(57)【要約】【課題】  パルス光の時間幅の状態をリアルタイムにモニターできる、パルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法を提供する。【解決手段】  測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波する分波器と、分波された２つの光をそれぞれ受ける、第１光検出器および第２光検出器と、信号演算処理器と、出力器と、を有し、前記第１光検出器は１光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第１信号に変換するとともに、前記第２光検出器は２光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第２信号に変換しており、前記信号演算処理器は、前記第２信号を前記第１信号の２乗で除した商を求め、前記商より前記パルス光の時間幅の状態を表す演算機能を有しており、前記パルス光の時間幅の状態を表す信号を、前記出力器に出力しモニターすることを特徴とするパルス光のモニター装置である。【選択図】  図１
2012132706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波する分波器と、
分波された２つの光をそれぞれ受ける、第１光検出器および第２光検出器と、
信号演算処理器と、
出力器と、を有し、
前記第１光検出器は１光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第１信号に変換するとともに、前記第２光検出器は２光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第２信号に変換しており、
前記信号演算処理器は、前記第２信号を前記第１信号の２乗で除した商を求め、前記商より前記パルス光の時間幅の状態を表す演算機能を有しており、
前記パルス光の時間幅の状態を表す信号を、前記出力器に出力しモニターすることを特徴とするパルス光のモニター装置。
【請求項２】
請求項１に記載のパルス光のモニター装置において、
前記パルス光の時間幅の状態は、前記パルス光の時間幅の変化であるパルス光のモニター装置。
【請求項３】
請求項１に記載のパルス光のモニター装置において、
前記パルス光の時間幅の状態は、前記パルス光の時間幅であり、
前記信号演算処理器は、予め求めておいた、前記パルス光の時間幅および前記商の関係式から、前記パルス光の時間幅をモニターするパルス光のモニター装置。
【請求項４】
請求項３に記載のパルス光のモニター装置において、
前記信号演算処理器は、予め測定した前記パルス光の時間幅を用いて校正した前記関係式によって、前記パルス光の時間幅をモニターするパルス光のモニター装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記分波器と前記第２光検出器との間に、集光用レンズを設けたパルス光のモニター装置。
【請求項６】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記分波器と前記第１光検出器との間に、集光用レンズを設けたパルス光のモニター装置。
【請求項７】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記第１光検出器および前記２光検出器におけるパルス光の入力強度比を、１：９〜１：９９９の範囲としたパルス光のモニター装置。
【請求項８】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記分波器と前記第１光検出器との間に、可変損失器を設けたパルス光のモニター装置。
【請求項９】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記第１光検出器は、インジウムガリウムヒ素・フォトダイオードであり、
前記第２光検出器は、シリコンを用いたアバランシェ・フォトダイオードであるパルス光のモニター装置。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれかに記載のピークパワーモニター装置において、
前記第２光検出器は、測定対象であるレーザーパルス光の波長より短い波長の光を放出することができるレーザーダイオードであるピークパワーモニター装置。
【請求項１１】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記分波器は、光ファイバーカプラーであるパルス光のモニター装置。
【請求項１２】
請求項１から４のいずれかに記載のパルス光のモニター装置において、
前記分波器は、ビームスプリッターであるパルス光のモニター装置。
【請求項１３】
測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波する工程と、
分波された２つの光をそれぞれ受ける、第１光検出器および第２光検出器にて、前記第１光検出器は１光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第１信号に変換するとともに、前記第２光検出器は２光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第２信号に変換する工程と、
前記第２信号を前記第１信号の２乗で除する商を求め、前記商より前記パルス光の時間幅の状態を表す演算処理工程と、
