JP2007071599A

JP2007071599A - Absolute phase measuring apparatus and absolute phase measuring method

Info

Publication number: JP2007071599A
Application number: JP2005256830A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakajima; 隆中嶋
Original assignee: Kyoto University
Current assignee: Kyoto University
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2007-03-22

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an absolute phase measuring apparatus and its method allowing to measure an absolute phase without using high-intensity laser light and by a simple mechanism. SOLUTION: The absolute phase measuring apparatus 1A comprises a light receiving section 11 which receives femtosecond pulsed laser light and in which cesium gas is enclosed, a fluorescence intensity measuring section 12A for measuring the number of excited atoms of the cesium gas through fluorescence intensity by receiving the femtosecond pulsed laser light, an arithmetic processing section 15A for calculating the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light through the fluorescence intensity measured by the fluorescence intensity measuring section 12A on the basis of the relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase, and an output section 14 for outputting the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light calculated by the arithmetic processing section 15A. COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、フェムト秒パルスの絶対位相を測定する絶対位相測定装置及び絶対位相測定方法に関し、特に、絶対位相の励起原子数依存性に基づいて絶対位相を測定する絶対位相測定装置及び絶対位相測定方法に関する。 The present invention relates to an absolute phase measurement device and an absolute phase measurement method for measuring an absolute phase of a femtosecond pulse, and more particularly to an absolute phase measurement device and an absolute phase measurement for measuring an absolute phase based on the number of excited atoms depending on the number of excited phases. Regarding the method.

パルスレーザ光のパルス幅は、パルスレーザ光を射出するパルスレーザ装置の研究、開発が進展した結果、極めて短くなり、近年では、フェムト（１０^−１５）秒パルスレーザ光が在る。 Pulse width of the pulse laser light, the study of the pulse laser device for emitting a pulsed laser beam, as a result of development is developed, extremely short, in recent years, the femto (10 ^-15) seconds pulsed laser light is present.

フェムト秒パルスレーザ光になると、一パルスの中で電場が数回しか振動しないため、パルスの包絡線と電場の振動との関係も重要な要素となる。このようなパルスの包絡線と電場の振動との関係を表すものとして絶対位相（carrier-envelope phase）がある。 In the case of femtosecond pulsed laser light, the electric field vibrates only a few times in one pulse, so the relationship between the pulse envelope and the electric field vibration is also an important factor. An absolute phase (carrier-envelope phase) represents the relationship between the pulse envelope and the electric field vibration.

図６は、フェムト秒パルスと絶対位相との関係を示す図である。図６において、絶対位相は、搬送波位相とも呼ばれ、レーザ電場の包絡線（図６の実線）のピーク（極値）に対する、搬送波（図６の一点鎖線や二点鎖線）のピーク（極値）の相対的な位相をいい、短パルス中の電場の様子を表すものである。レーザ電場Ｅ（ｔ）を後述の式３及び式４で示すように、適宜なベクトルポテンシャルＡ（ｔ）の時間偏微分で定義すると、図６の一点鎖線は、絶対位相０の場合を示し、同図の二点鎖線は、絶対位相π／２の場合を示している。 FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the femtosecond pulse and the absolute phase. In FIG. 6, the absolute phase is also called a carrier phase, and the peak (extreme value) of the carrier (the one-dot chain line or two-dot chain line in FIG. 6) with respect to the peak (extreme value) of the envelope of the laser electric field (solid line in FIG. 6). ) And represents the state of the electric field in a short pulse. When the laser electric field E (t) is defined by time partial differentiation of an appropriate vector potential A (t) as shown in the following expressions 3 and 4, the one-dot chain line in FIG. The two-dot chain line in the figure shows the case of the absolute phase π / 2.

このような絶対位相は、従来、高強度レーザによる原子のトンネルイオン化によって発生する光電子のエネルギー及び角度分布を分解した信号の絶対位相依存性を用いることによって検出されていた（例えば、非特許文献１参照）。 Such an absolute phase is conventionally detected by using the absolute phase dependency of a signal obtained by resolving the energy and angular distribution of photoelectrons generated by tunnel ionization of atoms by a high-intensity laser (for example, Non-Patent Document 1). reference).

このトンネルイオン化について説明すると、高強度レーザ光、例えば、１０μＪ、８００ｎｍ、５０ｆｓのパルスレーザ光を３０μｍ^２まで集光すると、その強度Ｉは、Ｉ＝１０μＪ／（３０μｍ^２×５０ｆｓ）＝６．６６×１０^１４Ｗ／ｃｍ^２になる。この強度Ｉをレーザ電場Ｅに換算すると、Ｅ＝２７．４６×Ｉ^１／２＝７×１０^８Ｖ／ｃｍとなり、レーザ電場Ｅが原子や分子中の電子が感じるクーロン電場と同程度となる。このため、このような高強度レーザ光を気相の原子又は分子に照射すると、電子の感じるクーロンポテンシャルがレーザ電場Ｅによって歪み、原子内（分子内）に束縛された電子波動関数の一部がレーザ電場Ｅとクーロンポテンシャルの作るバリアを抜けてイオン化する。これがトンネルイオン化である。
Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４１４，１８２（２００１），ｂｙＧ．Ｇ．Ｐａｕｌｕｓｅｔａｌ．， This tunnel ionization will be described. When high-intensity laser light, for example, pulse laser light of 10 μJ, 800 nm, and 50 fs is condensed to 30 μm ² , the intensity I is I = 10 μJ / (30 μm ² × 50 fs) = 6.66. × 10 ¹⁴ W / cm ² When this intensity I is converted into a laser electric field E, E = 27.46 × I ^1/2 = 7 × 10 ⁸ V / cm, and the laser electric field E is comparable to the Coulomb electric field felt by electrons in atoms and molecules. . For this reason, when such a high-intensity laser beam is irradiated onto an atom or molecule in the gas phase, the Coulomb potential felt by the electrons is distorted by the laser electric field E, and a part of the electron wave function confined within the atom (inside the molecule) is obtained. It ionizes through the barrier created by the laser electric field E and the Coulomb potential. This is tunnel ionization.
Nature, vol. 414, 182 (2001), by G.C. G. Paulus et al. ,

ところで、絶対位相の上記検出方法では、１０^１４Ｗ／ｃｍ^２程度の高強度レーザ光を必要とするため、光増幅器が必要となる等の複雑な機構で大型な、そして、高価なパルスレーザ装置が必要であるという不都合がある。そして、光電子の検出もトンネルイオン化によって発生する光電子のエネルギーとその角度分布とを測定しなければならないため、複雑な機構で高価な光電子検出装置が必要であるという不都合がある。 By the way, the absolute phase detection method described above requires a high-intensity laser beam of about 10 ¹⁴ W / cm ^2, and thus a large and expensive pulse laser device with a complicated mechanism such as an optical amplifier required. Is inconvenient. In addition, since the photoelectrons are detected by measuring the energy of the photoelectrons generated by tunnel ionization and the angular distribution thereof, there is a disadvantage that an expensive photoelectron detector is required with a complicated mechanism.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、高強度レーザ光を必要とすることなく、また、より簡易な機構で絶対位相を測定することができる絶対位相測定装置及び絶対位相測定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and does not require a high-intensity laser beam, and can also measure an absolute phase with a simpler mechanism and an absolute phase. An object is to provide a measurement method.

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。即ち、本発明の一態様に係る絶対位相測定装置は、フェムト秒パルスレーザ光を受光し内部に原子ガスが封入された受光部と、前記フェムト秒パルスレーザ光を受光することによって励起した前記原子ガスの励起原子数を測定する測定部と、励起原子数と絶対位相との関係に基づいて、前記測定部で測定した励起原子数から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算する演算部と、前記演算部で演算した前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を出力する出力部とを備えることを特徴とする。 As a result of various studies, the present inventor has found that the above object is achieved by the present invention described below. That is, the absolute phase measurement apparatus according to one aspect of the present invention includes a light receiving unit that receives femtosecond pulse laser light and encloses an atomic gas therein, and the atoms excited by receiving the femtosecond pulse laser light. A measurement unit that measures the number of excited atoms of the gas, and a calculation unit that calculates the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the number of excited atoms measured by the measurement unit, based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase. And an output unit that outputs an absolute phase of the femtosecond pulsed laser light calculated by the calculation unit.

そして、この絶対位相測定装置において、前記測定部は、前記受光部から射出された蛍光であって所定の軌道に励起した励起原子に起因する所定の波長の蛍光における光強度を蛍光強度として測定する蛍光強度測定部であり、前記演算部は、前記励起原子数と絶対位相との関係に基づいて変換した蛍光強度と絶対位相との関係に基づいて、前記蛍光強度測定部で測定した蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算することを特徴とする。 In this absolute phase measuring apparatus, the measurement unit measures the light intensity of the fluorescence emitted from the light receiving unit and having a predetermined wavelength caused by excited atoms excited in a predetermined orbit as the fluorescence intensity. A fluorescence intensity measurement unit, wherein the calculation unit is based on the fluorescence intensity measured by the fluorescence intensity measurement unit based on the relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase converted based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase. The absolute phase of the femtosecond pulse laser beam is calculated.

また、この絶対位相測定装置において、前記測定部は、前記受光部から射出された蛍光であって所定の複数の軌道に励起した励起原子にそれぞれ起因する複数の波長の蛍光における複数の光強度を複数の蛍光強度としてそれぞれ測定する蛍光強度測定部であり、前記演算部は、前記励起原子数と絶対位相との関係に基づいて変換した蛍光強度と絶対位相との関係であって前記複数の軌道にそれぞれ対応する複数の関係に基づいて、前記蛍光強度測定部で測定した複数の蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算することを特徴とする。 Further, in this absolute phase measurement device, the measurement unit is configured to obtain a plurality of light intensities in the fluorescence emitted from the light receiving unit and having a plurality of wavelengths respectively caused by excited atoms excited in a predetermined plurality of orbits. A fluorescence intensity measuring unit that measures each of the plurality of fluorescence intensities, and the calculation unit is a relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase converted based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase, and the plurality of orbits The absolute phase of the femtosecond pulsed laser beam is calculated from a plurality of fluorescence intensities measured by the fluorescence intensity measuring unit based on a plurality of relationships respectively corresponding to.

さらに、これら上述の絶対位相測定装置において、前記原子ガスの原子は、アルカリ金属であることを特徴とする。 Furthermore, in the above-described absolute phase measuring apparatus, the atom of the atomic gas is an alkali metal.

そして、本発明の他の一態様に係る絶対位相測定方法は、フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した前記原子ガスの励起原子数を測定するステップと、励起原子数と絶対位相との関係に基づいて、前記測定した励起原子数から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えることを特徴とする。 An absolute phase measurement method according to another aspect of the present invention includes a step of irradiating an atomic gas with a femtosecond pulsed laser beam, and an excited atom of the atomic gas excited by irradiating the femtosecond pulsed laser beam. And a step of calculating the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the measured number of excited atoms based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase.

また、本発明の他の一態様に係る絶対位相測定方法は、フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した所定の軌道の励起原子に起因する所定の波長の蛍光における光強度を蛍光強度として測定するステップと、蛍光強度と絶対位相との関係に基づいて、前記測定した蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えることを特徴とする。 An absolute phase measurement method according to another aspect of the present invention includes a step of irradiating an atomic gas with a femtosecond pulsed laser beam, and an excited atom having a predetermined orbit excited by irradiating the femtosecond pulsed laser beam. Based on the relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase, the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light is calculated from the measured fluorescence intensity based on the step of measuring the light intensity in the fluorescence of a predetermined wavelength caused by the fluorescence as the fluorescence intensity And a step.

