(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを測定し、市販のレーザーエネルギーメーターを較正するために設計されたファイバーカップル積分球式レーザーエネルギーメーター兼較正システム（ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ）の装置であって、
ファイバーカップル積分球（ＦＣＩＳ）と称する積分球であって、ポート＿１、ポート＿２、及びポート＿３と称する３つのポートを同じ赤道線上に有し、該ポート＿１は、ガウス・ビームプロファイルを有する入射レーザーパルスのポートとして使用され、該ポート＿２は平均光パワーの測定に使用され、該ポート＿３は前記入射レーザーパルスの時間／周波数関係のパラメータの測定に使用され、ピンホールを有する内部鋼製半球が当該積分球の内部に配置された積分球と、
連続波（ＣＷ）ガウス・レーザービームを横電磁モード（ＴＥＭ00）で放射する一群の連続波（ＣＷ）レーザー源と、
レアアースでドープされた磁石を有する直流（ＤＣ）モーターの回転軸上に装着された一群の円形チョッパであって、基準平均パルスエネルギーを発生するチョップ型レーザー源を構成するための一群の円形チョッパと、
機械的アテネータと、
ＨＭＳコネクタを有する第１マルチモード光ファイバー・パッチコードであって、該ＨＭＳコネクタの一方の端にＺｒ（ジルコニウム）フェルールを有し、該ＨＭＳコネクタの他方の端にＦＣ／ＰＣ型コネクタを有し、前記ＨＭＳコネクタの前記Ｚｒフェルールが前記内部鋼製半球の前記ピンホールの背後に配置される第１マルチモード光ファイバー・パッチコードと、
２つのＦＣ／ＰＣ型コネクタを両端に有する第２マルチモード光ファイバー・パッチコードと、
前記ポート＿２上に装着された第１フォトダイオードであって、前記ＦＣＩＳの前記ポート＿１から入射して前記ＦＣＩＳの内壁から拡散反射した前記入射レーザーパルスの平均光パワーに比例する平均光電流を測定するために使用される第１フォトダイオードと、
前記第２マルチモード光ファイバー・パッチコード及び前記機械的アテネータを通して前記ポート＿３上の前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコードに接続された第２フォトダイオードであって、前記ポート＿１から入射する前記入射レーザーパルスを直接見ることにより、拡散性の内部コーティングを有する前記ＦＣＩＳの時定数の影響なしに、前記入射レーザーパルスの時間／周波数関係のパラメータを測定するために使用されると同時に、前記第１フォトダイオードとの協働により平均光パワーの測定を手作業の介入なしに可能にする第２フォトダイオードと、
ステンレス鋼製の前記内部鋼製半球と、
極低温放射計と称する絶対的な光ワット(W)標準器に対して追跡可能なように較正された光パワー伝達標準器と、
前記第１フォトダイオード内に誘導される平均光電流を、入射ポートを通って前記積分球内に入射する前記ガウス・レーザービームの平均光パワーを用いて測定するために使用される電位計と、
アライメント複合体と、
電流−電圧変換器と、
プライマリーレベルの原子周波数標準器に合わせて追跡可能なように較正された時間間隔カウンタと、
オシロスコープと
を具え、
前記機械的アテネータは、前記第２フォトダイオードを高レベルの光パワーに対して保護するために使用され、
前記内部鋼製半球の前記ピンホールは、前記ポート＿１から入射する前記ガウス・ビームプロファイルを有する入射レーザーパルスの一部分を前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコードの前記ＨＭＳコネクタの前記Ｚｒフェルール内に発射するために使用され、
前記内部鋼製半球は、レーザー入射ポートに対して２５°の角度だけ傾斜して前記ＦＣＩＳの内壁に配置され、
前記内部鋼製半球は、前記ポート＿１から入射する前記入射レーザーパルスのレーザー反射を最初に前記ＦＣＩＳの拡散性の内壁に向けて指向させるために使用され、
前記内部鋼製半球は、前記ポート＿１から入射する前記入射レーザーパルスを捕捉するために使用され、これにより前記ポート＿１と前記入射レーザーパルスの光路との光学的アライメントの反復可能性を提供し、
前記内部鋼製半球は、前記入射レーザーパルスを最初に前記ＦＣＩＳの拡散性コーティングを有する前記内壁に向けて反射させることによって、前記第１フォトダイオードを前記入射レーザーパルスの高強度の光束から保護するために使用され、
前記内部鋼製半球は、前記ピンホール上に当たる前記入射レーザーパルスの高強度の光束から前記第２フォトダイオードを保護するために使用され、前記ピンホールは、前記ポート＿１から入射する前記入射レーザーパルスの全体が前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコード内に発射されることを防止し、前記ピンホールの背後に、前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコードの前記ＨＭＳコネクタの前記Ｚｒフェルールが配置され、前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコードの他方のコネクタは、前記機械的アテネータ及び前記第２マルチモード光ファイバー・パッチコードを通して前記第２フォトダイオードに接続され、
前記第２フォトダイオードから前記ＦＣＩＳの前記ポート＿１が直接見え、
前記第２フォトダイオードは、拡散性コーティングの内面を有する前記ＦＣＩＳの時定数の影響なしに、時間／周波数関係のパラメータを測定する、装置。
【請求項２】
前記積分球、前記ピンホールを有する前記内部鋼製半球、前記第１フォトダイオード、前記第２フォトダイオード、Ｚｒ（ジルコニウム）フェルール付きのＨＭＳコネクタを有する前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコード、前記第２マルチモード光ファイバー・パッチコード、前記電位計、前記アライメント複合体、前記電流−電圧変換器、前記時間間隔カウンタ、及び前記オシロスコープが、ファイバーカップル積分球（ＦＣＩＳ）を構成する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記横電磁モード（ＴＥＭ00）で放射する前記一群の連続波（ＣＷ）レーザー源、及び前記レアアースでドープされた磁石を有する前記直流（ＤＣ）モーターの回転軸上に装着されて前記基準平均パルスエネルギーを発生するチョップ型レーザー源を構成するための前記一群の円形チョッパが、ＦＣＩＳと称する請求項２に記載の装置と共に、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを構成する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記積分球がＡｌ（アルミニウム）製であり、前記積分球の赤道線上に配置された３つのポートを有し、第１の前記ポートはポート＿１と称され、前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの入射用、前記ＣＷレーザー源と前記ＤＣモーターの前記回転軸上に装着された前記一群のチョッパとの組合せで構成される前記チョップ型レーザー源のチョップされたガウス・レーザービームの入射用、及び前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームの入射用に用いられ、前記パルス状のガウス・レーザービームの平均パルスエネルギーが請求項３に記載の前記ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの前記ＦＣＩＳによって測定され、第２の前記ポートはポート＿２と称され、前記第１フォトダイオードを装着するために用いられ、第３の前記ポートはポート＿３と称され、前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコード、前記機械的アテネータ、及び前記第２マルチモード光ファイバー・パッチコードから成る組合せによって前記第２フォトダイオードを取り付けられた前記内部鋼製半球を配置するために用いられ、前記積分球が請求項３に記載の前記ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのファイバーカップル積分球（ＦＣＩＳ）と称される、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記第１フォトダイオードが、請求項２に記載の積分球の前記ポート＿２に装着され、請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源、及び前記パルス型レーザー源の平均光パワーに比例する平均光電流を発生し、前記平均光電流は、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源及び前記パルス型レーザー源の追跡可能な平均パルスエネルギーを計算するために必要である、請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記内部鋼製半球がステンレス鋼で製造され、前記内部鋼製半球を用いて、請求項４に記載の前記積分球に入射する、請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの一部分、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源のチョップされたガウス・レーザービーム、及び前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームを捕捉して、請求項４に記載の前記積分球に入射する、請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの一部分、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源のチョップされたガウス・レーザービーム、及び前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームを、前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールの背後に配置された請求項２に記載の前記第１マルチモード光ファイバー・パッチコードの前記Ｚｒフェルールのコア内へ発射し、前記中心は、前記ポート＿１から前記ピンホールまで延びる、請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷレーザービーム用、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービーム用、及び前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービーム用の光軸を構成し、前記内部鋼製半球を用いて、最終的に、前記ポート＿１を通って請求項４に記載の前記積分球に入射する請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービーム、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービーム、及び前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームを、請求項２に記載の前記第１フォトダイオードに対向する前記積分球の内壁に向けて反射させる、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記チョップ型レーザー源及び前記パルス型レーザー源の時間及び周波数関係の測定を実行する前に、前記オシロスコープのスクリーン上の最大信号を追跡することによって、前記パルス型レーザー源の光軸、または請求項３に記載の前記ＤＣモーターと共に前記チョップ型レーザー源を構成するために用いられる前記ＣＷレーザー源の光軸が、前記ポート＿１から請求項４に記載の前記積分球の前記ポート＿３上に装着された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心に配置された前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致した際に、前記第２フォトダイオードを用いて、前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービーム、及び請求項３に記載の前記ＤＣモーターと共に前記チョップ型レーザー源を構成する前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームを検出する、請求項２に記載の装置。
【請求項８】
前記ポート＿１から請求項２に記載の前記積分球の前記ポート＿３上に装着された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心に配置された前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と、前記パルス型レーザー源の光軸、及び請求項１に記載の前記ＤＣモーターと共に請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源を構成するために用いられる前記ＣＷレーザー源の光軸との一致の完了後に、請求項７に記載の前記第２フォトダイオードを用いて、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源及び前記パルス型レーザー源の時間／周波数関係のパラメータを測定する、請求項２に記載の装置。
【請求項９】
前記一群の円形チョッパにおける個別のチョッパの各々は、請求項３に記載の前記レアアースでドープした磁石を有する請求項３に記載の前記ＤＣモーターの前記回転軸上に装着することができ、個別のデューティサイクルを有し、前記個別のチョッパの各々を用いて前記チョップ型レーザー源が構成され、前記チョップ型レーザー源は、請求項３に記載の前記ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いた市販のレーザーエネルギーメーターの平均パルスエネルギーの追跡可能な較正を実行するための基準平均パルスエネルギーを、請求項３に記載の前記ＤＣモーターによって与えられる任意の繰り返し周波数で発生する、請求項３に記載の装置。
【請求項１０】
前記アライメント複合体が、三次元の３つの平行移動ステージ、回転ステージ、及び傾斜ステージで構成され、これらのステージの全部が請求項２に記載のＦＣＩＳと称される前記積分球を移動させることができ、前記アライメント複合体を用いて、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳにある請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心に配置された前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸を、前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームの光軸、及び請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源を構成するために用いられる前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの光軸と位置合わせして一致させる、請求項２に記載の装置。
【請求項１１】
電圧の最大値を追跡するために、前記電流−電圧変換器を用いて請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが発生する光電流を前記電圧に変換し、前記最大値は、前記ＣＷガウス・レーザービームの頂点または前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームの頂点が、請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホール上に直接当たることに対応し、かつ、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳ内の請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心に配置された前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸が、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの光軸、及び請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源を構成するために用いる前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの光軸と完全に一致したことに対応する、請求項２に記載の装置。
【請求項１２】
前記パルス型レーザー源の光軸または請求項３に記載の前記ＣＷレーザー源の光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と位置合わせして一致させるプロセスの完了後に、請求項９に記載の前記電流−電圧変換器を用いて、前記ポート＿１を通って請求項２に記載のＦＣＩＳと称される前記積分球に入射する前記チョップ型レーザー源及び前記パルス型レーザー源に属する時間／周波数関係の測定を実行し、前記電流−電圧変換器をさらに用いて、請求項１１に記載の前記電圧を請求項２に記載の前記オシロスコープへ伝達する、請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記オシロスコープを用いて、前記ポート＿１を通って請求項２に記載のＦＣＩＳと称される前記積分球に入射する請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源及び前記パルス型レーザー源に属する時間／周波数関係の電圧信号であって請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器から来る時間／周波数関係の電圧信号をリアルタイムで視覚的に追跡し、前記オシロスコープをさらに用いて、請求項１１に記載の前記電圧の最大値を表示し、前記電圧の最大値は、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳにある請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心に配置された前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸が、前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームの光軸、及び請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源を構成するために用いられる前記ＣＷレーザー源の前記ＣＷガウス・レーザービームの光軸と完全に一致したことに対応する、請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記時間間隔カウンタの入力が請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の出力に接続され、前記時間間隔カウンタを用いて、前記パルス型レーザー源及び請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源の追跡可能な時間／周波数関係の平均値の測定のみを実行し、前記測定は、前記パルス型レーザー源及び請求項９に記載の前記チョップ型レーザー源の追跡可能な平均パルスエネルギーを計算するために必要である、請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
請求項４に記載の前記ポート＿２に装着された請求項５に記載の前記第１フォトダイオードのスペクトル応答度を測定する第１の方法であって、
請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源の各々を連続波レジメで個別に動作させて、連続波（ＣＷ）ガウス・レーザービームをＴＥＭ00で放射するステップと、
前記ＣＷレーザー源の各々の個別の前記ＣＷガウス・レーザービームの光軸を、請求項４に記載の前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にあるピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致させるステップと、
前記光軸と位置合わせして一致させるプロセスを継続する間に、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の電圧出力を、前記オシロスコープのスクリーン上でリアルタイムで追跡して、請求項２に記載の前記アライメント複合体を用いて最大にするステップであって、前記電流−電圧変換器は、請求項７に記載の前記第２フォトダイオードの光電流を前記電圧出力に変換するステップと、
請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の前記電圧出力の最大化を完了した後に、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの平均光電流の測定を実行するステップであって、前記第１フォトダイオードは、請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源のいずれかの前記個別のＣＷガウス・レーザービームの平均光パワーに比例する平均光電流(A)を生成するステップと、
請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源の各々の前記個別のガウス・レーザービームを前記光パワー伝達標準器に供給して、請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源の各々の前記個別のＣＷガウス・レーザービームの正確な光パワーレベルをW単位で得るステップであって、前記個別のＣＷガウス・レーザービームは請求項５に記載の前記第１フォトダイオードに単一波長の平均光電流を発生させ、前記光パワー伝達標準器は極低温放射計に合わせて追跡可能であるステップと、
前記光パワー伝達標準器によって測定された前記ＣＷレーザー源の各々の前記ＣＷガウス・レーザービームの前記光パワーレベル(W)に対する、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流(A)の比率を計算することによって、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿２に装着された請求項５に記載の前記第１フォトダイオードのスペクトル応答度を計算するステップと
を含む第１の方法。
【請求項１６】
１番目に、請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源を連続波レジメで個別に動作させて、単一波長についてのスペクトル応答度の測定に相当する動作を行い、異なる波長について該動作を反復し、
２番目に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、前記ＣＷレーザー源の各々の前記個別のＣＷガウス・レーザービームの光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致させ、
３番目に、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳのポート＿３上にある請求項６に記載の前記内部鋼製半球の所で前記ポート＿３に装着された請求項８に記載の前記第２フォトダイオードに結合された請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の前記電圧出力を、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いることによって、及び請求項１３に記載の前記オシロスコープのスクリーンを追跡することによって最大化し、
４番目に、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿３上にある請求項６に記載の前記内部鋼製半球の所で前記ポート＿３に装着された請求項８に記載の前記第２フォトダイオードの電圧出力の最大化の完了後に、請求項２に記載の前記電位計を用いて、請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源のいずれかの前記個別のＣＷガウス・レーザービームの平均光パワーに比例する平均光電流を生成する前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を測定し、
５番目に、請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源の各々の前記個別のＣＷガウス・レーザービームを、請求項１に記載の前記光パワー伝達標準器に供給して、前記ＣＷレーザー源の各々の同じ前記個別のＣＷガウス・レーザービームの正確な光パワーレベルをW単位で取得し、前記個別のＣＷガウス・レーザービームは請求項５に記載の前記第１フォトダイオードに単一波長の平均光電流(A)を発生させ、前記光パワー伝達標準器は極低温放射計に合わせて追跡可能であり、
６番目に、請求項１に記載の前記光パワー伝達標準器によってW単位で測定された前記ＣＷレーザー源の各々の前記個別のガウス・レーザービームの前記光パワーレベルに対する、請求項２に記載の前記電位計によって測定した請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流(A)の比率を計算することによって、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿２に装着された請求項５に記載の前記第１フォトダイオードのスペクトル応答度を計算する、請求項１５に記載の第１の方法。
【請求項１７】
請求項３に記載のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳを用いてパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを測定する第２の方法であって、
前記パルス型レーザー源を、請求項３に記載の前記ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿１に垂直に対向するように配置するステップと、
請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、前記パルス型レーザー源の光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にあるピンホールまで延びる請求項６に記載の光軸と一致させるステップと、
前記一致させるステップを継続する間に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、前記パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームに対して請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが発生するパルス状の光電流をパルス状の電圧に変換する請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器のパルス状の電圧出力をリアルタイムで追跡して最大化するステップと、
請求項１４に記載の前記時間間隔カウンタを用いて、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの時間／周波数関係のパラメータの平均値を測定するステップであって、請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器を通して、前記時間間隔カウンタに接続されているステップと、
請求項２に記載の前記電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの平均光電流を測定するステップであって、前記平均光電流は前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの平均パワーに比例し、前記電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を読み出すステップと、
