(57)【要約】【課題】一般の光コムに対しても感度が十分で、精度が高く、かつ校正手段を備え、確度が保証されたパルス間位相差測定方法を提供する。【解決手段】被測定光パルス列を２光束に分岐し、当該分岐した２光束の一方の光束を第１の光路に、および、他方の光束を第２の光路に伝搬させ、第１の光路と第２の光路との相対的遅延時間差を、被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍に設定し、第１の光路を伝搬した光と第２の光路を伝搬した光とを合波して干渉させることによって、被測定光パルス列内のパルス間の位相差を測定するパルス間位相差測定方法であって、第２の光路の光路長を可変とし、前記合波して得られた干渉光の強度を第２の光路の光路長を変化させつつ時系列的に記録し、前記記録された強度データ列をフーリエ変換し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値から、パルス間位相差を測定する。【選択図】　　　　図１
2004138524.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定光パルス列を２光束に分岐し、当該分岐した２光束の一方の光束を第１の光路に、および、他方の光束を第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍に設定し、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波して干渉させることによって、前記被測定光パルス列内のパルス間の位相差を測定するパルス間位相差測定方法であって、
前記第２の光路の光路長を可変とし、前記合波して得られた干渉光の強度を前記第２の光路の光路長を変化させつつ時系列的に記録し、前記記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を測定することを特徴とするパルス間位相差測定方法。
【請求項２】
前記記録された強度データ列をフーリエ変換し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値から、パルス間位相差を測定することを特徴とする請求項１に記載のパルス間位相差測定方法。
【請求項３】
前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、零近傍に設定し、前記第２の光路の光路長を変化させつつ前記合波して得られた干渉光の強度を記録し、これをフーリエ変換して得られる周波数領域での位相を記録・保存し、前記外挿の前に、前記記録・保存しておいた位相を減算して、前記２光路間の位相の不均等による誤差を除去することを特徴とする請求項２に記載のパルス間位相差測定方法。
【請求項４】
被測定光パルス列を２光束に分岐し、当該分岐した２光束の一方の光束を第１の光路に、および、他方の光束を第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍に設定し、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波して干渉させることによって、前記被測定光パルス列内のパルス間の位相差を測定するパルス間位相差測定方法であって、
前記合波して得られた干渉光を波長成分に分光し、前記分光された各波長成分の強度を並列的に記録し、前記記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を測定することを特徴とするパルス間位相差測定方法。
【請求項５】
前記記録された強度データ列から波長毎の干渉位相を算出し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値から、パルス間位相差を測定することを特徴とする請求項４に記載のパルス間位相差測定方法。
【請求項６】
前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、零近傍に設定し、前記合波して得られた干渉光を波長成分に分光し、前記分光された各波長成分の強度を並列的に記録し、これから算出される波長毎の干渉位相を記録・保存し、前記外挿の前に、前記記録・保存しておいた位相を減算して、前記２光路間の位相の不均等による誤差を除去することを特徴とする請求項５に記載のパルス間位相差測定方法。
【請求項７】
被測定光パルス列を、第１の光路を伝搬する第１の光束と第２の光路を伝搬する第２の光束の２つの光束に分岐し、かつ、前記第１の光路を伝搬した第１の光束と前記第２の光路を伝搬した第２の光束とを合波して干渉させる半透鏡と、
前記第１の光路内に配置され、前記半透鏡で分岐された第１の光束を折り返して前記半透鏡に返す固定反射器と、
前記第２の光路内に移動可能に配置され、前記半透鏡で分岐された第２の光束を折り返して前記半透鏡に返す反射器と、
前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍となる第１の位置に設定するとともに、前記第１の位置の周りで前記反射器を移動させて前記第２の光路の光路長を可変させる移動手段と、
前記第１の位置の周りで前記反射器を移動させて、前記第２の光路の光路長を可変させたときに、前記半透鏡から出射される前記合波して得られた干渉光の強度を検出する第１の光検出器と、
前記第１の光検出器から得られる干渉光の強度を時系列的に記録する記録手段と、
前記記録手段に記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を算出する算出手段とを備え、
前記半透鏡、前記固定反射器、並びに、前記反射器は、真空容器内に配置されることを特徴とするパルス間位相差測定装置。
【請求項８】
前記算出手段は、前記記録された強度データ列をフーリエ変換し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値から、パルス間位相差を算出することを特徴とする請求項７に記載のパルス間位相差測定装置。
【請求項９】
前記移動手段は、前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が零近傍となる第２の位置に設定するとともに、前記第２の位置の周りで前記反射器を移動させて前記第２の光路の光路長を可変させ、
前記記録手段は、前記第２の位置の周りで前記反射器を移動させて、前記第２の光路の光路長を可変させたときに、前記第１の光検出器から得られる干渉光の強度を時系列的に記録し、
前記算出手段は、前記記録された強度データ列をフーリエ変換して得られる周波数領域での位相を記録・保存しておき、前記外挿の前に、前記記録・保存しておいた位相を減算して、前記２光路間の位相の不均等による誤差を除去することを特徴とする請求項８に記載のパルス間位相差測定装置。
【請求項１０】
前記被測定光パルスと平行に前記半透鏡に入射される監視光を発光する光源と、
前記半透鏡から出射される、前記監視光が合波して得られる干渉光の強度を検出する第２の光検出器と、
前記第２の光検出器の出力に基づき、前記時系列的記録に係る信号採取タイミングを決定する手段とを備えることを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載のパルス間位相差測定装置。
【請求項１１】
被測定光パルス列を、第１の光路を伝搬する第１の光束と第２の光路を伝搬する第２の光束の２つの光束に分岐し、かつ、前記第１の光路を伝搬した第１の光束と前記第２の光路を伝搬した第２の光束とを合波して干渉させる半透鏡と、
前記第１の光路内に配置され、前記半透鏡で分岐された第１の光束を折り返して前記半透鏡に返す固定反射器と、
