(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光源と、このパルス光源から出射する光パルスをスペクトル成分毎に空間分散するスペクトル空間分散装置と、この空間分散された光パルスのスペクトル成分毎に位相を付加する空間位相変調器と、この位相を付加された光パルスのスペクトル成分を合波する合波装置と、この合波された出力光パルスの一部からスペクトル干渉像を形成するとともに、上記合波された出力光パルス以外のパルス光源をチャープ光パルス用光源とする変形ＳＰＩＤＥＲ装置と、このスペクトル干渉像からスペクトル位相を検出し、検出した位相と設定位相との差を上記空間位相変調器にフィードバックするフィードバック装置とから成ることを特徴とする、自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置。
【請求項２】
前記変形ＳＰＩＤＥＲ装置は、チャープ光パルス用光源と、このチャープ光パルス用光源から出射する光パルスの遅延時間を調節する遅延器と、この遅延時間を調節した光パルスからチャープ光パルスを形成する分散性媒質と、前記出力光パルスの一部から互いに遅延した２つのレプリカパルスを形成するレプリカパルス形成器と、上記チャープ光パルスと上記２つのレプリカパルスを周波数混合する非線形光学結晶と、この非線形光学結晶で周波数混合した２つのレプリカパルスの干渉像を形成させるスペクトロメータと、この２つのレプリカパルスの干渉像を読みとる画像読取り装置とからなることを特徴とする、請求項１に記載の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超広帯域で超短光パルスを発生するために不可欠な位相補償機構に空間位相変調器を用い、発生した光パルスのスペクトル位相の決定にＳＰＩＤＥＲ法の改良である変形ＳＰＩＤＥＲ法を用いる、自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超短光パルス圧縮技術は、人類の手にすることのできる最小の時間幅を実現でき、超短光パルスを用いることにより、従来未知であった科学技術領域に新たな発見、新たな技術の創出をもたらしつつある。また、超短光パルス位相補償技術は、時間的に変化する制御された位相補償量を光パルス列に与えることができ、各種変調分光法や光通信への応用が始まりつつある。また、超短光パルス波形整形技術は、光パルスの形状を任意に整形でき、化学反応素過程の解明や生体反応メカニズムの解明に無くてはならないものとなっている。
【０００３】
従来、超短光パルス圧縮、超短光パルス位相補償、超短光パルス波形整形は、光源の発生する光パルスのスペクトル成分毎に位相補償して合波することにより実現している。
位相補償には、プリズム対や回折格子対、誘電体多層膜鏡などの固定的な光学素子が用いる方法がある。しかしながら、これらの位相補償は固定的であり、動的でも自律的でもないため、光パルスのスペクトル成分毎の位相が前もってわかっており、かつ、光パルスのスペクトル成分毎の位相が時間的に不変である場合にしか有効ではない。
また、空間位相変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｃｅ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｒ）を用いた４−ｆパルス整形器を用いた位相補償方法がある（例えば、本発明者らによる特願２０００−３２９３５５参照）。この方法によれば、動的に位相変調量を変えられ、シミュレーテッドアニーリング法や遺伝的アルゴリズム法などを用いて、最適な位相補償量を試行錯誤的に決定できるが、決定までに極めて多くの光パルス列と時間を要するので、光パルスのスペクトル成分毎の位相が時間的に不変である場合にしか有効ではない。
【０００４】
このように、従来の装置においては、使用する光源の発生する光パルスの位相情報を詳細に測定してから使用することが必要であり、また、光パルスのスペクトル成分毎の位相の時間的揺らぎを小さくするために、極めて高度な制御系を有する光源を必要とし、また、このような高度な制御系を有する光源を用いても、位相の時間的揺らぎのために、超短光パルス圧縮、位相補償、波形整形が連続的に行える時間が短いといった課題がある。
【０００５】
近年、上記の課題を解決するために、出力光パルスの一部を取り出して位相を常時測定し、空間位相変調器にフィードバックし、光パルスに位相揺らぎが生じても自律的に超短光パルスの位相揺らぎを素早く補償する方法が試みられた（例えば、本発明者らによる、上記の特願２０００−３２９３５５参照）。
