JP4550963B2

JP4550963B2 - Optical waveform shaping device

Info

Publication number: JP4550963B2
Application number: JP2000082626A
Authority: JP
Inventors: 晴康伊藤; 恒幸浦上
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001272637A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の波形を整形するために用いられる光波形整形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばレーザ装置等において、フェムト秒（ｆｓ）オーダーの光パルスの波形整形に空間光変調器（ＳＬＭ）を用いることが検討されている。このＳＬＭは、コンピュータ制御プログラム等を用いて制御可能なデバイスであるため、波形の整形を容易に行なうことが可能である。
【０００３】
図１１は、ＳＬＭを用いた従来の光波形整形装置の１例を示す構成図である。
この光波形整形装置１００は、反射型のＳＬＭ１０３を用いて構成されており、波形整形の対象となる入射光は入射用グレーティング１０１によって分光された後、入射用凹面鏡１０２を介してＳＬＭ１０３に入力して変調される。変調された光は、出射用凹面鏡１０４を介して出射用グレーティング１０５によって再び重ね合わせられて、全反射鏡１０６によって所定の光軸方向に出射される。
【０００４】
図１２及び図１３は、このような光波形整形装置による波形整形の具体例を示すグラフである。本例では、入射光を、パルス幅６４ｆｓ、中心波長７８９．５７ｎｍ、スペクトル幅１２．５９ｎｍ、光強度２００ｍＷのＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの光パルスとし、これに図１２に示す位相変調を印加する。このとき、図１３（ａ）の時間波形に示すようなシングルパルスの光パルスが、図１３（ｂ）に示すように遅延時間が異なる複数の光パルスからなるパルス列に波形整形される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来の光波形整形装置におけるＳＬＭで与えられる位相変調量には限界があるため、それを超える位相変調量を与えるには、光を最大位相変調量で複数回折り返さなければならなかった。例えば、最大位相変調量が２πラジアンであるＳＬＭを用いて１００πラジアンの位相変調を与える場合には、５０回の折り返しが必要であった。
【０００６】
しかしながら、ＳＬＭを複数回折り返した場合の位相変調パターンは図１４に示されるようなパターンとなるが、ＳＬＭにこのような急峻な位相変調を与えることは困難であり、折り返し部分等の波形が鈍くなってしまうことがあった。そのうえ、ＳＬＭの電極本数が限られている（例えば１２８本）ため、折り返し数が多くなると図１５に示されるように分解能が劣化してしまい、結果として所望の位相変調パターンを実現することが困難になるという問題点があった。
【０００７】
また、光が光学系を伝搬する際に位相分散を生じてしまうという問題点もあった。このような場合には、光学系で生じた位相分散の補正もＳＬＭにおいて行なう必要があったため、ＳＬＭにかかる負担が増大してしまうことになっていた。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、光学系の位相分散を容易に補正することが可能であると共に、大きな位相変調を高精度に与えることが可能な光波形整形装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光波形整形装置は、入射光の波形を整形して出射する光波形整形装置において、入射光を分光する光分離手段と、光分離手段によって分光された光を結像する第１の結像手段と、第１の結像手段によって結像された光を変調する空間光変調器と、空間光変調器によって変調された光を結像する第２の結像手段と、第２の結像手段によって結像された光を重ね合わせる光重畳手段と、光分離手段及び光重畳手段の少なくともいずれか一方を移動させることによって、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能な光路距離調整手段とを備え、光分離手段及び光重畳手段は、それぞれ、グレーティング溝間隔がｄの単一のグレーティングであることを特徴とする。
【００１０】
この光波形整形装置では、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化させることによって、光に対して能動的に位相変調（位相分散）を生じさせることができる。すなわち、大きな位相変調を行なう場合であっても、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化させることで大まかな位相変調を行ない、細かい位相変調をＳＬＭを用いて行なえば、高い精度を維持することが可能になる。
【００１１】
また、光が光学系を伝搬する際に位相分散を生じた場合にも、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を変化することによって逆の位相分散を与えれば、これらの位相分散を相殺することができる。従って、位相分散を容易に補正することができると共に、ＳＬＭにかかる負担を軽減することが可能になる。
