(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を光電面で光電変換した後の電子群を時間軸方向に掃引して波形を測定する光波形測定装置において、
前記光電面を有する真空管内に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、前記電子群を時間軸方向に掃引する第１の偏向電極と、
前記光電面を有する前記真空管内に前記第１の偏向電極に対して入射光軸に沿った後方に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、前記電子群を時間軸方向に掃引する第２の偏向電極と、
前記入射光が同期する１次高調波信号及び、この１次高調波信号に同期したｎ倍の周波数のｎ次高調波信号（但し、ｎは１以上の次数）を出力する出力手段と、
前記第１の偏向電極へ前記１次高調波信号を印加すると共に、前記第２の偏向電極へ前記ｎ次高調波信号を印加する印加手段と
を備えたことを特徴とする光波形測定装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の偏向電極の他に、前記光電面からの前記電子群の走行方向に沿って配置された１または複数の偏向電極を備え、
前記出力手段から、前記１次高調波信号に同期し且つ任意倍数の高調波信号を前記１または複数の偏向電極の数だけ出力し、この出力された高調波信号を、前記印加手段を介して前記１または複数の偏向電極に印加する
ことを特徴とする請求項１に記載の光波形測定装置。
【請求項３】
前記印加手段は、前記第１及び第２の偏向電極を含む共振回路構成を成す
ことを特徴とする請求項１または２記載の光波形測定装置。
【請求項４】
前記第１の偏向電極に印加される１次高調波信号及び、前記第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号の各々の位相を検出し、これら検出された位相が一定となるように前記１次高調波信号及び前記ｎ次高調波信号の位相を制御する位相制御手段
を備えたことを特徴とする請求項３に記載の光波形測定装置。
【請求項５】
前記印加手段から前記第１の偏向電極に印加される１次高調波信号と、前記印加手段に入力される１次高調波信号との位相差が、一定又は零となるように前記印加手段に入力される１次高調波信号の位相を制御すると共に、前記印加手段から前記第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号と、前記印加手段に入力されるｎ次高調波信号との位相差が、一定又は零となるように前記印加手段に入力されるｎ次高調波信号の位相を制御する位相制御手段
を備えたことを特徴とする請求項４記載の光波形測定装置。
【請求項６】
前記印加手段から前記第１の偏向電極に印加される１次高調波信号と、前記印加手段に入力される１次高調波信号との位相差が、一定又は零となるような周波数の１次高調波信号を発振して前記印加手段へ出力すると共に、前記印加手段から前記第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号と、前記印加手段に入力されるｎ次高調波信号との位相差が、一定又は零となるような周波数のｎ次高調波信号を発振して前記印加手段へ出力する発振手段
を備えたことを特徴とする請求項４記載の光波形測定装置。
【請求項７】
前記印加手段を介して前記第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号の位相を逆位相とし、この逆位相とされたｎ次高調波信号と前記１次高調波信号とを合成した際に、この合成波において掃引レンジに対応する平均の傾き部分が極力大きくなるように、前記逆位相とされたｎ次高調波信号の振幅を調整する位相反転手段
を備えたことを特徴とする請求項４に記載の光波形測定装置。
【請求項８】
前記入射光を前記１次高調波信号に同期して出射する出射手段
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の光波形測定装置。
【請求項９】
入射された光を光電面で光電変換した後の電子群を時間軸方向に掃引して波形を測定する光波形測定装置において、
前記光電面を有する真空管内に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、前記電子群を時間軸方向に掃引する第１の偏向電極と、
前記光電面を有する前記真空管内に前記第１の偏向電極に対して入射光軸に沿った後方に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、前記電子群を時間軸方向に掃引する第２の偏向電極と、
入射された光を分岐し、分岐された一方の光を前記光電面に入射すると共に、分岐された他方の光を変換手段へ出力する分岐手段と、
前記変換手段で変換された電気信号から１次高調波信号と、ｎ倍の周波数のｎ次高調波信号（但し、ｎは１以上の次数）を抽出する抽出手段と、
前記第１の偏向電極へ前記１次高調波信号を印加すると共に、前記第２の偏向電極へ前記ｎ次高調波信号を印加する印加手段と
を備えたことを特徴とする光波形測定装置。
【請求項１０】
前記分岐手段に入射される光を出射する出射手段