前記パルス光の時間幅の状態を表す信号を、前記出力器に出力しモニターする出力工程と、を有すること特徴とするパルス光のモニター方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーパルス光の時間幅の状態を、実質的にリアルタイムにモニターすることのできるパルス光のモニター装置、およびパルス光のモニター方法に関する。特に、光ファイバーを含むレーザー発生装置に有用な、パルス光のモニター装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザーパルス光の利用に際して、その特性をモニターすることは重要である。特に、レーザーパルス光の特性を、リアルタイムにモニターできることは有用である。レーザーパルス光の特性としては、例えば、パルス光の時間幅やピークパワーなどがある。レーザーパルス光では、その時間幅が短かくなるとピークパワーが大きくなり、そのピークパワーの２乗に比例して、非線形現象が起こりやすくなる。
【０００３】
例えば、非線形現象を利用する２光子顕微鏡には、フェムト秒超短パルスの高出力ポンプレーザーが用いられる。このレーザーからの光をファイバーによって導く場合、所定の位置で非線形現象を起こさせるために、当該位置でパルス光の時間幅が最短になるように、レーザーの発生条件を速やかに調整したい、という要求がある。
【０００４】
また、レーザー発生装置の発振器の状態が変化したり、ファイバーを取り替えたりした場合も、パルス光の時間幅が常に最短になるように、ピークパワーをモニターできることは重要である。レーザー発生装置の調整時や分散測定時に、パルス光の時間幅やピークパワーを、リアルタイムにモニターできることは有用である。特に、パルス光のモニター装置を、レーザー発生装置のフィードバック機構と組み合わせれば、効果的である。
【０００５】
ここで、レーザー光の一例として、モード同期によるパルス光の発生について、簡単に説明する。
レーザー光のスペクトルは多数の縦モードから構成され、この多数の縦モードは通常レーザーの発振器の中を光が往復する時間の逆数に相当する周波数だけ離れている。多数の縦モードにおける各モードの位相が全く無関係な場合は、レーザー光の出力は時間的に不規則な変動を示す。もし、各モードの位相が揃う、すなわちモード同期の状態になると、短い時間幅のパルス光が、所定の時間間隔で次々と放出されるようになる。このとき、パルス光の時間幅（Δｔ）は、レーザー光のスペクトル周波数幅（Δν）の逆数（１／Δν）程度まで狭くすることができる。例えば、パルス光がガウス波形の場合、時間幅とスペクトル幅の積は、Δｔ×Δν＝０．４４  になる。
【０００６】
つぎに、パルス光の時間幅の測定方法について、簡単に説明する。
フェムト秒オーダーのパルス光はその時間幅が非常に短く、例えフォトダイオードとオシロスコープを用いたとしても、それらの時間分解能よりパルス光の時間幅が短いので、直接的に測定することができない。そこで、非線形光学素子を用いた非線形相関法が提案されている。この非線形相関法は、測定するパルス光を２つに分けて、それぞれの光路長に差をつけて、一方のパルス光に遅延を発生させ、それを第２高調波結晶（ＳＨＧ結晶）に入射させ、発生する第２高調波を用いて、２つのパルス光の重なりを測定する方法である。この測定方法は、マイケルソン干渉計を利用しており、図１０に示したオートコリレータ装置で実施できる。
【０００７】
図１０に示したオートコリレータ装置１０００では、測定されるレーザーパルス光６００は、まずビームスプリッター３０１によって２つに分けられる。分けられたパルス光の一方は、そのまま通過して光遅延機構のミラー４００によって反射され、その後ビームスプリッター３０１によってその進路を直角方向に変えられて、非線形光学素子であるＳＨＧ結晶７００に入射する。分けられたパルス光の他方は、ビームスプリッター３０１によってその進路を直角方向に変えられ、固定されたミラー５００によって反射され、その後ビームスプリッター３０１を通過して、前述のＳＨＧ結晶７００に入射する。
【０００８】
ＳＨＧ結晶７００に入射したパルス光の一部は、波長変換されて第２高調波を生じる。そして、フィルター８００によりパルス光の基本波が除去され、第２高調波のみが光検出器９００に入射する。この光検出器からは、パルス光のパワーに応じた出力が得られる。
【０００９】
非線形結晶によって発生された第２高調波のパワーは、２つのパルス光の重なり具合い、すなわちそれぞれの光路長の差（遅延距離）に比例している。光路長に差を設けることで遅延の生じた２つのパルス光が重ねられると、その重なりが強いほどパルス光のパワーが強くなる。これら２つのパルス光がＳＨＧ結晶に入射すると、そのパワーに応じた第２高調波が発生する。その結果、遅延距離と第２高調波のパワーとの関係が求められる。
【００１０】
そこで、遅延距離を光速度で除すれば、時間と第２高調波のパワーとの関係が求められる。したがって、第２高調波のパワーを、光路長の差の関数として測定することにより、パルス光の時間幅を推定することができる。さらに、推定されたパルス光の時間幅、繰り返し周波数、１パルス当たりのエネルギーおよびパルス光の平均パワーの値から、パルス光のピークパワーを求めることができる。
【００１１】
ここで、図１０に示した装置における光遅延機構では、ミラーを機械的に移動させる構造を有しているので、ミラーの移動に時間を要する。そのため、この非線形相関法によるパルス光の時間幅やピークパワーの測定には、少なくとも秒オーダーの時間が必要となる。
【００１２】
なお、パルス光の時間幅の測定について、本発明者らは、特開平１１−１７３９２１号公報にて、「オートコリレータ」を提案した。このオートコリレータでは、光検出器としてアバランシェ・フォトダイオードを備えることで、測定感度を高めている。
【００１３】
また、特開２０１０−０９３２４３号公報では、レーザー光の平均強度と波長変換されたレーザー光のパワーとを、同時にかつ個別に計測することを特徴とする「光ピークパワー検出装置」が開示されている。
