(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波形を整形して出射する光波形整形装置において、
前記入射光を分光する光分離手段と、
前記光分離手段によって分光された光を結像する第１の結像手段と、
前記第１の結像手段によって結像された光を変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器によって変調された光を結像する第２の結像手段と、
前記第２の結像手段によって結像された光を重ね合わせる光重畳手段と、
前記光分離手段及び前記光重畳手段の少なくともいずれか一方を移動させることによって、前記光分離手段と前記第１の結像手段との間の光路距離、及び、前記光重畳手段と前記第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能な光路距離調整手段と
を備え、
前記光分離手段及び前記光重畳手段は、それぞれ、グレーティング溝間隔がｄの単一のグレーティングであることを特徴とする光波形整形装置。
【請求項２】
前記光分離手段と前記第１の結像手段との間の光路上、及び、前記光重畳手段と前記第２の結像手段との間の光路上の少なくともいずれか一方に配置された反射部材をさらに備え、
前記光路距離調整手段は、前記光分離手段及び前記光重畳手段の少なくともいずれか一方と前記反射部材とを移動させることによって、前記光分離手段と前記第１の結像手段との間の光路距離、及び、前記光重畳手段と前記第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の光波形整形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の波形を整形するために用いられる光波形整形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばレーザ装置等において、フェムト秒（ｆｓ）オーダーの光パルスの波形整形に空間光変調器（ＳＬＭ）を用いることが検討されている。このＳＬＭは、コンピュータ制御プログラム等を用いて制御可能なデバイスであるため、波形の整形を容易に行なうことが可能である。
【０００３】
図１１は、ＳＬＭを用いた従来の光波形整形装置の１例を示す構成図である。
この光波形整形装置１００は、反射型のＳＬＭ１０３を用いて構成されており、波形整形の対象となる入射光は入射用グレーティング１０１によって分光された後、入射用凹面鏡１０２を介してＳＬＭ１０３に入力して変調される。変調された光は、出射用凹面鏡１０４を介して出射用グレーティング１０５によって再び重ね合わせられて、全反射鏡１０６によって所定の光軸方向に出射される。
【０００４】
図１２及び図１３は、このような光波形整形装置による波形整形の具体例を示すグラフである。本例では、入射光を、パルス幅６４ｆｓ、中心波長７８９．５７ｎｍ、スペクトル幅１２．５９ｎｍ、光強度２００ｍＷのＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの光パルスとし、これに図１２に示す位相変調を印加する。このとき、図１３（ａ）の時間波形に示すようなシングルパルスの光パルスが、図１３（ｂ）に示すように遅延時間が異なる複数の光パルスからなるパルス列に波形整形される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の光波形整形装置におけるＳＬＭで与えられる位相変調量には限界があるため、それを超える位相変調量を与えるには、光を最大位相変調量で複数回折り返さなければならなかった。例えば、最大位相変調量が２πラジアンであるＳＬＭを用いて１００πラジアンの位相変調を与える場合には、５０回の折り返しが必要であった。
【０００６】
しかしながら、ＳＬＭを複数回折り返した場合の位相変調パターンは図１４に示されるようなパターンとなるが、ＳＬＭにこのような急峻な位相変調を与えることは困難であり、折り返し部分等の波形が鈍くなってしまうことがあった。そのうえ、ＳＬＭの電極本数が限られている（例えば１２８本）ため、折り返し数が多くなると図１５に示されるように分解能が劣化してしまい、結果として所望の位相変調パターンを実現することが困難になるという問題点があった。
【０００７】
また、光が光学系を伝搬する際に位相分散を生じてしまうという問題点もあった。このような場合には、光学系で生じた位相分散の補正もＳＬＭにおいて行なう必要があったため、ＳＬＭにかかる負担が増大してしまうことになっていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光学系の位相分散を容易に補正することが可能であると共に、大きな位相変調を高精度に与えることが可能な光波形整形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光波形整形装置は、入射光の波形を整形して出射する光波形整形装置において、入射光を分光する光分離手段と、光分離手段によって分光された光を結像する第１の結像手段と、第１の結像手段によって結像された光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を結像する第２の結像手段と、第２の結像手段によって結像された光を重ね合わせる光重畳手段と、光分離手段及び光重畳手段の少なくともいずれか一方を移動させることによって、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能な光路距離調整手段とを備え、光分離手段及び光重畳手段は、それぞれ、グレーティング溝間隔がｄの単一のグレーティングであることを特徴とする。
【００１０】
