JP6290697B2 - 波形計測装置およびパルス光生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、波形計測装置およびパルス光生成装置に関するものである。

近年、アト秒オーダーないしナノ秒オーダーといった極めて短い時間幅を有する超短パルス光を利用したレーザ加工装置や顕微鏡などが開発されている。また、非線形光学効果を利用した情報通信システムの開発も進められている。例えばこれらのような技術分野では、所望の時間波形を有する超短パルス光を生成することが望まれている。

超短パルス光の所望の時間波形は、例えば、様々な波長成分を有する光を重ね合わせ、各波長成分の位相を調整することによって得られる。そして、所望の時間波形をより精度良く実現するためには、生成された超短パルス光の時間波形を計測し、各波長成分の位相の調整にその計測結果をフィードバックするとよい。なお、特許文献１及び２には、超短パルス光の時間波形を正確に計測するための波形再構成装置が開示されている。

特開２０１０−２０４３０８号公報 特開２０１３−１７０９０５号公報

超短パルス光の時間幅は極めて短いので、超短パルス光の時間波形を直接計測することは難しい。従って、様々な波長成分を重ね合わせることに対応する強度スペクトルと、各波長成分の位相を調整することに対応する位相スペクトルとを個別に求め、これらに基づいて超短パルス光の時間波形を算出する手法が検討されている。

ここで、超短パルス光の強度スペクトルは、比較的容易に計測可能である。しかしながら、超短パルス光の位相スペクトルの計測は容易ではない。位相スペクトルを計測する手法としては、周波数分解光ゲーティング（ＦＲＯＧ）計測法やＳＰＩＤＥＲ（Spectral Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction）計測法、ＴＡＤＰＯＬＥ（TemporalAnalysis of Dispersing by a Pair Of Light E- fields）計測法、複素電界スペクトル分布再構成（ＣＥＳＤＲ；Complex Electric field Specyrum Distribution Retrival）計測法などがある。そのうち、ＦＲＯＧやＣＥＳＤＲは反復最適化計算を必要とし、最適解に収束するまでに長時間を要する場合や、最適解に収束せずに局所解に収束して正確な位相スペクトルを計測できない場合があるという課題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、正確に且つ短時間で位相スペクトルの計測が可能な波形計測装置およびパルス光生成装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明による波形計測装置は、パルス光の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムが呈示された空間光変調器において２以上の波長成分を含む入射光の位相が波長毎に変調されることにより得られるパルス光の時間波形を計測する波形計測装置であって、パルス光の強度スペクトルである入力強度スペクトルを取得する入力スペクトル取得部と、パルス光を入力し、パルス光の位相スペクトルに対応する強度スペクトルを有する光を出力する光学素子と、光学素子から出力された光の強度スペクトルである出力強度スペクトルを取得する出力スペクトル取得部と、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光が光学素子に入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルと、出力スペクトル取得部において取得された出力強度スペクトルとを比較することにより、パルス光の位相スペクトルを決定する位相スペクトル決定部と、周波数／時間変換により、位相スペクトル決定部において決定された位相スペクトルと入力強度スペクトルとに基づいて、パルス光の時間波形を算出する波形算出部とを備え、位相スペクトル決定部は、制御位相スペクトルを変形させることにより仮想の位相スペクトルを設定することを特徴とする。

この波形計測装置は、まず、空間光変調器からパルス光を入力する。そして、入力スペクトル取得部は、このパルス光の強度スペクトル（入力強度スペクトル）を取得する。また、光学素子は、パルス光の位相スペクトルに対応する強度スペクトル（出力強度スペクトル）を有する光を出力する。出力スペクトル取得部は、出力強度スペクトルを取得する。位相スペクトル決定部は、パルス光の仮想の位相スペクトルを設定し、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光が上記光学素子に入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルと、出力スペクトル取得部において取得された実際の出力強度スペクトルとを比較することにより、パルス光の位相スペクトルを決定する。なお、位相スペクトル決定部は、算出される出力強度スペクトルが実際の出力強度スペクトルに近づくように、仮想の位相スペクトルを繰り返し設定してもよい。波形算出部は、周波数／時間変換により、位相スペクトル決定部において決定された位相スペクトルと入力強度スペクトルとに基づいて、パルス光の時間波形を算出する。以上の構成によれば、パルス光の強度スペクトル及び位相スペクトルを個別に求め、これらに基づいてパルス光の時間波形を算出することができる。

更に、この波形計測装置では、位相スペクトル決定部が、制御位相スペクトルを変形させることにより仮想の位相スペクトルを設定する。パルス光の時間波形を形成する位相スペクトルは、制御位相スペクトルによる影響を主に受けている。故に、該位相スペクトルは、制御位相スペクトルから大きくは変化しないことが多い。従って、制御位相スペクトルに基づいて仮想の位相スペクトルを設定することにより、位相スペクトル決定部における計算量を低減して、位相スペクトルの計測に要する時間を短縮することができる。

上記の波形計測装置において、位相スペクトル決定部は、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光が光学素子に入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルが、出力スペクトル取得部において取得された出力強度スペクトルに近づくように、仮想の位相スペクトルを最適化する演算を行い、該演算における仮想の位相スペクトルの初期値として制御位相スペクトルを用いてもよい。これにより、実際の位相スペクトルに近い仮想の位相スペクトルを、正確に且つ短時間で求めることができる。

