(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスの光搬送波絶対位相を変化させて固体ターゲットに斜入射で照射し、前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波と、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの偶数次高調波との干渉強度、または、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの奇数次高調波と偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で繰り返し計測するステップと、
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップと
を備え、
前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップは、
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における１周期分の区間を検出するステップと、
前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップと
を備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測方法。
【請求項２】
光パルスを出力する光パルス出力手段と、
通過する光パルスの光搬送波絶対位相を変化させる光搬送波絶対位相調整手段と、
前記光パルス出力手段から出力され前記光搬送波絶対位相調整手段を通過した光パルスが斜入射で照射される固体ターゲットと、
前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波または前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した奇数次高調波と前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で測定する光検出手段と、
前記光搬送波絶対位相調整手段による前記光搬送波絶対位相の変化量を変えて前記干渉強度を繰り返し測定したときの前記光検出手段の測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出する光搬送波絶対位相算出手段と
を備え、
前記光搬送波絶対位相算出手段は、
前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における１周期の区間を検出する手段と、
前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出する手段と
を備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光パルスの光搬送波絶対位相計測装置において、
前記固体ターゲットと前記光検出手段との間の光路に配置され、前記固体ターゲットに反射した前記光パルスに含まれる所定の基本波または高調波の波長成分を選択的に通過させる波長選択手段をさらに備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
【請求項４】
請求項３に記載の光パルスの光搬送波絶対位相計測装置において、
前記光検出手段の測定結果に基づき、前記基本波または前記奇数次高調波と前記偶数次高調波との干渉光の明視度を最適にするパラメータを算出するパラメータ算出手段と、
算出された前記パラメータに基づき前記固体ターゲットおよび前記波長選択手段の少なくとも１つを制御する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
【請求項５】
請求項２に記載の光パルスの光搬送波絶対移送計測装置において、
前記光パルスの強度を計測する計測手段
をさらに備え、
前記光搬送波絶対位相算出手段は、前記光パルスの光強度の値が所定の範囲内のときの前記光検出手段からの測定結果に基づき、前記光搬送波絶対位相の値を算出する
ことを特徴とする光パルスの光搬送波絶対位相計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の可視・近赤外波長領域の極短パルスレーザ技術により、パルスの半値全幅（パルス幅）が例えば１０ｆｓ以下という、光の振動時間に極めて近い極短光パルスを容易に発生できるようになってきた。このような極短光パルスは、そのパルス幅の中に光の電界振動を２〜３周期しか含んでおらず、「数サイクルパルス」と呼ばれる。
【０００３】
極短光パルス中における電界振動の位相は、光搬送波絶対位相と呼ばれ、光パルスの電界（光搬送波電界）を式（１）で表した場合、位相角ΔφCEで定義される。
Ｅ（ｔ）＝Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ−ΔφCE）      …（１）