この「光ピークパワー検出装置」において、第２高調波の検出信号である第２信号はパルスの平均パワーとピークパワーを反映しており、第１信号はパルスの平均パワーを反映している。ピークパワーの変化を強調するために、第２信号を第１信号で商算する、などの演算を実施している（当該公報の段落［００２７］などを参照のこと）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−１７３９２１号公報
【特許文献２】特開２０１０−０９３２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
先に説明した非線形相関法では、パルス光の時間幅やピークパワーの測定に少なくとも秒オーダーの時間が掛かるので、パルス光の時間幅やピークパワーを、実質的にリアルタイムにモニターすることは不可能であった。
【００１６】
また、前述の特開２０１０−０９３２４３号公報に開示された「光ピークパワー検出装置」は、「レーザー光の平均強度と、非線形光学素子を通過しあるいは反射したレーザー光のパワーとを、同時かつ個別に計測」している。具体的には、非線形光学素子が、高調波発生光学素子（非線形光学結晶）や非線形吸収素子である。高調波発生光学素子では、レーザー光を通過させることによって波長変換している。さらに、その実施例では、非線形光学結晶を用いている。
【００１７】
この非線形光学結晶の設置にあたっては、同結晶における、偏光方向、角度あるいは温度を最適な状態に調整しないと、第２高調波が効率よく発生されず、光検出器から信号を得ることができない。このため、その調整に手間が掛かるといった不具合があった。もし、非線形光学結晶の角度や温度がわずかにでもずれると、変換効率が大きく変わってしまい、測定精度が著しく劣化してしまう。また、測定系の構成の簡素化が困難であった。
【００１８】
さらに、前述の特開２０１０−０９３２４３号公報では、パルス光の時間幅の測定について、具体的な言及はなされていない。
また、非線形光学結晶を用いて、パルス光の時間幅をリアルタイムにモニターしようとすれば、以下のような問題がある。
【００１９】
例えば、モード同期ファイバーレーザーなどにおいて、ファイバー中の短パルスレーザーの波長や偏光方向は、常に変化している。パルス光の時間幅をモニター中に、波長が変化したり偏光方向が変化したりすると、それらの値が大きく変化してしまう。したがって、非線形光学結晶を使ってパルス光の時間幅を、リアルタイムにモニターすることは困難であった。
【００２０】
また、前述の特開平１１−１７３９２１号公報に開示されたオートコリレータでは、マイケルソン干渉計によって干渉させた光を、２光子吸収を利用した光検出器にて電気信号に変換している。
【００２１】
本発明の目的は、非線形光学素子やマイケルソン干渉計などを必要とせず、簡素な構成にて、パルス光の時間幅の状態をリアルタイムにモニターできる、パルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者は、鋭意研究した結果、非線形光学素子による第２高調波やマイケルソン干渉計などによる干渉光を用いなくても、前述の目的を達成できることを見いだした。すなわち、本発明によれば、測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波して、２光子吸収を利用した光検出および１光子吸収を利用した光検出し、それぞれ得られた信号を演算処理することにより、パルス光の時間幅の状態をリアルタイムにモニターすることができる。
【００２３】
本発明によるパルス光のモニター装置は、
測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波する分波器と、
分波された２つの光をそれぞれ受ける、第１光検出器および第２光検出器と、
信号演算処理器と、
出力器と、を有し、
前記第１光検出器は１光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第１信号に変換するとともに、前記第２光検出器は２光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第２信号に変換しており、
前記信号演算処理器は、前記第２信号を前記第１信号の２乗で除した商を求め、前記商より前記パルス光の時間幅の状態を表す演算機能を有しており、
求められた前記パルス光の時間幅の状態を表す信号を、前記出力器に出力しモニターすることを特徴とする。
【００２４】
前記パルス光の時間幅の状態は、前記パルス光の時間幅の変化である。
【００２５】
また、前記パルス光の時間幅の状態は、前記パルス光の時間幅であり、
前記信号演算処理器は、予め求めておいた、前記パルス光の時間幅および前記商の関係式から、前記パルス光の時間幅をモニターするとよい。
【００２６】
さらに、前記信号演算処理器は、予め測定した前記パルス光の時間幅を用いて校正した前記関係式によって、前記パルス光の時間幅をモニターするとよい。
【００２７】
また、前記分波器と前記第２光検出器との間に、集光用レンズを設けるとよい。
【００２８】
さらに、前記分波器と前記第１光検出器との間に、集光用レンズを設けるとよい。
【００２９】
前記第１光検出器および前記２光検出器におけるパルス光の入力強度比を、１：９〜１：９９９の範囲とするとよい。
【００３０】
前記分波器と前記第１光検出器との間に、可変損失器を設けるとよい。
【００３１】
前記第１光検出器は、インジウムガリウムヒ素・フォトダイオードであり、
前記第２光検出器は、シリコンを用いたアバランシェ・フォトダイオードであるとよい。
【００３２】
