(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
極短光信号パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に超高速に変換する方法であって、信号パルスと、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスとを、集光部材を経て非線形結晶に入射し、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられる第２次高調波光を分散素子により分光して像を得ることを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換方法。
【請求項２】
前記ゲートパルスの進行方向が、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量が該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なることを特徴とする請求項１に記載の超高速変換方法。
【請求項３】
前記集光部材による集光が、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれることを特徴とする請求項２に記載の超高速変換方法。
【請求項４】
前記集光部材を経ることにより、前記信号パルスが平行光とされ、前記ゲートパルスが収束光とされることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の超高速変換方法。
【請求項５】
前記第２次高調波光による像の時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とするために、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超高速変換方法。
【請求項６】
極短光パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に変換する装置であって、信号パルスの入力部と、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを発生するゲートパルス発生装置と、前記信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶と、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられた第２次高調波光を分光する分散素子と、分光された高調波光の像を形成する像形成部とを備えたことを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置。
【請求項７】
前記ゲートパルスの進行方向が、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量が該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なることを特徴とする請求項６に記載の超高速変換装置。
【請求項８】
前記集光部材による集光が、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれることを特徴とする請求項７に記載の超高速変換装置。
【請求項９】
前記集光部材を経ることにより、前記信号パルスが平行光とされ、前記ゲートパルスが収束光とされることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の信号変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、極短光パルスのスペクトルの時間変化を、時間軸と時間周波数軸の二次元空間分布に超高速に変換する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に極短光パルスに含まれるスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸（時間周波数軸）の２軸に分解して空間分布に変換するシステムでは、超高速時間ゲート及び分光の手法を用いる。この手法は、測定対象である極短光パルス（信号パルス）に対し、フーリエ限界である極短光パルス（含まれるスペクトルの位相が揃った光パルス）を時間ゲートパルスとして用い、非線形結晶における非線形効果の高速応答性を利用して超高速時間ゲートを可能にする。この非線形効果として、２次または３次の非線形効果が用いられる。非線形結晶において信号パルスと参照パルス（ゲートパルス）とが同時に入射すると、非線形結晶からは、ゲートパルスにより切り出された高調波光が出射し、この光を回折格子等を用いて分光することにより、信号パルスの任意の時間に含まれる時間周波数分布を知ることが可能になる。そして、ゲートパルスを時間軸に対して走査することにより、信号パルスに含まれる時間と時間周波数の関係が得られる。ここで、信号パルスが長い時間幅を持つ場合、ゲートパルスが走査しなければならない時間幅も長くなる。従来よりゲートパルスを走査する方法として、機械的に光路長を変化させることによりゲートパルスに時間遅延を与える方法や、回折格子や非線形結晶に対し信号パルス及びゲートパルスを同時に斜め入射させ、パルスビームの幅方向に入射の時間遅延を与えることによって信号パルスをゲートパルスで走査する方法が用いられてきた。