この自律的補償方法においては、位相測定に、自己相関（Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｉｏｎ）法、ＦＲＯＧ（Ｆｒｅｑｅｎｃｙ  Ｒｅｓｏｌｖｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｇａｔｉｎｇ）法、または、ＳＰＩＤＥＲ（Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｐｈａｓｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｄｉｒｅｃｔ  ＥｌｅｃｔｒｉｃーＦｉｅｌｄ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）法が試みられた。
【０００６】
しかしながら、自己相関法及びＦＲＯＧ法は、測定原理上、位相測定に時間がかかりすぎ、位相の時間的揺らぎの大きい一般のレーザー光源の場合には、測定中に位相が変動してしまうという課題がある。
また、ＳＰＩＤＥＲ法は、出力光パルスのレプリカを生成し、二つのレプリカパルスを互いに遅延させ、互いに遅延した二つの光パルスと、出力光パルスの一部を分割して生成したチャープ光パルスを非線形光学結晶に入射することにより、二つのレプリカパルスをそれぞれを異なった周波数で周波数混合し、周波数混合された二つのレプリカ光パルスをスペクトロメータで干渉させ、干渉像の干渉縞間隔から出力光パルスの位相情報を抽出する（文献：ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ．ＶＯＬ．３５．ＮＯ．４．ＡＰＲＩＬ  １９９９  ｐ５０１−５０９参照）ものであり、この方法によれば、単一の出力光パルスから一度に全ての位相情報を抽出することができるから、高速に位相補償できる。しかしながら、単一の出力光パルスを分割してチャープ光パルスを生成するため、レプリカパルスの強度が減少してしまい、位相情報の抽出感度が低下し、極めて強度の大きい光パルスの場合にしか従来のＳＰＩＤＥＲ法が有効ではないという課題がある。
【０００７】
このように、従来の超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置は、光強度が小さい、または、位相の時間的揺らぎが大きい一般のレーザー光源を用いた場合には、自律的に超短光パルス圧縮、超短光パルス位相補償、及び、超短光パルス波形整形を行うことが不可能であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記課題に鑑み、本発明は、高速に高感度に位相揺らぎを補償できる自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置を提供し、光強度が小さい、または、位相の時間的揺らぎが大きい一般のレーザー光源を用いた場合にも、自律的に超短光パルス圧縮、超短光パルス位相補償、及び、超短光パルス波形整形を行うことができる装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置は、パルス光源と、パルス光源から出射する光パルスをスペクトル成分毎に空間分散するスペクトル空間分散装置と、空間分散された光パルスのスペクトル成分毎に位相を付加する空間位相変調器と、位相を付加された光パルスのスペクトル成分を合波する合波装置と、合波された出力光パルスの一部からスペクトル干渉像を形成するとともに、合波された出力光パルス以外のパルス光源をチャープ光パルス用光源とする変形ＳＰＩＤＥＲ装置と、スペクトル干渉像からスペクトル位相を検出し、検出した位相と設定位相との差を空間位相変調器にフィードバックするフィードバック装置とから成ることを特徴とする。
【００１０】
また、変形ＳＰＩＤＥＲ装置は、チャープ光パルス用光源と、チャープ光パルス用光源から出射する光パルスの遅延時間を調節する遅延器と、遅延時間を調節した光パルスから周波数チャープ光パルスを形成する分散性媒質と、出力光パルスの一部から互いに遅延した２つのレプリカパルスを形成するレプリカパルス形成器と、チャープ光パルスと２つのレプリカパルスを周波数混合する非線形光学結晶と、周波数混合した２つのレプリカパルスを干渉させるスペクトロメータと、２つのレプリカパルスの干渉像を読みとる画像読取り装置とからなることを特徴とする。
前記構成において、分散性媒質は群速度分散の大きいＴＦ5 ガラスであれば好ましい。
また、非線形光学結晶は２次の非線形光学効果が大きいＢＢＯ結晶であれば好ましい。