【００１２】
この光波形整形装置において、上記光分離手段及び上記光重畳手段は、グレーティングであることが好ましい。
【００１３】
光分離手段及び光重畳手段としてグレーティングを用いることによって、位相分散を効率的に与えることが可能になる。なお、光分離手段及び光重畳手段としてはプリズムを用いることもできる。
【００１４】
また、この光波形整形装置において、光分離手段と第１の結像手段との間の光路上、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路上の少なくともいずれか一方に配置された反射部材をさらに備え、上記光路距離調整手段は、光分離手段及び光重畳手段の少なくともいずれか一方と反射部材とを移動させることによって、光分離手段と第１の結像手段との間の光路距離、及び、光重畳手段と第２の結像手段との間の光路距離の少なくともいずれか一方を調整可能であることも好ましい。
【００１５】
このように光分離手段（又は光重畳手段）と反射部材とを１対として移動させることによって、光軸を変化させることなく光路距離を調整することが可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る光波形整形装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一又は相当要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１７】
まず、本発明に係る光波形整形装置の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る光波形整形装置１の構成図である。この光波形整形装置１は、入射用グレーティング１１と、入射用凹面鏡１２と、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ）１３と、出射用凹面鏡１４と、出射用グレーティング１５と、全反射鏡１６と、入射用グレーティング位置調整部１７と、出射用グレーティング位置調整部１８とを備えて構成される。
【００１８】
光波形整形装置１の各要素は、入射用グレーティング１１に入力された入射光が図１中実線矢印のように進行することができるように配置されている。また、入射用凹面鏡１２とＳＬＭ１３との間隔（光路距離）、及び、出射用凹面鏡１４とＳＬＭ１３との間隔（光路距離）は、それぞれ各凹面鏡の焦点距離ｆ₁及びｆ₂となるように配置されている。
【００１９】
従来の光波形整形装置では、グレーティングと凹面鏡との間の間隔は各凹面鏡の焦点距離ｆ₁及びｆ₂に固定されていたため、おのずからグレーティング間の光路距離は一定値とされていた。本実施形態では、入射用グレーティング位置調整部１７が入射用グレーティング１１の側面部に接続されており、入射用グレーティング１１を光路方向（図１中破線矢印で示される方向）に移動させることが可能になっている。同様に、出射用グレーティング位置調整部１８が出射用グレーティング１５の側面部に接続されており、出射用グレーティング１５を光路方向に移動させることが可能になっている。これによって、本実施形態では、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の間隔（光路距離）、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の間隔（光路距離）を調整することが可能になっている。
【００２０】
続いて、本実施形態に係る光波形整形装置の基本的な動作について説明する。
この光波形整形装置１による波形整形の対象となる入射光として、例えばパルス幅６４ｆｓ、中心波長７８９．５７ｎｍ、スペクトル幅１２．５９ｎｍ、光強度２００ｍＷのＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅレーザの光パルスが適用される。
【００２１】
この入射光は、図１の実線矢印に示されるように、入射用グレーティング１１によって各波長成分に分光された後、入射用凹面鏡１２によって結像されながらＳＬＭ１３に入力される。入力された光は、ＳＬＭ１３によって位相変調された後、出射用凹面鏡１４を介して出射用グレーティング１５に入射して各波長成分が重ね合わせられる。そして、全反射鏡１６を介して最終的に波形整形された出射光として所定の光軸方向に出射される。
【００２２】
上記のような波形整形処理を行なう際に光学系を伝搬する光が位相分散を生じてしまうため、本実施形態では、入射用グレーティング位置調整部１７及び出射用グレーティング位置調整部１８を用いて入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との間の光路距離を調整し、光に逆の位相分散を与えることによって位相分散を相殺して補正する。以下において、光路距離の調整によって位相分散を補正する方法を具体的に説明する。
【００２３】
中心周波数ω_０（中心波長λ_０＝２πｃ／ω_０、ただしｃは光速）のパルス光が分散媒質（例えば、正常分散媒質であるＢＫ７ガラス）を伝搬した場合に生じる位相分散は、
【数１】

により与えられる。ただし、ｎ（λ）は分散媒質の屈折率、ｚは分散媒質の伝搬長さとする。
【００２４】
