(57)【要約】【課題】簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法を提供すること。【解決手段】光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部（１６，１８）と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部（１４）と、を備え、パルス光源から入射された被整形光パルス（Ｌｉｎ）を伸長・圧縮部（１６，１８）で伸長した後空間変調部（１４）を往復させて複数の光パルスごとに振幅変調し、振幅変調された複数の光パルスを伸長・圧縮部（１６，１８）で圧縮することにより、複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルス（Ｌｏｕｔ）として出射する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、
入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備え、
パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長した後前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された前記複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射する
光パルス波形整形装置。
【請求項２】
前記伸長・圧縮部は、入射した光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離する回折格子と、入射した光パルスを反射し光軸を変えて入射方向に折り返す折返し部と、を含み、
入射した前記光パルスを前記回折格子で回折させて複数の光パルスに分離し、該分離した複数の光パルスを前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させることにより前記光パルスを空間的に伸長し、該空間的に伸長された前記光パルスを前記回折格子で回折させ、前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させて圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与える
請求項１に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項３】
前記折返し部は、コーナーキューブまたは反射鏡を含んで構成された
請求項２に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項４】
前記空間変調部は、前記複数の光パルスの各々の入射位置に応じて透過率が異なるフィルタ部を含み、入射した前記複数の光パルスを前記フィルタ部を透過させて前記複数の光パルスごとに振幅を変調する
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項５】
入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とが空間的に分離されている
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項６】
前記空間変調部から出射した伸長後の前記被整形光パルスを反射させて再度前記空間変調部に入射させる反射部をさらに備えた
請求項５に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項７】
前記反射部の反射角度を調整することにより入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とを空間的に分離する
請求項６に記載の光パルス波形整形装置。
【請求項８】
光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備えた光パルス波形整形装置における光パルス波形整形方法であって、
パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長し、
該伸長された被整形光パルスを前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、
該振幅変調された複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮し、
前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射する
光パルス波形整形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光パルスの時間波形を整形する方法として、広帯域のスペクトル線幅の光を波長分散デバイスを用いて複数の波長に分離し、その際発生する複数の波長ごとの遅延を用いる方法が知られている。この方法は、原理的に、光パルス伸長方式による方法と同じ方法である。