さらに、本発明の他の一態様に係る絶対位相測定方法は、フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した所定の複数の軌道の励起原子にそれぞれ起因する複数の波長の蛍光における複数の光強度を複数の蛍光強度として測定するステップと、蛍光強度と絶対位相との関係であって前記複数の軌道にそれぞれ対応する複数の関係に基づいて、前記測定した複数の蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えることを特徴とする。 Furthermore, an absolute phase measurement method according to another aspect of the present invention includes a step of irradiating an atomic gas with femtosecond pulsed laser light, and a plurality of predetermined trajectories excited by irradiating the femtosecond pulsed laser light. A step of measuring a plurality of light intensities in a plurality of wavelengths of fluorescence caused by excited atoms as a plurality of fluorescence intensities, and a relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase, each corresponding to the plurality of orbits And a step of calculating an absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the measured plurality of fluorescence intensities.

以下、本発明の原理について説明する。まず、絶対位相と励起原子数との関係について説明する。絶対位相と励起原子数との関係は、以下の導出から分かるように、一般に、どのような原子に対しても成立するが、イオン化ポテンシャルが比較的低く、また、準位構造が比較的密な原子を選択した方が実際に絶対位相測定装置を構成する場合にその構成がし易く、また、絶対位相測定方法を適用する場合にその適用がし易い。そこで、以下の原理説明では、このような原子としてセシウム（元素記号；Ｃｓ）を選択し、セシウムに対し、絶対位相と励起原子数との関係について説明する。 Hereinafter, the principle of the present invention will be described. First, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms will be described. As can be seen from the following derivation, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms generally holds for any atom, but the ionization potential is relatively low, and the level structure is relatively dense. When an atom is selected, the configuration is easier when the absolute phase measurement device is actually configured, and when the absolute phase measurement method is applied, the application is easier. Therefore, in the following explanation of the principle, cesium (element symbol; Cs) is selected as such an atom, and the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms will be described for cesium.

絶対位相と励起原子数との関係は、セシウムにフェムト秒パルスレーザ光を作用させた場合、即ち、式１に示す三次元時間依存シュレーディンガー方程式を解くことによって、求めることができる。 The relationship between the absolute phase and the number of excited atoms can be obtained when femtosecond pulsed laser light is applied to cesium, that is, by solving the three-dimensional time-dependent Schroedinger equation shown in Equation 1.

ここで、Ｈ_０は、セシウムの外場がない状態におけるセシウム原子のハミルトニアンであり、Ｖ（ｔ）は、セシウム原子とレーザ電場との間における時間依存の相互作用である。Ｖ（ｔ）は、偏光ベクトルをベクトルｅ、価電子の位置演算子をベクトルｒとすると、式２で定義される。 Here, H ₀ is the Hamiltonian of the cesium atom in the absence of an external field of cesium, and V (t) is a time-dependent interaction between the cesium atom and the laser electric field. V (t) is defined by Equation 2 where the polarization vector is vector e and the valence position operator is vector r.

また、ベクトルポテンシャルＡ（ｔ）がｔ＝±∞でゼロとなることや、電場Ｅ（ｔ）のパルス領域が全パルス時間で積分した後に正確にゼロになることをフェムト秒パルスに対し保証することによって、反物理的な結果を得てしまうことを回避するために、電場ベクトルＥ（ｔ）は、ガウス時間包絡線であると仮定した式３のベクトルポテンシャルＡ（ｔ）によって、式４で定義される。 It also guarantees for femtosecond pulses that the vector potential A (t) is zero at t = ± ∞ and that the pulse region of the electric field E (t) is exactly zero after integration over the entire pulse time. In order to avoid obtaining an antiphysical result, the electric field vector E (t) is expressed by the following equation 4 by the vector potential A (t) of equation 3 that is assumed to be a Gaussian time envelope. Defined.

ここで、δは、絶対位相であり、Ａ_０は、ベクトルポテンシャルの包絡線のピーク値であり、ωは、光子（フォトン、photon）のエネルギーである。Ｎは、ベクトルポテンシャルの強度の半値幅（ＦＷＨＭ、full width at half maximum）内におけるサイクル数であり、整数はもちろんいかなる正数でよい。 Here, δ is the absolute phase, A ₀ is the peak value of the envelope of the vector potential, and ω is the energy of a photon (photon). N is the number of cycles within the full width at half maximum (FWHM) of the strength of the vector potential, and of course an integer can be any positive number.

電場ベクトルＥ（ｔ）がこのように定義されるので、本明細書において、フェムト秒パルスにおけるサイクル数は、図６に示すように、半値幅内における個数を意味する。 Since the electric field vector E (t) is defined in this way, in this specification, the number of cycles in the femtosecond pulse means the number within the half-value width as shown in FIG.

次に、波動関数Ψ（ｔ）を所定の大きさ、例えば、２００〜５００ａ．ｕ．の球形ボックスで構成される原子基底関数で展開する。基底関数ｆ_ｎｌｍ（ｒ）は、主量子数ｎ、軌道量子数ｌ及び磁気量子数ｍの（ｎ、ｌ、ｍ）組によって与えられる状態であるため、一般に、式５に示すように、動径方向の関数Ｐ_ｎｌ（ｒ）の成分と、球面調和関数Ｙ_ｌｍ（θ、φ）の成分とに分解することができる。 Next, the wave function Ψ (t) is set to a predetermined size, for example, 200 to 500 a. u. It expands with an atomic basis function consisting of a spherical box. Basis functions f _{nlm (r)} is the principal quantum number n, since a condition given by (n, l, m) of sets of orbital quantum number l and the magnetic quantum number m, in general, as shown in Equation 5, the dynamic It can be decomposed into a component of the radial function P _nl (r) and a component of the spherical harmonic function Y _lm (θ, φ).

ここで、Ｐ_ｎｌ（ｒ）は、６式に示すシュレーディンガー方程式を満たす。 Here, P _nl (r) satisfies the Schroedinger equation shown in equation (6).

ここで、Ｅ_ｎｌは、固有エネルギーであり、Ｖ_ｌ（ｒ）は、擬ポテンシャルである。 Here, E _nl is intrinsic energy, and V _l (r) is a pseudopotential.

そして、これら式２乃至式６を用いて、時間ｔを変化させながら式１を計算機によって数値解析すると、各軌道について、絶対位相と励起原子数との関係を求めることができる。 Then, using Equations 2 to 6, when Equation 1 is numerically analyzed by a computer while changing the time t, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms can be obtained for each orbit.

図１は、セシウム原子の準位構造を示す図である。図１の縦軸は、セシウム原子の価電子の基底状態である６ｓ軌道を基準としてｅＶ単位で表すエネルギーを示す。図２は、絶対位相と励起原子数との関係を示す図である。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）及び（Ｊ）は、それぞれセシウムイオン、７ｓ軌道、６ｐ軌道、８ｓ軌道、７ｐ軌道、５ｄ軌道、９ｓ軌道、８ｐ軌道、６ｄ軌道及び４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係を示している。図３は、５ｄ軌道、８ｐ軌道及び４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係を示す拡大図である。図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ５ｄ軌道、８ｐ軌道及び４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係を示している。図２及び図３の各図において、横軸は、ラジアン（rad）単位で表す絶対位相（carrier-envelope phase）であり、縦軸は、６ｓ軌道にある１個の原子が当該軌道に励起される励起確率であり、励起原子数（population）に対応する。 FIG. 1 is a diagram showing a level structure of a cesium atom. The vertical axis in FIG. 1 represents energy expressed in eV units with reference to the 6s orbit which is the ground state of the valence electron of the cesium atom. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms. 2 (A), (B), (C), (D), (E), (F), (G), (H), (I) and (J) are respectively a cesium ion, a 7s orbit, The relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 6p orbit, 8s orbit, 7p orbit, 5d orbit, 9s orbit, 8p orbit, 6d or 4f orbit is shown. FIG. 3 is an enlarged view showing the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 5d, 8p and 4f orbits. FIGS. 3A, 3B, and 3C show the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 5d, 8p, and 4f orbits, respectively. 2 and 3, the horizontal axis represents the absolute phase (carrier-envelope phase) expressed in units of radians (rad), and the vertical axis represents one atom in the 6s orbital excited in the orbit. Excitation probability, corresponding to the number of excited atoms (population).

セシウム原子の最外殻６ｓにある電子がイオン化ポテンシャル（＝３．８９３ｅＶ）を超え、セシウム原子がセシウムイオンＣｓ^＋になるまで、図１に示すように、６ｐ軌道、５ｄ軌道、７ｓ軌道、７ｐ軌道、６ｄ軌道、８ｓ軌道、８ｐ軌道、７ｄ軌道及び５ｆ等の様々な多数の軌道が存在し、これら軌道ごとに絶対位相と励起原子数との関係を求めることができるが、図２では、このうち７ｓ軌道、６ｐ軌道、８ｓ軌道、７ｐ軌道、５ｄ軌道、９ｓ軌道、８ｐ軌道、６ｄ軌道及び４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係を示している。 Until the electrons in the outermost shell 6s of the cesium atom exceed the ionization potential (= 3.893 eV) and the cesium atom becomes the cesium ion Cs ⁺ , as shown in FIG. 1, the 6p orbit, 5d orbit, 7s orbit, 7p There are various orbits such as orbital, 6d orbital, 8s orbital, 8p orbital, 7d orbital, and 5f, and the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms can be obtained for each orbital. Of these, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 7s orbit, 6p orbit, 8s orbit, 7p orbit, 5d orbit, 9s orbit, 8p or 6d or 4f orbit is shown.

絶対位相と励起原子数との関係は、原子の種類や光子エネルギーやピーク光強度にも依存するが、ここでは、この計算に当たって、光子エネルギーを１．５５ｅＶと、ピーク光強度を１０^１１Ｗ／ｃｍ^２と、サイクル数Ｎ＝１と、球形ボックスの大きさを２００ａ．ｕ．（atomic units；原子単位）とした。ここで、ケルディッシュパラメータγは、１８である。ケルディッシュパラメータγは、電子がトンネルする時間とレーザ電場の周期との比である。 The relationship between the absolute phase and the number of excited atoms depends on the type of atom, photon energy, and peak light intensity. Here, in this calculation, the photon energy is 1.55 eV and the peak light intensity is 10 ¹¹ W /. cm ² , the number of cycles N = 1, and the size of the spherical box is 200 a. u. (Atomic units). Here, the Kelish parameter γ is 18. The Keldisch parameter γ is the ratio between the time for electron tunneling and the period of the laser electric field.

図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｇ）及び（Ｉ）を見ると分かるように、セシウムイオンの場合、７ｓ軌道の場合、６ｐ軌道の場合、８ｓ軌道の場合、９ｓ軌道の場合及び６ｄ軌道の場合では、絶対位相が変化しても励起原子数は、ほとんど変化しない。一方、図２（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｈ）及び（Ｊ）を見ると分かるように、７ｐ軌道の場合、５ｄ軌道の場合、８ｐ軌道の場合及び４ｆ軌道の場合では、絶対位相の変化に対し、励起原子数も変化している。 As can be seen from FIGS. 2 (A), (B), (C), (D), (G) and (I), in the case of cesium ions, in the case of 7s orbit, in the case of 6p orbit, In the case of the 9s orbit and the 6d orbit, the number of excited atoms hardly changes even if the absolute phase changes. On the other hand, as can be seen from FIGS. 2 (E), (F), (H) and (J), the absolute phase of the 7p orbit, the 5d orbit, the 8p orbit and the 4f orbit In response to the change, the number of excited atoms also changes.