例えば、伝搬長さｚを２００ｍｍとし、分散媒質を伝搬する光を本実施形態で用いられる入射光（中心波長７８９．５７ｎｍ）とした場合、分散媒質を伝搬する際に生じる位相分散を式（１）によって求めると、図２のグラフに示されるような位相分散（位相遅延、以下「負の位相分散」という）が得られる。
【００２５】
一方、図３に示すようなグレーティング対を光が通過した際に生じる位相分散は、
【数２】

により与えられる。ただし、α＝−ｃｏｓγ／ｃｏｓθ_m、β＝ｍλ²／（２πｃｄｃｏｓθ_m）、γはグレーティングへの入射角、θ_mはグレーティングからの出射角、ｍは回折次数、ｄはグレーティング溝間隔、Ｍはレンズ系の拡大率、ｋは波数である。また、図３に示すように、ｚ₁及びｚ₂は、それぞれ各レンズ系の焦点距離ｆ₁及びｆ₂から、グレーティングとレンズ系との間の光路距離を減じた値である。
【００２６】
本実施形態では、グレーティング対による位相分散が式（２）のように光路距離ｂに依存することを用いて、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整して逆の位相分散（位相進み、以下「正の位相分散」という）を能動的に生じさせる。すなわち、光が光学系を伝搬する際に図２に示される負の位相分散が生じていた場合には、図４に示される正の位相分散（図２に示される位相分散の逆の位相分散）を生じさせるような光路距離の値を求め、その値に基づいて入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整する。例えば、式（２）においてＮ＝８３０（ｌｉｎｅ／ｍｍ）、入射角λ＝２８．５°、出射角θ_m＝１０．３°のときには、ｚ₁＝ｚ₂＝−７．３５（ｍｍ）とすれば、図４に示される正の位相分散を得ることができる。
【００２７】
なお、入射用グレーティング１１及び出射用グレーティング１５の移動に伴って光路がずれてしまった場合には、入射用凹面鏡１２及び出射用凹面鏡１４にアオリを与える（すなわち、図１の紙面に垂直な軸に対して回転させる）ことによって修正すればよい。
【００２８】
次いで、本実施形態に係る光波形整形装置１において、上記のように入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との光路距離を調整することによって位相分散を補正した例を図５〜図７を参照しながら説明する。なお、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間隔（光路距離）、及び、出射用凹面鏡１４と出射用グレーティング１５との間隔（光路距離）は、予め各凹面鏡の焦点距離ｆ₁及びｆ₂（例えばそれぞれ３５０ｍｍ）とされているものとする。
【００２９】
図５は、光源（本実施形態ではＴｉ：ｓａｐｐｈａｉｒｅレーザ）から出射された直後の光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフであり、図６は、光路距離調整前の光波形整形装置１によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。図６に示すグラフから明らかなように、光波形整形装置１によって波形整形された光パルスには、負の位相分散が生じている。
【００３０】
図７は、上記の式（２）に基づいて光路距離を調整した後（例えば、入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間隔、及び、出射用凹面鏡１４と出射用グレーティング１５との間隔を３５７．４ｍｍとし、入射用グレーティング１１と出射用グレーティング１５との間の光路距離を１４．８ｍｍ大きくした後）の光波形整形装置１によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。図７に示すグラフから、グレーティング間の光路距離を調整したことによって位相分散が補正されていることが明らかである。従って、本実施形態に係る光波形整形装置１によれば、ＳＬＭ１３の負担を増大させることなく位相分散を補正することが可能になる。
【００３１】
さらに、本実施形態に係る光波形整形装置１において、上記のように位相分散を能動的に生じさせることを利用すると、光に大きな位相変調を与えることも可能になる。すなわち、与えたい位相変調量に対応するグレーティングと凹面鏡との間の光路距離を式（２）を用いて求め、それに基づいて入射用グレーティング１１と入射用凹面鏡１２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング１５と出射用凹面鏡１４との間の光路距離を調整すれば、大きな位相変調を大まかに与えることができる。従って、ＳＬＭ１３を用いて細かな位相変調のみを与えればよい（位相変調の微調整をすればよい）ため、ＳＬＭ１３の負担を増大させることなく大きな位相変調を高精度に与えることが可能になる。
【００３２】
次に、本発明に係る第２の実施形態について説明する。図８は、第２の実施形態に係る光波形整形装置２の構成図である。この光波形整形装置２は、入射用グレーティング２１と、入射用レンズ２２と、透過型の空間光変調器（ＳＬＭ）２３と、出射用レンズ２４と、出射用グレーティング２５と、入射用反射部材２６と、出射用反射部材２７とを備えて構成される。
【００３３】