また、画像読取り装置は、ＩＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｗｉｔｈ  Ｉｍａｇｅ−ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｒ）であれば好ましい。
【００１１】
この構成によれば、光パルス光源から出射した光パルスがスペクトル成分毎に空間分散されて空間位相変調器に入射し、空間位相変調器でスペクトル成分毎に付加位相を付加されて出射し、付加位相を付加されたスペクトル成分が合波されて出力光パルスが得られる。出力光パルスの一部を取り出し、変形ＳＰＩＤＥＲ装置で出力光パルスのスペクトル干渉像を形成し、フィードバック装置が干渉像からスペクトル位相を検出し、検出した位相を設定位相と比較し、検出した位相と設定位相との差を付加位相として空間位相変調器にフィードバックする。
本発明の装置に使用する変形ＳＰＩＤＥＲ装置は、チャープ光パルスを被測定光パルス以外の別の光源から生成する。別の光源で生成するから、二つのレプリカ光パルスの強度を弱めることが無く、また、チャープ光パルスの強度も大きくできるので、周波数混合された二つのレプリカ光パルスのスペクトロメータによる干渉像のコントラストを高めることができる。また、干渉像をＩＣＣＤで読みとるから高速に高感度に全てのスペクトルの位相を検出することができる。
また、高速に高感度に全てのスペクトルの位相が検出できるから、フィードバック装置により、検出した位相と設定位相との差を付加位相として空間位相変調器に高速に高感度にフィードバックすることができる。
さらに、光パルス１つから全ての位相情報を抽出でき、極めて短時間に、最悪でも１０秒以内に、所望の出力光パルスを構築できる付加位相を空間位相変調器に設定できるから、光パルスのスペクトル位相が揺らいでも所望の出力光パルスに自律的に修正し、所望の光パルスを出力し続けることができる。
【００１２】
このように、本発明の装置によれば、高速に高感度に位相揺らぎを補償できるから、光強度が小さい、時間的に揺らぎがある、あるいは不安定性のある一般の光源に対しても、自律的に、超短光パルス圧縮、超短光パルス位相補償、及び、超短光パルス波形整形を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に基づいて、本発明の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置の構成及び作用を説明する。
図１は、本発明の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置の構成を示す図である。
本発明の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置１は、光パルス光源２と、光源２から出射する光パルス３をスペクトル成分毎に空間分散するスペクトル空間分散装置４と、空間分散された光パルス３のスペクトル成分毎に位相を付加する空間位相変調器５と、位相を付加された光パルス３のスペクトル成分を合波する合波装置６と、合波された出力光パルス７のスペクトル成分毎の位相を検出する変形ＳＰＩＤＥＲ装置８と、検出した位相情報を空間位相変調器にフィードバックするフィードバック装置９とから成る。
【００１４】
光パルス光源２は、光パルス光源から出射する光パルスを非線形伝搬媒質に通して広帯域化した光源であっても良い。
【００１５】
スペクトル空間分散装置４は、凹面鏡４ａと、ミラー４ｂと、グレーティング４ｃとより構成され、グレーティング４ｃはミラー４ｂを介した凹面鏡４ａの焦点位置ｆに配置される。光パルス３は、グレーティング４ｃで波長分散され、すなわち、スペクトル成分毎に空間分散され、凹面鏡４ａによって平行光にされ、空間位相変調器５に入射する。
【００１６】
空間位相変調器５は、凹面鏡４ａの焦点位置ｆに配置される。図示しないが、空間位相変調器５は、ＬＣ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ）からなるピクセルが平面状に配列されており、光パルスがピクセルを通過する際の付加位相は、各々のピクセルに印加する電圧により、独立に設定できる。すなわち、光パルス３は空間位相変調器５によってスペクトル成分毎に所定の位相を付加できる。
【００１７】
合波器６は、凹面鏡６ａと、ミラー６ｂと、グレーティング６ｃとから構成され、グレーティング６ｃはミラー６ｂを介した凹面鏡６ａの焦点位置ｆに配置される。凹面鏡６ａは、空間位相変調器５から凹面鏡６ａの焦点位置ｆに配置される。空間位相変調器５を通過した光パルス３の各々のスペクトル成分は、凹面鏡６ａとグレーティング６ｃにより合波され、出力光パルス７となる。
スペクトル空間分散装置と空間位相変調器と合波器とから成る上記の構成を４ｆ−パルスシェーパー（ｐｕｌｓｅ  ｓｈａｐｅｒ）と呼ぶ。
