KR20180042234A - 자기 상관 측정 장치 - Google Patents

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KR20180042234A
KR20180042234A KR1020187003105A KR20187003105A KR20180042234A KR 20180042234 A KR20180042234 A KR 20180042234A KR 1020187003105 A KR1020187003105 A KR 1020187003105A KR 20187003105 A KR20187003105 A KR 20187003105A KR 20180042234 A KR20180042234 A KR 20180042234A
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하루야스 이토
야스노리 이가사키
준지 오쿠마
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
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Abstract

자기 상관 측정 장치(1A)는 제1 반사 부재(10A), 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(61), 지연 조정부(70A) 및 해석부(80)를 구비한다. 입사 펄스광 L0이 제2 반사 부재(20A)를 투과하여 제1 반사 부재(10A)에 입사된다. 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11) 및 제2 반사 부재(20A)의 제2 반사면(22)에서 반사된 제1 펄스광 L1, 및 제1 반사 부재(10A)의 제2 반사면(12) 및 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21)에서 반사된 제2 펄스광 L2은, 집광부(30)를 거쳐 비선형 광학 결정(40)에 입사된다. 비선형 광학 결정(40)에서 발생한 제2 고조파광 LSH은 검출부(50)에 의해 검출된다. 이것에 의해, 소형화가 가능한 자기 상관 측정 장치가 실현된다.

Description

자기 상관 측정 장치
본 발명은 펄스광의 자기(自己) 상관(相關)에 기초하여 그 펄스광의 펄스 폭을 측정하는 자기 상관 측정 장치에 관한 것이다.
펄스광의 펄스 폭이 짧은 경우(예를 들면 10피코초 이하의 경우), 그 펄스 폭의 측정에는, 그 펄스광의 입사에 의해 제2 고조파광을 발생시킬 수 있는 비선형 광학 결정을 이용한 SHG(Second Harmonic Generation) 자기 상관 측정 장치가 이용된다. 특허 문헌 1, 2 및 비특허 문헌 1에는, 이러한 자기 상관 측정 장치가 기재되어 있다.
종래의 자기 상관 측정 장치는 빔 스플리터, 고정 반사부 및 가동(可動) 반사부를 가지는 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)를 구비한다. 입사 펄스광은 빔 스플리터에 의해 2분기(分岐)되어 제1 펄스광 및 제2 펄스광으로 된다. 제1 펄스광은 고정 반사부에 의해 반사되어 빔 스플리터로 돌아가고, 제2 펄스광은 가동 반사부에 의해 반사되어 빔 스플리터로 돌아간다. 빔 스플리터로 돌아간 제1 펄스광 및 제2 펄스광은, 빔 스플리터를 거쳐 비선형 광학 결정에 입사된다.
제1 펄스광 및 제2 펄스광이 입사된 비선형 광학 결정에서 제2 고조파광이 발생되고, 이 제2 고조파광이 검출부에 의해 검출된다. 가동 반사부는 이동 가능하며, 그 이동에 의해, 비선형 광학 결정에 입사되는 제1 펄스광과 제2 펄스광 사이의 지연 시간이 변화한다. 또, 이 지연 시간의 변화에 의해, 검출부에 의한 검출 결과가 변화한다. 따라서, 이 지연 시간과 검출부에 의한 검출 결과의 관계에 기초하여 입사 펄스광의 펄스 폭을 해석할 수 있다.
특허 문헌 1: 일본 특개 평 7－270246호 공보 특허 문헌 2: 일본 특허 제3736410호 공보
비특허 문헌 1: 나가누마 카즈노리, 「초단 펄스광의 계측」, 광학, 제30권, 제12호, pp.834-844(2001)
종래의 자기 상관 측정 장치는, 빔 스플리터 등을 가지는 마이켈슨 간섭계를 구비하고 있고, 이 빔 스플리터로부터 제1 펄스광 및 제2 펄스광이 서로 상이한 방향으로 출사된다. 이것으로부터, 종래의 자기 상관 측정 장치의 구성은 복잡하고 대형(大型)이다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 소형화가 가능한 자기 상관 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 자기 상관 측정 장치는 (1) 입사 펄스광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 입사 펄스광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제1 반사 부재와, (2) 제1 반사 부재로부터 출사된 광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제2 반사 부재와, (3) 제1 반사 부재의 제1 반사면 및 제2 반사 부재의 제2 반사면에서 반사된 제1 펄스광, 및 제1 반사 부재의 제2 반사면 및 제2 반사 부재의 제1 반사면에서 반사된 제2 펄스광을 집광하는 집광부와, (4) 집광부에 의한 집광 위치에 배치되어, 제1 펄스광 및 제2 펄스광의 입사에 의해 제2 고조파광을 발생시키는 비선형 광학 결정과, (5) 제2 고조파광을 검출하는 검출부와, (6) 비선형 광학 결정에 입사되는 제1 펄스광과 제2 펄스광 사이의 지연 시간을 변화시키는 지연 조정부와, (7) 지연 조정부에 의해 설정된 지연 시간과 검출부에 의한 검출 결과의 관계에 기초하여 입사 펄스광의 펄스 폭을 구하는 해석부를 구비한다.