また、この光波形整形装置２では、透過型のＳＬＭ２３が用いられているため、入射用反射部材２６、入射用レンズ２２、ＳＬＭ２３、出射用レンズ２４、及び出射用反射部材２７が同一直線上になるように配置されている。また、入射用レンズ２２とＳＬＭ２３との間隔（光路距離）、及び、出射用レンズ２４とＳＬＭ２３との間隔（光路距離）は、それぞれ各レンズの焦点距離ｆ₁及びｆ₂となるように配置されている。
【００３４】
続いて、本実施形態に係る光波形整形装置２の基本的動作について説明する。
光波形整形装置２に入射した光は、図８の実線矢印に示されるように、入射用グレーティング２１によって各波長成分に分光された後、入射用反射部材２６に反射され、入射用レンズ２２によって結像されながらＳＬＭ２３に入力される。入力された光は、ＳＬＭ２３によって位相変調された後、出射用レンズ２４を介して出射用反射部材２７に反射され、出射用グレーティング２５に入射して各波長成分が重ね合わせられる。そして、最終的に波形整形された出射光として所定の光軸方向に出射される。
【００３５】
また、本実施形態に係る光波形整形装置２では、図８に示されるように、光の入射方向及び出射方向が同一方向であり、その入射（出射）方向がＳＬＭ２３を透過する際の光路方向と平行となっている。そのため、この光波形整形装置２では、入射用グレーティング２１及び入射用反射部材２６、並びに、出射用グレーティング２５及び出射用反射部材２７を図８中破線で示すように平行移動させることによって、入射用グレーティング２１と入射用レンズ２２との間の光路距離、及び、出射用グレーティング２５と出射用レンズ２４との間の光路距離を調整することができる。従って、光軸を変化させることなく光路距離を調整することが可能であり、光軸の調整処理（レンズのアオリ等）を行なう必要がない。
【００３６】
なお、本発明に係る光波形整形装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、他の条件等に応じたさまざまな変形態様をとることが可能である。例えば、上記第１の実施形態では、入射用グレーティング１１（又は出射用グレーティング１５）と入射用凹面鏡１２（又は出射用凹面鏡１４）との間の光路距離を、凹面鏡の焦点距離ｆ₁（ｆ₂）より長くする（すなわち、図３においてｚ₁（ｚ₂）＜０とする）ことによって、入射光に正の位相分散を与えることを説明したが、入射用グレーティング１１（又は出射用グレーティング１５）と入射用凹面鏡１２（又は出射用凹面鏡１４）との間の光路距離を、凹面鏡の焦点距離ｆ₁（ｆ₂）より短くする（すなわち、図３においてｚ₁（ｚ₂）＞０とする）ことによって、入射光に負の位相分散を与えることもできる。
【００３７】
また、図９に示されるように、第１の実施形態に係る光波形整形装置１において、入射光が入射用グレーティング１１に入射する直前の光路上、及び、出射用グレーティング１５を出射した直後の光路上に、分散媒質３１及び３２を配置してもよい。この場合でも、能動的に負の位相分散を与えることができる（例えば、波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形は図１０に示すグラフのようになる）ため、入射用グレーティング１１又は出射用グレーティング１５の位置調整と併用することによって、正負両方の位相分散を与えることも可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光波形整形装置によれば、光学系の位相分散を容易に補正することが可能であると共に、大きな位相変調を高精度に与えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る光波形整形装置の構成図である。
【図２】光学系を伝搬する際に生じる位相分散（負の位相分散）を示すグラフである。
【図３】グレーティング対による位相分散を説明するための模式図である。
【図４】位相分散（負の位相分散）を補正するための逆の位相分散（正の位相分散）を示すグラフである。
【図５】光源から出射された直後の光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図６】光路距離調整前の光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図７】光路距離調整後の光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図８】第２の実施形態に係る光波形整形装置の構成図である。
【図９】第１の実施形態に係る光波形整形装置の光路上に分散媒質を挿入した場合の構成図である。
【図１０】分散媒質が挿入された光波形整形装置によって波形整形された光パルスのスペクトル波形及び位相波形を示すグラフである。
【図１１】従来の光波形整形装置の構成図である。
【図１２】光パルスに対する位相変調の１例を示すグラフである。
【図１３】光パルスを位相変調することによってパルス列に整形された波形の１例を示すグラフである。
【図１４】光パルスが空間光変調器を複数回折り返した場合の位相変調パターンの１例を示すグラフである。
【図１５】図１４に示される位相変調パターンに対する空間光変調器の分解能を示すグラフである。
【符号の説明】
