(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期パルス光を波長毎に空間的に分散し、偏光依存型の空間光変調器において変調作用が得られる偏光方向に対して偏光面を傾斜させた状態で、分散後の前記初期パルス光を前記空間光変調器に入力し、前記偏光方向に沿った前記初期パルス光の第１の偏光成分の位相スペクトルを変調したのち各波長成分を合成することにより、前記第１の偏光成分から成る第１のパルス光と、該第１の偏光成分と直交する前記初期パルス光の第２の偏光成分から成る第２のパルス光とに時間差を生じさせる時間差生成ステップと、
前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を対象物に照射し、該照射に起因して前記対象物に生じる光を検出する光検出ステップと、を含み、
前記時間差生成ステップにおける前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との時間差を変更しながら前記光検出ステップを行い、各光検出ステップの検出結果に基づいて前記第１のパルス光の時間強度波形を求める、パルス光の波形計測方法。
【請求項２】
前記時間差生成ステップは、前記初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御ステップを含む、請求項１に記載のパルス光の波形計測方法。
【請求項３】
前記対象物が非線形光学結晶を含む、請求項１または２に記載のパルス光の波形計測方法。
【請求項４】
前記第１のパルス光の時間強度波形を求める為に、各光検出ステップの検出結果から前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との相関波形若しくは相関マップを求める、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパルス光の波形計測方法。
【請求項５】
前記対象物に生じる光は、少なくとも第二高調波、第三高調波、高次高調波、和周波、差周波、ラマン散乱光の何れか１つを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパルス光の波形計測方法。
【請求項６】
前記光検出ステップでは、少なくとも分光器、光電子増倍管、及びフォトダイオードの何れか１つを用いて前記対象物に生じる光を検出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のパルス光の波形計測方法。
【請求項７】
偏光依存型の空間光変調器を有し、該空間光変調器において変調作用が得られる偏光方向に対して偏光面を傾斜させた状態で、波長毎に空間的に分散された初期パルス光を前記空間光変調器に入力し、前記偏光方向に沿った前記初期パルス光の第１の偏光成分の位相スペクトルを変調したのち各波長成分を合成することにより、前記第１の偏光成分から成る第１のパルス光と、該第１の偏光成分と直交する前記初期パルス光の第２の偏光成分から成る第２のパルス光とに時間差を生じさせる変調部と、
前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を対象物に照射することにより前記対象物に生じる光を検出する光検出部と、
前記第１のパルス光と前記第２のパルス光との時間差が変更される毎に得られる前記光検出部の検出結果に基づいて前記第１のパルス光の時間強度波形を求める演算部と、
を備える、パルス光の波形計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光の波形計測方法及び波形計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、時間差を有する複数のパルス光を、空間光変調器を用いて生成するシステムが開示されている。このシステムでは、空間光変調器に提示される変調パターンを制御することにより、複数のパルス光を生成している。そして、複数のパルス光を非線形光学結晶に照射し、非線形光学結晶において生じた光を検出しながらパルス光の時間間隔を変更することにより、相関波形を求めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／１８７２０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、時間幅が極めて短い（例えば数フェムト秒〜数ピコ秒程度の）超短パルス光を利用したレーザ加工や顕微鏡などの開発が進んでいる。また、非線形光学効果を利用した情報通信システムの開発も進んでいる。これらの分野では、所望の時間強度波形の超短パルス光を生成する技術が望まれており、そのためには超短パルス光の波形を計測することが必要となる。
【０００５】
超短パルス光の波形を計測する方法としては、例えば次のような方法がある。すなわち、計測対象であるパルス光（以下、対象パルス光）と参照パルス光とを非線形光学結晶といった対象物に照射し、対象物から出力される光（第二高調波等）の強度を検出することにより、対象パルス光と参照パルス光との時間的な重なり度合いを求める。そして、このような処理を、対象パルス光と参照パルス光との時間差を変えながら繰り返し行い、得られる対象パルス光と参照パルス光との相関に基づいて対象パルス光の時間強度波形を取得する。
【０００６】