を更に備えたことを特徴とする請求項９に記載の光波形測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極短時間内に生じる光（超高速光）の強度が、時間的又は空間（位置や波長）的にどの様に変化するかを測定するストリークカメラなどに適用される光波形測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、繰り返しの高いパルスレーザ光の強度を測定するストリークカメラ（シンクロスキャンストリークカメラ）においては、その構成要素であるストリーク管に、通常１組の平行平板型垂直偏向板（以下、偏向板という）を備え、この偏向板（電極）に印加される高電圧の変化を利用し、後述するストリーク掃引が行われている。
【０００３】
ストリーク管においては、パルスレーザ光が入射される光電面で光強度に応じて光電変換された電子群が、加速電極により加速される。この加速された電子群が偏向板の間を通過する際に、偏向板に印加された高電圧、即ち掃引電圧によって上方から下方へ（時間軸方向へ）振られるストリーク掃引が行われる。この掃引によって電子群が垂直方向の少しづつ異なった角度に偏向され、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）を介して蛍光面に衝突し、ここで再び光に変換されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の光波形測定装置であるストリークカメラにおいて、光強度の変化をより精度良く測定するためには、言い換えれば、より高時間分解能を得るためには、より大きな掃引電圧の振幅を必要とする。その掃引電圧の振幅を大きくするためには、偏向板の容量と共振するコイルを有して成る共振回路のＱ値を大きくするか、入力電力を大きくするかの何れかである。前者のＱ値は、コイルや配線の残留インダクタンスや浮遊容量により制限されるため、現状の共振回路以上とすることは現実的に困難である。
【０００５】
後者については、電力の消費が殆ど共振回路内で行われるため偏向板から熱を発生し、共振周波数のドリフトが生じてしまう。更に言及すれば、ストリーク管内での偏向板の発熱は、真空中であるがため熱の逃げ場がなく、少しの電力でも数１００℃以上の温度上昇が生じ、ストリーク管が破壊するなど恒久的なダメージを与える可能性がある。また、共振回路を大きいＱ値を保持したまま振動などがないように冷却することは困難である。
【０００６】
そこで本発明は、ストリーク管内で恒久的なダメージを与える熱が発生することのないように光強度の変化をより精度高く測定することができる光波形測定装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の光波形測定装置は、入射光を光電面で光電変換した後の電子群を時間軸方向に掃引して波形を測定する光波形測定装置において、光電面を有する真空管内に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、電子群を時間軸方向に掃引する第１の偏向電極と、光電面を有する真空管内に第１の偏向電極に対して入射光軸に沿った後方に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、電子群を時間軸方向に掃引する第２の偏向電極と、入射光が同期する１次高調波信号及び、この１次高調波信号に同期したｎ倍の周波数のｎ次高調波信号（但し、ｎは１以上の次数）を出力する出力手段と、第１の偏向電極へ１次高調波信号を印加すると共に、第２の偏向電極へｎ次高調波信号を印加する印加手段とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
入射光の光電変換後の電子群が、第１の偏向電極で１次高調波信号の電圧で掃引されたのち、第２の偏向電極でｎ次高調波信号の電圧で掃引されるので、電子群の動きが、１次高調波信号とｎ次高調波信号との合成波信号の電圧で掃引されたと同様な動きとなる。合成波信号は、その傾きが１次高調波信号の傾きと比べ急峻であるため、その分、電子群を時間軸方向へより大きく振ることができ、これによって高時間分解能を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の光波形測定装置においては、第１及び第２の偏向電極の他に、入射光の軸に沿って配置された１または複数の偏向電極を備え、出力手段から、１次高調波信号に同期し且つ任意倍数の高調波信号を１または複数の偏向電極の数だけ出力し、この出力された高調波信号を、印加手段を介して１または複数の偏向電極に印加することを特徴とすることが好適である。
【００１０】
電子群の動きが、各高調波信号を合成した急峻な傾きを持つ合成波信号の電圧で掃引されたと同様な動きとなるので、電子群を時間軸方向へより大きく振ることができ、これによって高時間分解能を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の光波形測定装置においては、印加手段は、第１及び第２の偏向電極を含む共振回路構成を成すことを特徴とすることが好適である。
【００１２】
偏向電極が共振回路に含まれるようにしたので、偏向電極に進行波型のものを用いた場合に比較し、より高い電圧ゲインを得ることができる。更に言及すれば、固定周波数での使用においては、共振回路を利用したものの方がより少ない電力で高スルーレートを得ることができる。なぜならば、進行波型の偏向電極の場合、固定されたインピーダンスを備える伝送線路の構造となっているため、広帯域な周波数特性を持っており、これに高次の高調波を持つ矩形波を印加すれば、スルーレートを高くすることが可能であるが、広帯域特性を保持したままインピーダンスを高くすることは浮遊容量や残留インダクタンスのために物理的に困難である。このためインピーダンスに限界があることから、電圧ゲインも低くなる。