１…光波形整形装置、２…光波形整形装置、１１…入射用グレーティング、１２…入射用凹面鏡、１３…空間光変調器（ＳＬＭ）、１４…出射用凹面鏡、１５…出射用グレーティング、１６…全反射鏡、１７…入射用グレーティング位置調整部、１８…出射用グレーティング位置調整部、２１…入射用グレーティング、２２…入射用レンズ、２３…空間光変調器（ＳＬＭ）、２４…出射用レンズ、２５…出射用グレーティング、２６…入射用反射部材、２７…出射用反射部材、３１…分散媒質、３２…分散媒質、１００…光波形整形装置、１０１…入射用グレーティング、１０２…入射用凹面鏡、１０３…空間光変調器（ＳＬＭ）、１０４…出射用凹面鏡、１０５…出射用グレーティング、１０６…全反射鏡[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical waveform shaping device used for shaping an optical waveform.
[0002]
[Prior art]
In recent years, for example, in a laser apparatus or the like, it has been studied to use a spatial light modulator (SLM) for waveform shaping of an optical pulse of femtosecond (fs) order. Since this SLM is a device that can be controlled using a computer control program or the like, it is possible to easily perform waveform shaping.
[0003]
FIG. 11 is a block diagram showing an example of a conventional optical waveform shaping device using an SLM.
This optical waveform shaping device 100 is configured using a reflective SLM 103, and incident light to be subjected to waveform shaping is spectrally separated by an incident grating 101 and then input to the SLM 103 via an incident concave mirror 102. Modulated. The modulated light is superimposed again by the exiting grating 105 via the exiting concave mirror 104 and is emitted by the total reflection mirror 106 in a predetermined optical axis direction.
[0004]
12 and 13 are graphs showing specific examples of waveform shaping by such an optical waveform shaping device. In this example, the incident light is a light pulse of a Ti: sapphire laser having a pulse width of 64 fs, a center wavelength of 789.57 nm, a spectral width of 12.59 nm, and a light intensity of 200 mW, and the phase modulation shown in FIG. 12 is applied thereto. At this time, the single pulse optical pulse as shown in the time waveform of FIG. 13A is shaped into a pulse train composed of a plurality of optical pulses having different delay times as shown in FIG. 13B.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Since there is a limit to the phase modulation amount given by the SLM in the conventional optical waveform shaping device as described above, in order to give a phase modulation amount exceeding this, the light must be diffracted multiple times with the maximum phase modulation amount. It was. For example, when applying phase modulation of 100π radians using an SLM having a maximum phase modulation amount of 2π radians, it is necessary to fold 50 times.