また、上述した課題を解決するために、本発明によるパルス光生成装置は、２以上の波長成分を含む入射光を生成する光出力部と、パルス光の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムが呈示され、入射光の位相を波長毎に変調することによりパルス光を生成する空間光変調器と、位相変調用ホログラムを空間光変調器に与える制御部と、パルス光の時間波形を計測する波形計測部とを備え、制御部は、波形計測部における計測結果に基づいて、パルス光の時間波形が所望の波形に近づくように位相変調用ホログラムを調整し、波形計測部は、パルス光の強度スペクトルである入力強度スペクトルを取得する入力スペクトル取得部と、パルス光を入力し、パルス光の位相スペクトルに対応する強度スペクトルを有する光を出力する光学素子と、光学素子から出力された光の強度スペクトルである出力強度スペクトルを取得する出力スペクトル取得部と、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光が光学素子に入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルと、出力スペクトル取得部において取得された出力強度スペクトルとを比較することにより、パルス光の位相スペクトルを決定する位相スペクトル決定部と、周波数／時間変換により、位相スペクトル決定部において決定された位相スペクトルと入力強度スペクトルとに基づいて、パルス光の時間波形を算出する波形算出部とを有し、位相スペクトル決定部は、制御位相スペクトルを変形させることにより仮想の位相スペクトルを設定することを特徴とする。

このパルス光生成装置では、まず、光出力部が、２以上の波長成分を含む入射光を生成する。次に、空間光変調器が、入射光の位相を波長毎に変調することにより、入射光の時間波形が変化したパルス光を出射する。このとき、制御部が、パルス光の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムを空間光変調器に与える。波形計測部は、パルス光の時間波形を計測する。なお、波形計測部の構成及び動作は、前述した波形計測装置と同様である。

また、波形計測部では、位相スペクトル決定部が、制御位相スペクトルを変形させることにより仮想の位相スペクトルを設定する。従って、このパルス光生成装置によれば、前述した波形計測装置と同様に、位相スペクトル決定部における計算量を低減して、位相スペクトルの計測に要する時間を短縮することができる。

上記のパルス光生成装置において、位相スペクトル決定部は、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光が光学素子に入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルが、出力スペクトル取得部において取得された出力強度スペクトルに近づくように、仮想の位相スペクトルを最適化する演算を行い、該演算における仮想の位相スペクトルの初期値として制御位相スペクトルを用いてもよい。これにより、実際の位相スペクトルに近い仮想の位相スペクトルを、正確に且つ短時間で求めることができる。

本発明による波形計測装置およびパルス光生成装置によれば、正確に且つ短時間で位相スペクトルの計測が可能となる。

本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置の構成を示すブロック図である。 入射光の波長毎の強度分布の一例を示すグラフである。 （ａ），（ｂ）２以上の波長成分を重ね合わせたときの電場及び光強度の時間変化の一例を示すグラフである。 （ａ）ビート光の位相スペクトルの一例を示すグラフである。（ｂ）ビート光のエンベロープが時間方向にシフトする様子を示す図である。 波長成分毎の位相変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波長成分毎の位相変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波長成分毎の位相変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波長成分毎の位相変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波長成分毎の位相変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波長成分毎の強度変調によって生成される時間波形を示すグラフである。（ａ）パルス光の強度スペクトルと位相スペクトルとの組み合わせを示している。（ｂ）（ａ）の組み合わせによってパルス光に実現される時間波形を示している。 波形制御部の構成例を示すブロック図である。 波形計測部の構成例を示すブロック図である。 波形計測部の動作を示すフローチャートである。 一変形例に係る波形計測部の構成を概念的に示す図である。 スペクトログラムの一例である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による波形計測装置およびパルス光生成装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係るパルス光生成装置１Ａの構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施形態のパルス光生成装置１Ａは、光出力部１１と、波形制御部１２と、制御部１３と、波形計測部（波形計測装置）１４とを備える。

光出力部１１は、２以上の波長成分を含む入射光Ｐ１を生成する。この入射光Ｐ１は、例えばフェムト秒オーダーの時間幅を有するレーザパルス光である。或いは、入射光Ｐ１はインコヒーレントなパルス光であってもよい。入射光Ｐ１がインコヒーレントな光である場合、光出力部１１として例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）光源、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源、ＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源などが好適である。図２は、入射光Ｐ１の波長毎の強度分布の一例を示すグラフである。この例では、互いに異なる波長成分Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎが入射光Ｐ１に含まれている。

波形制御部１２は、入射光Ｐ１の位相及び強度（振幅）を波長成分毎に変調することにより、入射光Ｐ１から変化した任意の時間波形を有するパルス光Ｐ３を生成する。ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、２以上の波長成分を重ね合わせたときの電場及び光強度の時間変化の一例を示すグラフである。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、２以上の波長成分が互いに重ね合わされると、これらの波長成分が相互に干渉し、パルス状のビート光Ｐ２が生じる。そして、このビート光Ｐ２の時間波形（エンベロープ）は、各波長成分の位相が個別に変化することにより、更に変化することができる。図４（ａ）は、ビート光Ｐ２の位相スペクトルの一例を示すグラフである。波形制御部１２は、例えば図４（ａ）に示されるように、ビート光Ｐ２の波長毎の位相を制御する。これにより、図４（ｂ）に示されるように、ビート光Ｐ２のエンベロープが時間方向にシフトする。なお、図４では、一例として２つの波長成分の位相を異ならせた場合の変化を示しているが、波長成分Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎの数ｎが３つ以上である場合には、更に多様な時間波形の変化がビート光Ｐ２に生じる。こうして時間波形が変化した光は、パルス光Ｐ３として波形制御部１２から出力される。

図５〜図１０は、波長成分毎の位相変調及び強度変調によって生成される様々な時間波形を示すグラフである。図５〜図１０において、（ａ）は、パルス光Ｐ３の強度スペクトルＧ１１と位相スペクトルＧ１２との組み合わせを示している。また、（ｂ）は、（ａ）の組み合わせによってパルス光Ｐ３に実現される時間波形（時間強度波形）Ｇ１３を示している。