図２では、２００ａ．ｕ．の大きさの球形ボックスの場合について示すが、図示しないが３００ａ．ｕ．及び５００ａ．ｕ．でも全く同じ結果が得られている。 In FIG. u. Is shown for a spherical box of the size of 300a. u. And 500a. u. But the exact same result is obtained.

また、時間発展の間、全ての連続状態を削除することによって、イオン化が起こらない場合も計算した。その結果を図２の各図に破線で示す。図２の各図の破線を見ると分かるように、各軌道の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線は、イオン化が起こる場合における各軌道の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線から若干シフトしているが、各軌道の絶対位相と励起原子数との関係は、イオン化が起こる場合における各軌道の絶対位相と励起原子数との関係と、定性的な振る舞いが基本的に同じである。このことは、イオン化のメカニズムとは無関係に、絶対位相と励起原子数との関係は、光吸収過程から生じていることを示している。 We also calculated the case where no ionization occurred by removing all the continuous states during time evolution. The results are shown by broken lines in each figure of FIG. As can be seen from the broken lines in each figure in FIG. 2, the curve indicating the relationship between the absolute phase of each orbit and the number of excited atoms indicates the relationship between the absolute phase of each orbit and the number of excited atoms when ionization occurs. Although there is a slight shift from the curve, the relationship between the absolute phase of each orbit and the number of excited atoms is basically based on the relationship between the absolute phase of each orbit and the number of excited atoms and the qualitative behavior when ionization occurs. The same. This indicates that the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms arises from the light absorption process regardless of the ionization mechanism.

そして、光強度のゆらぎが絶対位相と励起原子数との関係に与える影響についても計算した。１．５５ｅＶの光子エネルギーが±５パーセントでゆらぐとし、また、ピーク光強度を１０^１１Ｗ／ｃｍ^２と、サイクル数Ｎ＝１と、球形ボックスの大きさを２００ａ．ｕ．とした。その結果を図３に示す。図３の破線は、−５パーセントの場合であり、実線は、ゆらぎなしの場合であり、一点鎖線は、＋５パーセントの場合をそれぞれ示す。図３の各図から分かるように、光強度がゆらいだとしても、絶対位相と励起原子数との関係は、消失しない。図示しないが、同様の結果がサイクル数Ｎのゆらぎに対しても得られる。このことは、フェムト秒パルスのパルス時間がゆらいだとしても絶対位相と励起原子数との関係が消失しないことを示す。また、図示しないが、同様の結果が直線偏光の場合だけでなく、右円偏光の場合でも得られる。 We also calculated the effect of light intensity fluctuations on the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms. It is assumed that the photon energy of 1.55 eV fluctuates by ± 5%, the peak light intensity is 10 ¹¹ W / cm ² , the number of cycles N = 1, and the size of the spherical box is 200 a. u. It was. The result is shown in FIG. The broken line in FIG. 3 represents the case of −5%, the solid line represents the case without fluctuation, and the alternate long and short dash line represents the case of + 5%. As can be seen from each diagram of FIG. 3, even if the light intensity fluctuates, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms does not disappear. Although not shown, the same result is obtained for the fluctuation of the cycle number N. This indicates that the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms does not disappear even if the pulse time of the femtosecond pulse fluctuates. Although not shown, the same result can be obtained not only with linearly polarized light but also with right circularly polarized light.

さらに、セシウムガスが例えば１５０℃に加熱されている場合、セシウム原子及びセシウム分子の各数密度は、それぞれ約２×１０^１４ｃｍ^−３及び約２×１０^１１ｃｍ^−３である。このため、セシウム分子の寄与は、無視し得る。また、このセシウムガスの温度と数密度において、その状態から励起電子の衝突による脱励起レートが１０^５〜１０^６ｓ^−１のオーダであり、衝突による励起電子の移行が自然放出の時間スケールにおいて無視できる。 Furthermore, when the cesium gas is heated to, for example, 150 ° C., the number densities of cesium atoms and cesium molecules are about 2 × 10 ¹⁴ cm ⁻³ and about 2 × 10 ¹¹ cm ⁻³ , respectively. For this reason, the contribution of the cesium molecule can be ignored. Further, at the temperature and number density of this cesium gas, the deexcitation rate due to collision of excited electrons from that state is on the order of 10 ⁵ to 10 ⁶ s ⁻¹ , and the transition of excited electrons due to collision is on the time scale of spontaneous emission. Can be ignored.

従って、セシウムにフェムト秒パルスレーザ光を作用させ、このような絶対位相の変化に対し励起原子数が変化する軌道における励起原子数を測定することによって、このような絶対位相と励起原子数との関係に基づいて、絶対位相を測定することができる。そして、励起原子数の測定にこの励起原子に起因する蛍光の光強度を用いる。 Therefore, by applying femtosecond pulsed laser light to cesium and measuring the number of excited atoms in the orbit where the number of excited atoms changes with respect to such a change in absolute phase, such absolute phase and number of excited atoms are Based on the relationship, the absolute phase can be measured. And the light intensity of the fluorescence resulting from this excited atom is used for the measurement of the number of excited atoms.

ここで、図２（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｈ）及び（Ｊ）の各図を比較すると分かるように、軌道によって絶対位相の変化に対し励起原子数の変動幅が異なる。絶対位相の変化に対する励起原子数の変動幅を各軌道相互間において定量的に比較するために、変動の深度Ｍを式７のように定義する。 Here, as can be seen by comparing each of FIGS. 2E, 2F, 2H, and 2J, the fluctuation range of the number of excited atoms varies depending on the orbit with respect to the change of the absolute phase. In order to quantitatively compare the fluctuation range of the number of excited atoms with respect to the change of the absolute phase between the orbits, the depth M of the fluctuation is defined as shown in Equation 7.

この式７におけるＱ（δ）は、位相δにおける全イオン化量であり、δ_ｍａｘは、最大全イオン化量を与える絶対位相、即ち、図２の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線において極大値を与える絶対位相であり、δ_ｍｉｎは、最小全イオン化量を与える絶対位相、即ち、図２の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線において極小値を与える絶対位相である。式７の定義から分かるように、変動の深度Ｍは、０≦Ｍ≦２であり、変動の深度Ｍが０から２へ変化するに従って絶対位相の変化に対し励起原子数の変動幅が大きくなる。 In this equation 7, Q (δ) is the total ionization amount in the phase δ, and _δmax is the absolute phase giving the maximum total ionization amount, that is, in the curve showing the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in FIG. The absolute phase that gives the maximum value, and δ _min is the absolute phase that gives the minimum total ionization amount, that is, the absolute phase that gives the minimum value in the curve showing the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in FIG. As can be seen from the definition of Equation 7, the variation depth M is 0 ≦ M ≦ 2, and as the variation depth M changes from 0 to 2, the variation range of the number of excited atoms increases with respect to the change in absolute phase. .

従って、変動の深度Ｍが大きい軌道ほど、絶対位相を精度よく検出することができる。そして、上記式１乃至式７を用いて演算することによって、フェムト秒パルスのサイクル数Ｎを小さくすると、変動の深度Ｍを大きくすることができることが分かる。このため、より精度よく絶対位相を検出するためには、フェムト秒パルスのサイクル数Ｎが小さい方がより好ましい。 Therefore, the absolute phase can be detected more accurately as the trajectory has a larger variation depth M. Then, it can be seen that the depth of variation M can be increased by reducing the number of femtosecond pulse cycles N by performing calculations using the above equations 1 to 7. For this reason, in order to detect an absolute phase more accurately, it is more preferable that the number of femtosecond pulse cycles N is smaller.

また、図２（Ｆ）、（Ｈ）及び（Ｊ）の各図並びに図３（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の各図を見ると分かるように、絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線は、軌道間でシフトしている。例えば、５ｄ軌道の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線Ａは、マイナスコサイン曲線の様なプロファイルであるが、この間、８ｐ軌道の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線Ｂは、マイナスサイン曲線の様なプロファイルであり、そして、４ｆ軌道の絶対位相と励起原子数との関係を示す曲線Ｃは、プラスコサイン曲線の様なプロファイルである。このため、複数の軌道における励起原子数を測定し、各軌道における絶対位相と励起原子数との関係に基づいて、この測定した各軌道の励起原子数を最もよく満たす絶対位相を求めることによって、絶対位相をより精度よく測定することができる。 Also, as can be seen from the diagrams of FIGS. 2 (F), (H) and (J) and FIGS. 3 (A), (B) and (C), the absolute phase and the number of excited atoms The curve showing the relationship is shifted between the trajectories. For example, a curve A indicating the relationship between the absolute phase of the 5d orbital and the number of excited atoms is a profile like a minus cosine curve, and during this time, a curve B indicating the relationship between the absolute phase of the 8p orbital and the number of excited atoms is A curve C showing a relationship between the absolute phase of the 4f orbit and the number of excited atoms is a profile like a plus cosine curve. For this reason, by measuring the number of excited atoms in multiple orbitals and determining the absolute phase that best satisfies the number of excited atoms in each orbit based on the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in each orbit, The absolute phase can be measured with higher accuracy.

そして、上述では、セシウムを取り上げたが他の原子については、上記式１のＨ_０を外場がない状態における解析目的の原子のハミルトニアンとすることで、同様に議論することができる。 In the above description, cesium is taken up, but other atoms can be similarly discussed by setting H _{0 in the} above formula 1 as the Hamiltonian of the atom for analysis in a state where there is no external field.

このような構成の絶対位相測定装置及び絶対位相測定方法では、例えばセシウム原子の場合、ピーク光強度が１０^１１Ｗ／ｃｍ^２程度でよく、また、励起原子数を測定するために蛍光強度を測定すればよいので、従来技術に較べて、高強度レーザ光を必要とすることなく、また、より簡易な機構で絶対位相を測定することができる。 In the absolute phase measuring apparatus and the absolute phase measuring method having such a configuration, for example, in the case of cesium atoms, the peak light intensity may be about 10 ¹¹ W / cm ² , and the fluorescence intensity is measured in order to measure the number of excited atoms. Therefore, the absolute phase can be measured with a simpler mechanism without requiring a high-intensity laser beam as compared with the prior art.

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
（第１の実施形態の構成）
図４は、第１の実施形態に係る絶対位相測定装置の構成を示すブロック図である。図４において、絶対位相測定装置１Ａは、受光部１１と、蛍光強度測定部１２Ａと、入力部１３と、出力部１４と、演算処理部１５Ａと、記憶部１６Ａと、インタフェース部１７と、バス１８とを備えて構成される。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
(Configuration of the first embodiment)
FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the absolute phase measurement apparatus according to the first embodiment. In FIG. 4, the absolute phase measuring apparatus 1A includes a light receiving unit 11, a fluorescence intensity measuring unit 12A, an input unit 13, an output unit 14, an arithmetic processing unit 15A, a storage unit 16A, an interface unit 17, and a bus. 18.