[0006]
However, the phase modulation pattern when the SLM is folded back multiple times becomes a pattern as shown in FIG. 14, but it is difficult to give such a steep phase modulation to the SLM, and the waveform of the folded portion is dull. Sometimes it became. In addition, since the number of electrodes of the SLM is limited (for example, 128), when the number of turns increases, the resolution deteriorates as shown in FIG. 15, and as a result, it is difficult to realize a desired phase modulation pattern. There was a problem of becoming.
[0007]
Another problem is that phase dispersion occurs when light propagates through the optical system. In such a case, the phase dispersion generated in the optical system must be corrected in the SLM, which increases the burden on the SLM.
[0008]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides an optical waveform shaping device that can easily correct phase dispersion of an optical system and can provide large phase modulation with high accuracy. The purpose is to do.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An optical waveform shaping device according to the present invention is a light waveform shaping device that shapes and emits a waveform of incident light, and firstly forms a light separating unit that separates incident light and an image formed by the light separated by the light separating unit. Imaging means; a spatial light modulator that modulates light imaged by the first imaging means; a second imaging means that images light modulated by the spatial light modulator; By moving at least one of the light superimposing means for superimposing the light imaged by the imaging means and the light separating means and the light superimposing means, the light separating means and the first imaging means are moved. optical path length, and an adjustable optical path length adjusting means at least one of the optical path distance between the optical superimposing means and second imaging means, the light separating means and the light superimposing means, respectively, the grating Single grating with groove spacing d Oh, wherein the Rukoto.
[0010]
In this optical waveform shaping device, at least one of the optical path distance between the light separating means and the first imaging means and the optical path distance between the light superimposing means and the second imaging means is changed. As a result, phase modulation (phase dispersion) can be actively generated with respect to light. That is, even when large phase modulation is performed, at least the optical path distance between the light separating means and the first imaging means and the optical path distance between the light superimposing means and the second imaging means are at least If either one of them is changed to roughly perform phase modulation and fine phase modulation is performed using an SLM, high accuracy can be maintained.
[0011]
Even when phase dispersion occurs when light propagates through the optical system, the optical path distance between the light separating means and the first imaging means, and the light superimposing means and the second imaging means If the opposite phase dispersion is given by changing at least one of the optical path distances between the two, the phase dispersion can be canceled out. Therefore, it is possible to easily correct the phase dispersion and reduce the burden on the SLM.
[0012]
In this optical waveform shaping device, the light separating means and the light superimposing means are preferably gratings.
[0013]
By using a grating as the light separating means and the light superimposing means, it is possible to efficiently provide phase dispersion. Note that prisms can also be used as the light separating means and the light superimposing means.
[0014]
Further, in this optical waveform shaping device, at least one of the light path between the light separating means and the first image forming means and the light path between the light superimposing means and the second image forming means. The optical path distance adjusting means further includes at least one of the light separating means and the light superimposing means and the reflecting member to move the light separating means and the first imaging means. It is also preferable that at least one of the optical path distance between them and the optical path distance between the light superimposing means and the second imaging means can be adjusted.
[0015]
Thus, by moving the light separating means (or the light superimposing means) and the reflecting member as a pair, the optical path distance can be adjusted without changing the optical axis.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of an optical waveform shaping device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same or an equivalent element, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
[0017]
First, a first embodiment of an optical waveform shaping device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a configuration diagram of an optical waveform shaping device 1 according to the first embodiment. The optical waveform shaping device 1 includes an incident grating 11, an incident concave mirror 12, a reflective spatial light modulator (SLM) 13, an outgoing concave mirror 14, an outgoing grating 15, and a total reflecting mirror 16. The incident grating position adjusting unit 17 and the emitting grating position adjusting unit 18 are provided.