前記第２光検出器は、測定対象であるレーザーパルス光の波長より短い波長の光を発振することができるレーザーダイオードであるとよい。
【００３３】
前記分波器は、光ファイバーカプラーであるとい。
【００３４】
前記分波器は、ビームスプリッターであるとよい。
【００３５】
また、本発明によるパルス光のモニター方法は、
測定対象であるレーザーパルス光を２つの光に分波する工程と、
分波された２つの光をそれぞれ受ける、第１光検出器および第２光検出器にて、前記第１光検出器は１光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第１信号に変換するとともに、前記第２光検出器は２光子吸収を利用して受けた光のエネルギーを第２信号に変換する工程と、
前記第２信号を前記第１信号の２乗で除する商を求め、前記商より前記パルス光の時間幅の状態を表す演算処理工程と、
前記パルス光の時間幅の状態の信号を、前記出力器に出力しモニターする出力工程と、を有すること特徴とする。
【００３６】
なお、この明細書で、実質的にリアルタイムにモニターできるとは、マイクロ秒オーダーないしミリ秒オーダーでモニターできることをいい、具体的な測定時間としては、１０ミリ秒以下であることをいう。また、パルス光の時間幅の状態とは、パルス光の時間幅そのものや、時間幅の変化などをいう。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法は、前述したような構成により、検出した信号を演算処理するだけで、パルス光の時間幅の状態、すなわち時間幅の変化や時間幅そのものを、確度よくモニターすることができる。また、マイケルソン干渉計などを必要とせず、機械的に移動する構造を有しないので、パルス光の時間幅の状態を実質的にリアルタイムにモニターすることができる。
【００３８】
また、特開２０１０−０９３２４３号公報の「光ピークパワー検出装置」では、非線形光学素子を必要としていた。しかし、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法では、非線形光学素子を必要としない。このために、非線形光学素子の調整も不要となり、好ましい。
【００３９】
例えば、オートコリレータでは、その光学系において、組み立て時に光軸を正確に調整する必要があるだけではなく、動作時にも光軸の精度が維持されなければならず、装置として非常に高価になっていた。また、非線形光学素子を用いた検出装置では、非線形光学素子の調整機構などを必要とする。
これに対して、本発明によるパルス光のモニター装置では、組み立て時に光検出器にパルス光が正確に入射するように調整すれば、動作時には特に調整を必要としない。また、要求される精度もオートコリレータに比べて高くない。さらに、構成要素も少なくてよい。したがって、安価にパルス光のモニター装置を成立させることができる。
【００４０】
本発明によるパルス光のモニター装置をレーザー発生装置に組み込むと、発生させたパルス光の時間幅の状態をリアルタイムにモニターできるので、レーザーの発生条件の最適化を速やかに行うことができる。
また、本発明によるパルス光のモニター装置は、コンパクトに構成できるので、フィールドユースにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態であるパルス光のモニター装置の概略構成図である。
【図２】第２光検出器（ＳｉＡＰＤ）における集光の様子を示す図である。
【図３】第２光検出器（ＬＤ）における集光の様子を示す図である。
【図４】第１光検出器における集光の様子を示す図である。
【図５】パルス光の入力パワーおよび光検出器の出力値の関係を示したグラフである。
【図６】２光子吸収において、一定の入力パワーに対する、パルス光の時間幅とピークパワーとの関係を示すグラフである。
【図７】２光子吸収において、分散可変器によりパルス光の時間幅を変化させた場合のピークパワーの変化を示すグラフである。
【図８】（Ｐ２／Ｐ１2）および時間幅の関係を示すグラフである。
【図９】本発明の別実施形態であるパルス光のモニター装置の概略構成図である。
【図１０】オートコリレータの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法は、パルス光の時間幅の状態を以下のようにしてモニターしている。
【００４３】
まず、パルス光を２つの光に分波した後、それぞれ１光子吸収および２光子吸収を利用して、光検出している。１光子吸収を利用した光検出では、その出力値が入射されるパルス光のパワーに対して一次関数的に比例しており、その出力値はパルス光の平均パワーを反映している。一方、２光子吸収を利用した光検出では、その出力値が入射されるパルス光のパワーに対して二次関数的に比例しており、その出力値はパルス光のピークパワーを反映している（図５を参照のこと）。
【００４４】
本発明では、２光子吸収を利用して光検出しているので、第２光検出器にて２光子吸収を生じさせる程度のパルス光を入射させる必要がある。このために、２つの光に分波したパルス光のうち、できるだけ多くを第２光検出器に入射するようにするとよい。このために、所定の強度比で２つの光検出器に入射するようにする。さらに、２光子吸収を利用した第２光検出器では、パルス光を集光用レンズで絞り込んでパワー密度を上げたりするとよい。
【００４５】
なお、確度よくパルス光の状態をモニターするためには、２光子吸収を利用した光検出による出力値（Ｐ２）と、１光子吸収を利用した光検出による出力値（Ｐ１）との差を、できるだけ大きくすることが好ましい。
【００４６】
さらに、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法では、非線形光学素子やマイケルソン干渉計などを用いないことも特徴のひとつである。