図５に示されるように、位相スペクトルＧ１２が平坦（フラット）である場合、時間波形Ｇ１３は入射光Ｐ１の時間波形と略同一となる。これに対し、図６に示されるように、位相スペクトルＧ１２が一次関数である場合、時間波形Ｇ１３は、入射光Ｐ１の時間波形が時間方向にシフトされた波形となる。また、図７に示されるように、位相スペクトルＧ１２が二次関数である場合、時間波形Ｇ１３は、入射光Ｐ１の時間幅が拡がった波形となる。また、図８に示されるように、位相スペクトルＧ１２が三次関数である場合、時間波形Ｇ１３は、前後非対称な波形となる。また、図９に示されるように、位相スペクトルＧ１２が−π／２（ｒａｄ）とπ／２（ｒａｄ）とを繰り返す波形である場合、時間波形Ｇ１３は２つの超短パルス波形を含む波形となる。なお、図１０に示されるように、位相スペクトルＧ１２が平坦（フラット）であっても、パルス光Ｐ３の強度スペクトルＧ１１がコサイン変調された場合には、時間波形Ｇ１３は３つの超短パルス波形を含む波形となる。

図１１は、波形制御部１２の構成例を示すブロック図である。図１１に示されるように、波形制御部１２は、所定の光軸Ｌ１上に並んで配置された、ビームスプリッタ１２１、分光素子１２２、結像レンズ１２３、及び空間光変調器１２４を有する。

ビームスプリッタ１２１は、光軸Ｌ１に対して傾斜した光透過反射面１２１ａを有する。光透過反射面１２１ａは、一方の側から光軸Ｌ１に沿って入射する入射光Ｐ１を透過する。分光素子１２２は、ビームスプリッタ１２１を透過した入射光Ｐ１を、各波長成分Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎに分光する。分光素子１２２は、例えばグレーティング（回折格子）やプリズムなどの光学素子によって好適に構成される。分光素子１２２は、反射型及び透過型の何れであってもよい。分光素子１２２によって分光された各波長成分Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎは、結像レンズ１２３を通過して、空間光変調器１２４の光変調面１２４ａにおける各波長成分Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎに対応する領域上に結像される。なお、結像レンズ１２３に代えて、例えば凹面鏡といった反射型の結像手段が用いられてもよい。

空間光変調器１２４は、入射光Ｐ１の位相及び強度のうち少なくとも一方を波長毎に変調することにより、入射光Ｐ１の時間波形が変化したパルス光Ｐ３を生成する。空間光変調器１２４は、例えば屈折率変化材料型空間光変調器（例えば液晶を用いたものでは、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）型、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display））、Segment Mirror型空間光変調器、Continuous Deformable Mirror型空間光変調器などが挙げられる。屈折率変化材料型空間光変調器、Segment Mirror型空間光変調器、Continuous Deformable Mirror型空間光変調器は各装置に電圧や電流、あるいは書き出し光が印加されることによって制御される。また、屈折率変化材料型空間光変調器は、透過型及び反射型の何れであってもよい。光変調面１２４ａは、一次元、或いは二次元状に配列された複数の画素を有しており、各画素において独立した変調量を入射光Ｐ１に付与する。但し、一次元の空間光変調器１２４を用いて位相及び強度の双方を変調する場合は、位相を変調するための空間光変調器と、強度を変調するための別の空間光変調器とが必要である。空間光変調器１２４には、パルス光Ｐ３の時間波形を制御するための位相スペクトル（以下、制御位相スペクトルと称する）に基づく位相変調用ホログラム（ＣＧＨ；Computer Generated Hologram）が与えられる。ここで、位相変調用ホログラムが与えられるとは、該位相変調用ホログラムに含まれる複数の画素毎の位相変調量を実現するための電気信号が空間光変調器１２４に提供されることをいう。

なお、入射光Ｐ１の位相スペクトルが平坦ではない場合には、その非平坦な位相スペクトルと平坦な位相スペクトルとの差分を補うための別の位相変調用ホログラムが、上記位相変調用ホログラムに重畳して空間光変調器１２４に与えられてもよい。また、光変調面１２４ａから照射対象物までの間に存在する各種光学部品に起因する波長分散等を補償するための更に別の位相変調用ホログラムが、上記位相変調用ホログラムに重畳して空間光変調器１２４に与えられてもよい。

パルス光Ｐ３は、レンズ１２３及び分光素子１２２を経て、ビームスプリッタ１２１に達する。ビームスプリッタ１２１の光透過反射面１２１ａは、他方の側から光軸Ｌ１に沿って入射するパルス光Ｐ３を、光軸Ｌ１と交差する方向に反射する。この後、図１に示されるように、パルス光Ｐ３は、ビームスプリッタ１６に達する。ビームスプリッタ１６は、波形制御部１２から出力されたパルス光Ｐ３を分割する光学素子である。ビームスプリッタ１６としては、例えばハーフミラーなどが好適に用いられる。ビームスプリッタ１６において分割された一方のパルス光Ｐ３は、光増幅器やレンズ、光ファイバ等を含む光出力光学系１７を経て、照射対象物（レーザ加工装置での加工対象物若しくは顕微鏡での観察対象物）に照射される。また、ビームスプリッタ１６において分割された他方のパルス光Ｐ３は波形計測部１４に導かれる。

