SURE: Shizuoka University REpository
http://ir.lib.shizuoka.ac.jp/
Title
Author(s)
フェムト秒光パルスの発生、制御とレーザー加工への適
用に関する研究
伊藤, 晴康
Citation
Issue Date
URL
Version
2010-03-22
http://doi.org/10.14945/00006423
ETD
Rights
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静岡大学博士論文
フェムト秒光パルスの発生、制御と
レーザー加工への適用に関する研究
2
0
0
9年 1
2月
伊藤晴康
概要
1秒間に地球を 7周半回ることが出来る光で、さえ、 1
0
0フェムト秒としづ短い時間では僅かに 30μm
(髪の毛の太さの 1
/
3程度)しか進むことができない。フェムト秒レーザーは、このような短い時間に光
エネルギーを集中させることがで、きる極限的なレーザーで、ある口このような、時間幅が短く(超高速性)、
非常に高いピーク強度を持つ(超高電界)としづ特徴を利用することで、物質中で非常に高速に起こる
緩和現象等の観測、熱の影響が少なく周囲の組織を傷つけない特徴を利用した医療応用、多光子吸
収等の非線形過程を利用した透明材料内部加工、あるいは超精密微細加工等の様々な分野に応用
されつつある
D
フェムト秒レーザー自体も飛躍的に改良され、現在ではパルス幅が 1
0フェムト秒より短い光ノミノレス
を放つレーザーが開発されるなどして特性の向上が図られると共に、半導体レーザー励起固体レー
ザ、ーの第二高調波を励起光源とするなどしてフェムト秒レーザーの小型化も図られている。しかしなが
ら、固体レーザーの第二高調波を励起源とする手法は、構造が複雑であると共に電気一光変換効率
が低い口産業界においてフェムト秒レーザーの応用分野を発展させるためには、レーザー装置の小型
化および低コスト化が必要不可欠であり、そのようなフェムト秒レーザーの登場が待ち望まれている。
また、これまでは、主にフェムト秒レーザーの強い電界強度を利用することで、様々な分野において
フェムト秒レーザーの急速な応用展開が凶られてきたが、新たな応用分野を開拓するためには、「超
高速性」および「超高電界」以外の新たな付加価値を生み出し、これを実用化する必要がある口そこで、
着目されたのが「光の位相」であり、現在では時間的な側面と空間的な側面から様々なアプローチが
なされている。さらに、様々な研究分野において光の位相制御技術が利用されることでその重要性が
認識されつつあるが、産業応用に適用させるためには位相制御技術ならびに操作性に優れた制御シ
ステムの開発が急務である。
これらの要求に応える為に、本研究で、は半導体レーザーで、直接励起することにより実現される小型
の全国体フェムト秒レーザーの開発を目指した口さらに、フェムト秒レーザーの時間的な位相(時間波
形)制御技術ならびに空間的な位相(波面)制御技術を開発すると共に、これらの技術をシステム化す
ることによりフェムト秒レーザーの応用展開を図った口
フェムト秒レーザー装置の小型化においては、半導体レーザーで直接励起することが可能な
Cr:LiSAF レーザー媒質に着目し、小型全国体フェムト秒レーザーの実現を図った o Cr:LiSAF は、フ
ェムト秒レーザーとして最も広く用いられている T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
eと同等な超短パルス光を発生させることが
可能である数少ないレーザー媒質である。一方で、フェムト秒光パルスを発生させるためには発振波
長帯域の広いレーザー共振器を構築する必要がある口そこで、
cw
発振状態において 1
0
0nm以上の
連続波長可変を実現することにより、レーザー共振器の発振波長帯域が広帯域であることを確認した。
次に、能動モード、同期法によるヒ コ秒パルスの発生を試みた結果、 88 nm の帯域にわたって 146~
O
2
0
0ピコ秒の光パルスが得られ、パルス発振動作時においてもレーザー共振器の帯域が維持された口
これらの基礎評価を踏まえて、半導体レーザーで、の直接励起による小型の全国体フェムト秒レーザー
の実現を試みた。この際、波長分散を補正するために用いるプリズム対の聞にレーザー媒質を配置す
る新たな構成を考案し、との構成を用いることによってレーザー共振器を 25x16cmにまで小型化する
ことに成功した。
時間的な位相制御においては、光アドレス型空間光変調器を用いることによって、小型でありながら
高い波長分解能を有する時間波形整形器を開発した口との際、画素構造を有しない光アドレス型空
間光変調器を用いることによって画素構造に起因するサテライトパルスの発生が抑制されること、そし
て光アド、レス型空間光変調器の誘電体多層膜鏡の反射率を高くすると共に透明電極の吸収率を低く
抑えることにより、位相変調に伴う強度変化が低減されることを解析的に検証した。同時に、高強度フ
ェムト秒レーザーに対して十分な耐光性を有する光アド、レス型空間光変調器を開発することで、再生
増幅された高強度フェムト秒レーザーの時間波形制御を可能とした 時間波形が制御された高強度フ
O
ェムト秒光パルスを透明材料内部加工に適用し、光と物質の相互作用を制御できることを実証した口ま
た、光と物質の反応系においては、相互作用を制御する上で、の最適ノミルス波形が既知で、ない場合が
多い口そこで、反応効率に関する情報を波形整形器にフィード、パックすることで、その反応効率を自動
的に向上させることを可能とする適応型反応制御装置を開発した口そして、制御アルゴ、リズムとしてシミ
ュレーテッドアニーリング法を用いることで、ガラス媒質や光ファイバー伝播時に生じる波長分散、ある
いは非同軸光ノ fラメトリック増幅時に生じる波長分散を自動的に補正できることを実証し、制御系の有
意性を実証した。
空間的な位相制御においては、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐光性を有する LCOS
型空間光変調器を開発すると共に、波面制御を行うための光学系をモジュール化することで、レーザー
加工における波面制御技術の実用化を図った口従来のフェムト秒レーザー加工においては、レーザ
一光を L削こ集光した状態で試料を走査する l点走査加工が用いられていたために、加工効率が悪
く、産業界への応用展開を阻む要因となっていた。これに対して、本研究では、計算機ホログラムを用
いた 3次元一括多点形成技術を開発し、この技術を用いることで加工効率を大幅に向上させることに
成功した。レーザー光を透明材料内部に集光する加工では、球面収差が発生することで集光部が肥
大化し、これが加工精度を悪化させる要因となる。従来は、発生する球面収差を解析的に算出し、球
面収差に相当する補正パターンを与えることによって球面収差を補正する試みがなされていたが、レ
ンズの関口数が大きい場合、あるいは集光位置が深い場合には球面収差を精密に補正することがで
きなかった そこで、本研究では、光線を逆追跡することで、球面収差を補正するパターンを算出する
O
手法を考案し、この手法を用いることによって球面収差が精密に補正されることを実験的に検証した
D
以上のように、本研究では産業界においてフェムト秒レーザーを展開するためにフェムト秒レーザ
ーの小型化を実現した口さらに、フェムト秒レーザーの新たな応用分野を開拓する上で、重要な要素技
術となる時間的位相制御技術ならびに空間的位相制御技術を開発すると共に、具体的な応用システ
ムへの展開を試み、その有効性を示した。本研究で得られた成果は、フェムト秒レーザーを用いた基
礎研究の発展のみならず、フェムト秒レーザーを用いた新規産業を開拓する上で有用になるものと確
信する。これらの成果を踏まえたフェムト秒レーザーの応用分野の更なる発展を期待する口
開
2-
目次
第 1章 序 論 ・・・・
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・ ・
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・ ・・
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・ ・
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6
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1
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1
研究の背景…H・H・-…~ •.
~・ a ・-……… H・H・-…H・H・-…… H・H・..…H ・ H・-…H・H・....・a ・-‘…・~ ~ ~.. •.…一.....・H・..… H・H・~ ~ ~ ~ .
.
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・. ・
.
6
1
.2
本研究の目的と概要......・ .
・
~ •••••••••.
・. ・
…
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・ ・
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…
1
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3
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本論文の構成…… ・・
… ・・
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・
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・
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・
・
也
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・
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・
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・
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・
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・
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・
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一
一
一…
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・ ・
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…9
1
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4
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第 1章の参考文献.…....・ 盲
・
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H
H
H
H
H
…
・
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…
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. … …… ・
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8
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H
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・ ・
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・ ・
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H
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… ・・
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・ ・ ・・
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・・ …
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… 1
1
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半 導 体 レ ー ザ ー 励 起 小 型C
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開
発
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1
4
第 2章
...11
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2
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まえがき…………・………… ・・
…
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・ ・
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・ ・
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・ ・
14
2
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2
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広帯域連続波長可変レーザー発振… ・・
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…
…
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……
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……
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… ・・-…
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… 15
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2
.
2
.
1
.
はじめに.••••~・H・ H・ H・-… H ・H ・...・H・.......・H・....・ H ・-… H ・ H・......・H・....・H ・...・H ・..........・H・-ー・…...・H ・......・ H ・......・ H・......・a ・… 15
2
.
2
.
2
.
実験結果及び考察
2
.
3
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… ・・
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・ ・
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・ ・
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・ ・
.•.
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・ ・
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超短パルスレーザー発振...・ ・
一
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… ・・
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・ ・
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・ ・・
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・ ・
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・ ・
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・ ・
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1
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3
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1
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はじめに ・・
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・ ・
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… ・・
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… ・・
… ・・-一一一一……・・・…・・… 2
1
2
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3
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2
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能動モード同期法によるヒコ秒パルスレーザー発振且… ・・
… ・・
. ・
.
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.
・ ・
… ・・
… ・・
.
2
1
2
.
3
.
3
.
受動モード同期法によるフェムト秒パルスレーザー発振… ・・
…
.•••.. ~.・ H ・-…...........・ H ・-… ..24
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2
.
3
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3
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1
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アルゴ、ンイオンレーザー励起によるフェムト秒光パルス発生.........・ ・
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・ ・・・
…3
1
2
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3
.
3
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2
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半導体レーザー励起によるフェムト秒光パルス発生 ・・
. …
2
.
3
.
3
.
3
.
MOPA型半導体レーザー励起によるフェムト秒光パルス発生
2
.
3
.
3
.
4
.
小型共振器構造を用いた小型全国体フェムト秒レーザーの開発……-一一・・…一一一 42
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・・
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・・
. ・ ・・ ・・
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3
8
H
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2.
4
あ
と
が
き
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…
一
一
一
一
一
一
一
一
.
.
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・ ・
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一 一
一
一
一
一
一
…
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・ ・
…
・
…
一
一
一
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・ ・
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・ ・
…
・
・
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・ ・
・
…
・
・
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・
・
… .47
2
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5
第 2章の参考文献 ・・
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・ー
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・
H
H
第 3章
H
H
H
H
… … ・・
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・ ・
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… ・・
. … ・・
…
一
一
…
・
・ ……日 48
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フ ェ ム ト 秒 光 パ ル ス の 時 間 波 形 制 御 ・・
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・ ・
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・ ・
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・ ・
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・ ・
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まえがき・…… ・・
… ・・
… ・・
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… ・・
… ・・
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・ ・
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3
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光アドレス型空間光変調器を用いた反射型波形整形器の開発
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…
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… ・ …
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はじめに… ・・
… ・・
. ・
. ・
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… ・・
…
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…
・
・ ・・
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・ ・
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・
…
… ・・
..
・
~. •••・. ・
. ・
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・ ・
… ・・
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1
3
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光アドレス型空間光変調器ー… ・・
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… ・・
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・ ・
… ・・
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・・
・.
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3
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3
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波形整形器における画素電極聞のギャップの影響....・ ・
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・・
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・ ・・・
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・ ・
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5
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3
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2.
4
.
空間光変調器の反射面と透明電極聞における多重干渉の影響.… ・・-……・・…… .
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5
9
3
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2
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5
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反射型波形整形器の設計…
3
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3
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反射型波形整形器の動
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…
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・ ・
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・ ・
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H
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3
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3
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5
反復フーリエ法による周波数フィルヲーの作成日…・ ・・
… ・・
.
.
.
.
…
…
…
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一
一
…
一
一
一
一
一
一 76
3
.
3
.
6
.
波形整形器によるパルス列整形、ならびにTADPOLEによる評価… ・・
. ・
. ・
.
.
.
・ ・
.
… 77
3.
4
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H
H
H
H
H
H
H
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高強度フェムト秒レーザー周波形整形器の開発 ・・
.
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・ ・
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…
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・
…
・
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7
9
H
3.
4.
1
は
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に
…
.
.
.
.
.
.
.
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.
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・ ・
. ・
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… ・
・
・
・・
司
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・
・
・
・
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・
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7
9
3.
4.
2
.
光アドレス型空間光変調器の高耐光化… ・・
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・ ・
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… ・・
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…
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・ ・
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.
…
… ・・
.
.
.
・ ・
…
一
…・
・
.
7
9
3
.
4
.
3
.
波形整形器の耐光性評価 ・・
…
…
…
.
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.
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.
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.
一
一
3.
4
.
4
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波形整形光パルスの加工への応用…… ・・
.
.
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・ ・
.
.
・ ・
. ・
.
.
.
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.
.
.
.
.
・ ・
…
… ・・
…
盲
目
.
.
.
盲
目
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
8
1
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3
.
5
.
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一
一
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…
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8
0
H
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高耐光型小型波形整形器の開発....・ ・
…
.
.
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.
.
・ ・
.
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・
置
…
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・ ・
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・ ・
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・ ・
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8
4
H
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3
.
5
.
1
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はじめ!こ……………… ・
幽
・ ・・
.
.
.
.
.
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・ ・
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.
.
…
.
.
.
・ ・ ・・・
.・
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・ ・
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一
一
一
…
…
…
・
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・ ・
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.
・ ・
.
.
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.
・
….
8
4
3
.
5
.
2
.
高効率小型波形整形器の開発...................・ ・
.
3
.
6
.
H
H
H
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H
H
H
H
H
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…
一
・
・
邑
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適応型光パルス反応制御装置の開発
H
p
… …
・
・
…
・
・
・
H
…
・
…
・・・
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' ・.
・ ・
.
8
4
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
. ・
司
…
・
・………… ・・
.
.
8
6
H
H
H
H
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H
H
3
.
6
.
1
.
は
じ
め
に
.
.
.
.
.
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.
司
・
・
・
・
・
・
・
置
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
困
且
.
.
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・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
・
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・ ・・
….
8
6
3
.
6
.
2
適応型光パルス反応制御装置の概要. 姐
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・ ・
.
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.
・ ・
.
.
・ ・
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.
.
.
.
3
.
6
.
3
適応型光パルス反応制御装置の応用..
z
H
H
H
……・一一一… .
8
6
H
……一一一一一…
…
…
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
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.
・ ・
.
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.
8
8
H
H
3
.
6
.
3
.
1
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波長分散補正一一…
…
…
・
・
.
.
.
.
.
.
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.
.
…
…
.
.
.
.
・ ・
…
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.
.
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.
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.
・ ・ … ・・……一一一一・ .
.
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8
8
3
.
6
.
3
.
2
.
マルチモードファイバーを用いたフェムト秒光パルスの長距離伝送…...........・ ・
.
.
.
.
.
…9
1
3
.
6
.
3
.
3
.
波形整形による非同軸光パラメトリック増幅光のパルス圧縮 ・・
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
… ・・
.
.
.
.
一
一
一 97
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
3
.
7
.
あとがき一……・・........…H ・ H・-… H・H・...・H ・.........・ H・...........・ H ・....…・・….............・H・-… H ・ H・~ •・
.
*・
.
.
…
"
.
"
・ ・
. ・
… 105
3
.
8
第 3章の参考文献 ・・
.
.
・ ・
.
.
.
・ ・
.
.
.
・ ・-…-…一
H
H
第 4章
H
H
H
H
H
一一一….....・H・~ ~..・ H ・...・H ・-…....・ H・-………H・H・ .106
H
空間光変調器を用いた光波面制御 ・・
開
.
.
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.
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.
.
・ ・
… ・・
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・・
…1
0
8
H
H
H
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H
H
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4
.1
.
ま
え
が
き
.
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.
.
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.
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.
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.
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.
.
.
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.
.
圃
圃
圃
圃
圃
圃
圃
・
・
・
・
・
・
・
・
・
幽
・
・
・
・
幽
・・
・
・
・
・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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.
・ ・
.
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.
・ ・
…
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.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
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.
.
.
.
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.
.
.
.
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.
.・
.
.
1
0
8
4
.
2
.
高強度フェムト秒レーザー用 LCOS型空間光変調器の開発
H
a
4
.
2
.
1
.
H
H
……・・… ・・
.
.
.
…
H
H
…
109
はじめに ・・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
一
一
一
一
…
… ・・
… ・・
…
… ・・
.
.
.
・ ・
.
… ・・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
一
一
一
一
一
…
・
…
… .109
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
4
.
2
.
2
.
LCOS型空間光変調器の破壊しきい値の向上
4
.
2
.
3
.
・
~.. •••・. ・
.
.
・ ・
.
.
.
.
… ・・
.
.
.
・ ・
.
… ・・
… 113
LCOS型空間光変調器の動作しきい値の向上… ・.
4
.
3
.
…・… ・…
・ ・・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
. ・
.
.
.
.
.
.
.
.
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.
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.
.110
H
H
H
H
H
H
H
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H
H
H
H
H
光波面制御モジュールの開発… ・・
. ・ ・・
… ・・
… ・・
一
一
一
… ・・
.
.
.
.
.
・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
. ・
. ・
.
… ・・
… 115
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
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4
.
3
.
1
.
はじめに ・・
.
.
.
.
…
咽
・ ・・
.
… ・・-一一一一一…… ・・
.
.
.
.
.
.
.・
~.
，・
…
.
.
.
.
・ ・
.
.
…
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
… ・・
…
.
.
.
.
.
.
.
.
…
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.115
4
.
3
.
2
.
直進型光波面制
H
H
H
H
H
H
H
同
4-
H
H
H
H
H
H
光波面制御技術による球面収差補正.....・ ・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
… ・・
… …・
・-……一……………・… 124
4
.
6
H
H
H
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H
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4
.
6
.
1
.
はじめに一一一一………………………司…..••~...・ H・-………………...・H ・-…...・H・.....................・H・ ...124
4
.
6
.
2
.
球面収差補正の概念…
4
.
6
.
3
.
球面収差補正の検証システムの構築......…… ・・
・
…
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
. ・
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
1
2
5
4
4
.
6.
球面収差補正の検証
…
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
…
……
H
…
H
一
一
一
一
H
…
…
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
…
…
・
・
…
・
・
H
H
……
・… ・・
.
.
1
2
4
H
H
H
H
H
一
一
一
一…… 126
4
.
7
.
.
.
… …… ・・・
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
…
…
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
…
…
一
一
一
一
.
.
.
.
.
一
一
一
一
一
・
…
"
…
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
…
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
・ ・・
・
… 130
あとカfき
4
.
8
.
.
.
.
・ ・ ・・
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
…
・
・
一
一
一
一
一
第 4章の参考文献…… ・・
u
a
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
一
一
一
一
一
H
H
・ … .
.
.
.
.
.
.
.
1
3
1
第 5章結論............・ ・
.
.
.
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・・
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・ ・
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.
一
… ・・
.
・ ・
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.
・ ・
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.
… ・・
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.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
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.
・ ・・・
.
.
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.
1
3
2
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謝 辞 … ・・
…
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
… ・・
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
・ ・・・
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
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・ ・
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.
・ ・
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.
・ ・・
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
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.
・ ・
.
1
3
5
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
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H
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H
論文リスト ・・
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
…
… ・・
… ・・
.
.
…
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
.
.
.
.
.
.
.
・ ・
.
.
・ ・
.
.
t
I
・ ・
.
.
・ ・
.
.
.
・ ・
.
.
.
1
3
6
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
-5-
H
H
H
H
H
H
第 1章 序 論
1
.
1
.研究の背景
3
1
9
6
0年に T.H.Maimanがルビー (
C
r
+:Ah03
)結晶によりレーザー発振に成功して以来1)、 He-Neレ
ーザー 2)や CO2レーザー 3)に代表される気体レーザー、 Nd:YAGレーザーのに代表される固体レーザ
一、半導体レーザー (
L
D
:
L
a
s
e
rD
i
o
d
e
)5)など様々なレーザーに関する研究が進められてきた。中でも
固体レーザーは、容易に高出力が得られると同時に時間的にも空間的にも安定した特性が得られる
ため、遷移金属や希土類元素を活性媒質とした数多くの固体レーザー媒質が開発され、その利得帯
域は紫外域から近赤外域におよぶ。
一方で、固体レーザーは利得線幅が広いために、その帯域に含まれる光の位相を揃えることによっ
9
6
2年に Qスイッチング法 6
)が開発されて
て短パルス光を発生させることが可能なレーザーで、もある口 1
以来、短パルス化に関する研究が急速に進展し、 1
9
6
4年に導入されたモード同期の概念を発展させ
ることにより
7
)、1
9
6
6年にはヒoコ秒パルスが発生するまで、に至った 8
) 口そして、パルス圧縮の技術を用
いて 1
9
6
9年にはサブY コ秒のパルス発生が実現されたへその後、 1
9
8
0年代後半に開発された
T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
e(
T
i3+
:
A
l
z
0
0
)と 1
9
9
1年に開発されたカーレンズモード同期法
3)レーザー 1
1
1
)
により、フェム
ト秒光パルスの発生に関する研究が急速な展開を見せることになる口さらに、時間幅が短く(超高速
性)、非常に高いピーク強度を持つ(超高電界)とし、うフェムト秒レーザーの特徴を利用することで、物
質中で非常に高速に起こる緩和現象等の観測
を利用した医療応用
、熱の影響が少なく周囲の組織を傷っけない特徴
1
2
)
やノくイオテクノロジー 14)、多光子吸収等の非線形過程を利用した透明材料内
1
3
)
部加工 15)、あるいは超精密微細加工
等の様々な分野に応用されつつある口例えば、フェムト秒レー
1
6
)
ザ、ーから発生する光ノ勺レスは、そのパルス幅が非常に短いため、これを写真技術で、言う高速フラッシ
ュとして用いることで物質の超高速現象を捉えることが可能となる。分子を構成する原子同士の振動
周期は、 lヒコ秒(1x
l
0
-12 秒
s
)程度であるため、フェムト秒レーザーを用いることで分子の遷移状態
、p
O
を観測することが可能になる o Z
e
w
e
i
lはNaI→N
a
+
U
:
:
:
v
¥う化学反応では、光誘起分解の遷移状態の寿
命が 2
0
0f
sであることを確認した 17)。その後、 Z
e
w
e
i
lらは化学反応のマイクロ過程に対する認識を大き
く前進させた功績により、 1
9
9
9年にノーベル化学賞を受賞している。
固体レーザーである T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
eレーザーは、色素レーザーと比較して高出力であると同時に安定
した出力が得られるために、研究用途から産業用途にわたって幅広く用いられているフェムト秒レーザ
ーである。一方で、 T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
eレーザーは、その吸収帯域が 6
0
0nmから短波長域にあるため、一般
に半導体レーザー励起 Nd:YV0
d:YLFレーザーの第二高調波
4レーザーや半導体レーザー励起 N
が励起源として用いられる。固体レーザーの第二高調波を励起源とする手法は、構造が複雑であると
共に電気一光変換効率が低い口産業界においてフェムト秒レーザーの応用分野を発展させるために
は、レーザー装置の小型化および低コスト化が必要不可欠で、あり、そのようなフェムト秒レーザーの登
場が待ち望まれている。
-6-
また、これまでは、主にフェムト秒レーザーの強い電界強度を利用することで、様々な分野において
フェムト秒レーザーの急速な応用展開が図られてきたが、フェムト秒レーザーを容易に取扱える環境
が整えられた今日に至ってはその成長度合も飽和しつつある したがって、新たな応用分野を開拓す
O
るためには、「超高速性」および「超高電界」以外の新たな付加価値を生み出し、これを実用化する必
要がある。そこで、着目されたのが「光の位相」であり、現在では時間的な側面と空間的な側面から
様々なアプローチがなされている口例えば、 Brumer らはフェムト秒レーザーのコヒーレンスを積極的に
利用することで、光と物質の相互作用を任意に制御する手法を提案した
1
8
)。強度と位相が制御された
2つのレーザーを 2原子分子である臭化ヨウ素(IB
r
)に照射することで、二通りある解離過程のうちのう
ち一方の収率を 25%から 9
5%の問で自由に制御できることを計算により示したのである
1
9
)
口レーザー
による化学反応制御が可能になれば、有用な化合物を選択的に生成することが可能になるため、製
薬工業のように生成物の選択性が低い化学工業において製造コストが大きくヲ￨き下げることが可能と
なる。さらに、様々な研究分野において光の位相制御技術が利用される二とでその重要性が認識され
つつあるが、産業応用に適用させるためには位相制御技術ならびに操作性に優れた制御システムの
開発が急務である。
ブェムト秒レーザーの時間的な位相(時間波形)を制御する手法は、非熱加工、量子制御、物質改
変等とし、った様々な分野への応用が期待されている口これらの応用では、反応過程はさらに複雑にな
るため、その反応を制御するために複雑な振幅・位相制御が必要となる口しかしながら、ブェムト秒領
域で応答する電子デバイスは今のところ存在しない口そこで、周波数領域における光ノ勺レスの振幅お
よび位相を空間光変調器により制御し、これをフーリエ変換することによって時間領域における光パル
スの振幅および位相を高い自由度で制御する技術、いわゆる波形整形の技術が考案された
。波形
20)
整形技術は、光ノミノレスに含まれる周波数成分の位相を個別に制御することにより、光ノミルスの時間波
形を任意の時間波形に整形する技術である。その反応に適した波形に整形された光ノミノレスを用いる
ことによって、光と物質の相互作用をより厳密に制御することが可能となる口しかし、最適パルス波形を
解析的に導き出すことができる反応は少なく、多くの物質系における反応はその過程が未知である場
合が多い。そこで、未知の相互作用における最適パルス波形を、自己学習効果を持った閉ループ。最
適制御によって導き出そうとしち研究が盛んに行われるようになった
2
1
)
。
上記の様に時間的な特性を制御することが可能であるが、空間光変調器を用いることによって空間
的な位相(波面)を制御することも可能である。波面制御により、レンズ集光位置に任意の形状を生成、
あるいは光路伝播中に生じたが波面歪みの補正が可能となるため、レーザー加工
ピンセット
、眼底カメラ
24)
2
2
)、顕微鏡 2
3
)、光
などの様々な応用分野への展開が図られている。一方、ナノテクノロジー
25)
分野において、光集積回路向けの微細加工技術として、高強度フェムト秒レーザーによる透明材料内
部局所加工が注目され、光導波路
2
6
)、光メモリー 2
7
)、回折格子 2
8
)、ビームスプリッター 2
9
)、光カブラ-
3
0
)等の光学素子へと展開されつつある O
光が透明媒質内部に集光されるこれらの応用では、異なる屈
折率を有する材料の境界面における屈折に伴って球面収差が発生し、これが観察あるいは加工精度
を劣化させる要因となる口特に、対物レンズの開口数が大きいほど、あるいは集光位置が深いほど球
-7-
面収差によって集光部が肥大化することで、その影響が顕著となるため、波面制御技術により球面収
差を補正する研究が盛んに行われている口
そこで我々は、ブェムト秒レーザーに関するこれらの要求に応える為に、半導体レーザーで直接励
起することで、実現される小型な全国体フェムト秒レーザーの開発を目指した。この際、筆者は主にレー
ザー共振器の構築や光パルスの計測等の光学実験を担当し、得られた諸データの解析結果に対す
る共同研究者からの助言ならびに提案を得ることで、研究が遂行された さらに、フェムト秒レーザーの
O
時間的な位相制御技術ならびに空間的な位相制御技術を開発すると共に、これらの技術をシステム
化することによりフェムト秒レーザーの応用展開を図った 上記位相制御技術は、空間光変調器をキ
O
ーデ、パイスとするもので、あり、空間光変調器の開発・改良については共同研究者が、空間光変調器の
評価、空間光変調器を用いた波形整形器や光波面制御モジュールの開発、ならびに応用実験につ
いては筆者が担当した。また、位相制御技術を用いた研究を遂行するためには、位相制御された光
の時間的・空間的な特性を評価する必要があるため、解析アルゴ‘リズムに関する共同研究者の協力を
得て、筆者が計測系の構築ならびに評価を行った。
1
.
2
.本研究の目的と概要
本研究は、ブェムト秒光ノミルスの発生に関する技術、フェムト秒光ノ勺レスの時間的ならび、に空間的
な位相制御に関する技術を確立すると共に、これらの技術を様々な応用分野に展開することで、産業
界においてフェムト秒レーザーを応用展開させることを目的としている口
フェムト秒光ノミノレスの発生に関しては、操作性に優れたブェムト秒レーザーを実現することを目的と
3
して、半導体レーザーで直接励起することが可能な C
r:LiSAF(
C
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F6)レーザー媒質に着目し
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ザーで直接励起することが可能なレーザー媒質である。同時に、利得帯域が 7
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めに、フェムト秒レーザーとして最も広く用いられている T
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ることが可能である数少ないレーザー媒質である。一方、フェムト秒光ノ fノレスを発生させるためには発
振波長帯域の広いレーザー共振器を構築する必要がある。そこで、
cw
発振状態においてレーザー
共振器の発振波長帯域を検証するために、 1
0
0n
r
n以上の連続波長可変が可能であることを確認した
3
4
)口次に、能動モード同期法によるピコ秒パノレスの発生を試みた結果、
8
8 nm の帯域にわたって 1
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0ピコ秒の光パルスが得られ、パルス発振動作時においてもレーザー共振器の帯域が維持され
ることを確認した
3
5
)。これらの基礎評価を踏まえて、半導体レーザーでの直接励起による小型の全固
体フェムト秒レーザーの実現を試みた
36，
3
7
)口この際、波長分散を補正するために用いるプリズム対の
聞にレーザー媒質を配置する新たな構成を考案し、この構成を用いることによってレーザー共振器を
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nにまで、小型化することに成功した
38洲
口
上記のフェムト秒光ノ.::..;レスの発生に関する研究により、フェムト秒レーザー実用化の目処が得られ
ると共に、ブェムト秒光ノミノレスを取り扱う上で、の基礎技術ならび、に知見が得られたため、次にフェムト秒
レーザーの高機能化を実現するために位相制御技術に関する研究に着手した ブェムト秒レーザー
D
-8-
の時間的位相の制御に関しては、周波数領域において光パルスの位相を制御し、これをフーリエ変
換することによって時間領域における光ノミルスの位相を高い自由度で制御する技術を用いた小型波
形整形器を開発した。この際、画素構造を有しない光アドレス型空間光変調器を用いることによって
画素構造に起因するサテライトパルスの発生が抑制されること、そして光アドレス型空間光変調器の
誘電体多層膜鏡の反射率を高くすると同時に透明電極の反射率を低く抑えることにより位相変調に伴
う強度変化が低減されることを解析的に検証した。同時に、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な
耐光性を有する光アドレス型空間光変調器
4
0
)を開発することで、再生増幅された高強度フェムト秒レ
ーザーの時間波形を直接制御することが可能な波形整形器を実現した 41)。波形整形された高強度フ
ェムト秒光ノミルスを透明材料の内部加工に適用することで、光と物質の相互作用を制御できることを
実証した
4
2
)
さらに、光と物質の相互作用が未知の状態においても、反応効率に関する情報を波形
整形器にフィード、パックすることで、その反応効率を自動的に向上させることが可能な適応型反応制
御装置を開発した
口そして、制御アルゴ、リズムとしてシミュレーテッドアニーリング、法を用いることで、
43)
ガラス媒質や光ファイバー伝播時に生じる波長分散
4
4
)、あるいは非同軸光ノ f
ラメトリック増幅時に生じ
る波長分散を自動的に補正できることを実証し、制御系の有意性を実証した口
フェム卜秒レーザーの空間的位相の制御に関しては、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐
光性を有する LCOS 型空間光変調器を開発すると共に、波面制御を行うための光学系をモジュール
化することで、レーザー加工における波面制御技術の実用化を図った口従来のフェムト秒レーザー加工
においては、レーザー光を 1点に集光した状態で試料を走査する 1
1 点走査加工 Jが用いられていた
ために、加工効率が悪く、産業界への応用展開を阻む要因となっていた これに対して、本研究では、
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3次元一括多点形成技術Jを開発
計算機ホログ、ラム (
し 45，46)、この技術を用いることで内部加工の効率を大幅に向上させることに成功した。レーザー光を透
明材料内部に集光する加工では、球面収差が発生することで集光部が肥大化し、これが加工精度を
悪化させる要因となる。従来は、発生する球面収差を解析的に算出し、あらかじめ球面収差に相当す
る補正パターンを与えることによって球団収差を補正する試みがなされていたが、レンズの開口数が
大きい場合、あるいは集光位置が深い場合には球面収差を精密に補正することがで、きなかった。そこ
で、本研究では、光糠を逆追跡することで、球面収差を補正するパターンを算出する手法を考案し
4
7
)、
この手法を用いることによって球面収差が精密に補正されることを実験的に検証した口
1
.
3
.本論文の構成
本研究では、ブェムト秒光ノミノレスの発生技術ならびにその位相制御技術に関して理論的な解析を
行うと共に、その結果を踏まえて操作性に優れたシステムの開発を目指した。さらに、開発したシステ
ムを用いて制御技術の具体的な応用についての展開を試みた。従来のフェム卜秒レーザー応用で、は、
主に「高速性」や「超高電界 J
品、った特性が利用されていたが、これに「光の位相 J
としぢ新たな付加
価値を取り入れることによりフェムト秒レーザーの新たな応用分野を開拓することを目指した口
第 1章は序文であり、ブェムト秒光パルスの発生・制御技術の現状と本論文のアフ。ローチについて
-9-
述べた。第 2章では、 Cr:LiSAF レーザー媒質を半導体レーザーで、直接励起することによる小型な全
国体フェムト秒レーザーの開発について述べる。同時に、その広い利得線幅を利用した連続波長可
変性、ヒ コ秒パルス発振、ならびにフェムト秒パルス発振に関して、その動作原理と特性について解
O
析する口第 3章では、フェムト秒レーザーの時間的な位相を制御する手法として考案された波形整形
技術の動作原理を解析すると共に、その原理に基づいて開発した波形整形器の詳細、ならびに波形
整形器を用いた応用研究について述べる口波形整形器の開発では、ブェムト秒レーザーに含まれる
周波数成分の位相を制御するために用いられる光アドレス型空間光変調器の耐光性に関する検討を
行い、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐光性を有する波形整形器を開発した結果を述べ
る。また、フェムト秒光パルスを評価するために、自己相関法、周波数分解光ゲート法、フーリエ変換
スペクトル干渉法等の様々な計測法の原理を解析すると共に、これらの計測法を用いてフェムト秒光
パルスを評価した結果について議論する口第4章では、フェムト秒レーザーの空間的な位相制御に関
して、波面制御のための専用の光学系を構築する際の負担を軽減することを目的として開発した光波
面制御モジュールの詳細を述べる 同時に、光波面制御モジュールで、用いられる LCOS型空間光変
O
調器の耐光性に関する検討を行い、再生増幅された高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐光
性を有するデ、パイスを開発した結果を述べる口また、計算機ホログラムを用いた多点形成による加工
効率の向上について述べると共に、透明材料内部において 3次元」括多点加工を行った結果につい
て述べる口さらに、透明材料内部に光を集光する場合に発生する球面収差を補正する技術を開発す
ると共に、補正技術を適用した場合の集光形状を解析することで、加工品質の向上を図った結果を述
べる口第5章で本論文の内容を統括し、今後の展望について述べる。
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.
4
.第 1章の参考文献
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) 伊藤晴康ラ浦上恒幸，吉田成浩，伊ヶ埼泰則，細田誠高強度レーザー用反射型波形整形
システムと周波数分解ゲート法によるその特性評価」今レーザー研究， 2
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1
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)
.
4
2
) 伊藤晴康ラ浦上恒幸，青島紳一郎，士屋裕高強度波形整形パルス光の加工への応用」
電気学会光・量子デバイス研究会資料， OQD・0
3・9(
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) 伊藤晴康，大林寧ラ田中博，原勉空間光変調器を用いた高強度フェムト秒レーザー光波面
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)
.
-1
3-
第2章半導体レーザー励起小型 Cr:LiSAFレーザーの開発
2
.
1
.まえがき
1960年 に T
.
H
.