請求項１６に記載の前記第１の方法において、同じ前記パルス型レーザー源のスペクトル、前記時間／周波数関係のパラメータの平均値、及び請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流について測定した前記スペクトル応答度を用いることによって、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの結果的な平均パルスエネルギーを計算するステップと
を含む第２の方法。
【請求項１８】
１番目に、前記パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを測定すべく、前記パルス型レーザー源を請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿１に対して垂直に配置し、
２番目に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致させ、
３番目に、請求項２に記載の前記ＦＣＩＳの前記ポート＿３に装着された請求項６に記載の前記内部鋼製半球に取り付けられた請求項８に記載の前記第２フォトダイオードに結合された請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の前記パルス状の電圧出力を、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いることによって、かつ請求項１３に記載の前記オシロスコープのスクリーン上の請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の前記パルス状の電圧出力をリアルタイムで追跡することによって最大化し、前記パルス状の電圧出力は前記パルス型レーザー源のピークパワーに対応し、
４番目に、請求項１４に記載の前記時間間隔カウンタを用いて、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの時間／周波数関係のパラメータの平均値を測定し、前記時間間隔カウンタに、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の出力が接続され、前記電流−電圧変換器は請求項７に記載の前記第２フォトダイオードに接続され、
５番目に、請求項２に記載の前記電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を同時に平均化モードで測定し、前記平均光電流は、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの平均パワーに比例し、前記電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を読み出し、
６番目に、請求項１６に記載の前記第１の方法において、同じ前記パルス型レーザー源のスペクトル、請求項１７に記載の前記時間／周波数関係のパラメータの平均値、及び請求項１７に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流について測定した前記スペクトル応答度を用いることによって、前記パルス型レーザー源の前記パルス状のガウス・レーザービームの結果的な平均パルスエネルギーを計算する、請求項１７に記載の第２の方法。
【請求項１９】
請求項３に記載のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いて市販のレーザーエネルギーメーターを較正する第３の方法であって、
請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源を、連続波レジメで、かつ較正すべき前記市販のレーザーエネルギーメーターの波長に適合する異なる波長で個別に動作させるステップと、
請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、動作中の請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源の各々のＣＷガウス・レーザービームの光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致させるステップと、
前記一致させるステップを継続する間に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の電圧出力を、前記オシロスコープのスクリーン上でリアルタイムで追跡して最大化するステップであって、前記電流−電圧変換器は請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが発生する光電流を前記電圧出力に変換するステップと、
前記光軸を一致させるステップを、請求項７に記載の前記第２フォトダイオードに接続された請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の前記電圧出力を最大化するステップと共に完了した後に、請求項３に記載の前記ＤＣモーターを起動することによって、請求項３に記載の前記一群のＣＷレーザー源の各々から請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源を異なる波長で生成するステップと、
請求項１４に記載の前記時間間隔カウンタを用いて、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源のチョップされたガウス・レーザービームの時間／周波数関係のパラメータの平均値を測定するステップであって、前記時間間隔カウンタに、請求項５に記載の前記第２フォトダイオードが、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器を通して接続されるステップと、
請求項２に記載の電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を測定するステップであって、前記平均光電流は請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームの平均光パワーに比例し、前記電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を読み出すステップと、
請求項１６に記載の前記第１の方法において、同じ請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源のスペクトル、前記時間／周波数関係のパラメータの平均値、及び請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流について測定した前記スペクトル応答度を用いることによって、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームの結果的な平均パルスエネルギーを、前記市販のレーザーエネルギーメーターに供給すべき基準平均パルスエネルギーとして計算するステップと、
前記市販のレーザーエネルギーメーターを、前記基準平均パルスエネルギーを発生する請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームに対して垂直に配置するステップと、
前記市販のレーザーエネルギーメーターの前記読み出した平均パルスエネルギーに対する、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源が発生する前記基準平均パルスエネルギーの比率を計算することによって、前記市販のレーザーエネルギーメーター用の較正係数を較正するステップと
を含む第３の方法。
【請求項２０】
１番目に、請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源を、連続波レジメで、かつ較正すべき前記市販のレーザーエネルギーメーターの波長に適合する異なる波長で個別に動作させ、
２番目に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、動作中の請求項１に記載の前記一群のＣＷレーザー源の各々のＣＷガウス・レーザービームの光軸を、前記ポート＿１から請求項２に記載の前記ＦＣＩＳに配置された請求項６に記載の前記内部鋼製半球の中心にある前記ピンホールまで延びる請求項６に記載の前記光軸と一致させ、
３番目に、前記一致させるプロセスを継続する間に、請求項１０に記載の前記アライメント複合体を用いて、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器の直流電圧出力を、前記オシロスコープのスクリーン上でリアルタイムで追跡して最大化し、前記直流電圧出力は、請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源の前記連続波レジメに対応し、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器は請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが発生する光電流を前記直流電圧出力に変換し、
４番目に、前記光軸を一致させるプロセスを、請求項１１に記載の前記電流−電圧変換器の前記直流電圧出力を最大化するステップと共に完了した後に、請求項３に記載の前記ＤＣモーターを起動することにより当該ＤＣモーターの回転軸に装着された請求項９に記載の前記一群の円形チョッパのうちの１つを回転させて、連続波モードで動作中の請求項１に記載の前記ＣＷレーザー源の各々を機械的にチョップすることによって請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源を構成し、前記ＤＣモーターはレアアースをドープされた磁石を有し、前記一群のチョッパは、あらゆる一定の繰り返し周波数について別個のデューティサイクルを有し、
５番目に、請求項１４に記載の前記時間間隔カウンタを用いて、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームの時間／周波数関係のパラメータの平均値を測定し、前記時間間隔カウンタに、請求項７に記載の前記第２フォトダイオードが、請求項１２に記載の前記電流−電圧変換器を通して接続され、
６番目に、前記時間／周波数関係のパラメータの平均値の測定中に同時に、請求項２に記載の電位計を用いて、請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を測定し、前記平均光電流は前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームの平均光パワーに比例し、前記電位計を用いて、請求項１９に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流を読み出し、
７番目に、請求項１６に記載の前記第１の方法において、同じ前記チョップ型レーザー源のスペクトル、請求項１９に記載の前記時間／周波数関係のパラメータの平均値、及び請求項５に記載の前記第１フォトダイオードの前記平均光電流について測定した前記スペクトル応答度を用いることによって、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源の前記チョップされたガウス・レーザービームの結果的な平均パルスエネルギーを、前記市販のレーザーエネルギーメーターに供給すべき基準平均パルスエネルギーとして計算し、
８番目に、前記市販のレーザーエネルギーメーターを、請求項３に記載の前記ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ内に、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源のチョップされたガウス・レーザービームに対して垂直に配置して、前記市販のレーザーエネルギーメーターの平均パルスエネルギーの読み取り値を取得し、
９番目に、前記市販のレーザーエネルギーメーターの前記読み出した平均パルスエネルギーに対する、請求項３に記載の前記チョップ型レーザー源が発生する前記基準平均パルスエネルギーの比率を計算することによって、前記市販のレーザーエネルギーメーター用の較正係数を較正する、請求項１９に記載の第３の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバーカップル（ファイバー結合型）積分球（ＦＣＩＳ：Fiber Coupled Integrating Sphere）式レーザーエネルギーメーター兼較正システム（ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ：Laser Energy Meter and Calibration System）に関すると共に新たな較正方法に関するものであり、このＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは、時間領域内で無限個のレーザーパルス列を発生するパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを測定すること、及び市販のレーザーエネルギーメーターを較正することの両用に設計され、この較正はプライマリー（基本）レベルの標準器に合わせて十分に追跡可能（トレーサブル）である。
【背景技術】
【０００２】
レーザーという頭字語は、関連する放射原子及び放射分子の混合物で組成される閉領域内部の適切なポンピング（励起）プロセスによって発生する振幅コヒーレント、周波数コヒーレント、かつ位相コヒーレントな電磁波の増幅を意味し、そのエネルギーレベルは、上記閉領域の出力ポートにおけるコヒーレント電磁波の一部分のフィードバックによって生成される誘導放出に完全に従う。
【０００３】
レーザーの使用の領域は、先端技術製品の設計及び製造のますますの発展と共に非常に多種多様になっている。工業製品において最先端技術を用いる優先度に応じた分類を行えば、健康及び戦闘技術の製品が、他の業種に対してより支配的である。レーザーは、連続波（ＣＷ：continuous wave）モードのレージング（レーザー発振）及び／またはパルスモードのレージングを有することができ、そして、現代の戦闘及び健康製品におけるあらゆるターゲット（対象物）に伝達されるエネルギーに応じて、致死または非致死の効果、生理的効果、心理的効果、あるいは直接の物理的効果のような明確かつ有効な特性を有する。あらゆるレーザー源のあらゆるターゲットに対する結果的な効果についての正確かつ適正な評価を行うためには、ターゲットの表面吸収／反射、構造特性及び原子／分子の結合特性の測定に加えて、関連するレーザー源のスペクトルパワー分布、全パワー及び全エネルギーの測定を行うことが不可避の取り組みであるものと考えられる。
【０００４】
スペクトルパワー分布(W/nm)及び全パワー(W)は、ＣＷモード／レジメ（型）のレーザー源にとって大きな意味を有する、というのは、ＣＷレーザーの全パワーは、ターゲットの吸光性を考慮に入れることによって、関連するあらゆるターゲットの表面についての時間ｔ(s)にわたる総露光量を(J)単位で、エネルギー密度を(J/cm2)単位で計算するのに十分であるからである。ＣＷレーザーの全パワーのW単位での測定とは異なり、パルス型レーザー源については、パルス当たりのレーザーエネルギー(J)の時間領域内での測定が大きな意味を有する、というのは、パルス型レーザー源の露光は、当該パルス型レーザー源のパルス幅（ＰＷ：pulse width）及びピークパワーＰ0に、ターゲットの表面吸収／反射、構造及び原子／分子の結合特性を考慮したものに依存するからである。
【０００５】
本発明における「チョップ型レーザー源」とは、ＣＷレーザー源のＣＷガウス・レーザービームを一群の円形金属チョッパを用いて機械的にチョップする（断続させる）ことによって発生する変調レーザー源を意味し、この変調レーザー源は厳密に本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの一部をなす。本発明における「パルス型レーザー源」とは、「チョップ型レーザー源」とは異なる他のあらゆるレーザー源を意味し、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの一部をなさない。それにもかかわらず、本発明における「チョップ型レーザー源」及び「パルス型レーザー源」は共にレーザーパルスを生成し、これらは共に時間領域内の無限個のパルス列としてのガウス・ビームプロファイルを有し、最終的に、本発明において用いる「ガウス・レーザービーム」とは、最低次数（ＴＥＭ00）を有する回折限界付き横電磁モードを意味する。
【０００６】
レーザー源によってターゲット内に伝達されるエネルギーは、ＣＷ型であるかパルス型であるかにかかわらず、ターゲットの限られた体積内に、ターゲットの関連する体積の熱容量、質量、及び初期温度に応じた温度増加を生じさせる。レーザー源のエネルギーから生じたターゲットの関連する体積の温度増加を検出することは、従来の半導体型または金属／金属接触型の温度センサによって行うことができる。測定の不確かさを増加させる最重要なパラメータの１つである検出システムの信号対ノイズ比（ＳＮＲ：signal to noise ratio）を得るために、エネルギー伝達によって生じる温度変化の分離を拡大する必要がある。初期温度とレーザー源エネルギーによって生じる最終温度との分離を拡大する方法は、ターゲットの熱容量（比熱）を低減することであり、このことはターゲットの初期温度を極低温レベルまで低減することによって達成され、ボーズ・アインシュタインの方法に頼る。ターゲットの初期温度を低減することは、原子及び分子の変動も最小化する。カノニカル（正準）集合についてのボーズ・アインシュタイン統計によれば、固体ターゲットの熱容量（比熱）は温度の極低温レベルで指数関数的に減少し、この物理現象はターゲットの最終温度と初期温度との分離を拡大し、このことは極低温放射計（ＣＲ：Cryogenic Radiometer）の吸収キャビティを表し、最終的に、光パワー絶対量測定、また光エネルギー測定のための熱量測定値を表す。
【０００７】
以上の概説を考慮することによって、レーザーエネルギーメーターの追跡可能な測定、及びこれらの測定値の追跡可能な較正を、ターゲットの最終温度と初期温度との温度差を、測定可能な量であるターゲットの質量(kg)及び比熱(J/(kgK))を含めて測定することによって実行することができ、計算に当たり、ターゲットの時定数（または吸収キャビティ）を念頭に置く。ＣＲでは、時間間隔Δｔ(s)内に供給される電気的ワット数(A・V=W)に対する吸収キャビティの比熱は比率として得られ、(W/K)単位の温度係数と称され、発熱(J/K)とも称される。こうしたトレーサビリティ（追跡可能性）の段階では、ターゲット（または吸収キャビティ）の時定数を定めるために、追跡可能な時間(s)の測定と共に必要な温度(K)、直流電流(A)、及び直流電圧(V)、及び吸収キャビティに供給される電力の時間間隔Δｔ(s)は、主要な基準に合わせて全体的に追跡可能であるべきであることがわかる。その結果、パルス型レーザー源／チョップ型レーザー源の平均パルスエネルギーは、熱量測定法によって、温度(K)、直流電流(A)、直流電圧(V)、及び時間(s)のトレーサビリティを伴って導出することができる。
【０００８】
光パワー及びエネルギーのトレーサビリティ連鎖に関する以上の概説に照らして、あらゆるパルス型レーザー源の平均パルスエネルギー(J)の実現のためには、(W)単位での光パワー測定及び(s)単位での時間測定を必要とすることがわかる。パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを導出することに属する数学的基礎は、ＰＷ(s)のパルス幅及びＴ(s)の周期を有するレーザーパルスを取り上げることによって与えられ、時間領域内の無限個のパルス列としての、そのピークパワーはＰ0(W)である。無限個のパルス波列のスタイルをなすパルス型レーザー源の周期的なパルス形状を参照すれば、パルス型レーザー源の出力パワーの関数は、Ｔ(s)の周期については、Ｐ(t)として次式(1)のように定義される：
【数１】
0006263637.tif 000002
【０００９】
そしてＰ(t)は、時間領域内の無限個のレーザーパルス列としての周期関数であり、Ｐ(t)＝Ｐ(ｔ＋Ｔ)である。パルス型レーザー源の単パルスのパルスエネルギーＰＥ(J)は次式のようになる；
ＰＥ＝Ｐ0・ＰＷ    (2)
【００１０】
パルス型レーザー源の平均パワーＰavは次式のようになる；
【数２】
0006263637.tif 000003
【００１１】
積分を最も一般的な形式で書き、かつデューティサイクルを考慮に入れることによって平均項の形で書けば、次式(4)が得られる：
【数３】
0006263637.tif 000004
【００１２】
ここに、パルス型レーザー源が発生する無限個のレーザーパルスについて、平均パルス幅はＰＷavであり、平均繰り返し周期内の平均デッドタイム（むだ時間）はＤＴavである。パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーは、ＮにＰＥavを乗算することによって得られる。Ｎはパルス数であり、時間領域内で周期的かつ無限個のパルス列については１に等しい。
【００１３】
式(4)及び(6)は、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥavを導出するための非常に有用な方法を与える。パルス型レーザー源の繰り返し周期Ｔ及び平均光パワーＰavを測定すれば、平均パルスエネルギーは容易に計算することができる。これらの平均繰り返し周期Ｔav及び平均光パワーＰavの測定はプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能であるように実行するべきであり、これらの標準器はタイムスケール（時間尺度）(s)では133Ｃｓ（または87Ｒｂ）原子周波数標準器であり、そして光パワースケール(W)ではＣＲと称される絶対光パワー測定システムに対して較正された光パワー伝達の標準器であり（非特許文献１及び２）、そして直流電流スケール(A)では量子ホール系及びＤＣジョセフソン系に合わせて追跡可能な電位計である。プライマリーな標準器に合わせて追跡可能なＴav及びＰavの精密な測定は、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーによって生じる温度変化を測定することのないプロセスを呈する。平均パルスエネルギーの熱量測定による不確かさへの寄与分の大部分は、吸収面（ターゲット）の測定時定数から生じ、従って、吸収キャビティ（ターゲット）のパルス応答及び変調応答から生じる。本発明では、時間／周波数関係の測定におけるＦＣＩＳの時定数の除外に加えて、ＦＣＩＳと称する本発明の積分球の新たな構成が、ガウス・プロファイルを有するレーザービームの、較正プロセス毎に入射ポートに対する同じ光軸上へのユーザ位置決めを可能にし、従って、較正及び測定プロセスの再現性が、ＦＣＩＳの新たな構成により増加する。
【００１４】
光起電型フォトダイオードは、感光面上に降り注ぐ光束の応答として、入射光束の平均光パワーに対応する積分光電流を発生する。このことは、フォトダイオードの拡散容量を低減する逆電圧バイアスで給電されるｐ（正）領域−ｉ（真性）領域−ｎ（負）領域（ＰＩＮ：positive-intrinsic-negative）フォトダイオード並びにアバランシェ型フォトダイオードのような非常に高速のインパルス応答を有する超高速フォトダイオードにとっても有効であり、これらは光学的な時間領域の反射率計器でも用いられる。上記積分光電流は、Δｔ≒２０×１０-12sのような極端に短い光時間間隔を有する光パルス内の光束の比較的小さい部分についても発生する。
【００１５】
パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥavを測定するために測定するべき式(6)中のパラメータは、平均繰り返し周期Ｔav、パルス幅ＰＷが変化するパルスの数Ｎ、及び第１フォトダイオードが発生する平均光電流Ｉavに対応する平均パワーＰavであり、第１フォトダイオードは、本発明における１つの好適例として設計された装置用にはＩｎＧａＡｓ＿１である。式(6)を、第１フォトダイオードのスペクトル（分光）応答度を考慮することによって次式(7)のように書き変えて、図１及び図２中のパルス型レーサー源の平均パルスエネルギーを得ることができる。
【数４】
0006263637.tif 000005
【００１６】
ここに、
（外１）
0006263637.tif 000006
はＦＣＩＳのスペクトルパワー応答度であり、このＦＣＩＳに第１フォトダイオードが装着されている。上述したように、ＩavはＦＣＩＳのレーザー入射ポートに対して垂直に配置された第１フォトダイオードによって測定され、Ｉav＝<Ｉph(ｔ)>、Ｉph(ｔ)＝Ｉph(ｔ＋Ｔ)はＰ(ｔ)によって発生する周期パルス型光電流である。ＩavはＩph(ｔ)＝Ｉph0ｒｅｃｔ(ｔ)の時間平均値である（「ｒｅｃｔ」は矩形関数）。Ｔav（及び／またはｆav）は、小型鋼製半球上に装着された第２フォトダイオードを用いることによって測定され、この小型鋼製半球は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのガウス・レーザービーム入射ポートの正反対側に配置されている。単位振幅を有する単パルスについては、ｒｅｃｔ(ｔ)関数は次式(8)のように定義される。
【数５】
0006263637.tif 000007
【００１７】
式(8)で与えられるこうした単パルスの定義は、第１フォトダイオードのパルス応答の記述にとって、そして第２フォトダイオードの使用方の技術にとって有用であり、第２フォトダイオードは、式(7) における時間／周波数関係の測定を実行するために、第１フォトダイオードとは異なり、そして相対的に小さい時定数を有する。式(7)中の
（外２）
0006263637.tif 000008
は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを光パワー伝達の標準器に対して較正することによって得られ、この光パワー伝達の標準器は、直接的にはＩｎＧａＡｓ系スペクトラロン（spectralon）球放射計（ラジオメーター）であり、本発明では極低温放射計（ＣＲ）に対して絶対的に較正される。第１フォトダイオードの
（外３）
0006263637.tif 000009
を導出する他の代案プロセスは、平坦なスペクトル応答の、ＣＲに合わせて追跡可能な、第１フォトダイオードの全体スペクトル９００nm〜１６５０nmをカバーする方法で電気的に較正された焦電放射計（ＥＣＰＲ：Electrically Calibrated Pyroelectric Radiometer）を参照することによって、表面の不均一性から生じる相対的により高い不確かさを伴って実行することができる。
【００１８】
注：異なる種類の光パワー伝達の標準器の使用は、本発明の根本原理を阻害しない、というのは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳが１つの好適例であるからである。
【００１９】
式(7)によれば、Ｉav、Ｔav、及び
（外４）
0006263637.tif 000010
が測定されれば、Ｉav、Ｔav及び
（外５）
0006263637.tif 000011
の関係する偏導関数を計算に取り入れることによって、パルス型レーザー源の特定の平均パルスエネルギーＰＥavを、不確かさを拡大して計算することができる。
【００２０】