본 발명에 의하면, 소형화가 가능한 자기 상관 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 검출부(50)에 의해 구해지는 SHG 자기 상관 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 제2 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1B)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 제3 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1C)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 제4 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1D)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 제5 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 제5 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)의 검출부(50)에 의해 구해지는 프린지(fringe) 분해 SHG 자기 상관 파형의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 제6 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1F)의 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 본 발명은 이들 예시로 한정되는 것은 아니다.
(제1 실시 형태)
도 1은 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다. 자기 상관 측정 장치(1A)는 제1 반사 부재(10A), 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(aperture, 61), 지연 조정부(70A) 및 해석부(80)를 구비한다.
제1 반사 부재(10A)는 입사 펄스광 L0의 일부를 반사시키는 제1 반사면(11)을 가지는 제1 평판(13)과, 그 입사 펄스광 L0 중 제1 반사면(11)을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면(12)을 가지는 제2 평판(14)을 포함한다. 제1 평판(13)의 제1 반사면(11)과 제2 평판(14)의 제2 반사면(12)은, 서로 대향해 있고, 서로 평행하다. 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 광로 길이(즉, 제1 평판(13)과 제2 평판(14) 사이의 간격)는 가변(可變)이며, 지연 조정부(70A)에 의해 설정된다. 제1 평판(13) 및 제2 평판(14)은, 입사 펄스광 L0에 대해 투명한 재료(예를 들면 합성 석영이나 BK7)로 이루어진다.
제2 반사 부재(20A)는 제1 반사 부재(10A)로부터 출사된 광의 일부를 반사시키는 제1 반사면(21)과, 그 광 중 제1 반사면(21)을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면(22)을 가지는 평판이다. 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21) 및 제2 반사면(22)은, 서로 평행하지만, 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11) 및 제2 반사면(12)과는 평행하지 않다. 제2 반사 부재(20A)는 입사 펄스광 L0에 대해 투명한 재료(예를 들면 석영 유리나 BK7)로 이루어진다.
입사 펄스광 L0이 제2 반사 부재(20A)를 투과하여 제1 반사 부재(10A)에 입사된다. 이 때, 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11) 및 제2 반사 부재(20A)의 제2 반사면(22)에서 반사된 광을 제1 펄스광 L1이라고 하고, 제1 반사 부재(10A)의 제2 반사면(12) 및 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21)에서 반사된 광을 제2 펄스광 L2이라고 한다. 집광부(30)에 있어서 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 빔은 서로 중첩되지 않는다. 집광부(30)는 이들 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 집광 한다. 집광부(30)를 구성하는 집광 광학계는, 렌즈여도 되고, 오목 거울이어도 된다.
비선형 광학 결정(40)은 집광부(30)에 의한 집광 위치에 배치되어, 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2의 입사에 의해 제2 고조파광 LSH을 발생시킨다. 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2은 서로 비동축(非同軸)이다. 비선형 광학 결정(40)으로서, 예를 들면, BBO(β-BaB2O4), LBO(LiB3O5), KTO(KTaO3), KDP(KH2PO4) 등이 이용된다. 또, 비선형 광학 결정(40)으로의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2의 입사는, 제1종 위상 정합 조건이 만족되도록 설정된다.
필터(60) 및 애퍼처(61)는, 비선형 광학 결정(40)과 검출부(50)의 사이에 마련되어 있다. 필터(60)는 입사 펄스광 L0의 파장 성분(기본파 성분)을 차단하고, 제2 고조파광 LSH을 투과시킨다. 애퍼처(61)는 비선형 광학 결정(40)으로부터 출사된 광 중 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 상관에 기인한 제2 고조파광 LSH을 선택적으로 검출부(50)로 통과시킨다. 검출부(50)는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 상관에 기인한 제2 고조파광 LSH의 강도를 검출한다. 검출부(50)를 구성하는 광 검출기로서, 예를 들면 광전자 증배관이나 포토 다이오드 등이 이용된다.