前記第２の光路内に移動可能に配置され、前記半透鏡で分岐された第２の光束を折り返して前記半透鏡に返す反射器と、
前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍となる第１の位置に設定する移動手段と、
前記半透鏡から出射される前記合波して得られた干渉光を波長成分に分光するスペクトログラフと、
前記スペクトログラフで分光された各波長成分の光の強度を検出する線形光検出器列と、
前記線形光検出器列で検出された強度に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を算出する算出手段とを備え、
前記半透鏡、前記固定反射器、並びに、前記反射器は、真空容器内に配置されることを特徴とするパルス間位相差測定装置。
【請求項１２】
前記算出手段は、前記線形光検出器列で検出された強度から波長毎の干渉位相を算出し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値から、パルス間位相差を算出することを特徴とする請求項１１に記載のパルス間位相差測定装置。
【請求項１３】
前記移動手段は、前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が零近傍となる第２の位置に設定し、
前記算出手段は、前記反射器が前記第２の位置にあるときに、前記線形光検出器列で検出された強度から波長毎の干渉位相を算出して記録・保存しておき、前記外挿の前に、前記記録・保存しておいた位相を減算して、前記２光路間の位相の不均等による誤差を除去することを特徴とする請求項１１に記載のパルス間位相差測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一定周期をもって繰り返す光パルス列において、隣接パルス間の位相差を正確に測定するパルス間位相差測定方法および装置に係わり、特に、光コム応用における、強度が必ずしも高くない繰り返しパルス列に対して、キャリア・エンベロープ位相の変動を評価するための高精度なパルス間位相差測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一定周期をもって繰り返す光パルス列における、隣接パルス間の位相差は、パルスエンベロープ（包絡線）とその内部の光振動（キャリア）の関係、所謂、キャリア・エンベロープ位相の変動に関連する量である。即ち、キャリア・エンベロープ位相の変動が無い場合には、パルス間位相差も零となる。
近年、甚大な光非線形効果を生じるような、著しく高い強度を有する光パルスにおいては、そのキャリア・エンベロープ位相に依存して現象が変化することが指摘されている。
このような場合には、キャリア・エンベロープ位相を一定に制御した光パルスによらなければ、予測可能な形での現象の生起は望めず、従って、用いる繰り返しパルス光源の性配評価の一環として、パルス間位相差の測定が欠かせなくなる。
かかる超高強度光ならずとも、一般に、繰り返しパルス列において、キャリア・エノベロープ位相の変動が問題となる局面がある。
【０００３】
繰り返しパルス列に付随する櫛状のスペクトル、所謂、周波数コムを利用しようとする場合がそれである。
キャリア・エンベロープ位相が一定のパルス列では、櫛状のスペクトルの各光周波数は、パルスの繰り返し周波数の厳密な整数倍となる。ここで、パルスの繰り返し周波数は、原子時計等の手段によって高精度に制御できることから、櫛状のスペクトルの各々の光周波数を極めて高い精度で、固定することが可能となる。
かかる周波数コムは、従来の光周波数の安定化手法をもってしては困難であった、多数スペクトルー挙の高い光周波数確度を実現することができ、光周波数標準あるいは高密度波長多重通信等への応用が期待されている。
【０００４】
一定周期Ｔで繰り返す光パルス列を考え、うち任意の１つのパルスの時間波形をｅ（ｔ）と表す。さらに、位相の表現の便のため、実数であるパルス電界ｅ（ｔ）に対応する解析信号ｖ（ｔ）を、ｅ（ｔ）＝Ｒｅｖ（ｔ）によって導入しよう。
このとき、１つ後のパルスの解析信号は、一般にｖ（ｔ）ｅｘｐ（ｉδΦ）の形に表される。ここで登場した位相δΦは、周期Ｔを経て生じた、キャリアとエンベロープ、両位相間の相対的ズレに相当する。
かかる位相を考慮すると、パルス列全体の解析信号Ｖ（ｔ）の表式が、下記（１）式のように構築される。
【０００５】
【数１】
2004138524.tif 000003
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（１）
ここで、（１）式の添字ｐは、個々のパルスに付された番号であり、ｐについての和は、観測時間内に到来した全てのパルスについて取るものとする。
このパルス列全体のスペクトルは、個々のパルスのスペクトルｖ（ω）と、櫛状のスペクトル関数ｋ（ω）＝Σｐｅｘｐ［ｉｐ（ωＴ＋δΦ）］との積で表される。
【０００６】
関数ｋ（ω）は、周期（２π／Ｔ）をもって繰り返す線スペクトル構造を呈する。この各線スペクトルの幅は、観測時間内に入るｐの個数に反比例して決まり、一方、各線スペクトルの中心の角周波数は、下記（２）式で与えられる。
【数２】
ωＮ＝（２π／Ｔ）Ｎ−（δΦ）／Ｔ　・・・・・・・・・・・・　（２）
即ち、キャリア・エンベロープ位相の変動に起因するパルス間位相差δΦは、パルス列の櫛状スペクトルに対し、２π／Ｔの整数倍位置から、−δΦ／Ｔだけの一様な変位をひき起こす。
かかる変位がランダムに生じると、パルス列のスペクトルを光周波数コムとして利用する際、絶対光周波数の変動となり、使用に耐えない。それ故、近年、パルス間位相差δΦの測定、更にはその制御が注目される所となっている。
【０００７】
この櫛状スペクトルの変位に直接基づいて、パルス間位相差δΦを測定する、所謂、ヘテロダイン法が、例えば、非特許文献１（Ｓｃｉｅｎｃｅ　誌２８８巻（２０００年）　６３５−６３９頁）に、広刊されている。
即ち、パルスのスペクトルｖ（ω）が、１オクターブを起える広がりを持つ場合に、その長波長部分を取り出し、それにつき第２高調波を発生する。この第２高調波発生過程において、周波数変位も、−２δΦ／Ｔと、２倍されることとなる。この第２高調波光を、元のパルスの短波長部分と合波して、光検出器で受光する。
このとき後者の周波数変位（−δΦ／Ｔ）と、前者のそれ（−２δΦ／Ｔ）の差の信号（δΦ／Ｔ）が、光検出器出力に現れる。これは、光検出器が光電界に対し二乗特性を有し、差周波発生器（混合器）として作用するからである。
以上では、δΦの符号が不定になるが、上記合波の以前に、何れかの周波数に既知の変位を与えておけば、少なくとも０周りでの符号の不定性は解消可能である。実際、上記刊行物では、元のパルス側に音響光学素子を作用させることで、これを行っている。
【０００８】
このヘテロダイン法では、上述したように、パルスに、１オクターブ以上のスペクトル広がりが要求される。かかる広いスペクトルを、直接発生できるパルスレーザー光源は、存在し難く、いきおい光源外部での白色光発生によるスペクトル拡張が必要となる。
不幸にして、非線形光学過程である白色光発生によって、超オクターブのスペクトル拡張が得られるのは、入射パルスが十分高いピークパワーを有する場合に限られる。
一般に、光源のパルス幅が長いほど、また、繰り返し周波数が高い程、必要なピークパワーを得るための平均出力は比例して増加し、それ故に、ここでの困難さが増す。
例えば、通信波長帯のパルス光源について、かかる白色光発生は、スーパーコンティニウム光発生と呼ばれ、その実施も現在までに１０年近くの長きに及ぶが、１０ＧＨｚ以上の繰り返しの光源からの超オクターブ光は、未だ得るに至っておらず、当然ながら、ヘテロダイン法の適用も見ていないのである。