第２フォトダイオードは、本発明では１つの好適例としてＩｎＧａＡｓ＿２であり、第１マルチモード（ＭＭ：multimode）パッチコードを取り付けられている。第１マルチモード（ＭＭ）パッチコードのＦＣ（face contact）／ＰＣ（physical contact）コネクタ端を機械的アテネータ（減衰器）と組み合わせ、Ｚｒフェルール（先端補強用キャップ）を有する第１ＭＭファイバー・パッチコードのＨＭＳコネクタ端を小型半球の内壁の中央に装着し、この小型半球はＦＣＩＳの内部に配置され、ＦＣＩＳよりも小さい半径を有する。第２ＭＭパッチコード、上記機械的アテネータ、及びセラミック・フェルールとＺｒフェルールを有する第１パッチコードを通して上記半球に結合された第２フォトダイオードを、式(7)中の平均繰り返し周期Ｔav及び平均繰り返し周波数ｆavのような時間測定に使用し、カットオフ限界は６GHzである。第２フォトダイオードの第２の使用目的は、ＦＣＩＳの光軸と、パルス型レーザー源、チョップ型レーザー源、及びＣＷレーザー源の光軸とを一致させることにある。小型鋼製半球はステンレス製であり、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードのＺｒフェルールを取り付けられている。小型鋼製半球は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのガウス・レーザービーム入射ポートから小型鋼製半球の中心が直接見えるように据え置かれ、小型鋼製半球の中心に、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードのＨＭＳコネクタ端のＺｒフェルールが、内面から２mm下がった所に装着されている。鋼製半球を第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードのＨＭＳコネクタ端のＺｒフェルール共に配置することは、本発明の重要点の１つである。
【００２１】
本発明におけるｐｉｎフォトダイオードのような任意の電子デバイスの周波数応答を探索する実用的方法は、パルス幅が変化し、かつ周期が変化するパルスを当該電子デバイスに加えることである。時間領域と周波数領域との間のフーリエ変換によれば、パルス幅ＰＷを相対的に狭くする限り、パルスの周波数成分が増加することがわかる。その結果、時間領域内の理想的なδ(ｔ)インパルス関数が、理論的には０から無限大までの周波数範囲をカバーする。そのパルス幅ＰＷが調整可能である、パルス型レーザー源が発生する周期的光パルスＰ(ｔ)は、フーリエ級数における奇数次（サイン（正弦））高調波の総和として定義することができ、これらのパルスはＤＣ成分を伴う振幅が減少し、その周期はＴ(s)であり、繰り返し周波数ｆ(Hz)と一致する。これに対応してＦＣＩＳの変調周波数応答が得られ、上記フーリエ級数から得られた各周波数成分に対する、第１フォトダイオードを通したＦＣＩＳの応答全部の総和である。繰り返し周期Ｔ内で反復される周期的パルス列のフーリエ級数の周波数定数を見ると、最高振幅を有する第１項がｆ(Hz)であり、パルス型レーザー源の繰り返し周波数と全く同じである。後続するサインの周波数項は２ｆ、３ｆ、４ｆ、...、ｎｆのように並び、ここでｎは合計した周波数成分の数であり、振幅が減少していく。なお、時間領域内でパルス幅ＰＷを狭くすることにより、これらの周波数成分が増加する。従って、本明細書では、ＦＣＩＳの第１フォトダイオードのパルス応答特性及び変調周波数応答特性を一緒に提示し、これらの特性を用いて平均光パワーＰavに比例する平均光電流Ｉavを測定する。
【００２２】
本明細書に記載するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ及び方法は、１MHzの繰り返し率まで動作することができ、１MHzは第１フォトダイオードのカットオフ限界である。平均光パワーＰavを測定するに当たり、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを適正かつ適切に使用するためには、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＳの第１フォトダイオードが平坦な周波数応答を有する周波数範囲内に保持するべきであることを指摘しておく。第１フォトダイオードが捕捉するには高過ぎる場合、このことは速過ぎる立ち上り及び立ち下がりエッジ時間であること、及び狭過ぎるパルス幅及びデッドタイムに相当し、Ｐ0のピークパワーを有するパルス型レーザー源のこうした無限個のパルス列の光パワーを平均光電流に変換することはできない。このことは、ローパス（低域通過）フィルタの挙動を有するフォトダイオード並びに電子回路に固有の挙動である。
【００２３】
第１フォトダイオードは、当該第１フォトダイオードの接合容量（Ｃj）及び浮遊容量（Ｃs）から成る等価回路から生じる、増加する変調周波数に対してＲＣローパスフィルタのように挙動し、第１フォトダイオードの感光面上に光束が降り注ぐと、逆バイアス状態におけるように作用する。これに対応して、順方向バイアス下でのデプレッション（空乏）領域内の少数キャリアの再配置を記述する、第１フォトダイオードの拡散容量は、この等価回路では考慮しない。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ内の第１フォトダイオードの等価回路を図３に示す。結果的に、等価容量はＣeq＝Ｃj＋Ｃs≒２００pFであり、ゼロバイアスでは、２５℃でＣj≒２０pFである。第１フォトダイオードの等価抵抗は、並列シャント（分流）抵抗（Ｒsh）、バルク半導体の直列抵抗（Ｒs）、及び本発明において使用する電位計にそのまま相当する電圧増幅器への順電流の並列入力抵抗（Ｒi）から成る。上記等価抵抗は１／Ｒeq＝(１／Ｒsh＋１／(Ｒs＋Ｒj))である。本発明において使用する第１フォトダイオードについては、Ｒsh≒１０MΩ、Ｒs≒８００Ω及びＲi≒０．７２Ωであり、等価抵抗Ｒeq≒８００Ωを生じさせ、第１フォトダイオードについては２５℃でＲeqＣeq≒１６×１０-8ｓ（１６０ns）の時定数に相当する。第１フォトダイオードには追加的な逆バイアス電圧が全く印加されていないことにより、光電流Ｉph(ｔ)は暗電流を含まず、パルス型レーザー源の平均電力によって誘導される光電流を含み、この光電流はポアソン型ノイズ分布及びボルツマン・ノイズ電流を有する。本発明では、第１フォトダイオードに逆バイアスを印加しなくても上記より高い周波数限界が低減され、ＦＣＩＳの第１フォトダイオードのノイズ限界がより良好になり、この方法はＦＣＩＳが非冷却モードにおいて１nAの閾値レベルに達することを可能にし、実際には、１MHz、−３dBの周波数範囲における０．１７のデューティサイクルについて、１５５０nmレベルで１６．５pJに相当する。
【００２４】
本節では、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのパルス応答及び周波数応答：ＦＣＩＳの変調周波数応答は、第１フォトダイオードの抵抗及び容量値から成るＲＣローパスフィルタ型等価回路によって生じ、ＦＣＩＳのパルス応答及び変調周波数応答を制限する他の効果はＦＣＩＳの時定数（τ）であり、積分球の直径、内部コーティング（被覆）のコーティング平均反射率、及び光速に基づく。ＦＣＩＳの時定数（τ）は、ＦＣＩＳによる第１フォトダイオードを通した平均電力Ｐavの測定、結果的に平均パルスエネルギーの測定上有効な構成要素である。
【００２５】
パルス型レーザー源が発生する光パルスのパルス幅ＰＷと共に立ち上りエッジ及び立ち下がりエッジに対する、第１フォトダイオードを通したＦＣＩＳの変調周波数応答に関する以下の評価を考慮することによって、ＦＣＩＳのパルス応答を考慮に入れるべきである、というのは、１μsの周期に相当する１MHzの繰り返し率は、１μsよりも相対的に大幅に低い立ち上り時間及び立ち下がり時間を有するはずであるからである。これらのエッジについては、比較的短いＰＷと共に、１５cmの内径を有するＦＣＩＳについてはδ（デルタ）インパルス関数として考えることができ、このＦＣＩＳは上記第１フォトダイオードを有し、１MHzまでの繰り返し周波数に関する変調周波数応答による調査を行う。その結果、変調周波数の増加がパルスの立ち上り及び立ち下がり時間並びにＰＷの短縮を生じさせることは明らかである。この場合、式(7)中のパルスエネルギー項がパルス応答項を含むはずである。従って、式(7)を再整理して、式(9)中及び式(10)中の２つの部分の形に考えることができる。第１に、本発明においてＰavを測定するために調査する必要があるパルス応答は第１フォトダイオードのパルス応答であり、第１フォトダイオードは、繰り返し率が増加する光パルスに対してＲＣローパスフィルタとして挙動する。ＲeqとＣeqの並列結合から成るＲＣローパスフィルタ回路の完全なパルス応答を計算すれば、第１フォトダイオードの出力光電流Ｉavにおける立ち上り時間及び立ち下がり時間は、ＰＷと共に、指数関数的な挙動も示す。この場合、ピークパワーがＰ0であるレーザーパルスがＦＣＩＳ内に入射するものと仮定することによって、単一のレーザーパルスについてはパルスエネルギーＰＥ0を式(9)のように書くことができ、ＦＣＩＳのパルス応答及び第１フォトダイオードのパルス応答を含み、なお、Ｉph0は矩形関数形式を有するべきである。
【数６】
0006263637.tif 000012
【００２６】
ここに、
（外６）
0006263637.tif 000013
はレーザーパルスに対するＦＣＩＳのパルス応答であり、ζpd_1はＦＣＩＳの第１フォトダイオードのパルス応答関数である。１つのパルスは３つの部分に分けることができる。第１部分は立ち上りエッジｔrであり、第２部分はパルス幅ＰＷであり、第３部分は立ち下がりエッジｔfである。しかし、第１フォトダイオードのパルス応答の特性化に当たり、パルスの立ち上りエッジ及びパルス幅に対する第１フォトダイオードの応答を統合した完結部分を考えることは正しい、というのは、単パルスのこれらの時間部分では、等価回路のコンデンサが充電及び安定を保った状態にあるからである。単パルスの第３部分はコンデンサを放電することにそのまま相当し、従って、パルスの第３部分は異なる関数によって表現するべきである。パルス応答関数ζpd_1は、これら３つのパルス部分について書かれる応答の総和から成り、関連する等価抵抗を通したコンデンサの充電及び放電の時間に直接依存する。この分析は、第１フォトダイオードの等価回路による単パルスの連続的な畳み込みを用いることによって容易に行うことができる。
【数７】
0006263637.tif 000014
【００２７】
ここに、ζpd_1はＩph0用の乗数であり、∞＞ｔ＞ＰＷについて等価コンデンサＣeqの放電を開始する直前のＣeq上の初期電圧に一致する。単一レーザーパルスのパルスエネルギーＰＥ0は、上記のパルス応答を含めて次式のようになる。
【数８】
0006263637.tif 000015
【００２８】
ここに、ｔr、ｔf及びＰＷは、レーザーパルスの立ち上り時間、立ち下がり時間、及びパルス幅である。単パルスについては、ＰＷ＞＞１６０nsであり、両パルス応答関数
（外７）
0006263637.tif 000016
についてｔr＜＜ＰＷであり、そしてＰＷ＝４．６(ＲeqＣeq)≒７３６nsである。この近似については、７３６nsのパルス幅は１６０nsよりも十分に大きく、０．９９Ｉavを生じさせる。
【００２９】
パラメータ
（外８）
0006263637.tif 000017
はＦＣＩＳの時定数であり、ρはＦＣＩＳの内部コーティングの平均反射率であり、ＤはＦＣＩＳの直径であり、ｃは真空中の光速である。項
（外９）
0006263637.tif 000018
は１つの光子が吸収されるまでの反射の平均回数である（非特許文献３及び４）。ＦＣＩＳのτは、２、３psのパルス幅を有する非常に短いパルスの立ち上り時間を、入射ポートにおいて、かつ１回目の反射後に検出ポートにおいて測定することによって測定することができる。ＦＣＩＳの時定数に関しては、高度に拡散的な反射性を有するＦＣＩＳの内壁コーティングの擬似指数関数的な吸収挙動が、パルス型レーザー源から放出される光子束についてのランベルト・ベール（Beer Lambert）の法則に従うことを念頭に置き、ＦＣＩＳの内部コーティングがほぼ均一であり、１５cmの直径を有するＦＣＩＳの容積がほぼ等方性であるものと仮定すれば、ガウス・レーザービームのパルスの立ち上り及び立ち下がり時間については、積分球のパルス応答が上記時定数（τ）に起因する指数関数的な挙動を有し、ＦＣＩＳの内面全体上で拡散反射する単一光パルスの照射の消散が経過時間Δｔ’内にＦＣＩＳ内部のあらゆる点に到達する、と言うことができる（非特許文献３及び４）。上記の評価によれば、ＰＷがτより大きい場合、かつパルスの代わりにＣＷレーザービームについては、ＰavがＰ0になる。ＰＷがτより小さい超短パルス状態に相当する場合、ＦＣＩＳ内部の単パルスの均一な拡散反射のための十分な時間が存在せず、Ｐavを検出することができない。本発明における、パルス型レーザー源の平均パワーを測定する用途において使用する第１フォトダイオードのパルス応答及び変調周波数応答を測定するための重要点の１つは、ＦＣＩＳに入射するガウス・レーザービームの何個の部分がＦＣＩＳ内部で拡散反射するかを特性化することである。この特性化については、ＦＣＩＳ内部の拡散パワーとＦＣＩＳ内に直接入射する直接的なパワーとの比率が
（外１０）
0006263637.tif 000019
に相当し、この値は、ＦＣＩＳ内部の拡散パワーとＦＣＩＳ内に入射する直接的なパワーとの間のパワー効率であり、
（外１１）
0006263637.tif 000020
はＦＣＩＳのカットオフ周波数である。光パワー伝達の標準器に対するＦＣＩＳ式ＬＥＭＳの直接的なスペクトル応答度の較正は、「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１２）
0006263637.tif 000021
の測定」の節において説明し、式(12)中のηdiffuseを除外する、というのは、
（外１３）
0006263637.tif 000022
がＦＣＩＳ内部で拡散反射する光束から得られるからであり、
（外１４）
0006263637.tif 000023
中のηdiffuseは、式(12)中の分母にある。本発明では、ＦＣＩＳの時定数がτ≒３nsであり、０．９０の平均値を有する壁面コーティングについては
（外１５）
0006263637.tif 000024
に相当する。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのパルス応答関数では、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのパルス応答が式(12)中に与えられる２つの部分を含む。第１の部分はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳの内部コーティング特性と共に幾何学的形状特性に関係し、第２の部分は第１フォトダイオードの等価回路に関係する。式(10)と式(11)とを比較することによって、次式(12)は完結した最終的な等式として書かれる。
【数９】
0006263637.tif 000025
【００３０】
式(12)では、第１フォトダイオードのこの種のパルス応答関数ζpd_1が、第１フォトダイオードの等価回路の時定数ＲeqＣeqに応じて、単一レーザーパルスによって発生する光電流Ｉph0の理想的なパルス形状の歪みを生じさせることがわかる。こうした形状の歪みは、特に、ＦＣＩＳの時定数τ≒３nsよりもむしろ、第１フォトダイオードの比較的大きな時定数ＲeqＣeq＝１６０から生じる。歪みは、レーザーパルスによって生成される光電流の当該レーザーパルスに対する位相の形でも発生する。これらの歪みは、第１フォトダイオードを用いた時間／周波数関係の測定を実行することに悪影響を与える。これらの歪みは図２中に光電流Ｉph(ｔ)についてのＰＷ’及びＤＴ’として特性化され、この光電流は第１フォトダイオードによって、パルス型レーザー源及びチョップ型レーザー源のパルス状の／チョップされたガウス・レーザービームのパルス幅及びデッドタイムに対して発生する。信頼性の低い時間／周波数関係の測定に基づく歪みから生じる問題のある状態を打破するために、本発明では、比較的高いロー（低）カットオフ周波数を有する第２フォトダイオードを配置して保有し、このことは本発明において提示する新たな実現の１つである。上記の平均光電流測定と時間／周波数関係の測定とを、本発明では第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと称する異なるフォトダイオードによって別個に実行する。
【００３１】
式(12)の項
（外１６）
0006263637.tif 000026
は、式(12)におけるＦＣＩＳに装着された第１フォトダイオードのパルス応答であり、単パルスについてはＰＷ＞＞１６０nsであり、ＰＷ＞＞ｔr、ｔfであり、より高い変調周波数では比較的短いパルス幅について有効なパラメータであり、この項のＰＷは７３６ns以下に近づく。本発明では、７３６nsのパルス幅ＰＷが、熱放散にとって必要かつ十分なデッドタイムＤＴと共にＦＣＩＳの第１フォトダイオードについての上限時間を成し、このことは「発明を実施するための形態」の節で詳述する。１６０nsよりも低いＲeqＣeqを有する他の何らかのフォトダイオードを第１フォトダイオードの代わりに使用する場合、０．７３６μsよりも狭い新たなＰＷを得ることは明らかである。同時に、このことは式(12)の項
（外１７）
0006263637.tif 000027
にとっても有効であり、この項はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのパルス応答である。４．６τ≒１４nsよりも広いＰＷを有するレーザーパルスの幅は、０．９９のピークパワーＰ0がＦＣＩＳの内面に消散（拡散）することを可能にするのに十分である。第１フォトダイオード及びＦＣＩＳが共にローパスフィルタとして挙動することにより、パルス型レーザー源のパルス幅ＰＷが十分に広いものとすれば、無限個のレーザーパルス列のピークパルスエネルギーが正しく測定される。パルス型レーザー源のパルス幅が、ＦＣＩＳ及び第１フォトダイオードのパルス応答特性に対して非常に短い場合、パルス型レーザー源の無限個のレーザーパルスの立ち上り時間及び立ち下がり時間は第１フォトダイオードのローパスフィルタ特性によって遅延し、これらの立ち上り及び立ち下がり時間は元の状態よりも遅い（緩い）傾きを有する。その結果、このように遅延した立ち上り及び立ち下がり時間により、平均繰り返し周期Ｔav（または平均繰り返し周波数ｆav）の測定が低い精度で行われ、この精度は、第１フォトダイオードの出力光電流Ｉph(ｔ)を用いることによる時間／周波数関係の測定における高い測定の不確かさに相当する。そして、パルス型レーザー源の無限個のレーザーパルス列のパルス幅ＰＷ及びデッドタイムＤＴの値は、検出されて図３中のＰＷ’及びＤＴ’に変換される。第１フォトダイオードの制限されたパルス応答に起因するこうした問題のある状態を打破するために、本発明では、時間／周波数関係の測定を第２フォトダイオードによって実行する。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳが１つの好適例であり、数値の変更は本発明の根本原理を変化させない。
【００３２】
本明細書に記載する発明に最も関係する係属中の国際特許出願のうち２つを次に紹介する。
【００３３】
米国特許出願公開第２０１３／２５０９９７号明細書（特許文献１）に記載された発明は、熱電対（サーモパイル）型レーザーエネルギー変換を取り扱っている。レーザーパルスのエネルギーを検出する熱電対理論は、高温熱電対接合と低温熱電対接合との間の温度効果に頼り、これらの熱電対接合間に、レーザーエネルギーによって生じた熱が急速に流れて、供給されるレーザーエネルギーに比例した電圧を生じさせる。レーザーエネルギーに比例したこの電圧出力を、熱電対からの電気的出力を受ける集積回路で収集し、これにより、この少なくとも１パルスから生じる電気的出力を時間積分することによって、ビームの少なくとも１パルスのエネルギーを測定することができる。こうした熱電対センサの応答時間は、最終読み取り値の９５％に達するために一般に高々１sの速さであり、このシステムで測定される最大繰り返し周期は１０Hzと公言されていた。しかし、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは熱電対型温度センサを全く含まない。熱電対を用いる代わりに、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードと称する光起電型フォトダイオードを取り付けて新たに構成した積分球で主に構成され、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーは、当該パルス型レーザー源のピークパワーに比例した平均光電流を測定することによって、かつ当該パルス型レーザー源の繰り返し周波数についての時間関係の測定値を測定することによって測定され、この繰り返し周波数は、１μsの繰り返し周期に相当する１MHzに及び、この繰り返し周期は特許文献１に記載されたシステムに対して相対的に非常に高速の応答時間である。本明細書に記載するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは１つの好適例であり、第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードの上側カットオフ周波数は、本明細書に記載する本発明の根本原理を阻害せず、従って、これらのフォトダイオードは、そのカットオフ周波数が１MHz及び６GHzよりも高く、真に間違いなく良い方向に向かう。これに加えて、本明細書に詳述する第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードは共に、用途に関与するレーザーのスペクトルパワー分布に応じて、異なる種類の半導体検出器に交換することができる。
【００３４】
特開昭６３−１００３３５号公報（特許文献２）に記載された他の発明は、反射してレーザービーム散乱装置によって均一化されたレーザービームのエネルギーを検出するためのレーザー検出器、及び積分球を設けることによってレーザービームのエネルギーを確実に検出することを取り扱い、上記レーザービーム散乱装置は電動チョッパである。特許文献２における積分球に装着された上記検出器は、レーザービームの均一に散乱して反射した部分を検出し、この発明のシステムはレーザーエネルギーセンサとして機能する。特許文献２には、レーザーのパルスエネルギー測定手順は全く見られない。しかし、レーザーエネルギーの存在の検出を超えて、本明細書に記載するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーの測定能力、及びチョップ型レーザー源を用いることによるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳに対する市販のレーザーエネルギーメーターの較正を共に提供し、チョップ型レーザー源はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの一部であり、プライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／２５０９９７号明細書
【特許文献２】特開昭６３−１００３３５号公報
【非特許文献】
【００３６】
【非特許文献１】Oguz Celikel, Ozcan Bazkir, Mehmet Kucukoglu, and Ferhat Samedov, “Cryogenic radiometer based absolute spectral power responsivity calibration of integrating sphere radiometer to be used in power measurements at optical fiber communication wavelengths”, Optical and Quantum Electronics. 37, 529-543, (2005)
【非特許文献２】Ferhat Sametoglu, “New traceability chains in the photometric and radiometric measurements at the National Metrology Institute of Turkey”, Optics and Lasers in Engineering 45, 36-42 (2007)
【非特許文献３】Volker Jungnickel, Volker Pohl, Stephan Nonnig and Clemens von Helmolt, “Physical Model of the Wireless Infrared Communication Channel”, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol.20, No.3, 631-640 (2002年4月)
【非特許文献４】Labsphere Technical Guide: Integrating Sphere Photometry and Radiometryhttp://www.labsphere.com/uploads/technical-guides/a-guide-to-integrating-sphere-radiometry-and-photometry.pdf
【非特許文献５】Oguz Celikel, “Mode Field Diameter and cut-off wavelength measurements of single mode optical fiber standards used in OTDR calibrations”, Optical and Quantum Electronics. 37, 587 (2005)
【非特許文献６】David Bergstrom, “The Absorption of Laser Light by Rough Metal Surfaces”, Doctoral Thesis, Department of Engineering, Physics and Mathematics Mid Sweden University Ostersund Sweden, 2008年2月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
本発明における単パルス用途についての、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＳのＦＣＩＳ及びＦＣＩＳに装着された第１フォトダイオードのパルス応答についての調査の完了後に、本節は主に平均パルスエネルギーを説明することを、ＦＣＩＳの積分球部分の変調周波数応答関数をＦＣＩＳに装着された第１フォトダイオードの変調周波数応答関数と共に含めて、パルス型レーザー源及びチョップ型レーザー源の正確な平均パルスエネルギー値に及ぶように取り扱い、これらのレーザー源は、市販のレーザーエネルギーメーターを較正するために用いる基準及びパルスエネルギーを生成する、というのは、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは無限個のレーザーパルス列を受けるからであり、この無限個のレーザーパルス列は時間領域内で無限に連続する単一のレーザーパルスから成る。
【課題を解決するための手段】
【００３８】
本発明では、
ａ）新たな構成として、ガウス・レーザービームのパルスを時間領域内の無限個のパルス列として有するパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥavを測定することに関与するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを説明する。
ｂ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳと称する新たな装置、及びこの新たな装置に属する較正方法を、新たに構成した、一連のチョッパを備えたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳと共に説明し、このＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは１つの好適例であり、ＣＷレーザー源から得られるチョップ型レーザー源を含み、市販のレーザーエネルギーメーターの、プライマリーレベルの標準器に合わせた追跡可能な較正を行うために、５Hzから２kHzまで変化する繰り返し周波数において０．１７から０．８４まで変化するデューティサイクルを調整することを可能にし、このレーザーエネルギーメーターは９００nm〜１６５０nmのスペクトル範囲上で１６．５pJ〜１００mJの平均パルスエネルギー範囲にわたって動作する。本発明では、一群のチョッパの代わりに、１つの好適例として構成された電子振幅変調器を用いる選択により、レアアース（希土類）でドープした磁石を有するＤＣモーターを用いて得られる２kHzの上限周波数レベルを１MHz領域まで拡張することができ、この１MHz領域が上記第１フォトダイオードのカットオフ周波数である。