上記のような超短パルス光の時間強度波形の計測を行う際、互いに時間差を有する対象パルス光及び参照パルス光を発生させる為に、空間光変調器が用いられることがある。しかしながら、偏光依存性を有する液晶型の空間光変調器を用いる場合には、変調効率を高める為に、空間光変調器への入力光を直線偏光とし、その偏光方向と液晶の配向方向とを一致させることが一般的である。その結果、対象パルス光及び参照パルス光の偏光方向が互いに一致することとなり、これらを重ね合わせた際に干渉が生じ、計測結果にノイズが生じてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、対象パルス光と参照パルス光との干渉によるノイズを低減できるパルス光の波形計測方法及び波形計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するために、本発明によるパルス光の波形計測方法は、初期パルス光を波長毎に空間的に分散し、偏光依存型の空間光変調器において変調作用が得られる偏光方向に対して偏光面を傾斜させた状態で、分散後の初期パルス光を空間光変調器に入力し、該偏光方向に沿った初期パルス光の第１の偏光成分の位相スペクトルを変調したのち各波長成分を合成することにより、第１の偏光成分から成る第１のパルス光と、該第１の偏光成分と直交する初期パルス光の第２の偏光成分から成る第２のパルス光とに時間差を生じさせる時間差生成ステップと、第１のパルス光及び第２のパルス光を対象物に照射し、該照射に起因して対象物に生じる光を検出する光検出ステップと、を含み、時間差生成ステップにおける第１のパルス光と第２のパルス光との時間差を変更しながら光検出ステップを行い、各光検出ステップの検出結果に基づいて第１のパルス光の時間強度波形を求める。
【０００９】
また、本発明によるパルス光の波形計測装置は、偏光依存型の空間光変調器を有し、該空間光変調器において変調作用が得られる偏光方向に対して偏光面を傾斜させた状態で、波長毎に空間的に分散された初期パルス光を空間光変調器に入力し、偏光方向に沿った初期パルス光の第１の偏光成分の位相スペクトルを変調したのち各波長成分を合成することにより、第１の偏光成分から成る第１のパルス光と、該第１の偏光成分と直交する初期パルス光の第２の偏光成分から成る第２のパルス光とに時間差を生じさせる変調部と、第１のパルス光及び第２のパルス光を対象物に照射することにより対象物に生じる光を検出する光検出部と、第１のパルス光と第２のパルス光との時間差が変更される毎に得られる光検出部の検出結果に基づいて第１のパルス光の時間強度波形を求める演算部と、を備える。
【００１０】
これらの方法及び装置では、初期パルス光が波長成分毎に空間的に分散されたのち、波長毎に変調される。その後、各波長成分が合成される。故に、空間光変調器に提示される位相パターンを制御することによって、任意の時間遅れを付与することができる。加えて、これらの方法及び装置では、空間光変調器が偏光依存型であり、空間光変調器に入力する初期パルス光の偏光面は、空間光変調器が変調作用を有する偏光方向に対して傾斜している。すなわち、偏光方向に沿った初期パルス光の第１の偏光成分は変調され、第１の偏光成分と直交する初期パルス光の第２の偏光成分は変調されない。従って、例えば第１の偏光成分に時間遅れを付与することにより、第１の偏光成分から成る第１のパルス光（対象パルス光）と第２の偏光成分から成る第２のパルス光（参照パルス光）との間に時間差が生じる。そして、第１のパルス光と第２のパルス光との時間差を変更しながら、対象物からの光を検出する。これにより、例えば相互相関法などを用いて第１のパルス光の時間強度波形を好適に求めることができる。そして、これらの方法及び装置では、第１のパルス光の偏光方向と、第２のパルス光の偏光方向とが互いに異なるので、第１のパルス光と第２のパルス光とが干渉しない。従って、干渉によるノイズを効果的に低減し、第１のパルス光の時間強度波形を精度良く求めることができる。
【００１１】
上記の波形計測方法は、初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御ステップを更に含んでもよい。これにより、空間光変調器が変調作用を有する偏光方向に対して初期パルス光の偏光面を容易に傾斜させることができる。
【００１２】
上記の波形計測方法において、対象物が非線形光学結晶を含んでもよい。例えばこのような対象物を用いることにより、第１及び第２のパルス光の照射に起因する光（第二高調波等）を好適に生じさせることができる。
【００１３】
上記の波形計測方法において、第１のパルス光の時間強度波形を求める為に、各光検出ステップの検出結果から第１のパルス光と第２のパルス光との相関波形若しくは相関マップを求めてもよい。例えばこのような方法により、第１のパルス光の時間強度波形を好適に求めることができる。
【００１４】
上記の波形計測方法において、対象物に生じる光は、少なくとも第二高調波、第三高調波、高次高調波、和周波、差周波、ラマン散乱光の何れか１つを含んでもよい。例えばこれらの光を検出することにより、第１のパルス光の時間強度波形を好適に求めることができる。
【００１５】
上記の波形計測方法において、光検出ステップでは、少なくとも分光器、光電子増倍管、及びフォトダイオードの何れか１つを用いて対象物に生じる光を検出してもよい。光電子増倍管またはフォトダイオードを用いることにより、対象物からの微弱な光を精度良く検出することができる。また、分光器を用いることにより、対象物に生じる光の強度スペクトルを取得して、例えば周波数分解光ゲート法（Frequency-Resolved Optical Gating；ＦＲＯＧ）により第１のパルス光の位相情報を更に求めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によるパルス光の波形計測方法及び波形計測装置によれば、対象パルス光と参照パルス光との干渉によるノイズを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る波形計測装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】光パルス整形部（パルスシェーパー）の構成を示す図である。
【図３】（ａ）光源から出力されたパルス光の時間波形の一例を示す。（ｂ）空間光変調器から出力された２つのパルス光の時間波形の一例を示す。（ｃ）時間波形が互いに相違し且つ時間差を有する２つのパルス光の時間波形の一例を示す。