ここで、ωは電界振動の角周波数、ｔは時間、Ａ（ｔ）は時間０に尖頭値をとる電界振動の包絡線関数を表す。図５に示すように、光パルスの強度波形の尖頭値に対応する時刻と、電界振動の最初の極大値に対応する時刻との間の時間差が、ΔφCE／ωとなる。
【０００４】
光パルスの尖頭値強度を考えると、パルス幅中に多数の電界振動を含む「マルチサイクルパルス」の場合には、光搬送波絶対位相の変化に対する尖頭値強度の違いは無視できる程に小さいのに対して、数サイクルパルスの場合には、その違いは最大数パーセントにも達し、スイッチング、波長変換等で利用される光非線形性の発現に大きく影響する。また、光非線形現象が起こるタイミングも変化する。数サイクルパルスにおける数ｆｓ（フェムト秒）という時間スケールにおいては、このタイミング変化は決して小さなものではない。このため、極短光パルスを光非線形現象へ利用するときには、光搬送波絶対位相の制御が重要となる。
【０００５】
近年、モード同期レーザから出力されるパルス列における光搬送波絶対位相のパルスごとの揺らぎを自己スペクトル干渉法と呼ばれる手法を利用したフィードバック制御で安定化させ、そのパルスを数１００μＪ／ｐｕｌｓｅまで増幅したレーザシステムが開発され、ある特定の光搬送波絶対位相に固定された高強度（１０13Ｗ／ｃｍ2以上）極短光パルスが得られるようになった（例えば非特許文献１を参照）。
【０００６】
しかし、極短光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法の開発は、発展途上の段階にある。現在までに、極短光パルスの光搬送波絶対位相に依存した物理現象や、それに基づいた光搬送波絶対位相の計測方法の提案がいくつか報告されている（例えば、非特許文献２，３，４，５を参照）。これらの報告は、光搬送波絶対位相の違いにより生ずる極短光パルスにおける光電界の空間非対称性に着目しており、数１０〜１００μＪ／ｐｕｌｓｅの増幅光パルスをガスに集光強度１０14Ｗ／ｃｍ2以上で集光した際に起こる光電界イオン化によって放出される光電子の電子数やエネルギーの空間分布を測定するものである。この測定を行うためには、空間位置分解能を持った検出器を用意するか、複数の検出器を空間的に配置する必要がある。また、測定は真空中で行うため、真空容器が必要である。このため、上記の測定の実現は一般に容易ではない。実際、実証実験が行われているのは、ガスに対して２台の光電子検出器を対象に配置して光電子エネルギーの空間分布測定を行ったＰａｕｌｕｓ等の提案のみである。
【０００７】
【非特許文献１】A. Baltuska, Th. Udem, M. Uiberacker, M. Hentschel, E. Goulielmakis, Ch. Gohle, R. Holzwarth, V. S. Yakovlev, A. Scrinzi, T. W. Hansch, and F. Krausz, Nature 421, 611 (2003)
【非特許文献２】E. Cormier and P. Lambropoulos, Eur. Phys. J. D2, 15 (1998)
【非特許文献３】P. Dietrich, F. Krausz, and P. B. Corkum, Opt. Lett. 25, 16 (2000)
【非特許文献４】G. G. Paulus, F. Grasbon, H. Walther, P. Villoresi, M. Nisoli, S. Stagira, E. Priori, and S. De Silvestri, Nature 414, 182 (2001)
【非特許文献５】G. G. Paulus, F. Lindner, H. Walther, A. Baltuska, E. Goulielmakis, M. Lezius, and F. Krausz, Phys. Rev. Lett. 91, 253004 (2003)
【非特許文献６】M. Mehendale, S. A. Mitchell, J. -P. Likforman, D. M. Villeneuve, and P. B. Corkum, Optics Lett. 25, 1672 (2000)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上のように、極短光パルスにおける従来の光搬送波絶対位相の計測方法は、数１０〜１００μＪ／ｐｕｌｓｅ以上の高強度極短光パルス、複数の光電子検出器、真空容器を必要とし、簡便な計測方法ではない。特に、極短光パルスの光非線形現象への利用を考えた場合には、光搬送波絶対位相の直接計測方法を確立することが重要であり、その方法はいまだ確立されていない。
【０００９】
なお、レーザ光を固体表面に照射することによって３次高調波を、基本波を２次高調波発生用結晶に入射することによって２次高調波を発生させ、両者の干渉信号から相対的な光搬送波絶対位相の変化量を計測する方法が提案されている（例えば、非特許文献６を参照）。しかし、この計測方法では、光搬送波絶対位相の絶対量を計測することはできない。