【００４７】
ここで、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法における測定原理について説明する。
パルス光の時間幅の状態を確度よくモニターするためには、パルス光における、平均パワーおよびピークパワーをそれぞれ反映した測定値を、確度よく検出する必要がある。また、パルス光が超短パルス光である場合には、前述したように、その時間幅の状態をリアルタイムにモニターすることは、容易なことではない。
【００４８】
そこで、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法では、まずパルス光における、平均パワーおよびピークパワーをそれぞれ反映した測定値を別々に検出している。そのために、測定対象であるレーザーパルス光を分波器に入力して、２つの光に分波している。そして、分波したパルス光のうち一方のパルス光で、１光子吸収を利用した第１光検出器にて平均パワーを反映した測定値を検出し、他方のパルス光で、２光子吸収を利用した第２光検出器にてピークパワーを反映した測定値を検出している。
【００４９】
図１は、本発明によるパルス光のモニター装置の概略構成図である。
ピークパワーモニター装置１００は、分波器３０と、第１光検出器１０と、第２光検出器２０と、演算処理器４０と、出力器５０と、を含んで構成される。
【００５０】
分波器３０は、入力ポート３２より入力されたパルス光６０が２つの光に分波するように構成される。分波された２つの光は、それぞれ出力ポート３３，３４から出力される。図１に示した分波器３０は、例えば光ファイバーカプラーにて構成されている。なお、分波器では、パルス光が少なくとも２つの光に分波されればよく、３つ以上の光に分波されていてもよい。しかし、モニター用のパルス光の光量は限られることが多いので、２つの光に分波する分波器が好ましい。
【００５１】
第１光検出器１０は、出力ポート３４からパルス光を受けて、受けたパルス光のエネルギーを第１信号１１に変換する。図１に示した例では、第１光検出器１０の入射側に、集光のためのレンズ１２と、所定の波長域の光をカットするためのフィルター１３と、を備えている。
【００５２】
第２光検出器２０は、出力ポート３３からパルス光を受けて、受けたパルス光のエネルギーを第２信号２１に変換する。図１に示した例では、第２光検出器２０の入射側に、集光のためのレンズ２２と、所定の波長域の光をカットするためのフィルター２３と、を備えている。
【００５３】
信号演算処理器４０は、第２光検出器からの第２信号値Ｐ２を、第１光検出器からの第１信号値Ｐ１の２乗で除した商（Ｐ２／Ｐ１2）を求めている。さらに、その商よりパルス光の時間幅の状態を表す演算処理を行い、演算処理された信号４１を出力器５０に出力して、パルス光の時間幅の状態をモニターしている。
【００５４】
商（Ｐ２／Ｐ１2）よりパルス光の時間幅の状態を表す処理として最も単純な処理は、商そのものを時系列に表示して、パルス光の時間幅の変化をモニターすることである。
【００５５】
信号演算処理器４０は、さらにパルス光の時間幅の状態を表す処理として、予め求めておいた、パルス光の時間幅および商（Ｐ２／Ｐ１2）の関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）を記憶させておき、この関係式を用いて商（Ｐ２／Ｐ１2）の値から、前記パルス光の時間幅を換算して出力する処理機能を有することが好ましい。
【００５６】
加えて、信号演算処理器は、予め測定した前記パルス光の時間幅を用いて、関係式を校正する処理機能を有することが好ましい。具体的には、関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）の傾きａおよび定数項ｂを校正する。そして、校正された関係式を用いてパルス光の時間幅を換算すると、より確度よく時間幅を求めることができる。なお、信号演算処理については、後で詳しく説明する。
【００５７】
出力器５０は、パルス光の時間幅の状態を表示する表示器５１であったり、パルス光の時間幅の状態を表す処理信号４１を出力する信号出力端子（不図示）であったりする。表示器５１は、パルス光の時間幅の状態を、具体的に時間幅の数値や時間幅の変化をグラフで表示する液晶表示パネル等である。信号出力端子は、例えば、レーザー発生装置において、発生条件の最適化を行うために、パルス光の時間幅の状態を表す処理信号４１を出力する。
【００５８】
さらに、出力器５０には、信号出力端子に加えて、レーザー発生装置から発生条件の信号を受け取る信号入力端子を有していてもよい。このような構成にすると、レーザーの発生条件とともに、パルス光の時間幅を表示器５１に表示することも可能となる。
【００５９】
さらに、本発明におけるパルス光のモニター装置では、パルス光における、平均パワーおよびピークパワーの比率を確度よく検出するために、平均パワーおよびピークパワーが所定の関係にある状態でモニターするとよい。
【００６０】
前述したように、第２光検出器では、２光子吸収を利用してパルス光のピークパワーを反映した測定値をモニターしており、その出力値はパルス光のピークパワーに対して二次関数的に比例している。２光子吸収を利用した光検出では、受けるパルス光のパワー密度が高いほど、効率のよい検出が実現できる。
【００６１】
そこで、第２光検出器では、受光面におけるパワー密度を高めるために、入射させるパルス光を数μｍ2の範囲に絞り込むとよい。このために、集光用レンズを備えていることよい。第２光検出器における集光の様子を図２に示す。分波器からのパルス光は、出力ポート３３であるファイバーの端部から出射され、コリメートレンズ２４によって平行光とされる。そして、集光用レンズ２２によって第２光検出器２０の受光面に集光される。この集光用レンズとしては、０．１以上の開口数を有していることが好ましい。集光用レンズとしては、球面レンズや組み合わせた球面レンズを始め、非球面レンズ、ＧＲＩＮレンズでもよい。