【０００３】
非特許文献１には、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の一例が開示されている。図７を参照して、非特許文献１に開示された光パルス波形整形装置１００について説明する。図７に示すように、光パルス波形整形装置１００は、ＭＥＭＳ−ＭＭＡ（Ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ  −  ｍｉｃｒｏ  ｍｉｒｒｏｒ  ａｒｒａｙ）１０２、グレーティング（回折格子）１０４、およびレンズ１０６を備えている。
【０００４】
光パルス波形整形装置１００に入射された入力光パルス（Ｉｎｐｕｔ  Ｐｕｌｓｅ）はグレーティング１０４により空間的に周波数（波長）分離され、該周波数分離された光が、レンズ１０６を介してＭＥＭＳ−ＭＭＡ１０２に入射される。ＭＥＭＳ−ＭＭＡは、ＭＥＭＳを用いたマイクロ・ミラー・アレイであり、アレイ状に並べられたアルミミラーの各々が、ＭＥＭＳ技術によって入射光の光軸方向に駆動されるように構成されている。
【０００５】
ＭＥＭＳ−ＭＭＡ１０２は、空間的に周波数分離された光の各々を、周波数ごとに位置を変えて反射させることにより、周波数ごとの光学長を変化させる。周波数ごとに光学長を変えられた光は、再度レンズ１０６およびグレーティング１０４を介し、出力光パルス（Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｕｌｓｅ）として出力される。出力光パルスは、各々強度が変調されかつ各々遅延時間の異なる各周波数の光パルスを合成した波形となり、出力光パルスの波形は該合成した各周波数の光パルスの包絡線となるので、入力光パルスの時間波形が整形される。
【０００６】
また、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の他の例として、非特許文献２に開示されたものが知られている。非特許文献２に係る光パルス波形整形装置は、２枚のグレーティングと、該２枚のグレーティングの間に配置された、レンズ−マスク−レンズからなる光学部材とにより構成されている。グレーティング、レンズ、およびマスクは、レンズの焦点距離の間隔で配置されている。マスクには、マスク面上の位置に応じて透過率が異なるようにパターンが形成されており、該マスクは振幅を変調する空間変調器として作用する。
【０００７】
入力光パルスは、一方のグレーティングにより複数の波長に空間的に分離され、レンズを介してマスクに入射する。分離された複数の波長は、複数の波長の各々ごとに異なる透過率とされたマスクを透過することにより、複数の波長の各々ごとに振幅を変えられる（振幅変調される）。マスク通過後レンズを介して他方のグレーティングに入射し、分離された複数の波長の光が合成されて出力光パルスとして出力される。該出力光パルスの時間波形は、上記非特許文献１の光パルス波形整形装置１００と同様の理由で、入力光パルスの時間波形が整形されたものとなる。
【０００８】
さらに、上記光パルス伸長方式による光パルス波形整形装置の他の例として、特許文献１に開示されたものも知られている。特許文献１に開示された光パルス波形整形装置は、パルス生成装置および光パルス幅変換装置を備え、光パルス幅変換装置は、ハーフミラー、回折格子対、振幅調整部、および反射鏡を含んで構成されている。
【０００９】
ハーフミラーを透過して入力されたパルス生成装置からの入力光パルスは、回折格子対によって波長分散を与えられて波長ごとに空間的に分離される。空間的に分離され、異なる遅延時間が付与された各波長の光は、振幅調整部で各波長ごとに異なる振幅変化を与えられ後、反射鏡で反射されそれまでの光路を逆に辿る。回折格子対で合成された各波長の光はハーフミラーで反射され、出力光パルスとして出力される。該出力光パルスの時間波形は、上記非特許文献１の光パルス波形整形装置１００と同様の理由で、入力光パルスの時間波形が整形されたものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００７−３３４２２５号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】阿部智明，王戈，矢澤洋紀，”２次元ＭＥＭＳ空間光変調器を用いた４００ｎｍフェムト秒レーザパルスの位相・振幅波形整形”，慶応大学アニュアルレポート（２００８）
【非特許文献２】A.M.Weiner, J.P.Heritage, and E.M.Kirschner, "High-resolution femtosecond pulse shaping", J.Opt Soc. Am. B, 5, 8(1988)1563-1572
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した従来技術に係る光パルス波形整形装置は、いずれも光パルス伸長方式によって入力光パルスの波形を整形した出力光パルスを得ることができる。しかしながら、非特許文献１に開示された光パルス波形整形装置は、ＭＥＭＳ−ＭＭＡによる一度の反射によって振幅を変調するので、自ずと付与することができる整形量に限界がある。