【００１８】
変形ＳＰＩＤＥＲ装置８は、チャープ光パルス用光源８ａと、光源８ａから出射する光パルス８ｂの遅延時間を調節する遅延器８ｃと、遅延時間を調節された光パルス８ｂと出力光パルス７の一部を分割した光パルス７ａとを取り込み、互いに異なる周波数で周波数混合した光パルス７ａの２つのレプリカ光パルスを形成する周波数変換部８ｄと、２つのレプリカ光パルスのスペクトル領域の干渉像を形成するスペクトロメータ８ｅと、干渉像を読み取るＩＣＣＤアレイからなる撮像装置８ｆとから成る。なお、遅延器８ｃは、チャープ光パルスと２つのレプリカ光パルスの時間軸上での相対位置を調節するために用いる。
【００１９】
図２は周波数変換部８ｄの詳細構成を示す図である。周波数変換部８ｄは、光パルス７ａを入射する光入射端２１と、光パルス８ｂを入射する光入射端２２と、光パルス７ａの２つのレプリカ光パルス２４ａ，２４ｂを形成するハーフミラー２３と、２つのレプリカ光パルス２４ａ，２４ｂを合波するハーフミラー２７と、２つのレプリカ光パルス２４ａ，２４ｂ間の遅延時間を設定する遅延器２５，２６と、光パルス８ｂを周波数分散させてチャープ光パルス２９を形成する分散性媒質２８と、チャープ光パルス２９とレプリカ光パルス２４ａ，２４ｂとを非線形光学結晶３１に集光する放物面ミラー３０とからなる。
光入射端２１に入射された光パルス７ａは、ハーフミラー２３によって二つのレプリカパルス２４ａ，２４ｂに分割され、それぞれ別々の遅延器２５，２６を通って再び、ハーフミラー２７で合波される。この際、遅延器２５，２６によって、レプリカパルス２４ａ，２４ｂの間に遅延時間τを形成する。
光入射端２２に入射された光パルス８ｂは、分散性媒質２８中を往復して周波数分散を受け、チャープ光パルス２９になる。
【００２０】
互いに遅延時間τを有するレプリカパルス２４ａ，２４ｂと、チャープ光パルス２９は、放物面ミラー３０によって非線形光学結晶３１に集光される。この際、図１に示した遅延器８ｃにより、時間軸上でチャープ光パルス２９の中心と、レプリカパルス２４ａと２４ｂ間の中心とが一致するようにを調節し、レプリカパルス２４ａと２４ｂがそれぞれチャープ光パルス２９の異なった位置と重なるようにし、レプリカパルス２４ａと２４ｂがそれぞれチャープ光パルス２９の異なった周波数で周波数混合されるように、すなわち、スペクトル・シアー（ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｓｈｅａｒ）されるようにする。
非線形光学結晶３１中で、異なった周波数で周波数混合され、スペクトル・シアーされたレプリカパルス２４ａと２４ｂは、図１に示したスペクトロメータ８ｅに入射され、スペクトロメータ８ｅでスペクトル空間分散され、画像読取り装置８ｆに干渉像を形成する。
【００２１】
画像読取り装置８ｆに形成された干渉像は画像読取り装置８ｆによって読み込まれ、画像情報としてフィードバック装置９のコンピュータ９ａに送られる。
コンピュータ９ａは、画像情報をフーリエ変換して、光パルス７ａのスペクトル成分毎の位相を検出し、すなわち、スペクトル位相情報を抽出し、光パルス７ａのスペクトル位相の再構築を行い、再構築スペクトル位相をコンピュータ９ｂに送る。
コンピュータ９ｂは、再構築スペクトル位相すなわち観測値と、入力したスペクトル位相すなわち設定値との差分を計算し、差分を空間位相変調器５の各々のピクセルにフィードバックして、出力光パルス７ｂを設定値に収束させる。
【００２２】
フィードバック位相補償の具体的アルゴリズムを図３に示す。
図３は、フィードバック位相補償の具体的アルゴリズムを示すフローチャートである。
【００２３】
次に、スペクトル位相再構築の原理を説明する（詳細は、文献：ＩＥＥＥ  ＪＯＵＲＮＡＬ  ＯＦ  ＱＵＡＮＴＵＭ  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ．ＶＯＬ．３５．ＮＯ．４．ＡＰＲＩＬ．１９９９．ｐｐ５０１−５０９参照）。
光パルスの電界Ｅ（ｔ）は、Ｅ（ω）をＥ（ｔ）のフーリエ変換として次式であらわされる。
【数１】
0003834789.tif 000002
また、Ｅ（ω）は次式であらわされる。
【数２】
0003834789.tif 000003
また、Ｅ（ω）は次式のように定義することができる。
【数３】
0003834789.tif 000004
ここで、｜Ｅ（ω）｜はスペクトル強度であり、φ（ω）はスペクトル位相である。｜Ｅ（ω）｜とφ（ω）が定まれば、光パルスの形状が定まる。
【００２４】