【００３９】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ内に２つのフォトダイオードを用い、これらは第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードとしてラベル付けする。前者は、パルス型レーザー源の平均パワーから生じる平均光電流Ｉavの測定に係り、後者は、パルス型レーザー源の繰り返し周期Ｔav（及び／またはｆav）の測定で用いる。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳについては、本発明における市販のレーザーエネルギーメーターの追跡可能な較正においてチョップ型レーザー源を構成するために用いる、ＤＣモーター駆動式チョッパに代わる電子型変調器のための繰り返し周波数範囲を１MHzまで拡張することができることがわかり証明され、この１MHzは第１フォトダイオードのカットオフ周波数限界である。１MHzを超える周波数については、「背景」の節で述べたパルス応答関数及び変調応答関数を考慮に入れるべきである。
【００４０】
ＦＣＩＳ及びＦＣＩＳに装着された第１フォトダイオードの時定数に見られるように、ＦＣＩＳの積分球の変調周波数範囲は第１フォトダイオードの変調周波数範囲よりも広く、従って、パルス型レーザー源については、Ｔav（＝１／ｆav）が（ＰＷ＋ＤＴ＋ｔr＋ｔf）の平均値に等しく、平均光電流Ｉavをパルス型レーザー源の変調周波数の関数として書いて、第１フォトダイオードのみの依存性によって生じる、結果的なJ単位の平均パルスエネルギー値ＰＥavの変調周波数依存性を定義すれば十分である。ＦＣＩＳのカットオフ周波数は
（外１８）
0006263637.tif 000028
である。この場合、ＦＣＩＳの変調周波数応答関数は、０〜１MHzの周波数帯域については１と仮定し、この周波数帯域内で第１フォトダイオードが動作する。無限個の周期的パルス列のフーリエ級数展開を考慮することによって、その平均繰り返し周波数はｆav＝１MHzとなり、無限個の周期的パルス列に属するフーリエ級数展開の１番目の奇数倍周波数成分の最高振幅はｆ＝１MHzの所にある。後続する周波数は、ＤＣ成分と共に、２MHz、３MHz、...、ｎｆであり、振幅が減少していく。この場合、無限個の周期的パルス列を構成する１MHzよりも高い他の後続する周波数成分は、ＲＣローパスフィルタとして挙動する第１フォトダイオードによって比較的大きい傾き（２０dB／デカード）で減衰する。そのカットオフ周波数は〜１MHzである。
（外１９）
0006263637.tif 000029
この大まかな評価により、無限個の周期的パルス列に対する第１フォトダイオードのすべての周波数応答を合計する代わりに、正弦波状の挙動を有する第１フーリエ項を考慮し、第１フォトダイオードの変調周波数応答関数は正弦関数により計算され、その線形周波数が平均繰り返し周波数ｆav(Hz)、即ち無限個の周期的パルス列のフーリエ級数展開の１番目の奇数倍周波数成分に相当する。この方法は、ＦＣＩＳの変調周波数依存性についての非常に良い説明を与える。その結果、式(13)中のＰＥavの最終形式は、十分に広いパルス幅については、式(12)中のＩph(ｔ)に、図３中のＲＣローパスフィルタとして挙動する第１フォトダイオードの等価回路の変調周波数伝達関数
0006263637.tif 000030
を乗算することによって計算される。パルル型レーザー源が発生する無限個のレーザーパルス列については、平均パルスエネルギーは次式(13)で与えられる；
【数１０】
0006263637.tif 000031
【００４１】
式(14)は、式(13)を繰り返し周波数ｆav(Hz)の関数として特性化し、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ及び第１フォトダイオードの変調周波数応答関数に相当し、式(9)及び式(10)中のパルス応答関数項に代わる。
【数１１】
0006263637.tif 000032
【００４２】
ここでは、周波数項に基づく式(15)の位相項が切り捨てられている。式(10)中のＦＣＩＳの時定数τ(s)によって生じる項
（外２１）
0006263637.tif 000033
は無視することができ、本発明において有効な第１フォトダイオードの１MHzの周波数上限までの繰り返し周波数については省略されている。
（外２２）
0006263637.tif 000034
は、図３中のＲＣローパスフィルタとして挙動する第１フォトダイオードの高周波カットオフ限界であり、〜１MHzのように（ＲeqＣeq）から理論的に計算することができる。
（外２３）
0006263637.tif 000035
０Hzから１MHzまでの周波数範囲も理論計算によって得られ、電位計を取り付けたＦＣＩＳにより測定を行うことによって検証される。第１フォトダイオードの変調応答関数ζpd_1(ｆav)の役割は、式(14)中に提示されている。パルス型レーザー源の結果的な平均ピークパルスエネルギーＰＥavは、ＰＷが変化するパルス列のフーリエ級数展開の１番目の奇数次項を考慮することによって、平均繰り返し周波数（ｆav＝１／Ｔav）の関数として式(16)で与えられる。式(16)は、本発明におけるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳに十分に適したモデル関数であり、ＦＣＩＳシステムの変調周波数応答及びパルス応答を共に特性化する。
（外２４）
0006263637.tif 000036
を考慮すれば、積分球及び第１フォトダイオードから成るＦＣＩＳ全体の変調周波数応答関数は、０から１MHzまでに及ぶ周波数範囲については、ζpd_1(ｆav)にζFCIS(ｆav)≒ηdiffuseを乗算することによってζpd_1(ｆav)のみから成る。しかし、本発明において提示する方法は、ζFCIS(ｆav)≒ηdiffuseを除外する利点を与える。パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの変調周波数応答を考慮することによって次式のようになり、この式は最終的な等式であり、本発明ではこの等式によって平均パルスエネルギーを計算する。
【数１２】
0006263637.tif 000037
【００４３】
ここで、
（外２５）
0006263637.tif 000038
が、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＩＳの動作周波数範囲に比べて非常に高く、この動作周波数範囲は、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーの測定では１MHzまでであり、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳに対する市販のレーザーエネルギーメーターの較正では２kHzであることにより、項
（外２６）
0006263637.tif 000039
は式(16)中に含めない。このことは１MHzの繰り返し周波数の範囲についても有効である。
（外２７）
0006263637.tif 000040
は、光パワー伝達の標準器に対するＦＣＩＳの較正から定まる。光パワー伝達の標準器に対するＦＣＩＳ式ＬＥＭＳの直接的なスペクトル応答度の較正は、「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外２８）
0006263637.tif 000041
の測定」の節において説明し、式(16)中のηdiffuseを除外する、というのは、
（外２９）
0006263637.tif 000042
はＦＣＩＳ内部で拡散反射する光束から得られ、
（外３０）
0006263637.tif 000043
g中のηdiffuseは式(16)中の分母にあるからである。
【００４４】
第１フォトダイオード中にゼロ線（０の値）付近で変動するバックグラウンド電流Ｉbcが存在する場合、このバックグラウンド電流をＩavから減算して、パルス型レーザー源によって生成されるガウス・レーザーパルスによって生じる平均光電流の正しい値を得る。デューティサイクル＝ｆav・ＰＷav＝(Ｎ・ＰＷav)／Ｔavであり、本発明におけるパルス型レーザー源が発生する無限個のパルス列についてはＮが１である。ＰＥav(ｆav)及び平均繰り返し周期Ｔav(s)が、電位計の平均時間、及びパルスエネルギー測定中にオペレータによって調整される時間間隔カウンタによって決まる時間間隔内で測定されることにより、直接平均をとった値が存在する。
【００４５】
注：時間／周波数関係のパラメータは、ｆ(Hz)、Ｔ(s)、ＰＷ(s)、ＤＴ(s)であり、文中に記載され、これらは時間平均値ではない。しかし、ｆav(Hz)、Ｔav(s)、ＰＷav(s)、及びＤＴ(s)のパラメータは時間平均値であり、ｆ(Hz)、Ｔ(s)、ＰＷ(s)、ＤＴ(s)である時間／周波数関係のパラメータの測定値から、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの時間間隔カウンタを用いて、オペレータによって調整された時間間隔内で得られる。
【００４６】
式(16)中の時間／周波数関係の測定（Ｔav及びｆav）は、市販の時間間隔カウンタを通して、133Ｃｓ（または87Ｒｂ）周波数標準器に合わせて追跡可能であり、これらの測定は、第２フォトダイオードと称する高速応答型フォトダイオードの従来の積分球内への新規な配置により、第１フォトダイオードの比較的低いカットオフ周波数の影響、及びパルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームがＦＣＩＳの拡散性の内面上に衝突した後に拡散反射する照射の消散率Ｐ(ｔ)に対するＦＣＩＳの時定数の影響を完全に除外することによって、直接的に実行される。この除外は、Ｚｒフェルールを有する第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードを取り付けたＦＣＩＳ内部に配置された小型半球の助力により実現され、この小型半球のコア径は６２．５μmであり、このことは、より高いピークレーザーエネルギー用に使用される積分球に適用可能であり、この積分球の内径は１５cmよりも大きい。ＦＣＩＳの入射ポートと鋼製半球の中心位置とは同じ光軸上で一致し、光パルスは、まず小型鋼製半球の中心上に据え置かれたＺｒフェルール上に当たる。時間／周波数関係の測定は、パルス型レーザー源のパルス衝突及びチョップ型レーザー源のパルス衝突については、第２フォトダイオード、高速電流−電圧変換器、及び時間間隔カウンタの組合せによって直接実行される。この構成により、時間測定のすべてが、ＦＣＩＳの積分球の時定数（τ＝３ns）なしに、そして平均パワーＩavを測定するために使用する第１フォトダイオードの時定数ＲeqＣeq≒１６×１０-8s（１６０ns）なしに実行される。本発明の１つの好適例として、式(16)中のＩavの測定は電位計によって実行され、この電位計のトレーサビリティは、プライマリー（基本的）な抵抗標準器、量子ホール系によってもたらされ、かつプライマリーな直流電圧標準器、ＤＣジョセフソン系によってもたらされる。第１フォトダイオードを通したＦＣＩＳのスペクトル応答度、式(16)中では
（外３１）
0006263637.tif 000044
に相当するＦＣＩＳの光パワースケールのトレーサビリティは、光パワー伝達標準器、ＩｎＧａＡｓ系スペクトラロン球放射計によって提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
0006263637.tif 000045
【発明を実施するための形態】
【００４８】
ここでは、一実施形態として構成されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の細部を提示し、このＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーを測定するために使用され、かつ市販のレーザーエネルギーメーター９９９を、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の構造内のチョップ型レーザー源６００が発生する基準平均エネルギーで較正するために使用され、レーザーエネルギーメーター９９９はプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能である。
【００４９】
本発明の主題であるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１を図２に完全に示す。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の構造体は、図４に詳しく示すＦＣＩＳ１００の構成、図５に詳細に示す第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０を取り付けた小型鋼製半球、図６ａ及び図６ｂに詳細に示す、ＤＣモーター５９９に装着可能な９つの別個のチョッパ９０１〜９０９、電位計１１９、時間間隔カウンタ１３５、オシロスコープ１３０、機械的アテネータ１７０、アライメント（位置合わせ）複合体１６２、及び図１及び図２に示す第２ＭＭ光ファイバー・パス（経路）コードから成る。汎用の測定器具及び装置である電位計１１９、時間間隔カウンタ１３５、オシロスコープ１３０、機械的アテネータ１７０、アライメント複合体１６２、第１ＭＭ光ファイバー・パスコード１５０、及び第２ＭＭ光ファイバー・パスコード１６０を本発明から個別に除外しても、これらは、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定手順用、及びＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳのチョップ型レーザー源６００基準平均パルスエネルギー
（外３５）
0006263637.tif 000046
８４５を用いることによって実行される市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正用に共に含まれ、これらのすべてが図７に例示するプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能である。
【００５０】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によるパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の追跡可能な測定に加えて、平均パルスエネルギーを測定する市販のレーザーエネルギーメーター９９９の追跡可能な較正は、チョップ型レーザー源６００を用いて発生する基準平均パルスエネルギー
（外３６）
0006263637.tif 000047
８４５によって実行され、チョップ型レーザー源６００はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の一部である。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１による市販のレーザーエネルギーメーター９９９の追跡可能な較正の方法は本発明に含まれる。本発明は、次の３つの項目に要約される；
【００５１】
１）図１に示すパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０を測定するために設計されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の平均パルスエネルギー測定部が、本発明ではＦＣＩＳ１００と称する１５０mmの直径を有するＡｌ積分球、図４に細部を示すＦＣＩＳ１００の内部に装着され、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードのＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルールを取り付けた小型鋼製半球１１０、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿２ １０２上に装着された第１フォトダイオード１２０が発生する光電流Ｉav３００を測定することができる電位計１１９、Ｚｒフェルール１４０を有する第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０を通してＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿３ １０３上に装着された第２フォトダイオード１２９から成り、第２フォトダイオード１２９は、図１中の時間間隔カウンタ１３５及びオシロスコープ１３０と共に時間及び周波数測定において使用される。
【００５２】
２）市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正用の基準平均パルスエネルギー
（外３７）
0006263637.tif 000048
を発生するチョップ型レーザー源６００を構成する一連の別個のチョッパ９０１〜９０９であるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の構成、直前の項目「１）」に記載したすべての装置、すべての部分、すべての構成を伴う。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の全体を図２に示す。ＤＣモーター５９９と、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の一連の別個のチョッパとの組合せを用いて、図２及び図３中のＣＷレーザー源８００から無限個のパルス列を発生するチョップ型レーザー源６００を確立して、市販のレーザーエネルギーメーターをＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１に対して較正し、この較正はプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能であり、各チョッパは図６ａ及び図６ｂに示す個別のデューティサイクルを有する。簡潔に言えば、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のチョップ型レーザー源６００は、市販のレーザーエネルギーメーター９９９を較正するための基準平均パルスエネルギー
（外３８）
0006263637.tif 000049
を発生する。
【００５３】
３）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によるパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定方法、及びＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のチョップ型レーザー源６００に対する市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正方法、これらの方法は共にプライマリーレベルの標準器に対して追跡可能である。
【００５４】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１が一実施形態であることにより、特性、及び異なるデューティサイクルを発生するチョッパ数の変化は、本発明の根本原理を阻害しない。これに加えて、本明細書に記載するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１は一実施形態であり、第１フォトダイオード１２０及び第２フォトダイオード１２９の上側カットオフ周波数は、本明細書に記載する本発明の根本原理を阻害せず、従って、そのカットオフ周波数が１MHz及び６GHzであるこれらのフォトダイオードは、真に間違いなく良い方向に向かう。これに加えて、本明細書に詳述する第１フォトダイオード及び第２フォトダイオードは共に、用途に関与するレーザーのスペクトルパワー分布に応じて、異なる種類の半導体検出器と交換することができる。
【００５５】
１．ＦＣＩＳの詳細
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００は３つのポートを有する：これらはレーザー入射ポート１０１（ポート＿１）、平均光パワー測定ポート１０２（ポート＿２）、及び時間／周波数関係測定ポート１０３（ポート＿３）である。これらのポートは、図４に示すようにＦＣＩＳの同じ赤道線上に存在する。
【００５６】
ポート＿１
ポート＿１ １０１の直径は８mmである。図１のパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定において、図２のチョップ型レーザー源６００の基準平均パルスエネルギー
（外３９）
0006263637.tif 000050
の測定において、及び図８のＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９によるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外４０）
0006263637.tif 000051
の測定において、ビームウエスト（ビーム周囲長）及び合計ビーム径を考慮することによって、ポート＿１の直径８mmは、図１、図２、及び図８に順に示すパルス型レーザー源５００パルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、ＣＷレーザー源８００が全く接触なしにＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００に入射することを可能にする。図１、図２、及び図８中の点ｚ＝０、ポート＿１ １０１、及び小型鋼製半球１１０の中心の間では、距離とビーム広がりとの相関が、パルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップされたレーザービーム６０１、及びＣＷガウス・レーザービーム７９９の非接触の通過をもたらすはずである。
【００５７】
ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービームについてのビームウエスト及びビーム広がりに関して行うべき次の計算も、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定のために考慮に入れ、これらのビームウエスト及びビーム広がりは、図６ａ及び図６ｂに示す一連のチョッパ９０１〜９０９を用いて図２のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のチョップ型レーザー源６００を構成するために用いられ、チョップ型レーザー源６００は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１に対する市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正において用いられる基準平均パルスエネルギー
（外４１）
0006263637.tif 000052
８４５を発生する。
【００５８】
図８のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外４２）
0006263637.tif 000053
３２０の測定では、そして図６ａ及び図６ｂに示す９つの異なるチョッパ９０１〜９０９を用いて得られる図２の市販のレーザーエネルギーメーター９９９の追跡可能な較正では、４つの分布帰還型（ＤＦＢ：distributed feedback）レーザーダイオードを使用し、これらの各々は、本発明における一実施形態として構成されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１内のＣＷレーザー源８００と称され、これらの各々は９０８．０nm、１０６４．０nm、１３０９．０nm、及び１５４９．０nmで個別に発光し、これら４つのすべてが、個別のコリメータに取り付けられた個別のシングルモード（ＳＭ：single mode）光ファイバー・パッチコード８７６を有する。
【００５９】
これら４つのレーザーダイオードの光ファイバー・パッチコード内部のシングルモード伝搬は、擬似電気的横波（ＴＥ：transverse electric）モード（ＬＰ01）ＨＥ11の電磁界分布を意味し、より高次のモードはない。シングルモード光ファイバーの出力における、ガウス・ビームプロファイルに相当する放射照度分布の幅（ビームウエストｗ(ｚ)、照射レベルの１／ｅ2（１３．５３％）点）の変化は、パッチコードの関連するシングルモード光ファイバーの開口数の関数であり（非特許文献５）、放射照度分布のこれらのビームウエストは、ファイバーの端からの距離ｚ、波長及びＤＦＢレーザーについては比較的狭いスペクトル帯域幅に応じて広がる。ガウスビームのビーム広がりはθ＝Arctan(ｗ(ｚ)／ｚ)のように(rad)（ラジアン）または(deg)（度）単位で記述され、ここにｗ(ｚ)は、各ＣＷレーザー源８００のコリメータ８７６付きシングルモード（ＳＭ）光ファイバー・パッチコードから出るレーザービームの伝搬経路上の任意距離ｚ(mm)におけるビームウエストである。合計ビーム広がりは２θに等しい。
ｗ(ｚ＝０)=２．０ｍｍ、（波長）９８０．０nmでのビーム広がり１．２０mrad、
ｗ(ｚ＝０)=２．４ｍｍ、１０６４．０nmでのビーム広がり１．５０mrad、
ｗ(ｚ＝０)=２．７ｍｍ、１３０９．０nmでのビーム広がり１．５０mrad、
ｗ(ｚ＝０)=２．８ｍｍ、１５４９．０nmでのビーム広がり１．５２mrad。
【００６０】
コリメータ８７６付きのシングルモード（ＳＭ）光ファイバー・パッチコードの出力と小型鋼製半球１１０の中心との間の３００mmの距離について、ビーム広がりの計算を実行する。３００mmの距離は、ｚ＝０から小型鋼製半球１１０の中心までに及ぶ距離を意味し、この中心に０．１mmの直径を有する小径ピンホールが穿孔され、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０が、小型鋼製半球１１０の中心位置の、小型鋼製半球１１０の中心表面から０．２mm下がった所にある、図４及び図５に示す停止位置に配置されている。この場合、小型鋼製半球１１０の中心における３００mmの距離について、関連する広がりを有する合計ビームウエストは次のように計算される：
【００６１】
（波長）９８０．０nmのＣＷレーザー源８００については、合計ビーム広がり２θ＝０．７２mm、及び合計ビームウエストは２．７２mm、
【００６２】
１０６４．０nmのＣＷレーザー源８００については、合計ビーム広がり２θ＝０．９０mm、及び合計ビームウエストは３．３０mm、
【００６３】
１３０９．０nmのＣＷレーザー源８００については、合計ビーム広がり２θ＝０．９０mm、及び合計ビームウエストは３．６０mm、
【００６４】
１５４９．０nmのＣＷレーザー源８００については、合計ビーム広がり２θ＝０．９２mm、及び合計ビームウエストは３．７２mm。
【００６５】
ポート＿２
図４に示すように、ポート＿２ １０２は開口であり、その直径は２mmである。第１フォトダイオード１２０がポート＿２ １０２内に配置されている。それぞれが図３中パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００のいずれかの平均光パワーＰav３０１に関連する、平均光電流Ｉav３００、及び
（外４３）
0006263637.tif 000054
８４２の測定は、電位計１１９に接続された第１フォトダイオード１２０を用いて実行され、電位計１１９はサブフェムトアンペア（fA以下）のレベルを高精度モードで測定することができる。Ｉav３００及び
（外４４）
0006263637.tif 000055
８４２とラベル付けした平均光電流に加えて、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の第１フォトダイオード１２０は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の追跡可能なスペクトル応答度
（外４５）
0006263637.tif 000056
３２０の較正中に、図８に示す光電流Ｉresp２００を発生する。第１フォトダイオードの光電流Ｉresp２００は、Ｉresp２００をＰcw_resp(λ)２０１で除算することによってＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外４６）
0006263637.tif 000057