[0018]
Each element of the optical waveform shaping device 1 is arranged such that incident light input to the incident grating 11 can travel as indicated by a solid line arrow in FIG. Further, the interval (optical path distance) between the concave concave mirror 12 and the SLM 13 and the distance (optical path distance) between the concave concave mirror 14 and the SLM 13 are respectively set to the focal lengths f ₁ and f _{2 of the} concave mirrors. ing.
[0019]
In the conventional optical waveform shaping device, since the distance between the grating and the concave mirror is fixed to the focal lengths f ₁ and f ₂ of the concave mirrors, the optical path distance between the gratings is naturally set to a constant value. In the present embodiment, the incident grating position adjusting unit 17 is connected to the side surface of the incident grating 11, and the incident grating 11 can be moved in the optical path direction (the direction indicated by the broken line arrow in FIG. 1). It has become. Similarly, the output grating position adjusting unit 18 is connected to the side surface of the output grating 15 so that the output grating 15 can be moved in the optical path direction. Thereby, in this embodiment, the interval (optical path distance) between the incident grating 11 and the concave concave mirror 12 and the interval (optical path distance) between the output grating 15 and the concave concave mirror 14 are adjusted. It is possible.
[0020]
Next, the basic operation of the optical waveform shaping device according to this embodiment will be described.
As incident light to be subjected to waveform shaping by the optical waveform shaping device 1, for example, a light pulse of a Ti: sapphire laser having a pulse width of 64 fs, a center wavelength of 789.57 nm, a spectral width of 12.59 nm, and a light intensity of 200 mW is applied.
[0021]
As indicated by the solid line arrows in FIG. 1, the incident light is split into wavelength components by the incident grating 11 and then input to the SLM 13 while being imaged by the incident concave mirror 12. The input light is phase-modulated by the SLM 13 and then enters the output grating 15 via the output concave mirror 14 so that the respective wavelength components are superimposed. Then, the light is finally emitted in the direction of a predetermined optical axis through the total reflection mirror 16 as outgoing light that has been waveform-shaped.
[0022]
Since the light propagating through the optical system causes phase dispersion when performing the waveform shaping process as described above, in this embodiment, the incident grating position adjusting unit 17 and the emitting grating position adjusting unit 18 are used for incident light. The optical path distance between the optical grating 11 and the outgoing grating 15 is adjusted, and the phase dispersion is offset and corrected by giving the opposite phase dispersion to the light. Hereinafter, a method for correcting the phase dispersion by adjusting the optical path distance will be specifically described.
[0023]
The phase dispersion that occurs when pulse light having a center frequency ω ₀ (center wavelength λ ₀ = 2πc / ω ₀ , where c is the speed of light) propagates through a dispersion medium (for example, BK7 glass, which is a normal dispersion medium),
[Expression 1]

Given by. Here, n (λ) is the refractive index of the dispersion medium, and z is the propagation length of the dispersion medium.
[0024]
For example, when the propagation length z is 200 mm and the light propagating through the dispersion medium is incident light (center wavelength 789.57 nm) used in this embodiment, the phase dispersion generated when propagating through the dispersion medium is expressed by the equation (1). ), Phase dispersion (phase delay, hereinafter referred to as “negative phase dispersion”) as shown in the graph of FIG. 2 is obtained.
[0025]
On the other hand, the phase dispersion generated when light passes through the grating pair as shown in FIG.
[Expression 2]

Given by. _{However, α = -cosγ / cosθ m,} β = mλ 2 / (2πcdcosθ m), the angle of incidence of the γ is the grating, output angle from theta _m is the grating, m is the diffraction order, d is the grating groove spacing, M is The magnification of the lens system, k is the wave number. As shown in FIG. 3, z ₁ and z ₂ are values obtained by subtracting the optical path distance between the grating and the lens system from the focal lengths f ₁ and f ₂ of the respective lens systems.