【００１３】
一方、非特許文献２に開示された光パルス波形整形装置は、光パルスを分散させるグレーティングと合成するグレーティングが別々なので、高価なグレーティングを２個用いる必要があり、コスト的に不利である。また、構成する光学部品の数が多いので、安定性や再現性の面からの課題を生ずる。さらに、各光学素子を一度ずつ通る（往復しない）構成であるため光学系全体が大きくなり、また、入力光パルスの入力方向と出力光パルスの出力方向とが異なる方向であるため、取り扱い上不便である。
【００１４】
さらに、特許文献１に開示された光パルス波形整形装置も２個のグレーティングを用いているのでコスト的に不利である。また、構成する光学部品の数が多いので、安定性や再現性の面からの課題を生ずるとともに、光学系全体を小型化することが困難である。
【００１５】
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の光パルス波形整形装置は、光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備え、パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長した後前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された前記複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射するものである。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記伸長・圧縮部は、入射した光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離する回折格子と、入射した光パルスを反射し光軸を変えて入射方向に折り返す折返し部と、を含み、入射した前記光パルスを前記回折格子で回折させて複数の光パルスに分離し、該分離した複数の光パルスを前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させることにより前記光パルスを空間的に伸長し、該空間的に伸長された前記光パルスを前記回折格子で回折させ、前記折返し部で折り返した後再度前記回折格子で回折させて圧縮することにより、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与えるものである。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記折返し部は、コーナーキューブまたは反射鏡を含んで構成されたものである。
【００１９】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記空間変調部は、前記複数の光パルスの各々の入射位置に応じて透過率が異なるフィルタ部を含み、入射した前記複数の光パルスを前記フィルタ部を透過させて前記複数の光パルスごとに振幅を変調するものである。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とが空間的に分離されているものである。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記空間変調部から出射した伸長後の前記被整形光パルスを反射させて再度前記空間変調部に入射させる反射部をさらに備えたものである。
【００２２】
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記反射部の反射角度を調整することにより入射する前記被整形光パルスの光軸と出射する前記整形光パルスの光軸とを空間的に分離するものである。
【００２３】
一方、上記目的を達成するために、請求項８に記載の光パルス波形整形方法は、光パルスを異なる波長成分の複数の光パルスに分離して空間的に伸長または圧縮する伸長・圧縮部と、入射した光パルスを入射位置に応じた変調率で該光パルスの振幅を変調して出射する空間変調部と、を備えた光パルス波形整形装置における光パルス波形整形方法であって、パルス光源から入射された被整形光パルスを前記伸長・圧縮部で伸長し、該伸長された被整形光パルスを前記空間変調部を往復させて前記複数の光パルスごとに振幅変調し、該振幅変調された複数の光パルスを前記伸長・圧縮部で圧縮し、前記複数の光パルスごとに異なる遅延時間を与え整形光パルスとして出射するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す側面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の回折格子で波長分離された各波長成分の光路を説明する図である。
【図４】第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の入射光パルス、伸長光パルス、および出射光パルスの時間波形の一例を示す図である。