図４は２つのレプリカパルスをスペクトル・シアーする原理を示す図である。図４（ａ）はチャープ光パルスＥC と２つのレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 との時間軸上の相対位置関係を示しており、チャープ光パルスＥC のグラフにはチャープ光パルスＥC の周波数分布も示している。同図（ｂ）に示すように、相対遅延時間τを有するレプリカ光パルスＥ1 ，Ｅ2 とチャープ光パルスＥC を時間軸上で図のように重ねて２次の非線形光学結晶ＮＣに入射すると、２次の非線形感受率をχ(2) として、χ(2) Ｅ1 ＥC 、及び、χ(2) Ｅ2 ＥC の結合波が生じる。図４（ａ）に示したように、Ｅ1 と結合するＥC の周波数と、Ｅ2 と結合するＥC の周波数はΩの差があるから、Ｅ1 とＥ2 は周波数差Ωでスペクトル・シアーされ、スペクトル・シアーされた sＥ1 と sＥ2 は、次式で表される。
【００２５】
【数４】
0003834789.tif 000005
【数５】
0003834789.tif 000006
ここで、 sＥ2 の周波数をωとしている。 sＥ1 と sＥ2 をスペクトロメータ等でスペクトル空間分散させて重ね合わせると、次式で表される干渉像Ｄ（ω）が得られる。
【数６】
0003834789.tif 000007
【００２６】
図５は、干渉像Ｄ（ω）の一例を示す図である。
干渉像Ｄ（ω）は、（６）式のｃｏｓｉｎｅの位相項、Δ＝φ（ω−Ω）−φ（ω）−τωが２πの整数倍になる毎に極大値を示すので干渉縞を形成し、干渉縞の間隔のω依存性がわかる。Ω、τが既知であるので、スペクトル位相φ（ω）の差分位相、Δφ＝φ（ω−Ω）−φ（ω）のω依存性がわかり、従って、上記（３）式で定義したスペクトル位相φ（ω）を求めることができる。すなわち、スペクトル位相の再構築ができる。
干渉縞の間隔は、干渉像Ｄ（ω）をフーリエ変換して求めることができる（文献：Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．／Ｖｏｌ．７２，Ｎｏ．１／Ｊａｎｕａｒｙ  １９８２．ｐｐ１５６−１６０参照）。
【００２７】
スペクトル位相の再構築の具体的手順を図６に示す。
図６は、スペクトル位相の再構築の手順を示すフローチャートである。
【００２８】
次に、本発明の実施例を示す。
図７は、本実施例に用いた入力光パルスの特性及び生成方法を示す図である。
本実施例では、光パルス光源にＴｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザー光源を用い、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅレーザー光源からの入力光パルスを再生増幅器（ＲＥＧＥＮ）を用いて高強度超短光パルスを生成した。高強度超短光パルスは、中心波長８００ｎｍ、くり返し１ｋＨｚ、帯域幅Δｆ＝１０ＴＨｚである。
チャープ用光パルスは、上記の高強度超短光パルスを直接分割して使用し、最大１．２μＪ／ｐｕｌｓｅである。
テスト光パルス１は、上記の高強度超短光パルスの分割光をＮＤフィルターで減光して形成し、最大５００ｎＪ／ｐｕｌｓｅである。
テスト光パルス２は、上記の高強度超短光パルスを光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）に入射し、アイドラー光をＮＤフィルターで減光して形成し、中心波長１１００ｎｍ、帯域幅Δｆ＝１０ＴＨｚ、最大４００ｎＪ／ｐｕｌｓｅである。
テスト光パルス３は、上記の高強度超短光パルスの分割光をシングルモード石英ファイバー（ＳＯＰ；コア径２．７μｍ、長さ３ｍｍ）中を通過させ、自己位相変調効果によって広帯域化して形成し、中心波長８００ｎｍ、帯域幅Δｆ＝２０ＴＨｚ、３．６ｎＪ／ｐｕｌｓｅである。
テスト光パルス４は、光パラメトリック増幅器（ＯＰＡ）からのアイドラー光をシングルモード石英ファイバー（コア径２．７μｍ、長さ３ｍｍ）中を通過させ、自己位相変調効果によって広帯域化して形成し、中心波長１１００ｎｍ、帯域幅Δｆ＝５０ＴＨｚ、１４ｎＪ／ｐｕｌｓｅである。
【００２９】
図８は、２つのレプリカパルスのスペクトル・シアー、及び干渉像の実測値をを示す図であり、図８（ａ）はテスト光パルス１の結果を示し、図８（ｂ）はテスト光パルス２の結果を示す。
図８（ａ）において、２つのレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 の相対遅延時間τは、τ＝７４６ｆｓであり、スペクトル・シアー周波数は、Ω／２π＝３．８５ＴＨｚである。