【００１３】
また、本発明の光波形測定装置においては、印加手段から第１の偏向電極に印加される１次高調波信号と、印加手段に入力される１次高調波信号との位相差が、一定又は０となるように印加手段に入力される１次高調波信号の位相を制御すると共に、印加手段から第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号と、印加手段に入力されるｎ次高調波信号との位相差が、一定又は０となるように印加手段に入力されるｎ次高調波信号の位相を制御する位相制御手段を備えたことを特徴とすることが好適である。
【００１４】
第１及び第２偏向電極に印加される１次高調波信号及びｎ次高調波信号による掃引電圧の位相を一定とすることができるので、印加手段で第１及び第２の偏向電極を含めて構成される共振回路などに起因する熱ドリフトを補正することができる。
【００１５】
また、本発明の光波形測定装置においては、印加手段から第１の偏向電極に印加される１次高調波信号と、印加手段に入力される１次高調波信号との位相差が、一定又は０となるような周波数の１次高調波信号を発振して印加手段へ出力すると共に、印加手段から第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号と、前記印加手段に入力されるｎ次高調波信号との位相差が、一定又は０となるような周波数のｎ次高調波信号を発振して印加手段へ出力する発振手段を備えたことを特徴とすることが好適である。
【００１６】
第１及び第２偏向電極に印加される１次高調波信号及びｎ次高調波信号による掃引電圧の位相を一定とすることができるので、印加手段で第１及び第２の偏向電極を含めて構成される共振回路などに起因する熱ドリフトを補正することができる。
【００１７】
また、本発明の光波形測定装置においては、印加手段を介して第２の偏向電極に印加されるｎ次高調波信号の位相を逆位相とし、この逆位相とされたｎ次高調波信号と１次高調波信号とを合成した際に、この合成波において掃引レンジに対応する平均の傾き部分が極力大きくなるように、逆位相とされたｎ次高調波信号の振幅を調整する位相反転手段を備えたことを特徴とすることが好適である。
【００１８】
入射光の光電変換後の電子群が、第１及び第２の偏向電極で掃引される際の掃引レンジが大きくなるので、より多くの電子群を掃引することができる。
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の光波形測定装置は、入射された光を光電面で光電変換した後の電子群を時間軸方向に掃引して波形を測定する光波形測定装置において、光電面を有する真空管内に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、電子群を時間軸方向に掃引する第１の偏向電極と、光電面を有する真空管内に第１の偏向電極に対して入射光軸に沿った後方に配置され、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成り、電子群を時間軸方向に掃引する第２の偏向電極と、入射された光を分岐し、分岐された一方の光を光電面に入射すると共に、分岐された他方の光を変換手段へ出力する分岐手段と、変換手段で変換された電気信号から１次高調波信号と、ｎ倍の周波数のｎ次高調波信号（但し、ｎは１以上の次数）を抽出する抽出手段と、第１の偏向電極へ１次高調波信号を印加すると共に、第２の偏向電極へｎ次高調波信号を印加する印加手段とを備えたことを特徴としている。
【００２０】
光電面に入射する光そのものから１次高調波信号及びｎ次高調波信号を抽出し、これらを最終的に掃引電圧として用いるので、入射光と掃引電圧との同期をより精度良く確立することができる。なお、本発明の光波形測定装置は、この装置自身が入射光を出射する光源（出射手段）を備えていても良い。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態にかかる光波形測定装置であるストリークカメラについて図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は第１実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。この図１に示すストリークカメラ１０は、高繰返し型パルスレーザ１２と、第１及び第２偏向板１４，１６を有するストリーク管１８と、シンセサイザ２０，２２と、位相器２４，２６と、電力増幅器２８，３０と、整合回路３２，３４とを備えて構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
【００２３】
高繰返し型パルスレーザ１２はＰＬＬ(Phase Locked Loop)回路を内蔵しており、このＰＬＬ回路でシンセサイザ２０から出力される周波数ｆ１の信号（以下、ｆ１信号という）に同期を取ることにより、ｆ１信号に同期したパルスレーザ光をストリーク管１８へ出射するものである。
【００２４】
ストリーク管１８は、基本的には従来例で説明したように、パルスレーザ光を光電面で電子群に変換して加速電極で加速し、この加速された電子群を偏向板でストリーク掃引したのちＭＣＰを介して蛍光面で再び光に変換するものであるが、偏向板に第１及び第２偏向板１４，１６を用いた点が従来例と異なる。
【００２５】