【図５】第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の長波長成分と短波長成分の光路長差を説明するための図である。
【図６】第２の実施の形態に係る光パルス波形整形装置の構成の一例を示す平面図である。
【図７】従来技術に係る光パルス波形整形装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態に係る光パルス波形整形装置は、特に用途は限定されないが、一例として、光パルスを用いたレーザ加工等に用いられ、たとえば、効率的なレーザ加工を目的として照射光パルスの波形を整形する場合などに用いられる。
【００２７】
［第１の実施の形態］
図１ないし図５を参照して、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の構成について説明する。図１は、光パルス波形整形装置１０を上面から見た構成を示す図（平面図）であり、図２は、図１に示す光パルス波形整形装置１０をＺ方向から見た構成を示す図（側面図）であり、図３は、光パルス波形整形装置１０の回折格子で波長分離された各波長成分の光路を説明する図であり、図４は、光パルス波形整形装置１０の入射光パルス、伸長光パルス、および出射光パルスの時間波形を示す図であり、図５は、光パルス波形整形装置１０の長波長成分と短波長成分の光路長差を説明する図である。
【００２８】
図１および図２に示すように、光パルス波形整形装置１０は、反射ミラー１２、空間変調器１４、回折格子１６、およびコーナーキューブ１８を含んで構成されている。光パルス波形整形装置１０においては、一例として、図示しない光パルス発生装置（以下、「光源」という場合がある）で生成された広帯域超短パルス光（たとえば、パルス幅数ｐｓ（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ）程度）が、紙面右方向から左方向に入射光ビームＬｉｎとして入射され、光パルス波形整形装置１０で波形が整形された光パルスが、紙面左方向から右方向に出射光ビームＬｏｕｔとして出射される。本実施の形態では、入射光ビームＬｉｎの断面Ｂｉｎの形状は、一例として、図３（ａ）に示すように略円形としている。
【００２９】
まず、図１および図２を参照して、光パルス波形整形装置１０の動作の概要について説明する。紙面右方向より左方向に入射した入射光ビームＬｉｎは、回折格子１６における回折により波長分離され、ビーム幅を拡大されてコーナーキューブ１８へ入射する。コーナーキューブ１８で反射し、折り返されることによりビーム幅をさらに拡大されて再度回折格子１６に入射される。回折格子１６で回折された光ビームは、入射光ビームＬｉｎの方向に回折され、空間変調器１４を透過し、反射ミラー１２で反射され再度空間変調器１４を透過することにより振幅変調を受ける（分離された各波長ごとに光パルスの振幅が変えられる）。
【００３０】
振幅変調された光ビームは、入射光ビームＬｉｎが辿った光路を再び辿り、回折格子１６に入射する。回折格子１６で回折されてビーム幅を縮小された光ビームは、コーナーキューブ１８で反射、折返しされることによりさらにビーム幅を縮小された後回折格子１６で再度回折されて、出射光ビームＬｏｕｔとして出射される。この出射光ビームＬｏｕｔに含まれる各波長成分には、空間変調器１４における変調率が異なることにより異なる振幅が与えられると同時に、光路長差が異なることによる異なる遅延時間を与えられるので、出射光ビームＬｏｕｔに含まれる光パルスは、入射光ビームＬｉｎに含まれる光パルスに対して、時間軸方向に整形される。出射された出射光ビームＬｏｕｔは、光パルス波形整形装置１０が、たとえばレーザ加工に用いる光パルス波形整形装置である場合には、加工対象物に照射される。
【００３１】
上述のように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０は、入射光ビームＬｉｎを２往復させて（回折格子１６で４回回折させて）波形整形を行う点に、ひとつの特徴がある。以下、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の動作について、より詳細に説明する。
【００３２】
入射光ビームＬｉｎは、反射型の回折格子１６に入射すると、回折され、複数の波長に分離される（分散される）。その際、複数の波長ごとに回折角（図３（ｂ）参照）が異なり、短波長ほど図３（ｂ）で定義される回折角は小さくなるので、回折格子１６で回折された各波長の光が空間的に分離される。
【００３３】
図３を参照して、回折格子１６における回折についてより詳細に説明する。図３においては、入射光ビームＬｉｎは回折格子１６の面上の点Ｐ１に入射する。本実施の形態に係る回折格子１６の溝Ｓは、図２に示すようにＸ方向に形成してあるので、空間的に分離された各波長は、図１の座標系のＺ方向（Ｙ−Ｚ平面内）に並ぶ。なお、以下の説明では、回折格子１６で回折された各波長成分のうち、最も波長の長い波長成分を長波長成分λＲ、最も波長の短い波長成分を短波長成分λＢとしている。
【００３４】