荒い点線はレプリカパルスＥ1 とチャープ光パルスＥc との結合波のスペクトル分布を示し、細かい点線はレプリカパルスＥ2 とチャープ光パルスＥc との結合波のスペクトル分布を示しており、２つのレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 はスペクトル・シアーされていることがわかる。実線はスペクトル・シアーされたレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 の干渉像Ｄ（ω）であり、周波数軸上にテスト光パルス１のスペクトル位相を反映した明瞭な干渉縞が生じることがわかる。
【００３０】
図８（ｂ）において、２つのレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 の相対遅延時間τは、τ＝７４６ｆｓであり、スペクトル・シアー周波数は、Ω／２π＝３．３７ＴＨｚである。
荒い点線はレプリカパルスＥ1 とチャープ光パルスＥc との結合波のスペクトル分布を示し、細かい点線はレプリカパルスＥ2 とチャープ光パルスＥc との結合波のスペクトル分布を示しており、２つのレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 はスペクトル・シアーされていることがわかる。実線はスペクトル・シアーされたレプリカパルスＥ1 ，Ｅ2 の干渉像Ｄ（ω）であり、周波数軸上にテスト光パルス２のスペクトル位相を反映した明瞭な干渉縞が生じることがわかる。
テスト光パルス１及びテスト光パルス２は、それぞれ、中心波長８００ｎｍ、１１００ｎｍであり、５００ｎＪ程度の低エネルギー光パルスであるが、図８より、本発明の装置は、低エネルギー光パルスであっても、広帯域にわたって明瞭な干渉像Ｄ（ω）を形成できることがわかる。
【００３１】
図９は図８の干渉像から再構築したスペクトル位相φ（ν）を示す図であり、図９（ａ）はテスト光パルス１の再構築スペクトル位相であり、図９（ｂ）はテスト光パルス２の再構築位相である。なお、図中、入力光パルスをフーリエ変換して求めたスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜も示している。
図において、スペクトル位相φ（ν）、（ただし、ν＝ω／２π）は、図８の干渉像Ｄ（ω）をフーリエ変換して求めた。
【００３２】
図１０は、変形ＳＰＩＤＥＲ法と従来のＳＰＩＤＥＲ法のＳＰＩＤＥＲ信号強度（Ｄ（ω））の比較を示す図であり、図１０（ａ）の横軸は入力光パルスのエネルギーを示し、縦軸はＳＰＩＤＥＲ信号強度（Ｄ（ω））を示している。また、複数の光パルスの干渉像を積算すれば、ノイズのランダム成分が打ち消されてノイズレベルが下がるので、１パルスのみの場合、５，０００パルスを積算した場合、及び、１００，０００パルスを積算した場合のノイズレベルを各々示している。ノイズレベルの信号強度が検出限界となる。
【００３３】
図１０（ｂ）は変形ＳＰＩＤＥＲ法における、入力光パルスの積算数毎の検出限界と、従来のＳＰＩＤＥＲ法と比較した感度改善率を示している。
変形ＳＰＩＤＥＲ法のチャープ用光パルスには、入力光パルスのエネルギーによらず、８００ｎｍ、１．２μＪの光パルスを用いた。従来のＳＰＩＤＥＲ法のチャープ用光パルスは、入力光パルスを一定比率で分割した光パルスを用いる。入力光パルスには、ＮＤフィルターの減衰率を変化させたテスト光パルス１を用いた。
【００３４】
図１０（ａ）から明らかなように、変形ＳＰＩＤＥＲ法の信号強度は入力光パルスのエネルギーの１乗に比例し、従来のＳＰＩＤＥＲ法の信号強度は入力光パルスのエネルギーの２乗に比例することがわかる。また、同一の入力光パルスのエネルギーに対して、変形ＳＰＩＤＥＲ法の信号強度は従来のＳＰＩＤＥＲ法の信号強度よりも大きく、図１０（ｂ）に示すように、感度改善率は、１パルス検出の場合には１０倍、５，０００パルス積算の場合には８０倍、１００，０００パルス積算の場合には１００倍に達することがわかる。
図１０から、変形ＳＰＩＤＥＲ法によれば、従来のＳＰＩＤＥＲ法では不可能であった低エネルギー領域の光パルスのスペクトル位相の検出が可能であることがわかる。
【００３５】
図１１は、変形ＳＰＩＤＥＲ法における信号強度のチャープ光パルスのエネルギー依存性を示す図である。
図から明らかなように、信号強度はチャープ光パルスのエネルギーの１乗に比例して増加する。従って、変形ＳＰＩＤＥＲ法によれば、チャープ光パルスのエネルギーを大きくすることによって、極めて微小エネルギーの光パルスのスペクトル位相を求めることができることがわかる。
しかしながら、チャープ光パルスのエネルギーを大きくし過ぎると、非線形光学結晶の自己位相変調効果が大きくなり、ノイズレベルが増大する現象が発生する。
【００３６】