なお、上記の波形制御部１２の構成において、ビームスプリッタ１２１を用いることなく、光変調面１２４ａの角度を調整してパルス光Ｐ３の出射方向を入射光Ｐ１の入射方向と異ならせることにより、入射光Ｐ１とパルス光Ｐ３とを互いに分離してもよい。また、ビームスプリッタ１６を用いることなく、光出力光学系１７から出力されたパルス光Ｐ３を波形計測部１４に導いてもよい。

再び図１を参照する。制御部１３は、例えばＣＰＵ及び記憶媒体を有するコンピュータによって好適に構成される。制御部１３は、光出力部１１、波形制御部１２、及び後述する波形計測部１４の動作を制御する動作制御部１３ａと、波形制御部１２から出力されるパルス光Ｐ３の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムを作成するＣＧＨ作成部１３ｂと、位相変調用ホログラムを補正する変調補正部１３ｃとを有する。変調補正部１３ｃは、波形計測部１４における計測結果、すなわちパルス光Ｐ３の時間波形情報（例えば位相スペクトル及び強度スペクトル）に基づいて、パルス光Ｐ３の時間波形が所望の波形に更に精度良く近づくように、波形制御部１２の空間光変調器１２４に呈示される位相変調用ホログラムを調整（補正）する。

波形計測部１４は、パルス光Ｐ３の時間波形を計測する。図１２は、波形計測部１４の構成例を示すブロック図である。本実施形態の波形計測部１４は、いわゆるＣＥＳＤＲ計測法に従ってパルス光Ｐ３の時間波形を計測するものである。図１２に示されるように、波形計測部１４は、光強度制御器（アッテネータ）１４ａ、入力スペクトル取得部１４ｂ、光伝播素子１４ｃ、出力スペクトル取得部１４ｄ、位相スペクトル決定部１４ｅ、及び波形算出部１４ｆを有する。

光強度制御器１４ａは、波形計測部１４に入力されるパルス光Ｐ３の強度を調整する。具体的には、光強度制御器１４ａは、入力されたパルス光Ｐ３の強度スペクトル比を保ったまま、各波長成分の強度を所定の倍率でもって変化させる。なお、波形制御部１２に強度変調機能がある場合は、波形制御部１２においてパルス光Ｐ３の強度を調整できるので、光強度制御器１４ａを省くことが可能である。

入力スペクトル取得部１４ｂは、パルス光Ｐ３の強度スペクトル（以下、入力強度スペクトルと称する）を検出する。パルス光Ｐ３の強度スペクトルは、例えば、図５〜図１０の（ａ）に示されたグラフＧ１１のような形状を有する。入力スペクトル取得部１４ｂは、例えば、グレーティングやプリズムなどの分光素子と、該分光素子によって分光された各波長成分の強度を検出するラインセンサとによって構成される。

光伝播素子１４ｃは、パルス光Ｐ３を入力し、パルス光Ｐ３の位相スペクトルに対応する強度スペクトルを有する光Ｐ４を出力する光学素子である。すなわち、光伝播素子１４ｃは、その内部を伝搬されるパルス光Ｐ３に自己位相変調を誘起させる。ここで、自己位相変調とは、非線形光学効果の一つであり、光ファイバなどの媒質の屈折率が、該媒質中を伝搬される光の強度に比例して僅かに変化し、位相変調が生じる現象である。光伝播素子１４ｃとしては、例えば、自己位相変調に関するパラメータ（例えば、非線形光学係数やｎ次分散（ｎは正の整数）を示すパラメータ）が既知である光学素子が好適に用いられる。一実施例では、光伝播素子１４ｃはフォトニック結晶ファイバなどの高非線形光ファイバである。パルス光Ｐ３は、例えば集光レンズ１４ｊによって集光されつつ光伝播素子１４ｃの一端に入射する。

出力スペクトル取得部１４ｄは、光伝播素子１４ｃから出力された光Ｐ４の強度スペクトル（以下、出力強度スペクトルと称する）を検出する。出力スペクトル取得部１４ｄは、例えば、グレーティングやプリズムなどの分光素子と、該分光素子によって分光された各波長成分の強度を検出するラインセンサとによって構成される。

位相スペクトル決定部１４ｅは、入力スペクトル取得部１４ｂにおいて取得された入力強度スペクトルと、出力スペクトル取得部１４ｄにおいて取得された出力強度スペクトルとに基づいて、パルス光Ｐ３の位相スペクトルを決定する。具体的には、位相スペクトル決定部１４ｅは、仮想の位相スペクトルを設定し、その仮想の位相スペクトルを有するパルス光Ｐ３が光伝播素子１４ｃに入力されたと仮定したときの出力強度スペクトルをシミュレーションにより算出する。また、位相スペクトル決定部１４ｅは、出力スペクトル取得部１４ｄより実際の出力強度スペクトルを取得する。位相スペクトル決定部１４ｅは、算出される出力強度スペクトルが実際の出力強度スペクトルに近づくように、焼きなまし法などの最適化アルゴリズムに従い、仮想の位相スペクトルを変形しながら実際の出力強度スペクトルとの比較を繰り返し行う。このような処理（フィッティング）によって、実際の出力強度スペクトルに十分に近い仮想の位相スペクトルが決定され、該仮想の位相スペクトルがパルス光Ｐ３の位相スペクトルとして認識される。位相スペクトル決定部１４ｅにおいて決定された位相スペクトル、及び入力スペクトル取得部１４ｂにおいて取得された入力強度スペクトルは、時間波形情報として制御部１３の変調補正部１３ｃに提供される。

波形算出部１４ｆは、位相スペクトル決定部１４ｅにおいて決定された位相スペクトルと、入力スペクトル取得部１４ｂにおいて取得された入力強度スペクトルとに基づいて、周波数／時間変換（逆フーリエ変換）により、パルス光Ｐ３の時間波形の再構成を行う。再構成された時間波形は、表示部１４ｈに表示される。