受光部１１は、フェムト秒パルスレーザ光を受光し内部に絶対位相測定に係る原子ガスが封入された部材である。絶対位相測定に係る原子としては、例えば、イオン化ポテンシャルが比較的低い、リチウム（元素記号；Ｌｉ、イオン化ポテンシャル；１２４ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、ナトリウム（元素記号；Ｎａ、イオン化ポテンシャル；１１９ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、カリウム（元素記号；Ｋ、イオン化ポテンシャル；１００ｋｃａｌ／ｍｏｌ）、セシウム（元素記号；Ｃｓ、イオン化ポテンシャル；９０ｋｃａｌ／ｍｏｌ）及びルビジウム（元素記号；Ｒｂ、イオン化ポテンシャル；９６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）等のアルカリ金属や、絶対位相と励起原子数との関係が計算上精度よく得られる、ヘリウムガスや、マグネシウム（元素記号；Ｍｇ、イオン化ポテンシャル；１７６ｋｃａｌ／ｍｏｌ）等のアルカリ土類金属が好適であり、特に、金属のガス化において比較的低温で数密度が得やすい点からセシウムやルビジウムがより好適であり、特に、本実施形態では、最もイオン化ポテンシャルの低い点からセシウムが利用される。 The light receiving unit 11 is a member that receives femtosecond pulsed laser light and in which an atomic gas for absolute phase measurement is enclosed. Examples of the atoms related to absolute phase measurement include lithium (element symbol: Li, ionization potential: 124 kcal / mol), sodium (element symbol: Na, ionization potential: 119 kcal / mol), potassium (ionization potential is relatively low). Elemental symbol: K, ionization potential: 100 kcal / mol), cesium (elemental symbol: Cs, ionization potential: 90 kcal / mol) and rubidium (element symbol: Rb, ionization potential: 96 kcal / mol), and absolute phase Helium gas and alkaline earth metals such as magnesium (element symbol: Mg, ionization potential: 176 kcal / mol) are preferable, and the gasification of the metal can be obtained. smell Relatively low temperature is more preferably cesium or rubidium in terms of the number density is easily obtained, in particular, in the present embodiment, the cesium is available from the lowest ionization potential point.

受光部１１は、例えば、所定質量のセシウムが封入された略円筒状の容器と、この容器に接するように設けられ、セシウムを加熱するための例えばセラミックヒータ等の加熱部とを備えて構成される。容器は、受光すべきフェムト秒パルスレーザ光を透過すると共にこのフェムト秒パルスレーザ光によって励起されたセシウム原子が発光する所定波長の蛍光を透過する特性と、セシウムをガス化するまでの加熱温度に耐える耐熱性と、セシウムのガス化によって生じる内圧に耐える強度とを備える材料で形成され、例えば、パイレックスガラスによって形成される。加熱部は、受光すべきフェムト秒パルスレーザ光の入射を妨げないように、かつ、発光した蛍光の蛍光強度測定部１２Ａへの出射を妨げないように、配設される。例えば、受光部１１は、所定の内容積を持ち、フェムト秒パルスレーザ光のビーム径やセラミックヒータを配設するための領域等を考慮した大きさの、例えば直径約１ｃｍで長さ約４ｃｍの円筒状のパイレックスガラス製の容器に、所定質量のセシウムを真空中で封入し、そして、円筒状の容器の一方端に接するようにセラミックヒータを配設することによって製造される。 The light receiving unit 11 includes, for example, a substantially cylindrical container in which a predetermined mass of cesium is enclosed, and a heating unit such as a ceramic heater that is provided in contact with the container and heats the cesium. The The container transmits femtosecond pulsed laser light to be received and transmits fluorescence of a predetermined wavelength emitted by cesium atoms excited by the femtosecond pulsed laser light, and the heating temperature until gasification of cesium. It is made of a material having heat resistance to withstand and strength to withstand internal pressure generated by cesium gasification, and is made of, for example, Pyrex glass. The heating unit is arranged so as not to prevent the incidence of femtosecond pulsed laser light to be received and so as not to prevent emission of emitted fluorescence to the fluorescence intensity measuring unit 12A. For example, the light receiving unit 11 has a predetermined internal volume, and has a size that takes into consideration the beam diameter of the femtosecond pulse laser beam, a region for arranging a ceramic heater, and the like, for example, a diameter of about 1 cm and a length of about 4 cm. A cylindrical pyrex glass container is manufactured by enclosing a predetermined mass of cesium in a vacuum and disposing a ceramic heater in contact with one end of the cylindrical container.

フェムト秒パルスレーザ光は、フェムト秒パルスレーザ光を生成する、例えばチタンサファイアレーザ装置等の公知な構成のフェムト秒パルスレーザ装置２から射出される。搬送波のサイクル数Ｎは、フェムト秒パルスレーザ光におけるレーザ電場の包絡線の半値幅内に、絶対位相と励起原子数との関係が認められる数、例えば３以下である。絶対位相と励起原子数との関係は、上述したように、搬送波のサイクル数Ｎが小さいほど顕著に現れることから、２以下がより好ましく、１がさらに好ましい。 The femtosecond pulse laser beam is emitted from a femtosecond pulse laser apparatus 2 having a known configuration, such as a titanium sapphire laser apparatus, which generates femtosecond pulse laser light. The carrier wave cycle number N is a number in which the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms is recognized, for example, 3 or less, within the half width of the envelope of the laser electric field in the femtosecond pulsed laser beam. As described above, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms appears more conspicuously as the carrier wave cycle number N is smaller, and is more preferably 2 or less, and more preferably 1.

蛍光強度測定部１２Ａは、フェムト秒パルスレーザ光を受光することによって励起した受光部１１内のセシウムの励起原子数を測定する装置であり、或る軌道に励起された電子がこの或る軌道よりもエネルギーレベルの低い他の軌道に落ちる電子遷移の際に発光する蛍光の光強度を測定することによって、フェムト秒パルスレーザ光を受光することによってこの或る軌道に励起した受光部１１内のセシウムの励起原子数を測定する。 The fluorescence intensity measurement unit 12A is a device that measures the number of excited atoms of cesium in the light receiving unit 11 excited by receiving femtosecond pulsed laser light. Electrons excited in a certain orbit are transmitted from the certain orbit. The cesium in the light receiving section 11 excited in this orbit by receiving the femtosecond pulsed laser beam by measuring the intensity of the fluorescence emitted during the electron transition falling to another orbit with a low energy level. The number of excited atoms is measured.

蛍光強度測定部１２Ａは、例えば、受光部１１からの蛍光を集光する受光光学系１２１と、受光光学系１２１によって集光された蛍光を波長分解してこの波長分解した蛍光から所定の一波長の蛍光を射出する例えばモノクロメータ等の単波長分光器１２２と、単波長分光器１２２から射出されら所定の一波長の蛍光を所定の倍増度で増幅して単波長分光器１２２から射出された所定の一波長の蛍光の光強度に応じた信号を出力する光電子増倍管１２３と、光電子増倍管１２３から出力された信号をフェムト秒パルスレーザ光ごとに積分して光強度の積分信号を出力するディジタルオシロスコープ１２４とを備えて構成される。 The fluorescence intensity measurement unit 12A includes, for example, a light receiving optical system 121 that collects the fluorescence from the light receiving unit 11, and wavelength-decomposing the fluorescence collected by the light receiving optical system 121, and a predetermined wavelength from the wavelength-resolved fluorescence. A single wavelength spectroscope 122 such as a monochromator and the like, and a single wavelength spectroscope 122 which is emitted from the single wavelength spectroscope 122 is amplified by a predetermined multiplication factor and then emitted from the single wavelength spectroscope 122. A photomultiplier tube 123 that outputs a signal according to the light intensity of a predetermined wavelength of fluorescence, and a signal output from the photomultiplier tube 123 are integrated for each femtosecond pulse laser beam to obtain an integrated signal of light intensity. And a digital oscilloscope 124 for outputting.

１回のフェムト秒パルスレーザ光を受光部１１に照射することによって、このフェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を所望の精度で測定し得る蛍光の光強度を、光電子増倍管１２３から得ることが可能であれば、ディジタルオシロスコープ１２４は、必要ではない。本実施形態では、１回のフェムト秒パルスレーザ光の照射では、所望の精度を得るだけの充分な出力を光電子増倍管１２３から得ることが困難であったので、複数回のフェムト秒パルスレーザ光を受光部１１に照射し、フェムト秒パルスレーザ光の照射ごとに得られる光電子増倍管１２３からの出力をディジタルオシロスコープ１２４で積分することで、励起原子に起因する蛍光の光強度を得ている。 By irradiating the light receiving unit 11 with one femtosecond pulsed laser beam, the light intensity of the fluorescence that can measure the absolute phase of the femtosecond pulsed laser beam with a desired accuracy can be obtained from the photomultiplier tube 123. If possible, the digital oscilloscope 124 is not necessary. In the present embodiment, it has been difficult to obtain sufficient output from the photomultiplier tube 123 to obtain a desired accuracy with a single femtosecond pulse laser beam irradiation. By irradiating light to the light receiving unit 11 and integrating the output from the photomultiplier tube 123 obtained every time the femtosecond pulse laser beam is irradiated with the digital oscilloscope 124, the light intensity of the fluorescence caused by the excited atoms is obtained. Yes.

インタフェース部１７は、蛍光強度測定部１２Ａから蛍光の光強度に係る信号、本実施形態では、ディジタルオシロスコープ１２４が出力する光強度の積分信号を受信し、演算処理部１５Ａが処理可能な形式のデータに変換するインタフェース回路である。 The interface unit 17 receives a signal related to the light intensity of the fluorescence from the fluorescence intensity measuring unit 12A, in this embodiment, an integrated signal of the light intensity output from the digital oscilloscope 124, and data in a format that can be processed by the arithmetic processing unit 15A. It is an interface circuit that converts to

入力部１３は、絶対位相の測定開始を指示するコマンド等の各種コマンド、及び、必要な各種データを絶対位相測定装置１Ａに入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部１４は、入力部１３から入力されたコマンドやデータ、及び、本絶対位相測定装置１Ａによって測定された励起原子数や絶対位相を出力する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ、有機ＥＬディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。 The input unit 13 is a device that inputs various commands such as a command for instructing the start of absolute phase measurement and various necessary data to the absolute phase measuring apparatus 1A, and is, for example, a keyboard or a mouse. The output unit 14 is a device that outputs commands and data input from the input unit 13 and the number of excited atoms and absolute phase measured by the absolute phase measuring apparatus 1A. For example, a CRT display, LCD, or organic EL display Or a display device such as a plasma display or a printing device such as a printer.

記憶部１６Ａは、励起原子数から絶対位相へ変換する変換情報、本実施形態では蛍光の光強度の積分信号から絶対位相へ変換する変換情報を記憶する変換情報記憶部１６１Ａを機能的に備え、絶対位相を測定すべく絶対位相測定装置１Ａを制御する制御プログラム等の各種プログラム、及び、各種プログラムの実行に必要なデータやその実行中に生じるデータ等の各種データを記憶する。記憶部１６Ａは、例えば、演算処理部１５Ａの所謂ワーキングメモリとなるＲＡＭ（Random Access Memory）等の揮発性の記憶素子、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の不揮発性の記憶素子、及び、各種プログラムや各種データを格納しておくハードディスク装置等を備えて構成される。変換情報は、例えば、予め計算された絶対位相と蛍光の光強度の積分信号との関係から、フィッティング関数を求めて関数式で変換情報記憶部１６１Ａに記憶されたり、予め計算された絶対位相と蛍光の光強度の積分信号との関係から、ルックアップテーブルを作成し、テーブル形式で変換情報記憶部１６１Ａに記憶される。 The storage unit 16A functionally includes a conversion information storage unit 161A that stores conversion information that converts the number of excited atoms to an absolute phase, in this embodiment, conversion information that converts an integrated signal of fluorescence light intensity to an absolute phase. Various programs such as a control program for controlling the absolute phase measuring apparatus 1A to measure the absolute phase, and various data such as data necessary for execution of the various programs and data generated during the execution are stored. The storage unit 16A includes, for example, a volatile storage element such as a RAM (Random Access Memory) serving as a so-called working memory of the arithmetic processing unit 15A, a non-volatile storage element such as a ROM (Read Only Memory), various programs, A hard disk device or the like for storing various data is provided. The conversion information is obtained by, for example, obtaining a fitting function from the relationship between the absolute phase calculated in advance and the integrated signal of the fluorescence light intensity, and storing the conversion function in the conversion information storage unit 161A as a function formula, A lookup table is created from the relationship with the integrated signal of the fluorescence light intensity, and stored in the conversion information storage unit 161A in a table format.