図１２は変形ＳＰＩＤＥＲ法による広帯域光パルスの再構築を示す図であり、図１２（ａ）はレプリカパルス１，２のフーリエスペクトルと変形ＳＰＩＤＥＲ信号を示しており、図１２（ｂ）は変形ＳＰＩＤＥＲ信号を用いて再構築したスペクトル位相φ（ν）と、入力光パルスのスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜を示しており、図１２（ｃ）はスペクトル位相φ（ν）とスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜から再構築した時間軸領域の入力光パルスの強度｜Ｅ（ｔ）｜、及び位相φ（ｔ）を示す。
入力光パルスには、中心波長８００ｎｍ、帯域幅Δｆ＝２０ＴＨｚ、３．６ｎＪの微小エネルギーのテスト光パルス３を使用した。
図１２（ｃ）に示した時間波形及び時間位相は、他の測定方法で測定した結果と極めて良く一致した。
図１２から明らかなように、変形ＳＰＩＤＥＲ法によれば、広帯域、かつ、微小エネルギーの光パルスでも再構築できることがわかる。
【００３７】
図１３は変形ＳＰＩＤＥＲ法による超広帯域光パルスの再構築を示す図であり図１３（ａ）はレプリカパルス１，２のフーリエスペクトルと変形ＳＰＩＤＥＲ信号を示しており、図１３（ｂ）は変形ＳＰＩＤＥＲ信号を用いて再構築したスペクトル位相φ（ν）と、入力光パルスのスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜を示しており、図１３（ｃ）はスペクトル位相φ（ν）とスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜から再構築した、時間軸領域の入力光パルスの強度｜Ｅ（ｔ）｜、及び、位相φ（ｔ）を示す。
入力光パルスには、中心波長１１００ｎｍ、帯域幅Δｆ＝５０ＴＨｚ、１４ｎＪの微小エネルギーのテスト光パルス４を使用した。
図１３（ｃ）に示した時間波形及び時間位相は、他の測定方法で測定した結果と極めて良く一致した。
図１３から明らかなように、変形ＳＰＩＤＥＲ法によれば、超広帯域、かつ、微小エネルギーの光パルスでも再構築できることがわかる。
【００３８】
次に、本発明の装置を用いて超短光パルスを波形整形した例を示す。
図１４は、超短光パルスの波形整形の例を示す図である。図１４（ａ）において、上段のグラフは入力光パルスの測定したスペクトル強度｜Ｅ（λ）｜を示す図であり、下段のグラフは変形ＳＰＩＤＥＲ法によって測定したスペクトル位相φ（λ）を示し、図１４（ｂ）は出力光光パルスの波形整形前と後の時間領域波形を示している。
入力光パルスには、テスト光パルス１（中心波長８００ｎｍ、くり返し１ｋＨｚ、帯域幅Δｆ＝１０ＴＨｚ、２００ｎＪ／ｐｕｌｓｅ）を用いた。また、チャープ光パルスは４．２μＪ／ｐｕｌｓｅである。
図１４（ｂ）に示すように、この入力光パルスは時間軸上で主ピークの他に主ピークの裾部分にしだいに減衰する複数の副次ピークを有している。超短光パルスの用途によってはこのような副次ピークが有害である場合がある。本実施例は本装置により位相補償し、この副次ピークを無くすことを試みた。
図１４（ａ）下段のグラフにおいて、入力光パルスのスペクトル位相、すなわち、位相補償無しの出力光パルスのスペクトル位相を実線で示している。このスペクトル位相と、目標とする副次ピークが無い場合のスペクトル位相、すなわち、設定スペクトル位相との差分を位相補償する第１回の位相補償ループ後の出力光スペクトル位相を荒い点線で示している。さらに、第１回の位相補償ループ後の出力光スペクトル位相と設定スペクトル位相との差分を位相補償した第２回の位相補償ループ後の出力光スペクトル位相を細かい点線で示している。さらに、第２回の位相補償ループ後の出力光スペクトル位相と設定スペクトル位相との差分を位相補償した第３回の位相補償ループ後の出力光スペクトル位相を太い実線で示している。
【００３９】
図１４（ｂ）に示したように、第３回の位相補償ループ後には、時間領域で副次ピークの無い超短光パルスが得られれた。
本実施例における１回の位相補償ループに要する時間は、スペクトロメータによる干渉像イメージをＣＣＤを用いてデジタルデーターに変換する時間が０．１〜１０秒程度であり、このデジタルデーターからスペクトル位相を再構築し、設定スペクトル位相との差分を導出するコンピューター時間が０．３秒、この差分位相を基に空間位相変調器を制御する時間が０．８秒であった。
図１４から、本発明の装置によれば、極めて短い時間内に目標とする波形整形ができることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上の説明から理解されるように、本発明によれば、光強度が小さい、または位相の時間的揺らぎが大きい一般のレーザー光源を用いた場合にも、自律的に超短光パルス圧縮、超短光パルス位相補償、及び超短光パルス波形整形を行うことができる。