図３（ｂ）に示すように、入射光ビームＬｉｎに含まれる各波長成分は、回折格子１６における溝Ｓの形成状態に応じて波長分離され、長波長成分λＲから短波長成分λＢまでＺ方向に並ぶ。長波長成分λＲと短波長成分λＢとの間には、波長の異なる複数の波長成分が存在し、波長成分の数は回折格子１６における溝Ｓの形成の仕方に依存する。
【００３５】
ここで、点Ｐ１に入射した入射光ビームＬｉｎの回折角を、回折格子１６の点Ｐ１における法線ｈから、回折された各波長成分の光軸まで測った角度で定義する。図３（ｂ）には、この定義に従った、光源の中心波長λの回折角θＤ、短波長成分λＢの回折角θＤＢ、長波長成分λＲの回折角θＤＲを示している。回折格子１６の特性から、短波長成分λＢの回折角θＤＢは長波長成分λＲの回折角θＤＲより小さくなる。このように、回折格子１６における回折により、入射光ビームＬｉｎに含まれる各波長成分は、空間的に分離される。
【００３６】
図１、図２に示すように、回折格子１６で空間的に分離された各波長成分はコーナーキューブ１８で反射され、折り返される。その際、各波長成分の総体である光ビームは、さらに空間的に伸長されて回折格子１６に入射し、回折格子１６で入射光ビームＬｉｎの方向に回折される。各波長成分によってこの時点までに辿ってきた光路が異なるので、回折格子で回折された各波長成分は各々遅延時間が異なる。そのため、回折格子１６で回折された光ビームは、光ビーム自体が空間的に伸長していると同時に、光ビームに含まれる各波長成分が時間軸方向にも伸長している。
【００３７】
ここで、図３を参照して、入射光ビームＬｉｎが回折格子１６で回折され、コーナーキューブ１８で折り返され、再び回折格子１６で回折されるまでの、長波長成分λＲおよびは短波長成分λＢの光路について説明する。
【００３８】
回折格子１６の点Ｐ１で回折された長波長成分λＲは、コーナーキューブ１８の点Ｐ２で反射され点Ｐ３に進む。コーナーキューブ１８の点Ｐ３で反射した長波長成分λＲは、回折格子１６の点Ｐ５で回折され、空間変調器１４の点Ｐ７に進む。
【００３９】
一方、回折格子１６の点Ｐ１で回折された短波長成分λＢは、コーナーキューブ１８の点Ｐ３で反射され点Ｐ２に進む。コーナーキューブ１８の点Ｐ２で反射した短波長成分λＢは、回折格子１６の点Ｐ４で回折され、空間変調器１４の点Ｐ６に進む。
【００４０】
以上のようにして、入射光ビームＬｉｎのビーム径が所定の長さＷｐ（点Ｐ６から点Ｐ７までの長さ）に空間的に伸長された光ビームは、空間変調器１４において、各波長成分ごとに光パルスの振幅を変える振幅変調を受ける。空間変調器１４を通過した後の光ビームの断面Ｂｏｕｔは、図３（ａ）に示すように、Ｚ方向に長軸を有する楕円形状となっている。
したがって、上記Ｗｐは、楕円形状のＢｏｕｔの長軸の長さを表している。
【００４１】
本実施の形態に係る空間変調器１４は、入射面上の位置に応じて透過率を異ならせた空間フィルタ（光学フィルタ）の一種であり、たとえば、透明なガラス基板上に、位置に応じ厚さを異ならせて透過率を変えた薄膜（たとえば、金属薄膜）を形成したものである。
そして、空間変調器１４の各透過率に対応する位置は、回折格子１６で分離された各波長成分の空間的な位置に対応している。
【００４２】
光ビームに含まれる各波長成分は、空間変調器１４において光パルスの振幅が各々所定の振幅に変更された（振幅変調された）後、反射ミラー１２に入射し全反射する。なお、本実施の形態では、反射ミラー１２で全反射させる形態を例示して説明するが、むろんこれに限られず、光ビームに損失を与えたいような場合には、部分的な反射であってもよい。
【００４３】
続けて、反射ミラー１２で反射した後の、各波長成分の光路について説明する。反射ミラー１２で反射した各波長成分の光は、再び空間変調器１４の点Ｐ６から点Ｐ７の範囲を透過し、回折格子１６に向かって進む。この際、各波長成分の光は再び空間変調器１４による変調を受ける。このように、本実施の形態では、空間変調器１４で２回振幅変調を受けるので、各波長成分に対する変調率（減衰率）は従来技術に比較して高いものとなる。
【００４４】
空間変調器１４から出射した長波長成分λＲは、回折格子１６の点Ｐ５で回折され、コーナーキューブ１８の点Ｐ３に向かう。点Ｐ３で反射された長波長成分λＲは、さらに点Ｐ２で反射して折り返され、回折格子１６の点Ｐ１に向かう。
【００４５】
一方、空間変調器１４から出射した短波長成分λＢは、回折格子１６の点Ｐ４で回折され、コーナーキューブ１８の点Ｐ２に向かう。点Ｐ２で反射された短波長成分λＢは、さらに点Ｐ３で反射して折り返され、長波長成分λＲと同様に、回折格子１６の点Ｐ１に向かう。
【００４６】
一旦長さＷｐまで空間的に伸長された入射光ビームＬｉｎは、以上の経路で再び空間的に圧縮され、出射光ビームＬｏｕｔとして出射される。出射光ビームＬｏｕｔは、このように空間的には圧縮され、入射光ビームＬｉｎと同様略円形状のビーム形状となるが、各波長成分の光パルスは遅延時間が各々異なるので、時間軸上で見た場合には伸長されている。
【００４７】