この光波形整形装置では、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化させることによって、光に対して能動的に位相変調（位相分散）を生じさせることができる。すなわち、大きな位相変調を行なう場合であっても、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化させることで大まかな位相変調を行ない、細かい位相変調をＳＬＭを用いて行なえば、高い精度を維持することが可能になる。
【００１１】
また、光が光学系を伝搬する際に位相分散を生じた場合にも、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化することによって逆の位相分散を与えれば、これらの位相分散を相殺することができる。従って、位相分散を容易に補正することができると共に、ＳＬＭにかかる負担を軽減することが可能になる。
【００１２】
この光波形整形装置において、上記光分離手段及び上記光重畳手段は、グレーティングであることが好ましい。
【００１３】
光分離手段及び光重畳手段としてグレーティングを用いることによって、位相分散を効率的に与えることが可能になる。なお、光分離手段及び光重畳手段としてはプリズムを用いることもできる。
【００１４】
また、この光波形整形装置において、光分離手段と第１の結像手段との間の光路上、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路上の少なくともいずれか一方に配置された反射部材をさらに備え、上記光路距離調整手段は、光分離手段及び光重畳手段の少なくともいずれか一方と反射部材とを移動させることによって、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能であることも好ましい。
【００１５】
このように光分離手段（又は光重畳手段）と反射部材とを１対として移動させることによって、光軸を変化させることなく光路距離を調整することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る光波形整形装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
まず、本発明に係る光波形整形装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光波形整形装置１の構成図である。この光波形整形装置１は、入射用グレーティング１１と、入射用凹面鏡１２と、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）１３と、出射用凹面鏡１４と、出射用グレーティング１５と、全反射鏡１６と、入射用グレーティング位置調整部１７と、出射用グレーティング位置調整部１８とを備えて構成される。
【００１８】
光波形整形装置１の各要素は、入射用グレーティング１１に入力された入射光が図１中実線矢印のように進行することができるように配置されている。また、入射用凹面鏡１２とＳＬＭ１３との間隔（光路距離）、及び、出射用凹面鏡１４とＳＬＭ１３との間隔（光路距離）は、それぞれ各凹面鏡の焦点距離ｆ1及びｆ2となるように配置されている。
【００１９】
従来の光波形整形装置では、グレーティングと凹面鏡との間の間隔は各凹面鏡の焦点距離ｆ1及びｆ2に固定されていたため、おのずからグレーティング間の光路距離は一定値とされていた。本実施形態では、入射用グレーティング位置調整部１７が入射用グレーティング１１の側面部に接続されており、入射用グレーティング１１を光路方向（図１中破線矢印で示される方向）に移動させることが可能になっている。同様に、出射用グレーティング位置調整部１８が出射用グレーティング１５の側面部に接続されており、出射用グレーティング１５を光路方向に移動させることが可能になっている。これによって、本実施形態では、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の間隔（光路距離）、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の間隔（光路距離）を調整することが可能になっている。
【００２０】
続いて、本実施形態に係る光波形整形装置の基本的な動作について説明する。
この光波形整形装置１による波形整形の対象となる入射光として、例えばパルス幅６４ｆｓ、中心波長７８９．５７ｎｍ、スペクトル幅１２．５９ｎｍ、光強度２００ｍＷのＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの光パルスが適用される。
【００２１】
この入射光は、図１の実線矢印に示されるように、入射用グレーティング１１によって各波長成分に分光された後、入射用凹面鏡１２によって結像されながらＳＬＭ１３に入力される。入力された光は、ＳＬＭ１３によって位相変調された後、出射用凹面鏡１４を介して出射用グレーティング１５に入射して各波長成分が重ね合わせられる。そして、全反射鏡１６を介して最終的に波形整形された出射光として所定の光軸方向に出射される。
【００２２】
上記のような波形整形処理を行なう際に光学系を伝搬する光が位相分散を生じてしまうため、本実施形態では、入射用グレーティング位置調整部１７及び出射用グレーティング位置調整部１８を用いて入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との間の光路距離を調整し、光に逆の位相分散を与えることによって位相分散を相殺して補正する。以下において、光路距離の調整によって位相分散を補正する方法を具体的に説明する。
【００２３】
中心周波数ω０（中心波長λ０＝２πｃ／ω０、ただしｃは光速）のパルス光が分散媒質（例えば、正常分散媒質であるＢＫ７ガラス）を伝搬した場合に生じる位相分散は、
【数１】
0004550963.tif 000002
により与えられる。ただし、ｎ（λ）は分散媒質の屈折率、ｚは分散媒質の伝搬長さとする。
【００２４】
例えば、伝搬長さｚを２００ｍｍとし、分散媒質を伝搬する光を本実施形態で用いられる入射光（中心波長７８９．５７ｎｍ）とした場合、分散媒質を伝搬する際に生じる位相分散を式（１）によって求めると、図２のグラフに示されるような位相分散（位相遅延、以下「負の位相分散」という）が得られる。