M
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nがノレヒ、、ー結晶によりレーザー発振に成功して以来、数多くの固体レーザー
媒質が開発されてきた口その利得帯域は紫外域から近赤外域に及ぶが、広範囲にわたって発振波長
が可変であるレーザー媒質は数少ない口中でも、 1990 年初頭に開発された T
i
:
S
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e レーザーは
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5
0
"
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100nmの広い範囲にわたって波長可変制御が可能で、あるため、広帯域波長可変光源として、
研究用、産業用として急速に発展した光源である。また、その広い利得帯域を利用して超短パルス光
を発生させることが可能であるレーザー媒質であることから、その応用分野は超高速時間領域におけ
る物性評価等の基礎研究から透明材料内部加工等の産業用途の多岐にわたる口
一方で、 T
i
:
S
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i
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eレーザーは、その吸収帯域が 600nmから短波長域にあるため、当初は励起源
としてアルゴ、ンイオン (
A
r
+
)レーザーが用いられていた。 A
r
+レーザーは「高電圧電源 jならび「大型冷
却系」等の環境設備の構築が必要不可欠で、あったため、レーザー装置そのものが大掛かりとなるだけ
でなく、アルゴ、ンチューブの劣イ七(短寿命)や定期的なフィルター交換等のメンテナンスを要するため、
操作性に優れているとは言いがたい装置で、あった その後、半導体レーザー励起 Nd:YLFや半導体
O
レーザー励起 Nd:YVU4 レーザーの飛躍的な出力の向上に伴い、その第二高調波が励起光源に用
いられるようになった口しかし、国体レーザーの第二高調波を励起源とする手法は、構造が複雑である
と共に電気
光変換効率が低いなどの題点が残積していたため、半導体レーザーで直接励起するこ
とがで、きる小型な全固体フェムト秒レーザーの開発が強く望まれていた 半導体レーザーで直接励起
D
されるフェムト秒レーザーが実現されれば、フェムト秒レーザーの小型化および、低コスト化が実現され、
産業応用への展開が可能となる。さらに、キースイッチ一つで、ブェムト秒光パルスを容易に得ることが
可能となるため、従来のフェムト秒レーザーと比較して操作性が飛躍的に向上する。操作性が向上す
ることにより物理、化学、生物等の研究分野の科学者にとってフェムト秒レーザーが身近な光源となり、
その研究分野の裾野が広げられる。その結果、これまで、未知の領域で、あった超高速時間領域で、のダ
イナミクスが解明されるようになると期待される。
このような背景の中、半導体レーザーで直接励起することが可能な C
r
:
L
i
S
A
Fl-6
、Cr:LiCAF
)
(
C
r
3
+
:
L
i
C
a
A
I
F
6
)7
9
)が注目されるようになった 特に、 Cr:LiSAFは吸収帯域が 630"-'680nmにあるた
O
めに既存の半導体レーザーでの直接励起が可能であると同時に、利得帯域が 7
5
0
1
0
0
0nmと広い
ために T
i
:
s
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p
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i
r
eと同等な超短パルス光を発生させることが可能な数少ないレーザー媒質であり、広
帯域波長可変
1
0
)、超短パルス発生川、光増幅 1
2
)等の研究が盛んに行われるようになった。我々もい
ち早く C
r:LiSAFに着目し、広帯域波長可変、ならび、に超短パルス発生に関する研究を開始した。
本研究では、 C
r:LiSAF レーザー媒質を用いた広帯域波長可変、ヒ。コ秒パルス発生日)、フェムト秒
光パルス発生 1
4
1
5
)等を経て、最終的に半導体レーザー直接励起による小型フェムト秒レーザーを実
現した 1
61
7
) 本章では、実験結果を中心として、開発した C
r
:
L
i
S
A
Fレーザーの諸特性を示す。
・
-1
4-
2
.
2
.広帯域連続波長可変レーザー発振
2
.
2
.
1
. はじめに
、S
.A
.Payneらによって開発された一軸性結晶で、ある口図 2
1の吸収および放出スベク
Cr:LiSAFは
ト
ノ
レl
こ示されるように、手Ij得帯域が 7
5
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"
1
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0nmと広いために広帯域波長可変性を有すると共に、吸
収のピークが 6
3
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'
"
"
6
8
0nmにあるために既存の赤色半導体レーザーでの直接励起が可能であるとい
った特徴を有する 一方で、表 2
1 に示されるように、誘導放出断面積が他の波長可変レーザー媒質
D
と比較して低いために発振しきい値が高い結品でもある口加えて、熱拡散係数が低い上に、熱膨張係
数が C 軸に対して平行な場合と垂直な場合とで符号が異なるために、熱的な影響を受けやすいレー
ザー媒質である。結果として、発振効率が共振器内の損失に大きく影響される口このため、励起時に
発生する熱が十分に放熱されないと、光出力が飽和し、さらにはレーザー発振が停止するとしち問題
が生じる。したがって、十分な光出力を得ると同時に、広帯域連続波長可変を実現するためには、こ
れらの点を考慮してレーザー共振器を綿密に設計する必要がある。
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:L
iS
r
A
I
F
6
T=295K
放出
4
4
E上
仁
2
0
醇阻止組沼話
0
6
6
OF)
0
内
2
EUD
(内
吋(︺戸)樫担塩竪臣
(NEUD
2
300
700
500
波
長
2
900
。
(
n
m
)
図2
1 Cr:LiSAF結晶の吸収スペクトルおよび放出スペクトル
-1
5-
表2
1 代表的な固体レーザー媒質の諸特性
特性項目
波長可変範囲
Cr:LiSAF
Cr
:F
o
r
s
t
e
r
i
t
e
Nd:YAG
Yb:YAG
(
T
T
i
i
:
3
S
+
a
:
A
p
p
1
2
h
0
i
r
3
e
)
4
(
C
r
3
+
:
L
i
S
r
Al
Fd
(
C
r
+:Mg
Si0
N
d
3
+
:
Y
3
A
l
s
0
1
2
) (Yb3
+
:Y3
A
1
s
U
1
2
)
2
4) (
7
8
0
1
0
1
0
6
5
0
1
1
0
0
1
1
3
0
1
3
4
8
土0
.
2
1
0
6
4
1
0
2
5
1
0
3
4
4
.
8
30
1
4.
4
40
2
.
0
6
7
3
.
2
25
230
1
2
0
0
rW/moCl
3.
3(
l
l
c
)
3
.
0(
上c
)
3
3
8
1
4
1
4
熱膨張係数
[
10
6
/
K]
1
0
(
I
I
c
)
2
5(
.
.
1c
)
8.
4
9
.
5
7
屈折率
l
.4
)
4
.
8(1 c
2
.
5(
上c
)
l
.7
6
l
.6
1
.8
8
.
2[
1
0
0
]
7
.
2
[
1
1
0
]
7
.
8
[
1
1
1
]
1
.8
1
2
.
6
2
.
8
8
.
9
9
r
n
m
l
誘導放出断面積
2
0 2
r
l
0 cm1
蛍光寿命
[
μ
s
e
c
]
熱伝導率
d
n
/
d
T
O
C
]
[
1
0ゐ/
2
.
2
.
2
. 実験結果及び考察
利得帯域の広いレーザー媒質の場合、レーザー共振器内に波長選択素子を挿入することにより波
長可変が可能となる。ただし、前述したように C
r:LiSAF は共振器内の損失に大きく影響されるため、
波長選択素子として挿入損失の低いプリズムを用いる方法が有効である。また、広帯域連続波長可変
と同時に高出力化を図るためには出力鏡の反射率を最適化する必要がある。そこで、図 2
2に示す構
3
成により出力鏡の反射率の最適化を図った o Cr
+
が 3%ドープされた 5mm立方体の結晶の励起光入
射端面には、励起波長において高透過率、発振波長において高反射率を示す誘電体多層膜鏡が施
されており、この面を共振器鏡として用いた口結晶端面を共振器鏡として用いることにより、端面におけ
る損失が低減されると共に共振器の調整が容易となる。また、図 2・1の吸収スベクトノレに示されるように、
Cr:LiSAFは励起光の偏光依存性が低い結品であるので、励起光に偏光が直交するように配置された
半導体レーザー(中心波長 681nmおよび 6
82nm)の出力光を偏光ピームスブ。リッターで、合成したもの
を用いた。尚、結品の温度は、結晶端面の結露を避けると共に後述する熱の影響を低減させるために
o
cとした。
印。叫)構
/岬州制
/405
ap
/+FDt
E 一﹄山正川問一ザ
尉
町山川
用
ん
﹄
'''1ea1
，，﹄
-1
6-
/んオ¥山市ヤ
nCZU1
a川lll叫lllU可
k¥¥￨￨￨
い￨ ￨ l q d
明
鏡
//CM
巾m J
m附 即
可
V/ J
JhH
、
U
﹃¥也、﹄ F %
、
、
、
山ハけ
而卦
40
1
7
上記構成において、出力鏡(曲率半径 100mm)の反射率を 99.8%および、 9
9
.
2%とした場合の諸特
性を表 2
2に示す。反射率が 9
9
.
8%の出力鏡を用いた場合の発振しきい値は 2
7
.
5m Wであり、反射
/
0の出力鏡を用いた場合には発振しきい値が 7
6
.
2m Wにまで増加した口表には記載してい
率が 9
9
.
20
ないが、反射率が 9
9
.
2%以下の出力鏡で、は発振させることすら困難となった口一方、反射率が 9
9
.
8%
11
.2 mW)であり、反射率が
の出力鏡を用いた場合の最大出力光強度は 5
6
.
1 m W(励起光強度 3
8
3
.
2mW)にまで増加し
9
9
.
2%の出力鏡を用いた場合の最大出力光強度は 60.
lm W(励起光強度 2
た。ところが、どちらの場合にも、励起光強度を最大出力光強度が得られる励起光強度以上とすると、
出力光強度が低下するとしち問題が確認された。これは、熱膨張係数の符号が異なるために、励起光
強度の増加に伴って結品内に発生する熱歪の状態が不均ーとなり、共振状態を維持できなくなるた
めだと考えられる。以上の結果より、波長可変を行う上での最適な反射率は 99.2%左判断された。
表2
2 出力鏡によるレーザー発振特性の変化
励起光源
LD
励起波長
[
n
m
]
出力鏡反射率
[%]
発振中心波長
[
n
m
]
発振しきい値
[mW]
スロープ効率
[%]
6
8
1
682
9
9
.
8
9
9
.
2
865
865
2
7
.
5
76.
2
.3
21
2
9
.
1
最大光出力
(励起光強度)
[mW]
1(
3
11
.2
)
5
6.
6
0
.
1(
2
8
3
.
2
)
次に、図 2
3 に示されるように、レーザー共振器内にプリズムを挿入する従来法を用いて波長可変
を試みた。上記実験により、出力鏡の反射率は 9
9
.
2%が最適であることが確認されているため、本実
験においても反射率 9
9
.
2%の出力鏡を用いることとした。また、凹面鏡のあおりを調整することによっ
て発振波長を制御し、励起光強度は結品の励起光入射端面直前において 2
8
3m Wとした。
Focusing HT670nm
Lens
~\R
Aω ふ 汽
山 叫 臼.
.
-.LJ
ムJ
3morohic
P
r
i
s巾
¥I
p
l
e
r
(R99.2%)
図 2-3 従来法による波長可変 C
r
:
L
i
S
A
Fレーザーの構成
従来法により得られたチューニングカーブを図 2・4に示す。最大出力光強度は 844nmにおいて 40
m W、波長可変範囲は 5
3
.
1nmで、あったO
-1
7-
50
言
E40
a
5
3
o
5
Z3
0
。
言
ぢ
CL
20
10
2
o
0
8
840
860
880 900
Wavelength(nm)
920
940
図 2-4 従来法により得られた波長可変 C
r
:L
iSAFレーザーのチューニング力一ブ、
図2
3に示される構成では、 Cr:LiSAFの利得が最も高い 865nmf
こ対して設計されたブリユースタ
ープリズムが用いられているが、それ以外の波長の光ではブリユースター条件を満足できないため、こ
れが損失となって波長可変領域を制限する要因になると考えられる口特に、図 2
3 に示される構成で
はプリズムに発散光が入射されるため、その影響は顕著となる。そこで、凹面鏡で光路を折り返し、平
面鏡を出力鏡とする図 2・5 の構成により波長可変を試みた口この構成では、凹面鏡でコリメー卜された
平行光がプリズムに入射するため、プリズム挿入による損失が低減される口
Output
図 2-5 プリズムに平行光が入射する構成(従来法)による波長可変 C
r
:L
iSAFレーザーの構成
ブ リズムに平行光が入射する従来法により得られたチューニングカーブを図 2
6 に示す口最大出力
O
光強度は 865nmにおいて 1
6
.
7m W、波長可変範囲は 6
3
.
8nmで、あった
-1
8-
O
50
三40
E
包30
主
o
20
コ
n
.
10
E
0
08~000"
840
860
880 900
Wavelength(nm)
920
940
図2
6 プリズムに平行光が入射する従来法により得られたチューニングカーブ、
プリズムに入射する光を平行光とすることにより波長可変範囲が拡大されたが、共振器内に挿入さ
れたプリズムによる損失が波長可変範囲を制限していると考えられる。そこで、我々は副共振器により
波長を選択する波長選択自己注入同期法を開発した口図 2・7は、開発したレーザー共振器の構成で
ある。結晶端面に施された全反射鏡から反射率が 9
9
.
2 %の凹面鏡までが主共振器であり、後段の平
面全反射鏡までが副共振器となる。副共振器では、主共振器からの出力光がコリメートレンズにより平
行光となり、プリズムで分光された後に、任意の波長成分が主共振器に注入される。その結果、主共
振器では、高J
I共振器から注入された波長成分に同期してレーザー発振波長が制御される。すなわち、
副共振器は、波長を選択・純化して所望の波長成分を主共振器へフィードパックすることにより、レー
ザーの発振波長を制御する波長選択機能を有する口また、出力光を取り出すために、一方の端面に
反射防止膜が、他方に約 9 %の反射率を有する誘電体多層膜鏡が施されたガラス基板をコリメートレ
ンズとプリズムの聞に配置した。 2方向に出力されるガラス端面からの反射光の一方を全反射鏡により
副共振器に戻し、他方を出力光として取り出した。コリメートレンズとプリズムとの聞にガラス基板を配
置する構成とすることにより、光出力の増加、ならびに波長可変範囲の広帯域化が図れると共に、ビ
ーム広がりが小さく、ビーム位置の安定した出力光を得ることが可能となる。また、副共振器を用いる
構成では、主共振器は常に発振している状態が維持されるため、共振器の調整が容易になるとしづ利
点を有する口
-1
9-
M
i
r
r
o
r
(
T
o
t
a
lR
e
f
l
e
c
t
i
o
n
)
M
i
r
r
o
r
Output (
T
o
t
a
lR
e
f
l
e
c
t
i
o
n
)
図 2-7 波長選択自己注入同期法によるレーザー共振器の構成
図 2・8に、波長選択自己注入同期法により得られたチューニングカーブを示す口最大出力光強度は
887nmにおいて 4
1m W、波長可変範囲は 1
0
0
.
7nmに達した。副共振器内のレンズ、プリズム、およ
び全反射鏡の損失を無視した場合、副共振器から主共振器に再注入される光強度は、主共振器の
出力光強度の 0
.
6
5%程度に過ぎないにも関わらず、そのわずかな光帰還により主共振器の発振状態
が制御され、波長可変領域が広帯域化されたことになる。
この様に、我々が開発した波長選択自己注入同期法では、国J
I
共振器を波長選択手段として用
いることにより、容易に広帯域連続波長可変制御が可能となる以外に、以下に示す特徴を有す
る。まず、従来法では波長可変領域両端ではレーザー発振が停止するが、波長選択自己注入同
期法では短波長端 (
8
2
1
.
8nm)で 8.5mW、長波長端 (
9
2
2
.
5nm)で 2
5
.
8m Wが得られると共に、
全帯域にわたってほぼフラットな光出力が得られる口さらに、主共振器内を光学素子が含まれ
ない最も単純な構成とすることができるために、 Cr:LiSAFのように損失の影響を受けやすいレ
ーザー媒質以外にも、手Ij得の低いレーザー媒質や励起光強度が低い場合にも有効な手法である。
50
3
E40
0
5
呈
.
0
530
雪
010
0
820
840
900
860
880
Wavelength(nm)
920
940
図 2-8 波長選択自己注入同期法により得られた C
r
:L
iSAFレーザーのチューニングド力一ブ、
-20
回
2
.
3
.超短パルスレーザー発振
2
.
3
.
1
. はじめに
Cr:LiSAFは利得帯域が 7
5
0
'
"
"
'
'
1
0
0
0nmと広いために、広帯域波長可変が可能なレーザー媒質であ
ると共に、超短光ノ《ルスを発生させることが可能なレーザー媒質で、もある。超短光ノ《ルスの発生にお
いては、手iJ得帯域に含まれる光の位相を揃える必要があり、そのために様々なモード同期法が用いら
れる。モード同期法は、能動モード同期法と受動モード同期法とに大別され、それぞれ下記に示す特
徴を有する。
能動モード同期法では、レーザー共振器内に配置される外部変調器の変調周波数と、レーザー共
振器の共振周波数とを一致させることで、共振器中に存在する縦モードの発振が共通の位梱項に固
定(モードロック)され、そのフーリエ変換として短パルス光が発生する 変調器としては、音響光学素
O
子 CA-O変調器)等の強度変調器、電気光学素子 C
E
O変調器)等の位相変調器、あるいは励起電流
変調器等が用いられる。ただし、これらの変調器は外部からの電気信号によって駆動されるため、そ
の変調速度には限界があり、得られるパルス幅としてはヒ コ秒オーダーが限界となる
O
O
一方、受動モード同期法では、レーザー共振器内に非線形な吸収係数を有する媒質、もしくは非
線形な屈折率を有する媒質が挿入され、これらの媒質を変調器として用いる口前者の場合、過飽和吸
収体が用いられる場合が多く、色素レーザーの場合にはエチレングリコールに DODCI等の過飽和色
素を溶かしたものが用いられていたが、色素が劣化するために定期的に追加、もしくは交換する必要
があった
1
R
)。そのため、近年の固体レーザーでは半導体からなる過飽和吸収体(S
e
m
i
c
o
n
d
u
c
t
o
r
S
a
t
u
r
a
b
l
eA
b
s
o
r
b
e
rM
i
r
r
o
r
s，SESAM)が主流となっているが l町、やはり長期的な劣化は避けられない。
一方、非線形な屈折半を有する媒質としては、光強度で屈折率が変化するカー媒質が用いられる。
i
:
S
a
p
p
h
i
r
eレーザーの場合には、レーザー媒
近年、フェムト秒レーザーとして最も広く用いられている T
質そのものがカー媒質として用いられる。ただし、カー効果を利用したカーレンズモード同期法 20)は自
己発振する二とができないため、変調器や、振動器等を用いて外部から何らかの変調を加えることによ
って、モード同期を誘発させる必要がある。一方、カーレンズモード同期法は、戻り光に対して非常に
敏感であり、レンズ等の端面反射光が共振器内に戻されると、モード同期発振から C W発振に推移し
てしまうとしづ弱点を有する口いずれの場合も電気信号を用いておらず、その変調速度は媒質の応答
速度(フェム卜秒オーダー)に起因するため、フェムト秒光ノ《ノレスを発生させるためにはいずれかの受
動モード同期法を用いる必要がある口
我々は、モード、ロッカーを用いた能動モード同期法によりヒ。コ秒パルス発振を、そしてカーレンズモ
ード同期法によりフェムト秒パルス発振を実現した口その詳細を以下に示す口
2
.
3
.
2
. 能動モード同期法によるピコ秒パルスレーザー発振
レーザー共振器中には多くの縦モードが存在するが、通常はこれらの縦モードの相対的な位相がラ
ンダムであるため、レーザー出力光強度は時間的に一定となる。すなわち、連続 (CW)発振となる。音
響光学素子を用いた能動モード同期では、音響光学素子によって共振器内に強度変調を与えること
凶
2
1-
によってパルス発振させる手法で、ある o この際、変調周波数と縦モードの間隔とを一致させることによ
って、縦モードの相対的な位相が変調器の変調周波数に同期する。これにより、様々な縦モードが同
期してレーザー発振することになるため、これらの縦モードの干渉の結果として短パルスが得られるこ
とになる。ただし、レーザー共振器内にはレーザー媒質等の様々な光学素子が含まれており、その屈
折率が波長ごとに異なるため、縦モード聞に時間的な遅延を生じさせる。すなわち、音響光学素子を
用いた能動モード同期法では、縦モードの相対的な位相を同期させることはできても、絶対的な位相
を制御することができない口その結果、利得の高い、あるいは共振器内における損失が低い縦モード
が優先的にレーザー発振し、その他の縦モードはレーザー発振が抑制されるため、発生する光パル
スのパルス幅はヒ。コ秒オーダーに制限される また、電気信号に起因した音響波は低速なシャッター
O
として機能するため、縦モードの位相を厳密に制御することができないこともパルス幅を制限する要因
となる。
図 2・9は、我々が開発した半導体レーザー直接励起による波長可変ピコ秒 Cr:LiSAFレーザーの構
3
3
成である。結晶には、 (
a
)
C
r
+のドープ量が 3.0%
で一辺が 5mmの立方体、 (
b
)
C
r
+のドーフ 量が 5
.
5%
O
3
で中心部の長さが 10mmの平面/ブリユースター面のもの、 (
c
)
C
r
5
.
00
/
0で厚みが 0
.
5
+のドープ量が 1
3
十のドーブ 量が多いほど励起光の吸収量が増加する反
m m のものと、合計 3種類の結晶を用いた。 Cr
O
面、結晶内に蓄積される熱の影響が大きくなるため、励起光の光強度は結品入射端面直前において
3
a
)
3
1
5m W、(
b
)
3
1
5m W、(
c
)
1
8
3m Wに制限された口特に、 Cr
+のドーフo量が 1
5
.
0%の結晶
それぞれ(
では、 183mW以上の励起光強度で、はレーザー発振が停止した。全ての結晶の片端面には励起波長
(
6
7
0nm)において高透過率、レーザーの発振波長域 (
8
6
5土50nm)において高反射率を示す誘電体
多層膜鏡が施されており、この面を共振器鏡として用いた口変調器には、プリズム型のモードロッカー
(コヒーレント社、 MODEL468)を用いた口前記モードロッカーの共振周波数が 1
0
6MHzであるため、
レーザーの共振器長を 1
4
1cmとした。また、出力鏡には、反射率が 9
8
.
60
/
0の誘電体多層膜鏡を用い
た
口
Mode
Locker
Out
戸u
t
Coupler
M
i
r
r
o
r
(
T
o
t
a
lR
e
f
l
e
c
t
i
o
n
)
図2
9 広帯域波長可変ピコ秒 C
r
:L
iS
AFレーザーの構成
各結晶の断面形状と、それぞれの結晶を用いてモード同期発振させた場合に得られた典型的なス
3
トリーク像を図 2・1
0に、実験結果の一覧を表 2・3に示す。最も短いパルス幅が得られたのは、 (
b
)
C
r
+
-22-
のドープ量が 5
.
5 %で平面/ブリユースター面の形状の結晶を用いた場合であり、パルス幅 77p
sの
光パルスが得られた。これは、結晶端面をブ、リユースター面とすることにより、結晶とプリズム形状のモ
ードロッカーとがプリズ、ム対に近い役割を担い、一部の波長分散が補正されたためであると推測される。
3
(
a
)
C
r
+
のドーフ。量が 3.0%で一辺が 5mmの立方体の結晶を用いた場合には、結品により波長分散が
3
増強されためにパルス幅が広がり、逆に(
c
)
C
r
+のドーフ。量が 15.0%で厚みが O.5mmの結晶を用いた
場合には結晶長が短いために波長分散が低減されたためにパルス幅が短くなったと推測される
111曹v
d
。
ョ
U
可吋古川山
11lvvヨ
ヨ
。
AO 古的
4・
v↓-30
111曹
e
十
1/
LJ
ド
斗
3
(
a
)C
r
+
3%ドープ結晶
O
3
(
b
)Cr
+
5
.
5日ドープ結品
3
(
c
)C
r
+
1
5%ドープ結晶
図 2-10 ストリーク力メラによるパルス幅計測結果(上段:ストリーク像、下段:結品断面形状)
表 2-3 様々な結品を用いた場合のピコ秒パルスレーザーの諸特性
3
Cr+
ドープ量
励起光強度
出力光強度
中心波長
[
%
]
(
a
)3
.
0
(
b
)5
.
5
(
c
)1
5
.
0
[mW]
315
315
1
8
3
[mW]
5
.
0
0
.
9
0
.
1
[
n
m
]
807
892
866
スベクトル幅
[nm]
1
.03
1
.26
l
.33
パルス幅
波長司変範囲
[
p
s
]
146
77
92
[nm
807-895
ー
ー
本実験ではプリズム形状のモードロッカーを用いているため、出力鏡のあおりを調整することによっ
て発振波長を制御すること可能である口そこで、ヒ コ秒パルスレーザー発振と同時に波長可変を試み
O
た。波長可変領域を広帯域化するためには、共振器内の強度を上げる必要があるため、上記実験に
3
おいて最も高い山力が得られた (
a
)
C
r
+
のドーフ。量が 3.0%で一辺が 5mmの立方体の結晶を用いたり
この時の発振波長に対する出力光強度、ならひ、にパノレス幅を計測した結果を凶 2
1
1 ~こ示す。 807 "
'
895nmの 88nmにわたって 146 "
' 200p
sの光パルスが得られた口最大出力光強度は 8
5
1nmにお
いて 5.0mW、最短パルス幅は 851nmにおいて 146p
sで、あった
-23-
O
240
一 E 4 1
4
4
3
80
2
(的立)五万一三宮一﹁正
5
nununu
っι
E) φ
﹂E
oa吉立言。
(﹀﹀
062
6
40
0
800
O
820
840
860
W
a
v
e
l
e
n
g
t
h(
n
m
)
880
900
3
r
+が 3
出ドープされた結晶を用いた場合の入出力特性およびチューニング力一フ、
図 2-11 C
2
.
3
.
3
. 受動モード同期法によるフェムト秒パルスレーザー発振
C
r
:
L
i
S
A
Fレーザー媒質は、広帯域波長可変性を有すると同時に、その広い利得帯域を利用してフ
ェムト秒光パルスを発生させることが可能で、ある。先に述べた能動モード同期法では、その特性上、位
相が同期される縦モードの帯域が制隈される口一方、非線形な吸収変化、あるいは非線形な屈折率
変化を利用する受動モード同期においては、その媒質が音響光学素子や電気光学素子を上回る速
度で応答するためより広い帯域において縦モードの位相を同期させることが可能となる口さらに、パ
ノレス幅を広げる要因となる波長分散を補償することにより、レーザー媒質の持つ利得帯域を最大限に
利用することが可能となる。我々は、最も簡便な手法である、カーレンズモード同期法とプリズム対によ
る分散補償技術の組み合わせにより、最短パルス幅 30色を得ることに成功した。カーレンズモード同
去は、レーザー媒質における非線形な屈折率変化を利用した受動モード同期であり、下記原理に
期i
基づいて実現される口
)
民じた屈折率分
レーザー共振器内の光強度が十分に高くなると、レーザー媒質の非線形屈折率に1
布が生じる口軸励起(端面励起)の固体レーザーの場合、強度分布が光軸を中心としたガウス型分布
となるため、レーザー媒質内部に光軸に近いほど屈折率が高い分布が生じる。さらに、何らかの外乱
によって共振器内に種ノミノレスが発生すると、屈折率分布がさらに増強される。カーレンズ効果の増強
とパルス光ピーク強度の増強との相乗効果の結果、結晶内部に実効的なレンズ(カーレンズ)が形成
されるため、共振器終端部では図 2・1
2に示すように光軸近傍にパルス成分が、周辺に C W成分が分
布するようになる口したがって、この部分にスリット等を配置して周辺部の
cw成分を遮断することで、
パルス成分を選択的に発振させることが可能となる この様に、スリット等によって機械的に C W成分を
D
遮断する手法をハードアパーチャー効果と呼ぶ。ただし、この方法は共振器内に機械的な損失を発
生させることになるため十分な共振器内光強度が得られず、さらに共振器内の損失の影響を受けや
r
:
L
i
S
A
Fには適さない方法である口これに対して、レーザー媒質両端の凹面鏡の配置を、ハー
すい C
ドアパーチャー効果が成立する状態からわずかにずらすことによって、光軸中央部のパルス成分は共
-24-
振するが周辺部の
CW 成分は共振しないとし、う 、空間的な利得(損失)分布が形成される。これをソフ
トアパーチャー効果と呼び、機械的な損失が生じないため Cr:LiSAF には適した方法である。以
Fの
報告では、ソフトアパーチャー効果によるカーレンズモード同期法により、フェムト秒光パノレスを発生さ
せた。また、終端の平 l
釘鏡を振動さーせることにより種ノ号ノレ
スを発生させて 、
カーレンズモード同期を誘
発させた。
B A
L
a
s
e
rM
a
t
e
r
i
a
l
¥
S
l
i
t
図 2ー1
2 力一レンズモード同期の概念
(
A:ピークパワーが大きい光(パノレス成分)の分布、B ピークパワーが小さし、光 (
C W成分)の分布)
カーレンズモード 同期位、によって縦モードの相対的な位相関係 を同期することが可能となるが 、共
振採に含まれるレーザー媒質等の光学媒質や誘電体多層 1莫鏡等によって縦モード問の時間遅延、
すなわち波長分散が生じる。これらの波長分散は、以下に示寸ように解析的に算出することが可能で
ある。
(
a
) 光学素 fの波長分散
レーザー共振探には、レンズ、プリズム、音響光学素子 、電気光学素子 、あるいはレーザー媒質と
いった傑々な光学素子が用いられる。これらの光学素 Fの屈折率はレーザ一光の波長によって異な
り、その波長依存性n(
A
)はセノレ 7 イヤー ・
へノレムホノレツの式
2
2
n
(
λ
)
'=1
+
芝[
A
"
i
/
λ2
( ィ)
+8，
A /
λ2
( ィl
]
(
2
1)
により表される。ん、丘、
ん
、 mは媒質により異なり、実験的に求められてしも定数である。例えば、 BK7
ガラスに対しては 、 m~3 、 A 戸 1. 0396 1 2 1 2 、 B I~0.00600069 867 、 A2~0.231792344. B2~0.0200179144 、
ん~ 1
.01
046945 、 BJ~ 1
0
3
.
5
6
0
6
5
3であり、凶 2
1
3に示すように Cr
:
LiSAFの利得帯域においては波長の
用J
日と共に屈折さ挙が減少する。その結果、レーザー光がこれらの光学素手内部を伝播する際に光路
長差、すなわち波長分散が生じることになる。
ここで、中心角周波数ω。で煤質中を伝播する光ノ fノ
レスの複素電場E仰を、振 幅 A
(
f
)および位相
世(
ω
)を芹l
いて
E
(
I
)=A
(
I)
e
x
p{
jω
。
1+神
(
ω
)
}
と表す。位相 世(
ω
)は中心角周波数曲
。を中心にテーラー展開することにより
-25-
伽)=ゆ(叫)+伊(札。 x(ω 一向)+が(ω~
c
o
=
c
o X
u
(
2
2
)
と表される。各係数は媒質の長さz、光速c、および、屈折率n仰を用いて以下の様に関係付けられる口
(
2・3
)
(
2
5
)
一
を学
升光
シ 7h
j
l
開問巴又
時寸
純マハ円
単な
は社
頁工ノ
J
EE
，
⋮山知却
ムー耐えAV
h
‘
、v 以
lil--J.6'Aj
寸
--rlJ 分 リ ド
-た附市
λ﹁ ー と ん
p
円
L
ι
/町一がの相
ポ
一
，ι 相 位
位次
2
+ち
4λ
こす
片的叫
74
U1
川d
誠監
圃
υ
r
L
くノ丈記
つ釦
持苅
のル
3
相ゴ
一元立問
L
A
一
入ま
UUM
一以制却
けは
一﹂一
一G
制
一
ザ
d
X4)
3OPA--M
lf
/4
ん
，
4トヴノ
数百
記む
上す
表
目斤ヨ、。¥
EE
，
λ一幻﹁lド
ド
==司一ザノ
﹁￨十
U
Z-FL/
、‘，，，、‘
ω 2 h汁口問、
fik/tt¥J
⋮AV
ん
v
、引
(
24
)
素子の波長分散は正常分散(符号がプラス)となる口
1
.
6
話1
.
5
5
刀
c
~1
.
5
o
∞
2145
1.
4
750
800
850
900
950
1000
Wavelength(nm)
図2-13 BK7ガラスの屈折率
(
b
) 誘電体多層膜鏡の波長分散
レーザー共振器鏡として用いられる誘電体多層膜鏡は、光学膜厚が入射光の波長の1/
4となるよう
H
)と低屈折誘電体膜(屈折率的)とがガラス基板(屈折率n
sゅ)上に交互
に、高屈折誘電体膜(屈折率n
に蒸着されたものである。各膜の境界面からの反射光が互いに多重干渉し、膜数の増加と共に広い
帯域にわたって高反射率を示す この場合、 N層重ねられた誘電体多層膜鏡の角周波数ωにおける
O
複素振幅反射係数r
2N
+
l
w)
は
(
ω
)
=~μOAN '-}1subDN，
)
+j
(
μ。
μsubBN'-CN)
，
1
μ
(OAN'+μ
s
M
D
N
'
)
+
j
(
μ。
μsubBN'+CN，
)
=x十 jY
-26-
(
2・6
)
と表される。州、 μsubはそれぞれ誘電体多層膜がおかれた媒質(一般に空気)およびガラス基板の透磁
率
、 AN¥BN¥ CN'
、DN'
はそれぞれABCDマトリックスの各係数で、ある。ここで、誘電体多層膜鏡が空気
f
ハ設計中心波長をんl1/er、入射光の中心波長をAと
中(屈折率n
o
)において用いられるとし、入射角を θ
すると、誘電体膜 1層あたりの位中目差F
は
β二1[一，λtωc
2
λ
(
2
8
)
引J
η
7
と表される。ここで、反射電磁波の電場成分と磁場成分とを与える特性マトリックス Mは
M2N ニ(えな J=(i~ ~r
)
(
2・9
または
，
え
( ~::J=(えま)(JF Z
)
M'N+l =
(
2
1
0
)
であるから、 ABCDマトリックスの各係数が以下のように求められる口
A=ω2β-(μL /μH )
xsin2
β
B=(
1
/
μH)XCOSβmβ+(
1
/
μL)
s
i
n
β
c
o
s
β
O
S
β
s
l
n
β
C=μ }-f sinβcosβ+μ L C
β
D μ
(}-f/μL)
s
i
n2β+C
O
S2
二 一
(
2
1
1)
A'=c
o
s
β
B'=(
1
/μL
)
Xs
i
n
β
C'=μL X s
i
n
β
D'=c
o
s
β
ここで、任意の誘電体膜における透磁率μ、および入射角。 tは
μ
nι (
i
=0、L，2、s
u
b
)
C
O
S
θ
J
。1f-1I(
1
t
ニ 1
(
2
1
2
)
。
n
oX S
l
n
θU )
l
2 ([=0、1、2、sub)
I I
n
.
，
-¥
J
- --- -
(
2・1
3
)
であるロしたがって、位相、ンアトム仙 1(
ω
)は
川
ω
)
=
O2N+l(
(
21
4
)
聞
により求められる。分散媒質の場合と同様に、パノレス波形に影響を及ぼす 2次以上の位相分散値は、
(
2
1
4
)式の微分間数に所望の数値を代入することにより求められる。一般に、チャーフoミラーを除く誘
電体多層膜鏡の波長分散は正常分散(符号がプラス)となる。
フェムト秒光ノ《ルスを発生させるためには、プリズムあるいは回折格子を用いて上記波長分散を補
{賞する必要がある。これらの波長分散も、以下に示すように解析的に算出することが可能である口
国
27-
(
a
)プリズム対による分散補償 21)
プリズムを通過したパルス光は、フ。リズムガラスの屈折率分散n
(
A
)により、空間的な角度分散を受け
る。これを利用して、図 2-14に示すように 2つのプリズムを対向する面が平行になるように配置し、その
間隔らを変えることによって分散量を制御することが可能となる。このプリズム対の波長分散は下記に
示す手順で求められる。
とBEとは光ノ f
図2-14において、 2つのプリズムの実効的な光路長は CDEの光路長に相当する oAC
ノレスの波面を表すので、 ABの光路長は CDEの光路長に等しくなる口 AB
ニ
らcossであるから、 CDEの光
Iの対面が平行であり、プリズム I
Iへの
路長も CDE=らcossとなる。更に、プリズム Iとプリズム I
は平行である。 BEとG H
は共に同一時刻に光が到達する
入射角と出射角とが等しいため FGとBH
の光路長と等しくなるため波長分散には寄与しない。一方、
波面であるから、 EFGの光路長はBH
面に平面鏡が配置されるため、波長
レーザー共振器内にプリズム対を配置する場合には、 G H
OB
n
μ
'
o
c
今ヰ
'
'
'
ep
一
一
P
分散に寄与する全光路長Pは
(
2
1
5
)
となる。
ζ
図2-14 プリズム対による分散補償の構成
次に、全光路長Pよりプリズム対による位相シフトゆ(
ω
)を求める口位相シフトゆ(
ω
)は、光
路長Pおよび光速 C
(
=
3
.