ここで、図２を参照して、入射光ビームＬｉｎおよび出射光ビームＬｏｕｔの、光学系に対する位置関係を説明する。図２では、煩雑さを避けるため空間変調器１４の図示を省略している。また、本実施の形態では、入射光ビームＬｉｎと出射光ビームＬｏｕｔとの干渉を避けるために、反射ミラー１２の角度を鉛直方向に対してわずかに傾けている。
【００４８】
図２に示すように、入射光ビームＬｉｎは、直接回折格子１６の点Ｐ１に入射する。回折格子１６で回折され、上述した、コーナーキューブ１８  →  回折格子１６  →  空間変調器１４  →  反射ミラー１２  →  空間変調器１４  →  回折格子１６  →コーナーキューブ１８  →  回折格子１６の経路で空間的に圧縮された光ビームは、再び回折格子１６の面上の点Ｐ１’に集束する。図３を用いた上記説明では、理解の容易化のため、空間的に圧縮された光ビームも点Ｐ１に集束するとして説明したが、入射光ビームＬｉｎと出射光ビームＬｏｕｔとの干渉を避けるため、実際には反射ミラー１２の鉛直方向に対する角度を調整して、Ｐ１とは異なる点Ｐ１’に集束させている。
【００４９】
点Ｐ１’に集束された光ビームは、回折格子１６で反射され、出射光ビームＬｏｕｔとして出射される。このように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０では、反射ミラー１２の角度を調整することによって、入射光ビームＬｉｎと出射光ビームＬｏｕｔとが干渉しないように相互の空間的な位置（鉛直面内における位置）をずらしている。なお、本実施の形態では、入射光ビームＬｉｎを鉛直方向下側に、出射光ビームＬｏｕｔを鉛直方向上側に配置する形態を例示しているが、この配置関係は逆であってもよい。
【００５０】
つぎに、図４を参照して、以上のように構成された本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の作用について説明する。図４（ａ）は、入射光ビームＬｉｎに含まれる光パルスである入射光パルスＰｉｎの時間波形、図４（ｂ）は、空間的、時間的に伸長された後、空間変調器１４に入射する前の光ビームに含まれる光パルスである伸長光パルスＰＳの時間波形、図４（ｃ）は、出射光ビームＬｏｕｔに含まれる光パルスである出射光パルスＰｏｕｔの時間波形を各々示している。
【００５１】
図４（ａ）に示す本実施の形態に係る入射光パルスＰｉｎは、先述したように広帯域超短パルスであり、入射光パルスＰｉｎの時間幅ｔｉｎは一例として数ｐｓ、帯域は一例として数ｎｍ（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ）程度である。ここで、本実施の形態では、光パルスの時間幅は、ＦＷＨＭ（Ｆｕｌｌ  Ｗｉｄｔｈ  ａｔ  Ｈａｌｆ  Ｍａｘｉｍｕｍ）で定義している。
【００５２】
図４（ｂ）に示すように、伸長光パルスＰＳは入射光パルスＰｉｎが時間軸方向に伸長され、パルス幅を時間幅ｔｗとされた光パルスであり、回折格子１６で分離された各波長成分の光パルスが、短波長成分λＢから長波長成分λＲまで遅延時間を異ならせて（時刻を異ならせて）並んでいる。伸長光パルスＰＳの時間波形は、該各波長成分の光パルスの包絡線（エンベロープ）である。伸長光パルスＰＳの時間幅ｔｗは、一例として数１０ｐｓである。なお、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０では、方式上、短波長成分λＢの方が長波長成分λＲよりも時間的に早い位置に配置される。
【００５３】
図４（ｃ）に示すように、出射光パルスＰｏｕｔの時間波形は、伸長光パルスＰＳの時間波形を整形し、パルス形状を異ならせた波形となる。本実施の形態に係る空間変調器１４は、時間軸上先頭部分に配置される波長の短い光パルスの透過率を大きくし、時間軸上その後に続く長波の長い光パルスの透過率を小さくしている。出射光パルスＰｏｕｔの形状は、各波長成分の光パルスの包絡線となるため、出射光パルスＰｏｕｔのパルス波形は、先頭領域に配置されたピーク値の高い部分と、該ピーク値の高い部分に続く低いピーク値が維持された部分とが組み合わされた形状となっている。
【００５４】
図４（ｃ）に示す出射光パルスＰｏｕｔの形状は一例であり、空間変調器１４における透過率の分布条件、回折格子１６における溝の形成方法による波長分散の条件等を調整することによって、任意の形状に整形することが可能である。
【００５５】
つぎに、図５を参照して、伸長光パルスＰＳの時間幅ｔｗの算出方法について説明する。図５（ａ）は、図１と同じ本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のうちの回折格子１６の部分を抜き出し、入射光ビームＬｉｎの光軸、伸長光パルスＰＳに含まれる長波長成分λＲの光軸とともに表した図である。図５（ｂ）は、回折格子１６の点Ｐ１で回折した入射光ビームＬｉｎが、コーナーキューブ１８で反射して折り返された後、再度回折格子１６で回折されてビーム径が空間的に伸長されるまでの状態を示している。
【００５６】