【００２５】
一方、図３に示すようなグレーティング対を光が通過した際に生じる位相分散は、
【数２】
0004550963.tif 000003
により与えられる。ただし、α＝−ｃｏｓγ／ｃｏｓθm、β＝ｍλ2／（２πｃｄｃｏｓθm）、γはグレーティングへの入射角、θmはグレーティングからの出射角、ｍは回折次数、ｄはグレーティング溝間隔、Ｍはレンズ系の拡大率、ｋは波数である。また、図３に示すように、ｚ1及びｚ2は、それぞれ各レンズ系の焦点距離ｆ1及びｆ2から、グレーティングとレンズ系との間の光路距離を減じた値である。
【００２６】
本実施形態では、グレーティング対による位相分散が式（２）のように光路距離ｂに依存することを用いて、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整して逆の位相分散（位相進み、以下「正の位相分散」という）を能動的に生じさせる。すなわち、光が光学系を伝搬する際に図２に示される負の位相分散が生じていた場合には、図４に示される正の位相分散（図２に示される位相分散の逆の位相分散）を生じさせるような光路距離の値を求め、その値に基づいて入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整する。例えば、式（２）においてＮ＝８３０（ｌｉｎｅ／ｍｍ）、入射角λ＝２８．５°、出射角θm＝１０．３°のときには、ｚ1＝ｚ2＝−７．３５（ｍｍ）とすれば、図４に示される正の位相分散を得ることができる。
【００２７】
なお、入射用グレーティング１１及び出射用グレーティング１５の移動に伴って光路がずれてしまった場合には、入射用凹面鏡１２及び出射用凹面鏡１４にアオリを与える（すなわち、図１の紙面に垂直な軸に対して回転させる）ことによって修正すればよい。
【００２８】
次いで、本実施形態に係る光波形整形装置１において、上記のように入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との光路距離を調整することによって位相分散を補正した例を図５〜図７を参照しながら説明する。なお、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間隔（光路距離）、及び、出射用凹面鏡１４と出射用グレーティング１５との間隔（光路距離）は、予め各凹面鏡の焦点距離ｆ1及びｆ2（例えばそれぞれ３５０ｍｍ）とされているものとする。
【００２９】
図５は、光源（本実施形態ではＴｉ：ｓａｐｐｈａｉｒｅレーザ）から出射された直後の光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフであり、図６は、光路距離調整前の光波形整形装置１によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。図６に示すグラフから明らかなように、光波形整形装置１によって波形整形された光パルスには、負の位相分散が生じている。
【００３０】
図７は、上記の式（２）に基づいて光路距離を調整した後（例えば、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間隔、及び、出射用凹面鏡１４と出射用グレーティング１５との間隔を３５７．４ｍｍとし、入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との間の光路距離を１４．８ｍｍ大きくした後）の光波形整形装置１によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。図７に示すグラフから、グレーティング間の光路距離を調整したことによって位相分散が補正されていることが明らかである。従って、本実施形態に係る光波形整形装置１によれば、ＳＬＭ１３の負担を増大させることなく位相分散を補正することが可能になる。
【００３１】
さらに、本実施形態に係る光波形整形装置１において、上記のように位相分散を能動的に生じさせることを利用すると、光に大きな位相変調を与えることも可能になる。すなわち、与えたい位相変調量に対応するグレーティングと凹面鏡との間の光路距離を式（２）を用いて求め、それに基づいて入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整すれば、大きな位相変調を大まかに与えることができる。従って、ＳＬＭ１３を用いて細かな位相変調のみを与えればよい（位相変調の微調整をすればよい）ため、ＳＬＭ１３の負担を増大させることなく大きな位相変調を高精度に与えることが可能になる。
【００３２】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る光波形整形装置２の構成図である。この光波形整形装置２は、入射用グレーティング２１と、入射用レンズ２２と、透過型の空間光変調器（ＳＬＭ）２３と、出射用レンズ２４と、出射用グレーティング２５と、入射用反射部材２６と、出射用反射部材２７とを備えて構成される。
【００３３】
また、この光波形整形装置２では、透過型のＳＬＭ２３が用いられているため、入射用反射部材２６、入射用レンズ２２、ＳＬＭ２３、出射用レンズ２４、及び出射用反射部材２７が同一直線上になるように配置されている。また、入射用レンズ２２とＳＬＭ２３との間隔（光路距離）、及び、出射用レンズ２４とＳＬＭ２３との間隔（光路距離）は、それぞれ各レンズの焦点距離ｆ1及びｆ2となるように配置されている。
【００３４】
続いて、本実施形態に係る光波形整形装置２の基本的動作について説明する。
光波形整形装置２に入射した光は、図８の実線矢印に示されるように、入射用グレーティング２１によって各波長成分に分光された後、入射用反射部材２６に反射され、入射用レンズ２２によって結像されながらＳＬＭ２３に入力される。入力された光は、ＳＬＭ２３によって位相変調された後、出射用レンズ２４を介して出射用反射部材２７に反射され、出射用グレーティング２５に入射して各波長成分が重ね合わせられる。そして、最終的に波形整形された出射光として所定の光軸方向に出射される。