位相スペクトル決定部１４ｅ及び波形算出部１４ｆは、例えば一つの計算機１４ｇによって実現されることができる。計算機１４ｇは、ＣＰＵと記憶媒体とを備えるコンピュータである。計算機１４ｇは、前述した制御部１３と共通のコンピュータによって構成されてもよい。その場合、時間波形情報はコンピュータの記憶媒体に記憶される。

なお、上記の例では入力スペクトル取得部１４ｂが入力強度スペクトルを検出しているが、入力強度スペクトルが既知である場合には、計算機１４ｇの記憶媒体に入力強度スペクトルを記憶しておき、入力スペクトル取得部１４ｂが記憶媒体から入力強度スペクトルを読み出してもよい。

ここで、本実施形態における位相スペクトル決定部１４ｅでの処理内容について、更に詳細に説明する。アト秒オーダーないしナノ秒オーダーといった極めて短い時間幅を有するパルス光Ｐ３の時間波形を計測するためには、パルス光Ｐ３の強度スペクトル及び位相スペクトルに関する情報が必要となる。これらのうち、強度スペクトル（入力強度スペクトル）は直接的に計測可能であるが、位相スペクトルの直接的な計測は難しい。従って、本実施形態の波形計測部１４では、仮想の位相スペクトルを設定し、仮想の位相スペクトルと入力強度スペクトルとを基に、光伝播素子１４ｃに関するパラメータを用いて光伝播素子１４ｃ内での伝播のシミュレーションを行うことにより、仮想の強度スペクトルを算出する。そして、仮想の強度スペクトルと出力強度スペクトルとを互いに比較して、仮想の強度スペクトルと出力強度スペクトルとの合致度合いを算出し、その合致度合いを評価する。合致度合いとしては、例えば、波長成分毎に求めた仮想の強度スペクトルと出力強度スペクトルとの差分値の平均や標準偏差、最小二乗値などが好適である。この合致度合いが所定の閾値以下であるか否かによって、合致度合いを評価する。合致度合いが不十分であると判断された場合には、仮想の位相スペクトルを焼きなまし法や遺伝的アルゴリズムに従って変化させて再び仮想の強度スペクトルを作成し、出力強度スペクトルとの合致度合いを評価する。以上の処理を、合致度合いが十分であると評価されるまで繰り返す。

上述した処理では、仮想の位相スペクトルの初期設定が重要である。初期設定が実際の位相スペクトルとかけ離れたものであると、合致度合いが十分であると評価されるまでに長時間を要する場合や、或いは、合致度合いが不十分なスペクトルに収束してしまい本来の位相スペクトルが得られない場合がある。特に、パルス光Ｐ３の時間波形が、２つの超短パルス波形を含むダブルパルス波形や対称性の低い波形である場合、上記の問題が生じやすい。そこで、本実施形態の位相スペクトル決定部１４ｅでは、波形制御部１２の空間光変調器１２４に与えられる位相変調用ホログラムを作成する基となった、パルス光Ｐ３の時間波形を制御するための制御位相スペクトルを例えば初期値として用い、制御位相スペクトルを変形させることによって仮想の位相スペクトルを設定する。このように、制御位相スペクトルに基づいて仮想の位相スペクトルを設定し、焼きなまし法等を用いて位相スペクトル形状を変化させることにより、短時間でかつ正確に本来の位相スペクトルを決定することができる。

図１３は、本実施形態の波形計測部１４の動作を示すフローチャートである。図１３を参照しながら、波形計測部１４の動作及び本実施形態の波形計測方法について説明する。パルス光Ｐ３が波形計測部１４に入力された状態において、まず、入力スペクトル取得部１４ｂにおいてパルス光Ｐ３の入力強度スペクトルが取得される（ステップＳ１１）。前述したように、入力強度スペクトルが既知である場合には、このステップＳ１１は、入力スペクトル取得部１４ｂが計算機１４ｇの記憶媒体に記憶されている入力強度スペクトルを読み出すことで実現され得る。次に、出力スペクトル取得部１４ｄにおいて光Ｐ４の出力強度スペクトルが取得される（ステップＳ１２）。そして、位相スペクトル決定部１４ｅにおいて、制御部１３から制御位相スペクトルが取得される（ステップＳ１３）。続いて、仮想の位相スペクトルに基づく仮想の強度スペクトルが算出される（ステップＳ１４）。仮想の強度スペクトルを最初に算出するときには、仮想の位相スペクトルとして、例えばステップＳ１３において取得された制御位相スペクトルが用いられる。

続いて、ステップＳ１４において算出された仮想の強度スペクトルと、ステップＳ１２において取得された出力強度スペクトルとが比較され、それらの合致度合いが求められる（ステップＳ１５）。そして、ステップＳ１５における合致度合いが十分か（所定の条件を満たしているか）否かが判定される（ステップＳ１６）。判定の結果、合致度合いが不十分な場合には、上述したステップＳ１４、Ｓ１５が再び行われる。合致度合いが十分な場合には、そのときの仮想の位相スペクトルが入力位相スペクトルとして決定される（ステップＳ１７）。その後、ステップＳ１７において決定された入力位相スペクトルと、ステップＳ１１において取得された入力強度スペクトルとに基づいて、パルス光Ｐ３の時間波形が算出される（ステップＳ１８）。