【００６２】
さらに、第２光検出器では、受光面のパワー密度を高めるために、入射させるパルス光がある程度以上のパワーであることが好ましい。具体的には、用いる光検出器にもよるが、例えばアバランシェ・フォトダイオードでは、０．０１〜１０ｍＷであることが好ましい。
【００６３】
加えて、第２光検出器では、フィルター２３を備えているとよい。このフィルターとしては、１光子の光しか透過しないように、所定の波長より短い波長の光をカットする特性を有していると好ましい。
【００６４】
この２光子吸収を利用した第２光検出器としては、アバランシェ・フォトダイオード（以下、ＳｉＡＰＤともいう）やシリコン・フォトダイオードを採用することができる。ＳｉＡＰＤでは、非線形効果を利用して光検出しているので、光信号から電気信号への変換速度が比較的速い。そのため、超短パルス光であっても、その変化を確度よくモニターすることができる。
【００６５】
このＳｉＡＰＤとしては、１光子吸収に対して感度がなく、２光子吸収に対して感度の高い材料で構成されているとよい。具体的な当該材料として、Ｓｉ結晶を用いるとよい。Ｓｉ結晶を用いたＳｉＡＰＤは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して感度を高めているので、本発明によるピークパワーモニター装置に好適に採用できる。さらに、ＳｉＡＰＤには適切な電気的バイアスを掛けるとよい。
【００６６】
また、第２光検出器として、測定対象であるパルス光の波長よりも短い波長で発振することができるレーザーダイオード（ＬＤ）のような、導波路型の半導体を採用することもできる。この半導体は、そのバンドギャップが測定対象であるパルス光の波長に対応するエネルギレベルより広いため、１光子吸収に対しては感度がなく、２光子吸収に対して感度を有するので、好ましい。
【００６７】
第２光検出器として、導波路型半導体２０２を用いた場合の集光の様子を図３に示す。なお、その他の符号は図２と同様である。このような導波路型半導体では、その構造上、入射した光が導波路内に集中することとなる。導波路内に入射した光は、導波路内を全反射を繰り返して伝搬して、集光された状態で受光面に入射し、効率よく２光子吸収が実現されるので、好ましい。
【００６８】
つぎに、第１光検出器では、１光子吸収を利用してパルス光の平均パワーを反映した測定値を検出しており、その出力値はパルス光の平均パワーに対して一次関数的に比例している。そこで、光検出器の受光面には、パルス光を漏れなく入射させることが好ましい。第１光検出器における集光の様子を図４に示す。分波器からのパルス光は、出力ポート３４であるファイバーの端部から出射され、レンズ１２によって第１光検出器１０の受光面の全面に亘って入射するように集光される。なお、第１光検出器１０の前には、必要に応じて、所定の波長より短い波長の光をカットする特性を有するフィルター１３を設けるとよい。
【００６９】
入射させるパルス光のパワーは、用いる光検出器の特性にもよるが、少なくとも１μＷが好ましい。この第１光検出器としては、インジウムガリウムヒ素・フォトダイオード（ＩｎＧａＡｓＰＤ）を用いることができる。このほか、赤外フォトマルチプラアイヤー、ゲルマニウム・フォトダイオード、ＰｂＳ光導電素子などを挙げることができる。
【００７０】
図５は、パルス光の入力パワーおよび光検出器の出力パワーの関係を、概念的に示したグラフである。前述したように、２光子吸収を利用した第２光検出器では、その出力パワーがパルス光の入力パワーの２乗に比例している。一方、１光子吸収を利用した第１光検出器では、出力パワーがパルス光の入力パワーに正比例している。なお、この図では、簡単のためにノイズレベルを無視している。
【００７１】
第２光検出器では、その出力パワーがパルス光のパワーの２乗に比例しているので、パルス光の時間幅の状態を確度よくモニターするためには、第２光検出器の出力パワーができるだけ大きくなるようにするとよい。そのために、第１検出器ではノイズレベルを超える範囲で、できるだけ小さくなるように、第２光検出器ではできるだけ大きくなるようにするとよい。こうして、第２光検出器の出力パワーと、第１検出器の出力パワーとの差を、できるだけ大きくなるようにする。
【００７２】
そのために具体的には、第１光検出器および２光検出器におけるパルス光の入力強度比を、１：９〜１：９９９の範囲となるようにするとよい。
例えば、分波器が光ファイバーカプラーにて構成される場合に、このような強度比とするためには、第１光検出器の前に可変損失器を配置する構成とすればよい。
また、分波器がビームスプリッターにて構成される場合に、このような強度比とするためには、第１光検出器の前に可変損失器を配置する構成とすればよい。ビームスプリッターがハーフミラー型の場合、ハーフミラーの透過率を調整するか、反射率可変部分反射ミラーで構成すればよい。
【００７３】
このような構成にすることによって、パルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法において、第１光検出器および第２光検出器を、それぞれ入力に対して適切な感度効率を有した状態にすることができる。
【００７４】
以上の説明では、第１光検出器の前に可変損失器を配置するなどして、第１光検出器に入射されるパルス光のパワーを制限していた。ところで、パルス光の繰り返し周波数が小さい場合には、第２光検出器に入射されるパルス光のパワーが大きくなりすぎる虞もある。この場合は、第２光検出器の前に可変損失器を配置するなどしてもよい。
【００７５】