0
x
l
08)を用いて
世(
ω
)
=-ω~/c
(
2
1
6
)
と表される。これより、プリズム対の 2次位相分散は伊(
ω
)は
d2P
λ
ø(ω)= 一一τX~
27lC dλ
(
2
1
7
)
L
により求められる。ただし、
111111LFIll-J
QU
斤Y
O
C
1
1
l
l
t
t
t
E
1
，
，
，
/
¥
、
，
dつd
n一2 l
/JIlli--¥
うん
β'
nb
n
x
111111/
寸1111111111J
d
fill--¥
nτ
A
、
¥
d
一
X
¥il--ノ
l一
3
n
弓
4
n
+
/Ill--¥
﹁1111111111﹄
rill-︿Ill1k
n一2!
d
d一
P
X
A斗
Fd 一，，d
一
P一
一2 J
-28-
(
2
1
8
)
であり、
μinsをビーム径の約 2倍 (3.6mm)、
戸'
=
0 と近似すると
0
¥
、RI111111J/
今ノ日
，
d てd
n
2
!
4
司
×
fIlli--tt¥
p
×
'
'
'
L
V
A﹃
1
﹁11111111﹂
¥LIli-ノ
均一以
×
frill-¥
Ill--Jノ
一n
、
¥l 3
n
吋/担
/rill--t¥
﹁1 1 1 1 - - L
+
n 一2 l
一
d d
×
×
F
﹄
ハリ
X
吋
A﹃
一
一
P77
d
d一
(
2
1
8
)
'
となる。 3次位相分散も同様にして
.d3P，
ん)=一一市×一一十
λート
4Jr2C3 ，
- dλ2
dλ
3I
4
r_
d2P
(
2
1
9
)
中
β
'
﹃
/
、
BIll-E
、
d
1111
﹄
ノ
ρlH
Qd
O
X
n 一2
x
Fd一Fd
ω
尚
一
fhu
x
v
v
￨￨K
︿
P
4
n
u
'
n
nb
x
、 川
句
、
λ
し 3i一
d
--d一
If--
た×
レニ
L4
-一日ヤ一万
d
d一
M川ノ
め
求
トh
(
2
2
0
)
であり、らs
i
n
s
をビーム径の約 2倍 (
3
.
6mm)、s
=OOと近似すると
d3P
._ .
_
d3n _ dn d2n1
r
一ーァ=4x2x1
0
.
)X ~ =
;
.-6x一
一×一千 L
'
1
(
2
2
0
)
'
dλIdλdλdλ￨
となる。一般にプリズム対の波長分散は異常分散(符号がマイナス)となるため、プリズムの
間隔んを適切な値とすることで、光学素子や誘電体多層膜鏡の正常分散を打ち消すととが可能
となる。ただし、実際には光がプリズム内部を伝播するととでプリズム材料による正常分散も
生じるため、この点も考慮してプリズム間隔を設定する必要がある口
(
b
)回折格子対(コンブ レッサ一、パノレス圧縮器)による分散補償 22)
O
回折格子もプリズムと同様に空間的な角度分散を与える分光素子である。回折格子の場合、入射
光の波長によって回折角が異なるため、図 2
1
5に示すように回折格子を 2個平行に配置し、その間隔
bを変えることによって分散量を制御することが可能となる口この回折格子対の波長分散は下記に示す
}
慎で求められる。
手I
光路ABの距離を bニ G月
P二
二
e
c
(
y
-θ)(Gは回折格子の垂直間距離)とすると光路間BQの光路長は
b
(
1+c
o
s
B
)
[Gx蹴
(
2
2
1)
(
r
-θ)]x(
1+c
o
s
B
)
となる口実際の位相シフト量は、この光路による位相シフトゆ(
ω
)
=
ωf
>/
cに加えて、回折格子面で受
ける位相シフトを考慮する必要がある。これは、入射側の回折格子上の点 Aから出射憤J
Iの回折格子へ
a
n
(
r
-θ)にある格子数に2
πをかけた値に等しい。したがって、
垂線をおろした点Sと点 B聞の距離 Gxt
ω
)は
回折格子対により生じる位相、ンフ卜ゆ(
一
子 Gx吋
伽)=竺 xs
e
c
(
yー
ル(
1+c
o
s
B
)
C
-θ)
(
2・2
2
)
となる。これより、 2次位相分散は
ぷ(
ω
)
=-
m2λ3
b
(
2・2
3
)
2:
r
cγcos2(
y-e
)
となる。また、 3次位相分散も同様にして求めると
-29-
λ
引
、
1+っxsmy-sm-y
世(
ω
)
=一
子
三 x_
_
a，
μ!
l
:
xi
t
(
ω
)
:-;-
(
2
2
4
)
IA
I -l~ -s
i
n
yJ
となる。プリズム対と同様に、回折絡子対の波長分散は異常分散(符号が 7 イナス)となるため、回折
絡子の間|編bを適切な和~I とすることで、光 '''1 素子や誘電{本多!訓草鋭の正常分散を十 l ち消すことが可
能となる。ただし、反射型凶折絡 fの場合、回折効率が低いために通常はレーザー共振総外部での
分散補償に用いられる。一方、透過型回折絡子の場合には 1
0
0%に近い回折効率が待られるため、
共振線内部で用いることも可能である。
図2
ー1
5 回折格子対による分散光学系
(c)ストレッチャー(パノレス伸張探)による分散補償問
ス ト レッチャーも 2枚の回折絡子を JH~ 、るが、回折絡子の悶 l こ 2枚のレンズからなる結像系を配t8~す
ることにより像反転を起こす。像反転させることにより、コンプレッサーが異常分散(符号がマイナス)
を示していたのに対し、ストレッチャーは t泊分散(符号がプラス)を示すことになる。さら
に、凶 2
1
6に示寸ように回針棉 fとレンズとのI
I
H
I
塀(レンスの焦点距離以下)を変えることによって分散
批を制御することが可能となる。このプリズム対の波長分散は 、￨ 記に示す下!
阪で求められる。尚、悶
2
1
6に
ノl
、
す「
像反転型回折絡子対による分散光 γ
系」と関 2
・1
5に示す 「
回折絡子対による分散ffIj
光学系」とは、チャープノ勺レス増幅
w において対として用いられる場合が多い。 この際、パ
24
)
ノレス帽を広げる(ストレッチする)ために凶 2
1
6に示す 「
像反転型回折裕子対による分散光学系 J
が用いられ、 t
自幅後のパノレス幅を丙圧縮(コンプレス)するために医1
2
-1
5に示す「回折絡子対に
よる分散補光学系」が用いられる。 そのため、通例として前者が「メトレ yチャー」、
後
.
，
¥
i
が
「 コンプレッサー j とiFfばれる 。
レーザー共振~内にス ト レッチャーが用いられることはない
が、呉?;?分散媒質を補止するという芯味で、波長分散の求め方を以下に不す。
回折格千への入射角を yとした場合の分散式は
A世=凶 y+β ω ( 2 - 2 5 )
と表される。ただし、入射光の中心周波数を町、回折 f
l
l
を世とすると、角周波数ω、定数頃αおよび戸は
ω= 2
n
(
v-v
)
o
(
22
6
)
-30-
1-c
o
γ
' AV44
一
一
m
，
一一一山 m d
- C3
一ぷ凹r
(
2
2
8
)
吋
4
-ww
一一
。μ
一 ρiu
nL
V
α
となる o
(
2・2
7
)
r
i段のレンス、の焦点距離をj
i、レンズの焦点而と回折格子との間隔を Z/、後段のレンズ
，
の焦点距離をj、レンスの焦点面と回折格子との問￨帽をむとすると、ストレッチャーの 2次位粁￨
分散 骨(
ω
)は
世(
ω
)
=k
β'
(
ZI
+地
2
)
(
22
9)
と表される 。 ただし、 M はレンズ系の拡大率 (
MザIめ)で、 kは波数 (
k=21CVIJ
!
七)である。
~司. .
・
ー
司
‘
図2
1
6 像反転型回折格子対による分散光学系
1
すると共
本研究では、上記の解析手順に基づいて、共振器に含まれる光学:素子の波長分散を算 1-
に、算出された波長分散を補償するための光学系を見積もることにより、フェムト秒レ
ザ一発振探の
最適化を図った。以下では、各種光線を用いたフェムト秒パノレス発生、ならびに新たに開発した小型
共振器構造を用いたフェムト秒光パノレス発生について詳細を述べる。
2
.
3
.
3
.
1 アルゴンイオンレ
ザ励起によるフエムト秒光パルス発生
前述したように Cr
:
L
i
S
A
Fの吸収帯域は広範闘にわたり、 T
i
:
S
a
p
p
hi
r
eレーザーの励起源としても用い
られる Ar
'レーザーでも励起することが可能である。そこで、半導体レーザーによる励起実験に先立っ
て
、 Ar
+
レーザー励起 Fでカーレンズモード同期法によるフェムト秒光ノ fノレスの発生を試みた。この時
のフェムト秒 Cr
:
L
i
S
A
Fレーザーの構成を図 2
1
7に示す。フェム卜秒 T
i
:
S
a
p
h
i
r
eレーザーとして一般的
に用し、られる Z理!の共娠器の構成とした。結品には Cr
3
+
が 1
.
5%ドープされた両面ブリユースターカッ
ト、長さ 2
3mmのものを用いた。光強度 2
.
6W の励起光を、焦点距離 50mmの平凸レンスで集光した
場合に 3
.0mWの光出力が得られた。結品問似，I
J
に曲率半径が IOcmの凹商鏡を配置し、材質が SFIO
のブリユースタープリズム対により共振球内の波長分散を補償した。プリスム対の間隔を 2
6c
m とした
場合に最短のパノレス悩が得られた。
上記椛成により得られた 1
'
1己相関波形を医J
2
1
8に示す。図巾の黒丸は実測値、実線はパノレス波形
をs
e
ch2と仮定した場合の理論値である。理論値より得られるパノレス幅は 64f
sであった。また、同時に
3
1
光スペクトラムアナライザ、で狽J
I定したスペクトル波形を図 2
・1
9に示す スペクトル半値全幅 (FWHM)は
O
1
2
.
7nmで、あり、これらの値から算出されるL
1
V
"
L
1rは0
.
3
2で、あった。これより、得られた光ノ fノレスがほ
ぼトランスフォーム限界であり、理想的なモード同期がかかっていることが確認された口
9utp~t
Coutler
因 子1
7 アルゴ、ンイオンレーザー励起フェム卜秒 Cr:LiSAFレーザーの構成
1
.
2
!
J
.r
=64fs
!
J
.v
.ム 了 二 0
.
32
1
.
0
言0
.
8
伺
芸0.6
e0.4
0
主0
.
2
0
.
0
咽
0
.
2
・3
00 ・200
・1
00
0
100
200
300
TimeDelay(
f
s
)
図2
-18 自己相関波形
Ununununu
ハ
(
.
コ
匂)kCBE2c
一
2086420
4141
λ=8
7
0nm
Aλ=1
2.
7nm
nU
位
840
860
880
900
920
Wavelength(nm)
図2
-19 スペクトル波形
一方、励起光を交換する際の利便性を向上させるために、アルゴンイオンレーザーをコア俺 50μm
のマルチモード光ファイパーに入射し、その出射光を用いて同様な実験を行った。この場合に
-3
2-
もカーレンズモード同期によりフェムト秒光パルス列を得ることに成功した。この際、励起光
を交換する以外にレーザー共振器の調整は一切行っていなし ¥0 その結果、励起光強度 2.2Wkこ
対して 3.0mWの光出力、スベクトル幅 11
.5nmが得られた。レーザー共振器は調整していない
ため、 s
V
'
s
Tを上記実験値と同じ 0.32と仮定するとパルス幅は 70f
sとなる口この状態で光ファイ
ノくーへの入射光を半導体レーザーとして同様な実験を試みたが、既存の半導体レーザーでは十
分な光強度が得られないため、フェムト秒光ノミノレスを得ることはできなかった。今後、半導体
レーザーが高出力化されれば、有効な励起手法になると思われる。
ここで、上記構成により得られた光ノミノレスのパルス幅を計測するための SHG自己相関法25)について
(
t
)
=
I
E
(
t
)2、時間領域での位相が世 f
補足する。中心角周波数が ω。、光ノミノレスの強度波形がl
りである
1
被測定光パルスの複素電場E
0
りは
E
(
t
)=J
I
Wexp[-j
{
ωo
t+仲
)
}
]
(
2
3
0
)
と表される この光ノ《ルスをハーフミラーによって二つに分岐した後に、一方に遅延時間 τをイ寸与した
D
上で、共軸(コリニア)に再度重ね合わせることにより得られる合成複素電場を SHG結晶に入射する。
応答時間がパルス幅に比べて極めて長い検出器を用いて、この時発生する第二高調波の複素電場
を測定したときの出力信号 S仰は
S(t) ニ ~{E(t十
)E
(
t
r
)
}
2
1d
t
(
2
3
1
)
r
)十 4Re[~
円ヤ
(
τ
)
片
e
却
x
p
(
十
一j
ω
叫o
r
τ
)
]
ト
+R
e
[
l
旦
可
三
引
τ
(
け
)
e
却
x
p
(
←
一j
ω
叫'
o
r
吋ヤ
=1
+2G
2
(
と表される口 (
2・3
1
)式において、定数項は分岐されたそれぞれの光により発生する第三高調波成分で
あ
り
、 DC成分として信号強度を増加させるだけで、パルスの波形には無関係な成分で、ある方、
F1(りは基本波の干渉項(相関関数)であり、その振幅は
j
h
)
加
吋
F
;
附
k
ベ
川
1
(
州
ヤ
仲
け
f)= リ
拘
卯{
I
I約
(
け
+附
一
ιE 刈
べ
け
押
桝
州
)
吋
如
民
凶
ベ
1
t
(
市前似判如)E
*
I
¥
lt
(一 け
7)
d
t
ρ
により表される oF
馬2(~
仰てりj は第二高調波の干渉項(相関関数)でで、あり、その振幅は
市*t
(-r
)
Yd
t
円(
τ
)
=f
{
E
1
(
t
)
}
1
=
f
E2t
()
E
2*t
(-r
)
d
t
二
f
I
I
(
t
)
I
I
(
t
r
)叫 [
2
j
{
世(
t
)
-o
(
t-r
)
}
]
d
t
と表される。一方、 G2(りは光ノ fルスの強度波形のみを含む相関関数であり、 2次の強度自己相関関
数と呼ばれ、次式により表される口
G2(
τ
)= f
O
C
JI
(
判
r
)
d
t
f
O
C
J
I
Et
()
E2
t
(-r
~dt
(
2
3
4
)
2
二
-33-
分岐された光が共軸(コリニア)となる構成は、色ガラスフィルタ一等を用いて基本波を遮断したとして
も、分岐されたそれぞれの光により発生する第二高調波成分(定数項)、第二高調波の干渉成分 F2(~人
そして 2
次の強度自己相関成分 G2仰とが同時に観測される、いわゆるプリンジ分解 SHG自己中目関器
として機能する口ただし、プリンジ分解 SHG自己相関器は、パルス幅が 1
0色程度と非常に短い場合に
有効な手法であり、今回のようにパルス幅が比較的長い場合には2次の強度自己相関信号からパル
ス幅を推測する手法が有効的である。
そこで、分岐された被測定光パルスを SHG結品に非共軸(ノンコリニア)に入射すると、 2次の強度
自己相関信号 G2仰と第二高調波の干渉信号 F2(りとが空間的に分離される したがって、検出器前段
O
にスリット、もしくはアパーチャーを配置して第二高調波の干渉信号 F2仰を遮断することで、 2次の強
度自己相関信号 G
l
r
)だけを検出することが可能となる この様にして得られた 2次の強度自己相関信
D
号 G2(りからパルス幅を推測するためには、光ノ《ルスの強度波形を何らかの関数により近似し、その近
似関数からパルス幅を推測することになる。一般に、フェムト秒光パルスの場合には強度波形を
=1
.763Tで与えられ、この時 G2(τ
)は
3
{
(
r/
T
)
c
o
s
h
(
r/
T
)
-s
i
n
h
(
τ/
T
)
}
2 ( 7
) - ( 2 - 3 5 )
3
s
i
n
h(
r/
T
)
仰=附的問と仮定する口この場合、パルス幅は ~r
G
により表される。したがって、得られた自己相関波形に対して上記理論波形をフッティングすることによ
りパノレス幅を推定することがで、きる また、光パルスがトランスフォーム限界である(チャーブ が含まれて
ρ
O
いなし、)場合には、時間帯域幅積 (Time-bandwidthproduct) が ~V'~"[=0.315 となるため、測定値よ
り算出される時間帯域幅積~V'~τ と理論値とを比較することで、理論波形との近似度を評価する
ことができる口
・2
0は、得られる光パルスを評価するために構築したノンコリニア SHG自己相関器の構成図であ
図2
る ハーフミラーを用いて光を分岐する手法では、光ノ勺レスにハーフミラーの波長分散が重畳される
D
ため、構築した自己相関器ではナイフエッジミラーを用いて、空間的に光を分岐することとした 第二
D
高調波を発生させる結晶として、厚さ 1.2mmのLiI03(LIO)結晶をタイプI
の位相整合条件(常光+常
光→異常光)で用いた。また、光電子増倍管 (PMT)前段にスリットを配置し、 2次の強度自己相関信
号 G2(
r
)だけを検出する構成とした この場合、ギャップセンサー (GapSensore)により計測された加振
O
鏡の移動量を校正した値を時間軸とし、光電子増倍管の出力信号を強度信号として用いることにより
モニター上に白己相関波形が得られる口得られた自己相関波形をコンピューターに取り込み、 (
2・3
5
)
式によりブイツテイング、することでパルス幅が算出される。同時に光スペクトラムアナライザ(安藤電気、
AQ-6310C)を用いてスペクトノレを計測し、得られたパルス幅およびスペクトル幅から算出される時間帯
域幅積~V'~"[ と理論値(L1 v'Lfr=0 .3 15)
とを比較する。
-34-
￡
虫
y
.
.
λ→
GapS
ens
or
M
o
n
i
t
o
r
図2-20 SHG自己相関器の構成
2
.
3
.
3
.
2 半 導体レーザー励起によるフェムト秒光パルス発生
次に、半導体レーザー励起によるフェム卜秒光ノ勺レスの発生を試みた。ただし、 Nd:YAGレーザー勺
の励起源として用しもれているj[[赤外、￨主導体レーザーと具なり、赤色半導体レーザ
の場合にはそ
の端面破壊等の要因により高山力化が実現されていない。そこで、誘電体多層"要鏡を用いて4つの
半導体レーザーを合成する手法を考案した。その詳細を以下に示す。
半導体レーザーには、 SONY社製の半導体レーザー (
SLD1304-XT、1
.0W 出力、 6
6
81
1
m、6701
1
m)
を 2ヶと 、AOC社製の、ド導体レーザー (
AOC670-400T、400mW出力、 6
8
91
1
m、690nm)2ヶ
の合計 4ヶの半導体レーザーを用いた。これらの半導体レーザーを凶 22
1に示す構成により合
成した。まず、 SONY社製の半導体レーザー (
LD
、
，6
891
1
m
)と AOC社製の半導体レーザー (
LD2、
6
6
81
1
m) とを、偏光が紙面に対して水平となるように配置した。そして、片由に 6
701
1
mにお
ける反射防止膜が、そして他面には 6
6
81
1
mにおける透過率が 9
1%
、 6
89nmにおける反射率が
6
8 %の誘電休多層膜が施された誘電体多層膜鏡 M，を用いて、これらの半導体レーザーを空間
的に重ね合わせた。一方、 SONY社製の半導体レーザー (
LDJ，6
9
01
1
m)
と AOC社製の半導体レ
ーザー (
L弘、 6
7
0nm) とは 、偏光が紙面に対して垂直となるように配置した。そして片而に
6
9
01
1
mにおける反射防止膜が、他面には 6
9
01
1
mにおける透過不が 8
4%
、 6
70nmにおける反
射率が 9
7%の誘'屯体多層膜が施された誘電体多屑膜鏡
M，を用いて、これらの半導体レーザー
出力光を空間的に重ね合わせた。最後に、偏光ビームスプリッタ
を用いて合成されたそれぞ
れのレーザ一光を空間的に昼ね合わせた。
次に、上記光源を用いて連続 (
CW)
発振状態てず〉入出力特性を評価した。この時の構成を図 22
2
3十
が1
l
こ不す。結品には Cr
.6%ドープされた長さが 1
0mmのものを用いた。結晶の片方の面には 8
6
5
色l
には 8
6
5
1
1
mにおいて全反射となるコーティングを施し、この而を全反射鏡として用いた。対向する l
0
換を施すと J
七に、全反射面に対して 2
の傾斜を持たせることにより、結品の端面
1
1
mにおける反射防止 l
-3
5-
聞における多重干渉の影響を低減させた口カーレンズモード同期の場合、共振器外部からの戻り光や
振動等の外乱の影響によりモード同期がかかりにくい、あるいはモード同期発振から C W発振に移行
するとしづ問題が生じるが、結品問における多重干渉の影響を受けても同様な問題が発生するためで
70Cとした口
ある。結晶の温度はこれまでと同様に 1
L
D
1
(689nm)
出
〈工〉
も
白
PBS
代…図
(6批m)~叫fM2
I
V
l
1
Anamorohic.t--三二
P
r
i
s
r
千 " ' - 大J
帝
L
D
3
図2
2
1 4つのしDを空間的に重ね合わせるための構成
HR865nm
図2
2
2 連続 (
C
W
)発振状態で、の入出力特性評価のためのレーザーの構成
上記構成により得られた入出力特性を図 2
2
3 に示す。 AOC 社 製 の 半 導 体 レ ー ザ ー
(
A
O
C
6
7
0
4
0
0
T
) を用いた場合のスロープ効率 3
.
6%に比べて、 SONY社製の半導体レーザー
(
S
L
D
1
3
0
4・XT) を用いた場合のスロープ効率が 1
.
5
%と低い。これは、 AOC社製の半導体レー
ザー (
A
O
C
6
7
0
4
0
0
T
) の発光部のストライプ幅が 50μmであるのに対して、 SONY社製の半導体
レーザー (
SLD1
3
0
4
X
T
) の発光部のストライプ幅が 200μmと大きいため、 SONY社製の半導体レ
ーザーでは周辺部が発振に寄与していないためであると考えられる。
-3
6
-
35
E30
~
E25
g20
SONYS
L
D
1
3
0
4X
T
O
/
・
ι15
コ
王
子1
0
コ
O 5
0
0
A
O
C
6
7
0
4
0
0
T
400
8
0
0
1
2
0
0
I
n
p
u
tP
o
w
e
r(
m
W
)
1
6
0
0
2
0
0
0
図2
2
3 連続 (
C
W
)発振状態での LD励起 C
r
:L
iS
AFレーザーの入出力特性
以上の実験により、 4つの半導体レーザーを合成した光源を励起光源として用いた場合でも十分な
出力光強度が得られることが確認されため、同じ構成を用いてカーレンズモード同期法によるフェムト
秒光ノミルスの発生を試みた口ところが、プリズム対を挿入し、共振器長を約 93cmとすると、入射光強
度の増加に伴って出力光強度が低下するとしヴ問題が生じた。特に、 SONY
社製の半導体レーザー
を用し 1た場合にその問題は顕著で、あった すなわち、レーザー媒質が吸収した励起光のうち、発振に
D
寄与しない成分が熱として結晶内に蓄積され、この蓄積熱によって結品内部に歪を生じさせるため、
ストライプ幅が j
よ
し
、 SONY
社製の半導体レーザーほどその問題が顕著になるためだと推測される口
以上の予備実験に基づいて、 AOC
社製の半導体レーザー (
A
O
C
6
7
0
4
0
0
T
) 2ヶと SONY
社製の
半導体レーザー (
S
L
D
1
3
0
4・X
T
) 1ヶを合成し、結晶の温度を 1
5 OC~ こまで冷却することで、出力光
強度が飽和しない状態で、フェムト秒光ノ fノレスの発生を試みた。この時の構成を図 2
・2
4
'こ示す。
9utp~t
Coutler
図2
2
4 連続 (
C
W
)発振状態での入出力特性評価のためのレーザーの構成
結晶の C 軸が、偏光が紙面に対して水平となる励起光の吸収が大きくなる向きとなっているため、
用いた 3つの半導体レーザーのうち、 2つの偏光を紙面に対して水平となる向きとした。また、図 2
1
7
に示す構成では、結晶の長さが 2
3mmで、あったが、図 2
・2
1に示す構成では結晶の長さが 1
0mmで
-3
7
四
あるため、共振器の有する波長分散量が少ない。そこで、プリズム対の材料を屈折率分散が小さし、合
成石英とし、その間隔を 67cmとした口その結果、光ノ《ルスの繰返し周波数は 1
3
9MHzとなり、励起光
.
2W に対して 2
.
7m Wの光出力が得られた。また、この時得られた自己相関波形を図 2
2
5
光強度 1
に、同時に測定したスペクトル波形を図 2・26 に示す。パルス幅は 109 f
s、スベクトノレの半値全幅は
O
(.コ.伺)
d T= 1
0
9
f
s
d v.dT=0.
38
n
u
n
U
bBCOHE--
占
20864202
4E4Enunununununu
8
.
7
9nmで、あった
-250
0
250
f
s
)
TimeDelay(
500
図 2-25 自己相関波形
1
.
2
A = 873nm
79nm
A λ二 8.
1
.
0
司 O8
圃
句
会0
.
6
r
n
E
204
0
.
2
0
.
0
820
840
860
880
900
Wavelength(nm)
920
図 2-26 スペクトル波形
2
.
3
.
3
.
3
. MOPA型半導体レーザー励起によるフェムト秒光パルス発生
一般に、高出力半導体レーザーは、活性領域にブロードストライプ。構造を採用することにより高出力
化を実現している口例えば、上記実験で用いたAOC社製の半導体レーザー (AOC670・400T) の場合
には活性領域のサイズは 5x50μm、SONY
社製の半導体レーザー (SLD1304・XT) の場合には 5x200
μmで、ある口したがって、この様なレーザーを集光した場合には集光部の形状が活性領域の形状を反
映するため、レーザー結晶においてレーザー共振器の光の集光部の形状と半導体レーザーの集光
部の形状とを一致させることが困難となる。特に、 Cr:LiSAFの場合には、レーザー共振器の光の集光
部の形状と一致しない部分は励起に寄与しないばかりではなく、結品に吸収された励起光が熱に変
換されて結晶内部に熱歪を生じさせる。その結果、励起強度の増加に伴って出力光強度が飽和し、
最終的にレーザー発振が停止する口最悪の場合にはレーザー結晶が破壊される。また、楕円状の集
光形状は、光強度に依存した非線形な屈折率分布を利用するカーレンズモード同期においてカー効
-38-
来を f
)
:
¥
;減させるため、パノレス発振を[，1:
1
難とさせる袈閃となる。そこで、活性領域のサイズの小さい半将
体レー ザーを噌幅することで、 t
f
J
I
出ノJ
でありながら良質なヒーム形状が件られる MOI'
A塑下導体レー
Mas
t
erOs
c
ila
t
o
rPowcrAmpl
i
l
ie
r
)
'
O
'
を励起光現に用いて、フェムト秒光パルスの発生を試みた
ザー (
L
MOPA型半導体レーザーについて以下に補足する。
凶2
2
7
1こ示されるように、 MOPA型半噂 f
4>:レーザーは発光:':-Il(
Mas
t
e
ro
s
c
ila
t
o
r、九トライブ幅 4μm)
とt
首脳部 (
PowerAmpli日c
r、ストライプ幅 5
0μm)により構成される半議体レーザーである。 さらに、
SDU
十の MOPA刷 、
ド神体レーザーは、 l
ヌ1
2
・2
8(
こ吊すように素子からの 1
1
¥力光の空間モードを補正す
るための州 11'.光"'f:.系を則いることによりビーム符 4rnmのヰ'行光を出射するようにモジューノレ化されて
いる。
T
a
p
e
re
dCai
nR
e
g
i
o
n
1
3
m
l os~一一ー~
Wav
e
gu
i
d
e
______
晶
~i.ng1c MoØ~
G
r
t
A
s
ω
+
)
2do
J
l
C
ndOr
de
rGr
a
l
i
n
g
s_ 唱 』
1
n
Ga
i
¥sSQWAct
i
v
eRe
gi
onー +
州
民一
白
-
A
s
t
i
包
品
目→
R
=O.05%
ゆ仇b
LdfizzJLdlZ
「」
図2
-2
7 MOPAの半導体素子の構成
r
一一-一一一--一一-S
D
L5
7
6
2
A
6P
A
C
K
A
G
E._-一一一i
MOPACHIP
I
N
T
E
R
N
A
LC
O
LL
lM
ATINGO
P
T
I
C
S
図2
-2
8 SDL
社 製 MOPA
の全体構成
上認の情成とすることで、 MOPA 型半導体レーザーのt-I l 射光を集光した場合の集光部の Jf~状 f-t楚
光部の形状が反映されるため、良好な集光形状を得ることが "
f能となると推測される。このことを推認
するために、図 2
29に示すようにビームプロファイラ(浜松ホトニクス、 LEPAS-IO)
を胤いてビームスポッ
トを"十 i
l
i
lした。
同2
29に示されるも，¥
'
ih
'
dこより得られたヒームスポットを図 2-30に示す。A
tレーザーの場合のスポッ￨、
f
予が 2
8x28μmであったのに長l
し、、￨三導体レーザー(ストライア幅 2
00μm)
の場合にはビームスポット
が具形であると共に、スポット径が 46xl
9
1
μmと集光径が非情'に大きくなっているこのような半導体レ
ーザーをJIl~、た助合には、励起光半が低いばかりではなく、カーレンズモード同月l にも感影轡を及ぼ
すこととなる。 )j、MOPA司J
半導体レーザーの収合には、スホ、
ツ卜径が 1
5叶 2~Im であるため、レーザ
一品!iAtli においてレ ー ザー共振誌の光の集光部の }f~ 状と励起光の集光古11 の形状とを 一 致させることが
可能となる。
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.
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.
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図2-29 ビームスポット計測のための構成
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2
μm
(
c
) SDL社 製 MOPA
図 2-30 ビームスポット計測￨結果
以上より
、 MOP
A，
f
f'
J半導体レーザーは励起効ギやカーレンズモード同期においても令ガJ
な光 1
1
J
j
(
で
A ff，'!半導体レーザーを刑いた閃 2・31に示す桃成によりフ巳ム卜秒
あることが縫認された。そこで、 MOP
3
t
光パルスの発生を試みた結品は Cr ドーフ誌が 2.2%、向日白l
ブリユースター、長さ 81
1
1
1
1
1のものを刷
1
1W の厄iJ起光を、焦点距離 500101の平 ]
/
1
，
レンスーで集光した場合に 2.6mW の光 H
i
いた。光強度 400l
-40-
力が得られた口繰返し周波数は 8
9.
4MHzで、あった。また、
Atレーザー励起の場合には長さが 23mm
の結品を用いていたために、プりズム対には高屈折率分散を有する SFI0プリズム対(屈折率1.71
)
を
用いていたが、本構成では長さが 8mmの結品を用いているために共振器の有する波長分散が小さく
なる。そこで、屈折率分散の低い BK7プリズム対(屈折率1.51)を用いて、その間隔を 46cmとした。
M
i
r
r
o
r
(
T
o
t
a
lR
e
f
l
e
c
t
i
o
n
)
図2
3
1 MOPAを用いたフェムト秒 Cr:LiSAFレーザーの構成
上記構成により得られた自己相関波形を図 2
・3
2に、同時に測定したスベクトノレ波形を図 2
3
3に示
s、スペクトルの半値全幅は 2
9
.
1nmであり、半導体レーザー励起固体レーザーと
す。パルス幅は 30f
しては当時世界最短のパノレス幅を得ることに成功した口 Ar+レーザー励起の場合と比較してパルス幅
が短くなった要因として、結晶の Cr3+ドーフ。量を上げると共にその長さを短くしたこと、さらにこれに伴
って低屈折率分散の BK7プリズム対を用いることにより 3次位相分散が低減されたことがあげられる。
共振器の分散については次節に詳細を述べる口
1
.
2
6 T =30f
s
6 v.6T=0.
32
1
.
0
;
0
.
8
悶
三0.6
~0 .4
ω
芭0
.
2
0
.
0
0
.
2
-100
5
0
0
TimeDelay(
f
5
)
図2
3
2 自己相関波形
-41-
50
100
1
.
2
λ=907.6nm
A λ=2
9
.
1nm
1
.
0
308
~0.6
的
己
主0.4
0
.
2
0
.
0
845
865
885
905
925
Wavelength(nm)
945
965
図 2-33 スペクトル波形
2
.
3
.
3.4.小型共振器構造を用いた小型全国体フェムト秒レーザーの開発
3
1に示されるように Z型の共振器の中央
一般に、プリズム対を用いたフェムト秒レーザーでは、図 2
に結晶が配置され、そして結晶に対して一方の光路上にプリズム対が配置される口この場合、必然的
に共振器長はプリズム対の間隔の 2倍以上となるため、共振器を小型化する場合には構成そのものが
小型化を阻む要因となる口そこで、新たな共振器の構成によりフェムト秒レーザーの小型化を試みたo
3
新たに考案したレーザーの構成を図 2-34 ，こ示す。結晶には、 30 f
s が得られた場合と同じ Cr
+が
2
.
2 %ドーフ。された両面ブリユースターカット、長さ 8 m mのものを用いた。また、凹面鏡および平面鏡
は 30色が得られた場合と同じものを用いた。一方、共振器内の光強度を上げるために、偏光ビームス
フ。リッターを用いて 2台の MOPA型半導体レーザーを合成したものを励起光源として用いた。さらに、
プリズム対の聞にレーザー結晶と凹面鏡を配置することで、レーザーの小型化を図った 本構成では、
O
共振器長はプリズム対の間隔で決定される。さらに、プリズム対の間隔はプリズムの材質により決定さ
れるため、プリズム対の材質を変えることにより共振器長すなわち繰返し周波数を可変制御することが
可能となる口
M
i
r
r
o
r
(
T
o
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a
lR
e
f
l
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c
t
i
o
n
)
図 2-34 小型 LD励起 C
r
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iSAFレーザーの構成
-42-
上記構成を評価するために、 30f
s が得られた時の共振器を構成する光学素子、プリズム対 (BK7)
を用い、プリズム対の間隔を 46cmとしてフェムト秒光パルスの発生を試みた その結果、上記構成に
O
おいてもカーレンズモード、同期法によってフェムト秒光ノ ~Jレスを得ることに成功した。この時の繰返し
周波数は 236MHz~ パルス幅は 110 色、中心波長は 875 nm、スベクトノレ幅は 7
.
8nmで、あった。
一方、上記小型共振器の構成で、は、 30f
s が発生した共振器と同じ光学素子を用いているにもかか
わらずスペクトル帯域が制限されている。この原因を把握するために、図 2-35に示すように凹面鏡(励
起光入射対面のみ)ど平面鏡直後にスリッ卜(図中矢印表示)を配置し、前記スリットを移動させた際の
スペクト変化を計測することで、共振器内の分光状態を確認した。
①
?
Cr:LiSAF
3+ D
oped)
(2.2%Cr
(
c
)
図 2-35 共振器内の分光状態を把握するための構成
出力光 (a)~(c) 上に西日置したスりットを、①から④の方向に移動させた場合のスペクトル変化を計測
した結果を図 2-36 に示す。 (
c
)においては、スベクトノレの中心波長が一定していることから、 この位置
a
)および (
b
)の位置では中心波長が推移してお
では光は分光されていないことが確認された口一方、 (
り、さらに (
b
)と比較して(
a
)における中心波長推移量が大きい。したがって、 (
b
)から (
a
)へと伝播するにし
たがって光が分光されていくと判断される。さらに、①から④の方向へと長波長成分となるように分光さ
れている。以上の結果より、上記小型共振器の構成で、は結晶内部で空間的な波長広がりを有すること
が明らかになった口結晶内部のビームウエストが大きくなると光密度が低下するため、十分なカー効果
が得られず、発振帯域が制隈される口発振帯域が制限されることによって、同じ光学素子を用いている
にも関わらず、レーザー光が結晶内部で、集光される従来の構成と比較してパルス幅が広がることにな
る
。
-43-
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1
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一
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G
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850
860
870
880
890
860
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860
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l
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840
850
W
a
v
e
l
e
n
g
t
h(
n
m
)
図2
3
6 スリットを移動した場合のスペクトル変化計測結果
次に、プリズムの材質を変えると共にプリズム対の間隔を制御することで、レーザーの繰返し周波数
の可変制御を試みた。各種プリズムを用いた場合のプリズム対の間隔を見積もるために、 2ユ2で述べ
た手法に基づいて、 3
0f
sが得られた時の共振器を構成する光学素子の波長分散を求めた口同時に、
他のプリズムを用いて前記波長分散を補正するために必要とされるプリズム対の間隔を算出した結果
を表 2
4に示す口プリズム対の間隔、ならびにプリズム内部の伝播光路長は実測値である。また、市販
の誘電体多層膜鏡の組成が不明であるために、高屈折率材料を Ti02、低屈折率材料を Si02、ガラス
基板を BK7として、波長分散を算出した口これらの材質は、誘電体多層膜鏡として一般的に用いられる
材質である。また、多層膜の層数も一般的な 24層とした口その結果、 3
0f
s発生時における共振器の 2
-44-
次位相分散がほぼ理想的な状態に補償されていることが理論的にも実証された。そこで、他の材質の
プリズム対を用いた場合に、との時の BK7プリズム対の有する 2次位相分散値・927 [S2と同等の値を
生じる間隔を求めた。その結果、プリズム対の間隔を、合成石英(屈折率 1
.