図５（ｂ）を参照して、回折格子１６で分離された各波長成分のうちの長波長成分λＲの光路長差の算出方法について説明する。δＬは、点Ｐ１を基準とする光源のスペクトルの中心波長λと長波長成分λＲの光路長の差分である。δＬは１回の通過による光路長の差分であり、本実施の形態では２回通過するので、入射光ビームＬｉｎが入射してから出射光ビームＬｏｕｔが出射するまでの光路長の差分は２δＬとなる。また、短波長成分λＢについても同様に２δＬの光路長の差分が発生するので、分離された波長成分全体の光路長の差分である光路長差は４δＬとなる。伸長光パルスＰＳの時間幅ｔｗは、光路長差を光速で割って求められるので、ｔｗ＝４δＬ／ｃとなる。
【００５７】
以下のように記号を定義し、図５を参照して、伸長光パルスＰＳの時間幅ｔｗの算出方法についてより詳細に説明する。
【００５８】
直線Ｌ１  ：入射光ビームＬｉｎの光路
直線Ｌ２  ：コーナーキューブ１８で折り返された長波長成分λＲの光路
直線Ｌ３  ：直線Ｌ２を辿った長波長成分λＲの光が回折格子１６で反射された後の光路
直線ｈ  ：点Ｐ１における回折格子１６の表面に対する法線
直線ｈ’  ：点Ｐ５における回折格子１６の表面に対する法線
θδ  ：入射光ビームＬｉｎが回折格子１６で回折されて広がった回折光の回折角の幅を示す角度（本実施の形態ではθδ＜＜１と仮定）
θＤ  ：光源（光パルス発生装置）スペクトルの中心波長λの回折角（中心波長λの回折光の光軸と法線ｈとのなす角度）
θＩ  ：入射光ビームＬｉｎの回折格子１６へ入射角（法線ｈと直線Ｌ１とがなす角度）
ｘ１   ：点Ｐ１から直線Ｌ２に引いた垂線と直線Ｌ２との交点と点Ｐ１との間の長さ
Ｒ  ：回折格子１６とコーナーキューブ１８との間隔（コーナーキューブ１８における各波長成分の折り返し点と点Ｐ１との間の長さ）
Ｗ  ：コーナーキューブ１８で反射、折り返された光ビームの回折格子１６の面上におけるビームサイズの１／２の長さ（＝Ｗｐ／２、点Ｐ１と点Ｐ５との間の距離）
ｃ  ：光速
ｍ  ：回折次数
λ  ：光源のスペクトルの中心波長
ａ  ：直線Ｌ２上の光路長の差分
ｂ  ：直線Ｌ３上の光路長の差分
ｄ  ：回折格子１６の溝Ｓの本数密度（本／ｍｍ）（図２参照）
【００５９】
図５（ｂ）の定義から、δＬはδＬ＝ａ＋ｂで与えられる。ａは、回折格子１６で回折した光ビームが、コーナーキューブ１８で反射後回折格子１６に到達するまでに発生する、中心波長λと長波長成分λＲとの光路長の差分である。また、ｂは、長波長成分λＲが回折格子１６に再入射後、再度入射光ビームＬｉｎの方向に回折するときの光路長の差分である。
【００６０】
まず、回折格子１６における回折の条件から、下記式（１）が成立する。
【数１】
2016065948.tif 000003
【００６１】
回折格子１６で分離された光源に含まれる各波長成分が、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の光学系で異なる遅延時間を与えられることにより発生する波長成分全体の時間差である時間幅ｔｗは、最終的に下記式（２）で与えられる。
【数２】
2016065948.tif 000004
以下、式（２）の導出について説明する。
【００６２】
先述したように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０の光学系では、回折格子１６を２往復すること、および中心波長λと短波長成分λＢでも長波長成分λＲと同様の光路長の差分を生ずる。そのため、長波長成分λＲから短波長成分λＢまでの全波長（スペクトル）成分の光路長差から生ずる光パルスの遅延時間（伸長量）である時間幅ｔｗは、以下に示す式（３）で与えられる。
【数３】
2016065948.tif 000005
【００６３】
ここで、上記定義から以下に示す一連の式が成立する。
【数４】
2016065948.tif 000006
【００６４】
上記一連の式から、δＬは、下記式（４）のように記述することができる。
【数５】
2016065948.tif 000007
【００６５】
式（１）より
【数６】
2016065948.tif 000008
と記述できるので、これを式（４）に代入して、上記式（２）を得る。
【００６６】
以上のように構成された本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０は、以下のような特徴を有する。
（１）１枚の回折格子を使用するので、部品点数を削減でき、コスト的にも有利である。
（２）回折格子で４回回折させる構成のため、同じパルス伸長量を得る場合、光学系全体の大きさが約１／２ですむ。（同じ大きさの光学系であれば、パルス伸長量を約２倍にすることができる。）
（３）空間変調器を２回透過させる構成のため、大きな整形量を得ることが可能である。
したがって、光パルスの波形整形を効率的に行うことができる。
（４）時間的に伸長された光ビームである出射光ビームの形状（光強度分布）は、入射光ビームの形状とほぼ同様の形状である。したがって、光ビームの断面の方向等を考慮する必要がないので、取り扱いがより容易である。
【００６７】
以上詳述したように、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置によれば、簡易な構成で小型化が可能であり、しかも光パルスの時間波形を任意の形状に整形することができる光パルス波形整形装置および光パルス波形整形方法が得られる。