ここで、パルス光Ｐ３の時間波形を所望の波形とすることを意図した制御位相スペクトルと、パルス光Ｐ３の実際の位相スペクトルとが互いに合致していない場合、パルス光Ｐ３の位相スペクトルの時間波形が所望の波形に近づくように、制御位相スペクトルを補正するとよい。本実施形態では、制御部１３の変調補正部１３ｃが、波形計測部１４において計測された位相スペクトルに基づいて、制御位相スペクトルを補正する。そして、ＣＧＨ作成部１３ｂは、補正後の制御位相スペクトルに基づいて位相変調用ホログラムを作成し、波形制御部１２は、新たな位相変調用ホログラムに基づいてパルス光Ｐ３を生成する。上記の動作を繰り返すことによって、パルス光Ｐ３の時間波形を所望の波形に更に近づけることが可能となる。

波形計測部１４における計測結果を用いてパルス光Ｐ３の時間波形を制御する方法について、詳細に説明する。パルス光Ｐ３の時間波形の制御は、パルス光Ｐ３の位相スペクトルを制御することによって行われる。ここで、所望の時間波形に対応する位相スペクトルをφ_target（λ）、波形制御部１２に入力される位相スペクトルをφ^(k) _shaper（λ）、波形計測部１４によって計測された位相スペクトルをφ^(k) _measure（λ）とする。但し、λは波長であり、ｋは繰り返し処理の序数である。パルス光Ｐ３の時間波形の制御は、以下の手順（１）〜（５）に従って行われる。
（１）波形計測部１４によってパルス光Ｐ３の位相スペクトルを計測し、φ⁽¹⁾ _measure（λ）を得る。
（２）φ⁽¹⁾ _shaper（λ）＝φ_target（λ）−φ⁽¹⁾ _measure（λ）として、波形制御部１２による波形制御を行う。
（３）波形計測部１４によってパルス光Ｐ３の位相スペクトルを再び計測し、φ⁽²⁾ _measure（λ）を得る。
（４）φ⁽²⁾ _shaper（λ）＝φ_target（λ）−φ⁽²⁾ _measure（λ）＋φ⁽¹⁾ _shaper（λ）として、波形制御部１２による波形制御を行う。
（５）φ_target（λ）−φ^(k) _measure（λ）が許容可能な値になるまで、上記手順（３）及び（４）を繰り返し行う。
上記の手順（１）〜（５）によって、波形計測部１４による計測結果に基づく時間波形のフィードバック制御が好適に行われる。

以上に説明した本実施形態の波形計測装置（波形計測部１４）及びパルス光生成装置１Ａによって得られる効果を纏めると、次のようになる。すなわち、本実施形態の波形計測部１４及びパルス光生成装置１Ａによれば、時間波形の直接的な計測が困難なパルス光Ｐ３の強度スペクトル及び位相スペクトルを個別に求め、これらに基づいてパルス光Ｐ３の時間波形を算出することができる。更に、波形計測部１４では、位相スペクトル決定部１４ｅが、制御位相スペクトルを変形させることにより仮想の位相スペクトルを設定する。パルス光Ｐ３の時間波形を形成する位相スペクトルは、制御位相スペクトルによる影響を主に受けている。故に、該位相スペクトルは、制御位相スペクトルから大きくは変化しないことが多い。従って、制御位相スペクトルに基づいて仮想の位相スペクトルを設定することにより、位相スペクトル決定部１４ｅにおける計算量を低減して、位相スペクトルの計測に要する時間を短縮することができる。

また、本実施形態のように、位相スペクトル決定部１４ｅは、入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有するパルス光Ｐ３が光伝播素子１４ｃに入力されたと仮定したときに算出される出力強度スペクトルが、出力スペクトル取得部１４ｄにおいて取得された出力強度スペクトルに近づくように、仮想の位相スペクトルを最適化する演算を行い、該演算における仮想の位相スペクトルの初期値として制御位相スペクトルを用いてもよい。これにより、実際の位相スペクトルに近い仮想の位相スペクトルを、正確に且つ短時間で求めることができる。

（第１の変形例）
上記実施形態に係る波形計測装置及びパルス光生成装置１Ａに関する第１変形例について説明する。図１４は、本変形例に係る波形計測部２４の構成を概念的に示す図である。上記実施形態の波形計測部１４は、いわゆるＣＥＳＤＲ計測法に従ってパルス光Ｐ３の時間波形を計測するが、本変形例の波形計測部２４は、周波数分解光ゲート法（ＦＲＯＧ；FrequencyResolved Optical Gating）を用いてパルス光Ｐ３の時間波形を計測する。上記実施形態のパルス光生成装置１Ａは、波形計測部１４に代えて、本変形例の波形計測部２４を備えてもよい。

波形計測部２４は、次のようにしてパルス光Ｐ３の時間波形情報を取得する。すなわち、波形計測部２４は、非線形光学効果を有する光学素子を用いて、パルス光Ｐ３の時間分割された一部分にゲートをかけて該一部分を切り出す。そして、波形計測部２４は、その一部分の強度スペクトルを計測することによって得られるスペクトログラム（パルス光の各時間における強度スペクトル波形が、時間軸及び波長軸によって表された波形）について実測値と計算値とを比較し、或るスペクトログラムを生じさせる時間波形は限定されるという特徴を利用して、パルス光Ｐ３の時間波形の再構成を行う。なお、図１５は、スペクトログラムの一例である。

