉｎα＝ｓｉｎαｅ／ｎ３が得られる。ただし、非線形媒質の局発光波長における屈折率をｎ３とした。
【０１０８】
ここで、現実には、局発光の光軸を偏向するために、あえて光学楔を用いる必要はない。反射鏡１０７、または、合波鏡１２５のあおりを調節すれば、必要な仰角を与えることができるからである。図１の構成において、光学楔１０８を書き入れてあるのは、本発明の要件である波面の傾きを与えていることを、陽に示すために他ならない。
【０１０９】
図２は、本実施形態１の位相差検出の例を示しており、図２（ａ）は、２次元光検出器１３３上に現れる像の輝度分布の例を示す図（ディスプレイ画面の写真）であって、横軸方向には、スペクトル成分の強度が、波長ないしは光周波数に分解されて得られる。これに対し、縦軸方向には、スペクトログラフ１３２のスリットに沿う位置が分解されている。前述したように、本実施形態１の構成では、このスリットに沿う方向は、前記Ｙ軸方向と一致しており、その結果、縦軸方向は、局発光の位相φ３＝２φｐに対応することになる。
【０１１０】
このような像には、対称化位相の形が、直接的な形で可視化されている。すなわち、各光周波数について、輝度を縦方向に辿って行き、極値を与える局発光位相を見い出す。このような局発光位相を結んだ曲線が、光周波数の関数としての対称化位相に他ならない。なんとなれば、この操作により、前記数１の式中の干渉項の正弦関数の引数が一定、すなわち、移項により変形すれば、曲線：φ１＋φ２＋δ＝２φｐ＋ｃｏｎｓｔ（一定）が求まるからである。
【０１１１】
像のこのような性質は、採取された輝度像から対称化位相を導き出す、最も初等的な方法を与える。しかし、ビーム断面内での光強度分布の不均一、あるいは、２次元光検出器の画素による感度のばらつきの存在下では、このようなデータ解析は誤差を生じ易い。利用している輝度データが、極値付近に限定・局在しているからである。それ故、以下に述べるような、よりデータ全体を利用するデータ解析法が、推奨される。この解析法は、特願平１１−２６０８１６号に提案されている相対位相の計算法を、本発明に即して適用したものである。
【０１１２】
まず、基準となる光周波数νｒを適当に定め、νｒについて輝度を縦方向に辿って、輝度データ列Ｌ（νｒ）を得る。ここで、νｒは光信号のスペクトル強度が大きい、スペクトルの中央付近に設定する。縮退周波数νｄは、同一の条件を満足するように選ばれているのが通例なので、一般に、νｒ＝νｄに選べば良い。
【０１１３】
データ列Ｌ（νｒ）を複素化した後、複素数データ列についてのフーリエ変換を施す。こうして得られる周波数領域で、負の周波数成分を全てゼロに置きかえる。これを逆フーリエ変換すると、その実部は、元の実数データ列Ｌ（νｒ）を与えるが、同時にその虚部から９０°位相の異なるデータ列Ｌ’（νｒ）が得られる。以上は、フーリエ変換を用いたＨｉｌｂｅｒｔ変換の計算法となっている。
【０１１４】
上で得た周波数領域で、零周波数近傍を除去する帯域濾波を行えば、データ列Ｌ（νｒ）内のＤＣ成分の除去が同時に行え、効率的である。光強度分布の不均一に起因する、緩やかに変化する成分も、これにより取り除くことができる。こうして得られた局発光位相φ３による振動成分のみを含むデータ列Ｌ（νｒ）の零点を検索して、振動の周期を求める。データ列Ｌ（νｒ）に含まれる周期の整数倍の区間のうち、最長の区間を以下の積分区間とする。
【０１１５】
次に、一般の光周波数νに対して、前記同様、輝度を縦方向に辿って、輝度データ列Ｌ（ν）を得る。データ列Ｌ（ν）をフーリエ変換し、周波数領域で、上と同一の帯域濾波を行なった後、逆フーリエ変換する。これにより、データ列Ｌ（ν）から、緩やかに変化するＤＣ近傍成分を取り除くことができる。こうして得たデータ列Ｌ（ν）にＬ（νｒ）を掛けた後、前記で決めた積分区間に対して積分を実行して、Ｉｓを得る。同様に、Ｌ’（νｒ）を掛けた後、積分を実行してＩｃを得る。これらの比から、位相差φ−φｒが、次式の数９の式に従って計算される。
【０１１６】
【数９】
0003566936.tif 000006
図２（ｂ）は、前述した位相差計算法を、図２（ａ）の輝度分布に対して行った例を示す図である。図中、下側のデータ列が、基準となる輝度データ列Ｌ（νｒ）であって、基準周波数νｒは縮退周波数νｄに選んでいる。上側のデータ列は、縮退周波数νｄから１．０ＴＨｚだけ長波長に寄った光周波数における輝度データ列Ｌ（ν）である。
【０１１７】
両データ列の何れにおいても、振動の重畳以前の平均的な輝度が、画素番号中央付近で持ち上がりを呈している。さらに詳細に見ると、振動の平均的輝度に対する相対振幅も中央部で最も大きく、周辺では減少していることが分かる。前者は、被測定光自体が持つ、Ｙ方向の光強度分布に起因している。かかる分布は、理想的なガウシアンビームの場合、関数形：ｅｘｐ［−（Ｙ／ｗｒ）２］に従うことが良く知られている。後者は、局発光の光強度分布が転化された混合係数ｍの不均一の現れであって、ガウシアンビームの局発光では、ｅｘｐ［−（１／２）（Ｙ／ｗｒ）２］に従う。前記述した位相差計算法は、輝度データ列に対するこれら２様の緩やかな変調の何れに対しても、高い耐性を有し、精度の良い結果を与えることができる。実際、この場合、算定された位相差φ−φｒは、図中に示した如く、Ａφ＝５７．１°であり、この値は、両変調が全く無い理想的な場合の値５７．２°に対して、殆ど狂いが生じていないのである。
【０１１８】
２様の変調のうち、前記位相差計算法にとってより有害なのは、前者の、被測定光の光強度分布によるものである。前記数９の式に従う求位相計算では、振動が重畳されていない（混合係数ｍが０の）Ｌ（ν）は、Ｌ（νｒ）、Ｌ’（νｒ）の何れを掛けて積分しても、０を与えることが、前提とされている。被測定光の光強度分布による緩やかなＬ（ν）の変化は、この前提を覆すからである。しかしながら、幸いなことに、被測定光の光強度分布は、前記２様の変調のうちでは、より容易に校正が可能である。
【０１１９】
この校正のためには、局発光を遮った状態で、２次元光検出器１３３上に現れる像の輝度分布を記録しておく。任意の光周波数に対して、前同様に輝度を縦方向に辿ることで、Ｙ方向の光強度分布の校正データ列Ｌ０を得ることができる。その後は、測定輝度データ列Ｌ（ν）、あるいは、Ｌ（νｒ）を、枚正データ列Ｌ０で除して規格化した後、前記位相差計算法に用いれば良いのである。
【０１２０】
以上に説明した位相計算法を、全ての光周波数νに対して行えば、全光周波数測定点に対する干渉位相データを得る。この場合、Ｌ（νｒ）、Ｌ’（νｒ）を求める計算法の前段は、いちいち繰返す必要の無いことは、言うまでもない。
【０１２１】
次に、縮退周波数をν’ｄに変えて、同様に干渉位相の測定を実行する。この際、基準とする光周波数ν’ｒは、先回のνｒと等しくても良いし、異なっていても構わない。縮退周波数を変えるためには、２次の非線形媒質１０４の位相整合波長を同調すればよい。後段の２次の非線形媒質１２８は、十分高帯域なので、位相整合波長の再同調は通常要しない。
【０１２２】
上で得られた２つの干渉位相データの各々に、位相アンラップと呼ばれる標準的な操作を施して、２つの対称化位相データを得る。これらを連立すれば、スペクトル位相が求まる。かくしてスペクトル位相が求まれば、後はごく簡単な操作を残すのみである。すなわち、局発光を遮った状態で、２次元光検出器１３３上の像として、被測定光信号のパワースペクトルを得る。このスペクトルデータに、平方根演算を施してスペクトル振幅データを得、これに前に得たスペクトル位相を付与して複素化した上で、逆フーリエ変換を行えば、光信号電界の時間波形が算出されるのである。
【０１２３】