【０００９】
現状はおくとして、より普遍的に、周波数標準・超多波長光源、何れの光周波数コムの応用においても、周波数間隔は、広い方が望ましい。
前者においては、未知光の周波数を定める際に、（２）式中の、最寄りの標準線のＮの決定が、また後者では、コム中の各線の光濾波器による分離が必要である。周波数間隔が狭いと、これらが非常に困難となるからである。
しかるに、コムの周波数変位の測定が、高い繰り返し、即ち、広い周波数間隔の場合程、行ない難いのは、この上ない不都合である。
それ故、ヘテロダイン法以外の、高いピークパワーを要さない測定法が、明らかに必要とされる。
【００１０】
かかる測定法として、相関法が、例えば、非特許文献２（Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ　誌２１巻（１９９６年）　２００８−２０１０頁）に、広刊されている。
図６は、これに拠った従来例のパルス間位相差測定方法を示す図である。
図６（ａ）に示す構成において、被測定光パルス列は、入射窓６０２より入射し、半透鏡６０３に達し２光束に分岐される。
そのうち一方は、固定反射器６０４に向かい、折り返されて再び半透鏡６０３に戻る光路を辿る。他方は、掃引反射器６０５にて折り返されて、半透鏡６０３に戻る。
ここで、掃引反射器６０５は、固定反射器６０４側の光路と等遅延となる平衡位置６０７から、丁度被測定パルス間隔だけ余分に遅延を与える点まで、後退させてある。
さらに、掃引反射器６０５は、変位器６０６に装着され、該反射器側の光路の固定反射器６０４側の光路に対する遅延を、被測定パルス間隔Ｔの周りで掃引できる。
各々半透鏡６０３に戻った２光束は、該所において再び合波された後、出射窓６０９に達する。入射窓６０２より出射窓６０９に至る光路は、真空容器６０１中にあり、光は真空中を伝搬する。
【００１１】
出射窓６０９を経た合波光は、レンズ６２１により非線形結晶６２２中に結焦され、該結晶６２２で発生した第２高調波光が、レンズ６２３により集光されて光検出器６２４に導かれる。
本従来例で、掃引反射器６０５を掃引しつつ、光検出器６２４の出力を記録すると、例えば、図６（ｂ）に細実線で示した振動する干渉相関波形が得られる。この干渉相関波形の上側包絡線を、フィッティングにより決定して、図６（ｂ）中の破線を得る。
次に、この包絡線の頂点からの、振動の山の時間ズレを読み取る。さらに、振動の周期を読み取り、その角周波数を得る。
最後に、上の時間ズレにこの角周波数を乗じて、パルス間位相差δΦが得られ、かくして、本従来例により、パルス間位相差測定が実現されているのである。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｓｃｉｅｎｃｅ　誌２８８巻（２０００年）　６３５−６３９頁
【非特許文献２】
Ｏｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ　誌２１巻（１９９６年）　２００８−２０１０頁
【非特許文献３】
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ　誌７２巻（１９８２年）１５６−１６０頁
【特許文献】
特許第２７４７１７６号明細書　「トリガ発生回路」
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来のパルス間位相差測定方法には、以下のような問題がある。
その第１の問題は、上述した包絡線のフィッティングによる決定に係る問題である。前述した固定反射器側の光路を経たパルスと、前述した掃引反射器側の光路を経たパルスの波形が、厳密に相似となる理想的な場合、包絡線は、左右対称な関数になることが保証されている。
しかしこれ以上の何らの性質も、先験的（アプリオリ）には与えられない。即ち、包絡線の幅、さらに関数形自体もが、一般に未知なのである。
かかる条件下で、敢えて尤もらしい関数形を仮定してフィッティングを行なわざるを得ない。厄介なことに、良く波形に仮定される関数形である１／ｃｏｓｈに対してすら、包絡線は複雑な関数形となる。
仮に、この関数形が妥当であったとしても、その幅と頂点（中心）位置を未知量とするフィッティング計算自体、非線形なフィッティングに属し、数値計算上の陥穽に満ちている。
これらの結果、総じて、フィッティングで求まる包絡線の頂点位置に、高い精度は期待し難い。いきおい、従来例の測定法では、測定されるパルス間位相差の精度が高くない。
【００１４】
第２の問題は、結果の確度に関する問題である。
機器に偏差があれば、如何に繰り返し精度が高くても、真値とは限らないので、偏差を知って除去する校正手順を備えることが一般に望まれるが、とりわけ今の場合においては、これが肝要である。
そもそも従来例において、通常の干渉計では空気中に構成される、半透鏡、固定反射器および掃引反射器からなる系を、真空容器中に構築してあるのは、固定反射器側の光路と、掃引反射器側の光路の間の、位相の不平衡による装置偏差を慮ってのことである。
そこで、ここでの位相と測定偏差について、以下により詳しく説明しよう。
【００１５】
一般に、光路の伝搬位相の周波数依存性をφ（ω）と書き、これを中心角周波数ω０の周りでＴａｌｏｒ展開するとき、２次以上の項は、パルス波形の変形を引き起こし、上記包絡線の中心対称性すら失わせる。それ故、従来例においては、２次以上の高次項は、全くあってはならない。
そこで、より低次の項を、下記（３）式のように表現する。
【数３】
φ（ω）＝τｐω０＋τｇ（ω−ω０）　・・・・・・・・・・・　（３）
ここで、τｐはω０における伝搬遅延、τｇは群遅延である。
かかる伝搬位相を有する光路に、解析信号ｖ（ｔ）を入射すると、出射パルスの解析信号は、ｖ（ｔ−τｇ）ｅｘｐ（ｉφ０）となり、余分な位相変化、φ０＝−（τｇ−τｐ）ω０を伴う。
この位相変化は、正に式の示す通り、伝搬遅延と群遅延が等しくないことに起因して、生じるものである。
【００１６】
ところで、従来例の相関法において意図されているところは、パルスｖ（ｔ）に（群）遅延τｇ＝Ｔを与えて作るｖ（ｔ−Ｔ）の、隣のパルスｖ（ｔ−Ｔ）ｅｘｐ（ｉδΦ）との比較である。
この際、遅延を与えることで、余分の位相変化φ０が生じてしまうと、これと測定すべきパルス間位相差δΦとを区別することは、全く不可能であり、装置偏差となる。
パルス周期分の遅延に伴う余分の位相変化は、具体的に下記（４）式で表される。
【数４】
φ０＝−ｍｏω０Ｔ　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（４）
ここで、係数ｍｏは、１波長分の伝搬に伴なって生ずる、エンベロープ位相のキャリア位相からの遅れを表す量であり、光路の屈折率ｎと群屈折率ｎｇを用いて、ｍｏ＝（ｎｇ−ｎ）／ｎｇと書け、これを空気について勘定すると、１．５μｍ波長帯において、１．１×１０−６程度の値を得る。
このｍｏによるφ０は、２０ＧＨｚのパルス繰り返し（Ｔ＝５０ｐｓ）に対してすら、４．０ｄｅｇと、全く無視できない値となり、より短波長または低繰り返しの場合、更に大きくなる。この故に、遅延光路を空気内に構築することは許されず、真空容器中に封じているのである。
【００１７】
ところで、係数ｍｏは、ガラスの如き固体では、上の空気に比して格段に大きな値となる。例えば、良く用いられる石英ガラスでは、同じく１．５μｍ波長帯において、１．２％程度の値を示す。
これにより、固定反射器側の光路と、掃引反射器側の光路の間で、通過するガラスの量に差異があると、余分の位相変化が生じて装置偏差が惹起される。
今、ガラスの量の不均等１μｍについて、φ０を勘定すると、４．３ｄｅｇと、やはり無視できない値となる。