【０００３】
しかしながら、機械的な走査を用いた方法では、光路長を変える毎に信号パルスを繰り返し計測することが必要となるため、信号パルス毎に異なる情報が含まれる場合には用いることはできない。また回折格子や非線形結晶への斜め入射によりパルスを走査する方法では、信号パルス及びゲートパルスの波面を回折格子や非線形結晶で受けることとなるので、回折格子や非線形結晶の大きさが結果としてゲートパルスが走査できる最大時間幅を制限することになる。これに加え、この方法においては最大時間幅を広くとるためには、ビームを広げる必要性がある。しかしながら、非線形結晶による変換効率はビームのパワー面密度に比例するため、ビームを広げることにより変換効率が低下するという問題が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の技術のこれらの問題点を解決し、パルス入射の繰り返しを必要とせず、走査可能な時間幅の制限を受けず、高い変換効率で、極短光パルスのスペクトルの時間変化を二次元空間分布に変換し得る方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、極短光信号パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に超高速に変換する方法であって、信号パルスと、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスとを、集光部材を経て非線形結晶に入射し、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられる第２次高調波光を分散素子により分光して像を得ることを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換方法を提供するものである。
【０００６】
本発明はまた、前記目的を達成するため、極短光パルスのスペクトルの時間変化を時間軸とスペクトル軸との二次元空間分布に変換する装置であって、信号パルスの入力部と、空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを発生するゲートパルス発生装置と、前記信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶と、該非線形結晶において位相整合条件を満たして発せられた第２次高調波光を分光する分散素子と、分光された高調波光の像を形成する像形成部とを備えたことを特徴とする時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置をも提供するものである。
【０００７】
前記ゲートパルスの進行方向は、前記信号パルスの進行方向と平行にされ、該ゲートパルスにおける時間遅延量は該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なるのが、望ましい。
【０００８】
前記集光部材による集光は、前記ゲートパルスにおける時間遅延が与えられた空間方向に行なわれるのが望ましい。
【０００９】
集光部材を経ることにより、前記信号パルスは平行光とされ、前記ゲートパルスは収束光とされるのが望ましい。
【００１０】
前記第２次高調波光による像の時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とするために、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することができる。
【００１１】
本発明は、パルス幅（時間長における半値全幅）がｐ（ピコ）秒オーダー以下の極短光パルス信号の変換に有利に適用でき、特に電気的手段では変換が困難なｆ（フェムト）秒オーダーのパルス幅の場合に有利である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施形態に係る時間信号から二次元空間信号への変換装置の要部を注出して示す図である。図１に示すように水平軸及び鉛直軸を各々ｘ軸、ｙ軸とする。図１の装置をｙ軸正方向から見た光学系と極短光パルスの様子を図２に示す。また、図１において、ｘ軸正方向から見た光学系と極短光パルスの様子を図３に示す。
【００１３】
図示の装置は、パルスの送出部として、信号パルスの入力部１とゲートパルス発生装置２と、これら信号パルス入力部及びゲートパルス発生装置から送出されるパルスを集光する集光部３と、該集光部を経たパルス光を入射させるように配置された非線形結晶４と、該非線形結晶を透過した信号パルス及びゲートパルスの高調波光の像を形成する像形成部５とを備えている。信号パルスの入力部１及びゲートパルス発生装置２は、相互に平行に進行するパルスを発するようにしてもよいし、反射や回折を利用して両パルスの進行方向が平行となるようにしてもよい。
【００１４】