第１偏向板１４は、１組の平板型電極が垂直に面平行状態で所定間隔離されて成るものであり、第２偏向板１６は第１偏向板１４と同構成であって、第１偏向板１４の入射光軸に沿った後方に配置されている。つまり、加速電極で加速された電子群が第１及び第２偏向板１４，１６の順で通過し、この通過時に双方の偏向板１４，１６でストリーク掃引されるようになっている。また各偏向板１４，１６の電圧印加端の対向端は接地されている。
【００２６】
シンセサイザ２０は、ｆｎ信号を高繰返し型パルスレーザ１２の他に、シンセサイザ２２と位相器２４とに出力するものである。シンセサイザ２２はそのｆ１信号に同期して動作し、ｆ１信号の周波数ｆ１の高調波、即ちｎ倍の周波数の信号（以下、ｆｎ信号という）を位相器２６へ出力するものである。但し、ｎ倍は１倍を含む。
【００２７】
位相器２４は、ｆ１信号の位相を予め定められた位相としたのち電力増幅器２８へ出力し、位相器２６は、ｆｎ信号の位相を予め定められた位相としたのち電力増幅器３０へ出力するものである。
【００２８】
電力増幅器２８は、位相器２４からのｆ１信号を予め定められた電力に増幅したのち整合回路３２へ出力し、電力増幅器３０は、位相器２６からのｆｎ信号を予め定められた電力に増幅したのち整合回路３４へ出力するものである。
【００２９】
整合回路３２は、電力増幅器２８で増幅されたｆ１信号の電力を第１偏向板１４に有効に伝達するものであり、このため共振回路に構成されており、例えば図２に示す直列共振回路３６に構成されている。この直列共振回路３６は、コンデンサＣ１、コイルＬ１、抵抗器Ｒ、コイルＬ２及びコンデンサＣ２の各要素が、信号の＋入力端子とアースとの間に直列に接続されると共に、コンデンサＣ１及びコイルＬ１間とアースとの間にコンデンサＣ３が接続され、更に−入力端子が接地されて構成されている。整合回路３４は整合回路３２と同構成であり、電力増幅器３０で増幅されたｆｎ信号の電力を第２偏向板１６に有効に伝達するものである。
【００３０】
また、各位相器２４，２６でｆ１信号及びｆｎ信号の位相が調整される場合、ストリーク管１８に入射されたパルスレーザ光の光電変換後の電子群が、第１及び第２偏向板１４，１６でストリーク掃引される際に、ｆ１信号及びｆｎ信号による各掃引電圧波形の急峻部分で最適に捕らえられるように調整される。
【００３１】
このような構成のストリークカメラ１０の動作を説明する。但し、シンセサイザ２０から出力されるｆ１信号が、図３に実線の曲線３８で示す基本波（１次高調波）であり、シンセサイザ２２から出力されるｆｎ信号が、同図３に破線の曲線４０で示す３次高調波であるとする。また、図３では縦軸が振幅（Ｖ）軸、横軸が時間（ｎｓ）軸であり、基本波３８の振幅が１で、３次高調波４０の振幅が０．５、更に基本波３８の周波数ｆ１が８０ＭＨｚであるとする。
【００３２】
まず、シンセサイザ２０からの基本波３８に同期して高繰返し型パルスレーザ１２から出射されたパルスレーザ光がストリーク管１８に入射される。一方、シンセサイザ２０からの基本波３８の位相が位相器２４で調整される。この調整は、パルスレーザ光の光電変換後の電子群が第１偏向板１４でストリーク掃引される際に、基本波３８の振幅の急峻部分で最適に捕らえられるように行われる。この位相調整された基本波３８は、電力増幅器２８で所定電力に増幅された後、整合回路３２を介して第１偏向板１４に掃引電圧として印加される。この際、整合回路３２によって第１偏向板１４の容量と共振するように印加される。
【００３３】
同様に、シンセサイザ２０に同期して動作するシンセサイザ２２からの３次高調波４０の位相が位相器２６で調整される。この調整は、パルスレーザ光の光電変換後の電子群が第２偏向板１６でストリーク掃引される際に、３次高調波４０の振幅の急峻部分で最適に捕らえられるように行われる。この位相調整された３次高調波４０は、電力増幅器３０で所定電力に増幅された後、整合回路３４から第２偏向板１６に掃引電圧として印加される。この際、整合回路３４によって第２偏向板１６の容量と共振するように印加される。
【００３４】
これらの印加によって、まず、パルスレーザ光が光電面で光電変換された後の電子群が第１偏向板１４を通過する際に、図３に示す基本波３８の振幅の急峻部分で時間軸方向へストリーク掃引される。この掃引により電子群が垂直方向の少しずつ異なった角度に偏向される。この偏向された電子群は第２偏向板１６へ移行し、第２偏向板１６を通過する際に、図３に示す３次高調波４０の振幅の急峻部分で上方から下方へ振られる。即ち時間軸方向へストリーク掃引される。この掃引によって電子群が前段の偏向よりも更に垂直方向の異なった角度に偏向される。この偏向された電子群はＭＣＰを介して蛍光面に衝突し、ここで再び光に変換される。
【００３５】
以上説明した第１実施形態のストリークカメラ１０によれば、１次高調波である基本波３８による掃引電圧を第１偏向板１４に印加し、第１偏向板１４の入射光軸に沿う後方に配置された第２偏向板１６に、基本波３８と同期した３次高調波４０による掃引電圧を印加するようにした。
【００３６】
これによって、入射パルスレーザ光が光電面で光電変換された後の電子群が、第１偏向板１４で基本波３８の電圧でストリーク掃引されたのち、第２偏向板１６で３次高調波４０の電圧でストリーク掃引されるので、電子群の動きが図４に曲線４２で示す基本波３８と３次高調波４０との合成波の電圧でストリーク掃引されたと同様な動きとなる。合成波４２は、図４に直線４４で示すその傾きが、基本波３８の傾き４６に比べ急峻であり、約２．５倍改善されている。この改善によって、電子群を時間軸方向へより大きく振ることができるので、高時間分解能を得ることができる。
【００３７】