【図４】空間光変調器の変調面を概念的に示す図である。
【図５】波形計測方法を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）第１のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。（ｂ）第１のパルス光及び第２のパルス光の時間強度波形を示す。（ｃ）（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。
【図７】自己相関波形の例を示すグラフである。
【図８】（ａ）第１のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。（ｂ）第１のパルス光及び第２のパルス光の時間強度波形を示す。（ｃ）（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明によるパルス光の波形計測方法及び波形計測装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
図１は、本発明の一実施形態に係る波形計測装置１Ａの構成を概略的に示す図である。図２は、波形計測装置１Ａが備える光パルス整形部（パルスシェーパー）１０Ａの構成を示す図である。この波形計測装置１Ａは、図１に示されるように、光源２１、偏光制御部２２、光パルス整形部１０Ａ、集光光学系２３、対象物２４、光検出部２５、及び演算部２６を備えている。また、図２に示されるように、光パルス整形部１０Ａは、ビームスプリッタ１１、分散素子１２、集光光学系１３、及び空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）１４を有する。
【００２０】
光源２１は、例えばレーザ光といったコヒーレントなパルス光Ｌｐ（初期パルス光）を出力する。光源２１は、例えばチタンサファイアレーザやＹＡＧレーザなどの固体レーザ、ファイバレーザ、或いは半導体レーザによって構成される。パルス光Ｌｐは超短パルス光であり、パルス光Ｌｐの時間幅は例えば１ｆｓ〜１００ｐｓである。パルス光Ｌｐの波長は、例えば２００ｎｍ〜２０００ｎｍである。パルス光Ｌｐは直線偏光（偏光方向Ａ１）を有する。図３（ａ）は、光源２１から出力されたパルス光Ｌｐの時間強度波形の一例を示す。図３（ａ）の縦軸は光強度を示す。
【００２１】
偏光制御部２２は、光源２１と光学的に結合され、ＳＬＭ１４に入力されるパルス光Ｌｐの偏光面を回転させる光学素子である。これにより、ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐは、偏光方向Ａ１の偏光成分と、偏光方向Ａ１に交差する偏光方向Ａ２の偏光成分とを含む。偏光方向Ａ２は、例えば、偏光方向Ａ１に直交する。偏光制御部２２としては、例えばλ／２板等の波長板、偏光子、ファラデーローテータ、バリアブルローテータ、偏光変調型ＳＬＭなどが用いられ得る。更に、偏光制御部２２の偏光面回転角は可変であることが望ましい。
【００２２】
光パルス整形部１０Ａは、本実施形態における変調部であって、入力されたパルス光Ｌｐを、偏光面が互いに直交する第１のパルス光Ｌｐ1（対象パルス光、第１のサブパルス光）と第２のパルス光Ｌｐ2（参照パルス光、第２のサブパルス光）とに分離する。また、光パルス整形部１０Ａは、パルス光Ｌｐ1を任意の時間強度波形に制御し、かつ時間差を与える。具体的には、ビームスプリッタ１１、分散素子１２、集光光学系１３、及びＳＬＭ１４がこの順で光結合されている。ビームスプリッタ１１は、偏光制御部２２から入力されたパルス光Ｌｐを透過する。分散素子１２は、パルス光Ｌｐを波長毎に空間的に分散（分光）する。図２には、理解の容易のため６つの波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6が示されている。分散素子１２としては、例えば回折格子やプリズムなど様々な分散素子が適用され得る。また、分散素子１２は、反射型、透過型のいずれであってもよい。
【００２３】
集光光学系１３は、分散素子１２から波長成分毎に異なる方向に出力した各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の伝播方向を相互に揃えるとともに、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれＳＬＭ１４にて集光させる。具体的には、集光光学系１３は、少なくとも分散素子１２の波長分散方向を含む平面内においてレンズパワーを有している。このような集光光学系１３としては、例えばレンズやシリンドリカルレンズが用いられる。また、集光光学系１３としては、透過型のレンズに限らず例えば凹面鏡などの反射型のレンズを用いてもよい。
【００２４】
ＳＬＭ１４は、位相変調型（若しくは位相・強度変調型）ＳＬＭであって、分散後のパルス光Ｌｐを波長毎に変調する。すなわち、ＳＬＭ１４の変調面１４ａは、複数の波長成分にそれぞれ対応する複数の変調領域を含んでおり、これらの変調領域は分散素子１２の分散方向に並んでいる。そして、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6は、対応する変調領域に入力し、該変調領域に提示された変調パターンに応じて各々独立に変調される。なお、ＳＬＭ１４は、反射型及び透過型のいずれであってもよい（図には反射型を例示）。また、ＳＬＭ１４は、一次元型空間光変調器及び二次元型空間光変調器のいずれであってもよい。
【００２５】
また、ＳＬＭ１４は偏光依存性を有しており、或る偏光成分については変調作用を有するが、該偏光成分以外の偏光成分については変調作用を有しない。変調作用を有しない偏光成分としては、例えば、変調される偏光成分と直交する別の偏光成分が挙げられる。一例として、ＳＬＭ１４は液晶型（Liquid Crystal on Silicon；ＬＣＯＳ）のＳＬＭである。液晶型ＳＬＭでは、液晶の複屈折性を用いて位相変調を行うので、液晶の配向方向に沿った偏光成分のみが変調され、該偏光成分と直交する偏光成分は変調されない。