45
)の場合は 5
7cm、LLF6
(屈折率 1
.
5
2
)の場合は 3
7cm、F8の場合は 26cmとすることで共振器の分散が補償されると予測さ
れる。
表 2-4 レーザー共振器を構成する光学素子の波長分散計算値(中心波長 875nm、往復の分散)
BK7(30f
s発生時)
1
.5
1
LLF6
1
.52
1
.5
8
5
7
9
2
5
・5
98
37
9
2
3
-1756
26
9
3
1
2
5
5
8
8
1
2
6
460
8
126
460
8
1
2
6
460
30
1
3
3
30
1
3
3
30
1
3
3
f
司 fo
Jhfo
司
A 品T A Y O K U
合成石英
1
.4
5
Jhv
プリズムの材質
屈折率
プリズム対
間隔 [
c
m
]
2次 位 相 分 散 防2
]
3次 位 相 分 散 防3
]
プリズム Pj、 P2
伝播距離 [mm]
F8
P1:
4
.
9、 P2:
5
.
0
(実測値)
749
692
2次位相分散[色2
]
3次 位 相 分 散 防2
]
Cr:LiSAF結晶
長さ [mm]
2次位相分散[色2
]
3次位十日分散防3
]
8
1
2
6
460
グロ気
誘電体多層膜鏡 (4枚)
2次位相分散[白2
]
3
3次位相分散 [
f
s]
2次位相分散合計[白2
]
3次位相分散合計[白3
]
H﹂包3
守
-4
6
・
・‘
R
24
1
2
EEEA
一
)1d
2次 位 相 分 散 防2
]
3次 位 相 分 散 防3
]
且
.
.E
上記計算結果に基づいて、図 2
3
4 に示す構成によりフェムト秒光ノミノレスを発生させた場合のレー
ザーの諸特性を表 2
5 に示す口いずれのプリズムを用いた場合で、もフェムト秒光ノミノレスが得られ、 210
MHzから 262 MHzの範囲で繰返し周波数を可変制御することに成功した o BK7、合成石英ならびに
LLF6プリズムを用いた場合には、プリズムから平面鏡までの距離を 9cmとした口一方、 F8プリズムを
用いた場合にプリズムから平面鏡までの距離を 9cmとすると、カーレンズモード同期をかけることがで
きなかった口これは、繰返し周波数を上げることで、光パルスのピーク強度が低下したため、結晶内部で
十分なカーレンズ効果が得られないためと思われる。そこで、プリズムから平面鏡までの距離を 1
5 cm
として繰返し周波数を LLF6 7 リズム対の場合に等しくすることで、フェムト秒光ノ fノレスが得られた口この
0
場合、共振器の大きさが 26x1
6cmと極めて小型な共振器が実現された。尚、屈折半分散の大きい材
質ほどパルス幅が広がっているが、これは屈折率分散の大きい材質ほど 3次位相分散が大きいことと、
高繰返し化に伴って光パルスのヒ ーク強度が低下したためにカーレンズ効果が低減したためである。
O
-4
5-
表 2-5 小型共振器において各種プリズム対を用いた場合の諸特性
プリズムの材質
繰返し周波数 [MHz]
光出力 [mW]
中心波長 [
n
m
]
スペクトル幅 [
n
m
]
ノ::';レス幅[白]
~v.~τ
ピークパワー [W]
BK7
236
3
.
6
8
7
5
.
0
7
.
8
1
1
0
0
.
3
3
139
合成石英
210
3
.
9
8
71
.9
1
4
.
0
6
8
0
.
3
7
273
-46-
LLF6
262
4.
1
8
7
4
.
5
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.
2
1
2
5
0.
35
1
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6
F8
262
4
.
7
870.
2
5
.
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1
4
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0
.
3
2
1
2
5
2
.
4
.あとカ電き
1980後半に T
i
:
S
a
p
p
h
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r
eレーザーが出現して以来、ブェムト秒レーザーの応用分野は急速に発展し
てきた。その問、気体レーザーから半導体レーザー励起固体レーザーの第二高調波への励起光源の
移行、チャープミラーの開発、半導体可飽和吸収ミラーの開発など様々な技術が開発されてきたが、
20年以上経過した今日においても依然として T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
eレーザーがフェムト秒レーザーの主流で、あ
る。開発された様々な技術の恩恵を受けて、 T
i
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a
p
p
h
i
r
e レーザーの小型化、あるいは操作性の向上
が図られているものの、レーザーの起動・停止、あるし 1は日々のメンテナンスといった面で、はユーザー
の負担は大きいま主である。また、装置が複雑であるために、初期投資に加え電気代や修理代品、っ
た維持費とし 1った面で、もユーザーの負担は大きい口本章では、こうし、ったユーザーの負担を低減させ
ると共に、ブェムト秒レーザーの応用範囲を拡大する事を目的として、半導体レーザー直接励起による
小型なフェムト秒レーザーを開発し、その構造・動作原理・基本特性について述べた。
その中で、本研究では、 Cr:LiSAFレーザー媒質を用いることで、 T
i
:
S
a
p
p
h
i
r
e と同等のパルス幅を
有しながらも、レーザー媒質を分散補償用プリズム対で挟み込む構成を考案することで小型な
共振器を実現した。また共振器の小型化のための基礎実験として、安定したフェムト秒光パル
ス列を得るためには励起光源の空間モードのクオリティが重要であることを見出し、従来の共
振器構成ではあるが MOPA型半導体レーザーを用いることで全固体フェムト秒レーザーとし
ては当時世界最短の 30白というパルス幅を達成した。また、広い利得帯域を利用することで、
1
0
0 nm 以上にわたる広帯域連続波長可変が可能であることも実証し、 Cr:LiSAF レーザーが
T
i
:S
a
p
p
h
i
r
eレーザーの代替と成りえる事を示唆した。
次章(第 3章)では、ブェムト秒レーザーの応用分野をより」層拡大させるために、時間的
な位相(時間波形)を制御するための波形整形器の開発を目指して、波形整形器の詳細な検討
を行った結果を述べる。同時に、波形整形技術を用いた各種応用への展開を図る。続く第 4章
では、空間的な位相の制御(光波市制御)を実現するために、 LCOS型空間光変調器の耐光性
向上、ならびに光波面制御モジュールの開発と共に、波面制御技術の応用展開について述べる。
-47-
2
.
5
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第 3章フェムト秒光パルスの時間波形制御
3
.
1
.まえがき
フェムト秒レーザーのパルス幅は、分子の振動周期と同程度であるため、フェムト秒レーザーを用い
ることによって分子の遷移状態を観測することが可能になる その高速性を利用して光と物質の相互
O
作用を制御することも可能である
1
4
)。この際、光パルスの波形を制御することによってその制御性を向
上させることが可能である事が示唆されている
5
6
)
しかしながら、フェムト秒領域で、応答する電子デ、パ
イスは今のところ存在しない口そこで、周波数領域において光ノミノレスの振幅および、位相を制御し、これ
をフーリエ変換することによって時間領域における光ノ fルスの振幅および位相を高い自由度で制御
する技術、いわゆる波形整形の技術が考案された
7
9
)
。波形整形技術は、光ノ《ノレスに含まれる周波数
成分の振幅と位相を個別に制御することにより、光ノミノレスの時間波形を任意の時間波形に整形する
技術である。波形整形された光パルスを用いることにより、光と物質の相互作用を効率的に制御するこ
とが可能となるが、フェムト秒レーザーを用いた反応系では、相互作用を制御する上で、の最適パノレス
波形自体が多くの場合には既知でないことがその応用範囲を限定していることも事実である口多くの
物質系における光と物質の相互作用がブラックボックス的で、あるため、最適パノレス波形を解析的に導
くことが困難である反応系も数多い口この様な場合、反応効率を制御信号として、この信号を波形整形
器にフィードパックする閉ループ。制御系を構築することにより、最適パルス波形を自動的に生成する
手法が有効となる
1
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3
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本研究では、光アドレス型空間光変調器
1
4，
1
5
)を用いることによって、小型で、ありながら高い波長分
解能を有する波形整形器を開発した口この際、画素構造を有しない光アドレス型空間光変調器を用い
ることによって画素構造に起因するサテライトパルスの発生が抑制されること、そして空間光変調器の
誘電体多層膜鏡の反射率を高くすると同時に透明電極の吸収率を低く抑えることにより位相変調に伴
う強度変化が低減されることを解析的に検証した。￨司時に、波形整形された光パルスを透明材料の内
部加工に適用することで、光と物質の相互作用を制御できることを実証した
1
6
)
。一方、フェムト秒光ノ f
ノレスを取り扱う場合、その特性を十分に認識した上で使用する必要がある口特に、波形整形された光
パルスを用いる場合には、設計通りの位相制御が行われているのかを認識するために、その位相情
報を計測する必要がある。この際、計測により得られたデータが解析理論に則っているのか、そしてど
のような手法に基づいて解析されるのかを十分に考慮した上で計測する必要がある そこで、各種計
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調
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11
去を理論的に検証すると同時に、その理論に基づいた計測装置を自作した口波形整形器の開発に
おいては、白作した評価装置によってその波形を評価することで、得られた光ノ勺レスの正当性を実証
した。さらに、光と物質の相互作用が未知の状態においても、その反応効率を自動的に向上させるこ
とが可能な適応型反応制御装置を閣発した口そして、適応型反応制御装置を、ガラス媒質や光ファイ
パー伝送時に生じる波長分散、あるいは非￨司軸光ノ fラメトリック増幅時に生じる波長分散の自動補正
に適用することで、その有意性を実証した口以下に詳細を述べる。
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以ドに詳細を述べる。
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4 プログラマブル位相変調ユニット概観
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図3
5 プログラマブル位相変調ユニット概念図
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.2.
3 波形整形器における画素電極聞のギャップの影響
笠間光変調器は 、 電極が 1 次元もしくは 2 次元に配置され、これらの電極に印加される電圧を ~rtl 伝
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2
1
.
0
コ0.8
m
Z
.0
.
6
∞
c
20
.
4
c
0
.
2
0
.
0
・5
00
o
250
ー
500
250
Time(
f
s
)
図3
7 入射光パルスの時間波形
1
.
2
1
.
0
コ0
.
8
何
~0.6
U
J
C
20
.
4
c
開
。2
0
.
0
740
760
780
800
820
Wavelength(nm)
840
図3
8 入射光パルスのスペクトル
1
.
2
1
.
0
.----- .
.
.
.
- .-----
.
ー
「
.
ー
「
.
ー
同
コ0.8
田
z
.0.6
UJ
C
20
.
4
c
0
.
2
0
.
0
。
789.
789.5
790.0
790.5
Wavelength(nm)
791
図3
9 画素ギャップに伴う強度フィルター
(電極幅 100μm、ギャップ幅 40μm、一部拡大表示)
最終的に、図 3
8に示されるスペクトルとそれぞ、れの強度フィルターを掛け合わせ、これらをフーリエ
変換することにより電極聞のギャッブ の影響を受けた出射光パルスの時間波形が生成される口各条件
O
-57-
での時間波形を図 3-10 に示す。ギャッフ。幅が大きいほどサテライトパルスの強度が増強されることが
確認された口
1
.
2
1
.
0
コ0
.
8
悶
と0
.
6
(
j
)
C
20.
4
c
0
.
2
0
.
0
-50
-25
0
Time(
p
s
)
25
50
(
a
) 電極幅 80μm、ギャップ幅 60μm
1
.
2
1
.
0
コ0
.
8
悶
~Oβ
ω
C
20
.
4
c
0
.
2
0
.
0
-50
25
・
0
Time(
p
s
)
25
50
(
b
) 電極幅 100μm、ギャップ幅 40μm
1
.
2
1
.
0
コ0
.
8
何
と0
.
6
(
j
)
C
20.4
c
0
.
2
0O
陶
』
^•
A A
-50
-25
， A25
iI
A
.A
.
^
-
0
Time(
p
s
)
50
(
c
) 電極幅 120μm、ギャップ幅 20μm
図 3-10 電極聞のギャップの影響を受けた出射光パルスの時間波形
以上の結果から、高精度な波形整形を実現するためには高い空間分解能を有する空間光変調器
が必要となるが、サテライトパノレスを抑えるためには、画素電極聞のギャッフ。を小さくすることも重要で、
あることが明らかになった口これより、画素構造が除去された光アドレス型並行配向液晶空間光変調器
が、波形整形器に有効なデバイスで、あることが確認された
-5
8-
O
3
.
2.4.空間光変調器の反射面と透明電極聞における多重干溶の影響
波形整形器において空間光変調器を用いる上で、反射面と透明電極聞における多重干渉によって
生じるエタロン効果についても十分に考慮する必要がある。エタロン効果によって位相変調と同時に
光強度が変化するためである。この点について以下に考察する。
1
1に示すブァブリ・ベローエタロンを考える 入射波の複素振幅をA
i、部分反射波の複素振幅を
図3
D
A ， 、 A 2 ••• 、部分透過波の複素振幅をB ， 、 B 2 、 B3... とした場合、 1 往復に相当する部分波、例えばA ， とん
との光路差L
J
Lが
M=AB+BC
二
一
ι
xcos2-9+
ι
cos9
cos9
(
3
5
)
=2dcos9
と表されるので、これより位相差dは
δ一
21fx!
1
Lxn 4mucos9
一
λ。
λ。
(
3
6
)
と表される。
，
t1
t
2
2
(
A，
)
(
A
2
)
図3
1
1 ファブリーベローエタロンにおける諸変数
ここで、んは真空中における入射波の波長である。一方、入射面における屈折率nの媒質から屈折
，
，
率 nの媒質への入射波に対する反射係数をr、透過係数をtとし、屈折率nの媒質から屈折率nの媒
，
/、t
/、さらに入射面の吸収係数をaとする。同様に、出射
質‘への入射波に対する各係数をそれぞれr
面における屈折率nの媒質から屈折率nの媒質への入射波に対する各係数をそれぞ、れη、わ、さらに
出射面の吸収係数をa2とする口この場合、部分反射波乱、島、および、83は
、
B
j=
r
j
A
i
B2
t
l
t
l
'
r
2
1
i
e
1
6
(
3
7
)
ト
，
2
2
i
O
'
r
j
tj
e J
j
'
B
3= t
ろ Ai
二
と表される口尚、位相項は位相差のみを考慮している口これより全ての部分反射波の総計である複素
-59-
振幅Arは
A
r=B1+B2 +B
3+・・ー
=
{
刊]1]，
ψiδ(1+
η'
r'
e 十
円 fhf262i6+
iS
2
(
3
8
)
)
)
A
I
となる。透過波に対しても、それぞれの部分透過波が
A
1
A
J=t
1
2'
2γq'Aiei5
A2 ニ 1
1
1
(
3
9
)
ト
A
3
=
t
l
t
2
f
r
2
r
2
F
2
A
F
2
i
5
i
f
!
と表される口これより全ての部分透過波の総計である複素振幅んは
A
t=A]十 A2十 A3+・・・
2 2 δ.
.
.
)
A
=
t
l
t
J
(
l十円、'〆+げ げ e2i +
i
(
3
1
0
)
式の()内はいずれも等比級数の和であるから、それぞれ
(
3
8
)および(
3
9
)
:
i
e
]t]'r '
，
r +~+ 2吊 ￨
れ
A， =
=1
r
e
l
' 1-η'ろ'
lO
)
(
3
1
1)
(
R
]+~九 'e l 5d
円+
l-nTF3'elδ-
A
.
I
1
]
12'
2
)
(
3・1
l
n
f
r
2
'
e
i
d
と表される。ただし、 R
1、T
!およびんはそれぞれ入射面における反射率、透過率および吸収率であり、
，
イ
=
t
/、
=
r
1、r
R2
、むおよびんは出射面における対応する量である。また、 r
、T
1
=
1
=
r
/
=
r
!2
!'
R
!、R
1
=
t
1
t
1'
，
α
1
2、η'-η 、r
イ
、R
、T
ニ
わt
2
2で、あり、エネルギ一保存貝 U
r
/
+
t
!
t
1'
+
a
/
=
1、
2
R2
ニ
ザ
、 A2G
A!=
2
=
2
=
r
/
=
r
22
2"
二
r
2
2
+
t
h
'
+
0
2
2 1が成り立つものとする口
二
入射強度がA
i
A
i
*で、ある場合、 (
3・1
1
)式より反射光強度と入射光強度の聞に
(
広 -(R]十円)広)+4(R¥+~)高#λin 2 (δ/2)
(
3・1
3
)
一。-兵;兵~y +4兵;兵2sin2(δ/2)
の関係(=反射率)が得られる。さらに、 (
3
1
2
)式より透過光強度と入射光強度の聞に
I
t
1
;
A
t
A
t
A，A，
(
3
1
4
)
円T2
-(1- 兵;兵~t +4f
R
:
兵;sin2(δ/2)
の関係(=透過率)が得られる。光アドレス型空間光変調器では、入射側のガラス基板の入射面には
反射防止膜が施されているため、入射面の反射率はほぼ無視できる口ガラス基板の対面に施される透
明電極では約 1%程度が吸収されるため、 Rj=2%、T1=97%とおける口一方、反射面に施された誘電
幽
60-
体多層膜鏡では、光がほぼ全反射されるので、 T2=1%
、 R2=9
9%として、 (
3
1
3
)式から位相変調時の
反射率を求めたところ、図 3
1
2に示す結果が得られた。この場合、位相変調に伴う反射率の変化は最
大で1.1%程度となった
O
100
99
、¥
、
向
J
298
何
.
.
.
.
O
ω
言9
7
E
96
0
2
3 4 5
P
h
a
s
e(
r
a
d
)
6
7
図3-12 多重干渉(エヲ口ン効果)に伴う位相変調時の強度変化 (
R
9%、乙=1%)
2=9
これに対して、画素電極(ア/レミ)を反射面として用いた場合には 10 %程度の光がアルミ電極に吸
、 R2=70%となる。この場合の反射率を求めた結果が図 3
-円であり、位相変調
収されるため、九二 20%
に伴う反射率の変化は 1
5%程度に増加した口
100
9
0
、
、
《
d
g
8
0
句
U
ω
'
Q
)7
0
庄
6
0
0
2 3 4
P
h
a
s
e(
r
a
d
)
5
6
7
図3-13 多重干渉(エタロン効果)に伴う位相変調時の強度変化 (
R
0%、九=20%)
2=7
以上より、位相変調に伴う強度変化を抑えるためには、反射面の反射率を高くすることが重要であ
るため、誘電体多層膜鏡を用いる光アドレス型空間光変調器で、あっても、反射率を十分に考慮して構
造設計する必要があることが明らかになった 特に、被変調光として波長帯域の広いフェムト秒レーザ、
O
ーを用いる場合には、誘電体多層膜鏡の帯域も十分に広くする必要がある。この場合、誘電体多層
膜鏡を広帯域化することによって反射率が低下することで、多重干渉の影響が顕著になるため、帯域と
反射率とを卜分に考慮して設計する必要がある。
-6
1-
3
.
2
.
5
. 反射型波形整形器の設計
波形整形器を設計する上で、被変調光で、あるフェムト秒光ノミノレスの周波数帯域を、空間光変調器
上に満遍なく展開させることが重要となる。空間光変調器の有効領域に対応する周波数帯域が、フェ
ム卜秒光ノミルスの周波数帯域の一部のみに対応する状態で、は、被変調光の周波数成分が狭帯域化
される。この場合、波形整形器そのものが周波数領域で、のバンドパスフィルターと機能するために、光
量の損失を招くばかりではなく、入射光のパルス幅に対して出射光のパルス幅が広がるとしづ問題が
生じる。逆に、ブェムト秒光ノ《ルスの周波数帯域に対して空間光変調器の有効領域に対応する周波
数帯域が広い場合には、波形整形器の波長分解能が低下するために、十分な制御が行えない。その
ために、被変調光の周波数帯域に応じて、波形整形器を構成する回折格子の溝本数、入射角、なら
びに結像素子の焦点距離を、空間光変調器の有効領域に適合させる必要がある口以下では、あらか
じめ測定されたレーザーのパルス幅L1r=6
5f
s、中心波長 .
.
1
.
=7
90nmに対して最適な波形整形器を
設計する口
図3・1
4に示される反射型のプレーズド回折格子を考える。入射角をα、回折角を戸、 1m m あたりの溝
本数(回折格子周期dの逆数)をN、mを回折次数 (m=O、土 l
、土2
.ー
)
、 Aを波長とすると、グレーティン
グ方程式は
Slnα+sinβ =Nm
λ ( 3 - 1 5 )
と表される口ただし、角度は反時計四りを正とする。ここで、溝の斜面に対して、入射光とm次の回折光
が鏡面反射の関係にあるとき、 m次回折光にエネノレギーの大部分が集中する口このときの溝の傾き(ブ
B
)は
レ}ズ角 B
α+β
ハ
"'B
(
3
1
6
)
2
1
.
、(
3
1
5
)および(
3
1
6
)式を用いて
となる。また、この時の波長(プレーズ波長.
B)は
二
子
s
i
nO
Bc
o
s
(
α -OB)
l
v
m
(
3・1
7
)
λB
戸となるので、このときの波長.
1
.B(
L
it
け
は
と表される口特に+1 次の回折光が戻る場合(リトロー配置)にはα=
2 ._
(
3
1
8
)
AB(LiII)=7VSInOB
となる口ただし、既製の回折格子はとひ、とひ、のプレーズ波長.
1
.
B山 Iりで、設計されているために、これ以外
の波長で用しも場合には、その波長がプレーズ波長となるように入射角を調整する必要がある口そこ
で、プレーズ波長がねι
i
t
りに設計された回折格子に波長.
1
.c
e
n
t
e
rの光を入射して、 +
1次光を効率よく取り
tf'J
﹁1 1 1 - -
α
c
d
n
(
3
1
9
)
﹂
C
t
n
4A
/11
N
J
﹄
n
，
if1
QU
門
2
一
1、
n
﹁jtilll111
2一
N
L
B
一
一
λ
，
、α
+
、、.， I'
出したい場合には、 (
3
1
5
)、(
3
1
6
)および(
3
1
8
)式から得られる
﹄
を満たす角度で光を入射すれば、波長λcenterがこの回折格子のプレーズ波長となる したがって、この
O
時の角度αが求める入射角となる。一方、波長Aの光を角度αで、回折格子に入射した場合の出射角は、
-62-
(
3
1
5
)式から
β=s
i
n
1
(
N
.
λcenler - s
i
n
α
)
(
3
2
0
)
と表される口例えば、溝本数 1200 本 Imm、プレーズ波長AB(L
i
t
υ=800nmの回折格子を用いた場合、波
長がんn的 =790nmの入射光に対する最適な入射角はα=3
7
.
80と求められる。
Grat~n~g
V
e
r
t
i
c
a
lA
x
i
s
D
i
f
f
r
a
c
t
i
o
nL
i
g
h
t
(
b
l
a
z
ewavelength)
図3
1
4 ブレーズド回折格子
回折格子により分光された周波数成分は、レンズや凹面鏡等によって空間光変調器上に結像され
ることによって空間的に展開される口ただし、レンズを用いる場合には、レンズ内部での光路長が周波
数成分ごとに異なるために、これが位相差となって波長分散を生じる要因となる またフェムト秒光ノ f
O
ルスの場合には、同一周波数成分で、あっても、空間的にレンズ内部での光路長差が生じるために、空
間的な時間分散を生じる要因となる口パルス幅が短い(=周波数帯域が広し¥)場合にはその影響が顕
著になるために、結像素子として凹面鏡が用いられる場合が多い。この場合、フェムト秒光ノ勺レスの有
する周波数成分と空間光変調器の有効領域とを適合させるために、凹面鏡の曲率半径(=焦点距離)
を十分に考慮する必要がある。
2
トランスフォーム限界な光パノレスの時間波形を s
e
c
h
と仮定すると、スベクトル幅L
1v(単位 :
H
z
) とパ
s
e
c
) との問には、ハイゼ、ンベルグの不確定原理 (
s
e
c
h2の場合はL
1T=0
.
3
1
5
)が成
ノレス幅がL1r(単位 :
1V'L
り立つ。更に、中心波長をAとすると、スベクトル幅(単位 :
m
) はL
1A=L
1vXA2
/
cにより算出される。
この場合、スベクトノレ幅は半値全幅 (FWHM) で表されるため、空間光変調器にほぼ全域の周
波数成分が照射されるためには、空間光変調器上の周波数帯域としてスベクトル幅の 4倍程度が確保
1
5
)口
されることが望ましし¥(
図3
以後の実験で使用するレーザーのパルス幅はL
1
r
=6
5f
s，中心波長はか 790nmで、あるから、こ
の時のスベクトル幅はL
1V=4.8THz (
L
1A=L
1vxλ2/
C
=1
0nm) と算出される口この場合、空間光変調
器に照射される周波数帯域として40nm以上を確保する必要がある口
-63-
一
(
，
コ
吋)bω
c
ω芭
^
s
h
o
r
t
4X~
噌
Wavelength(nm)
図3
1
5 被変調光のスベクトル
次に、凹面鏡上における周波数成分の空間的な分布について考察する口周波数成分の最短波長
成分をλshort、最長波長成分をAfongとし、図 3-16に示すように凹面鏡上におけるこれらの周波数成分の
照射位置をそれぞれ蛇刷、
M
t
ongとする。回折格子の回転角 θ
は、光学系の配置から8=2
3.
4としたo
s790はレーザーの中心波長
790nmfこおける回折角で、ある口
0
Y
X
図3
1
6 最短周波数成分および最長周波数成分回折角、ならびに凹面鏡上における照射位置
この場合、
0・10)式より、回折格子の法線に対する波長Ashortおよび:，.1/0噌の出射角βshc川およ Lfslongはそ
れぞれ
sshort
=s
i
u一l(Nmλshort- sinα)
(
3
2
1
)
βfong =s
i
u-1( N mλfong - s
i
u
α
)
(
3
2
2
)
と表される口これより、 Mshorfおよび~Mto昭の座標がそれぞ、れ
Ms
油巾
h
加Or
t :{
j
x
c
∞
o
s
(
伊
θ一 β
s7
別9
卯
0，)
削げ
M何
となる
O
{
j
x
c
∞
o
s
(
伊
θ一ι
凡
β
九
7
河9
則
別
0
)jxc
∞
o
s
(
伊
θ一β
7
別
7
9
9
0
0
)
X旬
t
a
n
(
伊
θ一凡
βl
'
灼
ω
仰
仰
I
伽
n
O
阿
J
叫
n
g)
g
g
)
}
:
，
ラ
)
刊
したがって、空間光変調器上での空間的な広がり
噌
宿
HSLMは
HSLM =M'
ong - M
=Ijxc叫θ-s
7
9
0
)
X{t叫θ-β~ong)- t
叫θ-sshort
により求められる口例えば、
Ashort=7
70nm、Along=
)
(
3
3
刊4
(
3
3
5
)
810nm、凹面鏡の焦点距離を井 250mmとすると、空
-64-
間光変調器上における上記周波数成分の水平方向の照射範囲は 1
2
.
8m mと算出される口この値は、
使用する光アドレス型空間光変調器の有効領域20mmと比較すると小さい値となるが、実験によって
は中心波長を推移させる場合もあり得るため、適切な値と判断される口
一方、空間光変調器の空間分解能を有効に利用するためには、回折格子に依存する波長分解能
と空間光変調器の空間分解能とを対応させる必要がある。そのためには、入射光のビーム径を適切な
大きさとする必要がある口回折格子に入射するビーム径は有限の広がりを持っており、この広がりによ
って光路差が生じる たとえば、図 3・1
7に示すように、ビーム樫Hinの光が入射角 αで、回折格子に入射
D
JHは
し、出射角戸で出射する場合のビームの両端の光路を進むビームの光路差i
M-!=W(sinα+sinβ)二
互ι(sinα+sins)
cosa
(
3
3
5
)
と表される。 (
3
1
5
)式より、 (
3
3
5
)式は
n
M-!= Hi
λ
(
3・3
6
)
Nm
c
o
sα
となる。したがって、この光路差による時間広がりiJr
は
M-! 1 H
Aτ= 一一二一一~Nmλ
c
(
3・3
7
)
cc
o
sα
により求められる。一方、時間広がりL1r
と周波数広がりL
1v
との聞にはL
lv
.
L
1
r
:
:
:
:
:l
なる関係があるので、この
時の周波数広がりは
d
.v=
v=一一一二
_
1
_=C
c一一一一一一一一一
c
o
sa 1
d
.r
H Nm
λ
(
3
3
8
)
川
となる口したがって、叫=cなる関係式を用いて、波長広がりi
JApassは
λ2λc
=-'.d
.v=
A
λ
C
ye'JJ
9
)
(
3・3
N Hm
i
l
1
と表される。ここで、空間光変調器の 1素子の大きさをHsegmentとすると、 SLM上で、のビーム径がHSLM、
であるから、空間光変調器の 1素子に対応する
波形整形の対象となるスペクトル領域がL
1
A=A/
A
伽
1
Ol
g-
I
波長幅λsegm削が
λ'.¥'egmenl
。
札ngーんort)/(HSLM/Hsegmel)
l
1
(
3
4
0
)
により算出される。空間光変調器の 1素子ごとに位相を制御することを考えると、光路差による波長広
がりL
1Apa日が空間光変調器の 1素子に対応する波長幅λ¥'cgmenl以下であることが好ましい。すなわち、ビ
ーム径H
Xλxcosα
N x似mx H
い
(
λ川 一λ
λ
5
血
h
釦
加
o
伽
r
バ
r
t
I
s
ω tx
H . > S L M
1
1
(
3
4
1)
町
げ川
となる口例えば、画素サイズが H segm附 =42μmの光アドレス型空間光変調器を用いる場合には、入射
光のビーム径
Hinを 4m m以上とする必要があるが、光アドレス型空間光変調器の耐光性を考慮して
10mm程度とすることが望ましい。
-65-
以上の計算結果を表 3
1に、計算結果を基に設計された波形整形器の概念図を因子 1
8に示す。
n
¥
¥﹃
¥H
ヘ
下￨wij
図3
1
7 回折格子による波長広がり
表3
1 反射型波形整形器設計パラメータ
設計値
パラメータ
回折格子の溝本数 [
l
i
n
e
/
m
m
]
中心波長 [
n
m
]
スベクトノレ幅 [
n
m
]
スペクトル帯域 [
n
m
]
凹面鏡の曲率半径 [mm]
回折格子への入射角 [
d
e
g
r
e
e
]
回折格子の回転角 [
d
e
g
r
e
e
]
最小入射光ビーム径 [mm]
1
2
0
0
7
9
0 (実測値)
1
0
40
5
0
0 (=焦点 E
巨
南
佐2
50mm)
3
7
.
8
4
23.
4(
lOmmに設定)
62.5mm
125mm
図3
1
8 設計した反射型波形整形器
-66-
3
.
3
.反射型波形整形器の動作確認
3
.
3
.
1
. はじめに
波形整形器は、周波数位相フィルタリングにより光ノミルスの時間波形を制御する装置で、ある したが
O
って、波形整形器が設計通りに動作していることを確認するためには、波形整形された光パノレスの位
相を計測して、計測値と設計された位相フィルターとを比較する必要がある口ただし、従来のブェムト秒
光パルスの計測において用いられてきた自己相関法は、パルス幅の評価を目的としているうえに、パ
ノレス波形を何らかの関数と仮定するために厳密なパルス幅を求めることはで、きない。当然のことながら、
光パルスの位相を計測することは不可能である。そこで本研究では、周波数分解光ゲート法
(
F
r
e
q
u
e
n
c
yR
e
s
o
l
v
e
dO
p
t
i
c
a
lG
a
t
i
n
g，FROG)23)、フーリエ変換スペクトル干渉法 (
F
u
r
r
i
e
rT
r
a
n
s
f
o
r
m
，FTSI
)24)、ならびにこれらの計測法を融合させることで厳密な位相計測を可
SpectrumI
n
t
e
r
f
e
r
o
m
e
t
r
y
能とする TADPOLE法 (
T
e
m
p
o
r
a
lA
n
a
l
y
s
i
s byD
i
s
p
e
r
s
i
n
gaP
a
i
rOfL
i
g
h
tEf
i
e
l
d
)25)を構築して、波形
ラ
整形された光パルスを評価した口また、周波数位相フィノレタリング、によって波形整形を行う場合には、
任意の光パルスに整形するためのフィルターをし 1かにして設計するかが重要となる口その根幹となる
アルゴリズムとしては様々なものが提案されているが、最も簡便な方法は反復フーリエ法 O
t
e
r
a
t
i
v
e
F
o
u
r
i
e
rT
r
a
n
s
f
o
r
mA
l
g
o
r
i
t
h
m，IFTA)である
口反復フーリ工法は、フーリエ変換と逆フーリエ変換を繰
2
6
)
り返す中で、計算過程で、生成されるスベクトノレと入射光ノ fノレスの実スペクトルとを置換し、さらに計算
過程で生成される時間波形と所望の時間波形とを置換することで位相を再構築する手法である。以下
では、各種計測法、反復フーリエ法を用いた周波数フィルターの作成方法の原理を解析すると共に、
自作したこれらの計測装置を用いて波形整形器の動作を確認した結果について述べる。
3
.
3
.
2
. 周波数分解光ゲート法 (FROG:FrequencyResolvedO
p
t
i
c
a
lG
a
t
i
n
g
)
周波数分解光ゲート法は、偏光ゲート型、カー効果型、第二高調波型等、検出する信号によって
様々なタイプが存在するが、感度が高いために最も広く用いられているのが第二高調波 (SHG:
SecondHannonicG
e
n
e
r
a
t
o
r
)を利用した SHG-FROGである。 SHG-FROGの基本構成は自己相関器の
構成と類似しており、検出部を分光器に置き換えて SHG自己相関信号の分光計測を行う計測法であ
る口すなわち、図3・1
9に示すように、被測定光パルスを2分岐して、一方に遅延時間 τを与えた後に、 2
つのパノレスを SHG結晶(一般的にBBO)に集光して第二高調波を発生させる。このようにして得られた
第二高調波のスペクトルを分光器にて測定するが、この際に遅延時間 τ
を変えながら第二高調波のス
ベクトノレを繰返し測定する これらのスペクトルを波長、遅延時間およびスペクトル強度を軸にとって 3
O
次元データ化することにより FROG像を取得する。最後に、得られたデータを解析することによって光
パルスの位相を再構築する口ただし、 FROGでは反復演算により二次元情報を解析するためにデータ
数が制限される。そのために、レーザーから出力される光ノミノレスのように位相変化が滑らかな場合に
は有効であるが、波形整形後の光ノ《ノレスのように複雑な位相情報を有する光ノ ¥
j
レスの計測には適さ
ない。この解析方法について以下に詳細を述べる口
-67-
〈
Beam
S
p
l
i
t
t
e
r
八
三
回 r)
人
→
S
p
e
c
t
r
o
m
a
t
e
r
E
s
i
g
(
t
，
T)
図3
1
9
S
H
G
F
R
O
Gの概念図
以下に、図 3
2
0に示す計算アルゴ、リズムのフローチャートに基づいて解析干1
)
頃を説明する。
位和の初期値事。 (
r
o)の設定
(スタート)
逆フーリエ変換
2巡目以降
基本波の悔素電場振 1
[
1
面A
(
i
)
hu
的
、Baa-fELfill--J
ム
、
内リ
，
、
U，
戸
、
iF
+一
2
.