従来例において、このようなガラス通過の不均等が生ずる虞のある箇所は、半透鏡６０３である。
それ故、図６（ａ）に見るように、光を２分するミラー膜と、合波するミラー膜を、各々平行基板の表と裏に配した特殊な半透鏡を用いることで、これに対処している。ここでの基板には、平行度の著しく高いものが要求される。
例えば、２分時の入射点と合波時の入射点が、１ｃｍ離れている時、平行度３０秒の基板であっても、厚みの不均等が１．５μｍに及ぶ故、全然使用に耐えない。かくの如き微妙な平行度に、装置偏差が全面的に依存するのでは、装置の確度の保証が非常な難事となる。
このような場合、半透鏡といった一部の部品の品質に負うよりも、寧ろ、装置偏差を校正・除去する手順を備える方が、コスト的に有利かつ長期的な確度保証も容易である。しかしながら、従来例は、かかる校正手段を欠いている。
【００１８】
さらに、上述した如く、従来例方法においては、光路の伝搬位相φ（ω）の２次以上の項は、全く許容されない。
ところが、一般に誘電体蒸着膜ミラーは、特に、特性域端の波長で、大きな高次位相を持つことが知られている。とりわけ被測定光が、広いスペクトルを有する場合に、この高次位相の影響が避けがたくなる。
従来例方法は、この高次位相に全く対処不能なため、広いスペクトルを有する光コムを、直接測定することはできなかった。
事実、前述の非特許文献２でも、光コムでなく、白色光発生により光コムを生成する前のレーザーパルスが、測定対象とされているのである。
第３の問題は、従来例方法は、上記ヘテロダイン法に比しては、格段に低いピークパワーしか要さないものの、依然、非線形効果を用いているために、感度に制限がある問題である。
その感度は、通常のレーザーパルスの測定には十分と考えられるものの、光コム、あるいはその一部の波長帯域を抽出した光に対しては、不十分なままに留まっていたのである。
【００１９】
以上述べたように、従来のパルス間位相差測定方法には、（１）正当な試行関数が一般に存在しない包絡線へのフィッティングが介在するために、測定精度が低く、（２）光路間の位相の不平衡に関しては、低次の不平衡にも校正手段を欠く結果、測定確度の保証が困難で、さらに高次の不平衡には全く対処不能、また、（３）非線形効果を用いるため、測定感度が一般の光コムに適用するには不十分、という解決すべき問題があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、一般の光コムに対しても感度が十分で、精度が高く、かつ校正手段を備え、確度が保証されたパルス間位相差測定方法および装置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。
【００２０】
【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うち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明のパルス間位相差測定方法は、被測定光パルス列を２光束に分岐し、この２光束の一方を第１の光路に伝搬させ、またその他方を第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、該被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍に設定し、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波して干渉させ、上記第２の光路の光路長を可変とし、上記合波して得られた干渉光の強度を前記第２の光路の光路長を変化させつつ時系列的に記録し、前記記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を測定することを特徴とする。
【００２１】
本発明のパルス間位相差測定装置は、被測定光パルス列を、第１の光路を伝搬する第１の光束と第２の光路を伝搬する第２の光束の２つの光束に分岐し、かつ、前記第１の光路を伝搬した第１の光束と前記第２の光路を伝搬した第２の光束とを合波して干渉させる半透鏡と、前記第１の光路内に配置され、前記半透鏡で分岐された第１の光束を折り返して前記半透鏡に返す固定反射器と、前記第２の光路内に移動可能に配置され、前記半透鏡で分岐された第２の光束を折り返して前記半透鏡に返す反射器と、前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍となる第１の位置に設定するとともに、前記第１の位置の周りで前記反射器を移動させて前記第２の光路の光路長を可変させる移動手段と、前記第１の位置の周りで前記反射器を移動させて、前記第２の光路の光路長を可変させたときに、前記半透鏡から出射される前記合波して得られた干渉光の強度を検出する光検出器と、前記光検出器から得られる干渉光の強度を時系列的に記録する記録手段と、前記記録手段に記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を算出する算出手段とを備え、前記半透鏡、前記固定反射器、並びに、前記反射器は、真空容器内に配置されることを特徴とする。
【００２２】
上記時系列的に記録された干渉光の強度データから、パルス間位相差を求めるためには、算出手段において、記録された強度データ列をフーリエ変換し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値を、パルス間位相差の測定値とすればよい。
また、装置偏差を校正・除去するために、上記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、零近傍に設定し、上記第２の光路の光路長を変化させつつ上記合波して得られた干渉光の強度を記録し、これをフーリエ変換して得られる周波数領域での位相を記録・保存し、上記外挿の前に、該記録・保存しておいた位相を減算することにより、上記２光路間の位相の不均等による誤差を完全に除去することができる。
【００２３】
本発明のパルス間位相差測定方法は、データ採取時間の短縮のために、被測定光パルス列を２光束に分岐し、この２光束の一方を第１の光路に伝搬させ、またその他方を第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、該被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍に設定し、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波して干渉させ、上記合波して得られた干渉光を波長成分に分光し、該分光された各波長成分の強度を並列的に記録し、前記記録された強度データ列に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を測定することを特徴とする。
【００２４】
本発明のパルス間位相差測定装置は、被測定光パルス列を、第１の光路を伝搬する第１の光束と第２の光路を伝搬する第２の光束の２つの光束に分岐し、かつ、前記第１の光路を伝搬した第１の光束と前記第２の光路を伝搬した第２の光束とを合波して干渉させる半透鏡と、前記第１の光路内に配置され、前記半透鏡で分岐された第１の光束を折り返して前記半透鏡に返す固定反射器と、前記第２の光路内に移動可能に配置され、前記半透鏡で分岐された第２の光束を折り返して前記半透鏡に返す反射器と、前記反射器の位置を、前記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差が前記被測定光パルス列の繰り返し周期の近傍となる第１の位置に設定する移動手段と、前記半透鏡から出射される前記合波して得られた干渉光を波長成分に分光するスペクトログラフと、前記スペクトログラフで分光された各波長成分の光の強度を検出する線形光検出器列と、前記線形光検出器列で検出された強度に基づき、前記被測定光パルス列内のパルス間位相差を算出する算出手段とを備え、前記半透鏡、前記固定反射器、並びに、前記反射器は、真空容器内に配置されることを特徴とする。