지연 조정부(70A)는 제1 평판(13)과 제2 평판(14) 사이의 간격을 변환시킴으로써, 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 광로 길이를 변화시키고, 이것에 의해, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2 사이의 지연 시간 τ를 변화시킨다. 지연 조정부(70A)는 제1 평판(13) 및 제2 평판(14)의 쌍방을 이동시켜도 되고, 제1 평판(13) 및 제2 평판(14) 중 어느 일방을 이동시켜도 된다. 지연 조정부(70A)로서, 예를 들면 이동 스테이지, 피에조(piezo) 소자 및 스피커 등이 이용된다. 이러한 지연 조정부(70A)에 의하면, 지연 시간 τ를 연속적으로 변화시킬 수 있다.
해석부(80)는 지연 조정부(70A)에 의해 지연 시간 τ를 변화시킴과 아울러, 각 지연 시간 τ로 설정되었을 때의 검출부(50)에 의한 검출 결과(제2 고조파광 LSH의 강도 ISH(τ))를 취득한다. 그리고, 해석부(80)는 지연 시간 τ와 제2 고조파광 강도 ISH(τ)의 관계에 기초하여, 하기 (1) 수학식에서 나타내지는 SHG 자기 상관 함수 G2(τ)를 구하고, 입사 펄스광 L0의 펄스 폭을 구한다. I(t)는 하기 (2) 수학식과 같이 입사 펄스광 L0의 전기장 진폭 E(t)의 절대치의 2승에 비례하는 값, 즉, 입사 펄스광 L0의 강도를 나타내는 것이며, 하기 (3) 수학식과 같이 규격화된다. t는 시간 변수이다.
[수학식 1]
Figure pct00001
[수학식 2]
Figure pct00002
[수학식 3]
Figure pct00003
도 2는 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 검출부(50)에 의해 구해지는 SHG 자기 상관 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 가로축은 지연 조정부(70A)에 의해 설정되는 지연 시간(Time Delay) τ로서, 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 광로 길이에 상당한다.
이 도면에 나타내지는 것처럼, 지연 시간 τ가 0일 때, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 시간적인 중첩이 최대가 되므로, SHG 자기 상관 신호의 강도(Intensity)는 최대가 된다. 지연 시간 τ의 절대치가 커짐에 따라, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 시간적인 중첩이 작아지므로, SHG 자기 상관 신호의 강도도 작아진다. SHG 자기 상관 파형의 반값 전폭(全幅)과 입사 펄스광 L0의 펄스 폭(반값 전폭) 사이에는, 입사 펄스광 L0의 펄스 파형에 의존한 일정한 관계가 있다. 따라서, SHG 자기 상관 함수의 형상에 기초하여 입사 펄스광 L0의 펄스 폭을 구할 수 있다. 또한, 이러한 수법은 논콜리니어(non-collinear) SHG 자기 상관법으로 불린다.
본 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)는 입사 펄스광 L0을 2분기한 후의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 서로 상이한 방향으로 출사하는 것이 아니라, 양(兩) 펄스광 성분을 같은 방향으로 출사하므로, 소형화가 용이하다.
제1 반사 부재(10A) 및 제2 반사 부재(20A) 각각에 있어서 광을 투과 또는 반사시키는 어느 면에 유전체 다층막이 설비(設備)되어 있음으로써, 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 강도가 조정되어 있는 것이 바람직하고, 또 양 펄스광 성분 사이의 강도비가 조정되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 검출부(50)에 의해 검출되는 제2 고조파광 LSH의 강도를 크게 할 수 있다.
예를 들면, 제1 반사 부재(10A)의 제1 평판(13) 및 제2 평판(14) 및 제2 반사 부재(20A) 중 어느 면에도 유전체 다층막이 형성되어 있지 않고, 각 면에서의 반사율을 4%로 한다. 또, 입사 펄스광 L0의 강도를 100mW로 한다. 이 때, 제1 펄스광 L1의 강도는 0.136mW가 되고, 제2 펄스광 L2의 강도는 0.125mW가 된다.
이것에 대해서, 유전체 다층막을 적당하게 설비함으로써, 제1 평판(13)의 제1 반사면(11)의 반사율을 40%로 하고, 제1 평판(13)의 다른 면(제2 반사 부재(20A)에 대향하는 면)의 반사율을 0%로 하며, 제2 평판(14)의 제2 반사면(12)의 반사율을 100%로 하고, 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21)의 반사율을 50%로 한다. 제2 반사 부재(20A)의 제2 반사면(22)에는 유전체 다층막을 설비하지 않고, 제2 반사면(22)의 반사율을 4%로 한다. 이 때, 제1 펄스광 L1의 강도는 8.8mW가 되고, 제2 펄스광 L2의 강도는 8.6mW가 된다.