ゲートパルス発生装置は、該ゲートパルスの進行方向及び前記信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において遅延量が異なるように空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスＧを発生する。集光部３は、３個のシリンドリカルレンズ３１，３２，３３を備えており、これらは各々パルス送出部に近い側から、レンズ円筒面の軸線が鉛直、水平、鉛直の方向を向くように配置されている。像形成部５は、非線形結晶４に近い側から、２個のシリンドリカルレンズ５１，５２、回折格子（分散素子）５３、シリンドリカルレンズ５４及び撮像素子５５を備えている。レンズ円筒面の軸線は、シリンドリカルレンズ５１及び５４が鉛直方向、シリンドリカルレンズ５２が水平方向となっている。
【００１５】
非線形結晶４は、パワーの強い光が入射したときに入射光の倍の周波数成分を有する光を発生するものであり、その材料としては、KTiOPO4, LiB3O5, β-BaB2O4等が挙げられる。
【００１６】
以下では、本発明に係る方法及び装置の構成を作動原理と共に説明する。信号パルスとして、ここでは簡単のため、ｙ軸方向に同一の分布を持ち、時間的に２つのピークをもつダブルパルスを用いるものとする。ゲートパルスとして、ｘ軸方向に同一の分布を持ちｙ軸方向に異なった時間遅延を持つパルスを用いるものとする。すなわち、ゲートパルスＧは、進行方向に対して波面が傾斜している。図２において、ｘ軸方向について考えると、信号パルスＳとゲートパルスＧがシリンドリカルレンズ３３により非線形結晶４内で重ね合わせられる。但し、信号パルスＳはシリンドリカルレンズ３１，３２により縮小され、さらにシリンドリカルレンズ３３を経た後は平行光として非線形結晶４内に入射する。また、ゲートパルスＧは、シリンドリカルレンズ３３により集束光とされて非線形結晶４に入射する。
【００１７】
図３において、ｙ軸方向について考えると、信号パルスＳはｙ軸方向に同一の波面をもつため、同一時刻に非線形結晶４に到達する。逆に、ゲートパルスＧはｙ軸方向に時間遅延をもつため、ｙ軸方向の正から負の順に非線形結晶に到達する。したがって、非線形結晶４へ入射するゲートパルスＧの波数ベクトルは、時間と共にｙ軸正方向から負方向に回転する。
【００１８】
本発明においては、２次の非線形効果を用いる。すなわち、信号パルスＳとゲートパルスＧが同時刻に非線形結晶４に到達した時のみ、その２つの波数ベクトルの和を新しい波数ベクトルにもつ第２次高調波が発生する。図３の状態においては、信号パルスＳ１とゲートパルスＧの交差箇所が非線形結晶４に到達したときに第２次高調波Ｍ１が発生し、信号パルスＳ２とゲートパルスＧの交差箇所が非線形結晶４に到達したときに第２次高調波Ｍ２が発生する。これにより、信号パルスの時間信号を第２次高調波のｙ軸方向の波数ベクトルに変換することが可能になる。また図２において、ｘ軸方向に関しても位相整合条件が満たされるため、信号パルスとゲートパルス、及び第２次高調波の分離が容易となる。また図２において、シリンドリカルレンズ３１、３３を用いて信号パルスＳを絞り込むことによりパワー面密度を上げることができる。その結果、第２次高調波の変換効率を向上させることが可能になる。
【００１９】
次に非線形結晶４から出射した第２次高調波をレンズ５１，５２を用いてフーリエ変換し、回折格子５３に入射する。そして、回折格子５３により分散した光をレンズ５４を用いてフーリエ変換することにより、ｘ軸方向に周波数分布が得られる。図示の例では、回折格子５３への入射は垂直方向となっているが、回折格子５３に対し斜め入射を行うことにより、タイムウィンドウを広げることが可能になり、通常のデバイスでの撮像が容易になるという利点が得られる。
【００２０】
以上より、ｘ軸方向に周波数分布が、ｙ軸方向に時間分布が得られ、信号パルスを時間と周波数に対応する二次元空間分布に変換することが可能となる。
【００２１】
以上では、２つのピークを有する信号パルスを例にして説明したが、実際には、信号パルスは、任意のパルス幅とパルス間隔をもつパルス列の形態をとり、ゲートパルスは、同一パルス幅と同一パルス間隔を持つパルス列の形態をとることが多い。これらの場合にも、信号パルス列における任意のパルスに対して、ゲートパルス列のいずれかのパルスが交差するというようにして、非線形結晶上で信号パルスとゲートパルスとが重なることとなる。
【００２２】
なお、ゲートパルスの進行方向及び信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なる時間遅延量を有するゲートパルスは、例えば、図４又は図５に示すようにして得ることができる。図４の例は、パルスＧ０に対して、その光路中に光路長がパルス波面方向に異なる位相物体Ａを置くものである。位相物体Ａは、パルスの伝播空間に対して屈折率が異なる。図４の例では、光路長の短い部分に対して長い部分を経た方が大きい時間遅延を有する。
【００２３】
図５の例は、パルスＧ０の光路中に、回折角がパルス波面方向に異なる回折格子Ｐ１及びＰ２を置いたものである。回折格子Ｐ２は、回折角の大小の位置が回折格子Ｐ１とほぼ逆になっている。したがって、回折角の大きい光は回折角の小さい光より長い光路を経て回折格子Ｐ１に到達し、再び回折されて最初の進行方向とほぼ同じ向きに進行するパルスＧ１’となるが、光路長が長い分時間遅延を生じて波面が傾斜する。