Z
h
tv
、
，
l一
h
FL
、
rfli--JJ 1tat-
司
可EEE-btillJ
。
て
U
u
f
ス
U
1
Ã'~斗の振幅を FROGの測定データ s(ûJヲτ)
を(
3
4
5
)式に代入することより得られる
A
(
r
o)
1に樹換
測定値 I
i
e屯‘、
，
，
、
田
'khd
ーし
d
l一 π
・
、
f
dA
4zr￨'
んlい
的一一
﹁
。
、
，
ト b
複素電場振幅のフーリエ成分五恥)
ミ
『
いt
)
4
こ恥
い
川
h
沙
1
}
入
，
'
t
寸
τ)の振捌[
幅
I
j
届
￨
比
ミβ
w
t
も
(
リ
1
測定デ一タの平 h
応.根 J
s
(
r
仏
o
U1
汁
て)
に置換
複素電場振幅のフーリエ成分 Ã'~ü)
， 叩 き
￨フーリエ変換￨
+
;
(
0
;
，
τ
)
基本波の塩素電場振幅 A(
i
)
(
3
4
8
)式えい't)= fA~μトτ ~xpÙO) t )it
図3
2
0
S
H
G
F
R
O
G解析アルゴリズムのフローチャート
被測定光パルスの電場E仰を
E
(
t
)A
(
t
)
e
x
p
(
-jω01
)
(
3
4
2
)
ニ
と定義する。ただし、 ω。は搬送波の角周波数で、ある。また、包絡線 I
E
(
t
)1とチャーフ。の項 e
x
p
{
j
ψ(
t
)
}
-68-
をまとめて複素電場振幅A
(
.
り=
I
E(
t
)
l
e
x
p
{
j
ψ(
t
)
)とする。一方、被測定光ノミルスのフーリエ変換を
l
(
ω
) f
E(1)叫
ω
二
(
jω
1
'
)
d
t
(
3
4
3
)
w
と定義する。この場合、間 3
2
1(
a
)に示すように、電場のフノレスケールを T[
s
]、測定点数をNとすると、フ
ーリエ成分 E
(
ω)は、図 3-21(b)に示すように DC成分から2π/T[rad/s]まで、の範囲にM固のデータが分散
した形となる。ところが、実際に必要とされるのは搬送波の角周波数ω。の近辺のスペクトルで、あるから、
この部分だけをとってみると分解能の低いスペクトル波形が得られることになる 一方、図 3
2
2
(
a
)に示
O
すように、被測定光パルスの電場から搬送波の成分を取り除いた複素電場振幅A仰 =I
E(
t
)I
exp{
j
ψ仰j
をフーリエ変換することによって搬送波の角周波数ω
οの近辺のフーリエ成分 A
(
ω)を得ることがで、きる口
1
固のデータが分散するために、図 3
2
2
(
b
)に示すように分解能の高いスベク
この場合、上記の領域にN
トノレを得ることができる。本計算アルゴリズムで、は、時間領域、周波数領域共に搬送波の成分を取り除
いた形で取り扱われる。最終的に得ようとしているのはパルスの時間領域で、の強度波形及び位相波
形であるから、搬送波の成分を取り除いても問題はない。
。
p
同
ー
悼
Time
(
a
)被測定光パルスの電場波形
Frequency
(
b
)被測定光パルスのスベクトル波形
2
1 搬送波を含めた場合の被測定光パルスの電場とスペクトルの関係
図3
〉
仁
Time
(
a
)被測定光パルスの電場波形
Frequency
(
b
)被測定光パルスのスペクトル波形
2
2 搬送波を含めない場合の被測定光パルスの電場とスペクトルの関係
図3
解析手順
(
a
)
まず複素電場振幅のフーリエ成分証(
ω
)の位相の初期値板。 (
ω
)を任意に設定する。(二巡目
-69-
以降では、/レーフ を一巡した結果得られる位相を次のノレーフ。の初期値とする。)
O
(
b
)
先に述べたように、 SHG-FROGでは第二高調波に含まれる複素電場振幅の相関信号が分光
計測される。この相関信号S仰、りは
内jl-
4
'
b
v
vd
J
内り
ち4
EE，ノ
，
、a4
'
ι
、
、
、
ω
ウ
臼
/'aE1
ω
fBJ
.IJ
凸lH
EE，ノ
4'b
a
4t
、
/SE--
p
、
，
、
x
τ
、
、
+
A
，
/
、
‘
・
1.，/
A
，
∞舟﹄EE e ∞
+-
一
一
h ，/
、
7
ω
f'EE¥
S
(
3
4
4
)
と表される。また、被測定光パルスの搬送波の角周波数ωoの近辺のみのフーリエ成分互い)
1
の振幅￨互い は相関信号S(w，t
)を用いて
何件
と表される口そこで、フーリエ成分 A
(
ω)の振幅を、 SHG-FROGの信号 S仰、りを (3-45)式に代
入して得られる値に置き換えることにより、実測パラメータが導入されたスベクトノレ矛 (
ω
)が得
られる口
(
c
)
(
b
)で、得られた被測定光ノ勺レスのフーリエ成分矛 (
ω
)を逆フーリエ変換することにより、複素
電場振幅 A
(
t
)が
A
(
t
)=二LL
1
2
(
ω
)叫(-jω仰
Jr .
(
3
4
6
)
と求められる口
(
d
)
図3
1
9に示すように、上記のパルスを 2分岐し、一方に遅延時間 τを与える この時の電場を
O
それぞれE
ω 仰およびE
ω 作+りとする。これらの 2つのパルスを SHG結晶内で交差させた時に発
生する第二高調波には、 2つの基本波のそれぞれの第 2高調波 {E
υ(
t
)
}2および (
E
，ω伴+り/と 2
c
，
つの基本波の相関成分E
w
(
t
)xE
ω
ρ
+
りが含まれるが、自己相関器と同様に結品後段にアパー
，
チャーを配置することによって相関成分だけを取り出すことができる口したがって、分光器で観
測される第二高調波の電場E2ω仰は
E2w(
t
)
=ι(
t
)
E
ωt
(+
r
)
=[
A
(
t)
e
x
p
(
-jω
o
't
)
]
x[
A
(
t+τ
)
e
x
p
{
-jω。
(
t
+τ
)
}
]
=A
(
t
)
A
(
t+τ
)
e
x
p
{
-j
ω。
τ
}
e
x
p
(
-j
2
O
J
t
)
o
(
3
4
7
)
と表される。そこで、実際に計測される SHG・FROGの信号に反映する、 2つの複素電場振幅
A(
t
)およびA(t+りの積のフーリエ変換を
ノ
b
4'b
MM
Da
J
S
I
-、
ω
，
手
1J
4'b
/ 2E
.2EFJ
x
e
‘
、f
+
4'tv
、ha/
・
、
A、
r
/
'
z 1、
‘
AA
九lJq
一
一
..
7
，
、
、，
d
、
、
aE1
ω
，
/芹﹄
(
348
)
と定義する。
(
e
)
(
3
4
4
)および(
3
4
8
)式より
-70-
s
(
ω，r
)
=
l
c
(
ω
2
ω
~2
'
0
'r
(
3
4
9
)
が得られる o SHGFROG
の測定系で、得られる信号S
仰、りの平方根が、 2
つの複素電場振幅
凶
A(t) およびA(t+りの積のフーリエ変換C仰、りの振幅 I~仰、り|と (3-49)式により関係つけられてい
ることがわかる。繰返し演算では、 (
0
ω 、りの振幅と SHG-FROGの測定データS仰、りの平方根
♂広弓とを置き換えることによって、実視l
パラメータを随時導入して、最初に設定した位相
項何ωjを真の値に近づ、けてして。
(
り
複素電場振幅
A
(
τ
)は、振幅が置換された後のご仰、りを逆フーリエ変換することにより
ウ
缶
、ーーーにrlite-J
.EF'
ω
A
り
百
d
aE E
・
‘
、
一ω
+一
、
首
，
，
F
H
4
、
、
・
s
a d∞
∞m
fBEBEE-- .-EEEEE
ω
，
ιF
，
，一
M
1
﹁llJ
1l、
l
k
ノ
デ
d
、‘，，ノ
ω
F
hd
、
・
/'aE
+一
∞ aBEEtd∞
﹁l ￨︿lilt
k-EFJ
M
l一
一
-
A
、
、， ヂte
・・‘‘、
j
'
a
(
3
5
0
)
と求められる。
(
g
) 被測定光ノミノレスの搬送波の角周波数ω。の近辺のみのフーリエ成分五(
ω
)は、 (3-50)式を逆
フーリエ変換することにより
ゐ
)
=
よ
い)exp(-州 ω
j
=
I
A
(
ωト
x
p
{
j伊(
ω
)
}
(
35
1)
四
と求められる。
(
h
)
以上の工程で、被測定パノレスのフーリエ成分の位相判ωjがある程度回復される口この状態で
回復された位相項の値と真の値との差が無視できるくらし Vトさければ、この時のスベクトノレを
ω
)として出力する口ただし、通常は初期に設定した位相が任意であるために、
計算の出力え (
ここで得られた位相項の値と真の値との差は大きい口そこで、回復された位相項何ωjはそのま
まににして、振幅 I
A
(
ω
)
1のみを SHG-FROGの信号S仰、りを(
3
4
5
)式に代入して得られる値に
置き換える。実視J
I
パラメータを随時導入することにより、位相項が真の値に近づくことになる口
以上の (
a
)から (
h
)の過程を繰り返すことにより、位相判ωjが真の値に近づ、いていき、パルス波形(位相)
が再構築されることになる口
次に、周波数分解光ゲート装置 (
F
R
O
G
)の光学系について説明する。図 3
2
3は構築した FROG
の構成図である。 FROG
は、被測定光パルスを 2分岐した後に一方の光ノ勺レスに遅延時間を与
える光学系と、 2分岐された光パルスが SHG
結晶上で重ね合わされた際に発生する自己相関信
号のスベクトノレを観測する分光器により構成される口因子2
3に示す構成では、光学素子の波長
分散の影響を避けるために、ハーフミラー以外は全て金蒸着ミラーによる反射光学系を用いた口
集光用の凹面鏡の曲率半径は 1
5
0mmとした。分光器は、スリット幅を 50μm、凹面鏡の曲率半
径 を 250mmとすることで、 0
.
5nm
以下の分解能が得られる口分光器の検出器には紫外域に感度
を有する裏面入射 CCD (浜松ホトニクス、 S
7
0
3
0・0
9
0
6
) を用いた口裏面入射 CCDは
、 90%
以上
-7
1-
の量子効率が得られると共に紫外域での高感度を特徴とする微弱光検出用イメージセンサで
あるため、 SHG-FROGに適した検出器である。一方、パルス幅 1
0
0f
s以下の超短パルス光を計
測する上で最も重要となるのが SHG
結晶の厚みである。 SHG結晶の分散は時間的なレスポンス関
tは
数として振る舞い，この関数の半値幅ω
Itt'
L
τ
d
-n
¥1llili--J/
一 g
一ν
わur
司自且一 P
一
G
一 g
一V
IE
/IIIll111t¥
砂
ω
4
'
一
一
(
3・5
2
)
により表される口ただし，v
Lは SHG結晶の厚みである。言い換えると， SHG
gは SHG結晶の群速度，
結品は第二高調波のスベクトノレ幅を抑制するフィルターとして振る舞い、その関数は
s
i
n
(
t
ω
ω
/
2
)
l
2
(
ω
)I
I
~H~V Ú)~ ~ JI
t
ωω/2 I
ニ
(
3
5
3
)
""
と表される口文献27)によると、フィルターの半値幅 (=2.78/
.
1
ω
)が第二高調波(トランスフォーム限界な光
パルスを用いた場合)のスペクトル半値幅の1.4倍以上であれば，波形再構築時の誤差を 10%以内に
1
v
'
Jr=0
.
3
2
) な光ノミノレスのパルス幅をL1r=6
0白とす
留める事ができる口例えば、トランスフォーム限界 C
ると、この光パルスのスペクトル幅は、 L
1"
:
r
u
n
cF5
.
3THz(
L
1
λ=11
.0nm)と求められる。第二高調波のスペ
クトノレ半値幅は上記基本波のスベクトノレをJ2倍 (
1
I
2J2倍)するとして， L
1VSHO=7
.
5THz(品，=3
.
9nm)
と求められる口一方， 300μm厚の BBOの場合はん=5
6
.
6品
、 300μm
厚の KTPの場合はん=2
3白である
から、波形再構築時の誤差を 10%以内に留めるためには
2
.
7
8
1t
ω>1
.4x.
dVSHG
(
3
5
4
)
を満足させる必要がある口上式に先に求めた諸数値を代入すると， t
ω<
265j
をが得られる口したがって、
この場合の SHG結品の最大の厚みは BBOの場合が1.4mm、KTPの場合が 3.5mmと求められるが、
本装置では、誤差を更に小さくするために 300μm厚の BBOを用いることとした口その結果、本装置で
sの光パルスを計測す
は
、 CCD蓄積時間を 5S、積算回数を 1回として、繰返し 96MHz、パルス幅 60f
る場合に必要とされる最小光強度は 30μW品、う高感度が実現され、低強度から高強度までの広い
範囲における光パルスの評価が可能となる口
一方、 FROG計測では測定点数が限られるため、測定時間範囲を十分に考慮して設定する必要が
s程度
ある(波長範囲は時間軸のフルスケーノレの逆数 xデータ数となる)口本装置で、はパルス幅が 60f
3.
3f
s
x
1
2
8点二士 850f
s(2μm間隔)、あるいは
の光ノ勺レスを対象としているため、測定時間範囲を 1
1
3
.
3f
s
x
2
5
6点=土1.7p
s(
1f
l
m間隔)とした。原理的には、データ数を増やすことによって測定分解能
を向上させることも可能であるが、ステージの移動量を lμm以下で、制御する場合には干渉計等によっ
て光路長を厳密に計測する必要があるとし、うことと、 2次元データを取り扱うために計算時間が膨大に
なるので現実的ではない。
同
7
2-
M
i
r
r
o
r
Lmd
/λ.~~..~....-_____:S ¥M
i
r
r
o
r
Aperture'>~
BBO八 /¥Grati
九
/
-
~:
CCDSensor
R
e
f
l
e
c
t
o
r
図3
2
3 周波数分解光ゲート装置の構成図
3
.
3
.
3
. フーリエ変換スペクトル干渉法 (
F
T
S
I
:F
u
r
r
i
e
rT
r
a
n
s
f
o
r
mS
p
e
c
t
r
u
mI
n
t
e
r
f
e
r
o
m
e
t
r
y
)
フーリエ変換スベクトノレ干渉法は、周波数領域における被測定光と参照光との干渉成分を解析する
ことにより、参照光に対する相対位相を求める手法である。一次元データの線形解析であるため、複
雑な位相情報を有する光ノ ~Jレスの計測も可能で、ある O 以下に、その解析原理を述べる。
参照光 Eo(
t
)、および被測定光 E仰がそれぞれ
E
o(
t
)=eot
()exp[-jωt
]
E
(
t
)=e
(
t)exp[-j
m
tJ
(
3・5
2
)
(
3・5
3
)
により表されるものとする。マイケルソン干渉系を用いて上記の 2つの光を同軸上に重ね合わせ、さら
に参照光に対して被測定光に遅延時間 Tを与える この場合、前記の光を分光器で計測した場合に検
O
E
o
(
t
)
+
E
(
t
)
}のフーリエ変換 3
{
E
o(
t
)
+E
(
t
)
}の強度として
出される信号S仰 は 、 合 成 電 場 {
s
(
ω
)= 1~{Eo (
t
)
+E
(
t)~2
二
1
3
{
e
()exp[-j
ωd+e
()exp[-j
ωt
(-r)J~2
ot
ot
I
E
o
(
ω)
+
E
(
ω)
e
x
p
[
jωτ]2
(
3
5
4
)
={
E
o
(
ω)
+
E
(
ω)叫 [
j
m
r
]
}x{
E
o(
ω)
+
E
(
ω)expum
r
]
)
{
E
o
(
ω)
+
E
(
ω)閃 b
mr]}xド
ル)+E*(uJ)叫[-jmr}
J
=I
E
o
(
イ+
I
E
(
イ +Eo(ω)
E
*
(
ω)叫
[-juJr
J+E
o
*(
ω)
E
(
ω)expumT]
ニ
事
・
二
と表される (
3
・5
4
)式において第3項と第4項とは複素共役の関係にあるため、その和は実部の 2倍とな
0
る。そこで、 E.o (Íω~E (Íω~expüωrJ の実部をRe{Eo(Íω~E (w)expüωr:J) 、さらにf(ω~= Eo(Íω~E I
(
印j
とおくと
054)式は
・
m
r
s
(
ω)=IEo
(
イ +I
E
( ~2 +2R
e
{
f
(
ω
)叫 u
}
]
uJ
-7
3-
(
3
5
4
)
'
2
により表される口 (
3
5
4
)
'において I
E
o仰がおよび I
E
(
w
) は参照光および、被測定光のスペクトル成分で、
1
ある。これらは干渉系において一方の光を遮断することによって測定することがで、きる そこで、 (
3
5
4
)
O
式から各スベクトノレ成分を取り除くと (
3
5
5
)に示される干渉成分 S
(
w
)
'が得られる口
S
(
ω
)=2R
e
{
f
(
ω)
e
x
P
UuJr
}
]
=
f
(
ω
)
e
x
P
U
ω
τ
]
+{
f
(
ω)
e
x
P
UuJr
]
}
(
3・5
5
)
キ
(
3
5
5
)式において第 1項を逆フーリエ変換すると
3吋f
(
ω
)仰
Uωr]
}
=f
f
(
ω
)叫 Ur
]叫 [ -jω中ω
uJ
f
f
(
ω
)
e
x
p
[
-jωt
(r
)
炉
=f
(
t
r
)
=
(
3
5
6
)
が得られる口一方、第 2項は第 1項の共役複素関数でありフーリエ変換の関係式において
3-{
f
(
ω
)
}
=f
f
(
ω
)叫
1
(
jω市ω=f
(
t
)
J
3一1{
f
*
(
ω
)
}
= パω
)叫
(
jω中ω=f
(
t
)
(
3・5
7
)
(
3・5
8
)
が成り立つので、第 2項の逆フーリエ変換は
3-{
{
f
(
ω
)仰
1
[
}
m
r
]
}
*
}
=f
(
-t τ
)
(
3・5
9
)
ー
により表される口 (
3
5
6
)および(
3
5
9
)式は複素共役の領域において波形の時間反転を意味するもので
ある。 (
3・5
5
)の逆フーリエ変換は
3-{
S
(
ω月=f
(
t
-r
)
+f
(
tー
サ
1
(
3
6
0
)
により表される口 (
36
0
)式をそのまま逆フーリエ変換したので、は再び干渉成分、すなわち実関数に戻る
同
だけで位相成分を得ることはできない口そこで、
060)式において一方の項を削除する。すなわち、 T
・
をパルス幅の数倍の値とした場合に t
<ーTの領域を 0とする口とれを実行するためには、 (
3・5
9
)式にヘビ
(
t
)を乗ずればよい。すなわち
サイド関数 0
f
(
t-r
)
=θ
(
か3
{
S
(
ω
)
}
(
3
6
1
)
一方、 :
5(f(tーザザfω~expOωり =Eo0ω~E(OJ)ω:p O・ωりであるから、求める被測定光 E(w) は
:
5{
f
(
tr
)
}叫(-jωr
)
E
(
ω
)
=
パω)
E
:
5[
0
(
t
)
x3
{
S
(
ω
)
}
]巳x
p
(
-jω
τ
)
(
3・6
2
)
E
o
*
(
ω
)
により表される口 Eo
t
{
ωjは参照光の電場関数で、あり、 s
t
{
ωjは干渉系により得られた干渉成分であるため、
(
3
6
2
)式を用いて被測定光の電場開数を得ることができる口ただし、参照光の位相が不明であるため、
得られる位相は参照光の位相に対する相対位相となる。尚、 r>Tとなるように τを選択すると舟偏りおよ
び 斤t
-りが重ならないようになる口
-74-
3
<3.4すADPOLξ
aP
昌I
rOf
E震e
lぜ
ヌ…ジ二 E
ずP
{
干
しi
滋1
1，
'
1
、r ス
τADPOLE
t
.
-
ム
:
，
グ){
¥
'
c
H
;
災
;
こ
、 τADPひLE
のた L
委主しが;がと、淡 J総数泌総議後ダそノ、ルフ;，.( 、 A良 ニ ト 、万五三きされ z三
;
多
手c
:
; 11れ 烈
ω
之 7~^
3
伊
子}、
、
一
予
、
一
ヘ
)
，
)
レ
ふ
GrassP
l
a
t
e
GrassP
l
a
t
e
(
A
f
竜
一
F
そ
eference
ベタト
フリ
子
7
5
ω
1
)こじ去による主導波数フィ J
!
.
-告
3
<
3
<
5 主
主
主
義
フ
ら
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，
J
}
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ごに、!さ:3
2
5
、て肢をええ F
}
;
~\寸 τ →
品川ノ l
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(
a
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リレス
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:
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(
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) 、ラン:ス
仰
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:
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，
，
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1
.
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J
ヲ
，
(
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)
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j
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J
ノ〆 J
ノ ヘふ
r
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;
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.
1
:、
，
2ハn 、
村弘
HV
わ
)
、りじこ才:)v
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i
m
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l
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ふ
Algorism
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，
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レ
f
争
!
j
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l
I
i
i
)
"}~ス燃え:皮.if)
守
霊
童
主
主
主
蓋 :;>-1)
よる j
濁;皮霊堂フィ J
L-l1-(})作成寺三1
)
箆
，
76-
3
.
3.
6 波形整形器によるパルス列整形、ならびに TADPOLEによる評価
波形整 J~骨itの動作確認、と TADPOLEの性能評価を兼ねて 、 フェムト秒光パノレスに対してサイン
変調を行い. TADPOLEを用いて整形された光ノ勺レスを評価した。まず、 FROGにより参照光を
計測した。同時に、光スヘクトラムアナライザと自己相関器によってそのスペク卜ノレおよびパ
ノレス波形をま.
l
i
J
l
J
lし
、 FROGによる解析結果と対比する ことで FROG計測の正当性を評価した。図
3
・2
6(a)は光スベクトラムアナライザで測定した参照光のスベクトノレ波形、 (
b
)は白己相関波形 、
(
c
)は FROGにより取引されたデー夕 、 (
d
)および(
e
)は FROGデー タの解析結果である。 スベク ト
の正当性が縦おされた。
ノ
レ波形およびパノレス幅ともよく一致していることから、 FROG計測l
d
T=95f
s
ハ
/
¥
(コ伺
}h
t
ω
c
ω 芭-
，
i
a
伺
;
>
.0
.
6
υ
0.
4
.
!
:0.
2
n
U
0.
0
748 758 768 778 798 808
叩
n u n u n u n u n u ハU
コ 0.
8
)
864202
1.
0
1
.0
5
0
0
0
500
1000
TimeDelay(
1
5)
Wavelength(
nm)
(
b
)自己相関波形
(
a)スペ クト ル波形
2
378
_0.8
1宣 言 0.
8
コ
立国
旦 0.
6
"
6
.
.三 0.
土
gD4
TimeDelay(
1
5
)
ROG測定デーヲ
(
c)F
一
02304
u
.c
C
1
5
0
07
5
0 0 750 1
5
0
0
04
1
.
0
0.
2
0.
2
1
0
.
0
748 763 778 793 808
W.velength(nm)
(
d)F
ROG解析デ-$l
0
.
0
2
0
0
400 -
0
ミ
jilt
(EC)
王
国 EωE﹀ 郎 主
26048
B8999
33333
1
.
0
2
200 400
T~lTle. C!~I.~YJI5)
(
e
)F
ROG解析ァ一世
図3
2
6 参照光の計 j~IJ 結果
次に、サイン変調が施された光ノ勺レスを TADPOLEにより計測した結果を凶 3・27に示す。(
a
)
)
1測において他 }
jの光路を遮断することで参照光および変調光を単独で計
および(
b)
は
、 FTSI ;
測した場合のスベクトノレである。所l
記スペクトノレを (
c
)に示される干渉スベクトノレから差し引く
レ を解析した FTSI に
ことによって、 (
d
)に示す干渉成分だけが抽出される。 この干渉スベクト ノ
よる結果が(
e
)であり、その位相成分が波形整形総に入力された周 波数 フィノレタ (
g
)とよ く一致し
ており、構築した波形後形器が正常に動作していることも確認された。FTSIによる観測結果か
ら FROGにより計測された参照光の位相を廷し引いた結果がの であり 、TADPOLEを用いるこ
i1体では言￨測が困難であった複雑な位相変調を計測て噴きることが線認された。
とで FROG1
ー77.
0
<
2
0
<
0
与8
7
5
6 766 178 7
8
6 798 8
0
8 148 1
泌総v
e
l
e
の
官
役
、
急0
8
(
n
開}
0
<
0
7
輔
7鵠
768 7
7
8 788 798 8
鵠
験勉鴻樹事t
h(nm)
翠
{)
1
撃波数フィ
語
頭
よ
-7告
白
i
v
タ
7
5
8 768 778 7
8
87
9
8
ゆおV告婚約留t
h(m時
(
c
)
干渉λベクト iレ
x
.
7ト
ド
る
?
長
i
ヱ
む
母
-7
望
も
、
1
.
6
1
.
2
3.
4.
3
仕方;
γ〉〆プ
シスラム1.']
レ
T
[
ゃ…-J.:::.ソ
戸、~\
、
、
、ンスァ九¥ゴ 7
(1"
ω
8
0
J
-~'\i
」
、
、 //j
、~.
i
ラ
Jい
3.
4
.
4
、
っ
と
ご
ア
ニ
乙
合;
し
3
3
1
2
0
CCD
わ
綱
8
1-
フェム卜秒光パルスに刈 して、サイン変調および矩形変調を行うと、そのビート成分としてパルス列を
生成することができる。同 331;および凶 3-32l
-t、それぞれサイン変調光を TADPOLEで計測した結
果 、そして矩形変調光を TADPOLEで計測した結果であるこれらの結果より、波形整形援により設計
通りの変 調が加えられ、矩形変調の場合にはダプノレパノレスが、そしてサイン変調の場合にはさらに多
いハノレス列が生成されていることが線認された。
i
(
b
)
5
4
101(a)
101(
c)
_08
旦
コ 06
o
b
E
a 4
c
旦
コ 0.
6
2
E
c
テ0
.4
E1
。
0
.
2
0.
0
765
_ 0.
8
れ
官3
790
815
840
865 1
76
」5
7田
81
5
840
865 5
0
0
o
250
50
1
円me(
f
s
)
TADPOLEによるサイン変調波形整形光パルスの測定結果
10
1(
a)
101(c)
_08
08
~A
コ
旦 0.
6
ず
)2
0.
6
『
1
三
E
ω
c
?04
J
UU
0.
2
0.
0
765
25
0
帆l
a
vel
engt
h(
nm)
山l
a
v
el
eng
t
h(
nm)
図 3-31
0
.
2
。
。
790
81
5
840
帆抱v
elengt
h(
nm)
図 3-32
865 ー1
7
6
」5
790
81
5
840
川畑 v
e
l
e
n
g
l
h(
nm)
04
02
865
J
.
-A
JL
.f
0.
0h 人
500
2
5
0
手
o
250
50'
1
円me(
色}
TADPOLEによる矩形変調波形整形光パルスの測定結果
非 変調 光 、 ならひ'に 上記パノレスダ IJ を用いて )JD 工を行った結果を因 子 33 に I"j~ -y D 比較のために、パ
ノレス列以外に、長さが
25cmの sK7ガラスに相当するチャーブ、を与えた光バノレスによる加 工結果、な
らびに変調をかけずに強度だけを低減した光パルスよる加工私一巣を併記する。/
，から(
a)
波形を:¥i
I
Ji~~
しない場合
、(
b
)1
文I3-3 1 に示ナサイン変調を加えた場合、 (c)凶 3-32 にボす tfU~ 変 調 を)J日えた場合、
(
d) 長さが 25cI
1
1の sK7ガラスに机l
、
'
i
するチャープをりえた場合、 (e) 変調をかけずに強度だけを低
減した場合の J
I
I
士結果て拘あるこれより 、サイン変調を加えることにより加 1
4j
誌が大幅に改善されること
が確認された。
さらに、波 }r~整形により加 1
r
，
'
(
、J
J
I
IT:状態が改善された要凶を検討するために、偏光光学測定法を
周~ ，
;
亡(
a
)波形を i
J
i
J
街l
しない場合、 (
b
)ザイン変調を加えた場合、 (
c
)矩形変調を加えた場合の力1工部
分周辺を観 測したロ測定結果を凶 3・34に示す。図 3-34よ
り，位相変調を全く I
J
I
Jえない状況では加 1
.
1
官周辺の広範囲にわたってひずみ(締皮が高い部分)がノ￨
ーじていることが明らかになた内これに対し
て、波形整形光ノ勺レスを用いた場合には、周辺部の変質は観測されず、波形を整形することにより加l
8
2
工状態が改持されることが併'I ~ i
1
，
?
3
、
さ
れ
た。
~100~m
TopV
iew
5mm
iew
SideV
l
K
!
射l
昨
日
l
J2
0i
i
(
a
)
300mW
(
b
)
(
c
)
(
d
)
173mW
(
e
)
図3
-3
3 波形整形光パルスによるアクリル加工結果
図 3
-34 偏 光 光 学 ;
s
l
j定 j
去による加工部計測結果
力IIL::;~周辺の変質 i士 、 Jm 1時に発生した熱が要因であると推測される。すなわち 、位相変調を全く
行わなし、状態では、光パノ
レス照射時の加工丑が大きいために 、生成されたカ1
1
工J
i
が外部に排 1
1
¥され
ないこれらの加工片は、加工部周辺に付着し、レーザー光、あるいは散乱光を吸収して熱を発生す
る。また、力Il 1片が外部に排出されないために、
J
m仁白体が進展しないと考えられる。 方、波形整
形された光パノレスの場合には、パルス列とすることで 1
パノレスあたりの I
J
I
J
T盈が少ないために、 1
J
Uて 片
が外部に排出されやすく、結果として熱が発生せず、 J
J
I
I工量、力1工状態が共に改善されたと考えられ
る。矩形変調(
ダブノレハノレス)
の場合より、サイン変調(
マノレチパノレス列)
のj
晶子干に加 LI
立が多いことも同
憾な要因だと考えられる。
-8
3-
3
.
5
.高耐光型小型波形整形器の開発
3.
5.
1 はじめに
これ主でに開発を進めてきた波形整形総では、 2対の回折絡子と[11
1
商鏡が川いられていたた
めに、被変調光の波長帯域が光学系!，'If築時の波長 l
i
?岐に限定される。すなわち、ー 1
1
榊築した
波形盤形泌を、光学系構築時の波長引域とは異なる波長椛域でもIi用する場介には、人射fJ制の回
折絡千と 1
1
¥射側の l
u
l折絡
rとを再調盤する必裂がある c i
占巣として、
i
!Ji形幣形総を合めた光乍
系企体を E淵i
韮 jる必要があるために、光学系の再現性に乏しいという欠点を令ーしていた特に、
広併域波長 n
J
変刊を有する T
i:
S
a
p
p
h
i
r
eレーザーを用いる場合に!士、レーザーの発仮波 I
止を i
l
i
l
J
j
卸
することが頻繁にあるため、波長を変える度に光守系全般を再調整する
HiiJがユーザーの負 j
R
を t皆川 l させる要閃となる。主た、波Jr~整形;伐の光学系そのものが大僚かりとなるために、使用
I
J
l
i
l
r
lが限られた光学台 ￨
てで実験を行う場合に、波形教形認が光学 f
?の大音1
¥
分を，J;告するといっ
た￨品￨組が生じる。そこで、光 7
:
.系の '
f)現性向￨ と共に、波形整形4
f
i
tが占有する節般の低減を目
操作性:こ優れた小型波 )
f
j1
f
tJf
J~i{を開発した
的と して 、J
3.
5.
2 高効率小型波形整形器の開発
開発した O
f
t
i
le
，タイプ
2
8
)の小河!?山形検形探の構成を閃
3
3
5に、概観医￨を 1
:
<
133
6I
ニ
J、す回 J
J
i絡
列こ l
士
、1
日本放 1
2
0
0，
}
:/
mmの金主主右ホログラブイツク回折格子 (
Spe
c
t
r
ogo
n)
をJllいたこれまでの波
r
t
1
杉4
藍J
杉 で!士、特定波 J
Xで最大田折効中が得られるプレーズド l
ul
折絡子が用いられてきたが、近年
における回折格子の製造技術の l
向上に伴ってホログラフィック凶折栴
fでも高い回折効ギが得られる
ようになったためである。さらに、プレースド凶折係(~士人射光の波長がプレーズド波長から外れると
いl 折効 ~h\ 色、激に低卜するが、ホログ‘ラフィック回折格子の場合には広範囲の波長域にわたって高
い lul 折効率が維持されるその結巣、ホログラフイッタ阿折絡子を用いることによ って、 波形悠Jf;~自
体も広帯域化されることになる また、凹面鏡に I
J
:r
l
bホ半径 500mmの広帯J
或誘電(
本多凶眼鏡をJ+Iい
3
た。 νト 問 光 変 調 探 に は 1
正=米品(浜松ホトニクス ，X7550、 有 効 領 域 :
20
1
1
1
1
1
1x2
0mm、1財点
0
(
H)
x480(v)
lよりも画素数が i
怜))日した光アドレス押J
宅問光変調器(浜松ホトニクス， X8
2
6
7、合効
数 48
符j
)
或 2
0mmx20mn
】
、同素数 7
68
(H)
x7
68
(
V
))
を用いることにより、波形整形探の解像度向上を凶った。
さらに、変，.阿部の分光 }j向関口前i
を2
3I
T
I
mとすることにより、 8
83
(
H
)x
768
(
V
)p
ixe
lのl
f
f
i
j
，
+
J
数による制
御を可能とした 3
本構成では、回折格子により分光された被変訓光が、問面鏡によって凶折絡(
，1音1
¥
に配怖さ
れた卒間光変調器に結像される
3
この際、空間光変調探に約 l
。の角度て許射入射させることによ
り、人射光と被変調光とが波形整}~(.f}人射部において空間的に分離される
この部分にミラー
を配置することで、波形整形された光を入射 )
j
f
b
Jとは異なる }j向に抜き 1
1¥すことが υ
[能となる。
I
，
o
叶品成て"
I
i、被変調光の波長が変えられた場合にはい￨
折栴 fを回転させるだけで光学系が再
射される
また、 1枚の同折絡チと￨川 l
世i
鋭とが川いられるために、コスト削減の矧以からも有
効である
さらに、
1'1白 i から見て人射光と被変調との光軸が重なる術 iさであるため、波形盤)~
-8
4-
器が光学台に占める面積が大幅に低減されるとし、う特徴を有する (
幅 8c
mx
6c
mx
高さ 2
3
長さ 4
。また、波形整形器のスノレープット(入射光に対する出射光の比率)も 68%という高効率
c
m)
化も実現された。さらに、従来と同様に高強度レーザー用に開発された、高耐光性光アドレス
型空間光変調器が用いられているため、フェムト秒再生地幅光パルスを直接制御することも可
能である。
C
y
l
i
n
d
r
i
c
a
lM
i
r
r
o
r
匿豆豆函
G
r
a
t
i
n
g
図3
35 高効率小型波形整形器の情成
・・
;
圃
∞
:・
マヨIII~Z".4è
L-SLM ・E竺竺R亡ーーで置互に一一一~
i
m-
2a
uH
n.
G
園
2
川園
g
ne
一
奇麗醤藍
品
開 協とー
C
y
l
i
n
図3
36 高効率小型波形整形器の概観図
-8
5-
3
.
6
.適応型光パルス反応制御装置の開発
3.
6
.
1 はじめに
強い電場強度を有するフェムト秒光ノりレスを胤いることによって、光と物質との相互作用を制御する
ことが可能となる。l
tf:米は、レーザ一光の点強度化、あるいは鰐ハノレス化としづアプローチからその相
互作用を制御する試みがなされてきた。しかし、レーザーから出力される時間波形が常に最適な条件
になるとは限らないため、近年でiJ:ハノレス波形を制御することによってさらに反応効率を向上させる研
究が進められている。一方で、フェムト秒レーザーを
mいた反応系では、相互作}↓Jを制御する上での
'
1
体が多くの場合には脱知でなし、ことがその応用範開を限定してし、ることも事実て あ
最適ハノレス波形 1
a
る。多くの物質系における光と物質の相 h作用がブラックボックス的でーあるため、段通ノ fノレス波形を解
析的に弾くことが凶難である反比、系も数多し この様な場合、反応効率を 1
M術l
信りとして、この杭号ーを
波形整形認にフィードパックする￨羽ノレープiI
)
I
J御系を十
再築することにより、最適ノカレス波形を自動的に
生成する手法が合効となる。本研究では、この概念に基づいた反応制御装置を開発すると共に、
f
J
，々な反応 :
Mi
i
l
.
l
系に適用することでその効果を実証した
3.
6
.