제2 고조파광 LSH의 강도는, 제1 펄스광 L1의 강도와 제2 펄스광 L2의 강도의 곱에 비례하므로, 상기와 같이 유전체 다층막을 적당하게 설비함으로써, 약 4450(=(8.8×8.6)/(0.136×0.125))배로 커진다.
(제2 실시 형태)
도 3은 제2 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1B)의 구성을 나타내는 도면이다. 자기 상관 측정 장치(1B)는 제1 반사 부재(10B), 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(61), 지연 조정부(70B) 및 해석부(80)를 구비한다.
도 1에 나타내진 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성과 비교하면, 도 3에 나타내지는 제2 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1B)는, 제1 반사 부재(10A)를 대신하여 제1 반사 부재(10B)를 구비하는 점에서 상위하고, 지연 조정부(70A)를 대신하여 지연 조정부(70B)를 구비하는 점에서 상위하다.
제1 반사 부재(10B)는 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12)의 사이에 마련된 굴절률 가변 부재(15)를 포함한다. 굴절률 가변 부재(15)의 굴절률은 인가 전압치에 따라 변화한다. 굴절률 가변 부재(15)로서 액정이나 비선형 광학 결정(예를 들면 LN(LiNbO3) 및 KTN(KTa1－xNbxO3) 등)을 이용할 수 있고, 이 경우에는, 서로 대향하는 2개의 주면(主面)을 제1 반사면(11) 및 제2 반사면(12)으로 할 수 있다. 또, 굴절률 가변 부재(15)로서 위상 변조형의 공간 광 변조기도 이용할 수 있으며, 이 경우에는, 공간 광 변조기의 CMOS칩부 및 유리 기판 단면을 제1 반사면(11) 및 제2 반사면(12)으로 할 수 있다.
지연 조정부(70B)는 굴절률 가변 부재(15)에 인가하는 전압치를 변환시킴으로써, 제1 반사 부재(10B)의 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 광로 길이를 변화시키고, 이것에 의해, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2 사이의 지연 시간 τ를 변화시킨다. 지연 조정부(70B)는 지연 시간 τ를 연속적이면서 또한 고속으로 변화시킬 수 있다.
본 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1B)도, 입사 펄스광 L0을 2분기한 후의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 서로 상이한 방향으로 출사하는 것이 아니라, 양 펄스광 성분을 같은 방향으로 출사하므로, 소형화가 용이하다.
또, 본 실시 형태에 있어서도, 제1 반사 부재(10B) 및 제2 반사 부재(20A) 각각에 있어서 광을 투과 또는 반사시키는 어느 면에 유전체 다층막이 설비되어 있음으로써, 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 강도가 조정되어 있는 것이 바람직하고, 또 양 펄스광 성분 사이의 강도비가 조정되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 검출부(50)에 의해 검출되는 제2 고조파광 LSH의 강도를 크게 할 수 있다.
(제3 실시 형태)
도 4는 제3 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1C)의 구성을 나타내는 도면이다. 자기 상관 측정 장치(1C)는 제1 반사 부재(10A), 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(61), 지연 조정부(70C) 및 해석부(80)를 구비한다.
도 1에 나타내진 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성과 비교하면, 도 4에 나타내지는 제3 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1C)는, 지연 조정부(70A)를 대신하여 지연 조정부(70C)를 구비하는 점에서 상위하다.
지연 조정부(70C)는 제1 회전 스테이지(71) 및 제2 회전 스테이지(72)를 포함한다. 제1 회전 스테이지(71)는 제2 반사 부재(20A)를 회동(回動)시킨다. 제2 회전 스테이지(72)는 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60) 및 애퍼처(61)를 일체로 하여 회동시킨다. 제1 회전 스테이지(71) 및 제2 회전 스테이지(72) 각각의 회동 중심은, 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21)에 있어서의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 출사 위치의 중심 위치이다.
제1 회전 스테이지(71) 및 제2 회전 스테이지(72) 각각의 회동에 의해, 제2 반사 부재(20A)가 각도 θ만큼 회동했을 때, 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60) 및 애퍼처(61)가 일체로 하여 각도 2θ만큼 회동한다. 제1 회전 스테이지(71) 및 제2 회전 스테이지(72)를 포함하는 지연 조정부(70C)는, 이 회동의 각도 θ를 변환시킴으로써, 제2 반사 부재(20A)의 제1 반사면(21)과 제2 반사면(22) 사이의 제1 펄스광 L1의 광로 길이를 변화시키고, 이것에 의해, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2 사이의 지연 시간 τ를 변화시킨다.