ここで、仮に基本波３８のみで合成波４２の傾きを得ようとした場合、合成波４２の５倍の電力を必要とする。この電力は、解決すべき課題の項で説明したように、ストリーク管を含めた共振回路の内で殆ど消費されるため、その熱による温度上昇と位相ドリフトに影響を与える。逆に言えば、第１実施形態のストリークカメラ１０では、その熱による温度上昇と位相ドリフトに影響を与えることがない。従って、ストリーク管１８内で恒久的なダメージを与える熱が発生することのないように、光強度の変化をより精度高く測定することが可能となる。
【００３８】
また、第１及び第２偏向板１４，１６に掃引電圧を印加する際に、各偏向板１４，１６と共に共振回路構成をとる整合回路３２，３４を介して行っているが、これは次の理由による。偏向板として進行波型のものを用いる場合も考えられるが、進行波型の偏向板の場合、例えば１００Ωや２００Ωのように固定されたインピーダンスを備える伝送線路の構造となっているため、広帯域な周波数特性を持っている。これに高次の高調波を持つ矩形波を印加すれば、スルーレートを高くすることができる。しかし、広帯域特性を保持したままインピーダンスを高くすることは浮遊容量や残留インダクタンスのために物理的に困難である。現状ではインピーダンスが２００Ω程度のため、掃引電圧のゲインは２倍である。これに比べ共振回路では、図５に曲線４８で示す掃引電圧波形のように、約２３ｄＢ（約１４倍）のゲインを得ることができるので、固定周波数での使用においては、共振回路を利用したものの方がより少ない電力で高スルーレートを得ることが可能となる。なお、図５においては縦軸が振幅（ｄＢ）軸、横軸が周波数（ＭＨｚ）軸である。
【００３９】
但し、上記第１実施形態では、偏向板が第１及び第２偏向板１４，１６の２段であることを前提に説明したが、３段以上であっても上記のような効果を得ることができる。この３段以上の場合も整合回路は各偏向板を含む共振回路構成を成すようにする。
【００４０】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４１】
図６は第２実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。但し、この図６に示す第２実施形態において図１の第１実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４２】
図６に示す第２実施形態のストリークカメラ５０が、図１に示した第１実施形態のストリークカメラ１０と異なる点は、２つのシンセサイザ２０，２２のうちシンセサイザ２０を１つ用い、他方のシンセサイザ２２の代わりに３倍波発生器５２を備えたことにある。３倍波発生器５２は、位相器２４で位相が調整されたシンセサイザ２０から出力されたｆ１信号の３倍の周波数信号（以下、３倍波信号という）を発生し、これを位相器２６へ出力するものである。
【００４３】
このような構成のストリークカメラ５０の動作を上記第１実施形態と異なる点のみ説明する。但し、ｆ１信号が図３に示した基本波３８であり、３倍波信号が３次高調波４０であるとする。位相器２４で位相調整された基本波３８は、電力増幅器２８及び３倍波発生器５２に入力され、３倍波発生器５２では、基本波３８をもとに３次高調波４０が発生される。この３次高調波４０は電力増幅器３０に入力される。
【００４４】
以上説明した第２実施形態のストリークカメラ５０によれば、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。なお、３倍波発生器５２をｎ倍波発生器に置き換え、ｎ倍波信号（ｎ次高調波）を発生するようにしてもよい。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
【００４６】
図７は第３実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。但し、この図７に示す第３実施形態において図６の第２実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００４７】
図７に示す第３実施形態のストリークカメラ６０が、図６に示した第２実施形態のストリークカメラ５０と異なる点は、ストリークカメラ５０の構成要素に加え、位相比較器６２，６４と、ループフィルタ６６，６８と、電圧制御位相器７０，７２とを備えたことにある。
【００４８】
位相比較器６２は、第１偏向板１４に印加される掃引電圧（ｆ１信号）の位相と、位相器２４から出力されるｆ１信号の位相とを比較することによって、双方の信号の位相差を求め、これをループフィルタ６６へ出力するものである。ループフィルタ６６は、その位相差に応じた電圧を電圧制御位相器７０へ出力するものである。電圧制御位相器７０は、ループフィルタ６６からの電圧に応じて上記の位相差が一定又は０（零）となるように、位相器２４からのｆ１信号の位相を調整し、この調整後のｆ１信号を電力増幅器２８へ出力するものである。
【００４９】
位相比較器６４は、第２偏向板１６に印加される掃引電圧（３倍波信号）の位相と、位相器２６から出力される３倍波信号の位相とを比較することによって双方の信号の位相差を求め、これをループフィルタ６８へ出力するものである。ループフィルタ６８は、その位相差に応じた電圧を電圧制御位相器７２へ出力するものである。電圧制御位相器７２は、ループフィルタ６８からの電圧に応じて上記の位相差が一定又は０（零）となるように、位相器２６からの３倍波信号の位相を調整し、この調整後の３倍波信号を電力増幅器３０へ出力するものである。
【００５０】