一般に、パルス光の時間幅が短くなると、パルス光のピークパワーは増大する関係がある。図６は、２光子吸収を利用した光検出器において、入射するパルス光のパワーを一定とし、パルス光の時間幅を可変分散装置によって変化させた場合における、時間幅およびピークパワーの関係を示すグラフである。グラフから、パルス光の時間幅が短くなるにつれて、ピークパワーが急激に増大することが分かる。
【００７６】
また、２光子吸収を利用した光検出器において、同様に、パルス光の時間幅の可変時間とピークパワーとの関係のグラフを、図７に示す。グラフから、パルス光の時間幅が特定の時間付近で、ピークパワーが急激に増大することが分かる。
【００７７】
具体的に、パルス光の時間幅の状態をモニターするには、以下のようにするとよい。
まず予め、入射するパルス光の入力パワーと、平均パワーおよびピークパワーとの関係を、それぞれ調べておく。
【００７８】
入射するパルス光の入力パワーは、レーザー発生装置の設定や、分波器における分波比、可変損失器の損失割合などから知ることができる。また、パルス光の繰り返し周波数は、光検出器の信号をオシロスコープで観測することにより測定できる。
【００７９】
パルス光の平均パワーは、パワーメーターで規格化された１光子光検出器にて求めることができる。パルス光の時間幅は、オートコリレータにより正確に測定できる。パルス光のピークパワーは、１光子光検出器の出力を、オートコリレータで測定した時間幅と繰り返し周波数の積で除することにより、算出できる。
【００８０】
そこで、繰り返し周波数と平均パワーと時間幅とが予め分かっているレーザー発生装置において、ピークパワーが極大となる状態を保ちつつ、パルス光の入力パワーおよびピークパワーの関係式を求めておく。なお、パルス光のピークパワーが極大となることと、パルス光の時間幅が極小になることとは、実質的に等価である。
【００８１】
ここでもし、パルス光の時間幅が広がると、ピークパワーは低下するのだが、これらの間の関係式が分かっていると、パルス光の時間幅の広がり具合から、ピークパワーの低下量を確度よく推定することができる。
【００８２】
パワーメーターで測定したパルス光の平均パワー（Ｐ１）を、オシロスコープで測定した繰り返し周波数で除すると、１パルス当たりのエネルギーが求められる。この１パルス当たりのエネルギーを、オートコリレータで測定した時間幅で除すれば、パルス光のピークパワー（Ｐ２）が求められる。
【００８３】
そうすると、オートコリレータにより測定した時間幅と、算出したピークパワー（Ｐ２）を平均パワー（Ｐ１）の２乗で除した商（Ｐ２／Ｐ１2）の値との間における、関係式が求められる。なお、オートコリレータでは、時間を要するが、パルス光の時間幅を正確に測定することができる。
【００８４】
ここで、商（Ｐ２／Ｐ１2）が変化した場合、パルス光の時間幅はこの関係式を保って変化することとなる。具体例として、平均パワー（Ｐ１）：２ｍＷ、繰り返し周波数：５０ＭＨｚの場合、１パルスエネルギー：４０ｐＪ、時間幅を０．３ｐｓとすると、ピークパワー（Ｐ２）：０．１３ｋＷとなる。このとき、（Ｐ２／Ｐ１2）を縦軸とし、パルス光の時間幅を横軸として、両対数グラフとしたのが図８である。
【００８５】
図８から明らかなように、（Ｐ２／Ｐ１2）およびパルス光の時間幅は直線関係を示しており、一次関数の関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）が求められる。ここで、商（Ｐ２／Ｐ１2）が変化すると、パルス光の時間幅はこの一次関数の関係式で表される直線上を変化することとなる。
【００８６】
ここで、関係式を求める方法について説明する。あるレーザー発生装置で発生条件を適宜変更しながら、本発明のパルス光のモニター装置で（（Ｐ２／Ｐ１2）＝Ｘ）を、オートコリレータでパルス光の時間幅（Ｙ）をそれぞれ測定する。こうして得られた複数組の測定値（Ｘ，Ｙ）を、関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）に代入すると、傾きａおよび定数項ｂが求められる。その結果、関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）を定めることができる。
【００８７】
こうして得られた関係式をＸについて解くと、時間幅を求める式（Ｘ＝（Ｙ−ｂ）／ａ）が得られる。具体的には、この時間幅を求める式に測定した（Ｐ２／Ｐ１2）を代入して、パルス光の時間幅を算出することができる。
このように、予め測定したパルス光の時間幅を用いて、関係式を校正しておくと、パルス光の時間幅を確度よく算出し、モニターすることができる。
【００８８】
以上説明した信号演算処理は、ソフトウエアによって実現することができる。このソフトウエアは、以下のようなステップを含んでプログラミングされるとよい。
（Ｓ１）予め求めておいた関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）の傾きａおよび定数項ｂを、定数として記憶しておく。
（Ｓ２）第２光検出器および第１検出器からの出力信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル信号を取り込み、変数として記憶する。
（Ｓ３）（Ｐ２／Ｐ１2）を算出し、時間幅を求める式（Ｘ＝（Ｙ−ｂ）／ａ）に代入して、時間幅を算出する。
（Ｓ４）算出された時間幅の値を出力器に出力する。
以下、（Ｓ２）〜（Ｓ４）を順次繰り返す。
【００８９】
以上では、ソフトウエアにて信号演算処理を実行する例を説明したが、これに限られることなく、ハードウエアでも同様の信号演算処理が可能である。
【００９０】