【００２５】
上記並列的に記録された干渉光の波長毎の強度データから、パルス間位相差を求めるためには、算出手段において、記録された強度データ列から波長毎の干渉位相を算出し、得られる周波数領域での位相を外挿し、求まる零周波数での位相の値を、パルス間位相差の測定値とすればよい。
また、装置偏差を校正・除去するために、上記第１の光路と前記第２の光路との相対的遅延時間差を、零近傍に設定し、上記合波して得られた干渉光を波長成分に分光し、該分光された各波長成分の強度を並列的に記録し、これから算出される波長毎の干渉位相を記録・保存し、上記外挿の前に、該記録・保存しておいた位相を減算することにより、上記２光路間の位相の不均等による誤差を完全に除去することができる。
【００２６】
［作用］
従来のパルス間位相差測定方法に関る問題の３、すなわち、感度の制限の所以は、従来法が非線形結晶を用いて得られる（非線形）干渉相関信号を採取している点にある。
これに対して、合波光を直接、二乗特性を有する光検出器で受光して得られる（線形）干渉相関信号から、パルス間位相差を求め得れば、非線形光学効果を全く介在させずに測定が行なえ、感度の問題が解決されるのは明らかである。
本発明者は、この点について考究を進め、線形干渉信号の利用が、同時に、従来法に係る残余の問題にも十分な解決を与えることを見出すに至った。
これは、干渉相関信号をフーリエ変換した空間では、光路間の位相不平衡を全次数にわたって除去でき、さらに、残りの位相は必ず直線的となることが証明されるからである。パルス間位相差は、この直線的位相を零周波数に外挿した値として求められる。
従来の非線形相関信号では、位相不平衡の信号への影響が複雑であるが故、かかるフーリエ空間での装置偏差の一般的ディコンボリューションは許容されなかった。
さらに、二乗光検出器で採取した線形干渉相関信号に、畢竟、フーリエ変換を作用させるならば、その順序を転じて、光学的なフーリエ変換すなわち分光器を作用させた後に、二乗検出器で受光しても、結果は数学的に等価となる。
この性質に立ち、分光されたスペクトル成分を二乗光検出器列によって並列的に受光すれば、極めて短時間のうちにデータ採取を行なう構成も実現できる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
なお、実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［本発明の基本構成］
図１は、本発明のパルス間位相差測定方法の基本構成を示す図である。
図中、被測定光パルス列は、入射窓１０２より入射し、半透鏡１０３に達し２光束に分岐される。うち一方は、固定反射器１０４に向かい、折り返されて再び半透鏡１０３に戻る光路を辿る。他方は、掃引反射器１０５にて折り返されて、半透鏡１０３に戻る。
ここで、掃引反射器１０５は、変位器１０６に装着され、該変位器１０６は、長行程変位器１０８に積載されている。
しかして、長行程変位器１０８によって、掃引反射器１０５の位置を、固定反射器１０４側の光路と等遅延となる平衡位置（第２の位置）１０７、および、該位置から丁度被測定パルス間隔Ｔだけ余分に遅延を与える点まで後退した位置（第１の位置）の間で、切り替えることができる。
【００２８】
さらに、変位器１０６によって、掃引反射器１０５を、上記切り替えのできる位置それぞれの周りで掃引できる。
各々半透鏡１０３に戻った２光束は、該所において再び合波された後、出射窓１０９に達する。入射窓１０２より出射窓１０９に至る光路は、真空容器１０１中にあり、光は真空中を伝搬する。
出射窓１０９を経た合波光（所謂、干渉光）は、光検出器１１０に入射する。光検出器１１０は、二乗特性を有し、出射窓１０９を経た合波光の強度を検出する。光検出器１１０の出力は、波形記憶装置１１８に記録され、計算機１２０によって表示・解析される。
【００２９】
本発明の測定方法において、長行程変位器１０８によって、掃引反射器側の光路の遅延をＴだけ余分に設定し、掃引反射器１０５を掃引しつつ、光検出器１１０の出力を記録すると、例えば、図２（ａ）に細実線で示した振動する干渉相関波形が得られる。
ここで得る（線形）干渉相関信号に対しても、従来例の（非線形）干渉相関信号について行なわれたのと同様の手順により、パルス間位相差δΦを読み取ることができる。
即ち、干渉相関波形の上側包絡線を、フィッティングにより決定して、図１（ａ）中の破線を得る。次に、この包絡線の頂点からの、振動の山の時間ズレを読み取り、別途、振動の周期から求めた角周波数を乗じれば良い。
しかしこの手順には、依然、フィッティングが含まれる。但し、ここでの包絡線は、従来例のそれとは異なり、未知関数と言う訳ではなく、通常の分光手段によって得られる被測定光パルス列のスペクトルから計算でき、従って、ここでのフィッティングは、関数の平行移動という単一パラメータのそれに帰される。
【００３０】
これは、従来例に比して幾許か進歩が認められるものの、依然繁雑さを免れない。特に、現実に採取されるデータは、図２（ａ）の如き滑らかな振動波形ではなく、図２（ｂ）に例示するような、離散的な時系列データを連ねたものであることに留意されたい。
このような疎なデータからは、各々の振動の山の位置と高さは、直接には得られず、先ず、個々の振動に対して局所的に放物線等にフィッティングを行なって、それらを求める必要がある。
しかして初めて、それら振動の山の位置と高さを入力として、包絡線へのフィッティングを実行できるのである。また、この手順には、装置偏差を除去する過程が含まれておらず、その点でも不徹底なものに留まっている。
【００３１】
そこで、本発明者は、離散的な時系列データとして採取された干渉相関信号をフーリエ変換し、周波数空間においてパルス間位相差δΦを読み取る手順に想到した。
以下、かかる手順の原理につき説明する。
掃引反射器１０５側の光路と、固定反射器１０４側の光路の遅延時間の差を、（τ＋ＮＴ）と書こう。ここで、τは、変位器１０６による掃引に係る遅延であり、Ｎは、長行程変位器１０８によるパルス間隔Ｔ分の遅延の切り替えを表している。
このとき、式（１）のパルス列に対して観測される干渉相関信号Ｓ１（τ）は、下記（５）式のように表される。
【００３２】
【数５】
2004138524.tif 000004
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（５）
ここで、ｕは個々のパルスのエネルギーである。（５）式中のｐによる和は、単なる乗算定数に帰されるので、以下、τとＮを含む部分、ｓ１（τ）＝１＋Ｒｅ［ｇ１（τ）ｅｘｐ（ｉＮδΦ）］を用いて議論を進めよう。
また、ｇ１（τ）は電場相関関数と呼ばれ、光路間に位相不平衡がない場合の表式は、下記（６）式で与えられる。
【００３３】
【数６】
2004138524.tif 000005
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（６）
なお、この電場相関関数は、この場合に、ｇ１（０）＝１となるように規格化されている。通常、パルス間の裾は無視できるので、前述の（６）式の積分の上下限で、Ｔ→∞とおいても良い。
【００３４】
さて、前述の（６）式のτについてのフーリエ変換は、ｖ（ｔ）のフーリエ変換ｖ（ω）を用いて、｜ｖ（ω）｜２と表される。
これはパルスのスペクトルに他ならない。もし、光路間に位相不平衡φ（ω）が存在すると、これに、ｅｘｐ［−ｉφ（ω）］が乗ぜられる。