본 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1C)도, 입사 펄스광 L0을 2분기한 후의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 서로 상이한 방향으로 출사하는 것이 아니라, 양 펄스광 성분을 같은 방향으로 출사하므로, 소형화가 용이하다.
(제4 실시 형태)
도 5는 제4 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1D)의 구성을 나타내는 도면이다. 자기 상관 측정 장치(1D)는 제1 반사 부재(10D), 제2 반사 부재(20D), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(61, 62), 지연 조정부(70D) 및 해석부(80)를 구비한다.
도 1에 나타내진 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성과 비교하면, 도 5에 나타내지는 제4 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1D)는, 제1 반사 부재(10A)를 대신하여 제1 반사 부재(10D)를 구비하는 점에서 상위하고, 제2 반사 부재(20A)를 대신하여 제2 반사 부재(20D)를 구비하는 점에서 상위하다. 또, 제4 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1D)는 애퍼처(62)를 추가로 구비하는 점에서 상위하고, 지연 조정부(70A)를 대신하여 지연 조정부(70D)를 구비하는 점에서 상위하다.
제1 반사 부재(10D)는 서로 대향하는 2개의 주면을 제1 반사면(11) 및 제2 반사면(12)으로서 가지는 평판(平板)으로서, 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12)이 서로 비(非)평행하다. 제2 반사 부재(20D)는 서로 대향하는 2개의 주면을 제1 반사면(21) 및 제2 반사면(22)으로서 가지는 평판으로서, 제1 반사면(21)과 제2 반사면(22)이 서로 비평행하다.
지연 조정부(70D)는 제1 반사 부재(10D)를 제1 반사면(11)에 평행한 방향으로 이동시킴으로써, 제1 반사 부재(10D)의 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 제2 펄스광 L2의 광로 길이를 변화시킬 수 있다. 지연 조정부(70D)는 제2 반사 부재(20D)를 제1 반사면(21)에 평행한 방향으로 이동시킴으로써, 제2 반사 부재(20D)의 제1 반사면(21)과 제2 반사면(22) 사이의 제1 펄스광 L1의 광로 길이를 변화시킬 수 있다. 지연 조정부(70D)는 제1 반사 부재(10D) 및 제2 반사 부재(20D)의 쌍방 또는 어느 일방을 이동시킴으로써, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 사이의 지연 시간 τ를 변화시킨다.
애퍼처(62)는 제2 반사 부재(20D)와 비선형 광학 결정(40)의 사이에 마련되며, 적합하게는 제2 반사 부재(20D)와 집광부(30)의 사이에 마련된다. 애퍼처(62)는 제1 반사 부재(10D)의 제1 반사면(11) 및 제2 반사 부재(20D)의 제2 반사면(22)에서 반사된 제1 펄스광 L1을 통과시킴과 아울러, 제1 반사 부재(10D)의 제2 반사면(12) 및 제2 반사 부재(20D)의 제1 반사면(21)에서 반사된 제2 펄스광 L2을 통과시킨다. 한편, 애퍼처(62)는 제1 반사 부재(10D)의 제1 반사면(11) 및 제2 반사 부재(20D)의 제1 반사면(21)에서 반사된 펄스광 L3를 차단함과 아울러, 제1 반사 부재(10D)의 제2 반사면(12) 및 제2 반사 부재(20D)의 제2 반사면(22)에서 반사된 펄스광 L4을 차단한다. 즉, 애퍼처(62)는 상관 측정시에 노이즈가 되는 펄스광 L3 및 펄스광 L4을 비선형 광학 결정(40)에 입사시키지 않도록 한다.
본 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1D)도, 입사 펄스광 L0을 2분기한 후의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 서로 상이한 방향으로 출사하는 것이 아니라, 양 펄스광 성분을 같은 방향으로 출사하므로, 소형화가 용이하다.
(제5 실시 형태)
도 6은 제5 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)의 구성을 나타내는 도면이다. 자기 상관 측정 장치(1E)는 제1 반사 부재(10A), 제2 반사 부재(20A), 집광부(30), 비선형 광학 결정(40), 검출부(50), 필터(60), 애퍼처(63), 지연 조정부(70A) 및 해석부(80)를 구비한다.
도 1에 나타내진 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성과 비교하면, 도 6에 나타내지는 제5 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)는, 입사 펄스광 L0의 빔 지름의 크기의 점에 있어서 상위하고, 애퍼처(61)를 대신하여 애퍼처(63)를 구비하는 점에서 상위하며, 또 해석부(80)의 처리 내용의 점에서 상위하다.
