(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超短電磁波パルスの波形処理方法において、
線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、透過光０次光を用いる場合、該透過０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する、１枚のみの回折格子を用い、非線形光学効果を用いることなく超短電磁波パルス波形を圧縮することを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理方法。
【請求項２】
超短電磁波パルスの波形処理方法において、
線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、反射０次光を用いる場合、該反射０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する、１枚のみの回折格子を用い、非線形光学効果を用いることなく超短電磁波パルス波形を圧縮することを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理方法。
【請求項３】
超短電磁波パルスの波形処理装置において、
（ａ）超短電磁波パルスを発生する超短電磁波パルス源と、
（ｂ）該超短電磁波パルス源から得られる超短電磁波パルス波形を圧縮する線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、透過０次光を用いる場合、該透過０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する回折格子とを具備することを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理装置。
【請求項４】
超短電磁波パルスの波形処理装置において、
（ａ）超短電磁波パルスを発生する超短電磁波パルス源と、
（ｂ）該超短電磁波パルス源から得られる超短電磁波パルス波形を圧縮する線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、反射０次光を用いる場合、該反射０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する回折格子とを具備することを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の超短電磁波パルスの波形処理装置において、前記回折格子は透過０次光あるいは反射０次光においてフーリエ変換限界パルスの中心周波数成分の回折効率をその周囲に比べてより低くするような構造を有することを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理装置。
【請求項６】
請求項３又は４記載の超短電磁波パルスの波形処理装置において、前記回折格子は空気または真空、誘電体、半導体、金属の境界面、あるいは異種の誘電体または異種の半導体または異種の金属間に形成されることを特徴とする超短電磁波パルスの波形処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短電磁波パルスの波形処理方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フェムト秒テクノロジーの応用は、情報・通信の分野、特に光情報処理技術の一環として、その高速性、多重性に関する研究開発が盛んである。
【０００３】
更に、物理計測、バイオ等への応用にも及んでおり〔ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ（１９９７）Ｎｏ．７、第１３６頁参照〕、アレキサンドライトレーザー（Ｃｒ3+：ＢｅＡｌ2 Ｏ4 ）やチタンサファイアレーザー（Ｔｉ3+：Ａｌ2 Ｏ3 ）の出現で急速に進んだ。
【０００４】
超短電磁波（光）パルス・システムでは、超短（１０-15 〜１０-10 秒）パルスのレーザーを回折格子や分散遅延線等を用いて伸長、圧縮変調を行う。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光パルスは正弦的な時間変化をしている様々な周波数の光の重ね合わせと考えられている。全ての周波数成分の位相が揃っているものをフーリエ変換限界パルス（ＴＬＰ）と呼ぶ。フェムト秒発振器からのレーザーパルスはフーリエ変換限界パルスとして取り扱える。
【０００６】
ここで、チャーピング（ｃｈｉｒｐｉｎｇ）について説明する。
【０００７】
光変調器や半導体レーザーで光強度を変調する際には、素子の屈折率が同時に変調されるため光の波長（光周波数）が同時に変動する。この波長（光周波数）変動をチャーピングという。
【０００８】
フーリエ変換限界パルスが、正常分散媒質あるいは異常分散媒質を伝搬後、パルス波形が変化する際、そのチャーピングには、アップ（上方、正の）チャープとダウン（下方、負の）チャープある。
【０００９】
フーリエ変換限界パルスは線形媒質では圧縮することができないが、位相変調した、チャープされたパルスでは圧縮が可能である。したがって、従来の超短パルス整形にはチャープパルスを用い、ペアになった回折格子またはプリズムを用いるようにしている。