また、以上の説明では、関係式（Ｙ＝ａＸ＋ｂ）の傾きａおよび定数項ｂを、オートコリレータにて正確に測定した数値を用いて求めているので、パルス光の時間幅を確度よくモニターすることができる。しかし、パルス光の時間幅の変化を見るだけであれば、このようにしなくても、モニターすることが可能である。
【００９１】
なお、特開２０１０−０９３２４３号公報の「光ピークパワー検出装置」では、非線形光学素子にレーザー光を通過あるいは反射させて、波長変換している。そして、波長変換された第２高調波の検出信号である第２信号を、基本波ビームの検出信号である第１信号で除する演算を実施している。さらに、光検出器として、２光子吸収を利用した光検出器を用いることは、何ら記載されていない。
【００９２】
これに対して、本発明によるパルス光のモニター装置では、非線形光学素子を用いていない。そして、２光子吸収を利用した第２信号を、１光子吸収を利用した第１信号の２乗で除する演算処理をしている。
このように、特開２０１０−０９３２４３号公報の「光ピークパワー検出装置」と本発明によるパルス光のモニター装置とでは、光検出器にて検出するレーザー光（パルス光）が相違しているうえ、演算処理も相違している。
【００９３】
本発明によるパルス光のモニター装置の演算処理器では、第２光検出器の出力値（Ｐ２）を第１光検出器の出力値（Ｐ１）の２乗で除した商により、パルス光の時間幅の状態をモニターしている。このように、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法では、電気的な信号の演算処理を行うだけで、パルス光の時間幅の状態をモニターすることができ、機械的に移動するような構造を必要としない。
【００９４】
例えば、従来のオートコリレータでは、パルス光の時間幅の測定に少なくとも秒オーダーの時間を要していた。しかし、本発明によるパルス光のモニター装置を用いると、マイクロ秒オーダーの時間でモニターすることができ、実質的にリアルタイムにモニターが可能となる。
【００９５】
なお、図１に示したパルス光のモニター装置では、分波器として光ファイバーカプラーを用いた例であった。分波器としてビームスプリッターを用いたパルス光のモニター装置の例を、図９に示す。なお符号は、図１と同一の構成要素には同じ符号を付している。
【００９６】
モニターされるパルス光６０は、コリメータレンズに入射されてコリメートされ、ビームスプリッター３１により分波される。分波されたパルス光は、それぞれ第１光検出器１０と第２光検出器２０に入射される。第１光検出器からの第１信号１１と、第２光検出器からの第２信号２１とは、それぞれ信号演算処理器４０に入力され、前述と同様の演算処理された信号４１が出力器５０に出力され、パルス光の時間幅の状態をモニターすることができる。
【００９７】
このように、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法は、従来のオートコリレータのように、機械的に移動する構造を有しておらず、電気的な信号を演算処理するだけで、パルス光の時間幅の状態をモニターすることができる。したがって、測定時間がマイクロ秒オーダーと短いので、パルス光の時間幅の状態を実質的にリアルタイムにモニターすることができる。
【００９８】
以上説明したように、本発明によるパルス光のモニター装置およびパルス光のモニター方法は、非線形光学素子を用いることなく構成されているので、非線形光学素子の調整を必要としない。さらに、マイケルソン干渉計などを必要としないので、測定系の構成を簡素化できる特徴を有している。
【００９９】
以上説明してきたパルス光のモニター装置は、レーザー発生装置と組み合わせることが好ましい。
本発明によるパルス光のモニター装置をレーザー発生装置と組み合わせると、レーザーの発生条件の変更によるパルス光の時間幅の状態をリアルタイムにモニターすることができるので、最適なレーザー発生条件を容易に求めることができる。
【０１００】
さらに、パルス光のモニター装置の出力器およびレーザー発生装置の制御部が接続されていると、レーザー発生条件およびパルス光の時間幅を関連づけて、出力表示することもできる。したがって、最適なレーザー発生条件が速やかに得られるので、好ましい。
【０１０１】
例えば、モード同期ファイバーレーザー発生装置では、ファイバー中の短パルスレーザーの波長や偏光方向が常に変化している。このような光ファイバーを含むレーザー発生装置に対して、本発明を適用すると、最適なレーザー発生条件が速やかに得られるので、特に有用である。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明によるパルス光のモニター装置は、レーザー発生装置における時間幅のフィードバック用モニターとして用いることができる。また、レーザー装置や、短時間パルス光学系の分散の変化に伴う時間変化によるパルス光の時間幅の状態を、実質的にリアルタイムにモニターすることができ、分散補償装置のフィードバックモニターとして最適である。
【符号の説明】
【０１０３】
１００  パルス光のモニター装置
３０  分波器（光ファイバーカプラー）
３１  ビームスプリッター
３２  入力ポート
３３，３４  出力ポート
１０  第１光検出器（ＩｎＧａＡｓＰＤ）
１１  第１信号
１２  集光用レンズ
１３  フィルター
２０  第２光検出器（ＳｉＡＰＤ）
２１  第２信号
２２  集光用レンズ
２３  フィルター
２４  コリメータレンズ
２０２  導波路型半導体（ＬＤ）
４０  演算処理器
４１  処理信号
５０  出力器
５１  表示器
６０  パルス光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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