具体的には、波形計測部２４は、フレッチャーリーブス法やポーラビーア法などの最適化アルゴリズムに従ってシミュレーションにより計算されるスペクトログラムの計算値が実測値に近づくように、仮想の時間波形を変化させる。スペクトログラムの計算値と実測値との合致度合いが十分であると評価されるまで変化を繰り返す。このような処理によって、実測のスペクトログラムに十分に近い仮想の時間波形が決定され、該仮想の時間波形がパルス光Ｐ３の時間波形として認識される。そして時間／周波数変換によってパルス光Ｐ３の位相スペクトルが求められる。図１４に示されるように、波形計測部２４は、ビームスプリッタ２４ａ、ディレイライン２４ｂ、非線形光学素子２４ｃ、スペクトル検出器２４ｄ、及び計算機２４ｅを有する。ビームスプリッタ２４ａは、パルス光Ｐ３を二つのパルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂに分岐する。ディレイライン２４ｂは、分岐された二つのパルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂのうち一方に対し、時間遅延を与える。このように、分岐された二つのパルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂのうち何れか一方に時間遅延を与えることにより、パルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂが互いに重なり合う時間を変化させて、ゲートをかける時間を操作することができる。この後、パルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂは、レンズ２４ｆを通過し、非線形光学素子２４ｃにおいて互いに重なり合う。

非線形光学素子２４ｃは、パルス光Ｐ３ａ、Ｐ３ｂの非線形光学効果を誘起する。ここで、ＦＲＯＧに利用される非線形光学効果は、二次の非線形光学効果である第二高調波発生や、三次の非線形光学効果である第三高調波発生、或いは光カー効果などである。また、非線形光学素子２４ｃを構成する非線形光学材料としては、例えば、ＳＨＧ結晶、ＴＨＧ結晶、ガラスなどが好適である。

スペクトル検出器２４ｄは、非線形光学素子２４ｃから出力された光の強度スペクトルを計測する。スペクトル検出器２４ｄは、例えば、グレーティングやプリズムなどの分光素子と、該分光素子によって分光された各波長成分の強度を検出するラインセンサとによって構成される。

計算機２４ｅは、例えば、ＣＰＵ及び記憶媒体を備えるコンピュータによって構成される。計算機２４ｅは、パルス光Ｐ３のスペクトログラムであるスペクトログラムと、パルス光Ｐ３の仮想のスペクトログラムである仮想スペクトログラムとに基づいて、パルス光Ｐ３の時間波形を決定する。

波形計測部（波形計測装置）は、上記実施形態に限られず、例えば本変形例の波形計測部２４の構成を備えてもよい。このような場合であっても、計算機２４ｅにおける初期値に、制御位相スペクトル及び入力強度スペクトルに基づく周波数／時間変換により算出した時間波形を用いることにより、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第２の変形例）
続いて、上記実施形態の波形計測部１４における計測結果を用いてパルス光Ｐ３の時間波形を制御する方法の別の例について説明する。上記実施形態では、波形制御部１２に入力される位相スペクトルφ^(k) _shaper（λ）を位相スペクトルφ_target（λ）に近づけるために、波形計測部１４により計測される位相スペクトルφ^(k) _measure（λ）を利用している。このような場合、計測されるスペクトル強度Ｉ^(k) _measure（λ）が、位相スペクトルφ_target（λ）に対応するスペクトル強度Ｉ_target（λ）と等しい場合には、最終的にＩ^(k) _measure（λ）とφ^(k) _measure（λ）とを利用して、所望の波形を設計することができる。しかし、Ｉ^(k) _measure（λ）とＩ_target（λ）とにずれが生じる場合には、パルス光Ｐ３の時間波形は所望の波形から変化してしまう。

そこで、本変形例では、まず、波形制御部１２に入力される位相スペクトルであって所望の時間波形の振幅Ａ⁽¹⁾ _target（ｔ）を実現するための位相スペクトルφ⁽¹⁾ _shaper（λ）を求める。位相スペクトルφ^(k) _shaper（λ）の求め方としては、例えば、ＧＳ法、Ｆｉｎｅｕｐが提案したｉｎｐｕｔ−ｏｕｔｐｕｔ、ｉｎｐｕｔ−ｉｎｐｕｔ法などの反復フーリエ変換法に基づいた方法や、ＯＲＡ、ＳＡ、ＧＡなどの１画素ずつ位相を変化させて所望の波形を設計する方法などが挙げられる。このとき、予め計測された入射光のスペクトル強度Ｉ⁽¹⁾ _measure（λ）を位相スペクトルφ⁽¹⁾ _shaper（λ）の設計に用いてもよい。

次に、求められた位相スペクトルφ⁽¹⁾ _shaper（λ）を空間光変調器１２４に入力し、入射光Ｐ１の変調を行う。変調後のパルス光Ｐ３を計測し、位相スペクトルφ⁽¹⁾ _measure（λ）または、時間波形Ａ⁽¹⁾ _measure（ｔ）の振幅を求める。位相スペクトルφ⁽¹⁾ _measure（λ）を計測した場合には、スペクトル強度Ｉ⁽¹⁾ _measure（λ)を用いて時間波形Ａ⁽¹⁾ _measure（ｔ）を導出する。次にＡ⁽¹⁾ _target（ｔ）とＡ⁽¹⁾ _measure（ｔ）と比較し、Ａ⁽¹⁾ _measure（ｔ）が所望の結果であるかを調べる。所定の範囲内にない場合は、Ａ⁽²⁾ _target（ｔ）を新たに作成し、波形制御部１２に入力される位相スペクトルφ⁽²⁾ _shaper（λ）を求める。具体的には、Ａ⁽¹⁾ _measure（ｔ）がＡ⁽¹⁾ _target（ｔ）より大きな部分はＡ⁽²⁾ _measure（ｔ）の計測の際に小さくなるように、Ａ⁽¹⁾ _measure（ｔ）がＡ⁽¹⁾ _target（ｔ）より小さくなる部分はＡ⁽²⁾ _measure（ｔ）の計測の際に大きくなるように、ウェイトｗを用いてＡ⁽¹⁾ _target（ｔ）を変更する。具体的には次式（１）及び（２）のようになる。
Ａ^(k+1) _target（ｔ）＝ｗ×Ａ^(k) _target（ｔ） ・・・（１）
ｗ^(k)＝Ａ^(k) _target（ｔ）／Ａ^(k) _measure（ｔ） ・・・（２）
上式によって、時間波形の振幅Ａ⁽²⁾ _target（ｔ）を導出した後、波形制御部１２に入力される位相スペクトルφ⁽²⁾ _shaper（λ）を求める。このとき、位相スペクトルφ⁽²⁾ _shaper（λ）の設計に、前回用いた位相スペクトルφ⁽¹⁾ _shaper（λ）を初期位相として用いてもよい。上述の処理を繰り返すことによって、光学系の影響を考慮した所望の位相パターンを設計できる。