【００１０】
そのため、装置が大きく、かつ複雑になるといった問題があった。
【００１１】
本発明は、上記問題点を除去し、装置を小型化し、かつ簡素化することができる超短電磁波パルスの波形処理方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕超短電磁波パルスの波形処理方法において、線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、透過光０次光を用いる場合、この透過０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する、１枚のみの回折格子を用い、非線形光学効果を用いることなく超短電磁波パルス波形を圧縮することを特徴とする。
【００１３】
〔２〕超短電磁波パルスの波形処理方法において、線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、反射０次光を用いる場合、この反射０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する、１枚のみの回折格子を用い、非線形光学効果を用いることなく超短電磁波パルス波形を圧縮することを特徴とする。
【００１４】
〔３〕超短電磁波パルスの波形処理装置において、超短電磁波パルスを発生する超短電磁波パルス源と、この超短電磁波パルス源から得られる超短電磁波パルス波形を圧縮する線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、透過０次光を用いる場合、その透過０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する回折格子とを具備することを特徴とする。
【００１５】
〔４〕超短電磁波パルスの波形処理装置において、超短電磁波パルスを発生する超短電磁波パルス源と、この超短電磁波パルス源から得られる超短電磁波パルス波形を圧縮する線形媒質上に形成された、周期が使用する光の波長程度の大きさを持ち、かつ、反射０次光を用いる場合、その反射０次光の中心波長の回折効率をその周囲の波長に比べて下げた構造を有する回折格子とを具備することを特徴とする。
【００１６】
〔５〕上記〔３〕又は〔４〕記載の超短電磁波パルスの波形処理装置において、前記回折格子は透過０次光あるいは反射０次光においてフーリエ変換限界パルスの中心周波数成分の回折効率をその周囲に比べてより低くするような構造を有することを特徴とする。
【００１７】
〔６〕上記〔３〕又は〔４〕記載の超短電磁波パルスの波形処理装置において、前記回折格子は空気または真空、誘電体、半導体、金属の境界面、あるいは異種の誘電体または異種の半導体または異種の金属間に形成されることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
本発明は、線形媒質上に形成された１枚のみの回折格子を用い、非線形光学効果を用いることなくフーリエ変換限界パルスの圧縮を可能にする。つまり、チャープ等の波形処理を行うことなく、回折格子のみで超短光パルスを回折格子の構造を変えることにより、圧縮することを可能にする。
【００２０】
その場合、回折格子の周期は使用する光の波長と同程度のものとする。
【００２１】
透過０次あるいは反射０次回折波の回折効率を周囲に比べてより低くする回折格子の構造とする。
【００２２】
具体的な実施例として、周期ｄ＝１．２１６μｍ、凹凸部の比０．５を持つ矩形凹凸状の回折格子で、波長８００ｎｍのパルス光を入射させ、格子深さを７μｍにすることにより、半値全幅７ｆｓを得ることができる。
【００２３】
ところで、周期が使用する光の波長程度の大きさを持つ回折格子は、共振領域の回折格子などと呼ばれ、周期・格子の深さ、媒質の屈折率、さらに光の波長の僅かな差により、回折効率が大きく変化することが知られている。この性質を利用して、パルス光の圧縮が可能であるが、この方法を用いたパルス光の圧縮は未だ報告されていない。
【００２４】
回折格子によって回折された光の伝搬方向はその光の波長に依存する。単色連続光と異なり、パルス光の周波数スペクトルは広がりを持っている。したがって、回折格子によって透過・反射された回折波の０次光以外の成分の伝搬方向は広がるが、０次光には変化がないため、平面波が入射した場合、回折０次光も平面波である。したがって、各周波数成分の０次光回折効率や位相を最適化することにより、所望のパルス長やパルス波形が得られるようになる。
【００２５】
以下、本発明の実施例についての具体的説明を行う。
【００２６】
図１は本発明の第１実施例を示す超短電磁波パルスの波形処理装置の概略構成図、図２はその超短電磁波パルスの波形処理の説明図、図３はその入射パルス光と透過０次光の強度の時間変化を示す図である。
【００２７】
図１において、１０１は超短電磁波パルスを発生する超短電磁波パルス源としての超短パルスレーザー、１０２は線形媒質上に形成された１枚のみの回折格子である。
【００２８】
屈折率が以下の式
ｎ2 （λ）＝（ａ1 λ2 ）／（λ2 −ｂ1 ）＋（ａ2 λ2 ）／（λ2 −ｂ2 ）              ＋（ａ3 λ2 ）／（λ2 −ｂ3 ）＋１              …（１）