演算処理部１５Ａは、例えば、マイクロプロセッサ及びその周辺回路等を備えて構成され、機能的に、励起原子数に基づいて絶対位相を演算する、本実施形態では蛍光の光強度の積分信号に基づいて絶対位相を演算する絶対位相演算部１５１Ａを備え、制御プログラムに従い入力部１３、出力部１４、記憶部１６Ａ及びインタフェース部１７を当該機能に応じてそれぞれ制御する。 The arithmetic processing unit 15A includes, for example, a microprocessor and its peripheral circuits, and functionally calculates an absolute phase based on the number of excited atoms. In this embodiment, the arithmetic processing unit 15A is based on an integrated signal of fluorescence light intensity. The absolute phase calculation unit 151A for calculating the absolute phase is controlled, and the input unit 13, the output unit 14, the storage unit 16A, and the interface unit 17 are controlled according to the function according to the control program.

これら入力部１３、出力部１４、演算処理部１５Ａ、記憶部１６Ａ及びインタフェース部１７は、信号を相互に交換することができるようにバス１８でそれぞれ接続される。 The input unit 13, the output unit 14, the arithmetic processing unit 15A, the storage unit 16A, and the interface unit 17 are connected by a bus 18 so that signals can be exchanged with each other.

このような入力部１３、出力部１４、演算処理部１５Ａ、記憶部１６Ａ及びインタフェース部１７及びバス１８は、例えば、コンピュータ、より具体的にはノート型やディスクトップ型等のパーソナルコンピュータ等によって構成可能である。 The input unit 13, the output unit 14, the arithmetic processing unit 15A, the storage unit 16A, the interface unit 17, and the bus 18 are configured by, for example, a computer, more specifically, a personal computer such as a notebook type or a desktop type. Is possible.

次に、本実施形態の動作について説明する。
（第１の実施形態の動作）
まず、絶対位相を測定するために、何れの軌道の絶対位相と励起原子数との関係を利用するかを決定する。より精度よく測定するために、この決定に当たって、フェムト秒パルスレーザ光によって励起される励起原子数や変動の深度Ｍ等を考慮する。フェムト秒パルスレーザ光のエネルギーが同一の場合において、フェムト秒パルスレーザ光によって励起される励起原子数がより多い軌道を採用することによって、蛍光強度測定部１２Ａからの出力がより大きくなるから、測定精度がより向上する。あるいは、所望の測定精度を得るためのフェムト秒パルスレーザ光のエネルギーをより低くすることができる。また、励起原子数と絶対位相との関係を表す二個の曲線を考えた場合に、変動の深度Ｍが大きい方が微分係数が大きくなるので、励起原子数の変化に対する絶対位相の変化が大きくなるから、絶対位相の分解能が向上し、測定精度が向上する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
(Operation of the first embodiment)
First, in order to measure the absolute phase, it is determined which orbital absolute phase and the number of excited atoms are to be used. In order to measure with higher accuracy, the number of excited atoms excited by the femtosecond pulse laser beam, the depth M of fluctuation, and the like are taken into consideration in this determination. When the energy of the femtosecond pulsed laser beam is the same, the output from the fluorescence intensity measuring unit 12A becomes larger by adopting a trajectory having a larger number of excited atoms excited by the femtosecond pulsed laser beam. The accuracy is further improved. Alternatively, the energy of the femtosecond pulse laser beam for obtaining a desired measurement accuracy can be further reduced. In addition, when two curves representing the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase are considered, since the differential coefficient increases as the variation depth M increases, the change in the absolute phase with respect to the change in the number of excited atoms increases. Therefore, the resolution of the absolute phase is improved and the measurement accuracy is improved.

例えば、本実施形態では、原子ガスとしてセシウムガスを用いるので、図２及び図３に示すように、７ｐ軌道、５ｄ軌道、８ｐ軌道及び４ｆ軌道の各場合で、絶対位相の変化に対し励起原子数が変化するので、これらの軌道が絶対位相を測定するための候補となる。フェムト秒パルスレーザ光によって励起される励起原子数や変動の深度Ｍ等を考慮することによって、８ｐ軌道や４ｆ軌道が好ましく、特に、４ｆ軌道が好ましい。本実施形態では、４ｆ軌道を採用した。 For example, in this embodiment, since cesium gas is used as the atomic gas, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, in each case of the 7p orbit, the 5d orbit, the 8p orbit, and the 4f orbit, the excited atoms are changed with respect to the change of the absolute phase. As the number changes, these trajectories are candidates for measuring the absolute phase. In consideration of the number of excited atoms excited by the femtosecond pulse laser beam, the variation depth M, and the like, the 8p orbit and 4f orbit are preferable, and the 4f orbit is particularly preferable. In this embodiment, the 4f orbit is adopted.

４ｆ軌道の場合、４ｆ軌道に励起した電子は、５ｄ軌道に電子が遷移し、その際に波長１００２ｎｍの蛍光を発光する。そして、絶対位相の測定の際におけるフェムト秒パルスレーザ光の受光回数、即ち、積分回数を設定する。受光回数は、１回のフェムト秒パルスレーザ光によって励起される励起原子数等を考慮して、例えば１０回や１００回等の適宜な回数に設定される。なお、励起原子数は、受光部１１の容器内でガス化したセシウム原子の数密度と図２及び図３に示す４ｆ軌道の励起確率との積により計算される。 In the case of the 4f orbit, the electrons excited in the 4f orbit transition to the 5d orbit, and emit fluorescence with a wavelength of 1002 nm. Then, the number of received femtosecond pulsed laser beams when measuring the absolute phase, that is, the number of integrations is set. In consideration of the number of excited atoms excited by one femtosecond pulsed laser beam, the number of times of light reception is set to an appropriate number of times such as 10 times or 100 times. The number of excited atoms is calculated by the product of the number density of cesium atoms gasified in the container of the light receiving unit 11 and the excitation probability of the 4f orbit shown in FIGS.

これら等から、まず、４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係が上述のように計算機によって予め計算され、この計算結果に基づいて、４ｆ軌道における絶対位相と蛍光の光強度の積分信号との関係とされ、この関係が変換情報として入力部１３から記憶部１６Ａの変換情報記憶部１６１Ａに記憶される。そして、単波長分光器１２２は、入射された蛍光から波長１００２ｎｍの光を射出するように調整される。そして、受光部１１の容器をセラミックヒータで加熱することによって容器内のセシウムをガス化する。４ｆ起動の励起確率を考慮して、４ｆ軌道の励起原子数を測定し得るセシウム原子の数密度が得られるように、例えば、約１５０℃のセシウムガスを生成する。 From these, first, the relationship between the absolute phase in the 4f orbit and the number of excited atoms is calculated in advance by the computer as described above. Based on the calculation result, the integrated signal of the absolute phase in the 4f orbit and the light intensity of the fluorescence This relationship is stored as conversion information from the input unit 13 to the conversion information storage unit 161A of the storage unit 16A. The single wavelength spectrometer 122 is adjusted so as to emit light having a wavelength of 1002 nm from the incident fluorescence. And the cesium in a container is gasified by heating the container of the light-receiving part 11 with a ceramic heater. Considering the excitation probability of 4f activation, for example, cesium gas at about 150 ° C. is generated so that the number density of cesium atoms capable of measuring the number of excited atoms in the 4f orbit is obtained.

このような準備を予め行った後に測定が開始される。絶対位相測定装置１Ａの受光部１１にフェムト秒パルスレーザ装置２からフェムト秒パルスレーザ光が入射されると、フェムト秒パルスレーザ光によって受光部１１のセシウム原子が励起され、フェムト秒パルスレーザ光の入射が終了すると、励起したセシウム原子が様々な波長の蛍光を発光する。 Measurement is started after such preparations are made in advance. When the femtosecond pulse laser beam is incident from the femtosecond pulse laser device 2 on the light receiving unit 11 of the absolute phase measuring apparatus 1A, the cesium atoms in the light receiving unit 11 are excited by the femtosecond pulse laser beam, and the femtosecond pulse laser beam When the incidence is completed, the excited cesium atoms emit fluorescence of various wavelengths.

この発光した蛍光は、蛍光強度測定部１２Ａの受光光学系１２１に入射され、受光光学系１２１で集光される。この集光された蛍光は、単波長分光器１２２に入射され、単波長分光器１２２で波長分解され、波長１００２ｎｍの蛍光が射出される。この射出された波長１００２ｎｍの蛍光は、光電子増倍管１２３に入射され、所定の倍増度で光電子増倍管１２３により増幅される。光電子増倍管１２３は、波長１００２ｎｍの蛍光の光強度に応じた信号をディジタルオシロスコープ１２４へ出力する。積分回数のフェムト秒パルスレーザ光がフェムト秒パルスレーザ装置２から絶対位相測定装置１Ａに順次にそれぞれ入射され、同様の動作によって、その都度、波長１００２ｎｍの蛍光の光強度に応じた信号が光電子増倍管１２３からディジタルオシロスコープ１２４へ出力され、ディジタルオシロスコープ１２４は、その信号を積分し、波長１００２ｎｍの蛍光における光強度の積分信号を生成する。この光強度の積分信号は、ディジタルオシロスコープ１２４からインタフェース部１７を介して演算処理部１５Ａの絶対位相演算部１５１Ａに入力される。 The emitted fluorescence enters the light receiving optical system 121 of the fluorescence intensity measuring unit 12A and is collected by the light receiving optical system 121. The condensed fluorescence is incident on the single wavelength spectrometer 122, wavelength-resolved by the single wavelength spectrometer 122, and fluorescence having a wavelength of 1002 nm is emitted. The emitted fluorescence having a wavelength of 1002 nm enters the photomultiplier tube 123 and is amplified by the photomultiplier tube 123 at a predetermined multiplication factor. The photomultiplier tube 123 outputs a signal corresponding to the light intensity of fluorescence having a wavelength of 1002 nm to the digital oscilloscope 124. The femtosecond pulse laser beam of the number of integrations is sequentially incident on the absolute phase measurement device 1A from the femtosecond pulse laser device 2, and a signal corresponding to the fluorescence light intensity with a wavelength of 1002 nm is generated each time by the same operation. The double tube 123 outputs to the digital oscilloscope 124. The digital oscilloscope 124 integrates the signal to generate an integrated signal of the light intensity in the fluorescence having a wavelength of 1002 nm. The integrated signal of the light intensity is input from the digital oscilloscope 124 via the interface unit 17 to the absolute phase calculation unit 151A of the calculation processing unit 15A.