ここで、遅延時間の正確な原点は、予め知り得ないことに留意せねばならない。まさにそれ故に、包絡線をフィッティングにより決定することで、相関信号上の遅延時間原点（包絡線の中心）を定めることが必要だったのである。即ち、実際に得られる干渉相関信号の横軸には、一般に未知の零偏差τ０が含まれている。
以上を考慮して、測定データｓ１（τ＋τ０）のフーリエ変換を作ると、下記（７）式が得られる。
【００３５】
【数７】
2004138524.tif 000006
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（７）
さらに、この（９）式の、ＤＣ成分δ（０）以外の位相を抽出すると、下記（８）式が得られる。
【００３６】
【数８】
2004138524.tif 000007
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（８）
これが、本発明の、周波数空間におけるパルス間位相差δΦの読み取り手順を表す基本式となる。
【００３７】
先ず、パルス間位相差の測定に先立ち、長行程変位器１０８を操作して、掃引反射器１０５側の光路を、固定反射器１０４側の光路と等遅延（Ｎ＝０）に設定し、光路間の位相不平衡φ（ω）データを準備する。
即ち、この状態において、掃引反射器１０５を掃引しつつ、光検出器１１０の出力を波形記憶装置１１８に記録し、計算機１０において、得た干渉相関波形をフーリエ変換し、その位相、−ωτ０−φ（ω）を装置偏差データとして記録・保存する。この装置偏差データの採取は、原理的には、測定装置組立て後、一回だけ実施すれば事足りる。
また、必ずしも、被測定光パルス列を入射して行なう必要もなく、スペクトル域を同じうする任意の光源を用いて行なえる。何となれば、Ｎ＝０の場合、（７）式において、光源の性質は｜ｖ（ω）｜２に集約され、かつ該所からの位相への寄与は無いからである。
さらに、本方法は感度が高い故、適当な白色光源、例えば、ハロゲンランプ等を光源として、容易にこれを行なえる。
さすれば、光検出器１１０の全感度帯域にわたって、装置偏差データ、−ωτ０−φ（ω）が得られるので、これを計算機１２０に記憶・保存しておけば良い。
【００３８】
爾後のパルス間位相差測定時には、長行程変位器１０８によって、掃引反射器側の光路の遅延をＴだけ余分（Ｎ＝１）に設定する。ここで、掃引反射器１０５を掃引しつつ、光検出器１１０の出力を記録し、得た干渉相関波形をフーリエ変換する。このフーリエ変換の位相から、記憶・保存して置いた装置偏差データを差し引く。
この結果、位相、δΦ−ωτ０が得られる。かくして光路間の位相不平衡φ（ω）は、全次数にわたって除去された。
他方、零偏差τ０は、依然として残っていると考えなければならない。付故なら、装置偏差データ採取時の零偏差が、今の測定の零偏差に一致する保証は何もないからである。
図２（ｃ）に、このような装置偏差データ除去後の位相を、（７）式の大きさと供に示した。
【００３９】
被測定光パルス列のスペクトル｜ｖ（ω）｜２が検知できる範囲では、位相が１本の直線に乗っていることが見て取れる。この直線を零周波数に向かって外挿し、縦軸に対する切片を求める。その位相値が、求めるパルス間位相差δΦを与える。これは、位相の表式、δΦ−ωτ０からの当然の帰結である。
このような切片（と傾き）を求めるための数値解析操作は、直線回帰として良く知られている。今の場合、被測定光スペクトルが存在しない周波数点での無意味な位相データの影響を排除するには、この直線回帰計算を重み関数つきで行なう。重み関数としては、例えば、スペクトル｜ｖ（ω）｜２を用いるのが、余分な計算を要さず、自動化にも都合がよい。
以上ここまでで、本発明の基本構成とその動作を詳らかにしたので、以下では、本発明の各種実施の形態の構成について説明する。
【００４０】
［実施の形態１］
干渉相関信号をフーリエ変換して、所期の結果を得るには、遅延時間τを、高精度の一定刻みで変えつつ、光検出器の出力を採取・記録する必要がある。しかも、所謂、折り返し現象を防ぐためには、この遅延刻みが、被測定光の含む最短波長の光振動周期の１／２未満でなければならないことは、サンプリング定理の教えるところである。
現在の、良く校正された高分解能変位器をもってすれば、図１に示した基本構成でもこれを行なえる。但し、これは、測定装置が外界からの振動の影響を受けず、半透鏡あるいは固定反射器が、全く揺動しないとしてのことである。このためには、通常、それら部品を非常に慣性の大きな床板に固着する必要があり、いきおい、測定器が重厚長大となり、その可搬性が犠牲とならざるを得ない。
より軽便で可搬性に富む測定器を実現するには、振動の影響を含めた遅延時間差を不断に監視し、信号採取タイミングを決める機構を付加すれば良い。これを行なった構成を、図３（ａ）に示す。
【００４１】
図３（ａ）に示す、本発明の実施の形態１のパルス間位相差測定方法において、遅延時間差監視用の単色光源３１１から出射した監視光は、反射器３１２を経て、被測定光パルス列に平行に入射窓３０２に入射する。
爾後、監視光は、被測定光パルス列と同様、半透鏡３０３に達し２光束に分岐され、うち一方は、固定反射器３０４に向かい、折り返されて再び半透鏡３０３に戻り、他方は、掃引反射器３０５にて折り返されて、半透鏡３０３に戻る。
各々半透鏡３０３に戻った監視光の２光束は、該所において再び合波された後、出射窓３０９に達する。出射窓３０９を出た合波光は、反射器３１３を経て、光検出器３１４に入射する。
トリガ発生器３１５は、この光検出器３１４の出力を参照して、信号採取タイミングを決定し、波形記憶装置３１８にトリガ信号を供給してそれを通知する。
より具体的に、トリガ発生器３１５は、光検出器３１４の出力に対する位相ロックループ（ＰＬＬ）を内蔵し、必要に応じて逓倍された繰り返しで、トリガ信号を発生することができる。残余は、図１の基本構成に準ずる。
【００４２】
ここでの単色光源３１１は、被測定光パルス列の繰り返し周期Ｔを超える可干渉時間を有する必要があるが、パルス間位相差δΦを求める目的には、絶対的光周波数（波長）精度は要さない。従って、かかる監視用に通常用いられる気体レーザーの他、半導体ＤＦＢレーザー等を適用することもできる。
但し、装置偏差データの採取時と被測定パルス測定時で、単色光源の波長がくい違うのは、厳密には望ましくないので、後者を用いる場合、測定の直前に装置偏差データの採取を行なうことが推奨される。
元より、レーザー光源を用いる遅延時間監視法は、ここで示したものに留まらない。例えば、２周波Ｈｅ−Ｎｅ安定化レーザー、若しくは、光周波数シフターによりこれと等価に構築した光源によるヘテロダイン測距法は良く知られていて、半透鏡３０３上の監視光入射位置に、偏光分離膜を付加すれば、これも本発明に適用できる。
また、直線偏光のレーザーによる場合でも、固定反射器側または掃引反射器側、何れか一方の監視光光路に、１／４波長板を挿入して円偏光となし、生じた干渉光を偏光を分離して測定すれば、所謂、双方向計数法を行なうこともできる。
かかる場合のトリガ発生器３１５の詳細は、例えば、特許文献（特許第２７４７１７６号明細書「トリガ発生回路」）に開示されている。このように、広知の遅延時間監視（測距）手法を随意組み込んで、本発明を実施できることは言うまでもない。
【００４３】
本実施の形態では、変位器３０６に、梃による行程増倍機構を装備した圧電素子（ＰＺＴ）を用い、この掃引が終了し干渉相関信号を得ると即時に、それを解析してパルス間位相差を表示するプログラムを、計算機３２０上に装備した。
干渉相関信号のデータ点数２５６に対し、解析プログラムは０．１秒程度で実行でき、これは変位器３０６の復帰動作時間内に納まる。従って、データ採取・解析サイクルをループ動作させ、毎秒５回程度の頻度で、間断なくパルス間位相差を刻々更新・表示する測定が実現した。