かくして、本実施形態１の構成により、パルスショット毎の強度のばらつきの影響を免れた、干渉位相の測定が行え、かかる２回の干渉位相の測定と、別途測定したパワースペクトルを組合わせて、光信号電界の時間波形が求められる。
【０１２４】
以上の手順では、電界の時間波形を得るのに、被測定光信号が、つごう３ショット必要なのは明らかである。以下では、さらに歩を進めて、信号光単発での、電界の時間波形測定を実現する本実施形態１の構成について説明する。
【０１２５】
単一パルス測定のための自明な構成として、前記本実施形態１の装置
（構成）を２つ、通常のスペクトルの観測器と併せて、用意する方法がある。
【０１２６】
ここで、前記２つの装置
（構成）を、予め、異なる縮退周波数νｄ、ν’ｄに、設定しておく。被測定信号を３分し、得られた第１の信号（１者）と第２の信号（２者）を、これら２つの装置
（構成）にそれぞれ供給し、さらに残余をスペクトル観測器に供給する。
【０１２７】
図１（ｂ）は、かかる装置の構成を示す図であり、図１（ｂ）中、被測定光信号は、被測定光信号入力１０１として本実施形態１の装置に入射する。この入射された入力は、分岐鏡１３４により２分され、うち一方は更に分岐鏡１３５により、概略均等に２分される。以上２つの分岐鏡により、被測定光信号は３分されるので、これら総体としては３分手段１３６を形成している。分岐鏡１３５を透過した被測定光信号は、本実施形態１の単体装置（第１の構成）１３９に供給される。一方、分岐鏡１３５で反射された被測定光信号は、別個の本実施形態１の単体装置（第１の構成）１４０に入射する。ここで、これら２つの本実施形態１の単体装置（第１の構成）は、その縮退周波数νｄ、ν’ｄを互いに異にするよう設定される。ひるがえって当初、分岐鏡１３４により２分された他方の被測定光信号は、反射鏡１３８を経て、スペクトル観測器１４１に導かれる。
【０１２８】
かくすれば、ただ１発の被測定信号に対して、光信号電界の時間波形の算出に必要なデータの全てを採取することができ、単一パルス測定が実現する。
【０１２９】
本実施例１の単体装置（第１の構成）を見るとき、最も高価な構成要素は、スペクトログラフ１３２及び２次元光検出器１３３であり、これらは通常のスペクトルの観測器の構成要素でもある。特に、前者は最もかさ高い構成要素ともなっている。しかして、図１（ｂ）に示した単一パルス測定構成では、これら最も高価かつ大きな構成要素を、総体として３対を要することになる。その結果、構成が高価かつ長大とならざるを得ない。
【０１３０】
核融合炉の点火パルス、あるいは最先端科学を追求する極限的な短パルスを発生する光源に関る場合、測定装置がいささか高価で長大となったとしても、問題とするには当たらないかもしれない。この場合、光源自体が極めて複雑・高価なので、その維持・管理に要する測定装置にも、多くの費用を割り当て得るからである。
【０１３１】
しかしながら、加工等、より広く工業的に用いられる短パルス光源にあっては、付随する測定装置にも、高い費用対効用比が要求される。ここにおいて、本発明者は、より低廉な構成につき、鋭意考究を加え、単一のスペクトログラフ及び２次元光検出器を用いて、光信号電界の時間波形の算出に必要なデータを全て採取することのできる単一パルス測定構成を案出するに至った。以下では、これにつき述べる。
【０１３２】
２次元光検出器において、前記述したＹ方向、すなわち縦方向の画素数には、前記の本発明の実施形態１の構成を行っても、通常なお余裕がある。これを利用することを考える。すなわち、２種類の局発光による混合光の各々と、通常のスペクトルを、縦方向の領域に分けて、一挙に観測する。このうち、各混合光の観測にあてる領域では、異なる位相２φｐの下で生成した混合光を、Ｙ方向に位置分解して測定する。これを行うために、各々の局発光と被測定光信号は、前述したように波面に傾きを設けて、非線形媒質に入射・結焦するのが良い。
【０１３３】
ここで、各々の局発光と被測定光信号を、別個の非線形媒質に入射・結焦して、それぞれから混合光を生成し、その後で、２つの混合光を、縦方向にずらした上でまとめてスペクトログラフに入射する構成も、勿論可能である。しかしながら、単一の非線形媒質上に、２種の局発光と被測定光信号を入射・結焦する構成の方が、簡便性に優れ望ましい。この際、２つの局発光相互は、非線形媒質上で重なりが生じないように、注意すべきである。何故なら、被測定光信号に同時に２つの局発光が作用する場合、前記数６の式と異なる混合光が生成されるからである。
【０１３４】
前記本発明の実施形態１では、被測定光自身を２分した一方から局発光を生成している。このような構成を、自己参照型の構成と呼ぶことができる。この自己参照型の構成においては、必要な２つの局発光を得る手段として、一般に、２つの方法が考えられる。その１は並列型であり、被測定光信号を３分し、３分して得られた１者（第１の信号）と２者（第２の信号）をそれぞれ、２つの局発光の生成にあて、得られた２つの局発光を、３分した残余の被測定光信号に作用させる。
【０１３５】
その２は逐次型であり、被測定光信号を２分し、２分して得られた一方を、先ず１つの局発光の生成にあてる。ここで、局発光に変換されずに残余を、次いで他の局発光の生成にあてる。得られた２つの局発光を、最初２分して得た他方に対し作用させる。
【０１３６】
以上で、単発信号光の測定構成の原理の説明を終え、以下では、それに立脚した本発明の実施形態２（第２の構成）について、図面を参照して説明する。
【０１３７】
（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための図であり、図３（ａ）は、その概略構成を模式的に示す上面図であり、図３（ｂ）は、本実施形態２の反射鏡３１８より２次の非線形媒質３２８に至る光路に沿った側面図である。
【０１３８】
本実施形態２の光信号電界の時間波形測定装置は、Ｙ方向にも集束して非線形媒質に入射・結焦することが望ましい、時間幅が極限的に狭い白色フェムト秒光を測定する場合の構成を与えている。また、２つの局発光を得る方法としては、前述した逐次型を用いている。
【０１３９】
図３（ａ）において、被測定光信号は、被測定光信号入力３０１として本実施形態２の光信号電界の時間波形測定装置の構成に入射する。この入射された入力は、分岐鏡３０２により２分され、うち一方はレンズ３０３によって、２次の非線形媒質３０４に入射・結焦される。本実施形態２の非線形媒質３０４において第２高調波が発生され、光周波数ν３を持つ第１の局発光が得られる。
【０１４０】
発生した第１の局発光は、エッジ３０５によりビーム上端が掩蔽された後、レンズ３０６により平行光線とされ、高調波分離鏡３０９を通過し、反射鏡３２１、３２２、３２３、及び３２４からなる光学遅延線を経て、光学楔３０８及び濾波器３２０を通過して、合波鏡３２５位置に達する。２次の非線形媒質３０４に入射したものの、局発光に変換されずに残った被測定光信号は、レンズ３０６により平行光線とされ、高調波分離鏡３０９で反射され、レンズ３１０によって、２次の非線形媒質３１１に入射・結焦される。
【０１４１】
前記非線形媒質媒質３１１においても第２高調波が発生され、光周波数ν’３を持つ第２の局発光が得られる。この第２の局発光は、エッジ３１２によりビーム下端が掩蔽された後、レンズ３１３により平行光線とされ、反射鏡３１４、３１５、３１６、及び３１７からなる光学遅延線を経て、反射鏡３１８で反射され、光学楔３１９及び濾波器３２０を通過して、合波鏡３２５位置に達する。ここで、濾波器３２０は、２次の非線形媒質３０４、３１１で局発光に変換されずに残った被測定光信号を、除去するために、挿入されている。分岐鏡３０２によって２分されたうち他方は、反射鏡３０７を通過し、合波鏡３２５に達する。
【０１４２】