但し、λはμｍの単位の波長、ａ1 ＝２．３２６，ａ2 ＝０．５０８０，ａ3 ＝２．４３１，ｂ1 ＝０．０１３２９，ｂ2 ＝０．０５２８３，ｂ3 ＝０．０１６１１、で表されるような、例えば、光学ガラス（ｎd ＝２．００３、ｖd ＝２８．３、但し、ｎd ，ｖd はそれぞれλ＝０．５８７６μｍでの屈折率とアッベ数）を用い、その表面に矩形凹凸形状の一次元回折格子を形成する。
【００２９】
図２において、１は媒質１、２は媒質２であり、媒質１（色付き部）が例えば光学ガラス、媒質２（白い部分）が真空または空気である。周期ｄ＝１．２１６μｍ、凹凸部の比ａ／ｄ＝０．５に真空中での中心波長０．８μｍ、強度の半値全幅１０ｆｓの入射パルス光１１が媒質１（誘電体）側から回折格子１２に垂直に入射する。その場合の透過０次光１３の強度半値全幅（ｆｓ）と格子深さｈ（μｍ）の関係は表１に示す通りである。
【００３０】
【表１】
0003734649.tif 000002
【００３１】
すなわち、媒質境界上に形成された回折格子１２の構造自身によって、入射パルス光１１の圧縮が可能である。この例では、透過０次光の中心波長の回折効率を下げ、さらに回折格子１２の深さを増すことにより、その効果を強調することによってパルス圧縮を実現している。
【００３２】
図２において、ｎ1 は媒質１の屈折率、ｎ2 は媒質２の屈折率である。
【００３３】
この実施例では、入射パルス光１１が回折格子１２に垂直入射する例を挙げたが、斜めから入射するパルス光に対しても同様の原理が働く。
【００３４】
図３（ａ）は入射パルス光強度の時間変化を示す図、図３（ｂ）はその透過０次光強度の時間変化を示す図である。
【００３５】
このように、この実施例によれば、図３から明らかなように、透過０次光の時間波形の幅が入射パルス光よりも圧縮されていることがわかる。
【００３６】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００３７】
図４は本発明の第２実施例を示す超短電磁波パルスの波形処理の説明図である。
【００３８】
図４において、２０は回折格子、２１は入射パルス光、２２は反射０次光を示しており、反射０次光２２の時間波形の幅は、上記した第１実施例と同様に、入射パルス光２１よりも圧縮されことになる。
【００３９】
また、上記した実施例では、２値の表面凹凸形状の回折格子の例を挙げたが、階段状の表面凹凸構造、あるいは表面は平坦であるが、内部の屈折率分布の変調による回折格子、あるいはその両者の組み合わせによる回折格子に対しても同様の原理が働くことは言うまでもない。
【００４０】
更に、この例では、近赤外域の電磁波の例を挙げたが、すべての周波数域の電磁波に対して同様の原理が働く。
【００４１】
上記したように、本発明によれば、線形媒質境界面に形成された回折型の構造のみによって、電磁波パルスの圧縮が可能となる。すなわち、従来技術のように、非線形光学効果を用いることなく、しかも一枚の回折格子のみでパルス波形の圧縮が可能となる。
【００４２】
また、実際に研究（数値計算）しているのは、半値全幅１０ｆｓ、真空中の中心波長０．８μｍのフェムト秒パルスレーザ光、すなわち、最も短い部類の光パルスの圧縮に関するものであるが、広い範囲に適用できる。
【００４３】
上記のように、本発明によれば、超短光パルスの圧縮を行うのにチャープパルスを用いることなく、従って非線形媒質を用いることなく超短光パルス波形の圧縮を行うことができる。
【００４４】
それには、回折格子の構造を調整し、回折効率の微妙な変化を用いる。回折格子の０次の回折効率を下げることで可能にしている。
【００４５】
この実施例では、回折格子の周期は使用する光の波長と同程度のものを用い、格子の深さを大きくすることで、圧縮を実現している。
【００４６】
したがって、本発明によれば、通常ペアで設置する回折格子が１枚で可能になる。
【００４７】
更に、非線形光学効果を用いないので装置を大幅に小型化することができ、安価になる。
【００４８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００５０】
（Ａ）通常ペアで設置する回折格子が１枚で可能になる。
【００５１】
（Ｂ）非線形光学効果を用いないので装置を大幅に小型化することができ、安価になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例を示す超短電磁波パルスの波形処理装置の概略構成図である。
【図２】  本発明の実施例を示す超短電磁波パルスの波形処理の説明図である。
【図３】  本発明の実施例を示す入射パルス光及びその透過０次光強度の時間変化を示す図である。
【図４】  本発明の第２実施例を示す超短電磁波パルスの波形処理の説明図である。
【符号の説明】
１    媒質１
２    媒質２
１１，２１    入射パルス光
１２，２０，１０２    回折格子
１３    透過０次光
２２    反射０次光
１０１    超短パルスレーザー
【図１】
0003734649.tif 000003
【図２】
0003734649.tif 000004
【図３】
0003734649.tif 000005
【図４】
0003734649.tif 000006