３２０を導出するために用いられ、Ｐcw_resp(λ)２０１は光パワー伝達の標準器８０９から直接得られる。
【００６６】
ポート＿２ １０２に装着された第１フォトダイオード１２０は、その飽和レベルを７mWと考えることによって、〜１５８Wの平均光パワーまでの飽和なしにポート＿１から入射するパルス状のガウス・レーザービーム、チョップされたガウス・レーザービーム、及びＣＷガウス・レーザービームの放射照度レベルに比例する光電流を発生する。第１フォトダイオード１２０によって生成される光電流は電圧に変換され、電位計１１９によって平均化される。ポート＿２ １０２にある第１フォトダイオード１２０は１MHzまでの繰り返し率で動作することができ、１MHzが第１フォトダイオード１２０のカットオフ限界である。第１フォトダイオード１２０のパルス応答特性及び変調周波数応答特性についての詳細は、「背景」及び「概要」の節で紹介されている。本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳでは、ポート＿２ １０２に配置された第１フォトダイオード１２０は、式(16)のみにおいて、パルス型レーザー源５００／チョップ型レーザー源６００の平均光パワーＰav３０１から生じる平均光電流Ｉav３００及び
（外４７）
0006263637.tif 000058
８４２を測定するためにしか用いない。パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００の時間／周波数関係のパラメータを測定するに当たり、ポート＿２ １０２にある第１フォトダイオード１２０は何の役割も果たさず、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の第１フォトダイオード１２０の主要かつ唯一の役割は、図３に示すように、パルス型レーザー源／チョップ型レーザー源の平均光パワーレベルＰav３０１に比例する平均光電流Ｉav３００及び
（外４８）
0006263637.tif 000059
８４２を測定することだけである。さらに、式(16)によれば、ポート＿２ １０２に装着された第１フォトダイオード１２０のスペクトル応答度に相当する、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０及びチョップ型レーザー源６００の基準平均パルスエネルギー
（外４９）
0006263637.tif 000060
８４５を計算するために必要な、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのスペクトル応答度
（外５０）
0006263637.tif 000061
３２０の測定は、ＣＲ８０３に対して較正された光パワー伝達の標準器と直接比較することによって実行され（非特許文献１）、第１フォトダイオード１２０は、スペクトル応答度
（外５１）
0006263637.tif 000062
３２０の測定プロセスにおいて平均光電流Ｉresp２００を生成する。
【００６７】
ポート＿２ １０２に装着された第１フォトダイオード１２０によって生成されるすべての発生平均光電流Ｉav３００、
（外５２）
0006263637.tif 000063
８４２及びＩresp２００が電位計１１９によって収集されて平均化され、電位計１１９は、図７に示す基準抵抗ブリッジを通して、量子ホール抵抗標準器及びＤＣジョセフソン電圧標準器に合わせて追跡可能である。Ｉav３００、
（外５３）
0006263637.tif 000064
８４２、及び
（外５４）
0006263637.tif 000065
３２０についてのトレーサビリティ連鎖も図７に例示する。
【００６８】
ポート＿３
図１及び図２に示すように、機械的アテネータ及び第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードを通してＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００に連結された第２フォトダイオード１２９を使用する目的は、ｉ）パルス型レーザー源５００／チョップ型レーザー源６００の時間／周波数関係の測定を、ＦＣＩＳ１００の時定数の影響なしに、かつ第１フォトダイオード１２０の比較的低いカットオフ周波数の影響なしに実行すること、及びｉｉ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の光軸３９８を、パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の光軸と高度な反復性をもって一致させて、測定の高い再現性を得ることにある。ＰＥav８４０及び
（外５５）
0006263637.tif 000066
８４５の測定中の、パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００の時間／周波数関係の測定に加えて、第２フォトダイオード１２９は、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定中、市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正のためのチョップ型レーザー源の基準平均パルスエネルギー
（外５６）
0006263637.tif 000067
８４５の測定中、及び光パワー伝達の標準器８０９に対するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の
（外５７）
0006263637.tif 000068
３２０の測定中に、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の光軸３９８を、図１、図２及び図８中のポート＿１からＦＣＩＳ内部に入射するパルス式レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の光軸３９８と高度な反復性をもって一致させるためにも用いられる。
【００６９】
第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＦＣ／ＰＣコネクタ側は機械的アテネータ１８０の入力に結合され、そして機械的アテネータ１８０の出力は、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１６０を通して第２フォトダイオード１２９に結合される。第２フォトダイオード１２９が発生する光電流は、高速応答型電流−電圧変換器１２７によって電圧に変換される。第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０は、小型鋼製半球１１０の内側中心面に装着され、この内側中心面からポート＿１ １０１が直接見え、この内側中心面はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００内部の赤道線上にある角度で、即ち本発明では図４に示す２５°で置かれる。ＦＣＩＳ１００内部の小型鋼製半球１１０のこうした傾きにより、Ｉav８４０、
（外５８）
0006263637.tif 000069
８４５、及びＩresp２００を測定するために使用する第１フォトダイオード１２０は、ポート＿１ １０１内に入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム及びチョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１の第１（初回の）反射から保護される。光パワー伝達の標準器８０９に対するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外５９）
0006263637.tif 000070
３２０の測定において使用するＣＷレーザー源のＣＷガウス・レーザービームについても同じ方法が有効であり、図４に示すように十分に拡散反射されたビーム１４８が、２mmの直径を有するポート＿２ １０２に装着された第１フォトダイオード１２０の有効領域上に降り注ぐ。第１反射１４９は、第１フォトダイオード１２０とは反対側の壁面に向けて行われ、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の壁面はＢａＳＯ4でコーティングされ、このビームを反射し、このビームはまず、小型鋼製半球１１０の研磨／鏡面化された内面、即ちＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の内面の中心から拡散反射する。これに加えて、ポート＿１ １０１を通ってＦＣＩＳ１００内に入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１、またはチョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、あるいはＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９は、傾いた、即ち本発明では２５°の小型鋼製半球１１０上に当たり、同じ赤道線上に据え置かれた第１フォトダイオード１２０とは反対側の壁面に向けて鏡面反射される。小型鋼製半球１１０の中心上に当たるパルス状のガウス・レーザービーム５０１、またはチョップされたガウス・レーザービーム６０１、あるいはＣＷガウス・レーザービーム７９９は歪み始め、これらのビームのビームウエストは、小型鋼製半球１１０の中心に当たった後に、小型鋼製半球１１０の内側の湾曲、及び小型鋼製半球１１０の中心に小径ピンホール１０９が存在することに起因して拡大し始める。第１反射ビーム１４９のこうした歪み及び拡大は、相対的に非常に大きい領域を、ＢａＳＯ4１０５でコーティングされた壁面上に形成する。ＦＣＩＳ１００の内部の小型鋼製半球１１０の、この種の位置決め及び使用は、ＦＣＩＳ１００のＢａＳＯ4１０５でコーティングされた壁面１０５を損傷させないために非常に実用的であり、さらに、本発明では、ＦＣＩＳ１００の内面で十分な拡散反射が生じて、本発明における測定の再現性を増加させる。
【００７０】
図４に詳細に示すように、ポート＿３ １０３は、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のフェルール１４０が、小型鋼製半球１１０の内面から０．２mm下がった位置まで延びるように穿孔され、フェルール１４０の長さは１０mm、直径は２．５mmである。第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０はＳｉＯ2コアを有し、その直径は６２．５μmである。ポート＿１ １０１を通ってＦＣＩＳ１００内に入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１の頂点（クレスト）、またはチョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１の頂点、あるいはＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点は、図１、図２、及び図８に示すように、アライメント複合体１６２によって第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０の先端上に連続的に降り注ぐ。次に、図１、図２、及び図８に示すＦＣＩＳ１００の光軸３９８と、パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の光軸とを、アライメント複合体１６２を用いて、オンライン追跡によって、そして第２フォトダイオード１２９に結合された高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力における電圧振幅をオシロスコープ１３０のスクリーン上で最大にすることによって一致させる。この相対的な信号振幅は、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１の頂点、またはチョップ型レーザー源６００のチョップされたレーザービーム６０１の頂点、あるいはＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点が、小型鋼製半球１１０の中心上に配置されたＺｒフェルール１４０に直接当たる／降り注ぐことを意味する。本発明におけるこうしたプロセス及び構成は、測定の再現性及び反復可能性を大幅に増加させる。Ｉav３００、
（外６０）
0006263637.tif 000071
８４２、及びＩresp２００の測定中に、ポート＿１ １０１から入るパルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の光軸を、ポート＿３上の第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０のコア上に位置する光軸３９８と一致させることは困難である。この困難を克服するために、本発明では、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０、機械的アテネータ１７０、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１２９、及び高速応答型電流−電圧変換器１２７を取り付けた小型鋼製半球１１０を設計して従来の積分球に装着し、この積分球は、図４及び図５に例示するように第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０を取り付けた小型鋼製半球１１０を備え、本発明ではファイバーカップル積分球１００（ＦＣＩＳ）と称する。図４中のＡsh＝１３３mm2の閉じた円形領域５２０を有する小型鋼製半球１１０は、１３３mm2の広幅円形ターゲット領域５２０を有するターゲットとして挙動する。小型鋼製半球１１０の内面が化学的かつ機械的に研磨／鏡面化されていても、小型鋼製半球１１０の内面に当たる高強度のパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の一部分は、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０を通って第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０内へ発射され、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０の光ファイバーの比較的高い開口数、小型鋼製半球１１０の残り（第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０以外の部分）の拡散反射特性及び内面の湾曲のおかげで、これらのすべてが、パルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷガウス・レーザービーム７９９の一部分の、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコードのＺｒフェルール内への発射のための構造的利点をもたらす。パルス状のガウス・レーザービーム５０１、またはチョップされたガウス・レーザービーム６０１、あるいはＣＷガウス・レーザービーム７９９の上記第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０内へ発射されて第２フォトダイオード１２９によって検出される部分が不十分である場合、上記光軸を一致させるプロセスは、パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の光軸と、ポート＿３ １０３上で小型鋼製半球の内面の中心に延びる光軸３９８との間のアライメント複合体１６２によって実行する。このアライメント（位置合わせ）プロセスによって、ポート＿３上の小型鋼製半球の中心にある直径０．１mmの小径ピンホール１０９を通ってポート＿１に入射するパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点が同じ光軸３９８上で一致し、上記の最大にするプロセスは、第２フォトダイオード１２９によって検出される最大輝度が得られてオシロスコープ１３０のスクリーン上に見られるまで継続する。最大輝度が得られ次第、ポート＿１ １０１か���入射するパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点が、直径０．１mmの小径ピンホールが穿孔された小型鋼製半球１１０の内面の中心に直接当たることが判定される。この場合、Ｉav３００、
（外６１）
0006263637.tif 000072
８４２、及びＩresp２００の測定を、第１フォトダイオード１２０と電位計１１９との組合せによって実行する際に、パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００の時間／周波数関係の測定は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の第２フォトダイオード１２９、高速応答型電流−電圧変換器１２７、及び時間間隔カウンタ１３５の組合せによって実行する。機械的アテネータ１７０を通して小型鋼製半球１１０に取り付けられた第１ＭＭファイバー・パッチコード１５０及び第２ＭＭファイバー・パッチコード１６０のこうした構成により、ＰＥav８４０、
（外６２）
0006263637.tif 000073
８４５、及び
（外６３）
0006263637.tif 000074
３２０の計算のために必要な光電流パラメータＩav３００、
（外６４）
0006263637.tif 000075
８４２、及びＩresp２００の測定の再現性が、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９のようなＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳにおける用途に応じて、関連するガウス型レーザー源のいずれについても相対的に向上する、というのは、第２フォトダイオード１２９の光電流をオシロスコープ１３０のスクリーン上で最大にすることによって同一の光軸３９８が実現されるからである。第２フォトダイオード１２９からの最大光電流は、ポート＿１ １０１からＦＣＩＳ１００内に入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９のピーク照射位置（頂点）が、小型鋼製半球１１０の内面まで延びる第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０の６２．５μmのコアと一致し次第、図１、図２、及び図８中のアライメント複合体１６２を調整することによって得られる。第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０の先端は、小型鋼製半球１１０の内面から０．２mmだけ下がった所に配置され、即ち、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０は小型鋼製半球１１０の中心の後方に置かれている。ガウス・レーザービーム５０１、６０１、７９９を第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０内に発射するために、図４に示す０．１mmの直径を有する小径ピンホール１０９を、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０のコアがこの小径ピンホール１０９と中心が合うように穿孔して、
ＰＥav８４０、
（外６５）
0006263637.tif 000076
８４５、及び
（外６６）
0006263637.tif 000077
３２０の測定中に、高速応答型電流−電圧変換器１２７に連結された第２フォトダイオード１２９の相対的な出力信号レベルをオシロスコープ１３０のスクリーン上で直接観測することによって、まず、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９を、アライメント複合体１６２を用いて、この小径ピンホール１０９に向ける。パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００のＰＥav８４０及び
（外６７）
0006263637.tif 000078
８４５の測定中には、オシロスコープ１３０のスクリーン上の最大信号は図３中のＰ0’４０１であり、図８のようなＣＷレーザー源８００については、
（外６８）
0006263637.tif 000079
３２０の測定中に、オシロスコープ１３０のスクリーン上の最大信号は
（外６９）
0006263637.tif 000080
１９８である。本発明では、チョップ型レーザー源６００は、ＣＷレーザー源８００から一連のチョッパ９０１〜９０９を用いることによって作り出されるので、上記の光軸一致プロセスは、ＣＷレーザー源８００を用いることによって、
（外７０）
0006263637.tif 000081
８４２及び結果的に
（外７１）
0006263637.tif 000082
８４５を測定する直前にＣＷガウス・レーザービーム７９９をチョップすることなしに直接実行することができる。この点は、「Ｃ）チョップ型レーザー源を用いることによる市販のレーザーエネルギーメーターの較正」の節において明らかにする。小型鋼製半球１１０の内面から反射したパルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００のガウス・レーザービーム５０１、６０１、７９９は、ＦＣＩＳ１００のほぼ同じ領域に向かって繰り返し反射し、図４中では第１反射１４９としてラベル付けされ、このことは、ＰＥav８４０、
（外７２）
0006263637.tif 000083
８４５、及び
（外７３）
0006263637.tif 000084
３２０の結果を生じさせるＩav３００、
（外７４）
0006263637.tif 000085
８４２、及びＩresp２００の測定において、第２フォトダイオード１２９によって実行される時間／周波数関係のＴav３３０、ｆav３３１、
（外７５）
0006263637.tif 000086
８４４、及び
（外７６）
0006263637.tif 000087
８４３の測定と共に、光軸合わせプロセスのより高い反復可能性及び再現性をもたらす。Ｔav３３０、ｆav３３１はＰＥav８４０に関連するパラメータであり、ＰＥav８４０はパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーである。
（外７７）
0006263637.tif 000088
８４４及び
（外７８）
0006263637.tif 000089
８４３は
（外７９）
0006263637.tif 000090
８４５
に関連するパラメータであり、
（外８０）
0006263637.tif 000091
８４５は、市販のレーザーエネルギーメーターの較正において使用するチョップ型レーザー源の基準平均パルスエネルギーである。本明細書に記載したものと同一のビームウエスト及び広がり特性を有する図８中のＣＷレーザー源８００については、代表的には、ＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１から入射して小型鋼製半球１１０の中心上に降り注ぐＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９のＰcw_resp≒４mWの光パワー２０１、０．１mmの直径を有する小径ピンホール１０９を通って第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０内へ発射される光パワー
（外８１）
0006263637.tif 000092
１９８が、図８に示すように第２フォトダイオード１２９に連結された高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力における１０mVの最大ＤＣ電圧を生じさせ、この電圧は、本発明におけるすべての測定中に、オシロスコープ１３０のスクリーン上で追跡される。このことは、パルス型レーザー源５００、及びチョップ型レーザー源６００については１０mVのパルスピークパワーＰ0’にも相当する。Ｐcw_resp≒４mWの光パワー２０１と一致するオシロスコープ１３０のスクリーン上の〜１０mVの最大ＤＣ電圧は、一般に、ＣＷレーザー源８００の光軸とＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１についての光軸３９８との光学的アライメント（位置合わせ）の最良状態に相当すると言われ、本発明ではポート＿１ １０１は直径８mmの円形開口である。これらの代表値は、本発明におけるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の光学的アライメント手順を運用する方法用に与えられる。
【００７１】
図４に示すように、小型鋼製半球１１０は、その中心に第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０が配置され、第１フォトダイオード１２０と反対側の壁面に向かって、即ち２５°傾斜して、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１及びチョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１の第１反射が第１フォトダイオード１２０上に降り注ぐことを防止する。小型鋼製半球１１０の直径は１３mmであり、小型鋼製半球１１０の円形ターゲット領域５２０はＡsh＝π(１３／２)2＝１３３mm2である。小型鋼製半球１１０が第１フォトダイオード１２０と反対側の壁面に向かって、即ち２５°だけ傾斜していることにより、ポート＿１ １０１から入射するガウス・レーザービーム５０１、６０１、７９９からはＡsh＝１３３mm2の円形領域５２０が見えない。１３３mm2の代わりに、ポート＿１ １０１からは、１３３mm2×cos(２５°)＝１２０．５４mm2の有効な円形領域が見える。
【００７２】
小型鋼製半球１１０の内面は機械的かつ化学的に研磨／鏡面化されている。研磨プロセスによる小型鋼製半球１１０の内面の反射率の増加は、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１及びチョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１によって小型鋼製半球１１０の内面に温度増加が生じることを防止する。小型鋼製半球１１０の研磨された内面における電磁エネルギーの侵入深さ（侵入度）は極めて小さく、パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００の電界は、小型鋼製半球１１０の研磨／鏡面化された表面上の極めて小さい表面深度上に表面電荷を誘導する。このことは、小型鋼製半球１１０の内部に電荷がないことにそのまま相当し、パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００の光周波数と同一の光周波数で振動するこの表面電荷によって二次的な電磁波が誘導される。小型鋼製半球１１０の内面及び融点が１８５５℃であるＺｒフェルール１４０と空気との境界面から反射したパルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００のこうした二次的な波動伝搬は、散乱波を生じさせ、従って、小型鋼製半球１１０の傾き、即ち本発明では２５°により、ＦＣＩＳ１００内部の第１フォトダイオード１２０と反対側の壁面に向かって反射する。金属内への電磁波の吸収はポールドルーデ（Paul Drude）のモデルに合わせて行われ、このモデルは、金属中の電磁波によってまず加速された自由電子は、他の格子欠陥と共に光子衝突によって減速され、電磁波の偏波、ビームの入射角、粗さのような表面特性、電磁波の周波数、金属の導電率、及び金属の温度の強い関数である、という思想に基づく。図５に、ステンレス鋼内部へのエバネセント波の侵入のような侵入深さを濃い灰色で例示する。三次元空間では、ステンレス鋼の吸収体積を、熱伝導によってステンレス鋼体内に伝達されるエネルギー、及び小型鋼製半球１１０のステンレス鋼体内部の温度増加の推定のための錐体として考えることができる。ポールドルーデのモデルに加えて、フレネル（Fresnel）公式も上述した金属表面の吸収特性に役立ち、フレネル公式は、上述したモデルの光学的定数に関して、波長依存性のｐ−及びｓ−偏波状態について書かれる。可視及びＩＲ（infrared：赤外）電磁界については、金属中への電磁波の侵入深さはおよそ２０〜３０ナノメートルである。しかし、電磁エネルギーが強度に吸収される代表的な侵入深さは、小型鋼製半球の研磨された内面の表面粗さ、不純物、酸化物含有量、表面温度、及びあり得る表面欠陥を考慮することによって２００〜３００ナノメートルのオーダーと想定され、これらのすべてが、パルス型レーザー源の入射光ビームを金属体内部に捕捉させて、ステンレス鋼体内部の温度増加を生じさせる。従って、本発明における計算では、表面粗さ及び上述した他の悪影響のあるパラメータを考慮に入れれば、関連するレーザーエネルギーが小型鋼製半球の内面の２００〜３００ナノメートル内に閉じ込められて吸収されるものと仮定することができる。（波長）９８０nmのＩＲレーザーについては、５００nmの侵入深さが、金属内への電磁エネルギーの吸収に強く悪影響する表面粗さ、不純物、酸化物含有量、��面温度、及び表面欠陥と共に、現実的な扱い方であり、この侵入深さは、原子間力顕微鏡検査及びモンテカルロ（Monte Carlo）シミュレーションの結果から得られたデータ中に見られる（非特許文献６）。この部分に記載する「侵入深さ」とは、小型鋼製半球の研磨された内面の閉じ込めの体積として考えるべきであり、この体積内にあらゆるパルス状のガウス・レーザービームが強度に吸収されて、小型鋼製半球内部の温度増加に直接変換される。本発明における１つの重要な点は、小型鋼製半球１１０の閉じ込めの体積内の温度増加を計算することであり、この閉じ込めの体積は、小型鋼製半球のターゲット点上におけるパルス型レーザー源のビームサイズ及び５００nmの侵入深さによって包囲され、ある程度の表面粗さを伴う。小型鋼製半球１１０のターゲット点上におけるパルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００のビームサイズが錐体の底面直径に相当し、９８０nmについては最悪の場合で２．７２mmと計算される。小型鋼製半球１１０の本体内の上記包囲された体積が、円柱ではなく錐体の体積