【００２６】
図４は、ＳＬＭ１４の変調面１４ａを概念的に示す図である。ここで、変調作用を有する方向（変調軸方向）Ｘ及び変調作用を有しない方向（非変調軸方向）Ｙを定義する。変調軸方向Ｘと非変調軸方向Ｙとは互いに直交し、変調軸方向Ｘは液晶の配向方向と一致する。ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐの偏光方向ベクトルＥ（但し、ベクトルの大きさは光強度に相当）は、偏光制御部２２によって回転された結果、変調軸方向Ｘに対して傾斜する。そのため、変調軸方向Ｘに沿った第１の偏光成分ＥMOはＳＬＭ１４によって変調されるが、変調軸方向Ｘと直交する非変調軸方向Ｙに沿った第２の偏光成分ＥNONは、変調されることなくＳＬＭ１４をそのまま反射（或いは透過）する。従って、時間的に遅延する（或いは進む）位相パターンをＳＬＭ１４に提示させて第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを制御することにより、第１の偏光成分ＥMOから成る第１のパルス光Ｌｐ1と、第２の偏光成分ＥNONから成る第２のパルス光Ｌｐ2との間に時間差が生じることとなる。図３（ｂ）は、ＳＬＭ１４から出力されたパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の時間強度波形の一例を示す。
【００２７】
第１の偏光成分ＥMO及び第２の偏光成分ＥNONは、変調軸方向Ｘに対するパルス光Ｌｐの偏光面の回転角θを用いて以下の数式により表すことができる。つまり、偏光制御部２２において回転角θを操作することにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の強度比を操作することが可能となる。回転角θが４５°である場合、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の光強度は互いに等しくなる。
ＥMO＝Ｅｃｏｓθ
ＥNON＝Ｅｓｉｎθ
【００２８】
なお、ＳＬＭ１４は、第１の偏光成分ＥMOを時間的に遅延させる（或いは進む）位相パターンに重畳して、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を変化させるような位相パターンを更に提示してもよい。すなわち、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の波長が既知である場合、所望の時間強度波形を形成するための位相スペクトル及び強度スペクトルを算出可能であることから、算出した位相スペクトル及び強度スペクトルに基づく位相パターンをＳＬＭ１４に提示させて各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を変調することにより、所望の時間強度波形のパルス光Ｌｐ1を出力することができる。その場合、図３（ｃ）に示されるように、時間強度波形が互いに相違し且つ時間差を有するパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を容易に生成できる。なお、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形は任意の波形に整形されることができ、例えばパルス光Ｌｐ1の時間幅を拡げる、パルス光Ｌｐ1を更に複数のパルス光（パルス列）に分割する、或いはチャープパルスとする等が可能である。
【００２９】
ＳＬＭ１４から出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6は、再び集光光学系１３を通過する。その際、集光光学系１３は、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ異なる方向に出力させ、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を分散素子１２において空間的に重ねるとともに、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ平行化させる。分散素子１２は、変調後のパルス光Ｌｐ1の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を合成するとともに、パルス光Ｌｐ2の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を合成する。合成後のパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2は、ビームスプリッタ１１において反射し、パルス光Ｌｐの入力方向とは異なる方向へ出力される。
【００３０】
なお、本実施形態では分散素子１２と集光光学系１３とが分散及び合成の双方を行う形態を例示したが、分散及び合成はそれぞれ別個の素子によって行われてもよい。例えば、ＳＬＭ１４を透過型とし、ＳＬＭ１４を透過した各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を異なる方向に出力する分散素子と、出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を空間的に重ねるとともに各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ平行化させる集光光学系とをＳＬＭ１４の後段に配置することによって、そのような形態が可能となる。また、ＳＬＭ１４から出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を集光光学系２３に導光し、集光光学系２３による集光により、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を生成してもよい。さらに、本実施形態ではビームスプリッタ１１を用いてパルス光Ｌｐとパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2とを分離しているが、例えば変調面１４ａに対する各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の入力方向を変調面１４ａの法線に対して傾けることによって、ビームスプリッタ１１を用いることなくパルス光Ｌｐとパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2とを分離することができる。