2.適応型光パルス反応制御装置の概要
図3
3
7~こ、本研究で樹発した反応制御装置の概念、を，)、す反応効+~を指傑他と し てその値が榊!Jn
するように)'(;ハノレスを i
菌応させることから、この装 i
針を適応押J光ハノレス反応制御l
装 置 (RE
a
c
t
ion
Co
n
t
r
o
les
y
st
em us
i
ngA
d
a
p
t
iveP
u
ls
eSyn
t
h
es
y
s，
RECAPS)と
，
'
1付けた適応烈光ノミノレス反応制御装
柑では、波形燃形訴により 1
T
:
;
o
、の位相変調が施された光ノ fノレスを物質に照射し、その反 I
L
、効率をノI
、
を更新するここまでが
[
?
?
回
す信号を検出する。検出された信号強度の地減に基ついて波形整形'*にぷ示される位相フィルター
速の燥作となり、信り強度がある設定値を上回る主て叶 i
j
記偽作を繰り返す s
で
;
:
ご
。
叶
。
説
日
I
t
e
r
r
a
t
i
o
n#
SignalExecution
図3
3
7 適応型光パルス反応制御装置の概念図
ただし、信号強度が地力fIした場合のフィノレターを採以し、f
;=，;号強度が低下した場合のフィノレターは
採択しないとしづ線形アノレゴリズムでは、品終的に生成される位相 l
フィルターがんj
所解に陥り易いため、
S.A法や、 G Ai
l
，等を矧いて最適解が導 1
1
¥
されるように工夫がなされている。本研究では、最も併i
{
更
な下法である S.A.
i
:
土を用いて反比、 H
;
I
J
術l
を試みた S.
A.
i:去の概念について以下に述べる
86
本研究で用いた
S
.
A法の手順を、 I
X
!
3
・
3
8に示すブローチャートに従って述べる
(
1
)初期設定 初期編度、温度減衰比 Ra
ti
o、位相フィルター位相分解能(散大 2
π1
255)、データ数
2
ch)
を任意の値に設定する。温度の初期怖が I目"、
と 似 *まで
(位相フィノレター分解数、結大 51
にH
引制がかかる。また、 l
i
l
l
L
度減京比が小さし、と収束に時間がかかるが、逆に大きし、と q
)iJkが速主
る}
)
(
:
I自IS
.
A法のメリットが訴かされないために局所解に陥りやすくなる。
(
2
)評価関数の初期値取得 汗価 関数となる日号強度の初期値 Voi'J&科するこれ以降のルーチン
では、この評価関数が大きくなるように変調パターンを制御する。
(
3
) 位相フィルヲ一作成 ・表 示
l
chの位相変調並を縫ヰ r
andom(
2
)
で、+2
1
l
i1
6もしくは・
2
1
l
i1
6変 化
させる。
(
4)評価関数取得 評価関数となる信号強度を取得し、これを V，
とする。
く V，の場合は、無条判ー
(
5
)評価関数比較 Vo
で'
(
3
)における位相 フイノレターを採用する。 VI)>V，であ
っても、確率 c
x
p{
ー
(v
，，v，
)
r
r
}く r
a
ndom(
X
)
/
Xで
、(
3
)における位相 l
フィルターを採用する。ある催
中で
mmすることによって 、局所解からの脱出が凶られる。
(
6)1
針目フィルターの他のチャンネルに対しても(
3
)一(
5
)を繰り返す。
(
7
)(
均一 (
6
)終 (j
去に 1
昆度を T=TxRa
t
i
oに￨ごげる r
鼠度 Tを トl
ずることによって (
5
)'
こおける隊中が小さ
くなるために、汗価関数が小さくなった場合の採用頻度が減少する o
(
8
)(
3
)一 (
7
)を所定回数、もしくは評側関数が最終日標値に述するまで行う。
i
/
.
村l
フィルターが生成される
以上の行程により、評価関欽(信号強度)が大きくなり 、最適な f
守 臨 時 比 一 デ一台数)
「→
( 信号強 度 取 込 棚 側 、
( 信号強度取込 (
V，
)
Vo>V
l
，
位相フィルタ不採用
VO
<V
or
e
xp{
(
V
cV，
)
/
T
)<r
andom(
x
)
!
x
司
O
立相
フ ィ レタ採用￨
l
-
」ー〈温長下町=而~
1 ~設定チャンネル数
間 l
ζ達した場合
or
が設定値に達した場合
Vl
終了
図3
3
8 本研究での S
.
A
.去のフローチ ャート
8
7-
3
.
6
.
3 適応型光パルス反応制御装置の応用
適応型光パノレス反応市1
)
御装置の効果を解析的に検証ナるために、フェムト秒光ハノレスがガラスブ、ロ
ックや光ファイバーを伝術する際に生じる波長分散を自動的に秘的する制御をわった。前 J
己実験[立
線形分散を補正するものであるが、 JI' 車~形効果によって斗.じる波長分散に対しても有効であることを
実託サるために、非同軸光ハラメトリック用慨探 (No
nc
o
l
l
i
n
e
a
rO
p
t
i
c
a
lP
a
r
a
m
e
t
r
i
cA
m
p
l
i
f
lc
r
，
NOPA)におし、て発生する波長分散の '
l
1
'flh補償を行った。
いずれの実験においても、 Lノステム l
こ1
'1:制御対象に関ナる先見情械を持たせないため、1'1
助制御
による地適化が区陥れれば、適応司'1 光ノリレスj又比、制御装 tt~'l~ の有効性が実証されることになる。 これに
よって、復雑な過程に伴う J
.x此.を制御する場合にも、その過程をJ'
1
1
諭的に解析することなく白動的に
最適なハノレス波形が得られる有効な手段となることを実証することを目的とした u
3
.
6
.
3
.
1 波長分散補正
フェムト秒光ノ Vレスは、レンズやフィルター等、光学系に配向された様々な光γ
'ぷ子をイム掃する際
に波長分散が生じる。特に、 l白l強度アェムト秒レーザーを，EH，、る場合には、線形分散に加えて非線形
分散が中じるために、試料 l直前において最適なハノレス波形が得られ t~ くなる 。 例えば、ガラスセノレ内
に作人された試料 l
こフェムト秒レーザーを集光する場合には、ガラスセノレ内を光が集光される状態で
伝揺するため、非線形効果をイl'ってハノレス波形が盃む。そのために、トランスフ tーム限界な光ハノレ
スを J
I
)し、ていても、実際に試料に照射される光パノレスの波Jr~1 t
トランメフォーム限界とはならないため
に、計 i~l) 結果の定量的評価の妨げとなる。 あるいは、ガラス内部 JJn 工を iiう場合においては、ガラス内
部の J
Iド仁位置を変えるごとにパルス波形が変化するために、加工{立凶での光密度が変化する。これ
に伴い最適な加 1
1状態が得られなくなるため、加工品質や加工精度を悪化させる喫凶となるこの様
u
な場介、波形盤1
形器を用いて光学系人射前のハノレス波 J
f
Jを制御する τ
Fで、 ミ光点において常に最
適なパノレス波形を得ることが可能となる ，ただし、 L、ずれの場合におしても光ノ、ノレスが受ける波長分
散を解析的に求めることが悶難であるため、適応型光パノレス反応 :
M御装置を用いることによって 自動
的に最適なパノレス波形を得ることが "J能となる。 以下では、適応 ~l 光パノレス以応制御装 ír~ によって波
長分散を自動的に補正できることを検証するために、第 一一尚調波をJ
旨傑 1
1
1
¥
.として、その強度を 1
'
1
動的
に J~JJI I させる(すなわちパルス幅を圧縮する)実験について詳細を述べる。
凶 3・3 9 に適応烈光ノ、ノレス反応市1) 御装 m を刷いた JXJ，む市IJí却のための構成をポ寸。 i皮形幣形~~によ
り変調された )
tハノレスは 、長さ 25cI
1
1の sK7ガラスにより波長分散がりえられた後に、レンスによって
SHG 結晶 (
880)に集光され、第一 l向調波を発生させる。その後、色ガラスフィノレターによって第一昨i
調波だけを抜き出し、これを光電子 J
'
i
H
官
官
，(
PMT)により観測する。PMTの 1
1¥カ電圧をコンヒュークー
(
PC)
に取り込み、その信り強度が附加 (
=BK7 ガラスで生じた波長分散を補償)するようにフィードパ
ック制御を行う位相フィルター {
十成のためのアノレゴリズムとして S.
^法を用いたゆ肉 牛4
0および凶
4
4
1I
、
よ FROGにより 目l
く7ガラス伝橋 l
i
:
jの光ノリレスならびにイム矯後の光ノカレスを評価した結果である
BK7ガラスによって与えられた分散によってハノレス幅が 9
1f
sから 278.
r
.にまで!ム:ずられた
-88-
S H GCrystal
(BBO)
叶
Femtosecond
Laser
Lens
F
i
l
t
e
r
図3-39 波長分散自動補正のための制御システム概念図
mmMU
。 ，
﹃
ω
c
:04
H
叫
740 760 780 800 820 840
Wavel
e
n
g
t
h(
nm)
(
a
)スベヲ
卜 lレ波 形
¥
ー
ゆ
J
4
0
.
0
ト
﹂
∞
ω
.
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.
2
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5
-
(ヨ
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，
.
，0.
6
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5
1.
0
貝
uauAMY う4nuw d
内 q
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﹁
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G
υ
A
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唱・7ehb
(
コ0.
8
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M
‘
A‘
AV
1
.0
(
ー2
50
0
250
f
5
)
T
imeDelay(
500
(
b
)自己相関波形
1
.0
a
1
0
。
。
405
.J
L.
1
1
2
0.
0
1
400 0 400 800
800 760770 780790800 810820
f
s
)
T
imeDelay(
陥 v
e
l
e
n
g
t
川 nm)
(
c
)FROG測定デーヲ
(
d)FROG解析デ一世
苧
的閉
山崎￡
一。
4
0.
2
)
ω
嶋
C
←
υ
i
D4
{ 引 隔地﹄
b
B642
旦 06
n u m h u A m寸 内
3
0000
_0
.
8
1
.0
(コ旦 b-mEEC-
(宮 巴)@伯
m
w
m
z
a
44se
nuRdnV
990
(EC)玉目立皇宮m﹀﹀
ququA
。
2
385
2
500 一250
0
250 500
TimeD
e
l
a
y(
f
5
)
(
e
)FROG解 析 デ 世
図 3-40 分散媒質伝矯前の光パルス計測結果
10
D
0
.
0
5
0
02
5
0
図3
4
1 分散媒質伝婚後の光パルス計測結果
-89-
0
2
250 5
0
0
I!.':'''-I?!:'!~yJfs)
(
c
)F
ROG解 析ァ 告
F
a
-
1
0
r
、ー 1-12
405
001
00
800 400 0 400 8
760770 780790800 81
0820
f
5
)
T
imeDelay(
帆信州:'~~.!':J n~)
(
a
)F
ROG測 定 デ 一 世
(
b
)F
ROG解析ァ一世
悶﹄)
@
ω 偲伺
U
内
0.
2
(RU
8642
42
nunUAU
86
i
04
z
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)
ω
ωm
￡
h
{℃悶﹄
_ 0.
8
コ
ε0.6
1.
0
(コ旦主 ωc虫玉
4468
05D
ngn3nU
3
34
{EC
)五
回 CωE﹀伺主
。
2
385
L
J
I
己光ノリレスに対して自動制御会行った場合の PMTI
I
:
)
J'，u圧の変化を「バ(13
4
2に示す。 S.
Ai
.
tの
特徴として、制御開始直後は位相 フィノレタ ーがランダムに展開されるために PMTI
I
:力電圧が低
下するが、その後制度Tの低 卜に伴って PMTI
L:力電圧が附加し、』泣終t'l
0
に
達する
A
定値(段適値)に
試行回数が 2 00 1~1 に i主した際の{立相プイノレタ ー を凶 3-43 に不す。 比較のために、長さ
25cmの BK7ガラスの波長分散(符号反転)を併記した。作成された枕相プイノレタ ーはBK7ガラ
スによって勺えられた波長分散(図中点線)とよく 一致し、これより先見情報を勺えられてい
ないにも関わらず適応烈光ハノレス以応制御装置が 、与えられた波長分散を補正する位相フイノレタ
ーを 1
'
1
動的に竹成したことが確d、された。尚、作成された位杵l
フィノレターのヒータと理 論仰のヒ ークが
一致していないのは搬送周波数が異なるためで、時間鋭校では時間的なシブトを意味するものであり、
波)~そのものに影響はないゆ 最後に、前記位相フィノレターが施された光ノ、ノレスを FROG で計測し
た結巣を閃 3
4
41
こ示すc この結果からも、守えられた波長分散が 1
'
1
;
日
1
)
1
'
1
0に補正されていること
が靴認、され 、 適応型光ノミノレス反応制御装 t~l: が合会内に機能していることが官-n:，;恋された。
6
AU7内ぺU内
四
日一
(
﹀) O町
2a
口﹀ ト
5
4
﹄
4
ハ UハU
5
0
100
I
t
e
r
r
a
ti
on#
1
5
0
2
0
0
図3
4
2 自動制御実行時の P
M
T出力電圧の変化
B
(百周﹂
A斗
ωの
m
w
z
a
2
0
7
6
0
7
7
0
7
8
0
790
8
0
0
Wavelength(nm)
8
2
0
8
4
0
図3
4
3 自動制御により作成された位相フィルヲー
9
0
3
8
5
2
c
0
.
2
1
0
1
0
.
0
.
.
1
1
2
4
0
5
40
0 0 4
0
0 8
0
0 7
8
0
06
07
7
07807908
0
08
1
0
8
2
0
T
I
m
eD
e
l
a
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f
s
)
V
V
av
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l
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m
)
(
a
)FROG測定デ一世
(
b
)FROG解析デー骨
J
《
一
)
ω
m
m
m
F
E
E04
(百聞﹄
E
auauAM 守 内 4
3
旦0
.
6
(コ旦 E2ω 吉
一
(刀巴)
ω
ω 旬開￡色
之 466
050
990
33
4
(EC)
王
国E2
宮
旬
、5
_0.8
11
2
1
0
I
lT; 8
8f51
1
.
0
8642
0000
。
1
.
0
0
・
2
(
C
J
A
5
2官l
斜
里
)
亨
5
0
0
図3
-44 自動制御後の光パルス測定結果
3
.
6
.
3
.
2 マルチモードファイパーを用いたフエム卜秒光パルスの長距離伝送
近年、アェム卜秒レーザーは物性評価等の基礎研究分貯のみならず、顕微応用、ガラス力1
1工等の
j;'f<々な作業分野においても用いられるようになった ところが、フェムト秒レーザーは光学素子の波長
q
分散を受けて時間波形が$むとし、う問題が生じるために、伝送手段として光ファイパーを件Jt-、ることが
できず、ÌIf!常は ~I~j を伝送させていた。
ノらで、プェムト秒レーザーの利便性を向上させるために、フ
ァイハー伝送の要求が高まっている。非線形'
t
l
:
がノドじない限度の光強度で、さらにファイノくー伝活時
(
1
/
.tH分散だけであれば、 2
.
2
.
3項で述べたい￨折絡子対を用いてその分散を相
に生じる波長分散が 2次
殺することも可能である しかし、長距離の光ファイパーを別し、る場合には回折絡 f対では補償できな
1
い出I
!
'
火の分散が時間波形を 1LHt
る要凶となる。さらに、ファイノくー内部で非線形脱象が生じる場合
にl
士、波長分散の補正 1
t
閃難を傾めることとなる 本研究では、適応押J 光ノ fノレス反応 il11J 御装 lL~~ を用い
てこれらの校長分散を自動補正することで、フェムト秒光ノミ/レスの長距雌伝送を可能とした
3
1
L詳細を
以下に示す。
フェム卜秒光ノ V レメの長距離ファイパー伝送のための h
完成を￨苅 3
45
に示す。レーザーには、ハノレス
幅 30f
_、中心波長 81
0
1
1
1
1
1、繰返し周波数 8
2MH，
のT
i
:
s
a
p
p
h
i
r
eレーザーを外l
し
、
たc H
I
j
c
l
l
己レーザー
光は、波形幣形 2
i
tを伝帰した後に回折格子対によって波長分散 (2次作相分散)が与えられる。この
際、後段の光プアイバーおよびガラスプロックの令ナる 2次位相分散が t
l
ーち泊されるように [
w
j折柿千対
の間隔を調整した光ブァイバーにはコア径 50
μ川、長さが 96
1
1
1のステップ・
インテ'ックス型'
"レチモ
こT
F
5ガラスブロッ夕、2を}
H
¥
-、たのは、再生 1
'
1
1
悩プェムト秒光ハノレス
ードブアイノ、一会川いたο 最終段 l
!:l射端面の{
i
l
'
i
綴を避けるためて。ある
を伝送させる場合に光ファイパー j
/
:ニ
1 1
.
7
3
6
5
5，dl
1
/
dλ
士
ー0
.
0
5
0
9
37
6
.d2 n/d).2~ 0
.
1
8
0
2
4‘d
1
.
ガラスプロックには、材質がTF5(
n
d)
で
￨1
3
4
6
1こ示すように、 )
'
tはガラスブロック内を 1
8
，
)
、 長さが 10cmのものを H
Jし、た 耳
0
.
9
8
7
6
8
3a
t81
0n
n
i
J
J
x.とすることで、小型でありながらも波
凶イム橋伝t吊した後に、自己~'i"1 民:J~" へと導光される この様なI，Y
i
士分散を泊やす二とが可能となるため、ファイパー出射端でのパノレス中品をJ
ム;げることが可能となる す
l
なわち、光ファイバー山射訓 l
耐の磁波を ￨
μ
l避することがI-J
J
I
i
E
:
と
な
る。
-91-
M
u
l
ti
-ModeF
i
b
e
r
G
r
a
t
i
n
g
S
t
r
e
a
t
c
h
e
r
P
u
l
s
eShaper
PC
図3
4
5 長距離光ファイパー伝送時の分散自動補正の概念図
Object_
Lens
(
x
1
0
)
D
i
e
l
e
c
t
r
i
c
M
i
r
r
o
r
TF5Glass
(18pass)
図3
4
6 ガラスブロック伝播光学系
1
.
2
Aτ
=370f
s
1
.
0
言0.
8
m
三0.6
~04
ω
吉
0.
2
0
.
0
0.
2
-2000
1
0
0
0
0
1000
2000
TimeDelay(
f
s
)
図3
4
7 ガラスブロック伝矯後の光パルスの自己相関波形
次に、自己相関器の捜引を SHG強度が最大となる位慣に同定し、 PMTで観測された SHG強度を指
-92-
標値としてフィードパック制御を行った口パルスストレッチャーにより波長分散が与えられた光ノミノレスを
光オシロスコープ(浜松ホトニクス、 008-01)で計測した結果、ファイバー入射前の段階で、パルス幅が
30白から 3
8
2psに伸延されていることが確認された口その後、前記光ノ.::..;レスが光ファイバーおよびガラ
スブロックを伝播することで回折格子対の 2次位相分散と光ファイバーおよび、ガラスブロックの 2次位相
分散とが相殺される。この点を確認するために、ガラスブロック伝播後の光ノ勺レスを自己相関器で計
測した結果を図 3
4
7に示す口
パルス幅が最短になるように回折格子対を調整したにもかかわらず、パルス幅は 3
70色にまでしか
圧縮されていなし、。また、裾の部分の広がりが顕著である。これは、光ファイバーの有する 3次位相分
散の影響と推測されるため、実測スペクトノレデータをもとに解析を行った
O
図3
4
8は波形整形器伝播後の実測スペクトルと、システムに残留する 3次位相分散である。 3次 位
相分散は 2
.
3
.
3項に述べた手法により算出した計算値である。スペクトル帯域が広いほど 3次位十日分散
が急激に増大することがわかる。
1
.
0
1
8
0
0
Aλ=39nml
0
.
8
400
2
コ
て
旦0
.
6
何
Oとユ
ω
〉、
e
o.
4
ω
UJ
何
4二
E
4
0
0且
0
.
2
同
。0
760
780
800
820
W
a
v
e
l
e
n
g
t
h(
n
m
)
840
8
0
0
860
図3
4
8 スベクトル波形およびシステムに残留する 3次位相分散
1
.
0
0
.
8
コ
旦0
.
6
z、 国主主
主
0.
4
O
C
0
.
2
0
.
0
1000
・
。
1000200030004000500060007000
T
i
m
e(
f
s
)
図3
4
9 3次位相分散を伴う光パルスの時間波形波形
上記スベクトノレをフーリエ変換すると、図 3
4
9に示す時間波形が得られる口この結果から、 3次位相
分散によってメインパルスのパルス幅が広がるばかりで、なく、メインパルスの後にサテライトパノレス列が
発生することが確認された。
-9
3-
次に、以下の手順に従って上記時間波形から自己相関波形を算出した口基本波の中心角周波数
t
)で、ある光パルスの複素電場E
d
りは (
3
6
3
)式により表される。
がω。、時間領域での位相がゆ (
El(t)=~exp[- j
{
ωo
t+仰
)
}
]
(
3
6
3
)
と表される。ただし、
1
(
t
)={
J
l
N
}exp[-j
{
uJ
o
tサ t
()
}
]
}
x{
布羽目p
[
-j
{
ωo
tサ t
()
}
]
)
*
(
3
6
4
)
I
E
lt
(~2
=
である。この光パルスを二つに分岐した後に、一方に遅延時間 τを付与した上で、共軸(コリニア)に
o
(
t
)は
再度重ね合わせたときの合成複素電場 E
E
o
(
t
)
=j
i
疋
}
巳x
p
[
-j
{
ωo
t+ 仰)}]+~11(t-r)exp[- j
{
ω。
t
(一r
)
+ゆt
(-r
)
}
]
(
36
5
)
・
と表される口したがって、
0・6
5
)式により表される合成複素電場開
Eo仰を非線形(
S
H
G
)
結晶に入射した
場合に発生する第二高調波の複素電場 E2(
t
)は
E2(
t
)={
E
o(
t)
}
2
=
{
J
l
N
}
口p
[
-j
{
ω'
o
t
+ゅ
t
()
}
]
Y
三
(
3
6
6
)
1
市x
p
[
2
j
{
ωo
'
t
+ゆt
()
}
]
1(
となる口上記複素電場を応答時間がパルス幅に比べて極めて長い検出器を用いて測定したときの出
2
(
.
りは
力信号 S
f
l
E
2(
t~ d
t
S
2(
t
)
二
(
3
6
7
)
1
+2G
(
r
)
+4Re[~ (
r)
e
x
p
(
-j
ωo
r)
]
+R
e
[
F
(
r
)巳x
p
(
-jlZTo
r
)
]
2
2
=
となる。ただし、
G
l
りは 2次の強度自己相関関数であり、
G2(
r)
=f
11(
t)11t
(-r
}
i
t
(
3
6
8
)
また、 Fj0
τ
jおよび F2仰はそれぞれ基本波および第二高調波の干渉項(相関関数)であり、それぞれの
干渉項の振幅は
~(片 J{1 1 (t)+1 1 (t ー τ)同1 t
()
E
*1t
(-r
知
(
3
6
9
)
F2
(
τ
)
=}
{
E
1
(
t
)
Y
{
E
1
*
(
tー
イd
t
二
J
E
2
{
t
)
E
2
*
(
t
r
)
d
t
(
3
7
0
)
=J
1
1(
t)
1
t
(-r
)
e
x
p
[
-2
j
{
仲)-o
(
t-r
)
}
抑
1
(
r
)
}は
と表される。 (
6・6
8
)式で示される 2次の強度自己相関関数 G2仰のフーリエ変換 :
S{
G2
園
94-
ι
い
1
3{
桁
刷
G2
(
ヤ
例
け
f
寸
附
)
}=子
，
一
，1 G2糾
巾
は
c
X
吋
(け
吋
二
LJr
=
1
(
3
7
η
1
)
3{
I
(
t)~2
となる口すなわち基本波の振幅I
仰のフーリエ変換の 2乗が求める 2次の強度自己相関関数 G2阿のス
ベクトルとなる。これより、自己相関関数は基本波の振幅I
仰のフーリエ変換の 2乗をフーリエ変換する
ことにより求められる口
以上の手順に従って、図 3
4
9に示される時間波形から自己相関波形を求めた結果が図3・50である。
図3
4
7に示される実視J
I
値と図3
5
0に示される計算値とが、中央付近の波形がよく一致し、裾が広がっ
ているとし、う点でも傾向が一致している口裾の強度が異なるのは 3次位相分散以外の影響と推測され
る口これより、ブェムト秒光ノ fノレスの長距離ファイバー伝送においては 3次位相分散を補正する必要が
あると同時に、発生する波長分散を理論的に算出することが困難で、あることも明らかとなった
O
一幽
COHC
)kAt
的
208642024
(
.
コ
巾
nU
n
u
n
u
414lnunununununU
-1000
0
1000
TimeDelay(
f
s
)
2000
5
0 3次位相分散を有する光パルスの自己相関波形計算値
図3
そとで、適応型光パルス反応制御装置を用いて 3次位相分散と未知の波長分散の自動補正を行っ
た口指標値としたPMTの強度変化を図3・5
1に示す。波形整形器で用いられている光アドレス型空間光
変調器は分光方向に8
8
3画素の分解能を有するが、フィルター作成時に全画素を更新したのでは制
御時聞が膨大になるため、段階的に分解能を増加させることにした口すなわち、第一段階では 1
6画素、
第二段階では8画素、第三段階では4画素、第四段階で、は2画素を一つの電極と見立てて制御を行っ
た。ただし、 2画素を一つの電極と見立てた場合は逆に指標値が低下したため、一連の制御の中で指
標値が最人‘となった時の位相フィルターを最適値とした 尚、分解能変更時に強度が低下するのは、
D
分解能変更と同時に温度がリセッ卜されるためである口
-9
5-
2
.
5
_2.0
〉
3
1
5
0
>1
.
←
2
I
l
.0
.
5
。
。
200
400
I
t
e
r
r
a
t
i
o
n#
600
800
図3
5
1 自動制御実行時の P
M
T出力電圧の変化
以上の制御過程において、 PMT出力電圧が最大となった時の位相フィルターを表示した場合の出
力光の自己相関波形を岡 3
5
2に示す。自動補正によって高次波長分散が補正されて、その結果パル
ス幅が 370 ぬから 164 f
sに圧縮された口入射時のパルス幅にまで、圧縮されていないのは、マルチモ
ードファイノ tー伝播中に生じた伝播モード、分散によると推測される この点について以下に補足する。
O
1
.
2
=164f
s
1
:
:
:
:
.T
1
.
0
"
;
'
08
司
町
三0.6
~0 .4
0
主0
.
2
0
.
0
聞
0
.
2
2000
回
1
0
0
0
0
・
1
0
0
0
2000
TimeDelay(
f
s
)
図3
5
2 自動制御後の自己相関波形
一般に、ステップ・インデ、ックス型の光ファイバーで、は、伝播モードがランダムになるためにフェムト秒
レーザーを伝送させることが困難とされている。これに対して、本研究で、は光ファイバー導光時に入射
光の光軸と光ファイバーの軸とを綿密に調整することにより、高次伝播モードの発生を抑制させている。
高次伝播モードが抑制されている場合には、出射光の空間モードがガウス分布に近い強度分布とな
るため、高次伝播モードの有無は光ファイバー出射光のファーフィールド、パターンを観測することによ
り明らかとなる。図 3
5
3は光ファイバー出射光のファーフィールドパターンを観測した結果で、あり、ガウ
ス分布に近い強度分布となっていることから、高次伝播モードの発生が抑制されていることが確認され
た口しかし、上記の調整を行ったとしても、マルチモード、ファイバーで、シングノレモード、伝播させることは
不可能であるため、 1次以上の低次伝播モードがパルス幅を広げる要因となる そのために、入射時
O
のパルス幅にまで圧縮されなかったと考えられる。
-96-
図3
5
3 光ファイパー出射光のファーフィールド I~ 5
1ー ン
3
.
6
.
3
.
3 波形整形による非同軸光パラメトリック増幅光のパルス圧縮
非同軸光ノ、ラメトリック府中
品 (
N
o
n
c
o
li
l
1e
a
rO
p
t
i
c
al
P
ar
am
e
tr
i
cA
m
p
l
it
i
e
r
.NOP
A)3.
"，士、角川
波数ω"
.
のポンプ光からωρω「叫 (エネノレギ一保イ
y則)を満足する角 周波数ω、のシグナノレ光 、お
よび I
f
(
周波数ω，のアイドラ光へのエネルギーの移行である 。 この場合、{在中1
1
整合条件と 運動 I
I
(
保存則とを ir~i 足させる必要があるが 、 ホンア光とングナノレ光とが向軸となる通市の t1'4 成では、
限られた波 l
'i:似械でしか位相幣合条，1
'を満足させることができなし、
そこで、ホ ンブ光とシグ
J
ナノレ光とがある
(
1
'
(i.支 α を成す 上 うな~!'n日l 軸の配置とすることで、{立 相 条 i' lーを満足する波長，広域
全広げることが
"
T能となる Jl
l
e日
J
!
I
引l
の状態での枕村 ￨
終合条件について以
「に補足寸る
U
任。むの波長iにおける 、
日 BO
結仙の常光線 i
こ
えJ
する制折半 1
1)
(
ρ
!
1
t
:
3主び n
'
i
;
'
;光 l
こ対する凶折 干
l
n
J
み
，はそれぞれ
0
.
01
8
7
8
，
1'0.01
8
2
2
(
37
2
)
0
.
0
12
24
，
1
'-0
.
0
1
6
6
7
(
3
7
3
)
ぺ(
λ)
'=2
.
7
3
5
9+で一一一一 一0
.
01
3
5
4
λー
ぺ(λ)2=23753+τ一一一一一 0
.
01
5
1
6
λ2
とぶされる 川
また 、 タイフ Jj
背
中1
1
幣 合 (n:
，!;; ~. )It → ぷ光+常光 ) での f判i l 幣 fìf円 0(，人 α~ I i: 、 ポン
プ光(波長Ap)とシグナノレ光(波長ム)とがなす角度を G、アイドラ光の波長を).，と 寸 ると
i
θ
(
λ、，
α
)=∞S I 一一
，
/
n
o札)-1，'
-(
λ
，， )
守)
)
二
(
P
I
j
f
)
n
s
l
o
)
)
2;
;
λ{ d γ + X
(
3
7
4
)
と表される問。.
i
9
011m 、 α ~ 3
.70とした場合の位相幣合角は閃 3
5
4:
ニよりぶされ、広 4
i
1!
岐にわたっ
p~ 7
-9
7-
(520~事告o
と
と
会2
i
こよって、
。
nmで
…
ょう
と
ミ会議支長者李総ぶ広げられる
d
そらと1::，とよって
む
主総
r
prlsm
併と
1
:
ゆ
や
去
、
どし、う
ザズ
会
と
会《
会幹2
i
:
と
、
(
37
5
)
問
ぷλ
I
J
ト級事務
ち、ヅヲ
也
520~ 総合 nm
岳2
511m
0
.
0
2
雪
号6
) l
て
よい。こび〉
とな Q~
ぷ
3
也守告白
光を圧縮することでポンプ光と白色光とを時間的に '
T
Iれることも可能て酔あるが、ピー列車度が大きいポ
ンプ光によって刑幅
mの結晶が制傷を受けてしまう。そこで、ポンプ光のパノレス幅を白色光のハノレス
幅に合わせることにした巴閃 3
5
6に示される構成では、ホンプ光の光路上に合成石英ブロックを配置
寸ることでポンプ光のパノレス悩を拡げた什成石英ブロックとヒ記プリスずムの分散によって、白色光の
パノレス耐とポンフ光のハノレス幅とが一致し、イ立本目鐙合条例を満足させる全波長成分の地幅が可能と
l
i
jの適切な位置に集光させると、 i
長光後のビーム丘、がりと結品人身、WP
なる。向、ホンプ、
光を結品の手 I
の屈折角とが相殺されて、白色光とホンフ光の相互作用品~域が拡大される。
以卜の I
{
没計をえに構築した非￨ロ1
軸光ノ fラメトリジタ噌幅社誌の構成を図 3
5
6 に示す。ブェムト秒光パ
ノレスのハラメトリック刑幅では、 SHG 結品の煩 i
1
5
や結品内部での非線形効巣等によりパラメ トリック I
科
幅の際に用いるポンプ光 (
SHG 光):こは上 I
I
Nがノトーじるそこで、プエム卜秒レーザー (
S
p
e
c
t
r
a Phy引出、
H
u
r
r
i
c
a
n
e) を分岐して 2段刑制の情成とすることにより、高出力化および広帯域化を図った。
p
-
〆-2ndAm
ーーーーーー一一一一ー一ーー一一ーー一一ーーー一、、
d今
、
Pulse
Compressor
f150
骨ー
f200
FS
f
2
0
0
BBO
(
P
a
r
a
m
e
t
r
i
cA
m
p
.
)
;
t
Q
ノ
1
s
tAmp-ーーーーー一一一一ーーーー一一ーー二ーーーーーーーーーー、、
BBO
(
P
a
r
a
m
e
t
r
i
cAmp.)
Prism
S
a
p
p
h
i
r
e_
…
.
l
_
I :_'-"
-t-
、
¥
f
1
5
0
(罰百) I
f
1
5
0中
V
ND
dFl
In ，::; o~
BS
/
HM
図3
5
6 N
O
P
Aの構成
首~
1段増幅部では、ヒームスプリッターにより分岐された 95%の 光 を 、 平 凸 レ ン ズ (r
15
0)
お よ び ヤ 凹 レ ン ズ (向。)の縮小光マ系により 1
/
3に縮小した後に、厚さ 400μmの 8801
こより
波長変換することでポンプ光を発生させた o (1 色光の令:~)"(.ll主の光を同時に刑制させるためには、
(
1色光のパノレス幅とポンフ 光のハノレス悩を一致させる必要があるため、ポンプ光の光路に長さ
J
3cmの合成ィ
l
i
b
Sを配置した c さらに、亡l
色光の i
皮面とホンプ光の波面の傾きを
99-
致させるため
に、ポンプ光側に合成-{j一英プリズム(頂角 600) を配置することによりポンフ光の波面を傾け
た。 i
皮茄が傾けられたポンプ光を、焦伝距離 2
0
01
1
1
1
1
1の平凸レンズによりハラメトリック刑幅
用 の B日O結晶(仰さ 1mm)に集光して、ノ、ラメトリック J
i
'
!
T
'
高をわった。
一方、残り 5 %の基本法iI士、可変 ND フィノレターにより非線形効巣による{立栂歪みが生じな
い程度に減光された後に、焦点距離 1
5
01
1
1
1
1
1の手凸レンズにより j
早さ 1r
nmのサファイヤl;l;-t
l
i
に集光され、白色光を発生させる
この際、集光点をサツァイヤ広板の出射 l
l
i
i側とすることで
非線形効果等による両次分散会低減させることが可能となる発生した白色光は、焦点距離 60
1
1
1
mの両凸レンズ(こより、緩やかにハラメトリック噌t
l
@汀l
の BBO結仏に集光される の緩やか
に集光することによって、キ~i 品内部におけるポンプ光と白色光との相互作刷制1戒を多くするこ
とができる
この際、色ガラスフィノレタ (
SCHO
下T、BG40
) を用いて、 (
1色光に変換されなか
った基本}伎を除去した
f
何柄された光 1
1
:
、
.
f
t点距自作
2
0
0mm0) 同州レンズlこより第 2段糟幅~~内の
ßßO 結晶(1半さ 1
1
1
1
1
1
1)
に集光され、再度上旬 l岡される 1段増幅することによって、光強度が増加するととも空間モードが改脅さ
れた，2
段t
榊面された光 1
1:、日点距離 2
0
0111m
のギハレンズによりコリメー卜されながら卜 di~ ハルス圧
r
続
行 品に将光さオLる。
ノ
、
ノ
レJ哨:制同器の 1
#
lI
I
Xを凶 3
5
7にボ寸。NOPAの出射光[士 s
f騎光であるため、ヘリスコープを IM~ 、て
P 偏光とした‘フリズムには T
i
i
f
!
1 69。の合成石 !Ji: ブリコースターフリスムを JH~ 、た。 プリズムの間隔を
39cm とした場合に波形整Jf~ f
t
*
を
出
身
、I
した 11
(1:去のハノレス幅が最鰐となった，!