このような構成のストリークカメラ６０の動作を上記第２実施形態と異なる点のみ説明する。但し、ｆ１信号が図３に示した基本波３８であり、３倍波信号が３次高調波４０であるとする。
【００５１】
位相器２４で位相調整された基本波３８と、第１偏向板１４に掃引電圧として印加された整合回路３２からの基本波３８とが位相比較器６２に入力されると、位相比較器６２では、双方の基本波３８の位相が比較されることによって、双方の基本波３８の位相差が求められる。この求められた位相差はループフィルタ６６に入力され、ここでその位相差に応じた電圧が生成され、電圧制御位相器７０へ出力される。電圧制御位相器７０では、その電圧に応じて上記の位相差が一定又は０となるように位相器２４からの基本波３８の位相が調整され、この調整後の基本波３８が電力増幅器２８へ出力される。
【００５２】
同様に、位相器２６で位相調整された３次高調波４０と、第２偏向板１６に掃引電圧として印加された整合回路３４からの３次高調波４０とが位相比較器６４に入力されると、位相比較器６４では、双方の３次高調波４０の位相が比較されることによって、双方の３次高調波４０の位相差が求められる。この求められた位相差はループフィルタ６８に入力され、ここでその位相差に応じた電圧が生成され、電圧制御位相器７２へ出力される。電圧制御位相器７２では、その電圧に応じて上記の位相差が一定又は０となるように、位相器２６からの３次高調波４０の位相が調整され、この調整後の３次高調波４０が電力増幅器３０へ出力される。
【００５３】
以上説明した第３実施形態のストリークカメラ５０によれば、第２実施形態と同様な効果を得ることができる他、第１及び第２偏向板１４，１６に印加される掃引電圧の位相を一定とすることができるので、整合回路３２，３４で第１及び第２偏向板１４，１６を含めて構成される共振回路や電力増幅器２８，３０に起因する熱ドリフトを補正することが可能となる。
【００５４】
次に、第４実施形態について説明する。
【００５５】
図８は第４実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。但し、この図８に示す第４実施形態において図７の第３実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００５６】
図８に示す第４実施形態のストリークカメラ８０が、図７に示した第３実施形態のストリークカメラ６０と異なる点は、ストリークカメラ６０の構成要素である高繰返し型パルスレーザ１２に代えて用いた他のタイプの高繰返し型パルスレーザ１２ａと、第１及び第２偏向板１４，１６を有するストリーク管１８と、位相器２４，２６と、電力増幅器２８，３０と、整合回路３２，３４と、位相比較器６２，６４と、ループフィルタ６６，６８と、電圧制御位相器７０，７２とに加え、ハーフミラー８２と、光検出器８４と、バンドパスフィルタ８６，８８とを備えたことにある。
【００５７】
高繰返し型パルスレーザ１２ａは、自律的に周波数ｆ１のパルスレーザ光を出射するものである。ハーフミラー８２は、その出射されたパルスレーザ光を透過してストリーク管１８へ出力すると共に、反射して光検出器８４へ出力するものである。光検出器８４は、ハーフミラー８２からのパルスレーザ光をパルス状の電気信号に変換し、これを各バンドパスフィルタ８６，８８へ出力するものである。バンドパスフィルタ８６は、光検出器８４から出力される電気信号のうち基本波となる周波数ｆ１の信号のみを通過させ、位相器２４へ出力するものである。バンドパスフィルタ８８は、光検出器８４から出力される電気信号のうち、周波数ｆ１のｎ倍の周波数信号（ｎ次高調波信号）のみを通過させ、位相器２６へ出力するものである。
【００５８】
このような構成のストリークカメラ８０の動作を上記第３実施形態と異なる点のみ説明する。但し、バンドパスフィルタ８６を通過する信号が図３に示した基本波３８であり、バンドパスフィルタ８８を通過する信号が３次高調波４０であるとする。
【００５９】
高繰返し型パルスレーザ１２ａから出射された周波数ｆ１のパルスレーザ光は、ハーフミラー８２を透過してストリーク管１８へ出力されると共に、反射されて光検出器８４へ出力される。光検出器８４では、そのパルスレーザ光がパルス状の電気信号に変換され、この電気信号が各バンドパスフィルタ８６，８８へ出力される。バンドパスフィルタ８６では、その電気信号のうち基本波３８のみが通過させられ、位相器２４へ出力される。バンドパスフィルタ８８では、その電気信号のうち３次高調波４０のみが通過させられ、位相器２６へ出力される。
【００６０】
以上説明した第４実施形態のストリークカメラ８０によれば、第３実施形態と同様な効果を得ることができる。この他、自律的作動タイプの高繰返し型パルスレーザ１２ａから出射されるパルスレーザ光そのものから基本波３８及び３次高調波４０を抽出し、これらを最終的に掃引電圧として用いるので、シンセサイザ２０，２２のような基準信号を発生する装置が不要となる。更に高繰返し型パルスレーザ１２ａをその基準信号に同期させる必要がなくなるので、その分、構成の簡略化を図ることが可能となる。
【００６１】
次に、第５実施形態について説明する。
【００６２】
図９は第５実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。但し、この図９に示す第５実施形態において図７の第３実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００６３】
図９に示す第５実施形態のストリークカメラ９０が、図７に示した第３実施形態のストリークカメラ６０と異なる点は、電圧制御位相器７０，７２に代え、電圧制御発振器９２，９４を備えたことにある。