（外８２）
0006263637.tif 000093
であるものと仮定することによって、最悪の場合及びシナリオについて次の計算が実行される。最大の単パルスエネルギー
（外８３）
0006263637.tif 000094
は、パルス型レーザー源５００のパルスエネルギーの最大値に相当し、１００mJであり、小型鋼製半球１１０の化学的かつ機械的に研磨された内面の代表的な全（鏡面＋拡散）反射率は、電磁スペクトルの近ＩＲ（近赤外）領域については９５％である。小型鋼製半球１１０の材料であるステンレス鋼の融点は１５１０℃である。小型鋼製半球１１０はステンレス鋼から製造され、ステンレス鋼の比重ρsteelは７８５０kg/m3である。ステンレス鋼の比熱ｃsteelは４９０J/(kgK)であり、金属内の電子移動度の関数である熱伝導率は２３W/(mK)である。
【数１３】
0006263637.tif 000095
【００７３】
パルス型レーザー源５００の電磁界が侵入する上記錐体の体積
（外８４）
0006263637.tif 000096
及び質量
（外８５）
0006263637.tif 000097
は次式のように計算される。
【数１４】
0006263637.tif 000098
【００７４】
１００mJの単パルスについては、温度増分は次式によって計算される。
【数１５】
0006263637.tif 000099
【００７５】
小型鋼製半球１１０の鏡面の反射率は〜９５％である。この場合、ステンレス鋼によって吸収されるエネルギーは、１００mJの
（外８６）
0006263637.tif 000100
については、およそＰＥabsorb＝５mJである。ステンレス鋼の上記包囲された錐体の体積内に吸収される５mJのエネルギーＰＥabsorbから生じる温度増分ΔＴは次式のようになる。
【数１６】
0006263637.tif 000101
【００７６】
１００mJの
（外８７）
0006263637.tif 000102
によって、小型鋼製半球１１０の本体内の上記包囲された錐体の体積内に１３９８Kの温度増分が生じると、この温度増分は小型鋼製半球１１０の全鋼製の本体内で消散され、小型鋼製半球１１０の全質量は１３gであり、小型鋼製半球１１０は３．９cm2（２．１cm×１．８５cm及びその厚さ３mm）を有して、小型鋼製半球１１０の上記包囲された錐体の体積のためのヒートシンクとして挙動する。小型鋼製半球１１０の上記包囲された錐体の体積のためのヒートシンクとして挙動するステンレス鋼体内部における、より高温の領域から、その周囲及びより低温の領域への熱伝達は、電子移動度により生じ、従って、平均電子速度は熱伝導率を決定づけるパラメータである。小型鋼製半球１１０のステンレス鋼内部の熱伝導プロセスによる伝熱率が既知であれば、１３９８Kの温度増分を、小型鋼製半球１１０の材料及び表面状態を損傷させずに任意の適度な温度レベルまで減少させるために経過する時間を計算することができる。１００mJの最大パルスエネルギー
（外８８）
0006263637.tif 000103
を有するパルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームが、９８０nmレーザーの２．７２mmのビーム径でステンレス鋼上に当たる際に、小型鋼製半球１１０の温度が２９８Kに等しい２５℃の室温に対して熱平衡状態にあるものと仮定することによって、ステンレス鋼の２．７２mmのターゲット径上の温度は２９８K＋１３９８K＝１６９６Kに達し、１４２３℃に相当する。伝導によるエネルギー伝達速度Ｑcoは(J/s)単位で次式のようになる。
【数１７】
0006263637.tif 000104
【００７７】
ここに、ｋはステンレス鋼の熱伝導率であり、２３W/(mK)に等しい。Ａはヒートシンクとして挙動する小型鋼製半球１１０の表面積であり、３．９cm2に等しく、ｘは小型鋼製半球を構成するステンレス鋼の厚さであり、３mmに等しい。ΔＴ’は、熱消散の前後の温度差である。ここで、一度、パルス型レーザー源の１００mJの単一レーザーパルスの最大エネルギー
（外８９）
0006263637.tif 000105
が降り注ぐと、ステンレス鋼の２．７２mmのターゲット径上の瞬時温度値が１４２３℃になる。ΔＴ’＝１０００Kの温度差は、小型鋼製半球１１０の内面を損傷させないための適度な値である。式(18)より、小型鋼製半球の鋼体内部の伝導によるエネルギー伝達速度はＱco＝２９９０J/sとなり、最終的に、ステンレス鋼によって吸収された５mJのエネルギーは、小型鋼製半球１１０の本体内に消散する（５(mJ)／２９９０(J/s)＝１．７μs）。小型鋼製半球１１０の全体質量は１３gであり、小型鋼製半球１１０の本体全体内の温度増加は、温度勾配が小型鋼製半球１１０の体積の内部に均一に分布するものと仮定することによって、次式(19)のように推定することができる。
【数１８】
0006263637.tif 000106
【００７８】
ヒートシンクとして挙動するステンレス鋼の体積は、３．９cm2（２．１cm×１．８５cm）の表面積と３mmの厚さとの積に等しく。１．１７cm3となる。ヒートシンクとして挙動する質量
（外９０）
0006263637.tif 000107
は、１．１７cm3にステンレス鋼の比重ρsink、７８５０kg/m3を乗算することによって得られ、
（外９１）
0006263637.tif 000108
となる。
ＰＥabsorb＝５mJ＝９．１８４５g・４９０J／(kgK)・ΔＴ”  (20)
【００７９】
ステンレス鋼半球１１０の鏡面化された内面の９５％の平均反射率に起因して、この５mJは１００mJのパルスエネルギーにそのまま相当する、ということを思い出すべきである。結果的に、温度増加はレーザーパルス毎にΔＴ”＝１．１mKであり、その
（外９２）
0006263637.tif 000109
は１００mJである。これらの計算から推論される結果は、隣接する２つのレーザーパルス間のデッドタイムＤＴ３１２が１．７μmよりも広ければ、小型鋼製半球が、
（外９３）
0006263637.tif 000110
までの最大単一レーザーパルスエネルギーから成るレーザーパルス列に、劣化なしにたやすく耐える、ということであり、上記レーザーパルスの
（外９４）
0006263637.tif 000111
は１００mJである。各パルスが１００mJの
（外９５）
0006263637.tif 000112
を有する、図３中の隣接する２つのパルス間のデッドタイムＤＴ３１２が１．７μmよりも狭ければ、このことは、ヒートシンクとして挙動する小型鋼製半球１１０の本体内部の単パルスエネルギーを十分に消散させることを可能にしない。換言すれば、各パルスが１００mJの
（外９６）
0006263637.tif 000113
を有する隣接する２つのパルス間に１．７μsよりも狭いデッドタイムＤＴ３１２を有するあらゆるパルス列を加えることは、小型鋼製半球１１０の本体の瞬時温度を、パルス型レーザー源５００の繰り返し周波数の関数として増加させる。他方では、パルス型レーザー源が１MHzの繰り返し周波数を有し、１００mJの
（外９７）
0006263637.tif 000114
を有するものと仮定すれば、上記ヒートシンクとして挙動するステンレス鋼の体積内部の温度が急速に増加して、１sのパルス印加に対して５００，０００×１．１mK＝５５０Kに達するが、これは最悪の場合であり、上記１００mJの
（外９８）
0006263637.tif 000115
は、ＰＷ３１０＝０．５μsについて２００kWのピークパワーＰ0４００に匹敵し、これは１秒当たり５００，０００パルス（５０万パルス）に等しく、この場合デッドタイム（ＤＴ３１２）＝０．５μs＜１．７μｓである。パルスエネルギーが増加すると、隣接する２つのパルス間のＤＴ３１２を１．７μsよりも大きくして十分な熱放散を得る必要がある。しかし、ＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１から入射し、第１フォトダイオード１２０の７mWの飽和パワーに相当する図３中の平均光パワーＰav３０１の最大値に相当する最大平均パワーは
（外９９）
0006263637.tif 000116
であるべきであり、これは、ＦＣＩＳ１００の４πＲ2の内表面積に対する第１フォトダイオード１２０の有効面積の割合から来る値であることを思い出すべきである。この場合、２００kWのピークパワーＰ0４００を、ＦＣＩＳにより第１フォトダイオードの飽和なしに測定するためには、２００kWのピークパワーＰ0４００のパルス幅（ＰＷ３１０）は１．３５nsであるべきであり、ステンレス鋼体内部での十分な熱消散のためのデッドタイム（ＤＴ１３２）は１．７μsよりも広い任意の値であるべきである。しかし、式(9)及び式(10)より、第１フォトダイオードの立ち上り時間は１MHzであり、その結果、式(9)における第１フォトダイオード１２０の０．７３６μsのパルス応答限界のために、Ｐ0＝２００kWのピークパワー４００を有する１．３５nsのパルスを第１フォトダイオード１２０によって検出することができないことがわかる。
【００８０】
注：無限個のレーザーパルス列のパルス・デッドタイム（ＤＴ）である時間分に関する以上の計算は、１００mJの最大単パルスエネルギー
（外１００）
0006263637.tif 000117
の供給中に、小型鋼製半球の内面に対する損傷なしに、各パルスが１００mJの最大単パルスエネルギー
（外１０１）
0006263637.tif 000118
を有する隣接する２つのパルス間の時間分（デッドタイムＤＴ）をどのように計算するかという質問に対する的確な方法を与えるためであり、上記パルス・デッドタイム（ＤＴ）は、パルス型レーザー源のパルス状のガウス・レーザービームの最大パルスエネルギー
（外１０２）
0006263637.tif 000119
によって、本発明においてターゲットとして使用する小型鋼製半球の本体内部に生じた温度増加により生じた吸収熱の十分な消散のために必要である。反射率、侵入深さ、表面粗さ、金属表面の温度、金属の比熱、並びに、波長、入射角、及び偏波の状態のような電磁波特性は、非常に広範囲にわたって変化させることができる。以上の計算に強く影響するこれらのパラメータの数値のいかなる変更も、本発明の根本原理、以上の計算の正確性、及び提示した方法を阻害しない。
【００８１】
ここで、パルス型レーザー源に属するパラメータについて、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１用の適正な限界条件を構成することができる。ここでのパラメータは、ＰＷav３４２の最小値である
（外１０３）
0006263637.tif 000120
；ＰＷav３４２の最大値である
（外１０４）
0006263637.tif 000121
；ＤＴav３４０の最小値である
（外１０５）
0006263637.tif 000122
；Ｔav３３０の最小値である
（外１０６）
0006263637.tif 000123
；第１フォトダイオード１２０のＰav３０１の飽和値である
（外１０７）
0006263637.tif 000124
；及び図３中のいずれかのパルス型レーザー源の最大ピークパワーであるＰ0４００の最大値である
（外１０８）
0006263637.tif 000125
である。式(9)の直後に挙げた評価によれば、
（外１０９）
0006263637.tif 000126
は、第１フォトダイオードの時間応答の７３６nsに等しいかより大きい値であるべきであり、
（外１１０）
0006263637.tif 000127
は、図４中の式と共に以上の式からの
（外１１１）
0006263637.tif 000128
最大パルスエネルギーにおける十分な熱放散のために、１．７μsに等しいかより大きい値であるべきである。最後に、最大飽和パワー
（外１１２）
0006263637.tif 000129
は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によって第１フォトダイオード１２０の飽和なしに測定することができ、ＦＣＩＳ１００の内表面積と第１フォトダイオード１２０の有効面積との表面比率から１５８Wとして計算される。結果的に、
（外１１３）
0006263637.tif 000130
の周期を有する無限個のレーザーパルス列に対して式(4)を用いることによって、式(5)におけるような平均デューティサイクルDutyCycleav２９９を有する無限個のレーザーパルス列について、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１を通して測定される最大ピークパワー
（外１１４）
0006263637.tif 000131
を次式のように計算することができる。
【数１９】
0006263637.tif 000132
【００８２】
式(21)から計算される最大ピークパワー
（外１１５）
0006263637.tif 000133
を有する無限個のレーザーパルス列は、その
（外１１６）
0006263637.tif 000134
が０．７３６μsであり、その
（外１１７）
0006263637.tif 000135
が１．７μsであり、〜３８４μJの平均パルスエネルギーＰＥav８４０をＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１上に生成し、この平均パルスエネルギーは、小型鋼製半球表面上の損傷なしに、そして第１フォトダイオードの飽和なしに測定することができる。
【００８３】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の１００mJの最大平均パルスエネルギー
（外１１８）
0006263637.tif 000136
については、第１フォトダイオード１２０によって飽和なしに検出することができるパルス型レーザー源の５２２Wの最大ピークパワー
（外１１９）
0006263637.tif 000137
に対する最大パルス幅
（外１２０）
0006263637.tif 000138
は、
（外１２１）
0006263637.tif 000139
を
（外１２２）
0006263637.tif 000140
で除算することによって計算され、その結果は
（外１２３）
0006263637.tif 000141
である。
【００８４】
簡潔に言えば、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１が測定することができる、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーを測定するための究極的限界パラメータは、最小平均パルス幅
（外１２４）
0006263637.tif 000142
、
（外１２５）
0006263637.tif 000143
の平均繰り返し周波数に相当する
（外１２６）
0006263637.tif 000144
の最小繰り返し周期を生成する平均最小デッドタイム
（外１２７）
0006263637.tif 000145
、及び第１フォトダイオードによって飽和なしに検出することができる最大ピークパワー
（外１２８）
0006263637.tif 000146
に対する最大パルス幅
（外１２９）
0006263637.tif 000147
として集約され、第１フォトダイオード１２０の平均飽和パワーは
（外１３０）
0006263637.tif 000148
である。
【００８５】
第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１２０のＦＣ／ＰＣコネクタのセラミック・フェルールに結合された機械的アテネータ１７０を用いて、小型鋼製半球１１０に取り付けられた第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０内へ発射されるパルス状のレーザービーム５０１を減衰させる。本発明では、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＺｒフェルール１４０の光ファイバーコアの制限された開口数０．２５radが本質的に第２フォトダイオード１２９を保護するが、機械的アテネータ１７０も、比較的高いピークパワーを有するパルス型レーザー源５００の時間及び周波数測定中の高レベルの光パワー照射に対する第２フォトダイオード１２９の追加的保護に関与する。第２フォトダイオードは時間／周波数関係の測定にしか用いられないことにより、機械的アテネータ１７０は高い減衰ポジション（設定位置）に保たれる。機械的アテネータ１７０の高い減衰ポジションは、そのＰＥav(ｆav)値８４０を測定すべきパルス型レーザー源５００のパルスレベルがオシロスコープ１３０のスクリーン上に見られるまで、オシロスコープ１３０のスクリーン上の電圧を観測することによって、低い減衰ポジションに下げられる。十分なパルスレベルがオシロスコープ１３０のスクリーン上に見られると、式(16)中のパルス型レーザー源の平均繰り返し周期Ｔav３３０及び平均繰り返し周波数ｆav３３１を、図１中の第２フォトダイオード１２９、高速応答型電流−電圧変換器１２７、及び時間間隔カウンタ１３５によって直接測定し、これらは133Ｃｓ（または87Ｒｂ）の原子周波数標準器８０４に合わせて平均モードで較正される。
【００８６】
第２フォトダイオード１２９は時間測定に用いられ、そのカットオフ限界は６GHzであり、高速応答型連続電流−電圧変換器１２７のカット負限界は１０GHzである。本明細書に記載されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１は一実施形態であるので、上記上限カットオフ周波数は許容可能であり、１MHzよりも良好であり、そして第１フォトダイオード１２０及び第２フォトダイオード１２９と名付ける両フォトダイオードについては６GHzである。これに加えて、本明細書中で第１フォトダイオード１２０及び第２フォトダイオード１２９と称する両ダイオードは、用途におけるレーザーのスペクトルパワー分布に応じて、異なる種類の半導体検出器と交換することができる。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１内で基準平均パルスエネルギー
（外１３１）
0006263637.tif 000149
８４５を発生し、市販のレーザーエネルギーメーター９９９の追跡可能な較正に関与するチョップ型レーザー源６００を構成するために使用するＣＷレーザー源８００の種類は、本発明に含まれない。しかし、次のパラメータの適合性及び寸法関係は、それらのサイズ及びそれらの位置に関して、「３．ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳによるパルス型レーザー源のパルスエネルギーの測定方法及び市販のレーザーエネルギーメーターの較正」の節で説明する測定及び較正方法と共に本発明に含まれる。本発明に含まれる適合性及び寸法の相互関係は、「発明を実施するための形態」の節の最後に挙げる３つの主な思想／項目への追加であり、次の通りである：
ａ）ポート＿１ １０１から入射するパルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００のビーム全体のサイズに対するポート＿１ １０１の幾何学的寸法、
ｂ）パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００の、ｚ＝０から始まるビーム広がり、小型鋼製半球１１０のサイズ及び位置に対する光軸３９８上の距離に依存する、
ｃ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のサイズ及び寸法に対する小型鋼製半球１１０のサイズ、その傾斜角、及びポート＿２ １０２に対するその位置、
ｄ）小型鋼製半球１１０のポート＿３ １０３に取り付けられた第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０の、ポート＿１ １０１の位置に対する位置、ポート＿１ １０１は、ポート＿１ １０１から入射し、上記のように計算されたビーム広がりを有するパルス状のガウス・レーザービーム５０１、チョップされたガウス・レーザービーム６０１、及びＣＷガウス・レーザービーム７９９用である。
【００８７】
２．チョッパの詳細
本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の一連のチョッパ９０１〜９０９は、プライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能な市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正用の基準平均パルスエネルギー
（外１３２）
0006263637.tif 000150
８４５を、図２中のＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９をチョップすることによって発生するチョップ型レーザー源６００を構成するために用いられ、これらのＣＷレーザー源は第１ＣＷレーザー＿１、第２ＣＷレーザー＿２、第３ＣＷレーザー＿３、及び第４ＣＷレーザー＿４と称される。これらのＣＷレーザー源８００は、同時に、図８に示すようにＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のスペクトル応答度
（外１３３）
0006263637.tif 000151
の測定においてＣＷレジメ／モードで動作する。本発明において使用するチョッパ９０１〜９０９により、第１ＣＷレーザー＿１、第２ＣＷレーザー＿２、第３ＣＷレーザー＿３、及び第４ＣＷレーザー＿４のＣＷガウス・レーザービーム７９９は可変のデューティサイクル３２２でチョップされる。高品質のレアアースでドープされた磁石を有するＤＣモーター５９９により０．１７〜０．８４まで変化するデューティサイクルは、繰り返し周波数３２１（ｆ＝１／Ｔ）に対して得られ、図２中のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１に対する市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正では５Hzから２kHzまで変化する。こうしたデューティサイクルの調整はＤＣモーター５９９により２kHzまで継続する。変調周波数はＤＣモーターが発生する角速度に依存し、ＤＣモーター５９９により発生するあらゆる変調周波数におけるデューティサイクル３２２が、モーター５９９に結合されたあらゆるチョッパの角度スリットに頼る。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１における、説明したチョッパ９０１〜９０９、ＣＷレーザー源８００、及び高品質のレアアースでドープされた磁石を有するＤＣモーター５９９の組合せが、基準平均パルスエネルギー
（外１３４）
0006263637.tif 000152
８４５として記載した、図２中の市販のレーザーエネルギーメーター９９９を較正するための適切なパルスエネルギーを有する無限個のレーザーパルスを形成し、時間領域内の無限個のレーザーパルスについてはＮが１に等しい。
【００８８】
本発明では、０．１７から０．８４まで変化するデューティサイクル２９９を有するチョップされたガウス・レーザービームの異なる繰り返し周期Ｔ(s)３２０を発生し、これらの繰り返し周期Ｔ(s)３２０は、ＦＣＩＳ１００に装着された第２フォトダイオード１２９の新たな種類の配置により、ＦＣＩＳ１００の時定数及び第１フォトダイオード１２０の比較的低いカットオフ周波数の悪影響を除くことによって精密に測定される。最後に、本発明ではＦＣＩＳと称する積分球の新たな方法及び新たな構成を進展させて、市販のレーザーエネルギーメーター９９９のパルスエネルギーＰＥclem(J)の尺度を較正する。
【００８９】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１において用いられるチョッパ９０１〜９０９の詳細は、図６ａ〜図６ｂより、図面中に別個に提示される。本発明において用いられる金属チョッパ９０１〜９０９はステンレス鋼製であり、コンピュータ制御のレーザー切削機（カッティングマシン）を用いて高精度に刻み込まれる。チョッパ９０１〜９９９は、１回の完全な回転中に１５周期を有し、各周期が２４°であるように設計されている。各チョッパ９０１〜９０９の全直径は１０６mmであり、各チョッパ９０１〜９０９の厚さは１mmである。図６ａ中のチョッパ９０１〜９０９における０．８３のデューティサイクル３２２を発生する部分は、ｚ＝０において２．８mmのビームウエストを有するＣＷガウス・レーザービーム７９９が完全に遮断されるように設計されて刻み込まれ、このビームウエストは本発明において用いる最も広幅のビームウエストに相当する。平均デューティサイクルは、時間間隔コンピュータ１３０による平均値として測定され、本発明では時間／周波数関係のパラメータと考えられる。図６ｂ中のチョッパ９０１〜９０９における０．１７のデューティサイクル３２２を発生する部分は、ｚ＝０において２．８mmのビームウエストを有するＣＷガウス・レーザービーム７９９が完全に通過するように設計されて刻み込まれている。この機械的チョッピングプロセスにより、その
（外１３５）
0006263637.tif 000153
を測定されるチョップされたガウス・レーザービームの０レベルを正確に発生し、その結果、ＦＣＩＳ式ＬＥＭ  ＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００内に入射する光パワーを正確に０にしないことによって
（外１３６）
0006263637.tif 000154
８４２中に生じるリーク（バックグラウンド）電流が防止され、
（外１３７）
0006263637.tif 000155
８４２中のリーク（バックグラウンド）電流における不所望な寄与分が、あらゆる平均繰り返し周波数
（外１３８）
0006263637.tif 000156
８４３におけるデューティサイクル５２２毎に除去され、こうした不確かさの発生源が、図６ａ及び図６ｂと称する図面中に詳細に示すチョッパによって生成される機械的チョッピングプロセスで低下し、電子変調は、不十分な逆バイアスによるこの種の誤差を生じさせ得る。電子変調器を用いて、ＣＷレジメ／モードで動作する任意のレーザーにパルス変調を加える場合、パルス状のガウス・レーザービーム５０１の０レベルを考慮して、計算中にバックグラウンド（リーク）電流として減算するべきである。電子変調により変調されたガウス・レーザービームの出力を０にしないことに起因するこうしたバックグラウンド（リーク）電流レベルを考慮しなければ、この電流レベルは誤ったパルスエネルギー計算を生じさせ、市販のレーザーエネルギーメーター９９９における較正における測定の不確かさを増加させる。しかし、本発明において、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１を生成するに当たり一連のチョッパ９０１〜９９９を使用することは、問題のある不所望な状態を防止し、０にならないレベルによって生じる測定の不確かさを低減する。