제1~ 제4의 실시 형태에 있어서는, 입사 펄스광 L0의 빔 지름은 제2 반사 부재로부터 출사된 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 빔이 공간적으로 중첩되지 않는 정도로 된다. 이것에 대해서, 제5 실시 형태에 있어서는, 입사 펄스광 L0의 빔 지름은, 제2 반사 부재로부터 출사된 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 빔이 공간적으로 서로 중첩되는 정도로 된다.
애퍼처(63)는 제2 반사 부재(20A)와 비선형 광학 결정(40)의 사이에 마련되며, 적합하게는 제2 반사 부재(20A)와 집광부(30)의 사이에 마련된다. 애퍼처(63)는 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2 각각의 빔이 공간적으로 서로 중첩되는 부분을 선택적으로 통과시킨다.
비선형 광학 결정(40)은 집광부(30)에 의한 집광 위치에 배치되어, 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2의 입사에 의해 제2 고조파광 LSH을 발생시킨다. 본 실시 형태에서는, 비선형 광학 결정(40)에서 발생시키는 제2 고조파광 LSH은, 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 상관에 기인한 제2 고조파광뿐만이 아니라, 제1 펄스광 L1에만 기인한 제2 고조파광 및 제2 펄스광 L2에만 기인한 제2 고조파광도 포함한다. 검출부(50)는, 이들 제2 고조파광의 강도를 검출한다.
해석부(80)는 지연 조정부(70A)에 의해 지연 시간 τ를 변화시킴과 아울러, 각 지연 시간 τ로 설정되었을 때의 검출부(50)에 의한 검출 결과(제2 고조파광 LSH의 강도 ISH(τ))를 취득한다. 그리고, 해석부(80)는 지연 시간 τ와 제2 고조파광 강도 ISH(τ)의 관계에 기초하여, 하기 (4) 수학식으로 나타내지는 SHG 자기 상관 함수 S2(τ)를 구하고, 입사 펄스광 L0의 펄스 폭을 구한다. 이 식의 우변 제3항은 하기 (5) 수학식으로 나타내지고, 우변 제4항은 하기 (6) 수학식으로 나타내진다. ω0는 입사 펄스광의 중심 각주파수이다.
[수학식 4]
Figure pct00004
[수학식 5]
Figure pct00005
[수학식 6]
Figure pct00006
도 7은 제5 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)의 검출부(50)에 의해 구해지는 SHG 자기 상관 파형의 일례를 나타내는 도면이다. 가로축은 지연 조정부(70A)에 의해 설정되는 지연 시간 τ이고, 제1 반사 부재(10A)의 제1 반사면(11)과 제2 반사면(12) 사이의 광로 길이에 상당한다.
이 도면에 나타내지는 것처럼, 지연 시간 τ가 0일 때, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 시간적인 중첩이 최대가 되므로, SHG 자기 상관 함수의 포락선 함수의 값은 최대가 된다. 지연 시간 τ의 절대치가 커짐에 따라, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 시간적인 중첩이 작아지므로, 포락선 함수의 값도 작아진다. 포락선 함수의 반값 전폭과 입사 펄스광 L0의 펄스 폭(반값 전폭)의 사이에는, 입사 펄스광 L0의 펄스 파형에 의존한 일정한 관계가 있다. 따라서, 포락선 함수의 형상에 기초하여 입사 펄스광 L0의 펄스 폭을 구할 수 있다. 또한, 이러한 수법은 프린지 분해 SHG 자기 상관법이라고 불린다.
본 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1E)도, 입사 펄스광 L0을 2분기한 후의 제1 펄스광 L1 및 제2 펄스광 L2을 서로 상이한 방향으로 출사하는 것이 아니라, 양 펄스광 성분을 같은 방향으로 출사하므로, 소형화가 용이하다.
(제6 실시 형태)
도 8은 제6 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1F)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내진 제1 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1A)의 구성과 비교하면, 도 8에 나타내지는 제6 실시 형태의 자기 상관 측정 장치(1F)는, 검출부(50)로서 분광기를 이용하는 점에서 상위하고, 해석부(80)의 처리 내용의 점에서 상위하다.
본 실시 형태에서는, 검출부(50)는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2의 상관에 기인한 제2 고조파광 LSH의 스펙트럼을 검출한다. 해석부(80)는 지연 조정부(70A)에 의해 지연 시간 τ를 변화시킴과 아울러, 각 지연 시간 τ로 설정되었을 때의 검출부(50)에 의한 검출 결과(제2 고조파광 LSH의 스펙트럼)를 취득한다. 그리고, 해석부(80)는 지연 시간 τ와 제2 고조파광의 스펙트럼의 관계에 기초하여, 입사 펄스광 L0의 진폭 분포 및 위상 분포의 쌍방의 정보를 구한다. 또한, 이러한 수법은 주파수 분해 광 게이트라고 불린다.