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも簡便、かつ、１μＪ／ｐｕｌｓｅ以下の光パルスを使用して光搬送波絶対位相の絶対量を計測できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するために、本発明に係る光パルスの光搬送波絶対位相の計測方
法は、光パルスの光搬送波絶対位相を変化させて固体ターゲットに斜入射で照射し、前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波と、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの偶数次高調波との干渉強度、または、前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した前記光パルスの奇数次高調波と偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で繰り返し計測するステップと、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップとを備える。
【００１２】
ここで、前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップは、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における１周期分の区間を検出するステップと、前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出するステップとを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、光パルスを出力する光パルス出力手段と、通過する光パルスの光搬送波絶対位相を変化させる光搬送波絶対位相調整手段と、前記光パルス出力手段から出力され前記光搬送波絶対位相調整手段を通過した光パルスが斜入射で照射される固体ターゲットと、前記固体ターゲット表面で反射した前記光パルスの基本波または前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した奇数次高調波と前記固体ターゲットの表面で前記基本波の反射方向に発生した偶数次高調波との干渉強度を、干渉明視度が最大となる波長で測定する光検出手段と、前記光搬送波絶対位相調整手段による前記光搬送波絶対位相の変化量を変えて前記干渉強度を繰り返し測定したときの前記光検出手段の測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化から前記光搬送波絶対位相の値を算出する光搬送波絶対位相算出手段とを備える。
【００１４】
ここで、前記光搬送波絶対位相算出手段は、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対する前記干渉強度の周期的変化における１周期の区間を検出する手段と、前記区間における前記干渉強度が極大となる前記光搬送波絶対位相の変化量と前記干渉強度が極小となる前記光搬送波絶対位相の変化量とから、前記光パルスの光搬送波絶対位相の変化量に対応する前記光搬送波絶対位相の値を算出する手段とを備えることを特徴とする。
【００１５】
上述した光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、固体ターゲットと光検出手段との間の光路に配置され、固体ターゲットに反射した光パルスに含まれる所定の基本波または高調波の波長成分を選択的に通過させる波長選択手段をさらに備えていてもよい。
また、光検出手段の測定結果に基づき、基本波または奇数次高調波と偶数次高調波との干渉光の明視度を最大にするパラメータを算出するパラメータ算出手段と、算出されたパラメータに基づき固体ターゲットおよび波長選択手段の少なくとも１つを制御する制御手段とをさらに備えていてもよい。
【００１６】
また、光パルスの強度を計測する計測手段をさらに備え、光搬送波絶対位相算出手段は、光パルスの光強度の値が所定の範囲内のときの光検出手段からの測定結果に基づき、光搬送波絶対位相の値を算出するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、光パルスを固体ターゲットに斜入射で照射することにより発生する高調波と基本波との干渉強度、または、異なる次数の高調波同士の干渉強度を、光パルスの光搬送波絶対位相を変化させて繰り返し計測する。上記の干渉強度は光パルスの光搬送波絶対位相に対応して周期的に変化するので、干渉強度の計測結果から光パルスの光搬送波絶対位相の絶対量を算出することができる。
【００１８】
この際、１μＪ／ｐｕｌｓｅ以下の極短光パルスを使用して光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
また、空間分解能を持った光電子検出器または複数の光電子検出器は不要である。さらに、干渉させる光成分の波長が２００ｎｍ程度以上の場合には、特別な真空容器を用いずに空気中で光搬送波絶対位相を計測することができる。したがって、従来よりも簡便に光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