【００９０】
図２に示すようにチョッパ９０１〜９０９を装着され、レアアースでドープした磁石を有するＤＣモーター５９９のジッタは、１kHzにおいて０．２°のＲＭＳ（root mean square：二乗平均平方根）値を有する。この値は、１kHzの基準周波数を、チョッパから来て０．５のデューティサイクル３２２を有するチョップされたガウス・レーザービーム６０１と、時間間隔コンピュータ１３０によって比較して得られる。図３中のチョップされたガウス・レーザービーム６０１の一定のピークパワーＰ0４００については、チョッパ構成を用いて発生する最大及び最小パルスエネルギーは、本発明では繰り返し周波数ｆ(Hz)３２１、繰り返し周期Ｔ(s)３２０、デッドタイムＤＴ(s)３１２、パルス幅ＰＷ(s)３１０、及びデューティサイクル３２２に依存し、次のように与えられる。
【００９１】
繰り返し周波数ｆ(Hz)３２１の範囲は、９つの別個のチョッパによって、図６ａ及び図６ｂに示す０．１７〜０．８３のデューティサイクルに対して５Hzから２kHzまでに及び、この範囲にわたって市販のレーザーエネルギーメーター９９９を、本発明におけるＦＣＩＳ式ＬＥＭ  ＣＳ１１１において較正する。この場合、ＦＣＩＳ式ＬＥＭ  ＣＳ１１１における市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正に関与する、これらのチョッパ９０１〜９０９を通した最大エネルギーは、次のように計算される。上付き文字「_clem」は、市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正において関連するパラメータを示す。
【００９２】
平均繰り返し周波数ｆav３１１に相当する繰り返し周波数ｆ(Hz)３２１、ｆ＜＜
（外１３９）
0006263637.tif 000157
（式(16)中）については、次式が成り立つ；
【数２０】
0006263637.tif 000158
【００９３】
本発明では、チョッパ９０１〜９０９のうちの１つとＤＣモーター５９９との組合せを用いて、一定のピークパワーＰ0４００に対する最大エネルギーを生成するために、最大デューティサイクルDutyCycleref_clem_maxにおける最小繰り返し周波数ｆref_clem_minに相当する最大パルス幅ＰＷref_clem_maxを調整するべきであり、最大パルス幅ＰＷref_clem_maxの場合、
（外１４０）
0006263637.tif 000159
８４２は、ＦＣＩＳ１００の第１フォトダイオード１２０における最大光電流
（外１４１）
0006263637.tif 000160
として得られる。本発明において使用するＣＷレーザー源８００によれば、
（外１４２）
0006263637.tif 000161
３２０の最小値に相当する
（外１４３）
0006263637.tif 000162
が９８０nmにおけるＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度に等しく、この値は用途が変わる度に変更可能である。
【数２１】
0006263637.tif 000163
【００９４】
本発明では、図６ａ中に提示するチョッパ９０１の、最大繰り返し周期Ｔref_clem_max＝２００msに相当する最小繰り返し周波数ｆref_clem_min＝５Hz、及びデューティサイクルDutyCycleref_clem_max＝０．８３は、対応する最大パルス幅ＰＷref_clem_max＝２００ms×０．８３＝１６６msである。式(22)についての最終的な式は次式のようになる。
【数２２】
0006263637.tif 000164
【００９５】
これらのチョッパ９０１〜９０９についての、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１における市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正に関与する最小エネルギーは次のように計算される。
【００９６】
平均繰り返し周波数ｆav３３１に相当する平均繰り返し周波数ｆ(Hz)３２１、ｆ＜＜
（外１４４）
0006263637.tif 000165
（式(16)中）については、次式が成り立つ；
【数２３】
0006263637.tif 000166
【００９７】
本発明では、チョッパ９０１〜９０９のうちの１つとＤＣモーター５９９との組合せにより、一定のピークパワーＰ0４００に対する最小エネルギーを生成するために、最小デューティサイクルDutyCycleref_clem_minにおける最大繰り返し周波数ｆref_clem_maxに相当する最小パルス幅ＰＷref_clem_minを調整するべきであり、最小パルス幅ＰＷref_clem_minの場合、
（外１４５）
0006263637.tif 000167
８４２が、ＦＣＩＳ１００の第１フォトダイオード１２０における最小の
（外１４６）
0006263637.tif 000168
として得られる。本発明において使用するＣＷレーザー源８００によれば、
（外１４７）
0006263637.tif 000169
３２０の最大値に相当する
（外１４８）
0006263637.tif 000170
が１５４９nmにおけるＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度に等しく、この値は用途が変わる度に変更可能である。
【数２４】
0006263637.tif 000171
【００９８】
本発明では、図６ｂ中に提示するチョッパ９０９の、最小繰り返し周期Ｔref_clem_min＝０．５msに相当する最大繰り返し周波数ｆref_clem_max＝２kHz、及びデューティサイクルDutyCycleref_clem_min＝０．１７は、対応する最小パルス幅ＰＷref_clem_min＝０．５ms×０．１７＝０．０８５msである。式(25)についての最終的な式は次式のようになる。
【数２５】
0006263637.tif 000172
【００９９】
関連するチョッパ９０１〜９０９の閉じた部分で反射するレーザービームからオペレータを保護するために、体及び眼の両方の安全のための適切な保護装置を使用するべきである。
【０１００】
本明細書に提示する値の変更は、本発明の根本原理を阻害しない、というのは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１は、以下の３節で説明する、プライマリーレベルの標準品に合わせて追跡可能なＦＣＩＳ式ＬＥＭＩＳ１１１に対する方法と共に、一実施形態を構成するからである。
【０１０１】
３．パルス型レーザー源のパルスエネルギーの測定方法及びＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳによる市販のレーザーエネルギーメーターの較正
本節は次の部分を含む；
【０１０２】
「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１４９）
0006263637.tif 000173
の測定」の節は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１５０）
0006263637.tif 000174
を、図８中のＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９を用いることによって近赤外領域内で極低温放射計８０３に対して較正された光パワー伝達標準器８０９に対して測定する方法を説明する。
【０１０３】
「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いてパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥavを測定する方法」の節は、本発明におけるスペクトル範囲をカバーする近赤外領域で発光するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービームによる平均パルスエネルギーＰＥav８４０を測定する方法を説明し、上記スペクトル範囲内で、図１に示すようにＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１５１）
0006263637.tif 000175
を測定する。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１は一実施形態として構成されることにより、上記のように近ＩＲとして指定されたスペクトル領域の変更は本発明の根本原理を変化させない。
【０１０４】
「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＳにおいてチョップ型レーザー源を用いることによる市販のレーザーエネルギーメーターの較正」の節は、ＣＷレーザーと９つの別個のチョッパとの組合せを用いて無限個の波列として発生するチョップ型レーザー源６００のチョップされたレーザービーム６０１に対して、任意の市販のレーザーエネルギーメーターを較正する方法を説明し、このレーザービームの平均エネルギー
（外１５２）
0006263637.tif 000176
８４５は、図２中でγ９４５と称する較正係数を発生するＦＣＩＳ式ＬＥＭＩＳによって測定される。
【０１０５】
ａ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１５３）
0006263637.tif 000177
の測定
本発明では、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav８４０を測定し、チョップ型レーザー源６００の平均パルスエネルギー
（外１５４）
0006263637.tif 000178
８４５を測定するために、図１及び図２に例示するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１の構成を用いて、パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００から出る平均パルスエネルギーＰＥav８４０及び
（外１５５）
0006263637.tif 000179
８４５に関連する平均光電流Ｉav３００及び
（外１５６−１）
0006263637.tif 000180
８４２を、第１フォトダイオード１２０を用いて直接測定し、これらの平均光電流を用いて、パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００の平均繰り返し周期Ｔav３３０及び
（外１５６−２）
0006263637.tif 000181
８４４、及び平均繰り返し周波数ｆav３３１及び
（外１５７）
0006263637.tif 000182
８４３を、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の第２フォトダイオード１２９を用いて直接測定する。パルス型レーザー源５００及びチョップ型レーザー源６００のパルスエネルギーを計算するためには、第１フォトダイオード１２０を取り付けたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１５８）
0006263637.tif 000183
が必要である。本明細書中でＣＷレーザー源８００と名付ける連続型レーザーについては、時間領域内で変調されないことを意味し、従って、時間領域内の変調に関係する追加的な周波数成分を含まないことを意味し、その平均光パワーはそのピークパワーと同一であり、その平均光電流及びピーク光電流についても同じことが当てはまる。こうした簡単な繰り返しの評価の後に、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの第１フォトダイオードのスペクトル応答度
（外１５９）
0006263637.tif 000184
３２０を図７中の構成で実現する。上付き文字「resp」は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１６０）
0006263637.tif 000185
３２０の測定において関連するパラメータを示す。
【０１０６】
（外１６１）
0006263637.tif 000186
３２０の測定では、図８に示すＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを構成する。ＣＷレーザービーム８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９はチョップされず、ＣＷレーザー源の光パワーＰcw_resp２０１が直接、ＦＣＩＳ１００中に連続レジメで降り注ぐ。この状態では、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ１００は、本発明において設計した第２フォトダイオードを取り付けた小型鋼製半球を除いて従来の積分球として働く。第１フォトダイオード１２０は、ＣＷレーザー源の光パワーＰcw_resp(W)２０１に比例する光電流Ｉresp(A)２００を生成し、光パワー２０１は光パワー伝達標準器８０９を用いて測定される。第１フォトダイオード１２０によって測定されるＩresp(A)２００は、図７及び図８に示すＤＣジョセフソン電圧系８０１及び量子ホール抵抗系１１９に合わせて追跡可能である。同じＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９が、図８及び図７に示す光パワー伝達標準器８０９に降り注ぎ、そして、Ｐcw_resp(W)が、図７中の極低温放射計８０３に合わせて追跡可能なように得られる。結果的に、導出されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１６２）
0006263637.tif 000187
３２０は、プライマリーレベルの標準器に合わせて十分に追跡可能であり、
（外１６３）
0006263637.tif 000188
３２０はＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００内の第１フォトダイオード１２０のスペクトル応答である。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１１０の第２フォトダイオード１２９は、主に時間関係の測定値を測定するために使用され、その正反対の位置にポート＿１ １０１が見え、異なる測定において、入力レーザービームを、ポート＿３ １０３上に据え置かれた小型鋼製半球１１０の中心にある小径ピンホールに対して同じ光軸上に一致させるためにも使用される。本発明における第２フォトダイオード１２９のこの種の構成により、ＰＥav及び
（外１６４）
0006263637.tif 000189
の計算における時間関係の測定に加えて、スペクトル応答度
（外１６５）
0006263637.tif 000190
３２０の測定、及び平均パルスエネルギーＰＥav８４０及び
（外１６６）
0006263637.tif 000191
８４５に関連するＩav３００及び
（外１６７）
0006263637.tif 000192
８４２の測定において、高度に反復性のある測定値が得られる、というのは、パルス型レーザー源５００、チョップ型レーザー源６００、及びＣＷレーザー源８００のガウス・レーザービーム５０１／６０１について、第２フォトダイオードの信号をオシロスコープ１３０のスクリーン上で追跡して最大にすることによって、入力レーザービームが小型鋼製半球１１０の中心にある小径ピンホール１０９上でコリメートされるからである。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１６８）
0006263637.tif 000193
３２０の測定では、第２フォトダイオード１２９は、図８に示すように、ＦＣＩＳの内部に向かうＣＷレーザー源８００の同じ光ビーム経路上への光学的位置合わせに関与するに過ぎない。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１６９）
0006263637.tif 000194
３２０を測定することの詳細は、プロセスの容易な理解のために、以下に項目毎の様式で挙げる。適用するステップを示す番号付けでは、「ａ」は、この測定系列が「ａ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１７０）
0006263637.tif 000195
の測定」に属することを示し、１、２、等のような番号は、適用中のステップの連続番号を示す。
【０１０７】
ａ−１）まず、図８中に提示する波長λ(nm)でレーザー発振するＣＷレーザー源８００を１０mWの定格パワーで動作させて、ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９をＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのポート＿１に向ける。中性密度フィルタを用いることによって、ＣＷレーザー源８００の出力パワーを２、３mWのレベルまで低減して、光学的アライメント状態の眼の保護装置と共に眼の安全性を保証し、これらの中性密度フィルタの光学密度は２．５に及び、これらの中性密度フィルタはコリメータの直前のｚ＝０の所に配置される。
【０１０８】
ａ−２）ＣＷレーザー源８００のスペクトル範囲に適合するスペクトル範囲を有するＩＲビューワーカードを用いることによって、ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９をポート＿１上に中心合わせする。このステップでは、ビームウエスト、ポート＿１ １０１のサイズ、及び小型鋼製半球のサイズの相互間の適合性及び関係を考慮に入れ、これらは「発明を実施するための形態」の節の「ＦＣＩＳの詳細」の小区分において強調する。
【０１０９】
ａ−３）ポート＿１ １０１に中心合わせしたＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９が、図８中のアライメント複合体を調整することによって小型鋼製半球上のポート＿３上に降り注ぐ。
【０１１０】
ａ−４）ポート＿１ １０１から入射するＣＷガウス・レーザービーム７９９が小型鋼製半球１１０上に降り注ぎ次第、ポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９が、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０のコア内に発射され、小型鋼製半球１１０の内側に湾曲した構造により小径のピンホール１０９を通る光束を検出し始め、小型鋼製半球の内径は図３に示すように１３mmである。
【０１１１】
ａ−５）本発明における小型鋼製半球１１０の半球構造は、ＣＷガウス・レーザービーム７９９が、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０のコアの、０．２５radの開口数によって捕捉されることを可能にする。
【０１１２】
ａ−６）第２フォトダイオード１２９が発生する光電流は、図８中の高速応答型電流−電圧変換器１２７によって電圧に変換され、高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力電圧は、図８中のアライメント複合体を調整することによってリアルタイムで最大にされる。ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の最大放射照度レベルが、図４に詳細に示す０．１mmの小径ピンホール１０９と一致すると、最大出力電圧が得られる。
【０１１３】
ａ−７）本明細書中に説明するこうしたプロセスによれば、異なる測定についての測定の再現性が増強される、というのは、ポート＿１から入射するＣＷレーザー源８００のＣＷレーザービーム７９９の最大放射照度レベルに相当する頂点が、０．１mmの小径ピンホール１０９によって規定される点と同じ点をターゲットとするからであり、小径ピンホール１０９の背後に、直径６２．５μmのコア、即ち第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳ型コネクタ１３２のＺｒフェルール１４０のコアが据え置かれ／配置され、ポート＿３上の第２フォトダイオード１２９に結合された高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力電圧を、オシロスコープ１３０のスクリーン上でリアルタイムで最大にすることによる。
【０１１４】
ａ−８）第２フォトダイオード１２９がＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点を検出したことに相当する、高速応答型電流−電圧変換器１２７の最大出力状態では、第１フォトダイオード１２０が発生する光電流Ｉresp(A)２００を電位計１１９によって読み出し、光電流Ｉrespは、波長λ(mm)でレーザー発振するＣＷレーザー源８００のパワーＰcw_resp(λ)２０１に比例する。
【０１１５】
ａ−９）第１フォトダイオードが発生する光電流Ｉresp(A)２００を取得した後に、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを光パワー伝達標準器８０９に置き換えることによって、ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９を光パワー伝達標準器８０９に供給する。この供給により、ＣＷレーザー源８００の波長λ(nm)についての光パワーＰcw_resp(λ)２０１が光パワー伝達標準器８０９からW単位で得られ、光パワー伝達標準器８０９はＣＲ８０３に合わせて追跡可能である。
【０１１６】
ａ−１０）これらのステップを、残りのＣＷレーザー源８００について反復して、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度を、Ｐcw_resp(W)２０１に対するＩresp(A)２００の比率を
（外１７１）
0006263637.tif 000196
３２０とすることによって計算し、
（外１７２）
0006263637.tif 000197
３２０は、式(16)によるＰＥav840及び
（外１７３）
0006263637.tif 000198
８４５の計算に用いられる。本発明では４つのＣＷレーザー源８００を用いるが、本発明において使用するレーザーの数、波長、スペクトル帯域幅、及び類似の特性のいかなる変更も、本発明の根本原理を変化させない。異なるレーザーを使用することができる。
【０１１７】
ａ−１１）本明細書中に説明した、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００
（外１７４）
0006263637.tif 000199
３２０のスペクトル応答度の結果を、関連する部分的不確かさと共に以下に挙げる；
【数２６】
0006263637.tif 000200
【０１１８】
本明細書で紹介したこれらの結果におけるいかなる変更も、本発明の根本原理を変化させない、というのは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳは、３節で説明した方法と共に、一実施形態であるからである。これらのスペクトル応答度
（外１７５）
0006263637.tif 000201
３２０は、パルス型レーザー源及びチョップ型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥav８４０及び
（外１７６）
0006263637.tif 000202
８４５の計算に用いられ、これらのレーザー源は時間領域内で無限個のパルス列を発生し、それらの波長は、式(16)による波長９８０．０nm、１０６４．０nm、１３０９．０nm、及び１５４９．０nmと一致する。代表的な相対標準器の（組み合わせた）不確かさは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１７５）
0006263637.tif 000203
３２０の測定に関係する測定値列から０．８０%（ｋ＝１）と計算され、この不確かさは、図７中のプライマリーレベルの標準器に対して較正された伝達標準器の較正に由来するすべての不確かさ成分、並びに図７中のプライマリーレベルの標準器の個別の不確かさを含む。
【０１１９】
ｂ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いてパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥav を測定する方法
上記の「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１７８）
0006263637.tif 000204
の測定」の節において詳述した順次のステップにより実行されるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度
（外１７９）
0006263637.tif 000205
３２０の測定の完了後に、図１に示す主要構成を考え、これは、パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーを繰り返し周波数ｆav３３１の関数として測定するための本発明の主要構成である。パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーを、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いることによって測定するために、図２に示すチョップ型レーザー源６００の代わりにパルス型レーザー源５００を、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１に対向するように配置する。式(16)によれば、パルスエネルギー関係のパラメータ
（外１８０）
0006263637.tif 000206
３２０、Ｔav３３０、ｆav３３１及びＩav３００を測定するべきである。
（外１８１）
0006263637.tif 000207
３２０は、「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１８２）
0006263637.tif 000208
の測定」の節に挙げる順次のステップによって測定される。式(16)中の平均パルスエネルギーＰＥav(J)８４０の残りのパラメータであるＩav３００、ｆav３３１、Ｉav３００は、本発明において設計されたＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳによって直接測定され、パルス型レーザー源のこれらのパラメータを測定するための動作ステップは、順次の動作ステップとして以下に紹介する。パルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーＰＥav(J)８４０の測定では、次のことを行う：
【０１２０】
その平均パルスエネルギーＰＥav８４０をＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によって測定されるパルス型レーザー源５００のスペクトルが、「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１８３）
0006263637.tif 000209
の測定」の節に記載したステップによって測定される
（外１８４）
0006263637.tif 000210
３２０と異なる場合、ＦＣＩＳ１００に装着された第１フォトダイオード１２０のスペクトル応答度
（外１８５）
0006263637.tif 000211
３２０を考慮に入れることによって、補間を行うための適切な適合プログラムを取り入れる。
【０１２１】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のポート＿２ １０２上に装着された第１フォトダイオード１２０を用いて、パルス型レーザー源のＰav３０１に相当するＩav３００を測定する。