前記反射鏡３２１、３２２、３２３、及び３２４からなる光学遅延線は、合波鏡３２５位置で、被測定光信号と第１の局発光が時間的に同期するように、調整・固定される。同様に前記反射鏡３１４、３１５、３１６、及び３１７からなる光学遅延線は、合波鏡３２５位置で、被測定光信号と第２の局発光が時間的に同期するように、調整・固定される。
【０１４３】
以上、合波鏡３２５の位置に達した２つの局発光と光信号は、円筒鏡３２６及び円筒鏡３２７により、２次の非線形媒質３２８に入射・結焦される。このうち、円筒鏡３２６はＹ方向（図で紙面に垂直方向）への集束、円筒鏡３２７はＸ方向（図で紙面に平行方向）への集束を、各々担務している。前記非線形媒質３２８から出射する混合光は、円筒鏡３２９、３３０及び３３１により、スペクトログラフ３３２に導かれる。うち、円筒鏡３３０はＹ方向への結像に用いられ、スペクトログラフ３３２がイメージング機能を有する場合、スリット上に、然らざる場合、２次元光検出器３３３上に、Ｙ方向の像が結ばれるよう配置するのが良い。残余の円筒鏡３２９と３３１はＸ方向への集光を担務している。これらは、通例、混合光が、円筒鏡３２９によりＸ方向の平行光束とされ、続く円筒鏡３３１によって、スリットに集光されるように配置する。前記スペクトログラフ３３２に装着された２次元光検出器３３３により、混合光のスペクトルが、図３（ａ）の紙面に垂直な方向に位置分解されて、観測・採取される。
【０１４４】
既に述べたように、被測定光信号に関る装置分散を小さく抑えるべく、被測定光信号は反射光学系のみを経由するような装置設計が推奨される。本実施形態２の構成においては、これに加えて、時間幅が極限的に狭い白色フェムト秒光を扱うために、被測定光信号に関る鏡の反射回数自体を、極力減らす設計を採っている。非線形媒質３２８に至るまでに、被測定光信号を反射する５つの鏡、すなわち、分岐鏡３０２、反射鏡３０７、合波鏡３２５、円筒鏡３２６及び円筒鏡３２７のうち、反射鏡３０７と２つの円筒鏡３２６、３２７には広帯域の金属鏡を用いるのが良い。分岐鏡３０２は、金属鏡を採用できないためより困難であるが、反射率１０％程度のものは、ガラス表面のフレネル反射に基づいて構成することができる。
【０１４５】
しかして、最たる困難が生じるのは、合波鏡３２５である。何故ならば、金属鏡を用いた場合には、裏手から合波されるべき２つの局発光が透過しない。かといって、分岐鏡３０２同様に、ガラス表面のフレネル反射により構成すると、被測定光信号に対する反射率が、分岐鏡３０２と合波鏡３２５だけの積算で、既に１％未満となり損失が大き過ぎるからである。
【０１４６】
ところが、Ｙ方向にも集束して非線形媒質３２８に入射・結焦するという、白色フェムト秒光の測定に伴って必要となった構成が、幸いなことに、この合波鏡３２５に係る問題の解消に益するという事情が存する。図３（ｂ）を参照してこれについて説明する。
【０１４７】
図３（ｂ）に示すように、本実施形態２の構成のように、円筒鏡３２６を用い、Ｙ方向にも集束して非線形媒質３２８に入射・結晶する場合、被測定光信号と局発光の光軸に、傾きα’ｅを持たせて円筒鏡３２６に入射しても、非線形媒質３２８上での、波面の傾きを生ずることにはならず、むしろ両光の焦点面上でのずれに転化される。しかして、被測定光信号と局発光の波面に必要な傾き角αを与えるには、両光を円筒鏡３２６上で、ずらして反射させる必要がある。
【０１４８】
ここで、両光の円筒鏡３２６上での間隔ｈは、以下にして求まる。まず、被測定光信号と局発光の波面の傾き角αは、位相２φｐの変化量Ａφ、Ｙ方向のビーム径ｗＹ、さらに局発光波数ｋ３を用いて、ｓｉｎα＝Ａφ／（ｋ３ＷＹ）と表せる。屈折の法則を用いて、これを非線形媒質３２８への局発光の入射角αｅに直すと、ｓｉｎαｅ＝Ａφλ３／（２πｗＹ）である。円筒鏡３２６の焦点距離をｆＹとすると、ｈ＝ｆＹｔａｎαｅであるから、αｅが小さいとして、これに代入すると、数１０の式を得る。
【０１４９】
【数１０】
0003566936.tif 000007
ところで、焦点距離ｆＹの円筒鏡３２６により得られるビームウエストｗＹは、円筒鏡３２６に入射する（平行）ビームの直径Ｄを用いて、２ｗＹ＝ｆＹ（１．２２λ３／Ｄ）で与えられることは、よく知られている。これを用いて、間隔ｈとビーム直径Ｄの比を求めると、ｈ／Ｄ＝Ａφ／（１．２２π）である。ここで、干渉位相を求めるために、Ａφ＞２πだったことを思い起こせば、ｈ＞Ｄが常に成り立つ。況や、Ａφの典型値であった６πに対しては、ｈ≒５Ｄとなり、円筒鏡３２６上で、被測定光信号と局発光の２つのビームは、完全に分離していると見なせるのである。
【０１５０】
すなわち、円筒鏡３２６の使用下で、本発明で推奨される大きさの波面の傾きαを与えた場合、被測定光信号と局発光のビームは、円筒鏡３２６上で、常に十分に分離している。この必然的性質を利用すれば、前記の合波鏡３２５に係る困難は解消される。すなわち、図３（ｂ）に示したように、上下の幅が数１０の式の与える間隔ｈに概ね等しいような、短冊状の金属鏡を合波鏡３２５として用いれば良い。被測定光信号を短冊状の金属鏡にて反射させる一方、２つの局発光は、かかる短冊の上下を通過させれば、被測定光信号と２つの局発光、何れに対しても損失が生じないのである。言うまでもなく、金属膜を短冊状に蒸着した鏡を合波鏡３２５としても、同等の効果を得ることができる。
【０１５１】
同様の事情は、光周波数ν３を持つ第１の局発光と、光周波数ν’３を持つ第２の局発光が交差する箇所に位置する反射鏡３１８についても成り立つ。すなわち、反射鏡３１８における２つの局発光の間隔は２ｈであり、合波鏡３２５におけるよりもさらに十分離れている。従って、図３（ｂ）に示すように、反射鏡３１７を発した第２の局発光のみを反射鏡３１８で反射する一方で、反射鏡３２３からの第１の局発光は、反射鏡３１８の下側を通過させることは、至極容易に行える。
【０１５２】
既に述べたように、２つの局発光は、非線形媒質上で相互に重なりが生じないよう注意が必要である。このために、本実施形態２の構成では、前述した円筒鏡３２６に入射する被測定光信号と局発光の間の光軸の傾きα’ｅによって生ずる両光の焦点面上でのずれを利用する。図３（ｂ）に示したように、光周波数ν’３を持つ第２の局発光に、α’ｅだけの伏角をつけて、円筒鏡３２６に入射する。このとき、非線形媒質３２８上で、第２の局発光のビームウエストの中心は、被測定光信号の中心から、Ｙ’ν＝−ｆＹα’ｅだけずれる。ここで、負号は下へのずれを表す。
【０１５３】
他方、円筒鏡３２６に入射する光周波数ν３を持つ第１の局発光に、α’ｅだけの仰角をつければ、非線形媒質３２８上で、第１の局発光のビームウエストの中心は、Ｙν＝ｆＹα’ｅだけ上にずれる。これらずれ量Ｙν、Ｙ’νの大きさは、非線形媒質３２８上での局発光のＹ方向のビーム径ｗＹ程度に設定するのが良い。
【０１５４】
これに必要な局発光の光軸の傾きα’ｅは、円筒鏡３２６に入射する（平行）ビームの拡がり角程度となり、極く小さい角となる。図３（ａ）の構成に現れた２つの光学楔３０８及び３１９は、それぞれ、第１及び第２の局発光の光軸を偏向し、光軸の傾きα’ｅを与えるために用いられる。ここでも、前記実施形態１の構成におけると同様、現実には、局発光の光軸を偏向するために、あえて光学楔を用いる必要はない。第１の局発光に対しては、反射鏡３２４のあおりを調節すれば必要な仰角を与えることができ、また、第２の局発光に対しては、反射鏡３１７または反射鏡３１８のあおりを調節すれば、必要な伏角を与えることができるからである。
【０１５５】
図３（ａ）の構成に、光学楔３０８及び３１９をあえて書き入れてあるのは、前同様、局発光の光軸に傾きを与えて円筒鏡３２６に入射すべきことを、陽に示すためである。
【０１５６】