［第１の実施の形態］
以下、図面を参照し、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。この極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、極短パルスレーザ装置１と、光搬送波絶対位相調整機構３と、偏光回転素子４と、集光用光学素子５と、ターゲット・レーザ光相互作用部６と、波長選択装置７と、光検出器８と、コンピュータ１０とから構成される。
【００２０】
ここで、極短パルスレーザ装置１は、極短光パルス２を出力する光パルス出力手段である。この極短パルスレーザ装置１は、極短光パルスの尖頭値強度および光搬送波絶対位相が一定に固定された直線偏光の極短光パルス２を出力できるものであるとする。例えばチタン・サファイアレーザを用いた場合には、極短光パルス２のスペクトル幅は数１００ｎｍとなる。極短光パルス２のエネルギーは、１μＪ／ｐｕｌｓｅ以下であってもよい。
【００２１】
光搬送波絶対位相調整機構３は、極短パルスレーザ装置１の出力側に配置され、通過する極短光パルス２の光搬送波絶対位相を変化させるものである。この光搬送波絶対位相調整機構３は、群速度と位相速度の違いを可変できる機能を有する装置、例えば、屈折率の異なる媒質の光路への挿入量を可変とした一組のガラスウェッジで構成される。光搬送波絶対位相の変化量は、コンピュータ１０により制御される。
【００２２】
偏光回転素子４は、光搬送波絶対位相調整機構３を通過した極短光パルス２の偏光方向を調整するものであり、偏光方向はコンピュータ１０により制御される。
集光用光学素子５は、偏光回転素子４を通過した極短光パルス２を、ターゲット・レーザ光相互作用部６に所定の光電界強度で供給するものである。集光用光学素子５の軸に対する傾斜角（煽り）により、極短光パルス２の光電界強度を調整することができる。集光用光学素子５の煽りは、コンピュータ１０により制御される。
【００２３】
ターゲット・レーザ光相互作用部６は、光路に対し急峻な密度境界を形成する高密度のターゲットを有する。ターゲットの反射面（急峻な高密度境界面）に直線偏光の極短光パルス２を照射すると、極短光パルス２の高調波が発生する。より詳しく言うと、反射面に極短光パルス２が直入射（反射面の法線方向からの入射）すると、ターゲットの空間反転対称性によって奇数次の高調波のみが発生し、偶数次の高調波は発生しない。これに対し、反射面に極短光パルス２が斜入射（反射面の法線方向に対し傾斜する方向からの入射）すると、空間反転対称性が破れ、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。本実施の形態では、この性質を利用し、極短光パルス２をターゲットに斜入射で照射することにより、反射方向に偶奇数次両方の高調波を発生させる。
ターゲットとしては、例えば、ガラス、アルミ蒸着ミラー、金蒸着ミラー、シリコン（００１）等の固体ターゲットを用いることができる。また、非線形感受率の大きい材料を使用することにより、高調波発生効率を向上させることや、計測に必要となる極短パルスレーザ装置１からの供給エネルギーの最低閾値をさらに低く抑制することが可能である。以下、ターゲットとして、上述した固体ターゲットを用いるものとして説明する。
ターゲット・レーザ光相互作用部６はさらに、固体ターゲットの反射面を回転させて極短光パルス２の入射角度を調整するターゲット駆動装置を有する。極短光パルス２の入射角度は、コンピュータ１０により制御される。
【００２４】
波長選択装置７は、ターゲット・レーザ光相互作用部６の固体ターゲットに反射された極短光パルスに含まれる所定の偶数次高調波と奇数次高調波の波長成分を選択的に通過させるものである。選択波長はコンピュータ１０により制御される。波長選択装置７は、例えばコンピュータ制御可能な分光器で構成される。
光検出器８は、波長選択装置７を通過してきた偶数次高調波と奇数次高調波との干渉強度を測定するものであり、例えば光電子増倍管または半導体光検出器で構成される。
【００２５】
コンピュータ１０は、次の２つの機能を有する。第１は、光検出器８の測定結果に基づき、干渉光の明視度（干渉光の明暗のコントラストを意味する。以下「干渉明視度」という。）が大きくなる高調波の波長および強度を算出し、偏光回転素子４、集光用光学素子５、ターゲット・レーザ光相互作用部６および波長選択装置７を制御する機能である。第２は、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を変えて干渉強度を繰り返し測定したときの光検出器８の測定結果に基づき、極短光パルス２の光搬送波絶対位相の変化量に対応する光搬送波絶対位相の値を算出する機能である。
【００２６】
コンピュータ１０の機能についてさらに詳しく説明する。図２は、コンピュータ１０の機能ブロック図である。コンピュータ１０は、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１と、干渉明視度測定部１２と、最適値算出部１３と、光学素子制御部１４と、干渉強度記憶部１５と、光搬送波絶対位相算出部１６とから構成される。