【００６４】
電圧制御発振器９２は、ループフィルタ６６と電力増幅器２８との間に接続されており、ループフィルタ６６からの電圧に応じて位相比較器６２で求められる位相差が一定又は０となるような周波数ｆ１の信号、即ちｆ１信号を電力増幅器２８へ出力するものである。電圧制御発振器９４は、ループフィルタ６８と電力増幅器３０との間に接続されており、ループフィルタ６８からの電圧に応じて位相比較器６４で求められる位相差が一定又は０となるような周波数ｆ１の３倍の周波数信号、即ち３倍波信号を電力増幅器３０へ出力するものである。
【００６５】
このような構成のストリークカメラ９０の動作を上記第３実施形態と異なる点のみ説明する。但し、ｆ１信号が図３に示した基本波３８であり、３倍波信号が３次高調波４０であるとする。
【００６６】
電圧制御発振器９２では、ループフィルタ６６からの電圧に応じて位相比較器６２で求められた位相差が一定又は０となるような周波数の基本波３８が発振され、この基本波３８が電力増幅器２８へ出力される。電圧制御発振器９４では、ループフィルタ６８からの電圧に応じて位相比較器６４で求められた位相差が一定又は０となるような周波数の３次高調波４０が発振され、この３次高調波４０が電力増幅器３０へ出力される。
【００６７】
以上説明した第５実施形態のストリークカメラ９０によれば、第３実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００６８】
次に、第６実施形態について説明する。
【００６９】
図１０は第６実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。但し、この図１０に示す第６実施形態において図７の第３実施形態の各部に対応する部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００７０】
図１０に示す第６実施形態のストリークカメラ１００が、図７に示した第３実施形態のストリークカメラ６０と異なる点は、３倍波発生器５２と位相器２６との間に位相反転器１０２を接続したことにある。位相反転器１０２は、３倍波発生器５２から発生される３倍波信号の位相を反転（０／π）することにより逆位相としたのち任意の振幅で位相器２６へ出力するものである。
【００７１】
このような構成のストリークカメラ１００の動作を上記第５実施形態と異なる点のみ説明する。ここで、位相器２４で位相調整されたｆ１信号が図１１に示す基本波３８であるとする。この基本波３８は、３倍波発生器５２でその周波数ｆ１が３倍とされたのち位相反転器１０２へ出力される。位相反転器１０２では、その３倍波信号の位相が反転されることにより逆位相とされたのち任意の振幅とされる。この逆位相で任意の振幅とされた３倍波信号（以下、３次高調波逆位相信号という）の一例を図１１に曲線１１０で示す。この３次高調波逆位相信号１１０の振幅が０．１３であるとする。基本波３８の振幅は１である。
【００７２】
３次高調波逆位相信号１１０の振幅は、基本波３８と３次高調波逆位相信号１１０とを合成した際に、この合成波の平均の傾き部分に対応する時間窓（掃引レンジ）が極力大きくなるように定める。この例では、その合成波は図１２に曲線１１２で示すように振幅が１．１３となり、その平均の傾きが直線１１４で示すように基本波３８よりも長くなる。但し、直線１１４は、時間窓を５．５ｎｓ／フルスケールとしたときの平均の傾きを示す。この直線１１４に重なる破線部分が掃引電圧となる。
【００７３】
以上説明した第６実施形態のストリークカメラ１００によれば、第３実施形態と同様な効果を得ることができる。この他、位相反転器１０２によって、３倍波発生器５２から発生される３次高調波の位相を逆位相とし、この逆位相とされた３次高調波と基本波３８とを合成した際に、この合成波１１２において掃引レンジに対応する平均の傾き部分１１４が極力大きくなるように、前記の逆位相とされた３次高調波の振幅を調整するようにした。これによって、パルスレーザ光の光電変換後の電子群が、第１及び第２偏向板１４，１６でストリーク掃引される際の掃引レンジが大きくなるので、より多くの電子群を掃引することができ、光強度の変化をより精度高く測定することが可能となる。
【００７４】
また、合成波１１２の積分リニアリティを図１３に示す。図１３に破線で示す横に平行な直線は、各々＋３％、−３％の１次高調波信号を示す。これらの値は、本ストリークカメラ１００の製品としての保証値に使用されている値であり、掃引レンジは、それらの値の範囲内でなければならない。図１３には、本ストリークカメラ１００では、掃引レンジが、その範囲内に入っていることが示されている。なお、図１４に曲線１１６で合成波１１２の微分波形を示す。
【００７５】
更に、従来の基本波３８のみを用いたストリーク掃引との効果を比較するため、図１５に基本波３８の平均の傾き１２０を、図１６に基本波３８の積分リニアリティを、図１７に基本波３８の微分波形１２２を示す。図１５と図１２との比較から本実施形態の方が、掃引レンジが大きいことが判断できる。また図１６と図１３との比較から本実施形態では積分リニアリティが上記保証範囲内に入っているが、従来では積分リニアリティが７％以上に悪化しており、積分リニアリティも改善されていることが判断できる。
【００７６】
上記の実施形態は、繰り返して掃引を行うタイプのストリークカメラに関するものであったが、単掃引型のストリークカメラにも適用できる。すなわち、繰り返しの少ないパルスレーザー光源を使用してストリーク像を観測するときには、掃引電圧にはランプ電圧を用いる。