【００３１】
集光光学系２３は、光パルス整形部１０Ａと対象物２４との間に設けられ、対象物２４に向けてパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を集光する。この集光光学系２３の作用により、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の集光点が、対象物２４の任意の位置（例えば対象物２４の内部または表面）に形成される。
【００３２】
対象物２４は、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の照射を受け、これらのパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の重なりに応じて光を発生する。対象物２４では、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の重なりの度合いに応じて、発生する光の強度が変化する。対象物２４は例えば非線形光学結晶であり、非線形光学結晶は、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＴｅ、ＫＤＰ、ＢＢＯ、ＢＩＢＯ、ＬｉＮｂＯ3、ＫＴＰ、ＬＢＯ、またはＣＬＢＯである。或いは、対象物２４としては、ガラス、ポリマー、生体細胞（たんぱく質、脂質、カルシウムイオンなど）、希ガス（例えば、キセノンやアルゴンなど）、半導体（例えば、シリコンやゲルマニウム、グラフェンなど）、金属（例えば、金や銀など）、空気、蛍光物質（例えば、ローダミン、ＧＦＰ、ＲＦＰ、アレクサフルオロ（登録商標）４８８など）、量子ドット、水などが好適に用いられ得る。また、対象物２４において発生する光は、例えば第二高調波、第三高調波、高次高調波、和周波、差周波、ラマン散乱光の何れかである。なお、同時に数種類の光が発生する場合であっても、それぞれ波長が異なるので波長フィルタによって分離することが可能である。
【００３３】
光検出部２５は、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を対象物２４に照射することにより対象物２４に生じる光を検出する光検出器である。光検出部２５としては、例えば、対象物２４に生じる光の強度を検出する光電子増倍管若しくはアバランシェフォトダイオードなどのフォトダイオード、または対象物２４に生じる光の強度スペクトルを検出する分光器などが用いられる。
【００３４】
演算部２６は、偏光制御部２２及び光パルス整形部１０Ａと電気的に接続し、偏光制御部２２及び光パルス整形部１０Ａを制御する。また、演算部２６は、光検出部２５と電気的に接続し、光検出部２５から出力された検出信号を処理する。演算部２６は、演算処理回路或いは演算処理回路を有するコンピュータである。演算部２６は、必要に応じて偏光制御部２２における偏光面回転角を制御することにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の強度比を変更する。また、演算部２６は、ＳＬＭ１４の位相パターンを制御することにより、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差を変更する。さらに、演算部２６は、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差を変更する毎に得られる光検出部２５の検出結果に基づいて、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を求める。
【００３５】
ここで、波形計測装置１Ａを用いた本実施形態の波形計測方法について詳細に説明する。図５は、波形計測方法を示すフローチャートである。まず、光源２１からパルス光Ｌｐを出力する（光出力ステップＳ１）。パルス光Ｌｐの複素電場は、次の数式（１）によって表される。Ｉ（ｔ）は電場の強度波形、φ（ｔ）は時間位相、ω0は中心角周波数を表す。
【数１】
0006654948.tif 000002
【００３６】
次に、時間差生成ステップＳ２を行う。まず、光源２１から出力されたパルス光Ｌｐの偏光面を、偏光制御部２２によって回転させる（偏光制御ステップＳ２１）。これにより、パルス光Ｌｐは、次の数式（２）によって表される任意の偏光面を有するパルス光へと変換される。なお、数式（２）において、ｅx、ｅyは、それぞれ変調軸方向Ｘ、非変調軸方向Ｙと平行なベクトル（｜ｅx｜＝｜ｅy｜＝１）である。右辺第一項及び二項は、それぞれ第１の偏光成分ＥMO及び第２の偏光成分ＥNONに相当する。
【数２】
0006654948.tif 000003
【００３７】