【０１２２】
小型鋼製半球１１０に取り付けられ、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のポート＿３ １０３上に装着された第２フォトダイオード１２９を用いて、平均繰り返し周期Ｔav３３０、平均繰り返し周波数ｆav３３１、及びパルス型レーザー源５００の数Ｎを測定し、パルス型レーザー源５００はバースト型レーザー源であると考えられ、一定の繰り返し周期Ｔ(s)３２０についてはＮ＝１である。本発明では、時間領域内で無限個のレーザーパルス列を生成するパルス型レーザー源５００についてはＮ＝１である。
【０１２３】
小型鋼製半球１１０に取り付けられ、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのＦＣＩＳのポート＿３ １０３上に装着された第２フォトダイオード１２９は、時間／周波数関係の測定に加えて、ポート＿１ １０１に入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１のアライメントにも用いられ、このレーザービームは、０．１mmの小径ピンホール１０９によって規定される点と同じ点上をターゲット（目標）とし、小径ピンホール１０９の背後に、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０の直径６２．５μmのコアが配置され、ポート＿３ １０３上の第２フォトダイオード１２９に結合された高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力電圧をオシロスコープ１３０のスクリーン上で最大にすることによる。
【０１２４】
適用するステップを示す番号付けでは、「ｂ）は、この測定系列が「ｂ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いてパルス型レーザー源の平均パルスエネルギーＰＥavを測定する方法」の節に属することを示し、１、２、等のような番号は、適用中のステップの連続番号を示す。
【０１２５】
ｂ−１）まず、本発明のＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳの一部分であるチョップ型レーザー源６００を、図２に例示するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳから除去して、パルス型レーザー源５００を、図１に示すようにＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１に対向するように配置する。
【０１２６】
ｂ−２）図１中に提示する波長λ(nm)でレーザー発振するパルス型レーザー源５００を動作させて、図１に示すように、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１をＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１に向ける。
【０１２７】
ｂ−３）中性密度フィルタのうち適切なものを用いることによって、パルス型レーザー源５００の出力ピークパワーレベルＰ0４００を２、３mWのレベルまで低減して、眼の保護装置と共に眼の安全性を保証し、これらの眼の保護装置の光学密度は２．５に及び、これらの眼の保護装置はコリメータの直前のｚ＝０の所に配置される。
【０１２８】
ｂ−４）パルス型レーザー源のスペクトル範囲に適合するスペクトル範囲を有するＩＲビューワーカードを用いることによって、パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１のピークパワーＰ0４００を適切な中性密度フィルタにより低減し、図１中のアライメント複合体１６２を用いてパルス状のガウス・レーザービーム５０１をポート＿１上に中心合わせする。このステップでは、ビームウエスト、ポート＿１のサイズ、及び小型鋼製半球のサイズの相互間の適合性及び関係を考慮に入れるべきであり、これらは「発明を実施するための形態」の節の「ＦＣＩＳの詳細」の小区分において強調する。
【０１２９】
ｂ−５）ポート＿１ １０１から入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のレーザービーム５０１が小型鋼製半球１１０上に降り注ぎ次第、ポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９がポート＿１ １０１から入射する光束を検出し始め、小型鋼製半球１１０の内径は図４に示すように１３mmである。
【０１３０】
ｂ−６）ポート＿３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９は、ポート＿１ １０１から入射するパルス状のガウス・レーザービームを検出し始め、第２フォトダイオード１２９に結合された高速応答型電流−電圧変換器１２７の電圧出力の最大化は、アライメント複合体１６２を用いて、及びオシロスコープ１３０のスクリーンをリアルタイムで追跡することによって実行される。本発明におけるこうしたプロセスにより、個別の独立したパルスエネルギー測定についての測定の再現性が増強される、というのは、ポート＿１ １０１から入射するパルス状のガウス・レーザービーム５０１の最大放射照度レベル（頂点）に相当する頂点が、０．１mmの直径を有する小径ピンホール１０９によって規定される点と同じ点上をターゲットとし、小径ピンホール１０９の背後に、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０の直径６２．５μmのコアが据え置かれ／配置される。オシロスコープ１３０のスクリーン上の最大電圧の振幅は重要ではない。この時点で重要なことは最大電圧を得ることであり、最大電圧は、ポート＿１ １０１から入射するパルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１の最大放射照度レベルの頂点が、０．１mmの直径を有する小径ピンホール１０９の中心に当たった際に得られ、小径ピンホール１０９の背後に、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳコネクタ１３２のＺｒフェルール１４０の直径６２．５μmのコアが据え置かれ／配置される。
【０１３１】
ｂ−７）上記最大化プロセスの完了後に、パルス型レーザー源５００の出力パルスパワーＰ0４００を、測定される通常動作パワーレベルに調整し、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９を直接使用して時間／周波数関係の測定を行い、これらの測定は、平均繰り返し周波数ｆav(Hz)３３１、平均繰り返し周期Ｔav(s)３３０、平均パルス幅ＰＷav(s)３４２、平均デッドタイムＤＴav(s)３４０、及び平均デューティサイクルDutyCycleav２９９であり、DutyCycleav２９９は１に正規化される。
【０１３２】
ｂ−８）ポート＿３ １０３上の機械的アテネータ１７０を通して第２フォトダイオード１２９に接続された高速応答型電流−電圧変換器１２７の出力におけるパルス状の電圧信号をオシロスコープ１３０のスクリーン上で観測し、この電圧信号は、通常動作のパワーレベルで動作するパルス型レーザー源５００によって生じる。
【０１３３】
ｂ−９)パルス型レーザー源５００のパルス状のガウス・レーザービーム５０１は、式(16)中にあるその平均パルスエネルギーＰＥav８４０を測定する目標とし、ガウス・レーザービーム５０１の時間／周波数関係のパラメータを、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の時定数τの影響なしに、かつ図１中の時間間隔カウンタ１３５による第１フォトダイオード１２０のパルス応答ζpd_1の影響なしに直接測定してリアルタイムで平均化し、時間間隔カウンタ１３５は図７中の133Ｃｓ（または87Ｒｂ）原子周波数標準器に合わせて追跡可能であり、本発明では、時間間隔カウンタ１３５に、高速応答型電流−電圧変換器１２７及び第２フォトダイオード１２９が連続して接続される。この測定から得られた平均繰り返し周期Ｔav(s)３３０及び平均繰り返し周波数ｆav(Hz)３３１は、式(16)中のものと同じパラメータである。
【０１３４】
ｂ−１０）本発明の利点として、パルス型レーザー源５００の平均繰り返し周波数ｆav(Hz)３３１及び平均繰り返し周期Ｔav(s)３３０の測定中に、第１フォトダイオード１２０は同時に、図１及び図３中の平均光電流Ｉav(A)３００を測定し、平均光電流Ｉav(A)３００は図３中の平均光パワーＰav(W)３０１に比例する。
【０１３５】
ｂ−１１）結果的な式(16)中の平均パルスエネルギーＰＥav(ｆav)８４０を、平均繰り返し周波数ｆav３３１の関数として、「ｂ−１１」から得られたＩav(A)３００、「ｂ−１０」から得られた繰り返し周期Ｔav(s)３３０のデータ列により、図３中の第１フォトダイオード１２０の等価回路からの
（外１８６）
0006263637.tif 000212
及び「ａ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外１８７）
0006263637.tif 000213
の測定」の節から得られた
（外１８８）
0006263637.tif 000214
３２０を考慮することによって計算する。
【０１３６】
ｂ−１２）最大のＰＷ、即ち
（外１８９）
0006263637.tif 000215
は、最大ピークパワー
（外１９０）
0006263637.tif 000216
に対するパルスエネルギー
（外１９１）
0006263637.tif 000217
に対応し、最大ピークパワー
（外１９２）
0006263637.tif 000218
は、図２中のパルス型レーザー源５００のピークパワーレベルＰ0４００に匹敵し、ピークパワーレベルＰ0４００は第１フォトダイオード１２０によって飽和なしに検出することができる。
【０１３７】
本発明において、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によって測定される、
（外１９３）
0006263637.tif 000219
の最大ピークレーザーパワーに対するパルス型レーザー源５００の最終的な限界パラメータは、
最小パルス幅
（外１９４）
0006263637.tif 000220
、第１フォトダイオード１２０のパルス応答特性ζpd_1から得られた３８４μJのＰＥav８４０に相当する、及び
最小デッドタイム
（外１９５）
0006263637.tif 000221
、ターゲットとしての小型鋼製半球１１０内部の十分な熱放散に必要な時間から得られ、４１０５０９Hzの最大平均繰り返し周波数
（外１９６）
0006263637.tif 000222
に相当する２．４３６μsの
（外１９７−１）
0006263637.tif 000223
の最小平均繰り返し周期を生成する。
【０１３８】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳを用いた、図３中に提示する無限個のパルス波列を適切にレーザー発振するパルス型レーザー源５００の平均パルスエネルギーの測定では、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１及びポート＿３ １０３とビームサイズとの適合性、及びＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１に供給される許容可能な最大エネルギーレベルを考慮に入れるべきであり、そして本明細書中に挙げる計算及び方法を考慮するべきである。バーストモードで動作するパルス型レーザー源５００のパルスエネルギーは、図１中の電位計１１９の適切な積分／平均化時間設定を適用することによって測定することができる。
【０１３９】
本節では、本発明におけるＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳについての簡潔な不確かさの評価を紹介する。この不確かさの分析は、それぞれ１５４９．０nm（ｆav＝５００Hz、デューティサイクル＝０．５）及び１０６４．０nm（ｆav＝５Hz、デューティサイクル＝０．８３）でレーザー発振するパルス型レーザー源５００について、４０μJのパルスエネルギーＰＥav８４０及び１００mJのパルスエネルギーＰＥav８４０をカバーする。両平均繰り返し周波数ｆav３３１は
（外１９７−２）
0006263637.tif 000224
よりもはるかに小さく、かつ式(16)の周波数応答項
（外１９８）
0006263637.tif 000225
が１になるので、この項は不確かさのモデル関数中に含めない。
【０１４０】
図９ａ及び９ｂ中に提示する不確かさの量の部分的不確かさはｕ(Ｉav)３５１、ｕ(ｆav)３５２、ｕ(ＲFCIS)３５３である。これらの部分的不確かさは、図７に示すプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能な電位計１１９、時間間隔カウンタ１３５の較正、及び図７及び図８に示す光パワー伝達標準器８０９に対するＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のスペクトル応答度の測定
（外１９９）
0006263637.tif 000226
３２０に由来する、標準器の（組合せの）不確かさを含む。電位計１１９、時間間隔カウンタ１３５の個別の較正、及び
（外２００）
0006263637.tif 000227
３２０に由来するこれらの標準器の不確かさは、それぞれｕ(Ｉav)３５１、ｕ(ｆav)３５２、ｕ(ＲFCIS)３５３と名付けられ、これらを個別の関連する部分的不確かさに含めることは、これらの標準器の不確かさの二乗値の総和の平方根として実行される。ｕ(Ｉav)３５１及びｕ(ｆav)３５２の両者における不確かさの最大部分は、式(16)中の、第１フォトダイオード１２０が発生する平均光電流Ｉav３００の測定中、及び平均繰り返し周波数ｆav(Hz)３３１（または繰り返し周期Ｔav(s)３３０）の測定中の標準偏差から成り、これらは正規型の分布関数（乗数＝１）を有する。ｕ(ＲFCIS)３５３は、「ａ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外２０１）
0006263637.tif 000228
の測定」の節で説明した
（外２０２）
0006263637.tif 000229
３２０の測定から得られた所定値であるので、両方の不確かさの量に矩形型（一様）分布関数
（外２０３）
0006263637.tif 000230
として含められる。パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーの測定の再現性における誤差σrepro３２９における部分的不確かさと名付けるｕ(σrepro)３５４に関しては、完全な再現性については、不確かさの計算において、測定の再現性における誤差σrepro３２９は０である。平均パルスエネルギーＰＥav８４０の測定の再現性の誤差σrepro３２９における部分的不確かさｕ(σrepro)３５４は、ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００を、パルス型レーザー源のコリメータに対向するように連続して位置決めするプロセスから得られた平均パルスエネルギーＰＥav８４０の標準偏差を用いて計算される。
【０１４１】
ｃ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳにおいてチョップ型レーザー源を用いることによる市販のレーザーエネルギーメーターの較正
適用するステップを示す番号付けでは、「ｃ」は、この測定系列が「ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳにおいてチョップ型レーザー源を用いることによる市販のレーザーエネルギーメーターの較正」の節に測することを示し、１、２、等のような番号は、適用中のステップの連続番号を示す。上付き文字「_clem」は、市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正において関連するパラメータを示す。
【０１４２】
ｃ−１）図２に例示する完結した設定は、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１と称し、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１を用いることによる市販のレーザーエネルギーメーター９９９の追跡可能な較正用に構成され、チョップされたガウス・レーザービーム６０１は、ＤＣモーター５９９と一連のチョッパ９０１〜９０９との組合せを用いてＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９から発生する。
【０１４３】
ｃ−２）市販のレーザーエネルギーメーター９９９の測定範囲に応じて、個別のデューティサイクル３２２を有する関連するチョッパ、チョップ型レーザー源６００の繰り返し周波数ｆ(Hz)３２２、及びチョップ型レーザー源６００のピークパワーＰ0４００の選択を、式(16)により行う。
【０１４４】
ｃ−３）図２中に提示する波長λ(nm)でレーザー発振するＣＷレーザー源８００を動作させて、ＤＣモーター５９９が起動されておらず、従ってチョッパ９０１〜９０９が回転していない際に、ＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９をＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１に向ける。
【０１４５】
ｃ−４）中性密度フィルタのうち適切なものを用いることによって、図２中のＣＷレーザー源８００のＣＷガウス・レーザービーム７９９の出力パワーを２、３mWのレベルまで低減して、眼の保護装置と共に眼の安全性を保証し、これらの中性密度フィルタの光学密度は２．５に及び、これらの中性密度フィルタはシングルモード光ファイバーのパッチコード８７６のコリメータの直前のｚ＝０の所に配置される。
【０１４６】
ｃ−５）ＣＷレーザー源８００のスペクトル範囲に適合するスペクトル範囲を有するＩＲビューワーカードを用いることによって、適切な中性密度フィルタを用いてそのパワーを低減され、チョッパ９０１〜９０９の出口ではまだ連続レジメであるＣＷガウス・レーザービーム７９９を、図２中のアライメント複合体１６２を用いてＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のポート＿１ １０１上に中心合わせする。このステップでは、ビームウエスト、ポート＿１ １０１のサイズ、及び及び小型鋼製半球１１０のサイズの相互間の適合性及び関係を考慮に入れ、これらは「発明を実施するための形態」の節の「ＦＣＩＳの詳細」の小区分において強調する。
【０１４７】
ｃ−６）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１の中心点から入射するＣＷガウス・レーザービーム７９９が小型鋼製半球１１０上に降り注ぎ次第、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９がポート＿１ １０１から入射する光束を検出し始め、小型鋼製半球１１０の円の直径は図４に示すように１３mmである。このステップでは、ＤＣモーター５９９は起動されず、チョッパ９０１〜９０９はまだ回転していない。
【０１４８】
ｃ−７）チョッパ９０１〜９０９がまだ回転しておらず、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９がＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿１ １０１から入射するＣＷガウス・レーザービーム７９９を検出し始めた際に、第２フォトダイオード１２９に結合された高速応答型電流−電圧変換器１２７の電圧出力の最大化を、アライメント複合体１６２を用いて、かつオシロスコープ１３０のスクリーンをリアルタイムで追跡することによって実行する。本発明におけるこのプロセスにより、個別の独立したパルスエネルギー測定についての測定の再現性が増強される、というのは、ポート＿１ １０１から入射する最大放射照度レベルに相当するＣＷガウス・レーザービーム７９９の頂点が、０．１mmの小径ピンホール１１０によって規定される点と同じ点をターゲットとするからであり、小径ピンホールの背後に、第１ＭＭ光ファイバー・パッチコード１５０のＨＭＳ型コネクタ１３２のＺｒフェルール１４０のコアが据え置かれ／配置されている。オシロスコープ１３０のスクリーン上の最大電圧の振幅は重要ではない。この時点で重要なことは最大電圧を得ることであり、最大電圧は、ポート＿１ １０１から入射するＣＷガウス・レーザービーム７９９の最大放射照度レベルの頂点が、０．１mmの小径ピンホール１０９の中心に当たった際に得られる。
【０１４９】
ｃ−８）上記最大化プロセスの完了後に、図２中のＤＣモーター５９９を起動してチョッパ９０１〜９０９が回転し始め、ここで、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のチョップ型レーザー源６００及びチョップされたガウス・レーザービーム６０１が利用可能になる。チョッパ９０１〜９０９の回転の開始により、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９を時間／周波数関係の測定、即ち平均繰り返し周波数
（外２０４）
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８４３、平均繰り返し周期
（外２０５）
0006263637.tif 000232
８４４、及び１に正規化したデューティサイクルの測定に直接使用し始める。本発明におけるＣＷレーザー源８００とチョッパ９０１〜９０９との組合せは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１を用いた市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正において、０．１７から０．８３まで変化する９つの異なるデューティサイクルを、５Hzから２kHzまでに及ぶ任意の繰り返し周波数ｆ(Hz)３２１で提供し、この較正は図７中に提示するプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能である。
【０１５０】
ｃ−９）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００のポート＿３ １０３上の小型鋼製半球１１０に取り付けられた第２フォトダイオード１２９が発生する電圧信号をＣＷガウス・レーザービーム７９９の代わりにチョップし、ＦＣＩＳ式ＬＥＭ  ＣＳのチョップ型レーザー源６００が発生するチョップされたガウス・レーザービーム６０１を、オシロスコープ１３０のスクリーン上で観測する。
【０１５１】
Ｃ−１０）チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１は、その基準平均パルスエネルギー
（外２０６）
0006263637.tif 000233
を測定する目標とし、チョップ型レーザー源６００のチョップされたガウス・レーザービーム６０１の時間／周波数関係のパラメータを、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１のＦＣＩＳ１００の時定数τの影響なしに、かつ図２中の時間間隔カウンタ１３５による第１フォトダイオード１２０のパルス応答ζpd_1の影響なしに直接測定してリアルタイムで平均化し、時間間隔カウンタ１３５は図７中の133Ｃｓ（または87Ｒｂ）原子周波数標準器に合わせて追跡可能であり、本発明では、時間間隔カウンタ１３５に、高速応答型電流−電圧変換器及び第２フォトダイオード１２９が連続して接続される。この測定から得られた繰り返し周期
（外２０７）
0006263637.tif 000234
８４４及び繰り返し周波数
（外２０８）
0006263637.tif 000235
８４３は、式(16)中のものと同じパラメータである。
【０１５２】
ｃ−１１）チョップされたガウス・レーザービームの平均繰り返し周波数
（外２０９）
0006263637.tif 000236
８４３及び平均繰り返し周期
（外２１０）
0006263637.tif 000237
８４４の測定中に、第１フォトダイオード１２０は図２中の平均光電流
（外２１１）
0006263637.tif 000238
８４２を測定し、これは図２中の基準平均パルスエネルギー
（外２１２）
0006263637.tif 000239
８４５に比例する。このパルスエネルギーは、ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１によって測定され、そして同じパルスエネルギーレベル
（外２１３）
0006263637.tif 000240
８４５が市販のレーザーエネルギーメーター９９９に代わりに供給されるので、「基準」と称する。
【０１５３】
ｃ−１２）結果的な規準平均パルスエネルギー
（外２１４）
0006263637.tif 000241
８４５を、次式(28)において、平均繰り返し周波数
（外２１５）
0006263637.tif 000242
８４３の関数として、「ｃ−１１」から得られた
（外２１６）
0006263637.tif 000243
８４２、「ｃ−１０」から得られた
（外２１７）
0006263637.tif 000244
のデータ列により、図３中の第１フォトダイオード１２０の等価回路１７１からの
（外２１８）
0006263637.tif 000245
及び「ａ）ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳのスペクトル応答度
（外２１９）
0006263637.tif 000246
の測定」の節から得られた
（外２２０）
0006263637.tif 000247
３２０を考慮することによって計算する。
【数２７】
0006263637.tif 000248
【０１５４】
チョップ型レーザー源６００について書かれた式(28)は、パルス型レーザー源の平均パルスエネルギーの計算用の式(16)と同じである。ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１を用いて(J)単位で計算されたパルスエネルギー
（外２２１）
0006263637.tif 000249
８４５は、較正される市販のレーザーエネルギーメーター９９９用の基準パルスエネルギー
（外２２２）
0006263637.tif 000250
８４５であり、図７中に例示するプライマリーレベルの標準器に十分に合うように定められる。
【０１５５】
（ｃ−１３）図２に示す市販のレーザーエネルギーメーターの感光面は、入力ポート８３９であり、チョップされたガウス・レーザービーム６０１の伝搬路に対して直交するように直接配置され、チョップされたガウス・レーザービーム６０１の基準平均パルスエネルギー
（外２２３）
0006263637.tif 000251
８４５は、「ｃ−１」〜「ｃ−１２」に詳述されたステップから測定され、基準平均パルスエネルギーと称する。市販のレーザーエネルギーメーター９９９の読み取り値は、ＰＥclem８４１としてJ単位で記録される。
【０１５６】
ｃ−１４）線形較正係数は、プライマリーな標準器に合わせて追跡可能であり、
（外２２４）
0006263637.tif 000252
としてW、A、及びsの単位で計算される。
（外２２５）
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９４５は、市販のレーザーエネルギーメーター９９９用の線形較正係数である。
【０１５７】
ＦＣＩＳ式ＬＥＭＣＳ１１１は、上述した計算、スペクトル応答度の測定方法、市販のレーザーエネルギーメーター９９９の較正方法、及び平均パルスエネルギーの測定方法と共に、一実施形態であり、これらのすべてが３節中に挙げられ、本明細書の図７に示すプライマリーレベルの標準器に合わせて追跡可能である。
【図１】
0006263637.tif 000254
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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