【００７７】
図１８はシステムの基本構成を示す図であり、図１９は掃引信号の波形図である。図１８に示す通り、Ｔi：S fs（チタン・サファイア フェムト秒）−パルスレーザー光源２０１はトリガ回路２０２からのトリガ信号に同期してパルス光を出射する。また、トリガ回路２００からのタイミング信号は２分岐され、別々の遅延回路２１０，２２０で遅延されて掃引電圧発生回路３１０，３２０に与えられる。そして、掃引電圧発生回路３１０，３２０はそれぞれ図１９に示す掃引電圧を発生し、これをストリーク管の第１偏向板４１０と第２偏向板４２０に与える。
【００７８】
これにより、実質的な掃引電圧波形は第１偏向板４１０と第２偏向板４２０に与えた波形の合計となる。このため、実質的な電圧振幅の増加やパルス幅の拡張を実現することができ、掃引電圧発生用のデバイスの選択範囲が広がる。なお、パルスの発生方式により長所と短所があり、電圧振幅はあるがパルス幅の狭いものや、電圧振幅は小さいがスルーレートが高いものがあるが、これらの長所と短所を組合せれば選択の幅を更に拡大できる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の光波形測定装置によれば、入射光の光電変換後の電子群を時間軸方向に掃引するにあたり、第１の偏向電極で１次高調波信号の電圧で掃引したのち、第２の偏向電極で１次高調波信号に同期したｎ次高調波信号の電圧で掃引するようにしたので、電子群の動きが、１次高調波信号とｎ次高調波信号との合成波信号の電圧で掃引されたと同様な動きとなる。合成波信号は、その傾きが１次高調波信号の傾きと比べ急峻であるため、その分、電子群を時間軸方向へより大きく振ることができ、高時間分解能を得ることができる。また従来のように管内で熱による温度上昇と位相ドリフトに影響を与えることがない。その結果、管内で恒久的なダメージを与える熱が発生することのないように、光強度の変化をより精度高く測定することが可能となる。
【００８０】
また、第１及び第２の偏向電極に掃引電圧を印加する印加手段が、第１及び第２の偏向電極を含む共振回路構成を成すようにすると、偏向電極に進行波型のものを用いた場合に比較し、より高い電圧ゲインを得ることができる。また、固定周波数での使用においては、共振回路を利用したものの方がより少ない電力で高スルーレートを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図２】共振回路の構成図である。
【図３】基本波と３次高調波の波形図である。
【図４】基本波及び合成波の波形とそれら波形の平均の傾きを示す図である。
【図５】掃引電圧の波形図である。
【図６】第２実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図７】第３実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図８】第４実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図９】第５実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図１０】第６実施形態にかかるストリークカメラの構成図である。
【図１１】基本波と３次高調波を反転した３次高調波（３次高調波逆位相信号）の波形図である。
【図１２】合成波の波形とその波形の平均の傾きを示す図である。
【図１３】合成波の積分リニアリティを示す波形図である。
【図１４】合成波の微分波形を示す図である。
【図１５】基本波の波形とその波形の平均の傾きを示す図である。
【図１６】基本波の積分リニアリティを示す波形図である。
【図１７】基本波の微分波形を示す図である。
【図１８】別の実施形態（単掃引）にかかるストリークカメラの構成図である。
【図１９】ランプ電圧波形の合成を示す波形図である。
【符号の説明】
１０，５０，６０，８０，９０，１００…ストリークカメラ、１２，１２ａ…高繰返し型パルスレーザ、１４…第１偏向板、１６…第２偏向板、１８…ストリーク管、２０，２２…シンセサイザ、３２，３４…整合回路、５２…３倍波発生器、６２，６４…位相比較器、６６，６８…ループフィルタ、７０，７２…電圧制御位相器、８２…ハーフミラー、８４…光検出器、８６，８８…バンドパスフィルタ、９２，９４…電圧制御発振器、１０２…位相反転器
【図１】
0004567229.tif 000002
【図２】
0004567229.tif 000003
【図３】
0004567229.tif 000004
【図４】
0004567229.tif 000005
【図５】
0004567229.tif 000006
【図６】
0004567229.tif 000007
【図７】
0004567229.tif 000008
【図８】
0004567229.tif 000009
【図９】
0004567229.tif 000010
【図１０】
0004567229.tif 000011
【図１１】
0004567229.tif 000012
【図１２】
0004567229.tif 000013
【図１３】
0004567229.tif 000014
【図１４】
0004567229.tif 000015
【図１５】
0004567229.tif 000016
【図１６】
0004567229.tif 000017
【図１７】
0004567229.tif 000018
【図１８】
0004567229.tif 000019
【図１９】
0004567229.tif 000020