【００６８】
［第２の実施の形態］
図６を参照して、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０ａについて説明する。
本実施の形態は、第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０における反射型の回折格子１６を、透過型の回折格子１６ａに置き換えた形態である。したがって、図１ないし図３と同様の構成には同様の符号を付し、その説明を省略する。
【００６９】
図６における点Ｐ１１ないしＰ１７は、各々図３における点Ｐ１ないしＰ７に対応している。入射光ビームＬｉｎは回折格子１６ａの点Ｐ１１に入射し、光源に含まれる各波長成分に分散、回折された後、コーナーキューブ１８で折り返され再度回折格子１６ａに入射する。回折格子１６ａで再度回折されて、光ビームが空間的、時間的にが伸長され、空間変調器１４に入射される。空間変調器１４で各波長成分ごとに振幅変調を受けた後、反射ミラー１２で全反射して再度空間変調器１４によって振幅変調を受け、回折格子１６ａに入射する。
【００７０】
回折格子１６ａで回折された光ビームは、コーナーキューブ１８で反射して折り返され、空間的に圧縮されつつ回折格子１６ａの点Ｐ１１に再度入射される。回折格子１６ａで回折されたビームは、出射光ビームＬｏｕｔとして光パルス波形整形装置１０ａから出射される。
【００７１】
入射光ビームＬｉｎが点Ｐ１１で回折した後の長波長成分λＲおよびλＢの光路も、光パルス波形整形装置１０と同様に考えることができる。すなわち、回折格子１６ａにおける回折角θＤを点Ｐ１１における回折格子１６ａの入射面に対する法線から測った角度で定義すると、長波長成分λＲの回折角θＤＲは、短波長成分の回折角θＤＢより小さい。したがって、長波長成分λＲと短波長成分λＢの配置関係は図６に示すように、紙面正面視でλＲが左側、λＢが右側となる。
【００７２】
長波長成分λＲの光路について説明する。
点Ｐ１１で回折した長波長成分λＲは、コーナーキューブ１８の点Ｐ１２、点Ｐ１３で反射され、回折格子１６ａの点Ｐ１５に入射する。点Ｐ１５で反射された長波長成分λＲは、空間変調器１４の点Ｐ１７に入射し、振幅変調を受けた後反射ミラー１２で全反射され、再度空間変調器１４で振幅変調を受けて回折格子１６ａの点Ｐ１５に入射する。
【００７３】
点Ｐ１５で回折された長波長成分λＲは、コーナーキューブ１８の点Ｐ１３、点Ｐ１２で反射されて回折格子１６ａの点Ｐ１１に再度入射し、回折され、出射光ビームＬｏｕｔとして出射する。
短波長成分λＢの光路についても同様に辿ることができる。
【００７４】
ここで、本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０ａでも、光パルス波形整形装置１０と同様、反射ミラー１２の角度を鉛直方向に対してわずかに傾け、入射光ビームＬｉｎと出射光ビームＬｏｕｔとの干渉を避けるように構成してもよい。
【００７５】
以上のように動作する本実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０ａによっても、第１の実施の形態に係る光パルス波形整形装置１０と同様、図４に示す光パルス波形の整形作用を奏することができる。ただし、光パルス波形整形装置１０ａでは、光パルス波形整形装置１０と異なり、図４（ｃ）に示す出射光パルスＰｏｕｔの時間波形において、長波長成分λＲが短波長成分λＢより時間的に早い位置に配置される（長波長成分λＲと短波長成分λＢの位置が入れ替わる）。図６から明らかなように、長波長成分λＲの光路長の方が、短波長成分λＢの光路長より短いからである。
【００７６】
なお、上記各実施の形態では、回折格子で回折された回折光を折り返す手段として、コーナーキューブを用いる形態を例示して説明したが、これに限られず、代わりに、たとえば反射鏡を用いてもよい。この場合、図４（ｃ）に示す出射光パルスＰｏｕｔの時間波形において、長波長成分λＲが短波長成分λＢより時間的に早い位置に配置される（長波長成分λＲと短波長成分λＢの位置が入れ替わる）。
【符号の説明】
【００７７】
１０、１０ａ  光パルス波形整形装置
１２    反射ミラー
１４    空間変調器
１６、１６ａ  回折格子
１８    コーナーキューブ
１００  光パルス波形整形装置
１０２  ＭＥＭＳ−ＭＭＡ
１０４  グレーティング
１０６  レンズ
Ｌｉｎ    入射光ビーム
Ｌｏｕｔ  出射光ビーム
Ｐｉｎ    入射光パルス
ＰＳ    伸長光パルス
Ｐｏｕｔ    出射光パルス
Ｓ      溝
【図２】
2016065948.tif 000009
【図４】
2016065948.tif 000010
【図７】
2016065948.tif 000011
【図１】
2016065948.tif 000012
【図３】
2016065948.tif 000013
【図５】
2016065948.tif 000014
【図６】
2016065948.tif 000015