図３（ｂ）に、この計算機プログラムの流れ図を示す。自動化されたプログラムのロバスト（無謬）性を高めるために、フーリエ位相へのアンラップ演算（ステップ３５４）と、振幅へのＤＣ成分除去操作（ステップ３５７）が加えられている。
前者は、ａｔａｎ２関数により得られる位相が、値域（−π，π）に折り畳まれているのを、滑らかに開く操作である。これを怠ると、時としてスペクトルの途中で位相の折り畳みが起きた時、直線回帰に失敗する。
また、後者は、直線回帰に、ＤＣ成分の位相（常に０に決まっていて何ら情報にならない）が加味されるのを防ぐ目的がある。
残余のステップは、［本発明の基本構成］において既述の解析法の忠実なコーディングであり、重ねての説明は割愛できよう。
【００４４】
［実施の形態２］
前述した如く、本発明では、線形相関における二乗検出器とフーリエ変換の可換性に立って、分光されたスペクトル成分を二乗光検出器列によって並列的に受光することで、極めて短時間にデータ採取を行なう構成が採り得る。これを、図４（ａ）に示す。
図４（ａ）に示す、本発明の実施の形態２のパルス間位相差測定方法において、図中、被測定光パルス列は、入射窓４０２より入射し、半透鏡４０３に達し２光束に分岐される。うち一方は、第１の固定反射器４０４に向かい、折り返されて再び半透鏡４０３に戻る光路を辿る。他方は、第２の固定反射器４０５にて折り返されて、半透鏡４０３に戻る。
ここで、第２の固定反射器４０５は、長行程変位器４０８に積載されている。しかして、長行程変位器４０８によって、第２の固定反射器４０５の位置を、第１の固定反射器４０４側の光路と等遅延となる平衡位置４０７から適当な遅延τ０分だけ後退した位置（第２の位置）、および、該位置からさらに丁度被測定パルス間隔Ｔだけ余分に遅延を与える点まで後退した位置（第１の位置）の間で、切り替えることができる。
【００４５】
各々半透鏡４０３に戻った２光束は、該所において再び合波された後、出射窓４０９に達する。入射窓４０２より出射窓４０９に至る光路は、真空容器４０１中にあり、光は真空中を伝搬する。
出射窓４０９を経た合波光は、スペクトログラフ４１６に入射し分光され、各波長成分が線形光検出器列４１７にて受光される。
線光検出器列４１７からのスペクトル強度出力は、読出し装置４１９を介して、計算機４２０によって表示・解析される。
この実施例において記録される各波長成分毎の強度データは、下記（９）の表式に比例する。
【数９】
ｓ１（λ）＝｜ｖ（λ）｜２｛１＋ｃｏｓ［ＮδΦ−（２πｃ／λ）τ０−φ（λ）］｝・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（９）
ここで、ｖ（λ）とφ（λ）は、それぞれ、前出の被測定光パルスのスペクトル振幅ｖ（ω）と光路間位相不平衡φ（ω）を、波長λの関数に変換したものである。
【００４６】
余弦関数の引数を見ると、（８）式の右辺に等価であることに気付く。即ち、この干渉位相を抽出できれば、前と同様に、位相不平衡（装置偏差）φ（λ）の校正が行なえ、さらにパルス間位相差δΦが算出可能である。
幸いにして、かかるスペクトル干渉信号に、非特許文献３（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ誌７２巻（１９８２年）１５６−１６０頁）において広知の手順を応用することで、その干渉位相を一般的に抽出することができる。
即ち、（９）式の信号を複素数に変換した後、形式的に逆フーリエ変換し、‘みなし時間’上の時系列を作ると、３つの‘信号’が、τ０の間隔をおいて現れる。この信号は、実は、図２（ａ）の干渉相関信号について示した包絡線に一致する。上で、線形干渉相関信号の包絡線は、被測定光パルス列のスペクトルから原理的に計算できると述べたのは、今の事情を意図していたのである。
うち、時間軸上最も左側の信号（先頭信号）だけを抜き出し、形式的なフーリエ変換により波長軸上に戻し、その位相を求めれば干渉位相が得られる。
【００４７】
ここで、３つの信号から１つを抜き出すためには、そもそも、それらの間に重なりがあってはならず、そのために、意図的な遅延τ０を与えて、信号間に間隔を作るのである。
この遅延量としては、線形干渉相関信号の包絡線が検知されなくなる程度が、最低必要である。即ち、今の被測定光パルス列の場合、図２（ｂ）の横軸の範囲、１３０ｆｓを超える遅延を与えておけば良い。勿論、測定前に、予め包絡線の広がりは知り得ないので、かかる下限遅延量に厳密にτ０を合わせ込むのは、実践的指針とはなし難い。
寧ろ、スペクトログラフ４１６の分解能を光周波数で表し、その逆数をとって得られる時間の１／３を目安に、τ０を設定する方が実際的である。これは、分光手段の分解能で決まるτ０の上限への設定に、相当している。
【００４８】
図４（ｂ）に、本実施例の計算機４２０上に装備した解析プログラムのフローチャートを示す。
プログラム中、装置偏差除去に至る迄の操作（ステップ４５１〜ステップ４５４）について、ここまでに詳らかに述べた。続く装置偏差除去（ステップ４５５）に用いる位相不平衡φ（λ）は、以下によって準備される。
パルス間位相差の測定に先立ち、長行程変位器４０８を操作して、第２の固定反射器４０５を、第１の固定反射器４０４側の光路と等遅延となる平衡位置４０７から上記遅延τ０の分だけ後退した位置（Ｎ＝０）に置く。
この状態において採取したスペクトル干渉信号について、複素化からフーリエ変換に至る操作（ステップ４５１〜ステップ４５４）を行ない、得られる位相、−（２πｃ／λ）τ０−φ（λ）を装置偏差データとして記録・保存する。
ここで、この位相に次段のアンラップを施したものを、装置偏差データとして記録・保存してもよいが、必ずしも必要ではなく好みに任される。万一、ここの位相に折り畳みが生じていて、これが装置偏差データとして本番の測定の際に減算されたとしても、そこでのアンラップ（ステップ４５７）により対処されるからである。なお、この事情は、前述した図３の実施の形態１においても同断である。
本実施例においても、装置偏差データの準備に、被測定光パルス列自体の入射は要さず、スペクトル域を同じうする任意の光源、あるいは白色光源を用いてこれを行なえる。
【００４９】
爾後のパルス間位相差測定時には、長行程変位器４０８によって、第２の固定反射器４０５側の光路の遅延をＴだけ余分（Ｎ＝１）に設定する。ここで得たスペクトル干渉信号を、解析プログラムに入力する。記憶・保存して置いた装置偏差データ考差し引いた結果、位相、δΦ−（２πｃ／λ）τ０が得られる。かくして光路間の位相不平衡φ（λ）が、全次数にわたって除去された。
他方、前と同様、依然として残っていると考えられる零偏差τ０から分離して、パルス間位相差δΦを求めるために、直線回帰演算を行なう（ステップ４５８）。
しかして、ここでの位相は、λではなくλ−１について線形である故、波長点を横座標とした直線回帰はできない。そこで、測定波長範囲とデータ点数とから、各波長点に対する（角）周波数座標２πｃ／λを算出し（ステップ４６０）、この横座標を用いて直線回帰演算を行なう。この結果求まる切片（定数項）が、パルス間位相差δΦを与える。
【００５０】
［実施の形態３］
以上で本発明の主要な実施例については、述べ終えた。ところで、図１に示した本発明の基本構成において、真空容器１０１の内部を見るに、長行程変位器１０８を除いては、図６（ａ）の真空容器６０１と変わる所がない。さらに、この長行程変位器は、装置偏差データの準備にのみ、使用されることは、前述した通りであって、測定装置組上げ時に該偏差データを採取し記録・保存してあれば、通常使用時にはこれを要さない。