続いて、分散素子１２によってパルス光Ｌｐを波長毎に空間的に分散する（分散ステップＳ２２）。そして、分散後のパルス光Ｌｐの位相スペクトルを、偏光依存型のＳＬＭ１４を用いて波長毎に変調する（変調ステップＳ２３）。このとき、ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐの偏光面を、変調軸方向Ｘに対して傾斜させ、変調軸方向Ｘに沿ったパルス光Ｌｐの第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを変調することにより、第１の偏光成分ＥMOと第２の偏光成分ＥNONとの間に時間差を生じさせる。これにより、パルス光Ｌｐ2と、パルス光Ｌｐ2に対して時間差を有するパルス光Ｌｐ1とが生成される。なお、このステップにおいて、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を任意の波形に変換するように、第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを更に変調してもよい。その後、変調後のパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を、分散素子１２によって合成する（合成ステップＳ２４）。
【００３８】
上記の変調ステップＳ２３において、第１の偏光成分ＥMOを時間τだけ遅延させた場合、合成後の複素電場は次の数式（３）によって表される。
【数３】
0006654948.tif 000004
数式（３）の右辺第一項（第１の偏光成分ＥMO）は変調の影響を受けて遅延するが、第二項（第２の偏光成分ＥNON）は変調されないため遅延しない。従って、変調されたパルス光Ｌｐ1と変調されなかったパルス光Ｌｐ2とが時間的に分離される。更に、任意の時間強度波形に変換するための制御を行うと、複素電場は次の数式（４）のようになる。Ｉ’（ｔ）は変換後の時間強度波形を表し、φ’（ｔ）は変換後の時間位相を表す。
【数４】
0006654948.tif 000005
数式（４）は、任意の波形に変換されたパルス光Ｌｐ1と、パルス光Ｌｐの波形を保ったパルス光Ｌｐ2とが時間的に分離されることを示している。
【００３９】
続いて、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を対象物２４に照射し、これらの照射の重なりに起因して対象物２４に生じる光を光検出部２５により検出する（光検出ステップＳ３）。例えば、対象物２４がＴｙｐｅIIの非線形光学結晶である場合、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の照射が重なると第二次高調波（Second Harmonic Generation；ＳＨＧ光）が発生する。
【００４０】
演算部２６は、ＳＬＭ１４を制御することにより、変調ステップＳ２３におけるパルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差（すなわちパルス光Ｌｐ1の遅延時間τ）を変更（スキャン）しながら、光出力ステップＳ１、時間差生成ステップＳ２、及び光検出ステップＳ３を複数回にわたって繰り返し行う（ステップＳ４）。そして、演算部２６は、複数回の光検出ステップＳ３の検出結果に基づいて、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を求める（解析ステップＳ５）。
【００４１】
例えば、遅延時間τを少しずつ変更しながらＳＨＧ光の強度を検出すると、次の数式（５）が得られる。
【数５】
0006654948.tif 000006
数式（５）は、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との相関波形を表す。一般的に初期パルス光Ｌｐの波形はｓｅｃｈ関数型やガウス型であるため、得られる相関波形は、複雑に変換されたパルス光Ｌｐ1の時間強度波形に近い波形となる。初期パルス光Ｌｐが歪んでいたり、レンズなどの光学素子によって歪んでしまう場合には、回折格子対やチャープミラー等を用いて歪みを補償するとよい。
【００４２】
なお、上記の相関波形からは、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形は得られるが、位相情報は得られない。そこで、光検出部２５を分光器とし、ＳＨＧ光の強度スペクトルを取得すると、次の数式（６）となる。
【数６】
0006654948.tif 000007
この数式（６）はＦＲＯＧトレースと呼ばれ、このデータから位相情報を求めることができる。例えば、演算部２６は、上記の相関波形に変えて、若しくは上記の相関波形とともに、ＳＨＧ光の強度スペクトルに基づいてパルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との相関マップ（時間、相関波形、及び波長の三次元情報）を求めてもよい。なお、ＦＲＯＧ法については、Rick Trebino et al., “Measuring ultrashort laser pulses in thetime-frequency domain using frequencyresolved optical gating”, Review ofScientific Instruments, Vol.68, No.9, pp.3277-3295 (1997)に詳しく記載されている。
【００４３】
上記の数式（５）及び（６）により示される相関波形の強度は、回転角θが４５°のとき最大となる。従って、相互相関法を用いてパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を計測する際には、回転角θを４５°に設定することが好ましい。なお、分散素子１２の回折効率に偏光依存性がある場合は、その効率も含めて相関波形の強度が最大となる回転角θを選んでもよい。その一方で、パルス光Ｌｐ1をレーザ顕微鏡やレーザ加工などに用いる場合には、回転角θを０°に設定することにより、参照パルス光であるパルス光Ｌｐ2を消去し、対象パルス光であるパルス光Ｌｐ1のみを取り出すことができる。
【００４４】