【００２７】
光搬送波絶対位相調整機構制御部１１は、光搬送波絶対位相調整機構３に対して制御信号を出力し、光搬送波絶対位相の変化量を制御する。同じ制御信号を干渉強度記憶部１５にも出力し、干渉強度記憶部１５に光搬送波絶対位相調整機構３による現在の光搬送波絶対位相の変化量を通知する。
干渉明視度測定部１２は、光検出器８の測定結果に基づき干渉明視度を測定する。具体的には、光搬送波絶対位相調整機構３によって与えられる位相の変化量を変えて繰り返し測定した干渉強度を複数取得し、これらの測定結果から干渉強度の最大値と最小値を推定し、最大値と最小値との差を干渉明視度とする。
【００２８】
最適値算出部１３は、干渉明視度測定部１２の測定結果に基づき、干渉明視度を最大にするパラメータの値を算出し、この値を光学素子制御部１４に出力する。干渉明視度は、干渉をとる高調波の波長の組合わせと、高調波の強度によって決まる。さらに、高調波の強度は、高調波の発生効率によって決まり、高調波の発生効率は、極短光パルス２の偏光方向、極短光パルス２の光電界強度、固体ターゲットの非線形感受率、固体ターゲットへの入射角度等に依存する。このため、極短光パルス２の偏光方向、極短光パルス２の光電界強度、固体ターゲットの非線形感受率、固体ターゲットへの入射角度、干渉をとる高調波の波長等を、干渉明視度のパラメータとして用いることができる。
【００２９】
光学素子制御部１４は、最適値算出部１３から入力されたパラメータの値にしたがって、偏光回転素子４、集光用光学素子５、ターゲット・レーザ光相互作用部６、波長選択装置７を制御する。これにより、干渉明視度を最大にすることができる。干渉明視度を大きくすることにより、干渉強度の分解能を向上させることができる。
【００３０】
干渉強度記憶部１５は、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量に対応づけて、そのときに光検出器８で測定された干渉強度を記憶する。干渉強度の測定は光搬送波絶対位相の変化量を変えて繰り返し行われ、干渉強度記憶部１５には光搬送波絶対位相の変化量と高調波干渉強度とが複数対記憶される。
光搬送波絶対位相算出部１６は、干渉強度記憶部１５に記憶されているデータから、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量に対して周期的に変化する高調波干渉強度の１周期分の区間を検出し、この区間の長さを２πとおき、この区間における「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」とその変化が与えられた光パルスの「光搬送波絶対位相の値」との対応関係を求める。
【００３１】
次に、図３を参照し、図１および図２に示した計測装置を用いた極短光パルスの光搬送波絶対位相計測方法について説明する。図３は、極短光パルスの光搬送波絶対位相を計測する方法の流れを示すフローチャートである。なお、干渉明視度を最大にする各パラメータの最適化は、すでに完了しているものとする。
まず、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１を用いて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を設定する（ステップＳｌ）。
【００３２】
極短パルスレーザ装置１から、スペクトル幅が数１００ｎｍの極短光パルス２を出力する。極短光パルス２は光搬送波絶対位相調整機構３を通過するときに、ステップＳ１で設定された量だけ光搬送波絶対位相が変化する。そして、偏光回転素子４、集光用光学素子５を経由して、ターゲット・レーザ光相互作用部６において固体ターゲットの反射面に斜入射で照射される（ステップＳ２）。これにより、極短光パルス２の反射方向に、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。このとき、全次数の高調波の直線偏光は揃っている。
【００３３】
このようにして発生した高調波のうち、干渉明度が最大となる偶数次高調波と奇数次高調波を波長選択装置７で分光し、これらの高調波の干渉強度を光検出器８で測定する（ステップＳ３）。この高調波干渉強度の測定は、１パルスの極短光パルス２、すなわちシングルショットで行うことができる。なお、極短光パルス２のスペクトル幅は数１００ｎｍと広いので、低次数で互いに異なる次数の高調波の間でも干渉を起こす。
そして、測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部１５に記憶する（ステップＳ４）。
【００３４】
次に、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１を用いて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を所定量変化させる（ステップＳ５、ＮＯ→ステップＳ１）。そして、再び極短光パルス２を光搬送波絶対位相調整機構３を経由してターゲット・レーザ光相互作用部６の固体ターゲットに照射し、これにより発生した異なる次数間の高調波干渉強度を測定し、その値を記憶する（ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ４）。