【００３５】
また、本実施形態に係る光波形整形装置２では、図８に示されるように、光の入射方向及び出射方向が同一方向であり、その入射（出射）方向がＳＬＭ２３を透過する際の光路方向と平行となっている。そのため、この光波形整形装置２では、入射用グレーティング２１及び入射用反射部材２６、並びに、出射用グレーティング２５及び出射用反射部材２７を図８中破線で示すように平行移動させることによって、入射用グレーティング２１と入射用レンズ２２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング２５と出射用レンズ２４との間の光路距離を調整することができる。従って、光軸を変化させることなく光路距離を調整することが可能であり、光軸の調整処理（レンズのアオリ等）を行なう必要がない。
【００３６】
なお、本発明に係る光波形整形装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、他の条件等に応じたさまざまな変形態様をとることが可能である。例えば、上記第１の実施形態では、入射用グレーティング１１（又は出射用グレーティング１５）と入射用凹面鏡１２（又は出射用凹面鏡１４）との間の光路距離を、凹面鏡の焦点距離ｆ1（ｆ2）より長くする（すなわち、図３においてｚ1（ｚ2）＜０とする）ことによって、入射光に正の位相分散を与えることを説明したが、入射用グレーティング１１（又は出射用グレーティング１５）と入射用凹面鏡１２（又は出射用凹面鏡１４）との間の光路距離を、凹面鏡の焦点距離ｆ1（ｆ2）より短くする（すなわち、図３においてｚ1（ｚ2）＞０とする）ことによって、入射光に負の位相分散を与えることもできる。
【００３７】
また、図９に示されるように、第１の実施形態に係る光波形整形装置１において、入射光が入射用グレーティング１１に入射する直前の光路上、及び、出射用グレーティング１５を出射した直後の光路上に、分散媒質３１及び３２を配置してもよい。この場合でも、能動的に負の位相分散を与えることができる（例えば、波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形は図１０に示すグラフのようになる）ため、入射用グレーティング１１又は出射用グレーティング１５の位置調整と併用することによって、正負両方の位相分散を与えることも可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光波形整形装置によれば、光学系の位相分散を容易に補正することが可能であると共に、大きな位相変調を高精度に与えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光波形整形装置の構成図である。
【図２】光学系を伝搬する際に生じる位相分散（負の位相分散）を示すグラフである。
【図３】グレーティング対による位相分散を説明するための模式図である。
【図４】位相分散（負の位相分散）を補正するための逆の位相分散（正の位相分散）を示すグラフである。
【図５】光源から出射された直後の光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図６】光路距離調整前の光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図７】光路距離調整後の光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態に係る光波形整形装置の構成図である。
【図９】第１の実施形態に係る光波形整形装置の光路上に分散媒質を挿入した場合の構成図である。
【図１０】分散媒質が挿入された光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図１１】従来の光波形整形装置の構成図である。
【図１２】光パルスに対する位相変調の１例を示すグラフである。
【図１３】光パルスを位相変調することによってパルス列に整形された波形の１例を示すグラフである。
【図１４】光パルスが空間光変調器を複数回折り返した場合の位相変調パターンの１例を示すグラフである。
【図１５】図１４に示される位相変調パターンに対する空間光変調器の分解能を示すグラフである。
【符号の説明】
１…光波形整形装置、２…光波形整形装置、１１…入射用グレーティング、１２…入射用凹面鏡、１３…空間光変調器（ＳＬＭ）、１４…出射用凹面鏡、１５…出射用グレーティング、１６…全反射鏡、１７…入射用グレーティング位置調整部、１８…出射用グレーティング位置調整部、２１…入射用グレーティング、２２…入射用レンズ、２３…空間光変調器（ＳＬＭ）、２４…出射用レンズ、２５…出射用グレーティング、２６…入射用反射部材、２７…出射用反射部材、３１…分散媒質、３２…分散媒質、１００…光波形整形装置、１０１…入射用グレーティング、１０２…入射用凹面鏡、１０３…空間光変調器（ＳＬＭ）、１０４…出射用凹面鏡、１０５…出射用グレーティング、１０６…全反射鏡
【図１】
0004550963.tif 000004
【図２】
0004550963.tif 000005
【図３】
0004550963.tif 000006
【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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【図９】
0004550963.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0004550963.tif 000015
【図１３】
0004550963.tif 000016
【図１４】
0004550963.tif 000017
【図１５】
0004550963.tif 000018