前記ずれ量Ｙν及びＹ’νの大きさを、ビーム径程度にとれば、非線形媒質３２８上での２つの局発光の重なりはかなり小さくできるが、依然として完全なゼロとはならない。ビーム断面内の強度分布が、ビーム径の外側で突然ゼロとなる訳ではないからである。この問題に対処するために、図３（ａ）の構成には、２つの遮光エッジ３０５及び３１２が挿入されている。エッジ３０５のレンズ３０６による虚像は、円筒鏡３２６により、非線形媒質３２８の極く近傍に、実像として結像される。すなわち、エッジ３０５の開口を下側にとり、エッジ３０５の位置でビーム上端を掩蔽しておけば、第１の局発光は、非線形媒質３２８上には、下端が欠けた形状を以って結焦される。
【０１５７】
他方、エッジ３１２のレンズ３１３による虚像も、円筒鏡３２６により、非線形媒質３２８の極く近傍に、実像として結像される。従って、エッジ３１２の開口を上側にとり、エッジ３１２の位置でビーム下端を掩蔽すれば、非線形媒質３２８上に結焦された第２の局発光は、上端が欠けた形状を呈する。非線形媒質３２８上で、上側に位置する第１の局発光は下端を欠き、また、下側に位置する第２の局発光は上端を欠くのであるから、両者の重なりはゼロとなる。
【０１５８】
図４は、以上の本実施形態２の装置の動作を説明するための図であり、図４（ａ）は、２次の非線形媒質３２８上のビーム配置を示す図である。既に述べた通り、光周波数ν３を持つ第１の局発光は、下端を欠きつつ上側にずれて結焦され、一方、光周波数ν’３を持つ第２の局発光は、上端を欠きつつ下側にずれて結焦されている。この結果、非線形媒質３２８上での２つの局発光の重なりは生じない。
【０１５９】
以上のように、局発光の結焦形状に意図的な整形を加えた結果、非線形媒質３２８上で２つの局発光の中間には、何れの局発光も照射しない非励起領域が作られる。かかる非励起領域を通過した被測定光信号は、単に非線形媒質３２８を透過したに過ぎず、それをスペクトルグラフ３３２により光周波数（波長）に分解することは、まさに通常のパワースペクトルの観測を行うことに当たっている。
【０１６０】
図４（ｂ）は、２次元光検出器３３３上に現れる像の輝度分布の例を示す図であって、横軸方向には、スペクトル成分の強度が、波長ないしは光周波数に分解されて得られる。これに対し、縦軸方向には、スペクトログラフ３３２のスリットに沿う位置、すなわち、２次の非線形媒質３２８上のＹ方向位置が結像・分解されている。ここで、この２次の非線形媒質３２８上での、ビーム配置は図４（ａ）に示すように、３つの領域に分かれていた。これに対応して、２次元光検出器３３３上に現れる像も、上下に３つの領域に分けることができる。
【０１６１】
まず、被測定光信号と第１の局発光の重なる領域が、図４（ｂ）に示す像の上部に現れる。この第１の局発光は、非線形媒質３２８内で、被測定光信号に対し仰角αを持っていた結果、この領域で縦軸方向は、第１の局発光の位相φ３＝２φｐに対応することになる。従って、前述の実施形態１の構成同様、像のこの領域には、光周波数ν３を持つ第１の局発光についての対称化位相の形が、直接的な形で可視化されている。当然、この領域の輝度分布に村し、前述した位相差計算法を行えば、縮退周波数νｄ＝ν３／２についての対称化位相を、精度良く求めることができる。
【０１６２】
続いて、被測定光信号に何れの局発光もあたらない非励起領域が、図４（ｂ）に示す像の上下中央部に現れる。この領域の輝度分布は、通常のパワースペクトルを与える。この領域の、縦方向の画素数が、図４（ｂ）のように複数にわたる時に、それら画素の輝度の和を採ることで、スペクトルの測定精度の向上を図ることは、常套的な手法に属する。
【０１６３】
最後に、被測定光信号と第２の局発光の重なる領域が、図４（ｂ）に示す像の下部に現れる。第２の局発光は、非線形媒質３２８内で、被測定光信号に対し伏角αを有したので、本領域の縦軸方向は、第２の局発光の位相φ’３＝２φ’ｐに対応する。その結果、本領域には、光周波数ν’３を持つ第２の局発光についての対称化位相が、可視化されており、その輝度分布に対し、前述の位相差計算法を行なって、縮退周波数ν’ｄ＝ν’３／２についての対称化位相を、求めることができる。
【０１６４】
以上、像の上部と下部それぞれの領域に対する位相差計算に当たっては、前述した被測定光の光強度分布の校正を行うのが望ましい。この校正は、図４（ｂ）に示す像を上下３つの領域に分割するに先立って、像全体に対して一挙に行うことができる。すなわち、２つの局発光を両者とも遮った状態で、２次元光検出器３３３上に現れる像の輝度分布を記録しておく。任意の光周波数に対して、輝度を縦方向に辿ることで、Ｙ方向の光強度分布の校正データ列Ｌ０を得ることができる。その後は、測定輝度分布を、校正データ列Ｌ０で除して規格化し、校正された輝度分布を得た後、前記３つの領域に分割し、それぞれの領域での解析を行なえば良いのである。
【０１６５】
ここで、この被測定光の光強度分布の校正データを得るために、余分な１ショットを要することになり、厳密な単発信号光の測定とならないとの見方が生じる。しかし、これは実際上は問題とするにはあたらない。信号光のショット毎の、ビームの形状変化は、通常無視し得る上に、必要に応じて、本発明の測定装置への入射以前に、ビームの形状を一定化する光学系を設置することもできる。
【０１６６】
このような光学系としては、レンズ（または球面鏡）対と、それらの共焦点に配置したピンホールの組合わせがよく知られている。これに加えて、校正データの光強度分布が、実際の被測定光の光強度分布と若干ずれていたとしても、前記の位相差計算の精度が急激に低下する訳ではない。この観点からは、実際に信号光を入射して枚正データを採取せずとも、測定装置内の光伝搬設計に際して、計算上のビームに想定した光強度分布を、校正データとして代用することすら、許されるのである。
【０１６７】
以上の手順により図４（ｂ）に示す像から、２つの干渉位相データとスペクトルデータが一挙に得られる。前記２者から、スペクトル位相が求まり、一方、スペクトルデータに平方根演算を施してスペクトル振幅データを得る。このスペクトル振幅データにスペクトル位相を付与して複素化した上で、逆フーリエ変換を行うことで、光信号電界の時間波形が算出される。かくして、本実施形態２の構成により、単一ショットの光信号に対し、光信号電界の時間波形が測定されるのである。
【０１６８】
（実施形態３）
図５は、本発明の実施形態３の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための図である。
本実施形態３の光信号電界の時間波形測定装置は、前記図３と同様、時間幅が極限的に狭い白色フェムト秒光を測定する場合であるが、２つの局発光を得る方式として、前述した並列型を採用した構成となっている。
【０１６９】
図５において、被測定光信号は、被測定光信号入力５０１として本実施形態３の光信号電界の時間波形測定装置に入射する。この入射された入力は、分岐鏡５０２により２分される。うち一方は更に分岐鏡５０９により、概略均等に２分される。以上２つの分岐鏡により、被測定光信号は３分されるので、これら総体としては３分手段を形成している。分岐鏡５０９を透過した被測定光信号は、レンズ５０３によって、２次の非線形媒質５０４に入射・結焦される。この非線形媒質５０４において第２高調波が発生され、光周波数ν３を持つ第１の局発光が得られる。
【０１７０】
発生した第１の局発光は、エッジ５０５によりビーム上端が掩蔽された後、レンズ５０６により平行光線とされ、反射鏡５２１、５２２、５２３、及び５２４からなる光学遅延線を経て、光学楔５０８及び濾波器５２０を通過して、合波鏡５２５位置に達する。
【０１７１】