【００２４】
ここで得られる二次元空間分布における各分布に対しては、時間方向の幅（時間分解能）と時間周波数方向の幅（時間周波数分解能）との積が一定の値以下にならないという原則が成り立つ。これは、例えばレーザパルスのようなフーリエ限界又はそれに近い位相の揃ったパルスをゲートパルスとして使用して上記変換を行なった場合にあてはまる。本発明においては、フーリエ限界を満たしながらこのそれぞれの分解能を任意に設定することが可能である。それぞれの分解能は、ゲートパルスに含まれる時間周波数成分により決定される。ここで、二次元分布において得られる時間周波数分布は、信号パルスが持つ時間周波数分布とゲートパルスが持つ時間周波数分布の総組み合わせの形で得られる。そのため、ゲートパルスに含まれる時間周波数帯域の幅が広いときは時間周波数分解能は低下するが、ゲートパルスのパルス幅は短くなるため時間分解能が向上する。逆に、ゲートパルスのパルス幅が広い場合は時間分解能が低下するが、ゲートパルスに含まれる時間周波数帯域幅が狭くなるため、信号パルスと相互作用をするゲートパルスの周波数帯域が絞られ、その結果、時間周波数分解能が向上する。したがって、ゲートパルスのパルス幅及び時間周波数帯域幅を相互連動下に調整することにより、時間分解能及び時間周波数分解能をこれら相互間の軽重選別の下に適正状態とすることができる。例えば、光通信で用いられている信号のように、時間方向に粗く、時間周波数方向に細かい情報を持つパルスを信号パルスとして取り扱う時は、比較的パルス幅が広く時間周波数帯域幅が狭いゲートパルスを用いればよい。また、光計測のように、時間方向に細かく、時間周波数方向に粗い情報を持つパルスを信号パルスとして取り扱うときは、比較的パルス幅が狭く時間周波数帯域幅が広いゲートパルスを用いればよいことになる。このようにしてゲートパルスの選択を行うことにより、広い用途に応じた変換システムを提供することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、以下の効果を奏する時間信号から二次元空間信号への変換方法及び該方法を実施するための装置を提供することができる。すなわち、本発明においては、ゲートパルスの進行方向及び信号パルスとの並び方向に垂直な空間方向において異なる時間遅延量を有するゲートパルスを用い、集光部材を経て相互に交差させた後に両パルスを非線形結晶に入射する。そして、信号パルスと時間遅延を有するゲートパルスとを非線形結晶上で交差させて第２次高調波光を発生させ、その像を得るようにしたので、高調波の波数ベクトルがゲートパルスの時間遅延に伴って向きを変え、像形成位置が変化する。その像は、回折格子などの分散素子による分光を経て形成される。したがって、高調波の波数ベクトルの回転と分光による像形成とにより、極短光パルスに含まれる時間信号を、超高速に時間と時間周波数に対応する二次元空間分布に変換することが可能となる。
【００２６】
このように、１つの信号パルスに対してゲートパルスが時間遅延に基づく走査を行なうので、パルス入射の繰り返しを必要とすることなく変換を行なうことができる。また、信号パルスとゲートパルスとは、集光部材を経て集光されて非線形結晶に入射するので、非線形結晶の寸法等により走査可能な時間幅の制限を受けることがなく、しかも集光されたパルスが非線形結晶に入射するので、高い変換効率が得られる。
【００２７】
ここで、二次元空間分布を画像とみなした場合は、本システムは超高速画像表示システムとして取り扱うことが可能となる。また、本システムでは１つの信号パルスに含まれる時間と時間周波数の関係をリアルタイムに計測することができるため、極短光パルスを光計測システムにも適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る時間信号から二次元空間信号への超高速変換装置の要部を注出して示す斜視図である。
【図２】  図１の装置をｙ軸正方向から見た光学系と極短光パルスを示す図である。
【図３】  図１の装置をｘ軸正方向から見た光学系と極短光パルスを示す図である。
【図４】  空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを生成する手法の一例を示す説明図である。
【図５】  空間的に時間遅延が与えられたゲートパルスを生成する手法の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１…信号パルスの入力部１、  ２…ゲートパルス発生装置、
３…集光部、                ４…非線形結晶、
５…像形成部、              ５３…回折格子（分散素子）、
Ｇ…ゲートパルス、          Ｓ…信号パルス
【図１】
0003743881.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003743881.tif 000005
【図５】
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