ここで、本実施形態の波形計測方法及び波形計測装置１Ａを用いて行われる相関計測法の例として、自己相関計測法及び相互相関計測法について詳細に説明する。
【００４５】
（１）自己相関計測法
まず、パルス光Ｌｐの偏光面の回転角θを偏光制御部２２により調整する。回転角θ（単位：度）は、９０×ｎ（ｎは整数）以外であればよい。その後、パルス光ＬｐはＳＬＭ１４を経てパルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2とに分離される。ここで、パルス光Ｌｐ1の位相変調を行い、パルス光Ｌｐ2に対する時間差を与える。ここで図６（ａ）は、パルス光Ｌｐ1に与えるスペクトル波形（グラフＧ１：スペクトル強度、グラフＧ２１〜Ｇ２３：スペクトル位相）を示す。図６（ｂ）のグラフＧ３１〜Ｇ３３はパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を示し、グラフＧ４はパルス光Ｌｐ2の時間強度波形を示す。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。
【００４６】
図６（ａ）に示されるように、ＳＬＭ１４は、パルス光Ｌｐ1に対し、一次関数型の位相パターンＧ２１を与える。そして、その傾きをグラフＧ２２、Ｇ２３のように順次傾ける（図中の矢印Ａ１）。これにより、パルス光Ｌｐ1は、グラフＧ３１からＧ３２を経てＧ３３まで順次移動する（図中の矢印Ａ２）ので、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差が順次変化する。すなわち、参照パルス光であるパルス光Ｌｐ2に対して、対象パルス光であるパルス光Ｌｐ1を時間軸上でスキャン（掃引）することができる。また、図６（ｃ）に示されるように、パルス光Ｌｐ1の偏光方向（変調軸方向Ｘ）とパルス光Ｌｐ2の偏光方向（非変調軸方向Ｙ）とは、時間差にかかわらず常に直交状態を維持する。
【００４７】
これらのパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を対象物２４に照射し、光を発生させる。パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の時間差を変更しながら、対象物２４からの光の強度を光検出部２５において検出することにより、自己相関波形を取得することができる。図７は、こうして得られた自己相関波形の一例を示すグラフである。また、対象物２４からの光の強度スペクトルを光検出部２５において取得することにより、ＦＲＯＧ波形を取得することができる。
【００４８】
（２）相互相関計測法
この方法では、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差に加えて、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を任意に制御する。ここで図８（ａ）は、パルス光Ｌｐ1に与えるスペクトル波形（グラフＧ５：スペクトル強度、グラフＧ６：スペクトル位相）を示す。図８（ｂ）のグラフＧ７はパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を示し、グラフＧ８はパルス光Ｌｐ2の時間強度波形を示す。図８（ｃ）は、図８（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。
【００４９】
図８（ａ）に示されるように、ＳＬＭ１４は、パルス光Ｌｐ1に対し、時間遅延を与える為の一次関数型の位相パターンと、時間強度波形を制御する為の位相パターン（例えば二次関数型の位相パターン）とが加算されてなる位相パターンＧ６を与える。なお、時間強度波形を制御する為の位相パターンは、二次関数型に限らず、任意の形状（例えば矩形パルス、三角パルス、ダブルパルス等）に変換する位相パターンとすることができる。これにより、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形が任意の形状に制御される。図８には、二次関数型の位相パターンによってパルス光Ｌｐ1の時間幅が伸展された例が示されている。
【００５０】
そして、自己相関計測法と同様に、位相パターンＧ６を構成する一次関数型の位相パターンの傾きを順次傾ける（矢印Ａ１）。これにより、パルス光Ｌｐ1が時間軸上を順次移動し（矢印Ａ２）、パルス光Ｌｐ2に対してスキャン（掃引）することができる。また、図８（ｃ）に示されるように、パルス光Ｌｐ1の偏光方向（変調軸方向Ｘ）とパルス光Ｌｐ2の偏光方向（非変調軸方向Ｙ）とは、時間差にかかわらず常に直交状態を維持する。
【００５１】
これらのパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を対象物２４に照射し、光を発生させる。パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の時間差を変更しながら、対象物２４からの光の強度を光検出部２５において検出することにより、相互相関波形を取得することができる。また、対象物２４からの光の強度スペクトルを光検出部２５において取得することにより、Ｘ−ＦＲＯＧ波形を取得することができる。
【００５２】
以上に説明した、本実施形態に係る波形計測方法及び波形計測装置１Ａによって得られる効果について説明する。前述したように、ＳＬＭを用いた従来の波形計測方法では、対象パルス光及び参照パルス光の偏光方向が互いに一致しており、それ故にこれらを重ね合わせた際に干渉が生じ、計測結果にノイズが生じてしまうという問題があった。本実施形態では、対象パルス光であるパルス光Ｌｐ1の偏光方向と、参照パルス光であるパルス光Ｌｐ2の偏光方向とが互いに異なるので、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2が互いに干渉しない。従って、干渉によるノイズを効果的に低減し、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を精度良く求めることができる。