絶対位相演算部１５１Ａは、この入力された光強度の積分信号に基づいて、記憶部１６Ａの変換情報記憶部１６１Ａに記憶されている変換情報を用いて、光強度の積分信号を絶対位相に変換する。絶対位相演算部１５１Ａは、この絶対位相を測定結果として出力部１４に出力し、出力部１４は、測定結果の絶対位相を提示する。 The absolute phase calculation unit 151A converts the integrated signal of the light intensity into an absolute phase using the conversion information stored in the conversion information storage unit 161A of the storage unit 16A based on the input integrated signal of the light intensity. To do. The absolute phase calculation unit 151A outputs this absolute phase as a measurement result to the output unit 14, and the output unit 14 presents the absolute phase of the measurement result.

このように絶対位相測定装置１Ａが動作することによって、フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を測定することができる。そして、このような絶対位相測定装置１Ａでは、例えばピーク光強度が１０^１１Ｗ／ｃｍ^２程度でよく、また、励起原子数を測定するために簡易な構成の蛍光強度測定部１２Ａを用いればよいので、従来技術に較べて、高強度レーザ光を必要とすることなく、また、より簡易な機構で絶対位相を測定することができる。 By operating the absolute phase measuring apparatus 1A in this way, the absolute phase of the femtosecond pulse laser beam can be measured. In such an absolute phase measuring apparatus 1A, for example, the peak light intensity may be about 10 ¹¹ W / cm ² , and the fluorescence intensity measuring unit 12A having a simple configuration may be used to measure the number of excited atoms. Therefore, the absolute phase can be measured with a simpler mechanism without requiring a high-intensity laser beam as compared with the prior art.

次に、別の実施形態について説明する。
（第２の実施形態に構成）
図５は、第２の実施形態に係る絶対位相測定装置の構成を示すブロック図である。第１の実施形態に係る絶対位相測定装置１Ａは、一個の軌道の励起原子数に基づいて絶対位相を測定するものであるが、第２の実施形態に係る絶対位相測定装置１Ｂは、複数の軌道、例えば、二個の軌道の励起原子数に基づいて絶対位相を測定するものである。 Next, another embodiment will be described.
(Configuration in the second embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of an absolute phase measuring apparatus according to the second embodiment. Although the absolute phase measurement device 1A according to the first embodiment measures the absolute phase based on the number of excited atoms of one orbit, the absolute phase measurement device 1B according to the second embodiment includes a plurality of absolute phase measurement devices 1B. The absolute phase is measured based on the number of excited atoms of the orbit, for example, two orbits.

そのため、図５に示すように、第２の絶対位相測定装置１Ｂは、受光部１１と、所定の一波長の蛍光の光強度を求める第１の実施形態における蛍光強度測定部１２Ａの代わりに、所定の複数波長の蛍光の光強度をそれぞれ求める蛍光強度測定部１２Ｂと、所定の複数波長の蛍光における光強度の積分信号がそれぞれ入力される複数のインタフェース部１７と、入力部１３と、出力部１４と、一個の軌道の励起原子数に基づいて絶対位相を演算する（一波長の蛍光の光強度の積分信号に基づいて絶対位相を演算する）第１の実施形態における絶対位相演算部１５１Ａを機能的に備える演算処理部１５Ａの代わりに、複数の軌道の励起原子数に基づいて一の絶対位相を演算する（複数波長の蛍光の光強度の積分信号に基づいて一の絶対位相を演算する）絶対位相演算部１５１Ｂを機能的に備える演算処理部１５Ｂと、一個の軌道の励起原子数から絶対位相へ変換する変換情報（一波長の蛍光における光強度の積分信号から絶対位相へ変換する変換情報）を記憶する変換情報記憶部１６１Ａを機能的に備える第１の実施形態における記憶部１６Ａの代わりに、複数の軌道のそれぞれに対し、励起原子数から絶対位相へ変換する変換情報（一波長の蛍光における光強度の積分信号から絶対位相へ変換する変換情報）を記憶する変換情報記憶部１６１Ｂを機能的に備える記憶部１６Ｂと、バス１８とを備える。 Therefore, as shown in FIG. 5, the second absolute phase measuring device 1 B replaces the light receiving unit 11 and the fluorescence intensity measuring unit 12 A in the first embodiment for obtaining the light intensity of fluorescence having a predetermined wavelength. Fluorescence intensity measuring unit 12B that obtains the light intensity of fluorescence of a predetermined plurality of wavelengths, a plurality of interface units 17 to which integrated signals of light intensities of a predetermined plurality of wavelengths are input, an input unit 13, and an output unit 14 and the absolute phase calculation unit 151A according to the first embodiment that calculates the absolute phase based on the number of excited atoms in one orbit (calculates the absolute phase based on the integrated signal of the light intensity of one wavelength of fluorescence). Instead of the functional processing unit 15A, one absolute phase is calculated based on the number of excited atoms in a plurality of orbits (one absolute phase is calculated based on an integrated signal of the light intensity of fluorescent light having a plurality of wavelengths). And an arithmetic processing unit 15B functionally provided with an absolute phase calculation unit 151B, and conversion information for converting the number of excited atoms in one orbit into an absolute phase (converting an integrated signal of light intensity in one wavelength of fluorescence into an absolute phase) Instead of the storage unit 16A in the first embodiment functionally including a conversion information storage unit 161A that stores conversion information), conversion information (one for conversion from the number of excited atoms to an absolute phase for each of a plurality of orbitals is provided. A storage unit 16B that functionally includes a conversion information storage unit 161B that stores (conversion information for conversion from an integrated signal of light intensity in fluorescence of a wavelength to an absolute phase), and a bus 18.

第２の実施形態における受光部１１、入力部１３及び出力部１４については、第１の実施形態における受光部１１、入力部１３及び出力部１４と同様なので、その説明を省略する。第２の実施形態における蛍光強度測定部１２Ｂ、演算処理部１５Ｂ、記憶部１６Ｂ及びインタフェース部１７については、第１の実施形態における蛍光強度測定部１２Ａ、演算処理部１５Ａ、記憶部１６Ａ及びインタフェース部１７と異なる点を以下に説明する。 Since the light receiving unit 11, the input unit 13, and the output unit 14 in the second embodiment are the same as the light receiving unit 11, the input unit 13 and the output unit 14 in the first embodiment, description thereof will be omitted. Regarding the fluorescence intensity measurement unit 12B, the calculation processing unit 15B, the storage unit 16B, and the interface unit 17 in the second embodiment, the fluorescence intensity measurement unit 12A, the calculation processing unit 15A, the storage unit 16A, and the interface unit in the first embodiment. Differences from 17 will be described below.

蛍光強度測定部１２Ｂは、例えば、受光部１１からの蛍光を集光する受光光学系１２１と、受光光学系１２１によって集光された蛍光を波長分解してこの波長分解した蛍光から所定の複数波長の蛍光を射出する例えばポリクロメータ等の多波長分光器１２５と、多波長分光器１２５から射出される所定の複数波長の蛍光のそれぞれに対応して設けられ、蛍光を所定の倍増度で増幅してこの蛍光の光強度に応じた信号を出力する複数の光電子増倍管１２３と、複数の光電子増倍管１２３のそれぞれに対応して設けられ、光電子増倍管１２３から出力された信号をフェムト秒パルスレーザ光ごとに積分して光強度の積分信号を出力する複数のディジタルオシロスコープ１２４とを備えて構成される。 The fluorescence intensity measurement unit 12B includes, for example, a light receiving optical system 121 that condenses the fluorescence from the light receiving unit 11, and wavelength-decomposing the fluorescence collected by the light receiving optical system 121, and a plurality of predetermined wavelengths from the wavelength-resolved fluorescence. For example, a multi-wavelength spectrometer 125 such as a polychromator, and a plurality of predetermined wavelengths of fluorescence emitted from the multi-wavelength spectrometer 125, and amplifies the fluorescence at a predetermined multiplication factor. A plurality of photomultiplier tubes 123 for outputting a signal corresponding to the light intensity of the fluorescent light and a plurality of photomultiplier tubes 123 are provided corresponding to each of the photomultiplier tubes 123, and the signal output from the photomultiplier tube 123 is fed to the femto And a plurality of digital oscilloscopes 124 that integrate each second pulse laser beam and output an integrated signal of light intensity.

ここで、第２の実施形態では、二個の軌道の励起原子数に基づいて絶対位相を測定するものであるため、インタフェース部１７は、二個の第１及び第２インタフェース部１７−１、１７−２であり、複数の光電子増倍管１２３は、二個の第１及び第２光電子増倍管１２３−１、１２３−２であり、複数のディジタルオシロスコープ１２４は、二個の第１及び第２ディジタルオシロスコープ１２４−１、１２４−２であり、絶対位相演算部１５１Ｂは、二個の軌道の励起原子数に基づいて一の絶対位相を演算する（二波長の蛍光の光強度の積分信号に基づいて一の絶対位相を演算する）ものであり、変換情報記憶部１６１Ｂは、第１の軌道における、励起原子数から絶対位相へ変換する第１変換情報（一波長の蛍光における光強度の積分信号から絶対位相へ変換する第１変換情報）と、第２の軌道における、励起原子数から絶対位相へ変換する第２変換情報（一波長の蛍光における光強度の積分信号から絶対位相へ変換する第２変換情報）とを記憶するものである。 Here, in the second embodiment, since the absolute phase is measured based on the number of excited atoms of two orbits, the interface unit 17 includes two first and second interface units 17-1, 17-2, the plurality of photomultiplier tubes 123 are the two first and second photomultiplier tubes 123-1, 123-2, and the plurality of digital oscilloscopes 124 are the two first and second photomultiplier tubes 123-1, 123-2. The second digital oscilloscopes 124-1 and 124-2, and the absolute phase calculation unit 151 B calculates one absolute phase based on the number of excited atoms in two orbits (an integrated signal of the light intensity of two wavelengths of fluorescence). The conversion information storage unit 161B calculates the first conversion information for converting the number of excited atoms into the absolute phase in the first orbit (the light intensity of one wavelength of fluorescence). Integral signal First conversion information to be converted to an absolute phase) and second conversion information to be converted from the number of excited atoms to an absolute phase in the second orbit (second to be converted from an integrated signal of light intensity in one wavelength of fluorescence to an absolute phase) Conversion information).

次に、本実施形態の動作について説明する。
（第２の実施形態の動作）
まず、第１の実施形態と同様に、絶対位相を測定するために、フェムト秒パルスレーザ光によって励起される励起原子数や変動の深度Ｍ等を考慮して、何れの軌道の絶対位相と励起原子数との関係を利用するかを決定するが、第２の実施形態では、２個の軌道の絶対位相と励起原子数との関係を選択する。例えば、本実施形態では、原子ガスとしてセシウムガスを用いるので、上述の理由から、４ｆ軌道に加えて８ｐ軌道を採用した。４ｆ軌道の場合は、上述の通りであり、一方、８ｐ軌道の場合、８ｐ軌道に励起した電子は、５ｄ軌道に電子が遷移し、その際に波長８０２ｎｍの蛍光を発光する。そして、絶対位相の測定の際におけるフェムト秒パルスレーザ光の受光回数、即ち、積分回数を設定する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
(Operation of Second Embodiment)
First, in the same way as in the first embodiment, in order to measure the absolute phase, the absolute phase and excitation of any orbit are considered in consideration of the number of excited atoms excited by the femtosecond pulsed laser light, the variation depth M, and the like. Whether to use the relationship with the number of atoms is determined. In the second embodiment, the relationship between the absolute phase of two orbitals and the number of excited atoms is selected. For example, in this embodiment, since cesium gas is used as the atomic gas, an 8p orbit is employed in addition to the 4f orbit for the above-described reason. The case of the 4f orbit is as described above. On the other hand, in the case of the 8p orbit, the electrons excited in the 8p orbit transition to the 5d orbital and emit fluorescence with a wavelength of 802 nm. Then, the number of received femtosecond pulsed laser beams when measuring the absolute phase, that is, the number of integrations is set.