前記分岐鏡５０９で反射された被測定光信号は、レンズ５１０によって、２次の非線形媒質５１１に入射・結焦される。この非線形媒質５１１においても第２高調波が発生され、光周波数ν’３を持つ第２の局発光が得られる。この第２の局発光は、エッジ５１２によりビーム下端が掩蔽された後、レンズ５１３により平行光線とされ、反射鏡５１４、５１５、５１６、及び５１７からなる光学遅延線を経て、反射鏡５１８で反射され、光学楔５１９及び濾波器５２０を通過して、合波鏡５２５位置に達する。
【０１７２】
ここで、濾波器５２０は、２次の非線形媒質５０４、５１１で局発光に変換されずに残った被測定光信号を、除去するために、挿入されている。当初の分岐鏡５０２によって２分されたうち他方は、反射鏡５０７を経て、合波鏡５２５に達する。前記反射鏡５２１、５２２、５２３、及び５２４からなる光学遅延線は、合波鏡５２５位置で、被測定光信号と第１の局発光が時間的に同期するように、調整・固定され、同様に、前記反射鏡５１４、５１５、５１６、及び５１７からなる光学遅延線は、合波鏡５２５位置で、被測定光信号と第２の局発光が時間的に同期するように、調整・固定される。以上、合波鏡５２５位置に達した２つの局発光と光信号は、円筒鏡５２６及び円筒鏡５２７により、２次の非線形媒質５２８に入射・結焦される。このうち、円筒鏡５２６はＹ方向（図で紙面に垂直方向）への集束、円筒鏡５２７はＸ方向（図で紙面に平行方向）への集束を、各々担務している。上記非線形媒質５２８から出射する混合光は、円筒鏡５２９、５３０及び５３１により、スペクトログラフ５３２に導かれる。うち、円筒鏡５３０はＹ方向への結像に用いられ、一方、残余の円筒鏡５２９と５３１はＸ方向への集光を担務している。前記スペクトログラフ５３２に装着された２次元光検出器５３３により、混合光のスペクトルが、図５の紙面に垂直な方向に位置分解されて、観測・採取される。
【０１７３】
被測定光信号に関る装置分散を小さく抑える処方、円筒鏡５２６上で被測定光信号と局発光の光軸の間隔ｈ及び傾きα’ｅ、その傾きα’ｅを２つの光学楔５０８及び５１９に依らず与え得ること、さらに、２次の非線形媒質５２８上のビーム配置、２次元光検出器５３３上に現れる像の解析手順については、前記実施形態２の構成に準ずる。かくして、本実施形態３の構成によっても、単一ショットの光信号に対し、光信号電界の時間波形が測定されるのである。
【０１７４】
本発明方法及び装置の動作については、既に前記において十分に述べた。それ故、以下では、本発明の実施例について、その動作条件を数値的に示すに留める。
【０１７５】
（実施例１）
現在、実用されているフェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザは、０．８μｍ帯で、１００ｆｓのパルスを生成できる。これを再生増幅器により増幅し０．１ｍＪ／パルス、繰返し１ｋＨｚのパルス列を得るシステムは、加工等に広く用いられている光源である。このパルスの測定のために、前記実施形態１の構成を実施する。
【０１７６】
パルス幅が極端に短くないこのような場合、装置を構成する鏡、すなわち、分岐鏡１０２、反射鏡１０７、反射鏡１２１乃至１２４、合波鏡１２５、及び円筒鏡１２７、１２９全てに、誘電体多層膜鏡を用いることができる。
【０１７７】
波長０．８μｍのパルス列の一部（０．１％）、０．１μＪ／パルスを被測定光入力１０１として入射する。分岐鏡１０２は、このうち１０％を反射鏡１２１に向けて反射する。残りの９０％は、焦点距離１２５ｍｍのレンズ１０３によって、２次の非線形媒質１０４に入射・結焦する。この非線形媒質１０４としては、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶（ｃ）軸に対し２９．２°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。このとき、０．０５μＪ／パルスの局発光が得られ、そのスペクトル幅は、０．５ｎｍ（１ＴＨｚ）である。
【０１７８】
前記角度位相整合ＢＢＯ結晶には、結晶中で第２高調波光のパワーの伝搬方向がずれること（ウォークオフ効果）があるが、それにも拘わらず５０％の変換効率が得られているのは、入射パルスのピークパワーが１ＭＷと極めて高いからである。得られた局発光のピークパワーとしては、０．１６ＭＷが見積もられる。得られた局発光は、入射した被測定光信号と直交する偏光を持つため、濾波器１２０に偏光子を用いて、未変換の被測定光信号を除去することができる。
【０１７９】
後段の２次の非線形媒質１２８にも、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、前記同様の角度位相整合を行う。直径１ｍｍのビームを、Ｙ方向にはそのまま、Ｘ方向には焦点距離１００ｍｍの円筒鏡１２７を用いて、２次の非線形媒質１２８に入射・結焦する。この円筒鏡１２７は、被測定光信号と局発光の両方に、高い反射率を持つ必要がある。これは、局発光用の高反射多層膜の上部に、被測定光信号用の高反射多層膜を重ねた誘電体多層膜鏡により、被測定光信号に対する分散を低く保って実現することができる。局発光と被測定光信号のなす角αｅとして０．１４°を選んだとき、ビームに跨がる位相の変化量Ａφが、概略６πとなる。
【０１８０】
このような偏向角αｅは、合波鏡１０７のあおりを調整することで付与できるので、光学楔１０８はあえて用いなくて良い。厚さ５ｍｍのこのＢＢＯ結晶において、２次分散は、３７４ｆｓ２であり、４１ＴＨｚのバンド幅が期待できる。これは、２５ｆｓのパルスの測定にも十分なバンド幅である。以上の構成において、混合スペクトル上で、混合係数ｍとして、０．５程度が観測でき、パルス１ショットに対し容易に干渉位相（対称化位相）の観測が行える。次いで、２次の非線形媒質１０４を僅か（０．０８°）回転し局発光の波長を、１．１ｎｍ（２．０ＴＨｚ）だけずらして、前記と同様に、対称化位相の観測を行う。以上２つの対称化位相から、周波数刻み１．０ＴＨｚをもってスペクトル位相が得られる。この周波数刻みは、１００ｆｓのパルスに対して十分高分解能である。このスペクトル位相を通常のスペクトル観測データと組合わせて、被測定光信号電界の時間波形が測定できる。
【０１８１】
（実施例２）
前記実施例１では、被測定光信号自体から、２次の非線形媒質１０４を介して、局発光を得ていた。このような自己参照型の構成に対し、本発明では、独立した光源を用いて局発光を充当する独立局発型の構成も可能である。被測定光信号が繰返し発生する場合、一般に、独立な局発光源と被測定信号の間の位相φ３＝２φｐは、ショット毎にランダムに変化するために、複数のショットについて混合スペクトルを積算して測定する限り、独立局発型では干渉位相が均されてしまって観測できない。これに対し、単一のショットについて観測を行う本発明では、独立局発型の構成が容易に採り得るのである。
【０１８２】
前記実施例１と同様に、０．８μｍ帯で、１００ｆｓのパルスを被測定光入力１０１として入射する。前記実施例１で得たのに匹敵する局発光を得るために、倍波発生器を内蔵したＱスイッチＹＡＧレーザ励起パルスＴｉ：サファイアレーザを用意する。このパルスレーザからは、倍波として、パルス幅５０ｎｓ、波長０．４μｍ、ライン幅０．５ｎｍ（１ＴＨｚ）の局発光が、５ｍＪ／パルス、繰返し１０Ｈｚで得られる。この局発光のピークパワーとしては、０．１ＭＷが見積もられる。これを合波鏡１２５に直接入射する。このような独立局発型構成では、前記実施形態１の構成にあった局発光生成部分、すなわち、レンズ１０３、２次の非線形媒質１０４、レンズ１０６、反射鏡１０７、光学楔１０８、及び濾波器１２０が不要なことは、言うまでもない。また、被測定光信号を局発光生成部分に割り振る必要もないので、分岐鏡１０２を全反射鏡に替えるのが良い。パルス幅５０ｎｓの局発光と、被測定信号の時間的一致は、ＹＡＧレーザのＱスイッチトリガを介した電子的手段により十分達成可能なので、反射鏡１２１乃至１２４からなる光学遅延線も不要となる。従って、この光学遅延線を単一の反射鏡で置き換えて良い。