【００５３】
また、従来の波形計測方法のように対象パルス光及び参照パルス光の偏光方向が互いに一致している場合、相関測定法を用いると、得られる相関波形は干渉相関波形となるため、サンプリング数を多くする必要があり、計測に長時間を要する。これに対し、本実施形態では、対象パルス光及び参照パルス光の偏光方向が互いに直交しているので、得られる相関波形は強度相関波形となり、サンプリング数を少なくできる。従って、より短時間で計測することができる。
【００５４】
また、従来の波形計測では、対象パルス光と参照パルス光との分離及び重ね合わせに干渉光学系が用いられ、参照パルス光のスキャンには機械的な光学遅延機が用いられる。しかしながら、このような方式では干渉光学系や光学遅延機を用いる必要があり、装置が大型になる、外乱に対して極めて敏感である等の問題が生じる。本実施形態によれば、干渉光学系や機械的な光学遅延機を必要とすることなく、ＳＬＭ１４による波形制御機能によって対象パルス光と参照パルス光との分離及び重ね合わせ、並びに参照パルス光のスキャンを行うことができるので、装置を小型化でき、且つ外乱による影響を抑えることができる。例えば、ＳＬＭ１４の位相分解能が２π／２５５である場合、中心波長８００ｎｍ、時間幅１００ｆｓのパルス光の時間分解能は１ｆｓ程度と見積もられる。これは、機械的な光学遅延器において光路長を３００ｎｍ以下の誤差範囲内で調整することに相当する。
【００５５】
また、本実施形態のように、時間差生成ステップＳ２が、初期パルス光Ｌｐの偏光面を回転させる偏光制御ステップＳ２１を含んでもよい。これにより、変調軸方向Ｘに対して初期パルス光Ｌｐの偏光面を容易に傾斜させることができる。なお、本実施形態では偏光制御ステップＳ２１は分散ステップＳ２２の前に行われているが、分散ステップＳ２２と変調ステップＳ２３との間に行われてもよい。
【００５６】
また、本実施形態のように、対象物２４は非線形光学結晶を含んでもよい。例えばこのような対象物２４を用いることにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の照射に起因する光（第二高調波等）を好適に生じさせることができる。
【００５７】
また、本実施形態のように、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を求める為に、複数回の光検出ステップＳ３の検出結果からパルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との相関波形若しくは相関マップを求めてもよい。例えばこのような方法により、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を好適に求めることができる。
【００５８】
また、本実施形態のように、対象物２４に生じる光は、少なくとも第二高調波、第三高調波、高次高調波、和周波、差周波、ラマン散乱光の何れか１つを含んでもよい。例えばこれらの光を検出することにより、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を好適に求めることができる。
【００５９】
また、本実施形態のように、光検出ステップＳ３では、少なくとも分光器、光電子増倍管、及びフォトダイオードの何れか１つを用いて対象物２４に生じる光を検出してもよい。光電子増倍管またはフォトダイオードを用いることにより、対象物２４からの微弱な光を精度良く検出することができる。また、分光器を用いることにより、対象物２４に生じる光の強度スペクトルを取得して、例えばＦＲＯＧによりパルス光Ｌｐ1の位相情報を更に求めることができる。
【００６０】
本発明によるパルス光の波形計測方法及び波形計測装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ＳＬＭが変調作用を有する偏光方向に対し、ＳＬＭに入力するパルス光の偏光面を偏光制御部によって傾斜させているが、ＳＬＭ自体を傾けてもよい。すなわち、ＳＬＭに入力するパルス光の偏光面に対し、変調作用を有する偏光方向が傾斜するようにＳＬＭを傾けることによって、偏光制御部を不要にできる。
【００６１】
また、上述した実施形態では、ＳＬＭとしてＬＣＯＳ型のものを例示したが、本発明のＳＬＭとして、他の液晶型ＳＬＭ（例えば電気アドレス型、光アドレス型等）を適用してもよい。
【００６２】
また、本発明によるパルス光の波形計測方法は、少なくとも一つのパルス光を出力し、出力されたパルス光の偏光面を回転し、特定の偏光成分の光を変調する偏光依存型の空間光変調器を用いて、偏光面が回転されたパルス光を２つのサブパルス光に分割し、分割されたサブパルス光の少なくとも一方に誘発された光特性を計測してもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１Ａ…波形計測装置、１０Ａ…光パルス整形部、１１…ビームスプリッタ、１２…分散素子、１３…集光光学系、１４…空間光変調器（ＳＬＭ）、１４ａ…変調面、２１…光源、２２…偏光制御部、２３…集光光学系、２４…対象物、２５…光検出部、２６…演算部、Ｅ…偏光方向ベクトル、ＥMO…第１の偏光成分、ＥNON…第２の偏光成分、Ｌｐ…（初期）パルス光、Ｌｐ1…第１のパルス光、Ｌｐ2…第２のパルス光、Ｌλ1〜Ｌλ6…波長成分、Ｘ…変調軸方向、Ｙ…非変調軸方向、θ…回転角。
【図１】
0006654948.tif 000008
【図２】
0006654948.tif 000009
【図３】
0006654948.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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