I縮された光!立波形整形
総へと導光される
図3
5
7 パルス圧縮器
非線形効果である 1
'己位相￨変調により発生した (
1色光に 1
t
高次位判 l
分散が合主れる。ただし、パ
ノレス圧縮総では 2次位相分散を補正寸ることができても、これらの高次分散を補正することができな
い。そこで、適応担光パノレス反応制御袋世を用いて高次位相1
分の補償を試みた。適応型光ハノレス反
応制御装置を用いたハノレスJ
1
:
縮について以下にJillベる。
十品築したI
歯止河!光ノ V レス以応l
i
i
I
H
朗l
袋内を!日し、たハノレス I
1純系の概念を￨支I3
5
81
こ示す。プリスム対
によるハルス圧縮~'iにより可能な限り圧縮されたハラメトリック噌幅光 l 士、波形整形2
1
4においてランダム
な位相変調が)]0えられた後にプリンジ分解 SI
IG 自己相関誌に入射される。プリンジ分解 SIIG自己相
関総の一方の光路を遮断ナることにより 1
f
j1
4
ーする第
高調波の強度日号を指際 /
1
"
(として、その強度
が憎加するように S，A法によるフィードパック制御を行った。
-1
0
0
回
図 3-58 適応型光パルス反応制御装置を用いたパルス圧縮器の概念
3
0f
s、中 心波長 790nm、繰返し 1k
H
Z
、 平均
以下に、実験結果を記す。基本波はパノレス偏 1
強度 700m Wの再生増幅光である。この場合、 1段楢幅後の光強度は 0.
2m W、 2段増幅後の
.8m W、パルス圧縮後の光強度は 2.
1m W、波形整形器後の光強度は l
.
lm Wであっ
光強度は 3
た
。
増幅後の白色光のスベク トノレを図 3
5
9に示す。また、プリンジ分解 自己相関器により前記光
パルスを計測した結果を図 3
6
0に示す。
1.
0
~0 . 8
コ
~0 . 6
b
的
:
i
50.
4
c
0.
2
0.
0
500
550
600 650 700
Wavelength(nm)
750
800
図 3-59 パラメトリック増幅光のスペクトル
9
8
7
f
JT=16fs
←下→
コ6
~5
蓄4
:
i
53
<
:
2
1
0
S
o
o-80 -80 -40 -20
0 20 40 60 80 100
f
5
)
TimeDelay(
図3
-6
0 フィードパック制御前の自己相関波形
ー1
0
1-
| 記 ~I 測で用いたフリンジ分解 SHG 自己相関器の情成を図 3-6 1 に示す。 S H G結晶には厚さ 20
μ
1
1
1の BBOを則いた。ビームスプリッター にベリクノレ(エドモンド ，39479・H)を、集光光学系に欣物面鏡
(コヒーレント、 43885
3)
を用いることで、光学系の分散の影響を最小限にとどめた o 第二高調波と基
本波とを分離するために、結晶直後に色ガラスフィノレタ (
HOY
A、U330)を2枚配間し、第一向調波だ
けをを光電子増倍管 (
PMT:P
h
o
t
o
m
u
l
t
i
p
l
i
e
rTube，浜松ホトニクス， H5783
0
6)
およびロックアンプ
u
(
S
t
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f
o
r
dR
e
s
e
a
r
c
hSys
tems
，SR81
0)によりロックイン検出した。 こ、リブレクター後方にギャッアセン
サ(キーエンス， EX-501
、EX・00目、分解能 300nm)を配世することでリフレクターの移動量を計測し、
この信号とロックインアンプの信号とをデータ収録ボード (
N
a
t
i
o
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t
r
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1
1
1
e
n
ts
，PCI
-625I)
を介してコン
ビュー ターに入力してプリンジ分解 SHG自己相関波形を得た。
PC
fromLaser
図 3-6
1 7 リンジ分解 SHG自己相関器の構成
上 記構 成により得られたプリンジ分解自己相関データは、下記手順により解析されてパノレス幅
が評制される。角周波数ωの被測定光パノレスの電場を Eの=
A
(
t
)
c
o
s{ω
，1+世
(
1)
}とする o 前記光パノレ
スを分岐し ，-}Jに遅延時間 rを与えた場合の強度に対する 2次の自己中日関信号 G
'
0
りは
G2(
r
)=[
/
(
1)
JI
(-r)
d
t
(
37
6
)
=f
JE'
(
t
)
E'
t
(-r
加
と表される 3 プリンジ分的'自己相関波形関数 I
りは、 E(
I
)
および E作
一りの合成電場 (
E(
り
，+E(
I
r
)
}の第
F
削 d
て 高調波 (E作~+ E(f- r)}' を光険出探で検出する際に符られる電気信号 I{E什')+ E作一り}'12 を積分した結
果であり
ー1
02-
/川
f
(
τ
)
=j
{
E
(
I
)+
E
(
I-r
)
y
f
d
l
(
3
7
7
)
とRされる (
3・7
6
)式および(
3
7
7
)式より
JF
R
A
C(
r
)= I+2G(
r
)+2
，
F(
r
)+円
(
r
)
(
3
-7
8
)
ー、刊
)および F，
(
り
:はωおよび2
ω で振動する 世(
1)を 合 ん け1民l
関数であり，
--、， Fdr
が得られる
F
それぞれ
，
F(
r
)=[[A'
(
I
)+A2
1
(_r)tt(1)
A
(
I-r)xcos{'ωr-O
(
I
)+世，( -r
)
}
d
l
(
3
-7
9
)
ハ(r)=仁川1)ポ (1ーが ω 2 {ω，τ 一仲)+世(1-r)
}
d
l
(
3・8
0
)
と表される。 ここで，A ω 町町h(r/η 、 世(0)ニO とすると，ハノレス幅は/J r~ J . 71i3Tで与えられ，
ど
次の自己相関 f
，
1号G，
内j
および包絡線開数.
g
c
叩由'I'(
r
)はそれそ'れ
，
3{
(
r/
T)cosh(r/
T
)-sinh(r/
T
)
}
G(
r
)=
(
3・81
)
s
i
nhJ
(
r/T)
玲
i
n
h'(
r/T)-2(
T
lT)1
，，
，
，.
(
r
)= I
+3
G
，
(
r
):
t.
:
:
.
f
I
(
3
8
2
)
s
inhJ
(
r/T)
とよされる。 1-.JLf~J 数を用いて件られたデ ー タに対 し てブイツティングを行い、この時の T か
らハ/レス似合 p山する。
上記手法により符られるJ'f!論仰と何られたデータ(区1
3
60中O表
〆J
')が慌の部分でー致して
いないことから、ファイパー伝活時の結果と同線に向次分散が補正されていないと 推測される。
そこで、適応射光ノ Vレス以 Þ~;íl;lJ御装置会用いて残伺波長分散の ~Iì I
t
二
をf
丁った会制御実行時の第 三
高調波の f ，~;号強度の変化を|ヌ1
3
6
2:ニ不す。
0.
6
コ0
.
5
ぬ
と 0.
4
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.
2
工
的
0.
1
OOL
O
5
0
100
1
5
0 200
I
t
e
r
a
t
i
o
n#
250
300
図3
-6
2 自動制御実行時の P
M
T出力電圧の変化
￨
一記制 御l
により生成された f
i
T
.
t
1
J7 イノレターを 1
m、た J
;
g
f
tの光ノリレスをプリンジ分解自己相 l
.
r
| 主I ~~ により計i1\i1 した結果を lxl 3
・6
3にィ、す。向動iDl
J
i
，
制l
により 、ハ/レス圧縮総ではIi紛できない I i
次(
止杵l
分散が f
i
l
iu
'
:されたことにより、パルス l隔が 1
6ぬから 1
2f
sにまで圧縮された。以 ￨によ
り、非線形過程で発 4
ーする未知の波長分散に対しても適応型反応 1
M御装 i
nが有効に機能してい
ー
1
0
3-
ることが確認された。
，
﹃
n3nO
a
コ6
~5
者4
p
E2
o
-10080 毛 o40 之 o 0 2
0 40 6
0 8
01
0
0
TimeDelay(
f
s
)
図3
6
3 フィードパック制御後の自己相関波形
ー
1
0
4-
3
.
7
.あとがき
周波数領域において光ノリレスの板1
1
高および位相￨を制御し、これをフーリエ変換することによって時
間領域にける光ノくノレスの仮幅および位相を高い自由度で制御する波形繋形は、その原用が極めて
単純であるために、現在では械々なデ、
ハイスを用いた波形整形需が考案され、保々な比、用に展
開されている。 この場合、位相を制御するために用いられるデバイスの耐光性、位相変調小均
一性、 て
平
1
下
て
而主
」
度
jt
等を厳苦密 に
占
与
雪
応
l
とによつて、年間光変調穏の ~t 特性を断密に考慮した上で、小司u でありながら高い波長分解能を有す
る波形惟形器を開発した。特に、高強度ブェムト秒レーザーを用いる場合には、人射光強度に依存し
た位相、ンブ卜あるいはデバイスの損傷等が懸念される。孜々は、空間 )
t変調械の耐光性を評価すると
共に、その結巣を踏まえてデバイスを改良することによって、 f
副主度フェムト秒レーザーに対して￨分
な耐光性を有する光ドレス7\1~ 空間光変吉司法ならびに波形教形器を開発した。 また 、 任意の反応効率
を制御信号として波形盤形探にフィードハ、ノクする閉ノレーブP制御系を憐築することにより、その)又札、を
最厄l 化するパノレス波形を自動的に牛成することが可能な適応型光ノ 4 ノレス反応;1;11 御装 fi!W~ECA P S )
を開発した。また、本装置を傑々な応
m分野に展開することで、時間的な{立中目の m'
l
御(波形整形)の
有用性を示した。
次草(第 <
l-t;i)では、空間的な(-v.相の制御
O
t波而iI可制1
) を実現寸るために、
LCOS型空間
光変調訟の耐光刊の 1
;
'
1上を試みた。 さらに、光波面;i;1Ji卸を行うための光学系をモゾューノレ化す
H
J
E
ると共に、透明材料の内:'f[
¥
!
J
I
J仁ならびに球面収差の*
， に適用した結果について述べる 。
-1
0
5-
3
.
8
.第 3章の参考文献
1
)
E
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1，
2457-2469(
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Jl:コド，古田成治，伊ヶM:
i
泰則， ~目印誠高強度レーザー用反射型波形 fE形
シ ス テ ム と 周 波 数 分 解 光 ゲ ー ト 法 に よ る そ の 特 性 評 価 J ，レーザー研究、 28，5
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5
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1
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電 気 学 会 光 ・量
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両強度波形整形パノレス光の力日 .
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fデノ〈イス研究会資料， OQD-03-9(2003)
1
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. Sakanc M. Takas
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0
7
第4
章空間光変調器を用いた光波面制御
4
.
1
.まえがき
近年、レーザー力 11 工 1) 顕微鏡 2\ 光ヒンセット 3\H良底カメラ 4)などの分野において、光波形成If~、
光波!日補償等を可能とする空間)t3
t
調総の需要が高まりつつある。一方、ナノテクノロジー分担予にお
いて、光集績回路|白l けの微知IJJ日 L 技術として、 I自jl;~U主フェムト秒レーザーによる透明材料の内初んlrJT
)
]
1
1てが ilUされ、光導淡路討、光メモリー町、阿 1
f
r格 子
7
)、ビームスプリッター刷、光カブラ一向等の光学
素子へと皮，関されつつある。こうした微細力1
1
工て'
1よ、レーザー光を l点、に集光して材料を走有する r
1
点、走衛 }
J
O
l
Jが行われていた。ところが、
r
1点主査}Jn
工Iにおいては、:lJn
工品質を維持ナるために光
密度が制限され、これに伴って }
J
L
l
i
生皮も :
n
l
[
l
l
j;!されていた。こうした中、ホログラムを用いた波由制御
技術を用いた多点形成技術が注 Uされるようになった。集光点を多点とすることで、レーザーの有する
エネルギーを余すことなく使用づることが μ
[能となるために、 I
J
I
I工速度を飛躍的に向上させることが可
能となるためであるさらに、空間光変調以に計算機ホログラム
1
0
)
を表示する手法では、コンビュータ
ー制御によって任意の場所に任意の集光形状を形成することが可能となるため、.:1~1吹1'1 に出ー んだ加
工が n
f能となる。
庁、対物レンズにより透明試料内部にレーザー光を集光寸る内部加てや顕微観察では、異なる
J
u.!折，容を有する材料の境界面における屈折に伴って球面収差が発性し、これが加l
工精度を劣化させ
るま長肉となる。特に、対物レンズの開口数が大きいほど、あるいは加工位↑訟が深いほと 球 1(
!
i
収 Aによ
4
って集光都が肥大化するため、その影響が顕若となる。非線形過程を用いるフェム卜秒レーザー内部
JJ日 L においては }J日工精度を悪化させる要閃となり、顕微観察においては解像度を劣化させる I~: 凶と
なる。そのため、空間光変調窓を}付いてレーザー光の波而を制御することによって球 1
I
1
I収」去を有1iiF.し
ようとしづ試みがなされ 1，
1
2
)、レーザー }
J
[
I 1符の産業応用へと展開されつつある。
しかし、光の波面を制御するためには、ユーザーが専用の光学系を構築する必吹があるために光
学系が煩雑になるばかり f無く、糾持』な光学調整を行うための熟練した技術が要求された。これが、
波而制御技術の産業界への展開を阻んでいた。
本研究では、 LCOS型空間光変調探日}の高強度フェムト秒レーザー光に対する耐光性を 1
0
1上する
と共に
n
1
4
.
1町、光学系をモジューノレ化することで、レーザ-:lJ 工における波面制御技術の実用化を図っ
:
:
l
次
元
たc この際、計算機ホログラムを用いた f
括多点形成技術 を開発し、この技術を透明材料の
4
内部 }
JI
I
工に適用することで加て効率の 1
"
1上を凶った。また、光線を逆迫跡することで球而収差を補正
ナるパターンを算出する手法を考案し、この手法会川いることによって球面収莱の精笹な補正を試み
た 16)。 以下では LCOS 型空間光変調械を矧いた波 I~i 市I[ 術l 技術の詳細を述べる。
-1
08-
4.
2 高強度フェムト秒レーザー用 L
C
O
S型空間光変調器の開発
4.
2
.
1 はじめに
刈
￨ 4
1 に LCOS引宅1
1
月光変調以の情i
t
i
(断面)をぷすアドレス郎l
士、シリコン広板に形成された
CMOSアクティブマトリクス凶路 i
二
(
.
.
:
阿
素
.
，
1
j
:j
逝が配 l
nされている。画ぷ電傾部の阿茶数I
t 800x600
I
t
r
l
味 (
SVGA)、阿ぷヒッチI
t20μm、問日本は 9
5%である。光変調部は 、ンりコン基 H
i
と、対 1
0
1する
ガラス広板の間に保持されたネマチックiI!z.ìù J\1 から J& り、光アドレス相宅間光変調.:f~と|口l 傑に液晶分
子は)，1;桜に平行に配向されているりコンビューターのグラフィックスボー ￨
、からの出力l
I
o
i
像(
DVI)が帯
川のコントローラーを介して、 CMOSアクティブマトリクス回路に占き込主れ、その書き込み信号 (
8b
i
t=
256 1
培淵)の強度 l
こJ
ぷじて、阿素屯他と対 I
I
'
Iするガラス基板 1
.
(
こ形成された透明電械との問の泣ハ
が制御されるこの屯圧変化に作って液晶分子が傾き、屑折半が変 化することにより、読み 1
1¥し光に
似相変 化 が与えられる。 LCOS 型空間光変訓~で It 、 』;き込み両像の f l~~ 号レベノレのl1'l t
JU
に従って{立
相変調度が線形に別加し、 2π 相当の線形な !t7:十"変 ，J，~ ，
'
1が件られるさらに大きい位相変調が必安と
尽を 2
π で折り返し表示することにより実現される三主た、 人射光強度に占け
される場合は、所望の{
世
相l
る0次光 1
"1
折光強度の比でぶされる光利l
附効率が 90%以上にまで高められている。
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図4
1 LCOS型空間光変調器の構造
点
、 LCOS!
l
リ
宅
問l
光変調 探をプエム卜秒、レーザー }
)/I工へ応用する場合には、LCOS型空間 '
J
e
変
訓 :?if の耐光性が 1 M)題となる波 )r~1主 M~告にnJ\、られた光アドレス型空間光変調誌の開口部が 20 x
20111111であったのに対し、 LCOS!
，'
f!
.
'
i
'1
1n光変調;恨のI
J
:
.
I
口
百I
I
I
J1
6x1
2111111と小明化が閃られている。
その反面、人射 l
I
f
能ビーム f
壬が 20111111から 12ml
1
1(
伯i
f
古比 70%)に縮ノ卜されるため 、光アドレス型空
ー
1
0
9-
間光変調探と同程度の最大人射光強度を維持するためにはデノミイスの耐光性を￨白l
上させる必裂があ
る。次項では、 L
COS型'字問光変調禄の耐「光性 1
0
1上の取り納みとその成果を述べる
4.
2
.
2
.L
C
O
S型空間光変調器の破 i
裏しきい値の向上
LCOS型空間光変調誕の高強度フェム卜秒レーザーによる破壊においては、レーザ一光を長時間 1
1照射した場介に発生する液 1 11I~J0 における訴 w熱に依作した然的破抜が支配的であると考えられる 。
この場合、 i
佼品の持:漏出に始まり、最終的に画素電極の破岐に全る。前記若干彼熱 i
士、レーザーの発振
波長城における光吸収に f
l
旬、発生するものと、フェムト秒レーザー光特令の効果である多光子吸収に
伴い発生するものとが存イ1する。特 J
こ
、 lロ
i
強度フェムト秒レーザーとして広く州いられている
T
i:
s
ap
p
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eレーザーは 8
0
0 11m付近で発振 ・
桶幅するものが多く、 2光子吸収にfI'う吸収波長域であ
る4
00nm 付近では液晶の吸収ギが急激に上回加し、素子I
政岐を生じる安凶となるつしたがって、尚強
度フェムト秒レーザーに対する L
COS型空間光変調器の耐光性を向仁させるためには、 2光子吸収の
効果を低減させることが重要となる。特に、凶 4
-2 1 ニィロ~-ように反射 1)(11液品 12'iの庇界面にお， 、て人身、「
光と反射光とがよ1
11'1:され、光強度が i
普大する領峻が発刊するため、デバイスの倣撲はこの部分での
液品溶融が文配的となる。
L
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Glass
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y
図4
2 LCOS型空間光変調器の反射側液晶界面における光強度増加の概念図
この悩域における光強度を低減させるために L
COSif，'!宅問光変調球内l'i
lに位相!シプ卜層を導入し
た。位相ンア卜脳の導入によって、肉 43 に示ナように人射光と反射光との位相がシフトするその結
1
1
0
果 、I
夜品桝 I
A
iにおける入射光と反射光との重総状態が緩和され 、光強度が低減される c 光 強 度 が 低
減することにより 2光子吸収にfI'う光吸収が低減され、これに f
ドって系 fの耐光性が向上する n さらに、
COS 型空間光変調器を椛ばする反
アノレミ阿素電極上に紋密な誘這 {
本多倍眼鏡を形成することで、 L
射層の反射宅向トーを実現した。これにより、反射!凶後 f
止に配i
凸Aされるアクティブマトリクス I
!'J路等に到
達する光主t
が減少し、回路に捺 F
資される熱量が緩干日されたことも耐光性向上の安閃のー っとなる
L
iquidCrystalLayer
!r
i
cM
i
r
r
o
r
Oierec
GlassSubstrate ¥AlignmentLayer
TransparentElectrode
Layer
P
i
c
t
u
r
eelectrode
S
h
i
f
tLayer
O
p
t
i
c
a
li
n
t
e
n
s
i
t
y
図
4
3 位相シフト層導入による反射側液晶界面における光強度低減の概念図
上記位相、ンフト府の効果を l
地認するために、包凶1
44にポ
7
1
許
去
汁
寸
寸司
千
干
構
持
!
成
戎
に
よ
り
川f
従
正米
J
j
(
托
<
:
の L
COS司押烈刊
リ
l
j可
常
民
「
問
n
l
川¥l光変 訓
J
'
，
1
M
l
箆
Eと、{位立 4
欄目シフト!肘凶が導人された L
COS 巧烈『リ1
宅
=可問光変謝探の耐光 刊
t
'
'
1を
員
訓'
l
価した o レ 一 ザ 一 こ
l
に
υ
l
は
上
t
2
I
引1 :$拍
T
叩pp
a
凶hir陀e 再/生
ιμlI'l科幅 2
泌~ (
;
:
1
コ
ヒ一 レント+社上、 Lcgen
d
-USP、ノりレス幅 50f
s，'
1
'
心 波 長 800nm、繰返し周波
紋 1kHz
)を
H
j
，、
た。半内レンズ(合成石英， f
l000)をH
Iし、て前記再生地幅プェム卜秒レーザ一 光を集
u
COS司勾叩4
付
1
'
宅辛問光変調号抹
.
1
詩+をレンズ例側l
川
カ
か
、
らi
集
長
光
点
点
、ル
'
j
1
旬
白
向
陥l
へと移動することで L
COS型空問光変品誠M
%
認
光し， L
号
上て、の I
単
巳
l
1打
位
'
[行
{
削
i
1
I
山バ
l
F
隙占当たりの強 l
皮
」
主
t
を巾
H
出
l
川
i
l
附、射 し 、円悦で制傷が確認される直前の位置での光強度を損傷しきい似とした。 尚、サンプノレ I~ での
ヒ、ーム係を計測する場合には，光路 1
.
.
に 片 岡 ARコートが』値されたガラス依を即位して、集光レンズか
l
l
.
'
尽(スクリーン)までの組問世が、レンスからサンプノレまでの距離と等しくなる
ら結{象光 ，
}系における観i
状態で、ビーム径を計測した(制似しきい値を計測する場介にはガラス板を取り除し、た)。尚、ビーム
径を ~I 測した結栄に対してフイッティングをわうことで光路 l二の任志の位慨における光強度を算出した
また、 LCOS1
¥
'
1
空間光変調抹￨での光強度は、 I
S
0
1
125
4に準拠して卜記過料に基づいて野山した。
1
1
1
強度がピーク強度の j
/
e
'の強度となる、ζ
￨径をω2、Pをビームの全パワー、 Jをビーム断面における中
e
x
X
一Z
フ
二
一-
rt、
t
p一ω
心からの距隙とする。この場合、ガウシアンTEI
'
v
I叩ビームの欣射強度分イi
lは
(
4
1)
と表される。t
負傷しきし、 1
直付近における光学素子の損傷はガウス分布の中心で発生するため、中央の
エネノレギ一帯J
度で評制する。中央のエネノレギー密度 1
，は 、令パワーをビーム筏(I
/
e
'の強度の 1
三後)
をもとに計算した面積で割った平均エネノレギ
密 度 の 2倍に相当し
- J
1
2
Eτ
(
4
2
)
1[Xω2
により表される。
Femtosecond
Regenerative
A
m
p
l
i
f
i
e
r
図 4-4 耐光性評価のための光学系
480
44l
勺
n
unU
42
(
U
ω 凶)由
E一
ト
360
。
0
1
0
図4
5
従来の構成の
NewType
•
•
1
0
0
0
1
2
1
3
Powe
rDen
s
i
t
y(
W
/
cm'
)
14
LCOS型空間光変調器の耐光試験結果
LCOS型空間光変調器のしきい似と、{立粁l
シフト層を導入した L
COS型空間光変説l
ー1
1
2
-
苦言のしきい値を計 j
則した結果を図 4・5に示す。これより、位和シフト府を導入 (
NewType)することにより、
L
COS，
*'
1
空間光変調誌の I
u
J
光性が 向上することがP1
1
認された。さらに、損傷しきい値が光強度に依存
すると同時に、照射時間にも依存することが明らかになった。この点について以下に考録する凶 4
6
に慣世話￨剃始時、および照射を継続した場合の L
COS型空間光変調践の状態を示す。これより、レーザ
一光が長時間照射されることによって蓄秘熱が発生し、この苔積熱によって液品が溶融し、故終的に
デハイスが倣域されることが明らかになった。
(
a) 損傷開始直後
(
b) 破壊時
図4
6損傷試験時の LCOS型空間光変調器の状態
4.
2.
3.L
C
O
S型空間光変調器の動作しきい値の向上
(
i/.杓シフト府の導入によって、L
COS'
l
I
i'i)i間光変調器t
の破接しきい値が向上したが、光波 l
i
l
iを制御
する上では、仲村 l
変謝料性が変化しなし、ことも i
l
i裂な要点である照射光強度に依存する f
i/.相変説l
特性の変化は、占干積熱による i
f
主品特性の変化であり、その蓄積熱の発生ft'!li:多光子吸収 l
こ(
'
1
'，
、
発
生する光吸収に大きく依存する。その光吸収は使用する液仙材料の特性に依存するため、保々な J
佼
l
d
'
J
;
t
:
寸1
トに対して動的しきい値を評価することで l
夜r
l
hの最適化を図った。
位相変調特十l
の変化を1i
i
c認するためには、レーザー光照射前における L
COS型空間光変調器の
反射光の波面と 、照射後における反射光の波面とを比較寸一ればよい。例え l
i、耐光性(動作しきい
航)の低いぷ材を用いた L
COS型空間光変調器に、高強度フェムト秒レ
ザー光(パノレス阿 5
0f
s、
中心波長 8
0
0nm、繰返し 1kHz
、平均強度 2.
7W、ヒーム直径(l
/
e
'
)1
1mm)
を連続して 1
0時間
照射した場合の光波面の変化を観点J
Iしたところ、出 1
4・7 ~こ不すようにレーザー光が照射された中央部
分の自主而変化が徹認された。すなわち、レーザー光が照射された部分の位相変調特性が変化したた
めに、
r
1
i唱の波 I
Hi
丹市{却を行えないことになる。一方、様々な t食品料料を評価した 中で最も動作しきい
他が高い液品材料では、￨記照射'土験においても位相特性が変化しないことが悌起された。この
場合の L
COS1
¥
'
1
空間光変調.6
6
上での光強度は 5 W
'
;
ιm'であった。すなわち、杭相シフト脳の導
入、誘屯{本多lJY
i
j英鋭の反射ギ f
古JI、ならびに i
伐品材料の最適化を ￨
苅ることにより、 5W/
c
m'の
耐光性を省ナる素子の日目発に成功した ε
1
1
3-
01234567
P
h
a
s
e(
r
a
d
)
図 4-7 位相シフト観測結果
1
1
4
4
.
3.光波面制御モジュールの開発
4
.
3
.
1 はじめに
これまでに述べてきた寝間光変調.6:~，土、主にテョパイス爪体として版売されてしもために、空間光変
調践を用いて波而制御を i
Jう場介;こは、ユーザーが専用の光乍系を構築する必要があったこの場
合、)tヴ系が煩雑になるばかりc:，~町、綿核な光学調幣を fJ うための熟練した技術が要求されるため、
空間光変調器 I
tJ
三に基礎研究分野において川し、られてきたそこで、我々は空間光変調器を産業用
途へ適用させるために、 LCOS 型空間光変調禄の性能を最大限に滑剤し、かっ顕微鏡、ンステムや加
よ二/ステム等の既存の光'アシステムへの導入を2
平易にする光波由制術￨モジューノレを開発した。以下
では、開発した光波凶i
制御モジューノレの詳細を述べる。
4
.
3.
2 直進型光;皮面制御のジュールの開発
開発した光波面制御モジューノレ(由:
i
l
l
i型)の概念図を凶 4・
8に不す。ビームスプリッターにより合成
された被変調光と照明光 l
土、プリズム型の誘電体多層膜鏡により LCOS 型空間光変調路へと導光さ
0
1(水、ド)とし、照明
れる，この際、被変調光(レーザー光)の偏光を LCOS型空間光変調器の配向方 1
光の偏光を LCOS相空間光公調;訟の液晶分子の配向 )
j
l白l
に対して長 l
立な直線偏光とすることにより、
LCOS型空間光変調器によりレーザー光は変調されるが照明光は変調されない椛成とすることが可能
になる“ 照明光と LC OS 型宅問光変調然により変調されたレーザ一光は、プリズム型の誘，lii本多層 H~
鏡により再び人射光の光軸上に反されるこれにより、装{針。〉小司J化、安定判 ・
燥作性の向 .
1が実現
されるだけでなく、光波面制御モジューノレを既存の光学系の光軌 1:
に配位するだけで、符劫に i
皮面
制御をわうことが可能となる
LCOSSLM
D
i
e
l
e
c
t
r
i
cM
i
r
r
o
r
図4
8 光;皮面制御モ ジュ ー ル (直進型)の槻念図
1
1
5
上記概念に i
&
/
丸、て設計された光波 I
H
i制御モジコーノレの概観を凶 49に不す。モジューノレの人出
射部には Cマウントネジが施されてし、るため、顕微鏡や加 i機等に容易に組み込むことが可能である
だけでなく、市販の光学部品、あるいは CCD カメラや分光誌とし、った光検/1¥器てすを容易に取引 l
けら
れる構造となってし、るため、 k記部品会取り付けるだけで容易に光学系を構築できるとしづ利点、を令ー
する。
図 4-9 光波面制御モジュールの概観
j
j;!型の光波曲j
制御モジューノレは、照明光がレーザー光と共に
直j
る。そのため、照明光が
LCOS型空間光変調器を伝播寸
LCOS塑空間光変調器で変調されないようにその偏光を LCOS雪Jq間光変
調球の液晶分子の配向方向に対して主主的;となるようにする必要がある“通常 、照明光にはランフ等の
ランダム偏光光協l
が用いられるために、垂直偏光とするためには偏光下によりーノI
jl
"
1の偏光だけを抜
/
2が無駄になるとともに装置内部に熱を発生させ、光軸を歪ま
き出す必要があるが、この際に光量の 1
せる巣閃となる。また、偏 )
'
t
{の波長
*
J
戒も告限であるため、光学フィルター勺を胤いて照明光の帯
域を{偏光 fの併域にあわせる必嬰があるのまた、本研究でJ
I
日発した高強度レーザー井jL
COS型空間
光変調総では、 LCOS 沖.12叩{j 光変調 ~fjの耐光件を向上させるために、レーザ一波長の帯減に介わせ
た誘電(1.:多層膜鋭が用いられる。そのため、
LCOS相空間光変調器を伝掃する照明光の波長 l
i
"分の
うち、レーザー光の波長帯域以外の成分が減光されてしまう u また、レーザー光と照明l
光とを同制l
上に
合成するために、モジューノレ外部にビームスプリッターを配何する必要があるため、段終的に必要とさ
れる光学部品の点数が滑加すると共に、システムが煩雑になる。さらに、サンフルの観測は、サンプル
からの散乱光を観測することになるめ、その観測l 光には LCOS 型空間光変調おの液晶分子の円~I 旬ん
1
0
1と同じ偏光の成分が含￡れ、こ0)成分が LCOS型空間光変調;慌て拘変調されることにより観測光学系
の解像度が劣化してしまう
そこで、プリズム~~誘電体多Jrí膜銃の反射特刊を改良することにより、照明光が LCOS 司jq 附光変
調球を伝婚しない構成を巧案した。この1
1
寺の光波面制御モジューノレの概念を凶 4・1
0に不す。
ー
1
1
6-
D
iel
ec
t
r
icM
i
r
r
o
r
図4
ー1
0 照明光が
LCOS型空間光変調器を伝矯しない光波面制御モジュールの概念図
プリズム型ミラーに用し、られた誘電体多脳 I
J
英鋭の分光特性を l
五1
4-1
1
1こ'
J、
す。レーザー光の波長引を
域 (800Û5 I1 m ) は全反射、照明光の干tr- J或 (5 00 ~ 7
0
0nm)I
t
透過する早川とすることで、照明光はフリ
した後にフリズム底面で令反射され、その後プリズム外に山射された後に再びレーザ
ズム内部に入身 I
一 光と同じ光州 lを伝帰することになる。また、サンプノレからの観測光も同じ光日告をイム係するために照
明光ならびに観測光が LC OS烈空間光変~閣総で変調されることが無し、その結巣、観測光学系の解
像度が維持され則明な凶i
f
訟をねることが n
f能となった円また、照明光の偏光を制御する必要がないと
共に L
COS*
.
'
.
"全閃光変調;
1
1
4の反射特性の影響を受けないために光日ロスが生じない利点を.tJ'するー
260
ω
540
c
"
'20
←
0
400
500
600
700 800
Wavelength(nm)
900
1000
図4
-1
1 プリズム型誘電体多層膜鏡の反射特性
凶4-1
2にプリズム端 I
(
l
i
で反射するタイアのモジューノレを刷いた場合の観察{象と、プ リズム内部を伝
情するタイフのモジュールを用いてテストチャー卜を観然した結果を不可
tl
i
i
j者の場介、読電休多脳
眼鏡の .
$
3
l
*
揮を受けて阿像全体が赤みを {
i
?びてし、ると J
七に、エッジ部分がぼやけている。これに対して、
後者の場合には鮮明な画像が得られている
-1
17-
(
a) プリズム端面反射 9イ プ
(
b
)プリズム内部伝福 9イプ
図4
-1
2 テストチャ
ト観察結果
4.
3.
3
. 90。反射型光波面制御のジュールの開発
これまでに述べてきた直進烈光波面制御モジュ
系に改良を施す中 .I~( く波 1(，j il~IiMI~ 可能とする
l
i
M
Iモジ斗ーノレに
波
市
;
l
J
I
レ
ノl
上、日正作の光軸 1
:に配置するだけで光学
一方
、
)
t，
'
j
'
系l
こm
いられている 90'
反射鏡を光
.
r
nき換えることで、 l
沈
イfのシステムに大きな改良点を胞さないで i
皮I
白制
御を i
Tう必要がある場合も i
t
、定される
そこで、直進剤光絞首制御モジューノレ￨丙l
様に汎 1
M性 に
-90。反射型の光波 1i
r制御モンューノレの開発を￨司った
侮れt
LCOS-SLM
図4
-1
3 9
0
。反射裂の光波面制御モ ジュールの概念図
1
;
:
(
1
4
-1
3は開発した 9
0'
反射型光波面制御モジューノレの概念凶である 9
00l
x射型光波面市]
1
御モ
ジコーノレでは、被変調光と f
!
(
1
f
Y
]光とがモ、ンュ ーノレ内部に配位されたビ ー ムスブリッターにより
合成占れるため、使用上は 9
0
'以射絞と同憾な取り扱いとなるため、操作性が向上すると同時
にシステムの簡時化が肉られる
主た、照明光が LC
OSf
¥
'
!'';';間光変調総を伝播しないため、昭、
R
j
]光がフリズム内部をイム備する [
f
L
i
並河I光波而:1:1
街l
モジ斗ーノレと l
n
l僚に鮮明な観測(撃が仰られ
]
る特徴を令する
ー1
18-
4
.
4
.結像モジュールの開発
4.
4.
1 はじめに
対物レンスを川いて光会集光「る際に人射光の波 I
f
[
]を:
I
J
I
J御する j
L
J介、厳 1
ヰ，な波面制御会 i
I
うため
にはイ'I(十日面と対物レンズの射出 l
附l
U
日とを一致させる必 止があるところが、官Ii日光位相変調J
むを斤J
、
，
6
て波 I
而
:
I
;
I
Ji
向i
をわう場介には、対物レンズの射 H
l附面￨→i
こう古川光変調日日を阿
己i
rLすることが￨主l
雑である。
この均台、リレーレンズ系を f
f
j，
、
て;
Y1制光変，iU
J
*iの変調 I
f
r
iを対物レンズの射出脳血1こ紡像する必裂
r
がある。さらに、宅問光変調総の行主(}J領域をイ~. :
i
j
J
に利川するためには空間光変調器の変調 [
I
百を対物
レンズの身、t
:
I
¥
1
崎I
h
i
lニ縮小技影する必要があるこれまでに述べてきた光政面制御モジュールは、
LCOS 型空間光変調~~からモジューノレ出射 tm 主マのfIE雌を約 7 0 1
1
1
1
1
1に抑えることでI::
J
己影響を低減
させていたが、後述する球 I
(
Ul
収左補正や鮮鋭なホログラム r
g
:生1
担金 f
l
iるためには LCOS 砲空間光変
耐を対物レンズの射出1
1
章面に縮小結{量するための光 γ系が必変:こなる一そこで、本研究
調伐の変 E淵 l
では縮小結倣光学系をモジューノレ化すると J
tに、光波 I
(
[
if
#
i
J
i
副l
モジ ::"1ーノレとの結 f
Tにより l古
川 占度な波
面r
t
l
[
J
i
.
l
i
1
をi
J
'
えるユニットを開発した
4
.
4.
2 結像モジュールの詳細ならびに光波面制御モジュールとの結合
￨
χ
14
-1
4 に結{
包モジ、ューノレの概念閃をぷす LCOS 司!宅問光変調 22のイ1効 f
W
或を対物レンズの射
山1
1
mに縮小役目';-)る際の縮小 :
{
1
:こ応じ亡リレーレンスの焦行距離合選択する必要があるが 、本榊 1
&
でItLCOS1~['1' 1悶光変調出への人 IIJ 光の h走大ビーム外 f壬 1 2111111を射出 H
童向 6111mの対物レンズに
結保することを必定して、レンズの1
.
.
1
，
、
点
距r
l
mを 200111111および 100111111としたz 主f、R枚の折り返し i
A
t
江体:多層 mJ
長会用いることによりモジ」
ノレの小司'
1ヒ会￨火!ったたとし、レーザー光によって訪危{本
多肘股鏡が破域されな L 、上うに、 1焦!主た:二}~川!