【０１８３】
２次の非線形媒質１２８及びそれへの入射・結焦条件を前記実施例１同様としたとき、混合スペクトル上で、混合係数ｍとして、０．４程度が観測される。この際、非線形媒質１２８であるＢＢＯ結晶には、波長０．４μｍのナノ秒局発光パルスが、０．１ＧＷ／ｃｍ２のピーク強度で結焦される。幸い、この強度は、この結晶の該波長帯における破壊強度よりも１桁小さいので、破壊の懸念を免れている。
【０１８４】
独立局発型構成では、被測定光信号に対する感度は、単一のショットについての、２次元光検出器１３３上のスペクトル観測限界によってのみ決まる。今の１００ｆｓのパルスを、逆分散能３ｎｍ／ｍｍのスペクトログラフ１３２に、Ｙ方向に直径１ｍｍのビーム高さを保ったまま入射し、２次元光検出器１３３としてＣＣＤ検出器を用いた時、信号対雑音比１０００のスペクトル観測を行うためには、６ｐＪのパルスエネルギで十分である。すなわち、非常に高感度の干渉位相（対称化位相）の観測が実現される。このエネルギ感度をもってすれば、発振器から直接出力されるパルス列の一発をとっても、十分に観測可能である。
【０１８５】
ここで、局発光源として用いたパルスＴｉ：サファイアレーザは、波長可変性を有するので、局発光波長を１．１ｎｍ（２．０ＴＨｚ）だけずらして、前記同様に、対称化位相の観測を行うこともた易い。以降は、前記実施例１と同様にして、微弱な被測定光信号電界の時間波形が測定できる。
【０１８６】
（実施例３）
より長波長の光信号に対する例として、前記実施例２に対応する１．５μｍ帯での実施例を示す。この波長帯のフェムト秒光源としては、Ｃｒ：ＹＡＧレーザが知られている。但しこの波長帯での再生増幅器は未開発なので、再生増幅された、０．１ｍＪ／パルス、繰返し１ｋＨｚといったパルス列を得るシステムは、現存しない。従って、この波長帯では、前記実施例１のように自己参照型の構成は実施対象を欠いており、独立局発型構成での実施とならざるを得ない。
【０１８７】
この波長帯の被測定光信号の測定には、０．７７μｍの局発光が必要である。幸いなことに、これも、前記の倍波発生器を内蔵したＱスイッチＹＡＧレーザ励起パルスＴｉ：サファイアレーザによって得られる。このパルスレーザからは、基本波として、パルス幅５０ｎｓ、波長０．７７μｍ、ライン幅０．５ｎｍ（０．２５ＴＨｚ）の局発光が、最大５０ｍＪ／パルス、繰返し１０Ｈｚで得られる。このような最大パルスエネルギは大き過ぎ、２次の非線形媒質１２８の破壊を招き兼ねない。そこでパルスエネルギを１０ｍＪ／パルス（ピークパワーは、０．２ＭＷ）に設定して動作させ、局発光とする。
【０１８８】
今の場合、２次の非線形媒質１２８に、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶軸に対し１９．４°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。より非線形定数の大きい非線形媒質として、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）結晶が知られているが、今の独立局発型構成に用いるのは、破壊強度（ＢＢＯ結晶の１／５０）の点で好ましくない。直径１ｍｍのビームを、Ｙ方向にはそのまま、Ｘ方向には焦点距離１００ｍｍの円筒鏡１２７を用いて、２次の非線形媒質１２８に入射・結焦する。
【０１８９】
局発光と被測定光信号のなす角αｅとして０．２７°を選んだとき、ビームに跨がる位相の変化量Ａφが、概略６πとなる。厚さ５ｍｍのこのＢＢＯ結晶において、２次分散は、−７６ｆｓ２であり、９２ＴＨｚと、１１ｆｓのパルスの測定にも十分なバンド幅が期待できる。以上の構成において、混合スペクトル上で、混合係数ｍとして、０．４程度が観測され、パルス１ショットに対し容易に干渉位相（対称化位相）の観測が行える。
【０１９０】
この際、非線形媒質１２８であるＢＢＯ結晶には、波長０．７７μｍのナノ秒局発光パルスが、０．２ＧＷ／ｃｍ２のピーク強度で結焦されるが、これは、該結晶のこの波長帯における破壊強度よりも１桁以上小さいので、破壊の心配には及ばない。スペクトログラフ１３２として、線刻数６００／ｍｍの回折格子を備えた１２ｃｍチェルニターナ型のものを（逆分散能１３ｎｍ／ｍｍ）用い、これに、２次元光検出器１３３として赤外ビジコンカメラを装着した。
【０１９１】
この分光検出システムを用い、Ｙ方向に直径１ｍｍのビーム高さを保って入射する１００ｆｓのパルスについて、単一ショットで信号対雑音比１０００のスペクトル観測を行うためには、１２ｐＪのパルスエネルギを要する。これが、今の独立局発型構成による、被測定光信号に対する測定感度となり、これをもってすれば、Ｃｒ：ＹＡＧレーザ発振器から直接出力されるパルス列の一発をとっても、十分に観測可能である。この他に、フェムト秒ファイバーレーザの出力、あるいは、ファイバ光増幅器で増幅した直接変調半導体レーザパルスについても、パルスー発について対称化位相の観測が行える。より高感度の分光検出システムを用いれば、より微弱な光信号が観測可能となることは、言うまでもない。
【０１９２】
前記実施例２と同様、局発光源の波長可変性を利用して、局発光波長を変えた対称化位相の観測を行い、得られたスペクトル位相を、通常のスペクトル観測データと組合わせて、微弱な被測定光信号につき、電界の時間波形の測定が実現する。
【０１９３】
（実施例４）
前記実施例１、２、３では、１つの測定装置について、設定を変えて３回動作させ、２つの対称化位相の観測、及び通常のスペクトル観測を行い、これらデータを組合わせて被測定光信号電界の時間波形を求めた。当然、こうした手順の遂行には、最低３ショットの被測定光信号が必要であった。
【０１９４】
これに対して、前記実施例に述べた測定装置を、２台用意し、同時に動作させる。これら２台の構成は、異なる局発光波長に予め設定・固定しておく。さらに、少なくとも線型光検出器列を装着したスペクトログラフを、通常のスペクトル観測手段として用意する。このスペクトル観測には、２次元的な光検出器を必ずしも要さないので、１次元的な線型光検出器を装着すれば十分である。被測定光信号を３分し、２台の本発明装置及びスペクトル観測手段に同時に供給する。
【０１９５】
これによれば、当然のことながら、単一ショットの被測定光信号電界の時間波形が測定できる。この場合、３つの構成装置の何れもが、測定動作中に機械的な運動を行う、いわゆる可動部分を持たず、その結果、性能が長期間維持され、信頼性の高いシステムが構築される。独立局発型の前記実施例２及び３に即して本実施例４を行う際には、２台の装置内のパルスＴｉ：サファイアレーザが、１台の励起用ＱスイッチＹＡＧレーザを共有する構成とすれば、費用の低減を図れる。
【０１９６】
（実施例５）
前記４つの実施例よりも低廉に、単一ショット測定を行なうために、本発明の実施形態２の構成を実施する。被測定光信号は、前記実施例１と同様、再生増幅されたフェムト秒Ｔｉ：サファイアレーザ光とする。パルス幅が極端に短くないこのような場合、Ｙ方向に集束して２次の非線形媒質３２８に入射・結焦する必要は生ぜず、従って、図３（ａ）に示したよりも、若干簡易化された構成となる。また、前記実施例１乃至４と同様、装置内の全ての鏡に、誘電体多層膜鏡を用いることができる。
【０１９７】