【００３５】
このようなシングルショットの測定を、光搬送波絶対位相の変化量を変えながらｎ回（ｎは２以上の整数）繰り返したら（ステップＳ５、ＹＥＳ）、干渉強度記憶部１５に記憶されているデータを光搬送波絶対位相算出部１６に出力する。
極短光パルス２の光搬送波絶対位相とこの極短光パルス２に与えられる位相の変化量との相関により、干渉強度は図４に示すように、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量に対して周期的に変化する。
【００３６】
そこで、光搬送波絶対位相算出部１６では、干渉強度記憶部１５から入力されるデータを基に、干渉強度の周期的変化における１周期の区間を検出する（ステップＳ６）。ここで、干渉強度の１周期の長さは光パルスの電界の式（１）から明らかなように２πであるから、検出された区間で干渉強度が極大となる位相を「２ｍπ」（ｍは「０」または自然数）、続いて現れる干渉強度が極小となる位相を「（２ｍ＋１）π」とおく。また、干渉強度の１周期は光搬送波絶対位相の１周期に対応するから、検出された区間における「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」の値に応じた位相を、その変化が与えられた「極短光パルス２の光搬送波絶対位相の値」とみなす。このようにして「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」に対応する「極短光パルス２の光搬送波絶対位相の値」を算出する（ステップＳ７）。
【００３７】
このようにして算出された「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」と「光搬送波絶対位相の値」との対応関係に基づいて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を制御することにより、所望の光搬送波絶対位相を容易に得ることができる。
【００３８】
図４は、極短パルスレーザ光を固体ターゲットに斜入射した場合に発生する２次高調波と３次高調波との干渉強度を計算した結果を示す図である。光パルスの電界強度をＩ（ｔ）＝（Ａ（ｔ）ｃｏｓ（ωｔ−Δφ））2と仮定し、強度波形Ａ（ｔ）を半値全幅５ｆｓ双曲正割関数、角周波数をω＝２．５×１０15ｒａｄ／ｓ（中心波長を７５０ｎｍに対応）、そして光搬送波絶対位相をΔφと仮定した。計算は、Δφが０から４πまでの範囲について行った。この図は、偶奇数次両方の高調波の干渉強度を表しているので、光搬送波絶対位相の値として２π周期で強度変化している。したがって、光搬送波絶対位相調整機構３による位相変化量の関数として偶数次高調波と奇数次高調波との干渉強度を測定し、図４のような周期変化を見出すことにより、その変化量に対応する光搬送波絶対位相を決定することが可能である。
【００３９】
以上のように、本実施の形態によれば、極短光パルス２を固体ターゲットに斜入射で照射し、これにより発生する高調波の干渉信号を利用して、光搬送波絶対位相の絶対量を計測することができる。
この際、１μＪ／ｐｕｌｓｅ以下の極短光パルスを使用して光搬送波絶対位相を計測することも可能である。
また、従来の計測方法とは異なり、空間分解能を持った光電子検出器または複数の光電子検出器は不要である。さらに、可視・近赤外波長領域の極短光パルス２を用いる場合には、２次高調波および３次高調波の波長が２００ｎｍ程度以上となるから、これらの高調波の干渉信号を利用することにより、特別な真空容器を用いずに空気中で光搬送波絶対位相を計測することができる。したがって、従来よりも簡便に光搬送波絶対位相を計測することが可能である。
【００４０】
以上では、固体ターゲットに反射された極短光パルス２に含まれる偶数次高調波と奇数次高調波との干渉信号を利用する場合について説明したが、同様に、反射された極短光パルス２の基本波と偶数次高調波（反射方向に発生した偶奇数次両方の高調波のうちの偶数次高調波）との干渉信号を利用して、光搬送波絶対位相を計測することもできる。
なお、固体表面を使用した高調波発生の方式は、結晶を使用した高調波発生の方式と異なり、位相整合がどの波長に対しても取られる。つまり、Ｎ次高調波（Ｎは２以上の整数）は、基本波のスペクトル帯域を高調波の次数Ｎで割ったスペクトル帯域で発生する。このため、異なる次数の高調波同士の干渉強度を測定する本実施の形態には、固体表面から発生する高調波を利用することが適している。
【００４１】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６は、本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。なお、本実施形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置は、極短パルスレーザ装置１と、光搬送波絶対位相調整機構３と、偏光回転素子４と、集光用光学素子５と、ターゲット・レーザ光相互作用部６と、波長選択装置７と、光検出器８と、コンピュータ１０と、ビームスプリッタ２０と、光検出器２１とから構成される。