叫
1 政
がある 4
主
ミ
た
、
イ
本
入
モ
、
ン
ム
斗
ム
一
ノ
ル
レ
の
人
身
射
、.
j
;
部
:
百
刊
{
刊
;
お
よ
び 1内
げJ
汁
十
書
剖
部
￨
目1
¥
に
ζ
h
脳包されニ
1
た C;
?
ウ
ン
￨
卜
N
、
寸
[
に
ニk
り、光社波
J
比
i
れ
ω
幻
川
1
山
1
1
削
(
i
i
1
制
刊
市
i
[
，
制
[
，
1リ
l
I
J
i
術
御
白
仰
￨
同
モ
ジユ
rL
一ノルレと l低在J俊妥紡 f
介?汁寸寸→るニとが n
吋I能とf
力な~る
D
i
e
l
e
c
t
r
i
cM
i
r
r
o
r
L
e
n
s
(
f
2
0
0
)
図 4-14 結像モジュールの概念図
ー1
19
4.
5.光波面制御技術による 3次元同時多点形成
4.
5
.
1 はじめに
f能とするが、従来のガラスホログラム
ホログラム技術はレーザー光を任意の形状に形成することを n
を用いた場合には所壊の形状に応じたガラスホログラムを作成する必要があった。これに対し、空間
光変;前日日はコンピュータ制御によるさき換え可能なデバイスであるため、コンピュータにより作成され
た計算機ホログラム (
Co
m
p
U
l
c
rGe
n
e
r
a
t
e
dH
o
l
og
r
a
m，CGH)
を表不することで任怠の形状を容易に形
成することが可能となるまた、計算機ホログラムを苫き換えることにより、その形状を随怠書き換えるこ
とが可能であるため、光情報処理、レーザー加工、光ヒ。ンセット、あるいは顕微観察に有財なデハイス
である。特にフェムト秒レーザー加工においては、ホログラム技術によって集光点を多#，とすることによ
って加工速度の 1
0
11
:
が閃られる。また、ホログラム技術を用いた従米の多点形成においては、￨日J .
平
面内に多点が形成されていたために、立体的な )
m工を行う場合には、試料金移動させると共にホログ
ラムをみき換える必袋があったのこれに刻して、本研究では 1枚の計算機ホログラムで立体的に多点を
形成させる技術を開発すると共に、作成された計算機ホログラムをレーザー加工に適用することで加
工速度の向上を凶ったの
4
.
5.
2 光波面制御モジュールを用いた 3次元一括多点加工
図 41
5に、位相 l
ホログラムをJl
h、た光波 [
f
l
j制御技術により任意のヒーム形状を生成する光波形成
形の概念、肉を示す
Z
E間的にガウシアン強度分布をイ可するレーザービームの手:問バターン形状を、
空間光変調穏に書き込まれる dl 算機ホログラムによって、任意の出力ノ fターン (a ~ d ) へとリアルタイム
に順次変化させることができる (
A→ a，B→ b
，C
→c
，D→ d) 。最下 nl~ の出 )J ノ 4ターン(d )の例では、クE
間光変調誌によって一本の光ビームが 1
9
0本の光ヒーム(f
HPKJ
の文字):二分岐されていることになる。
多点を形成て、きるホログラムの技術は、特にレーザー加 lにおいて効 )Jを発得するすなわち、従来
のレーザー加工においては、レーザー光を 1点に集光した状態で)
1
0工対象物あるいはレーザー集光
系を移動させることにより加下を行う 1
)
，
'
7
.
必
査I
J
I
Jてが行われていたため、広範囲の )m下念行う場合には
膨大な加て時間を要していた。また、フェムト秒レーザーを胤いた微細加 l
ーにおいては、加て品質を
維持するために最大入射光強度が制1
1
Ji!されるため、従来の 1点走査)JIl工ではレーザー出 J
J
'
J
tの大半
を無駄にしていたため、非常に非効率な )
J
I
Jてであった例えば、市販されるブェムト秒再生剤師椛で
は数 m
JH
I力が得られるにも関わらず、ガラス内部に導波路を形成するために要するエネルギーは数
1
0
μ
Jであるため、レーザーから U
l力される光のうち、 9
割以 1
:の光が無駄に捨てられていた。
00
点に集光されれば、 レーザーの企 1
1
¥
この様な場合、ホログラム技術によ って レーザー光が 1
)
Jを利 j
刊できるために、その!
J
日工速度 l
よ1
0
0
帽に附加することになる
さらに、集光点を立体
的な多点、に形成することができれば、加工対象物を走査しないで一信で多点!Jn
工を1Tうことが
可能となる。以下では、ホログラムによってレーザー光を立体的に多点に集光する技術の以理
と、実際にフェム卜秒レーザー )
J
I
J土に適用した結果を述べる
ー
1
2
0-
読み出し光
ιト
書き込み情報
計算機合成
ホログラム(仁GH)
何
回一
ン
(
A)
(
S
L
M
)
露
鱗
麟
護
翠
但B
C)
譲
鱗
欝
露
露向
(
d
)
(
0)
図 4ー1
5 位相ホログラムを用いた光波形成形の概念図
{
千
五、のビーム形状を生成するためには 、空間光変調総に書き込まれる u十算機ホログラムの作成技
術が重要となる。本研究では、光政面制御伎術を用いて透明材料内郎における 3次冗
倍加 1
.
をf
丁
うために、位相プレネノレレンズと日十算機ホログラムとを併用した位相ホログラム作成技術を開発した。開
発した位相 l
ホログラムによる3次冗ビーム生成の慨念図を図 4
16に示す
I
1
1
同知事示、合冷、小ミドトミF
ナボおミごちミ
i
総意ミミ主主総選 l
l
総経芯選議￨
~蕊ゑミ真実ぷ議 l
閣議室議総選黍l
Hologram
F
r
e
s
n
e
l
l
e
n
s
図 4-1
6 位相ホログラムによる 3次元ピ
ー1
21-
ム生成の概念図
イ立中目ホログラムは、奥行き方向を制御するための位相プレネノレレンズハターン
と
、 2 次正のビーム形
状を生成する計算機ホログラムとを足し合わせることで作成される。例え l
工
、'
"
2"
とし、う数字:のヒーム形
状を生成する計算機ホログラムと、焦点距離が +1
0 m の枕相フレネノレレンスハターンとを足し合わせ
ると計算機ホログ、ラムだけで生成されるつ"とし、う数字のビ ーム形状より手前の位置に“2"!
:
:
v、う数字
のビー ム形状が生成される。逆に、“4
"
としづ数字のビーム形状を生成する計算機ホログラムと、焦 点
距離が ー1
0m 0
)位相￨フレネノレレンス♂パターンとを足し介わせると、古 l
l
1
ij
幾ホログラムだけで、
生成される
つ"としづ数字のビーム形状より深いイ
立置に“
4
"
とし、う数下のビー ム形状が生成される。さらに、こr
れ
もらの
3枚のイ位すて
相
1
杭
t
羽
t
l
ホログラムを合}成占することにより弘、 “
jJ
I
向
凶
旬
白l
に一括}形彩成される。
奥行 点
白l
制御モジューノレに入力し、 I
le
Ne レーザーで読み出「ことにより 一次
この位相ホログラムを光波 J
冗の光ノぐターンを生成した結巣を肉 4
17に示す。再生像はレンズに近いほうから、“2
¥“
Y¥“
4"
と
し
、
う
数 字 が 牛 成 さ れ て い る こ と が 確 認 で き た 。 ￨剃口数が 0
.
3 の 対 物 レ ン ズ (NI
K ON ，
CFI
LUPlanFLUORXI
0)で再生した場合 、それぞれの光ノくずーンの間隔は、およそ 57μm間隔であり 、
Jn
工できることになる。
この場合には 38点を同時に i
図
4
1
7 H
e
N
eレーザーによる立体多点形成観測結果
s
、中心波長 800nm、繰返
次に 、フェム 卜秒再生噌陥器(コヒーレント社、 Legend-USP、パルス幅 50f
し周波数
1k
Hz)を矧いて、sK7ガラスの内部}
J
日Lを行った o
2
34
"
としづパタ
ムを用いて同一半面内に "
まず、従来の
F法により作成したホログラ
ンを形成した場合の加工結果を図 4
-1
8に示す。
-1
8 従来の手法によるホログラムを用いた同一平面内多点加工観測結果
図4
1
2
2-
i
Aに、本研究で閉経したホログラムにより 3次 元
指多点 J
m工を行った結果を図 4-19 に市す。
(
b
)γ ・
の/
l
j
li
W
If
立l
(tが対物レンス焦点伎町の )
J日￨結果を観 i
J
I
I
Iした結果に相、i
lし
、 (
a
) “2"は観 i
s
l
l
系の
焦点!古 j
付金手前};r
i
，
157~1 111 の位置にシフトさせた場合、 (c) ・4 ''!-t逆に観測系の任、点位置を奥行きん
1
[
1
15
7μmの伏 i
J
fにゾフトさせた札J
f
TのJ:JI
II:結果を組問、1
1
した結果である!これより、 1枚のホログラムで
イ/一体的な寸E多点J:J
I
I[
/
)
'
1Iわれていることが雌認されたn
(
a)集光レンズの焦点位置より手前 57μm
(
b)集光レンズの焦点位置
(
c
)集光レンズの焦点位置より奥行き方向 57μm
図 4-1
9 立体多点加工観測結果
ー1
23-
4
.
6
.光波面制御技術による球面収差補正
4.
6.
1 はじめに
透明材料内部にレーザー光を集光するとき、材料界面での屑折率ミスマ‘ノチによって球面収 Z
Eが
発生する球 I~i 収差!;):、集光領域を肥大化させると共にヒ ー タ強度も低下させるため、光ヒンセット、
微細力1I 1 、r
:
;
J分解能顕微観察等においてその刊能を劣化させる要閃となる。これらの問題を [
u
[避 す
るために、近年ではデフォーマブノレミラーや空間光変調訪日等を用いた球面収&tH
i
lEが、機々な研究
機関でj.:;現されている。Booth等(上、発生する球 I
M
i収差を解析的に計算し 、その逆ハターンの変位を
人身I
波面に加えることで、即時補正を可能としてしも
とし、う点で有効であるが、その
l
7
L彼ヤz
iの下法は簡似!に球面収差を補正できる
んで、レンスの関口数が大きい場合や、集光位置が淡い場合には収
業を精i
符に補正できないとし 、
う問題が生じるこれに対し我々は、そのような場合においても梢符な補
正を可能とする新しし、下法を考案した
1
6
L抜々の手法では、逆光線追跡法に』毒づいて、補正ノ fター
1
"
[
を最小とすることが可能なため、両素数あるいは位相
ンが作成されるさらに、補正パターンの PV1
変調度が f
f
[
坂とある空間光変調却を用いる場合に適した手法である。
4.
6
.
2 球菌収差補正の概念
.
}
:
f法での布IiI
Eハターン計算の概念凶を凶 4
2
0に示すc 屈折率が均ーな媒'i'J:中を光が伝t
訴
する場合、入射す1'I
H
i波 l
.tレンズによって曲卒、い符がレンズの f
R
A
I
l距向性 jに等しい球面波に変換
され、最終的に
￨
日'
J {
¥
'
r
.
i
i
10 に集光される。 この球面で定義される面を、補tパターンを
n出す
ο
るときの参照球面とする(図 4
-2
0の円』瓜 』 。一点、回折率 1
1，の媒質から属折率的の媒質へ
と光が伝捕する場合、光線が境界 l
面で刷折するために球面収差が発生し 、光線が光刺!と低i
内の
問方の方向に広がる 。 これに対して、我々の手法では、全ての光線が同一点に1t光すると仮定
し、仮怨集光点 0'
を始点として各光線の逆追跡を行って、補正ハターンを算出する。以下では、
補正パターンの算 I
U
}
J
i
.
去を説明する。
レンズのヰモ)，，:¥Cから距離 fdの位置に媒質が西日程され、集光点が O から 0'に変わる場合を
考えるこの時、参照球 l
創 仁の点 Aを発寸る光線 ABO'
の光路長 φ仰 は (
4
-3
)式により表される。
補正パターンは参照球 l
l
Ii
Lでの{立相変枕量と定義できるので、光線 ABO'の光路長 φ仰 と キ 軸
['.の光線 CDO・
の光路長 φ(
0
)との差分 φ(
6
り
ー
φ引
の より補正ハターンを計算することができる。
，"
φ(
0
)= x五百+いお'+n2x高 l
ー
1
1，
X
(
jX∞sO-d')in2×d
ャ
cosO
，
(
4
3
)
ー
c
o
s
θ2
(4-3)Jtを用いて光路長を算出するためには、光線 AO の角度 。 に対比;する 、 光事~
ABO'
の入射
す'
J(
)，およひ1
叫折角。2を求める必要がある 0
[
J
Iによりめから計算できるが、めを 0から
よC
1はスネノレの 1
解析的に求めることは困縦であるそこ('、以卜にホす様に傑泌がJ
にめを求めることにした。
凶4
2
0から、 0とめとの関係は
h，寸Ixc
o
s
O-d
)xtanθi
(
4
4
)
一
1
2
4-
，
，
， )
h=1，
+h =
}
'xs
i
n
θ
(
4
6
)
2111111 rflita J
llaF
1111111I
J
-
a
t
×
，
d
(
4
7
)
，
，
，
﹄
が 1~fられる
、 、
、
、
、 AU
で表される。 これらの式を解くことで
(
4
5
)
⋮
一
h =d
'
xtan ~ s
i
n1
'~sin 8，I
~
.
¥n
1
すなわち、めから Oが計算できるので、めを変化させて 0を評価し、 。が日r
r
明の角
，
4・3
)
度になるまでこの操作を繰り返す これにより光線 ABO'の 0 が決定できる 。得られた値を (
式に代人することで補正パターンが作成される 可
一庁、深い枕 i
立では球面以裁が噌大するので、 これを繍正するためには大きな位相変調訟が
!
iの解像度と位相変調量は有限でめるため、広い深さ範囲に
必要となる。 しかし、空間光変調 J
対応するためにはこの点を汚慮して補正パターンを設計する必要がある。本手法では、補ょと八
ターンの PV値が最小となるように集光点 。'を設定することで、 1
ぶい 1
奈さ範囲での球而収熊楠
七を n
l能とした。例えば、光源の波長を 66011m、レンズの焦点距出[
f
を/ニ3
.6mm、関口数を 0.
5
5、
l
r
射出脳 f
干を 41
1
1
m、試料の屑折半をi1]= 1
.
49、 l
i
l
lJ
t;j、存似しない場合の集光位置を 638μm と
位は Ad-3621
fm で最小となり、 それ以外の航では PV似が大きくなる
ナると、 PVj
ιd;340μm
P
V
;
2
6.
Br
a
d
(a)E1
，
n=
1.0
A
d
;
3
6
2~m
PV;
1
3.
6r
ad
。
104
}c
(EE
g
z
ωa
/
hU
(
~l
h=2mm
冒
(C)i
L
e
n
s
dd
(NA=0.55)
f=3.6mm
A
d
;
3
B
O~m
P
V
=
2
4.
6r
a
d
Eo
.
，
Q.
2
o
5
1
0 1
5 2
0 2
5
P
h
a
s
e(
r
a
d
)
図4
-2
0 逆光線追跡 j
去により補正パヲーンを作成するための概念図
4
.
6
.
3 球菌収差補正の検証システムの構築
木 T法による球面収差 l
i
l
i1
:の効果を権認するために、図 4-21 に'
J、
す構成を汀j
いて集光部の変化
を観測した。1
班長 6601
1
mの
、'
l羽体レーザー(胃袋屯機製、 ML10IJ27-01
)は、焦点lIfi雌 1
201
1
1
1
1
1の
、ド
ー1
2
5-
凸レンズによって平行光に変換された後に、光波面制御モジューノレに内蔵されたプリズムミラーを介し
て LCOS型空間光変調器(浜松ホトニクス製， X
I0468-01，有効領域 1
6刈 2mm、函素数 800x600
)
へ
と導光される。その後、 LCOS型空間光変調器によって補正パターンが与えられたレーザー光は、焦
点距隊f=
200mmおよびf=IOOmmの平凸レンズを用いた両側テレセントリックリレーレンズ(結
像モジューノレ)によって、 対物レンズ(
オリンパス製、 LMPlan50TR
，N.
A
.=0.
55，/=3.
6mm)の瞳面に縮
小率 1
1
2 で転像される。集光部の観測を容易にするために、試料 には弱し、散 乱のあるアクリノレ(三
菱レイヨン製、アクリノレライト L 302、n
z
=1
.4
9)を用いた。集光部は、対物レンズ(ミットヨ製、
MPlanNIR50，N.
A.
=0.
42)、長さ 5cmのエクステンションチューブ、 2倍エクステンダー(ベンタックス、
2
-EX)、および CCDカメラ(ソニー、 ST-30)
を用いてアクリル側面より拡大観察される。
R
e
l
a
y
I
e
n
sModul
e
図4
2
1 まま面収差補正の効果を確認するためのシステム概念図
4.
6.
4 球面収差補正の検証
本手法の効果を確認するために、球面収差を補正した場合と補 正しない場合の集光部を観測した。
図4
2
2は球面収差を補 正しない場合の集光部を観測した結果である。アクリノレプロック入射菌から集
光位置までの距離は、それぞれ い)d'
=100μn、(
b
)d
'=500μm、そして (
c
)d'
=1
0
0
0!
i
l
l
1である。球
面収差を補正しな場合には、強度分布が光軸方向に対して非対称であると共に、光軸 伝 播 垂直方向
と水平方向共に集光部が肥大化していることが確 認された。集光位置が深くなるほどその影響は大き
くなり、ピーク強度もこれに伴って低下する。
ー1
2
6-
図 4
2
2 球菌収差を補正しない場合の集光部観測結果 (
集光部の深さはそれぞれ (
a
)
d
=1
0
0
b
)d'=500μm.(
c) d
'=
1000μm。画像￨ま 60μmx
60μmに相当 。断面強度分布を併記)
μm， (
o 50 100150200250
o 50 10015020025日
図 4
-2
3 球菌収差を補正した場合の集光都観測結果 (集光部の深さはそれぞれ (
a
)
d
=1
0
0
b)d
'=5
0
0μm.(
c) d
'=1000μm
。画像は 60μm
x
60μmに相当 。断面強度分布を併記)
μm.(
図 4
2
4 球面収差を補正するために与えられた補正パヲーン (
集光都の深さはそれぞれ
(
a
)
d
=l
00μm. (
b)d
'=
5
0
0μm. (
c
) d'=
1000μm.
)
この状態で、本
r
i
:
去により球面以法を首l
i
i
l
二したJ
L
J
f
干
のu
ミ光部を観測した結果が￨豆1
4
-2
3であるまた、
それぞれの場合において人射波 l 白l に与えられた補正パターンを図 4-2 4 にノj 、す
L CO S 押~'~no 光変
調器のj
止大位伺変調量 2
π を組える(¥'[ff1変調 J
'
Ut2"で折り返される h
l
1折が生じない場合の j
長光{す
-1
27-
1
f
1
t
はそれぞれ 64μm、3
1
9
μ
1
1
1、そして 638μmであった。いずれの場合においても、光軸).Tl
n
Jに対して
対称な強度分イJ
Iが得られていると共に、球面収差を補正しない場 f
?と比較して、光申告伝熔垂直 )
j
J
n
Jと
;1<.平点向 jじにその大きさが圧縮された。例えば、集光位置が d'
=IOOO !
l
m の場合には、光軸伝陥 J
i
向に関しては半値全幅 (
FWHM)
で3
6μmから 7f
ll
1
1に
、 これに直交する J
i向に関しては 2μmから l
μm に圧縮された。これらの結果より、本研究において開発された球 l
白l
収益I!IiJ
E点法が、深い領i
成に
おいても祈効に機能していることが明らかになった。
次に、本研究の f
i
:
去と従来の
f
i
去とを比較するために、参与文献 1
7
)に示される従来の手法を用い
て上記実験と同憾な実験を行い、それらの集光部を比較した。従来の手法で作成される補正パター
ンは、ゼノレニケ多項式によって表される。球面収系は、ゼノレエケ多項式のうち 2次
、 4次
、 6次ならびに
日次の項の不1として表されるが、 2捗
く
のT
頁は集光位置の光制J}プの移動を表すため補正パターンを作成
する際にはこれを無視した。この場合、集光伶涯の移動量は ご = 2J
.
J
c
O
I(
(
)
/
2
)dAl
0で表されるため、同
4
2
0 における実際の集光位置 dl
'
よ d+ごとなる。したがって、従米の手法で実際の集光位慣を d'
=1
mmとするためには、屈折が生じない場合の集光位置を許735μm、集光{す澄の移動量をァ265μmと
す れl
まよい。この場合の補正パターンは関 4
・2
5 巾の点線で示される。比較のために、本研究の手法
により竹成された布l
i
l
主パターンを実線で示す。本研究の手法で実際の集光位置を d'
=11
1
1
mとするた
めには、肘 折が生じない場合の集光位向を d=638 !
1
1
1
1、集光併置の移動量を t
1
d
=
362μ
m とすればよ
1
い。この結果より、従来の手法により作成された補正パターンの PV値は、本研究の手法により作成さ
れた補正パターンの P
V値 の 1
.51
音大きし、ことがわかる。すなわち、従来の T法では空間光変調探に
よって与えられる位相母がみ;研究の F法と比較して
20
5
1
1¥
大きし、ことになる。
J，
C
o
n
v
e
n
t
i
o
n
a
Jmethod-ー
15
τ
コ
咽
』
Q)
1
0
"
'
問
4二
n
.
O
1
o
0，5
0，5
p
図4
2
5 従来 j
去を用いた場合と本研究の手 j
去を用いた場合の補正パ告ーン (
集光位置 d' =
1
冊、横軸はレンズ射出陸の半径を 1とした場合の相対値)
次に、従米法会川いた場合と本研究の手法を用いた場合の集光部を比較した。閃 4
2
6
1士従米泌を
件l し、て球 I~i 収ぷを補正した場合の集光部を観測した結果である。図 4-23 に示される木研究の下位、を
用いた場令と比較すると、集光部が光州 )
j
l
n
Jに関して非対柄、でであると共に 、集光部が肥大化してい
る様子が確認された
ー
1
2
8-
。
。
5
0 100 150200250
。
50 1
00 150200250
50 1
0
0 150200250
集光都の深さはそれ
図 4-26 従来;去を用いて球面収差を補正した場合の集光都観測結果 (
b
)d'=5
00μm，(
C) d
'=1000μm。画像は 60μmx60μmに相当 。断面強
ぞれ (
a)d=100μm， (
度分布を併記)
さらに、木
nl;では設計通りの位置に集光されるのに対し、従来法では設計i!liりの位置にIt集光さ
れなしことが明らかになったの凶 4-27(t設計値に対する実際の集光イ守山を計測した結果であり 従来
法による結身長を点線で、本研究の手法による結果を1:総で示した。本研究の手法では設計値に刈し
て 6%粍深い位 l
i
'tに集光されたのに対して、従長i
長I
tでは 16%程深い位置に集光されることが明かに
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レーザー加工等の分野においては、光の波 I
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成する波形成型の;百:裂が向まりつつあるのこれらの技術 l 士 、~j'j微観察における解像度の向上 、 加工
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今後の民唱として、本研究で開発したモ Yコールの j
形態に捕らわれず、光波 I
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モジューノレを峨々な
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る分野を開拓すると I
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こ、その有刷性を実証寸ることが急務である特に、ブヱムト秒レーザーの応
用分野においては、光波面制御校術は未だ州知されていない佼術である先に述べた波形幣形容と
相主って、その応川分里問、拡大されることが始i
く明まれる
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.第 4章の参考文献
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第5
章結論
1969 年にサブピコ秒のパノレスの発生が実現されて以後、フェムト秒レーザー技術は飛躍的な発展
を遂げ、現在で、はパルス幅が 1
0フェムト秒より短い光パルスを放つレーザーが閣発されるまで、に至っ
た口同時に、半導体レーザー励起固体レーザーの第二高調波を励起光源とするなどして、フェムト秒
レーザーの小型化も図られるている。しかしながら、固体レーザーの第二高調波を励起源とする手法
は、構造が複雑であると共に電気一光変換効率が低い口産業界においてフェムト秒レーザーの応用
分野を発展させるためには、レーザー装置の小型化および低コスト化が必要不可欠であり、そのような
フェムト秒レーザーの登場が待ち望まれている。
一方、時間幅が短く(超高速性)、非常に高いレーザー強度を持つ(超高電界)フェムト秒レーザー
は、物質中で非常に高速に起こる緩和現象等の観測、熱の影響が少なく周囲の組織を傷っけない特
徴を利用した医療応用、多光子吸収等の非線形過程を利用した透明材料の内部加工、あるいは超
精密微細加工等の様々な分野に応用されつつある。フェムト秒レーザーの「超高速性」を用いることに
よって、これまで、観測し得なかった超高速現象を観測で、きるようになった 高速カメラの例から容易に
D
推測されるように、パルス幅が短くなることは、これを光源(=超高速フラッシュ)として観測する超高速
現象の時間分解能がパルス幅と同程度に短くなることを意味する。これによって、これまで観測するこ
とがで、きなかった物理現象の超高速時間領域で、の詳細なメカニズムが解明されるようになった フェム
D
ト秒レーザーの効用はこれだけにとどまらず、その「超高電界」を利用して様々な非線形効果を誘起す
ることで様々な応用が展開されるようになった パルス光による物質の破壊は主としてレーザーのエネ
O
ノレギーによって決定されるため、パルスエネノレギーが小さくピーク強度が大きいフェムト秒レーザーを
用いることによって物質を破壊せずに大きな非線形効果を起こすことがで、きる。例えば、フェムト秒レ
ーザーを透明材料内部に集光する場合、集光部以外にはダメージを与えず、集光部だけが変質ある
いは変形されるため、ガラスの割断やガラス内部の局所加工等が可能となる。また、フェムト秒レーザ
ーを用いた従来の応用では、その「高速性」と「超高電界 jと
し 1った特性だけが着目されていたが、こ
れらの特性に「光の位相」とし 1う新たな付加価値を融合させることにより、既存の研究分野の進展のみ
ならず、新たな研究分野の開拓、さらには産業界においてフェムト秒レーザーを展開させることが可能
になると期待されている口そのためには、光の位相制御技術そのものを向上させるとともに、フェムト秒
光パルスの「発生技術」、「制御技術」、「計測技術」等の超高速光技術を総合的に機能させると共に、
装置を小型化するなどして操作性に優れたシステムを開発する必要がある口
これらの要求に応える為に、本研究で、は半導体レーザーで、直接励起することで、実現される小型の
全国体フェムト秒レーザーの開発を目指した口さらに、フェムト秒レーザーの時間的な位相(時間波
形)制御技術ならびに空間的な位相(波面)制御技術を開発すると共に、これらの技術をシステム化す
ることによりブェムト秒レーザーの応用展開を図った
O
第 2章では、フェムト秒レーザー装置の小型化を実現するために、半導体レーザーで直接励起する
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3
2-
ことが可能な Cr:LiSAFレーザー媒質に着目し、小型な全固体フェムト秒レーザーの実現を図った ブ
O
ェムト秒光パルスを発生させるためには発振波長帯域の広いレーザー共振器を構築する必要がある
ため、
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発振状態において
100nm以上の連続波長可変を実現することにより、レーザー共振器の
発振波長帯域を確認した口次に、能動モード、同期法によるヒ コ秒パルスの発生を試みた結果、 88 nm
O
の帯域にわたって 146~200 ヒo コ秒の光ノ《ノレスが得られ、パルス発振動作時においてもレーザー共振
器の帯域が維持されることを確認した。これらの基礎評価を踏まえて、半導体レーザーでの直接励起
による小型な全国体フェムト秒レーザーの実現を試みた この際、波長分散を補正するために用いる
O
プリズム対の聞にレーザー媒質を配置する新たな構成を考案し、この構成を用いることによってレーザ
ー共振器を 25x16cmにまで、小型化することに成功した口
第 3章では、時間的な位相(時間波形)制御技術を開発すると共に、光アドレス型空間光変調器を
用いることによって、小型で、ありながら高い波長分解能を有する時間波計制御装置(波形整形器)を
開発した。同時に、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐光性を有する光アドレス型空間光変
調器を開発することで、再生増幅フェムト秒レーザーの時間波形制御を可能とした。さらに、波形整形
された高強度フェムト秒光ノ《ルスを透明材料の内部加工に適用することで光と物質の相互作用を制
御できることを実証した。また、光と物質の相互作用が未知の状態においても、反応効率に関する情
報を波形整形器にフィードパックすることで、その反応効率を自動的に向上させることが可能な適応
型反応制御装置を開発した そして、制御アルゴ、リズムとしてシミュレーテッドアニーリング法を用いる
D
ことで、ガラス媒質や光ファイバー伝播時に生じる波長分散、あるいは非同軸光パラメトリック増幅時に
生じる波長分散を自動的に補正できるととを実証し、制御系の有意性を実証した。
第 4章では、高強度フェムト秒レーザーに対して十分な耐光性を有する LCOS 型空間光変調器を
開発すると共に、波面制御を行うための光学系をモジューノレ化することで、レーザー加工における波面
制御技術の実用化を図った 従来のブェムト秒レーザー加工においては、レーザー光を 1点に集光し
O
た状態で試料を走査する 1
1 点走査加工」が用いられていたために、加工効率が悪く、産業界への応
用展開を阻む要因となっていた。これに対して、本研究では、計算機ホログラムを用いた 13次元一括
多点形成技術 Jを開発し、この技術を用いることで加工効率を大幅に向上させることに成功した。また、
レーザー光を透明材料内部に集光する場合に、球面収差が発生することで集光部が肥大化し、これ
が加工精度を劣化させる要因となる 従来は、発生する球面収差を解析的に算出し、球面収差に相
D
当する補正パターンを与えることによって球面収差を補正する試みがなされていたが、レンズの開口
数が大きい場合、あるいは集光位置が深い場合には球面収差を精密に補正することがで、きなかった。
そこで、本研究では、光線を逆追跡することで、球面収差を補正するパターンを算出する手法を考案し、
こ検証した
この手法を用いることによって球面収差が精密に補正されることを実験的 l
O
以上のように、本研究で、はフェムト秒光ノ勺レスの発生・制御技術の開発だけでなく、これらの技術が
広く活用されることを念頭において各技術のシステム化を図った O さらに、開発したシステムを用いて
様々な応用研究を展開させることで、その技術の実用性を実証した。ただし、本論文で取り上げた
ブェムト秒光パルス発生技術、制御技術そして計測技術は、ブェム卜秒レーザーを取り巻く技
-1
3
3-
術の中のほんの一部に過ぎない口基礎科学研究の分野では、これ以外にも様々な超高速光技術
に関する研究開発が進められている口これらの超高速光技術が学術分野だけにとどまらず、近
い将来、身近な技術として実用化されることを期待する。その実現にあたっては、個々の技術が
革新されるだけではなく、様々な分野の技術を融合させることで複合的に研究を推進する環境整備
も必要になるであろう。我々も、その一役を担えるよう研究を推進してして所存である。
最後に、学術分野で開発された超高速光技術が産業界に浸透すると同時に、産業界において
実用化された技術が基礎科学にフィードパックされるという良き循環系が構築され、超高速光
技術がより一層発展することを期待する。
-1
3
4-
謝辞
本論文は、浜松ホトニクス株式会社に入社以来、 1
8年に渡って携わってきた超高速光技術に
関する研究における成果をまとめたものであり、こうした機会を与えていただいたことに深く
感謝し、たします。
本論文をまとめるにあたり、御指導・御鞭捷頂いた、静岡大学工学部機械工学科川田善正教
授に心から感謝の意を表すと共に、適切な御指示を賜った大坪順次教授、慶本宣久教授、斎藤
隆之教授、杉田篤史准教授に深謝し、たします。
本研究の機会を与えてくださり、また研究遂行にあたり御助言をいただいた浜松ホトニクス
株式会社董馬輝夫代表取締役社長、鈴木義二常務取締役中央研究所長、ならびに原勉中央研究
所長代理、また研究当初より直接ご指導くださり、終始御鞭撞いただいた、青島紳一郎第 3研
究室室長に心から感謝の意を表す
D
本研究は、中央研究所第 3研究室、ならびに第 4研究室において遂行されたものであり、長
年にわたり同じ研究グルーフ。で、実験データの解析等にご協力頂いた浦上恒幸氏に感謝する口ま
た、本研究遂行中、種々御協力いただいた井上卓氏に感謝する口
本研究は、その他多くの人の御協力よるものであり、厚くお礼申し上げる次第である口
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5-
論文リスト
A学位論文申請資格に関わる論文
主著の原著論文
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共著の原著論文
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)西川慎二，伊藤晴康ラ東孝憲，青島紳一郎，土屋裕真空コアの中空ファイバで、伝送させた高
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(1)伊藤晴康ラ青島紳一郎，大林寧，平野伊助
185nm波 長 可 変 LD励 起 Cr:LiSAFレーザー J，第
39回応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 9
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) 伊藤晴康，青島紳一郎，大林寧，平野伊助
ILD励 起 Cr:LiSAFレーザーのモード、同期 J，レー
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.
ザー学会学術講演会第 20回年次大会講演予稿集， 30pV6(
(
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) 伊藤晴康，青島紳一郎，黒柳和良，大林寧，土屋裕全国体フェムト秒レーザーの試みん光
学連合シンポジウム浜松 '
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4講演予稿集， 23Dall(
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)
.
(
4
) 伊藤晴康，黒柳和良，瀧口義浩，大林寧，青島紳一郎
ICr:LiSAFレーザーのカーレンズ、モー
ド同期」ラレーザー学会学術講演回第 1
4回年次大会講演予稿集， 20a皿 1
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(
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) 伊藤晴康，青島紳一郎，大林寧，土屋裕全固体フェムト秒 Cr:LiSAFレーザーJ，第 5
6回応用
物理学関係連合講演会講演予稿集ラ 2
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)
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(
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)伊藤晴康，青島紳一郎，大林寧，土屋裕小型全国体Cr:LiSAFフェムト秒レーザー J
，第 4
3目
応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 27a-A・1(
19
9
6
)
ー
(
9
) 伊 藤 晴 康 ラ 青 島 紳 一 郎 ， 土 屋 裕 小 型 全 国 体Cr:LiSAFフェムト秒レーザーのパルス繰返し可
，第 44回応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 9p-M1(
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(
11
)伊藤晴康，青島紳一郎，土屋裕全固体フェムト秒Cr:LiSAFレーザーからの 30フェムト秒パノレ
スの発生 J
，レーザー学会学術講演会第 1
6回年次大会講演予稿集， 25pVII6(
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J，第 44回応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 30p-NB-I0(
19
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)
.
(
14
)伊藤晴康，浦上恒幸，青島紳一郎，土屋裕高強度レーザー用反射型波形整形器の開発 Jラ
第6
3回応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 26p-YC・4(
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)伊藤晴康，浦上恒幸，青島紳一郎，土屋裕適応型反応制御システムによる高次分散の自動
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，第 6
3回応用物理学関係連合講演会講演予稿集， 31p-ZB・1
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(
17
)伊藤晴康，浦上恒幸，青島紳一郎，土屋裕高強度フェムト秒レーザーパルス光の波形制御 J，
第6
3回応用物理学関係連合講演会講演予稿集(招待講演)， lp-ZN2(
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.
四
)伊藤晴康ラ浦上恒幸，青島紳一郎，土屋裕高強度波形整形パルス光の加工への応用 J，電
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気学会光・量子デノくイス研究会資料， OQD-03-9(
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.
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)伊藤晴康，井上卓，福智昇央，松本直也，原勉高強度フェムト秒レーザー用波面制御モジュ
8四年次大会講演予稿集， D4-31pVI
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.
ールの開発 J，レーザー学会学術講演会第 2
(
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)伊藤晴康，井上卓，福智昇央空間光位相変調器を用いた球面収差補正の検討 Jラ応用物理
学会学術講演会予稿集， 4a-V
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共著の口頭発表
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信学会・ブェムト秒ナノフォトニクス研究会講演予稿集， (
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自然を利用した発電コンペ

粘弾性流体における壁乱流の直接数値解析 東京理科大学理工学部機械

詳しくはこちら - 株式会社ハブロッツ

腰部疾患講習会 - 理学療法科学学会

スライド 1

テーマ概要（Word版） - 宇宙ステーション・きぼう

駅前広場におけるタクシープールの配置の方法に関する研究 - 土木学会

シロアリ共生微生物の欠落および水平伝搬の可能性に関する - 琉球大学

ジェスチャを真似することによる情報の受け渡し - (ISS)研究会

MI-TUNA ツナガル日本語説明書 二、スマートフォンとカメラ本体の Wi