波長０．８μｍのパルス列の一部（０．１％）、０．１μＪ／パルスを被測定光入力３０１として入射する。分岐鏡３０２は、このうち１０％を反射鏡３０７に向けて反射する。残りの９０％は、焦点距離１２５ｍｍのレンズ３０３によって、２次の非線形媒質３０４に入射・結焦する。該非線形媒質３０４としては、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶（ｃ）軸に対し２９．２°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。このとき、０．０３μＪ／パルスの第１の局発光が得られ、そのスペクトル幅は、０．５ｎｍ（１ＴＨｚ）である。この場合、前記実施例１よりも変換効率が低いのは、以下の、第２の局発光とバランスを取るために、非線形媒質３０４を意図的にレンズ３０３の焦点位置からずらして、変換効率を低めに設定しているからである。
【０１９８】
この第１の局発光は、高調波分離鏡３０９を透過し、反射鏡３２１に向かう。変換されずに残った０．０７μＪ／パルスは、焦点距離１２５ｍｍのレンズ３１０によって、２次の非線形媒質３１１に入射・結焦する。この非線形媒質３１１としても、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶軸に対し２９．１°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。このとき、０．０３μＪ／パルスの第２の局発光が得られ、このスペクトル幅は第１の局発光に等しい一方、波長は１．１ｎｍ（２．０ＴＨｚ）だけずれている。これら２つの局発光のピークパワーとしては、０．１０ＭＷが見積もられる。これら局発光は、入射した被測定光信号と直交する偏光を持つため、濾波器３２０に偏光子を用いて、未変換の被測定光信号を除去することができる。
【０１９９】
後段の２次の非線形媒質３２８にも、５ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、上２つの中間の角度位相整合を行う。直径１ｍｍのビームを、Ｙ方向にはそのまま、Ｘ方向には焦点距離１００ｍｍの円筒鏡３２７を用いて、２次の非線形媒質３２８に入射・結焦する。Ｙ方向に集束を行わない結果、円筒鏡３２６は不要である。
【０２００】
第１の局発光が被測定光信号に対し、０．１４°の仰角αｅを持つとき、ビームに跨がる位相の変化量Ａφが、概略６πとなる。同様に、第２の局発光には、被測定光信号に対し０．１４°の伏角αｅを持たせる。このような偏向角αｅは、第１の局発光には反射鏡３２４の第２の局発光には反射鏡３１８のあおりを調整することで付与できるので、光学楔３０８、３１９はあえて用いなくて良い。２つの局発光は、水平に対し逆方向の偏向角を有する結果、２次の非線形媒質３２８より５０ｃｍ手前の反射鏡３１８位置では、上下に２．５ｍｍずれている。この性質に立って、反射鏡３１８を上側の第２の局発光のみに作用させ、第１の局発光は反射鏡３１８の下を通過させることで、両局発光への損失を回避できる。
【０２０１】
局発光のビームを整形する遮光エッジ３０５、３１２は、Ｙ方向に集束を行なわない場合、局発光ビームが平行となる位置で作用させるのが良い。故に、この場合、第１の局発光に対しては、反射鏡３２３と反射鏡３１８との間で、上側に開口をもつ遮光エッジ３０５を、第２の局発光には、反射鏡３１７と反射鏡３１８との間で、下側に開口をもつ遮光エッジ３１２を挿入する。
【０２０２】
２次の非線形媒質３２８として用いた厚さ５ｍｍのＢＢＯ結晶において、２次分散は、３７３ｆｓ２であり、４１ＴＨｚのバンド幅が期待できる。これは、２５ｆｓのパルスの測定にも十分なバンド幅である。Ｙ方向に集束を行わないので、スペクトログラフに混合光を結像する円筒鏡３２８は不要で、また、スリットにＸ方向の再結焦を行う円筒鏡３３１も省略できる。前段の円筒鏡３２９にその役を負わせ得るからである。以上の構成において、混合スペクトル上で、混合係数ｍとして、０．４程度が観測でき、パルス１ショットに対し容易に、２つの干渉位相（対称化位相）と通常のスペクトルの観測が行える。
【０２０３】
２つの対称化位相から、周波数刻み１．０ＴＨｚをもってスペクトル位相が得られ、これをスペクトル観測データと組合わせて、単一ショットで被測定光信号電界の時間波形が測定できる。この構成は、測定動作中の可動部分を持たないので、性能が長期間維持され、安価で信頼性の高い測定システムである。
【０２０４】
（実施例６）
前記実施例２及び３に示した独立局発型の構成を、前記実施例５に即して組み直すことにより、それぞれを容易に単一ショット測定装置に変更できる。この際、前記実施例４で述べたように、２台のパルスＴｉ：サファイアレーザの励起に、１台のＱスイッチＹＡＧレーザを共有して用いれば、費用を低減できる。
【０２０５】
（実施例７）
以上の実施例に示した通り、現状で実用されている光源の測定に限れば、図３に示したようなＹ方向にもビームを集束する構成は必要とされない。しかしながら、時間幅が極限的に狭い白色フェムト秒光（ないしその候補）も実際に得られるようになっている技術の現状に鑑みれば、それの測定につき考究することも、あながち机上の空論ではない。
【０２０６】
かかる極限光の発生は、大量の非線形効果の積み重ねの末に生じるため、その電界波形がショット毎に変動する可能性が極めて高い。いきおい、単一ショット測定を迫られることになる。このように１オクターブに近いスペクトル成分を持つ膨大な帯域を有する光信号に対し、単一ショット測定を行うために、本発明の実施形態２の構成を実施する。
【０２０７】
スペクトルが０．５５μｍから１．１０μｍにかけて拡がった白色フェムト秒信号、１μＪ／パルスを被測定光入力３０１として入射する。このような白色光になると、装置内の鏡の各々を、慎重に選定する必要が生じる。まず、分岐鏡３０２であるが、超広帯域な分岐鏡を誘電体と金属の多層膜鏡として設計するのは、容易でない。幸い、本装置の構成では１：１の分岐比を要求されないので、ガラス表面のフレネル反射（屈折率１．５、４５°Ｓ偏光入射に対し、反射率９．２％）を、理想的な分岐鏡３０２として用いることができる。このガラスの裏面には、減反射（ＡＲ）コートを施すのがよい。このコートによる光信号の変形は、局発光の発生に当てる分にのみ作用するので、光信号電界の時間波形測定への誤差は生じない。
【０２０８】
反射鏡３０７及び短冊状の合波鏡３２５には、広帯域の金属鏡、特に、反射率の観点から、銀鏡が推奨される。続く円筒鏡３２６及び円筒鏡３２７は、光信号のみならず２つの局発光にも高い反射率が必要なため、要求条件がより厳しくなる。これらには、紫外増強アルミ鏡をあてる。
【０２０９】
２次の非線形媒質３２８以降の円筒鏡３２９乃至３３１には、局発光への要求が無くなるので、銀鏡が使える。ただ、先頭の円筒鏡３２９は、局発光ビームが、Ｙ方向に依然集束されて入射する故、熱歪みによる破損を避けるために、紫外増強アルミ鏡とする方が無難である。残余の高調波分離鏡３０９、反射鏡３１４乃至３１７、反射鏡３２１乃至３２４、及び反射鏡３１８は、局発光側にあり狭線幅の局発光のみを反射すれば事足りるため、誘電体多層膜鏡が問題なく適用できる。
【０２１０】
分岐鏡３０２により、反射鏡３０７に向けて反射された残りの９１％の被測定光信号は、焦点距離８０ｍｍのレンズ３０３によって、２次の非線形媒質３０４に入射・結焦する。該非線形媒質３０４としては、２ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶（ｃ）軸に対し３４．３°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。このとき、波長０．３４μｍ、０．３μＪ／パルスの第１の局発光が得られ、そのスペクトル幅は、０．６ｎｍ（１．６ＴＨｚ）である。
【０２１１】