これら等から、まず、４ｆ軌道及び８ｐ軌道における絶対位相と励起原子数との関係が上述のように計算機によって予め計算され、この計算結果に基づいて、４ｆ軌道及び８ｐ軌道における絶対位相と蛍光の光強度の積分信号との関係とされ、これら関係が第１及び第２変換情報として入力部１３から記憶部１６Ｂの変換情報記憶部１６１Ｂに記憶される。そして、多波長分光器１２５は、入射された蛍光から波長１００２ｎｍの光及び波長８０２ｎｍの光を射出するように調整される。そして、受光部１１の容器をセラミックヒータで加熱することによって、例えば約１５０℃のセシウムガスとなるように、容器内のセシウムをガス化する。 From these, first, the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 4f and 8p orbits is calculated in advance by the computer as described above, and based on the calculation result, the absolute phase and fluorescence in the 4f and 8p orbits are calculated. The relationship with the integrated signal of the light intensity is stored as first and second conversion information from the input unit 13 to the conversion information storage unit 161B of the storage unit 16B. The multi-wavelength spectrometer 125 is adjusted to emit light having a wavelength of 1002 nm and light having a wavelength of 802 nm from the incident fluorescence. And the cesium in a container is gasified so that it may become cesium gas of about 150 degreeC by heating the container of the light-receiving part 11 with a ceramic heater, for example.

このような準備を予め行った後に測定が開始される。絶対位相測定装置１Ｂの受光部１１にフェムト秒パルスレーザ装置２からフェムト秒パルスレーザ光が入射されると、第１の実施形態と同様に、受光部１１のセシウム原子が励起され、様々な波長の蛍光が発光され、受光光学系１２１で集光される。 Measurement is started after such preparations are made in advance. When femtosecond pulsed laser light is incident on the light receiving unit 11 of the absolute phase measuring device 1B from the femtosecond pulsed laser device 2, the cesium atoms in the light receiving unit 11 are excited and have various wavelengths as in the first embodiment. Are emitted and collected by the light receiving optical system 121.

この集光された蛍光は、多波長分光器１２５に入射され、多波長分光器１２５で波長分解され、波長１００２ｎｍの蛍光及び波長８０２ｎｍの蛍光がそれぞれ射出される。この射出された波長１００２ｎｍの蛍光及び波長８０２ｎｍの蛍光は、第１及び第２光電子増倍管１２３−１、１２３−２にそれぞれ入射され、所定の倍増度で第１及び第２光電子増倍管１２３−１、１２３−２によりそれぞれ増幅される。第１及び第２光電子増倍管１２３−１、１２３−２は、波長１００２ｎｍの蛍光の光強度に応じた第１信号及び波長８０２ｎｍの蛍光の光強度に応じた第２信号を第１及び第２ディジタルオシロスコープ１２４−１、１２４−２へそれぞれ出力する。積分回数のフェムト秒パルスレーザ光がフェムト秒パルスレーザ装置２から絶対位相測定装置１Ｂに順次にそれぞれ入射され、同様の動作によって、その都度、波長１００２ｎｍの蛍光の光強度に応じた第１信号及び波長８０２ｎｍの蛍光の光強度に応じた第２信号が第１及び第２光電子増倍管１２３−１、１２３−２から第１及び第２ディジタルオシロスコープ１２４−１、１２４−２へそれぞれ出力され、第１及び第２ディジタルオシロスコープ１２４−１、１２４−２は、それら第１及び第２信号をそれぞれ積分し、波長１００２ｎｍの蛍光における光強度の第１積分信号及び波長８０２ｎｍの蛍光における光強度の第２積分信号をそれぞれ生成する。この光強度の第１及び第２積分信号は、第１及び第２ディジタルオシロスコープ１２４−１、１２４−２から第１及び第２インタフェース部１７−１、１７−２を介して演算処理部１５Ｂの絶対位相演算部１５１Ｂに入力される。 The condensed fluorescence is incident on the multi-wavelength spectrometer 125, wavelength-resolved by the multi-wavelength spectrometer 125, and fluorescence having a wavelength of 1002nm and fluorescence having a wavelength of 802nm are respectively emitted. The emitted fluorescence having a wavelength of 1002 nm and fluorescence having a wavelength of 802 nm are respectively incident on the first and second photomultiplier tubes 123-1 and 123-2, and the first and second photomultiplier tubes have a predetermined multiplication factor. Amplified by 123-1 and 123-2, respectively. The first and second photomultiplier tubes 123-1 and 123-2 receive the first signal corresponding to the fluorescence light intensity at a wavelength of 1002 nm and the second signal corresponding to the light intensity of the fluorescence at a wavelength of 802 nm. 2 Output to digital oscilloscopes 124-1, 124-2, respectively. The femtosecond pulsed laser light of the number of integrations is sequentially incident on the absolute phase measuring device 1B from the femtosecond pulsed laser device 2 respectively, and by the same operation, the first signal corresponding to the light intensity of the fluorescence having a wavelength of 1002 nm and A second signal corresponding to the light intensity of fluorescence having a wavelength of 802 nm is output from the first and second photomultiplier tubes 123-1 and 123-2 to the first and second digital oscilloscopes 124-1 and 124-2, respectively. The first and second digital oscilloscopes 124-1 and 124-2 integrate the first and second signals, respectively, and the first integrated signal of the light intensity in the fluorescence with a wavelength of 1002 nm and the first intensity signal in the fluorescence with a wavelength of 802 nm. Two integral signals are generated respectively. The first and second integrated signals of the light intensity are sent from the first and second digital oscilloscopes 124-1 and 124-2 to the arithmetic processing unit 15B via the first and second interface units 17-1 and 17-2. It is input to the absolute phase calculation unit 151B.

絶対位相演算部１５１Ｂは、まず、この入力された光強度の第１積分信号に基づいて、記憶部１６Ｂの変換情報記憶部１６１Ｂに記憶されている第１変換情報を用いて、光強度の第１積分信号を絶対位相に変換し、第１絶対位相とする。次に、絶対位相演算部１５１Ｂは、この入力された光強度の第２積分信号に基づいて、記憶部１６Ｂの変換情報記憶部１６１Ｂに記憶されている第２変換情報を用いて、光強度の第２積分信号を絶対位相に変換し、第２絶対位相とする。そして、絶対位相演算部１５１Ｂは、第１及び第２絶対位相を算術平均や加重平均等によって、第１及び第２絶対位相に基づいて一の絶対位相を演算する。絶対位相演算部１５１Ｂは、この一の絶対位相を測定結果として出力部１４に出力し、出力部１４は、測定結果の絶対位相を提示する。 First, the absolute phase calculation unit 151B uses the first conversion information stored in the conversion information storage unit 161B of the storage unit 16B based on the input first integrated signal of the light intensity, One integral signal is converted into an absolute phase to be a first absolute phase. Next, the absolute phase calculation unit 151B uses the second conversion information stored in the conversion information storage unit 161B of the storage unit 16B based on the input second integrated signal of the light intensity, to calculate the light intensity. The second integrated signal is converted into an absolute phase to obtain a second absolute phase. Then, the absolute phase calculator 151B calculates one absolute phase based on the first and second absolute phases by arithmetic average, weighted average, or the like for the first and second absolute phases. The absolute phase calculation unit 151B outputs this one absolute phase as a measurement result to the output unit 14, and the output unit 14 presents the absolute phase of the measurement result.

このように絶対位相測定装置１Ｂが動作することによって、フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を測定することができる。そして、このような絶対位相測定装置１Ｂでは、例えばピーク光強度が１０^１１Ｗ／ｃｍ^２程度でよく、また、励起原子数を測定するために簡易な構成の蛍光強度測定部１２Ｂを用いればよいので、従来技術に較べて、高強度レーザ光を必要とすることなく、また、より簡易な機構で絶対位相を測定することができる。 By operating the absolute phase measuring apparatus 1B in this manner, the absolute phase of the femtosecond pulse laser beam can be measured. In such an absolute phase measuring apparatus 1B, for example, the peak light intensity may be about 10 ¹¹ W / cm ² , and the fluorescence intensity measuring unit 12B having a simple configuration may be used to measure the number of excited atoms. Therefore, the absolute phase can be measured with a simpler mechanism without requiring a high-intensity laser beam as compared with the prior art.

特に、第２の実施形態では、絶対位相測定装置１Ｂは、二個の軌道の励起原子数（二波長の蛍光の光強度の積分信号）に基づいて絶対位相を測定するので、より精度よく絶対位相を測定することができる。また、図２及び図３（Ｃ）を見ると分かるように、４ｆ軌道の励起原子数と絶対位相との関係には、一の励起原子数に対し二の絶対位相が対応する場合があるが、４ｆ軌道の励起原子数と絶対位相との関係と８ｐ軌道の励起原子数と絶対位相との関係とは上述したようにシフトしているので、８ｐ軌道の励起原子数に基づく絶対位相を考慮することによって、二の絶対位相のうちの真の絶対位相を判定することができる。例えば、４ｆ軌道及び８ｐ軌道の励起原子数ｎ１、ｎ２が測定されると、図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、４ｆ軌道の励起原子数と絶対位相との関係によって二の絶対位相ＣＥＰ１、ＣＥＰ２が求められるが、これに８ｐ軌道の励起原子数と絶対位相との関係によって求めた二の絶対位相ＣＥＰ２、ＣＥＰ３を考慮することによって、両者に共通する絶対位相ＣＥＰ２が真の絶対位相であると判定される。 In particular, in the second embodiment, the absolute phase measurement device 1B measures the absolute phase based on the number of excited atoms of two orbits (integrated signal of the light intensity of two-wavelength fluorescence), so that the absolute phase is more accurately detected. The phase can be measured. As can be seen from FIG. 2 and FIG. 3C, the relationship between the number of excited atoms in the 4f orbit and the absolute phase may correspond to two absolute phases for one excited atom. Since the relationship between the number of excited atoms in the 4f orbital and the absolute phase and the relationship between the number of excited atoms in the 8p orbital and the absolute phase are shifted as described above, the absolute phase based on the number of excited atoms in the 8p orbital is considered. By doing so, the true absolute phase of the two absolute phases can be determined. For example, when the number of excited atoms n1 and n2 of the 4f orbit and the 8p orbital is measured, as shown in FIGS. Phases CEP1 and CEP2 are obtained. By considering the two absolute phases CEP2 and CEP3 obtained from the relationship between the number of excited atoms of the 8p orbit and the absolute phase, the absolute phase CEP2 common to both is obtained as a true absolute value. The phase is determined.