(다른 실시 형태)
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 제5 및 제6의 실시 형태에 있어서, 비선형 광학 결정(40)에 입사되는 제1 펄스광 L1과 제2 펄스광 L2 사이의 지연 시간 τ를 변화시키는 방법으로서, 제2~ 제4의 실시 형태에서 설명한 방법을 채용할 수 있다.
상기 실시 형태에 의한 자기 상관 측정 장치에서는 (1) 입사 펄스광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 입사 펄스광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제1 반사 부재와, (2) 제1 반사 부재로부터 출사된 광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제2 반사 부재와, (3) 제1 반사 부재의 제1 반사면 및 제2 반사 부재의 제2 반사면에서 반사된 제1 펄스광, 및 제1 반사 부재의 제2 반사면 및 제2 반사 부재의 제1 반사면에서 반사된 제2 펄스광을 집광하는 집광부와, (4) 집광부에 의한 집광 위치에 배치되어, 제1 펄스광 및 제2 펄스광의 입사에 의해 제2 고조파광을 발생시키는 비선형 광학 결정과, (5) 제2 고조파광을 검출하는 검출부와, (6) 비선형 광학 결정에 입사되는 제1 펄스광과 제2 펄스광 사이의 지연 시간을 변화시키는 지연 조정부와, (7) 지연 조정부에 의해 설정된 지연 시간과 검출부에 의한 검출 결과의 관계에 기초하여 입사 펄스광의 펄스 폭을 구하는 해석부를 구비하는 구성으로 하고 있다.
상기 장치에 있어서, 제1 반사 부재 및 제2 반사 부재 각각에 있어서 광을 투과 또는 반사시키는 어느 면에, 제1 펄스광과 제2 펄스광 사이의 강도비를 조정하기 위한 유전체 다층막이 설비되어 있는 구성으로 해도 된다.
상기 장치에 있어서, 제1 반사 부재가 제1 반사면을 가지는 제1 평판과, 이 제1 평판에 대해 평행하게 배치되어 제2 반사면을 가지는 제2 평판을 포함하고, 지연 조정부가 제1 평판과 제2 평판 사이의 간격을 변화시켜 지연 시간을 변화시키는 구성으로 해도 된다.
또, 상기 장치에 있어서, 제1 반사 부재가 제1 반사면과 제2 반사면 사이에 마련되어, 인가 전압치에 따라 굴절률이 변화하는 굴절률 가변 부재를 포함하고, 지연 조정부가 굴절률 가변 부재에 인가하는 전압치를 변화시켜 지연 시간을 변화시키는 구성으로 해도 된다.
상기 장치에 있어서, 비선형 광학 결정에 입사되는 제1 펄스광과 제2 펄스광이 서로 비동축이고, 비선형 광학 결정과 검출부의 사이에, 비선형 광학 결정으로부터 출사된 광 중 제1 펄스광과 제2 펄스광의 상관에 기인한 제2 고조파광을 선택적으로 검출부로 통과시키는 애퍼처가 마련되고, 검출부가 제2 고조파광의 강도를 검출하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 논콜리니어 SHG 자기 상관법에 의해, 입사 펄스광의 펄스 폭을 구할 수 있다.
상기 장치에 있어서, 제2 반사 부재와 비선형 광학 결정의 사이에, 제1 펄스광 및 제2 펄스광 각각의 빔이 공간적으로 서로 중첩되는 부분을 선택적으로 통과시키는 애퍼처가 마련되고, 검출부가 제2 고조파광의 강도를 검출하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 프린지 분해 SHG 자기 상관법에 의해, 입사 펄스광의 펄스 폭을 구할 수 있다.
상기 장치에 있어서, 비선형 광학 결정에 입사되는 제1 펄스광과 제2 펄스광이 서로 비동축이며, 비선형 광학 결정과 검출부의 사이에, 비선형 광학 결정으로부터 출사된 광 중 제1 펄스광과 제2 펄스광의 상관에 기인한 제2 고조파광을 선택적으로 검출부에 통과시키는 애퍼처가 마련되고, 검출부가 제2 고조파광의 스펙트럼을 검출하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 주파수 분해 광 게이트에 의해, 입사 펄스광의 진폭 분포 및 위상 분포의 쌍방의 정보를 구할 수 있다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 소형화가 가능한 자기 상관 측정 장치로서 이용 가능하다.