この第１の局発光は、下側に開口を持つ遮光エッジ３０５を通過した後、レンズ３０６により平行光束とされ、高調波分離鏡３０９を透過し、反射鏡３２１に向かう。変換されずに残った０．７μＪ／パルスは、焦点距離８０ｍｍのレンズ３１０によって、２次の非線形媒質３１１に入射・結焦する。この非線形媒質３１１としても、２ｍｍ厚のＢＢＯ結晶を選び、結晶（ｃ）軸に対し３４．２°の方向から光を入射する角度位相整合を行う。このとき、０．３μＪ／パルスの第２の局発光が得られ、そのスペクトル幅は第１の局発光に等しい一方、波長は１．７ｎｍ（４．４ＴＨｚ）だけずれている。この第２の局発光は、上側に開口を持つ遮光エッジ３１２を通過した後、レンズ３１３により平行光束とされ、反射鏡３１４に向かう。これら２つの局発光のピークパワーとしては、１．５ＭＷが見積もられる。これら局発光は、入射した被測定光信号と直交する偏光を持つため、濾波器３２０に偏光子を用いて、未変換の被測定光信号を除去することができる。
【０２１２】
後段の２次の非線形媒質３２８には、０．０５ｍｍ厚の薄いＢＢＯ結晶を選び、上２つの中間の角度位相整合を行う。直径１ｍｍのビームを、Ｙ方向には焦点距離１００ｍｍの円筒鏡３２６、Ｘ方向には焦点距離１０ｍｍの円筒鏡３２７を用いて、２次の非線形媒質３２８に入射・結焦する。第１の局発光が被測定光信号に対し、１．２°の仰角αｅを持って結焦するとき、ビームに跨がる位相の変化量Ａφが、概略６πとなる。同様に、第２の局発光には、被測定光信号に対し１・２°の伏角αｅを持たせて結焦する。このような偏向角αｅは、円筒鏡３２６に、上から下に第２の局発光、被測定光、さらに第１の局発光と、互いにｈ＝２ｍｍずつずらして入射することにより、付与できる。このずれは、合波鏡３２５位置でも同様なので、合波鏡３２５を幅２ｍｍの短冊状として、被測定光のみを反射させることができる。また、反射鏡３１８位置で、２つの局発光は、上下に４ｍｍずれる結果、反射鏡３１８を上側の第２の局発光のみに作用させ、第１の局発光は反射鏡３１８の下を通過させることで、両局発光への損失を回避できる。
【０２１３】
また、第１の局発光に０．０３°の仰角α’ｅ、第２の局発光に０．０３°の伏角α’ｅを持たせて、円筒鏡３２６に入射することで、２次の非線形媒質３２８上で、図４（ａ）に示したようにビーム配置が実現する。これら僅かな偏向角は、第１の局発光には反射鏡３２４の、第２の局発光には反射鏡３１８のあおりを調整することで付与できるので、光学楔３０８、３１９はあえて用いなくて良い。２次の非線形媒質３２８として用いた厚さ０．０５ｍｍのＢＢＯ結晶において、２次分散は、４．７ｆｓ２であり、３６８ＴＨｚのバンド幅が期待できる。これは、０．４９μｍから１．１９μｍに至るスペクトル範囲をカバーするバンド幅である。以上の構成において、混合スペクトル上で、混合係数ｍとして、０．３程度が観測でき、パルス１ショットに対し容易に、２つの干渉位相（対称化位相）と通常のスペクトルの観測が行える。２つの対称化位相から、周波数刻み２．２ＴＨｚをもってスペクトル位相が得られ、これをスペクトル観測データと組合わせて、単一ショットで被測定光信号電界の時間波形が測定できる。この装置の構成も、測定動作中の可動部分を持たないので、性能が長期間維持され、白色フェムト秒光の評価に有効な測定装置である。
【０２１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被測定光信号の一発毎に対称化位相を得るので、ショット毎の強度の変動に高い耐性を以って、繰返し周波数の低い加工用等の超短光パルス信号を正確に測定できる。
また、強力な局発光源を内蔵した独立局発型の構成を採ることで、高い感度を得ることができる。
また、信号光単発での測定が実現されるので、測定精度が向上でき、かつ、頻度の非常に低いパルス光の取り扱いも可能となる。
また、可動部分無しに動作するので性能が長期間維持され、かつ低廉に構成できる。
また、測定対象の光信号電界の時間幅に応じて、構成を使い分けることにより、広い測定ニーズに対応できるので、工業的に大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための模式図である。
【図２】本実施形態１の２次元光検出器上に現れる像の輝度分布の例及び位相差計算手順を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための模式図である。
【図４】本実施形態２の光信号電界の時間波形測定装置の動作を説明するための図である。
【図５】本発明の実施形態３の光信号電界の時間波形測定方法及び装置を説明するための模式図である。
【図６】従来例の光信号電界の時間波形測定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１…被測定光信号入力        １０２…分岐鏡
１０３…レンズ                  １０４…２次の非線形媒質
１０６…レンズ                  １０７…反射鏡
１０８…光学楔                  １２０…濾波器
１２１、１２２、１２３、１２４…反射鏡
１２５…合波鏡                  １２７…円筒鏡
１２８…２次の非線形媒質        １２９…円筒鏡
１３２…スペクトログラフ        １３３…２次元光検出器
１３４、１３５…分岐鏡          １３６…３分手段
１３７、１３８…反射鏡          １３９、１４０…第１の構成
１４１…光スペクトル観測器      ３０１…被測定光信号入力
３０２…分岐鏡                  ３０３…レンズ
３０４…２次の非線形媒質        ３０５…エッジ
３０６…レンズ                  ３０７…反射鏡
３０８…光学楔                  ３０９…高調波分離鏡
３１０…レンズ                  ３１１…２次の非線形媒質
３１２…エッジ                  ３１３…レンズ
３１４、３１５、３１６、３１７、３１８…反射鏡
３１９…光学楔                  ３２０…濾波器
３２１、３２２、３２３、３２４…反射鏡
３２５…合波鏡                  ３２６、３２７…円筒鏡
３２８…２次の非線形媒質        ３２９、３３０、３３１…円筒鏡
３３２…スペクトログラフ        ３３３…２次元光検出器
５０１…被測定光信号入力        ５０２…分岐鏡
５０３…レンズ                  ５０４…２次の非線形媒質
５０５…エッジ                  ５０６…レンズ
５０７…反射鏡                  ５０８…光学楔
５０９…分岐鏡                  ５１０…レンズ
５１１…２次の非線形媒質        ５１２…エッジ
５１３…レンズ
５１４、５１５、５１６、５１７、５１８…反射鏡
５１９…光学楔                  ５２０…濾波器
５２１、５２２、５２３、５２４…反射鏡
５２５…合波鏡                  ５２６、５２７…円筒鏡
５２８…２次の非線形媒質        ５２９、５３０、５３１…円筒鏡
５３２…スペクトログラフ        ５３３…２次元光検出器
６０１…被測定光信号入力        ６０２…分岐鏡
６０４…２次の被線形媒質        ６０７…反射鏡
６２０…濾波器                  ６２４…反射鏡
６２５…合波鏡                  ６２８…２次の非線形媒質
６４１…光スペクトル観測器      ６４２…濾波器
６４３…光増幅器                ６４４…光増幅器
６４５…反射器                  ６４６…位相調整器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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