【００４３】
ここで、ビームスプリッタ２０は、極短パルスレーザ装置１と光搬送波絶対位相調整機構３との間に配設され、極短パルスレーザ装置１から出力される極短光パルス２を分割するものである。このビームスプリッタ２０により分割された極短光パルス２の一方は、光搬送波絶対位相調整機構３に、他方は光検出器２１に入力される。
【００４４】
光検出器２１は、ビームスプリッタ２０により分割された極短光パルス２の強度を測定する。このような光検出器２１は、例えば、光電子増倍管や半導体光検出器から構成される。
【００４５】
コンピュータ１０は、次の３つの機能を有する。第１は、光検出器８の測定結果に基づき、干渉明視度が大きくなる高調波の波長および強度を算出し、偏光回転素子４、集光用光学素子５、ターゲット・レーザ光相互作用部６および波長選択装置７を制御する機能である。第２は、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を変えて干渉強度を繰り返し測定したときの光検出器８の測定結果に基づき、極短光パルス２の光搬送波絶対位相の変化量に対応する光搬送波絶対位相の値を算出する機能である。第３は、光検出器２１の測定結果に基づいて、極短光パルス強度が所定の範囲内のときに光検出器８で測定する値を記憶する機能である。
【００４６】
コンピュータ１０は、図７に示すように、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１と、干渉明視度測定部１２と、最適値算出部１３と、光学素子制御部１４と、干渉強度記憶部１５と、光搬送波絶対位相算出部１６と、光パルス強度測定部１７とから構成される。
【００４７】
ここで、干渉強度記憶部１５は、光パルス強度測定部１７による判定結果に基づき、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量に対応づけて、そのときに光検出器８で測定された干渉強度を記憶する。干渉強度の測定は光搬送波絶対位相の変化量を変えて繰り返し行われ、干渉強度記憶部１５には光搬送波絶対位相の変化量と高調波干渉強度とが複数対記憶される。
【００４８】
光パルス強度測定部１７は、光検出器２１の測定結果に基づいて、極短光パルス２の光強度を測定し、この光強度が所定の範囲内にあるか否か判定する。この判定結果は干渉強度記憶部１５に入力される。上記所定の範囲は、予め適宜自由に設定される。
【００４９】
次に、図８を参照し、図６および図７に示した計測装置を用いた極短光パルスの光搬送波絶対位相計測方法について説明する。なお、干渉明視度を最大にする各パラメータの最適化、および、光パルス強度測定部１７で判定される光強度の所定の範囲の設定は、すでに完了しているものとする。また、図８において、図３を参照して説明した第１の実施の形態と同等の動作については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。
【００５０】
まず、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１を用いて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を設定する（ステップＳｌ）。
【００５１】
次に、極短パルスレーザ装置１から、スペクトル幅が数１００ｎｍの極短光パルス２を出力する。極短光パルス２は光搬送波絶対位相調整機構３を通過するときに、ステップＳ１で設定された量だけ光搬送波絶対位相が変化する。そして、偏光回転素子４、集光用光学素子５を経由して、ターゲット・レーザ光相互作用部６において固体ターゲットの反射面に斜入射で照射される（ステップＳ２）。これにより、極短光パルス２の反射方向に、偶奇数次両方の高調波が同時に発生する。
【００５２】
このようにして発生した高調波のうち、干渉明度が最大となる偶数次高調波と奇数次高調波を波長選択装置７で分光し、これらの高調波の干渉強度を光検出器８で測定する（ステップＳ３）。
【００５３】
このとき、光パルス強度測定部１７において、極短光パルス２の強度を測定し、この強度が所定の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。極短パルスレーザ装置１から出力される極短光パルス２は、装置や光パルスの特性等により、強度が揺らぐ場合がある。強度が異なる極短光パルス２に基づいて算出される光搬送波絶対位相の値は、正確性が低下する恐れがある。そこで、本実施の形態では、極短光パルス２の光強度を測定し、この値が所定の範囲内にある場合にのみ、光検出器８で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部１５に記憶する。これにより、同一の光強度を有する極短光パルス２のみに基づいて測定された高調波干渉強度から光搬送波絶対位相が算出されるので、算出される光搬送波絶対位相の値をより正確なものとすることができる。