以上から、本発明方法は、従来例装置に付加する形での実施も可能である。これを図５（ａ）に示す。
図５（ａ）に示す、本発明の実施の形態３のパルス間位相差測定方法において、図中、被測定光パルス列は、入射窓５０２より、真空容器５０１中の光学系に入射する。爾後、該光学系の動作は、上記基本構成に準ずる。
【００５１】
出射窓５０９を経た合波光は、レンズ５２１により非線形結晶５２２中に結焦され、従来例方法に必要な第２高調波光を発生する。レンズ５２３により集光された、第２高調波光と、非線形結晶５２２によって該第２高調波光に変換されずに残った基本波光の内、後者が、分配鏡５２５にて分離され、光検出器５１０に導かれる。
光検出器５１０の出力は、波形記憶装置５１８に記録され、計算機５２０によって表示・解析される。残余の、第２高調波光は、従来例の光検出器５２４に入射する。
一般に、非線形結晶５２２に入射した基本波光の全てが、第２高調波光に変換される訳ではないので、かかる構成が可能である。また、基本波光と第２高調波光の間には、１オクターブもの光周波数の差が存するため、前者を反射し後者を透過するような分配鏡５２５も、容易に入手できる。
本実施の形態における本発明の動作は、既述の基本構成の動作に徴して明らか故，その説明を割愛する。
【００５２】
さて、本発明において開示せられた干渉相関信号のフーリエ空間における解析手法は、これを従来例方法に適用して、該方法の改良に資することもできる。
以下では、これにつき述べ、その効果と限界を明らかにすることにより、かかる適用をして、本発明と異なる独立の創案と主張されることを無からしめよう。図５（ａ）において、波形記憶装置５１８を従来例の光検出器５２４の出力につなぎ替え、従来例の干渉相関信号を記録し、これを計算機５２０によって表示・解析することを考える。
かくして図５（ｂ）に例示したように、離散的な時系列データとして、非線形干渉相関信号が得られる。この非線形干渉相関信号を、図３（ｂ）の流れ図に従って、フーリエ変換して解析しよう。
図５（ｃ）に、この場合の‘装置データ’を用いて、装置偏差除去を行なった後の位相を、フーリエ変換の大きさと伴に示した。
【００５３】
つごう３箇所にスペクトルの山が現れ、それぞれのスペクトルの範囲では、位相が１本の直線に乗っていることが見て取れる。このうち中央のスペクトルに対する直線を零周波数に向かって外挿し、縦軸に対する切片を求める。その位相値が、求めるパルス間位相差δΦを与える。これは、中央のスペクトル部分の位相が、前と同様の表式、δΦ−ωτ０を持つからである。
なお、この中央のスペクトルは、本発明の線形干渉相関信号をフーリエ変換して得るスペクトルと、等しい周波数点に現れる（図５（ｃ）を図２（ｃ）と対照されたい）。
さらに、右端のスペクトル（中央のそれの２倍の周波数点に現れる）に対する位相を、零周波数に外挿すると、２δΦで縦軸を切る。即ち、２δΦを得るが、これは独立のパルス間位相差測定法とはならない。
前述の位相アンラップについての議論に照らして、実験的に得られる位相は全て２πの剰余系に折り畳まれている。かかる状態で求まる２δΦを１／２すると、その値域はπとなり、δΦの本来の値域２πを覆えない。換言すると、二意的な値しか得られないからである。
【００５４】
ここまで見た所から、従来例方法でも、本発明のデータ解析法を援用すれば、光路間位相不平衡の影響を除いて、確度の高い測定が可能となる。
ところが、装置偏差除去過程で、差し引かれるべき‘装置データ’の性質が、本発明の線形干渉相関信号と、従来例の非線形なそれとでは、全然異なるのである。今の場合も、掃引反射器５０５を平衡位置５０７に置いて採取した（非線形）干渉信号について、フーリエ変換を行ない、得られる位相として、装置偏差除去に用いるデータを準備できる。
ところが、この‘装置データ’には光源の性質が複雑な形で含まれ、厳密な意味の装置データではないのである。いきおい、この校正データの採取は、必ず被測定光パルス列を光源として行なう必要がある。
従って、従来例方法に本発明の解析法を適用する場合、校正データの採取を、測定の度に行なう必要があり、装置組立て後、一回だけ実施すれば事足りた本発明の場合と、この点で大きく異なる。
【００５５】
これからすると、皮肉にも、長行程変位器は、従来例装置にこそ必要不可欠な機構なのである。また、必ず、被測定光パルス列を入射して行なうことが必要で、スペクトル域を同じうする別光源、謂わんや、白色光源を代用することは許されない。もっとも、従来例方法では、感度的に、白色光源、例えば、ハロゲンランプ等に対して信号を得ること自体が、そもそもの不可能事であった。
以上で、本発明の解析法は、従来方法と共に用いても十分効果があるが、本発明本来の構成と共に用いる時、更に格別の効果を挙げることが、首肯されたと信ずる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００５６】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）本発明によれば、パルス間位相差測定方法が線形の干渉現象に基づくので、一般の光コムに対して常に十分な感度を有し、パルス間位相差を精度高く読み取る自動化できる解析手段を装備し、かつ光路間の位相不平衡の影響を完全かつ一般的に除去する校正手段を備え確度の高い測定が行うことが可能となる。
（２）本発明によれば、パルス間位相差測定方法には、干渉相関信号を採取する時間領域の構成と、スペクトル干渉を観測する周波数領域の構成が存し、前者は小型化に有利な一方、後者では極く短時間にデータ採取が行なえ、実施上の広い自由度を有する。
（３）本発明によれば、従来例装置に付加する形で極く低コストかつ資源を有効活用して実施することもできるので、工業的に大きな効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパルス間位相差測定方法の基本構成を示す図である。
【図２】本発明によるパルス間位相差導出の原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１のパルス間位相差測定方法を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２のパルス間位相差測定方法を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態３のパルス間位相差測定方法を示す図である。
【図６】従来例のパルス間位相差測定方法を示す図である。
【符号の説明】
１０１，３０１，４０１，５０１，６０１…真空容器、１０２，３０２，４０２，５０２，６０２…入射窓、１０３，３０３，４０３，５０３，６０３…半透鏡、１０４，３０４，４０４，４０５，５０４，６０４…固定反射器、１０５，３０５，５０５，６０５…掃引反射器、１０６，３０６，５０６，６０６…変位器、１０７，３０７，４０７，５０７，６０７…平衡位置、１０８，３０８，４０８…長行程変位器、１０９，３０９，４０９，５０９，６０９…出射窓、１１０，３１０，３１４，５１０，５２４，６２４…光検出器、１１８，３１８，５１８…波形記憶装置、１２０，３２０，４２０，５２０…計算機、３１１…単色光源、３１２，３１３…反射鏡、３１５…トリガ発生器、４１６…スペクトログラフ、４１７…線形光検出器列、４１９…読出し装置、５２１，５２３，６２１，６２３…レンズ、５２２，６２２…非線形結晶、５２５…分配鏡。
【図１】
2004138524.tif 000008
【図２】
2004138524.tif 000009
【図３】
2004138524.tif 000010
【図４】
2004138524.tif 000011
【図５】
2004138524.tif 000012
【図６】
2004138524.tif 000013