したがって、本発明を、超短光パルスを用いた自然法則の解明や新たな技術の創出、超短光パルス位相補償技術を用いた各種変調分光法や光通信、また、超短光パルス波形整形技術を用いた化学反応素過程の解明や生体反応メカニズムの解明に用いれば極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置の構成を示す図である。
【図２】周波数変換部８ｄの詳細構成を示す図である。
【図３】フィードバック位相補償の具体的アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図４】２つのレプリカパルスをスペクトル・シアーする原理を示す図である。
【図５】干渉像Ｄ（ω）の一例を示す図である。
【図６】スペクトル位相の再構築の手順を示すフローチャートである。
【図７】本実施例に用いた入力光パルスの特性及び生成方法を示す図である。
【図８】２つのレプリカパルスのスペクトル・シアー、及び干渉像の実測値を示すもので、（ａ）はテスト光パルス１の結果を、（ｂ）はテスト光パルス２の結果を示すグラフである。
【図９】図８の干渉像から再構築したスペクトル位相φ（ν）を示す図であり、（ａ）はテスト光パルス１の再構築スペクトル位相の、（ｂ）はテスト光パルス２の再構築位相のグラフである。なお、図中、入力光パルスをフーリエ変換して求めたスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜も示している。
【図１０】変形ＳＰＩＤＥＲ法と従来のＳＰＩＤＥＲ法のＳＰＩＤＥＲ信号強度（Ｄ（ω））の比較を示す図であり、（ａ）の横軸は入力光パルスのエネルギーを、縦軸はＳＰＩＤＥＲ信号強度（Ｄ（ω））を示している。
【図１１】変形ＳＰＩＤＥＲ法における信号強度のチャープ光パルスのエネルギー依存性を示す図である。
【図１２】変形ＳＰＩＤＥＲ法による広帯域光パルスの再構築を示す図であり、（ａ）はレプリカパルス１，２のフーリエスペクトルと変形ＳＰＩＤＥＲ信号を示し、（ｂ）は変形ＳＰＩＤＥＲ信号を用いて再構築したスペクトル位相φ（ν）と、入力光パルスのスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜を示し、（ｃ）はスペクトル位相φ（ν）とスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜から再構築した時間軸領域の入力光パルスの強度｜Ｅ（ｔ）｜、及び位相φ（ｔ）を示す。
【図１３】変形ＳＰＩＤＥＲ法による超広帯域光パルスの再構築を示す図であり、（ａ）はレプリカパルス１，２のフーリエスペクトルと変形ＳＰＩＤＥＲ信号を示し、（ｂ）は変形ＳＰＩＤＥＲ信号を用いて再構築したスペクトル位相φ（ν）と、入力光パルスのスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜を示し、また、（ｃ）はスペクトル位相φ（ν）とスペクトル強度｜Ｅ（ν）｜から再構築した、時間軸領域の入力光パルスの強度｜Ｅ（ｔ）｜、及び位相φ（ｔ）を示す。
【図１４】超短光パルスの波形整形の例を示す図である。
【符号の説明】
１      自律型超短光パルス圧縮・位相補償・波形整形装置
２      光パルス光源
３      光パルス
４      スペクトル空間分散装置
４ａ    凹面鏡
４ｂ    ミラー
４ｃ    グレーティング
５      空間位相変調器
６      合波装置
６ａ    凹面鏡
６ｂ    ミラー
６ｃ    グレーティング
７      出力光パルス
７ａ    分割出力光パルス
８      変形ＳＰＩＤＥＲ装置
８ａ    チャープ用光パルス光源
８ｂ    チャープ用光パルス
８ｃ    遅延器
８ｄ    周波数変換部
８ｅ    スペクトロメータ
８ｆ    ＩＣＣＤ
９      フィードバック装置
９ａ    再構築用コンピュータ
９ｂ    空間位相変調器制御用コンピュータ
２１    光入射端
２２    光入射端
２３    ハーフミラー
２４ａ  レプリカ光パルス
２４ｂ  レプリカ光パルス
２５，２６    遅延器
２７    ハーフミラー
２８    分散媒質
２９    チャープ光パルス
３０    放物線ミラー
３１    非線形光学結晶
３２    スペクトル・シアーされたレプリカ光パルス
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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