本発明による波形計測装置およびパルス光生成装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態及び変形例では、パルス光の時間波形を計測する方式としてＣＥＳＤＲ及びＦＲＯＧを例示したが、本発明は、これらに限らず様々な計測方式に適用することが可能である。

１Ａ…パルス光生成装置、１１…光出力部、１２…波形制御部、１３…制御部、１３ａ…動作制御部、１３ｂ…ＣＧＨ作成部、１３ｃ…変調補正部、１４…波形計測部、１４ａ…光強度制御器、１４ｂ…入力スペクトル取得部、１４ｃ…光伝播素子、１４ｄ…出力スペクトル取得部、１４ｅ…位相スペクトル決定部、１４ｆ…波形算出部、１４ｇ…計算機、１４ｈ…表示部、１４ｊ…集光レンズ、１２１…ビームスプリッタ、１２２…分光素子、１２３…結像レンズ、１２４…空間光変調器、Ｌ１…光軸、Ｐ１…入射光、Ｐ２…ビート光、Ｐ３…パルス光、Ｐλ_１〜Ｐλ_ｎ…波長成分。

Claims (2)

1. パルス光の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムが呈示された空間光変調器において２以上の波長成分を含む入射光の位相が波長毎に変調されることにより得られる前記パルス光の時間波形を計測する波形計測装置であって、
   前記パルス光の強度スペクトルである入力強度スペクトルを取得する入力スペクトル取得部と、
   前記パルス光を入力し、前記パルス光の位相スペクトルに対応する強度スペクトルを有する光を出力する光学素子と、
   前記光学素子から出力された光の強度スペクトルである出力強度スペクトルを取得する出力スペクトル取得部と、
   前記入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有する前記パルス光が前記光学素子に入力されたと仮定したときに算出される前記出力強度スペクトルと、前記出力スペクトル取得部において取得された前記出力強度スペクトルとを比較することにより、前記パルス光の位相スペクトルを決定する位相スペクトル決定部と、
   周波数／時間変換により、前記位相スペクトル決定部において決定された位相スペクトルと前記入力強度スペクトルとに基づいて、前記パルス光の時間波形を算出する波形算出部とを備え、
   前記位相スペクトル決定部は、前記制御位相スペクトルを変形させることにより前記仮想の位相スペクトルを設定し、
   前記位相スペクトル決定部は、前記入力強度スペクトル及び前記仮想の位相スペクトルを有する前記パルス光が前記光学素子に入力されたと仮定したときに算出される前記出力強度スペクトルが、前記出力スペクトル取得部において取得された前記出力強度スペクトルに近づくように、前記仮想の位相スペクトルを最適化する演算を行い、該演算における前記仮想の位相スペクトルの初期値として前記制御位相スペクトルを用いることを特徴とする、波形計測装置。
2. ２以上の波長成分を含む入射光を生成する光出力部と、
   パルス光の時間波形を制御するための制御位相スペクトルに基づく位相変調用ホログラムが呈示され、前記パルス光を生成するために前記入射光の位相を波長毎に変調する空間光変調器と、
   前記位相変調用ホログラムを前記空間光変調器に与える制御部と、
   前記パルス光の時間波形を計測する波形計測部とを備え、
   前記制御部は、前記波形計測部における計測結果に基づいて、前記パルス光の時間波形が所望の波形に近づくように前記位相変調用ホログラムを調整し、
   前記波形計測部は、
   前記パルス光の強度スペクトルである入力強度スペクトルを取得する入力スペクトル取得部と、
   前記パルス光を入力し、前記パルス光の位相スペクトルに対応する強度スペクトルを有する光を出力する光学素子と、
   前記光学素子から出力された光の強度スペクトルである出力強度スペクトルを取得する出力スペクトル取得部と、
   前記入力強度スペクトル及び仮想の位相スペクトルを有する前記パルス光が前記光学素子に入力されたと仮定したときに算出される前記出力強度スペクトルと、前記出力スペクトル取得部において取得された前記出力強度スペクトルとを比較することにより、前記パルス光の位相スペクトルを決定する位相スペクトル決定部と、
   周波数／時間変換により、前記位相スペクトル決定部において決定された位相スペクトルと前記入力強度スペクトルとに基づいて、前記パルス光の時間波形を算出する波形算出部とを有し、
   前記位相スペクトル決定部は、前記制御位相スペクトルを変形させることにより前記仮想の位相スペクトルを設定し、
   前記位相スペクトル決定部は、前記入力強度スペクトル及び前記仮想の位相スペクトルを有する前記パルス光が前記光学素子に入力されたと仮定したときに算出される前記出力強度スペクトルが、前記出力スペクトル取得部において取得された前記出力強度スペクトルに近づくように、前記仮想の位相スペクトルを最適化する演算を行い、該演算における前記仮想の位相スペクトルの初期値として前記制御位相スペクトルを用いることを特徴とする、パルス光生成装置。