【００５４】
極短光パルス２が所定の範囲内にない場合（ステップＳ１０：ＮＯ）、ステップＳ２の処理に戻る。一方、極短光パルス２の強度が所定の範囲内にある場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、光検出器８で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量とともに、干渉強度記憶部１５に記憶する（ステップＳ４）。
【００５５】
このようなシングルショットの測定をｎ回繰り返していない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻り、光搬送波絶対位相調整機構制御部１１を用いて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を所定量変化させる。そして、再び極短光パルス２を光搬送波絶対位相調整機構３を経由してターゲット・レーザ光相互作用部６の固体ターゲットに照射し、これにより発生した異なる次数間の高調波干渉強度を測定し、光パルスの強度が所定の範囲内の場合にその値を記憶する（ステップＳ２，Ｓ３，Ｓ１０，Ｓ４）。
【００５６】
このようなシングルショットの測定を、光搬送波絶対位相の変化量を変えながらｎ回（ｎは２以上の整数）繰り返したら（ステップＳ５：ＹＥＳ）、干渉強度記憶部１５に記憶されているデータを光搬送波絶対位相算出部１６に出力する。
【００５７】
光搬送波絶対位相算出部１６では、干渉強度記憶部１５から入力されるデータを基に、干渉強度の周期的変化における１周期の区間を検出する（ステップＳ６）。また、「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」に対応する「極短光パルス２の光搬送波絶対位相の値」を算出する（ステップＳ７）。
【００５８】
このようにして算出された「光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量」と「光搬送波絶対位相の値」との対応関係に基づいて、光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量を制御することにより、所望の光搬送波絶対位相を容易に得ることができる。
【００５９】
このように本実施の形態では、ビームスプリッタ２０により分割した極短光パルス２を光検出器２１で検出し、光パルス強度測定部１７により極短光パルス２の光強度を測定し、この光強度が所定の範囲内にある場合にのみ、光検出器８で測定された高調波干渉強度を光搬送波絶対位相調整機構３による光搬送波絶対位相の変化量とともに干渉強度記憶部１５に記憶する。これにより、光搬送波絶対位相算出部１６は、同一の光強度を有する極短光パルス２に基づいて測定された高調波干渉強度から光搬送波絶対位相の値を算出する。このため、算出される光搬送波絶対位相の値を、より正確なものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るコンピュータの機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相測定装置を用いた光搬送波絶対位相を計測する方法の流れを示すフローチャートである。
【図４】異なる次数の高調波間の干渉強度の光搬送波絶対位相依存性について計算した結果を示す図である。
【図５】本発明の計測対象である、極短光パルスにおける光搬送波絶対位相についての説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相計測装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るコンピュータの機能ブロック図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係る極短光パルスの光搬送波絶対位相測定装置を用いた光搬送波絶対位相を計測する方法の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６１】
１…極短パルスレーザ装置、２…極短光パルス、３…光搬送波絶対位相調整機構、４…偏光回転素子、５…集光用光学素子、６…ターゲット・レーザ光相互作用部、７…波長選択装置、８…光検出器、１０…コンピュータ、１１…光搬送波絶対位相調整機構制御部、１２…干渉明視度測定部、１３…最適値算出部、１４…光学素子制御部、１５…干渉強度記憶部、１６…光搬送波絶対位相算出部、１７…光パルス強度測定部、２０…ビームスプリッタ、２１…光検出器。
【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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【図７】
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【図８】
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