なお、第２の実施形態において、多波長分光器１２５は、受光光学系１２１で集光した光を複数に分配する光カプラと、光カプラで分配された複数の光のそれぞれに対応して設けられる複数の単波長分光器とで構成してもよい。あるいは、第２の実施形態において、蛍光強度測定部１２Ｂの代わりに第１の実施形態における蛍光強度測定部１２Ａを用い、まず、蛍光強度測定部１２Ａの単波長分光器１２２を波長１００２ｎｍの光が射出されるように調整して第１絶対位相を測定し、次に、蛍光強度測定部１２Ａの単波長分光器１２２を波長８０２ｎｍの光が射出されるように調整して第２絶対位相を測定し、演算処理部１５Ｂの絶対位相演算部１５１Ｂは、時分割で測定したこれら第１及び第２絶対位相に基づいて一の絶対位相を演算するように構成してもよい。 In the second embodiment, the multi-wavelength spectrometer 125 is provided corresponding to each of an optical coupler that distributes the light collected by the light receiving optical system 121 into a plurality of light and a plurality of lights that are distributed by the optical coupler. A plurality of single wavelength spectrometers may be used. Alternatively, in the second embodiment, instead of the fluorescence intensity measurement unit 12B, the fluorescence intensity measurement unit 12A in the first embodiment is used. First, the single wavelength spectrometer 122 of the fluorescence intensity measurement unit 12A receives light having a wavelength of 1002 nm. The first absolute phase is measured by adjusting so that it is emitted, and then the second absolute phase is measured by adjusting the single wavelength spectrometer 122 of the fluorescence intensity measuring unit 12A so that light having a wavelength of 802 nm is emitted. Then, the absolute phase calculation unit 151B of the calculation processing unit 15B may be configured to calculate one absolute phase based on the first and second absolute phases measured in time division.

そして、第１及び第２の実施形態において、測定データの記録や、変換情報の変換情報記憶部１６１Ａ、１６１Ｂへのインストール等を実行するために、必要に応じて絶対位相測定装置１Ａ、１Ｂは、図４及び図５に破線で示すように、外部記憶部１９をさらに備えてもよい。外部記憶部１９は、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ（Compact Disc Read Only Memory）、ＣＤ−Ｒ（Compact Disc Recordable）及びＤＶＤ−Ｒ（Digital Versatile Disc Recordable）等の記録媒体との間でデータを読み込み及び／又は書き込みを行う装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、ＣＤ−Ｒドライブ及びＤＶＤ−Ｒドライブ等である。 In the first and second embodiments, the absolute phase measurement devices 1A and 1B are used as necessary to execute recording of measurement data, installation of conversion information into the conversion information storage units 161A and 161B, and the like. 4 and 5, an external storage unit 19 may be further provided as indicated by a broken line. The external storage unit 19 stores data with a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a CD-R (Compact Disc Recordable), and a DVD-R (Digital Versatile Disc Recordable). An apparatus that performs reading and / or writing, such as a flexible disk drive, a CD-ROM drive, a CD-R drive, and a DVD-R drive.

また、第１及び第２の実施形態において、測定したフェムト秒パルスレーザ光の絶対位相をフェムト秒パルスレーザ装置２に出力するべく、図４及び図５に破線で示すように、絶対位相測定装置１Ａ、１Ｂ及びフェムト秒パルスレーザ装置２の間で相互に信号を交換するためのインタフェース回路である第３インタフェース部１７−３をさらに備えてもよい。このように構成することによって、射出したフェムト秒パルスレーザ光の絶対位相がフェムト秒パルスレーザ装置２にフィードバックされるから、フェムト秒パルスレーザ装置２は、射出したフェムト秒パルスレーザ光の絶対位相が目標の絶対位相からずれている場合に絶対位相を調整することによって、目標の絶対位相のフェムト秒パルスレーザ光を射出することができる。請求項の出力部は、図４及び図５に示す出力部１４だけでなく、このような第３インタフェース部１７−３を含む。 Further, in the first and second embodiments, the absolute phase measuring device as shown by broken lines in FIGS. 4 and 5 is used to output the measured absolute phase of the femtosecond pulsed laser beam to the femtosecond pulsed laser device 2. You may further provide the 3rd interface part 17-3 which is an interface circuit for mutually exchanging a signal between 1A, 1B, and the femtosecond pulse laser apparatus 2. FIG. With this configuration, since the absolute phase of the emitted femtosecond pulse laser beam is fed back to the femtosecond pulse laser apparatus 2, the femtosecond pulse laser apparatus 2 has the absolute phase of the emitted femtosecond pulse laser beam. By adjusting the absolute phase when it is deviated from the target absolute phase, femtosecond pulsed laser light having the target absolute phase can be emitted. The output part of a claim contains not only the output part 14 shown in FIG.4 and FIG.5 but such 3rd interface part 17-3.

ここで、本発明は、絶対位相というフェムト秒パルスレーザ光を特徴付ける基本的な物理量を測定することができる。このため、本発明は、様々な産業分野に応用可能である。 Here, the present invention can measure a basic physical quantity that characterizes femtosecond pulsed laser light, which is an absolute phase. For this reason, this invention is applicable to various industrial fields.

セシウム原子の準位構造を示す図である。It is a figure which shows the level structure of a cesium atom. 絶対位相と励起原子数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between an absolute phase and the number of excited atoms. ５ｄ軌道、８ｐ軌道及び４ｆ軌道における絶対位相と励起原子数との関係を示す拡大図である。It is an enlarged view showing the relationship between the absolute phase and the number of excited atoms in the 5d orbit, 8p orbit, and 4f orbit. 第１の実施形態に係る絶対位相測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the absolute phase measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第２の実施形態に係る絶対位相測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the absolute phase measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment. フェムト秒パルスと絶対位相との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a femtosecond pulse and an absolute phase.

符号の説明Explanation of symbols

１Ａ、１Ｂ絶対位相測定装置
２フェムト秒パルスレーザ装置
１１受光部
１２蛍光強度測定部
１５Ａ、１５Ｂ演算処理部
１６Ａ、１６Ｂ記憶部
１７インタフェース部
１２１受光光学系
１２２単波長分光器
１２３光電子増倍管
１２４ディジタルオシロスコープ
１２５多波長分光器
１５１Ａ、１５１Ｂ絶対位相演算部
１６１Ａ、１６１Ｂ変換情報記憶部 1A, 1B Absolute phase measuring device 2 Femtosecond pulse laser device 11 Light receiving unit 12 Fluorescence intensity measuring unit 15A, 15B Arithmetic processing unit 16A, 16B Storage unit 17 Interface unit 121 Light receiving optical system 122 Single wavelength spectrometer 123 Photomultiplier tube 124 Digital oscilloscope 125 Multi-wavelength spectrometer 151A, 151B Absolute phase calculation unit 161A, 161B Conversion information storage unit

Claims

フェムト秒パルスレーザ光を受光し内部に原子ガスが封入された受光部と、
前記フェムト秒パルスレーザ光を受光することによって励起した前記原子ガスの励起原子数を測定する測定部と、
励起原子数と絶対位相との関係に基づいて、前記測定部で測定した励起原子数から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算する演算部と、
前記演算部で演算した前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を出力する出力部とを備えること
を特徴とする絶対位相測定装置。 A light receiving portion that receives femtosecond pulse laser light and encloses an atomic gas therein;
A measurement unit that measures the number of excited atoms of the atomic gas excited by receiving the femtosecond pulsed laser light;
Based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase, a calculation unit that calculates the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the number of excited atoms measured by the measurement unit;
An absolute phase measurement device comprising: an output unit that outputs an absolute phase of the femtosecond pulsed laser light calculated by the calculation unit.

前記測定部は、前記受光部から射出された蛍光であって所定の軌道に励起した励起原子に起因する所定の波長の蛍光における光強度を蛍光強度として測定する蛍光強度測定部であり、
前記演算部は、前記励起原子数と絶対位相との関係に基づいて変換した蛍光強度と絶対位相との関係に基づいて、前記蛍光強度測定部で測定した蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算すること
を特徴とする請求項１に記載の絶対位相測定装置。 The measurement unit is a fluorescence intensity measurement unit that measures the light intensity of fluorescence emitted from the light receiving unit and having a predetermined wavelength caused by excited atoms excited in a predetermined orbit as fluorescence intensity,
The calculation unit is configured to calculate the femtosecond pulsed laser light from the fluorescence intensity measured by the fluorescence intensity measurement unit based on the relationship between the fluorescence intensity converted based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase and the absolute phase. The absolute phase measuring device according to claim 1, wherein an absolute phase is calculated.

前記測定部は、前記受光部から射出された蛍光であって所定の複数の軌道に励起した励起原子にそれぞれ起因する複数の波長の蛍光における複数の光強度を複数の蛍光強度としてそれぞれ測定する蛍光強度測定部であり、
前記演算部は、前記励起原子数と絶対位相との関係に基づいて変換した蛍光強度と絶対位相との関係であって前記複数の軌道にそれぞれ対応する複数の関係に基づいて、前記蛍光強度測定部で測定した複数の蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算すること
を特徴とする請求項１に記載の絶対位相測定装置。 The measurement unit is a fluorescence that is emitted from the light receiving unit and measures a plurality of light intensities in a plurality of wavelengths of fluorescence caused by excited atoms excited in a predetermined plurality of orbits as a plurality of fluorescence intensities, respectively. Strength measurement unit,
The calculation unit is configured to measure the fluorescence intensity based on a plurality of relationships between the fluorescence intensity and the absolute phase converted based on the relationship between the number of excited atoms and the absolute phase and corresponding to the plurality of trajectories, respectively. The absolute phase measuring device according to claim 1, wherein the absolute phase of the femtosecond pulsed laser beam is calculated from a plurality of fluorescence intensities measured by a unit.

前記原子ガスの原子は、アルカリ金属であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の絶対位相測定装置。 The absolute phase measuring device according to claim 1 or 2, wherein an atom of the atomic gas is an alkali metal.

フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した前記原子ガスの励起原子数を測定するステップと、
励起原子数と絶対位相との関係に基づいて、前記測定した励起原子数から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えること
を特徴とする絶対位相測定方法。 Irradiating an atomic gas with femtosecond pulsed laser light;
Measuring the number of excited atoms of the atomic gas excited by irradiating the femtosecond pulsed laser beam;
An absolute phase measurement method comprising: calculating an absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the measured number of excited atoms based on a relationship between the number of excited atoms and the absolute phase.

フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した所定の軌道の励起原子に起因する所定の波長の蛍光における光強度を蛍光強度として測定するステップと、
蛍光強度と絶対位相との関係に基づいて、前記測定した蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えること
を特徴とする絶対位相測定方法。 Irradiating an atomic gas with femtosecond pulsed laser light;
Measuring the light intensity in the fluorescence of a predetermined wavelength caused by the excited atoms of the predetermined orbit excited by irradiating the femtosecond pulsed laser light as the fluorescence intensity;
An absolute phase measurement method comprising: calculating an absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the measured fluorescence intensity based on a relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase.

フェムト秒パルスレーザ光を原子ガスに照射するステップと、
前記フェムト秒パルスレーザ光を照射することによって励起した所定の複数の軌道の励起原子にそれぞれ起因する複数の波長の蛍光における複数の光強度を複数の蛍光強度として測定するステップと、
蛍光強度と絶対位相との関係であって前記複数の軌道にそれぞれ対応する複数の関係に基づいて、前記測定した複数の蛍光強度から前記フェムト秒パルスレーザ光の絶対位相を演算するステップとを備えること
を特徴とする絶対位相測定方法。 Irradiating an atomic gas with femtosecond pulsed laser light;
Measuring a plurality of light intensities in a plurality of wavelengths of fluorescence caused by excitation atoms of a plurality of predetermined orbits excited by irradiating the femtosecond pulsed laser light as a plurality of fluorescence intensities;
Calculating the absolute phase of the femtosecond pulsed laser light from the plurality of measured fluorescence intensities based on the relationship between the fluorescence intensity and the absolute phase and corresponding to the plurality of orbits. An absolute phase measurement method characterized by the above.