1A~1F … 자기 상관 측정 장치 10A, 10B, 10D … 제1 반사 부재
11 … 제1 반사면 12 … 제2 반사면
13 … 제1 평판 14 … 제2 평판
15 … 굴절률 가변 부재 20A, 20D … 제2 반사 부재
21 … 제1 반사면 22 … 제2 반사면
30 … 집광부 40 … 비선형 광학 결정
50 … 검출부 60 … 필터
61~63 … 애퍼처 70A~70D … 지연 조정부
71 … 제1 회전 스테이지 72 … 제2 회전 스테이지
80 … 해석부 L0 … 입사 펄스광
L1 … 제1 펄스광 L2 … 제2 펄스광
LSH … 제2 고조파광

Claims (7)

  1. 입사 펄스광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 입사 펄스광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제1 반사 부재와,
    상기 제1 반사 부재로부터 출사된 광의 일부를 반사시키는 제1 반사면과, 그 광 중 그 제1 반사면을 투과한 광을 반사시키는 제2 반사면을 가지는 제2 반사 부재와,
    상기 제1 반사 부재의 상기 제1 반사면 및 상기 제2 반사 부재의 상기 제2 반사면에서 반사된 제1 펄스광, 및 상기 제1 반사 부재의 상기 제2 반사면 및 상기 제2 반사 부재의 상기 제1 반사면에서 반사된 제2 펄스광을 집광하는 집광부와,
    상기 집광부에 의한 집광 위치에 배치되어, 상기 제1 펄스광 및 상기 제2 펄스광의 입사에 의해 제2 고조파광을 발생시키는 비선형 광학 결정과,
    상기 제2 고조파광을 검출하는 검출부와,
    상기 비선형 광학 결정에 입사되는 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광 사이의 지연 시간을 변화시키는 지연 조정부와,
    상기 지연 조정부에 의해 설정된 상기 지연 시간과 상기 검출부에 의한 검출 결과의 관계에 기초하여 상기 입사 펄스광의 펄스 폭을 구하는 해석부를 구비하는 자기 상관 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 반사 부재 및 상기 제2 반사 부재 각각에 있어서 광을 투과 또는 반사시키는 어느 면에, 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광 사이의 강도비를 조정하기 위한 유전체 다층막이 설비되어 있는 자기 상관 측정 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사 부재가, 상기 제1 반사면을 가지는 제1 평판과, 이 제1 평판에 대해 평행하게 배치되어 상기 제2 반사면을 가지는 제2 평판을 포함하고,
    상기 지연 조정부가, 상기 제1 평판과 상기 제2 평판 사이의 간격을 변화시켜 상기 지연 시간을 변화시키는 자기 상관 측정 장치.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 반사 부재가 상기 제1 반사면과 상기 제2 반사면 사이에 마련되어 인가 전압치에 따라 굴절률이 변화하는 굴절률 가변 부재를 포함하고,
    상기 지연 조정부가, 상기 굴절률 가변 부재에 인가하는 전압치를 변화시켜 상기 지연 시간을 변화시키는 자기 상관 측정 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항 있어서,
    상기 비선형 광학 결정에 입사되는 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광이 서로 비동축(非同軸)이고,
    상기 비선형 광학 결정과 상기 검출부의 사이에, 상기 비선형 광학 결정으로부터 출사된 광 중 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광의 상관에 기인한 상기 제2 고조파광을 선택적으로 상기 검출부로 통과시키는 애퍼처가 마련되고,
    상기 검출부가 상기 제2 고조파광의 강도를 검출하는 자기 상관 측정 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항 있어서,
    상기 제2 반사 부재와 상기 비선형 광학 결정의 사이에, 상기 제1 펄스광 및 상기 제2 펄스광 각각의 빔이 공간적으로 서로 중첩되는 부분을 선택적으로 통과시키는 애퍼처가 마련되고,
    상기 검출부가 상기 제2 고조파광의 강도를 검출하는 자기 상관 측정 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항 있어서,
    상기 비선형 광학 결정에 입사되는 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광이 서로 비동축이며,
    상기 비선형 광학 결정과 상기 검출부의 사이에, 상기 비선형 광학 결정으로부터 출사된 광 중 상기 제1 펄스광과 상기 제2 펄스광의 상관에 기인한 상기 제2 고조파광을 선택적으로 상기 검출부로 통과시키는 애퍼처가 마련되고,
    상기 검출부가 상기 제2 고조파광의 스펙트럼을 검출하는 자기 상관 측정 장치.
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