[0026]
In the present embodiment, by using the fact that the phase dispersion by the grating pair depends on the optical path distance b as shown in the equation (2), the optical path distance between the incident grating 11 and the concave concave mirror 12 and the outgoing grating are used. The optical path distance between 15 and the exit concave mirror 14 is adjusted to actively cause reverse phase dispersion (phase advance, hereinafter referred to as “positive phase dispersion”). That is, when the negative phase dispersion shown in FIG. 2 occurs when light propagates through the optical system, the positive phase dispersion shown in FIG. 4 (the phase dispersion opposite to the phase dispersion shown in FIG. 2). ), And the optical path distance between the incident grating 11 and the concave concave mirror 12 and the optical path between the output grating 15 and the concave concave mirror 14 based on the value. Adjust the distance. For example, in the formula (2), when N = 830 (line / mm), the incident angle λ = 28.5 °, and the output angle θ _m = 10.3 °, z ₁ = z ₂ = −7.35 (mm) Then, the positive phase dispersion shown in FIG. 4 can be obtained.
[0027]
When the optical path is shifted with the movement of the entrance grating 11 and the exit grating 15, the tilt is given to the entrance concave mirror 12 and the exit concave mirror 14 (that is, an axis perpendicular to the paper surface of FIG. 1). It can be corrected by rotating the
[0028]
Next, in the optical waveform shaping device 1 according to the present embodiment, an example in which the phase dispersion is corrected by adjusting the optical path distance between the incident grating 11 and the outgoing grating 15 as described above, see FIGS. While explaining. Note that the distance (optical path distance) between the incident grating 11 and the concave concave mirror 12 and the distance (optical path distance) between the concave concave mirror 14 and the outgoing grating 15 are the focal lengths f ₁ and f _{2 of} each concave mirror in advance. (For example, each is 350 mm).
[0029]
FIG. 5 is a graph showing a spectral waveform and a phase waveform of an optical pulse immediately after being emitted from a light source (Ti: sapphire laser in the present embodiment). FIG. 6 is a graph illustrating the optical waveform shaping device 1 before adjusting the optical path distance. It is a graph which shows the spectrum waveform and phase waveform of the optical pulse by which waveform shaping was carried out. As is apparent from the graph shown in FIG. 6, negative phase dispersion occurs in the optical pulse waveform-shaped by the optical waveform shaping device 1.
[0030]
FIG. 7 shows an example in which the optical path distance is adjusted based on the above equation (2) (for example, the interval between the incident grating 11 and the incident concave mirror 12 and the interval between the outgoing concave mirror 14 and the outgoing grating 15 are set). Graph showing the spectral waveform and phase waveform of the optical pulse waveform-shaped by the optical waveform shaping device 1 (after the optical path distance between the incident grating 11 and the outgoing grating 15 is increased by 14.8 mm). It is. From the graph shown in FIG. 7, it is clear that the phase dispersion is corrected by adjusting the optical path distance between the gratings. Therefore, according to the optical waveform shaping device 1 according to the present embodiment, it is possible to correct the phase dispersion without increasing the burden on the SLM 13.
[0031]
Furthermore, in the optical waveform shaping device 1 according to the present embodiment, when the phase dispersion is actively generated as described above, it is possible to give a large phase modulation to the light. That is, the optical path distance between the grating and the concave mirror corresponding to the phase modulation amount to be given is obtained using the equation (2), and based on the optical path distance between the incident grating 11 and the concave concave mirror 12, and By adjusting the optical path distance between the output grating 15 and the output concave mirror 14, large phase modulation can be roughly applied. Therefore, it is only necessary to give fine phase modulation using the SLM 13 (just fine adjustment of the phase modulation), so that large phase modulation can be given with high accuracy without increasing the burden on the SLM 13.
[0032]
Next, a second embodiment according to the present invention will be described. FIG. 8 is a configuration diagram of the optical waveform shaping device 2 according to the second embodiment. The optical waveform shaping device 2 includes an incident grating 21, an incident lens 22, a transmissive spatial light modulator (SLM) 23, an exit lens 24, an exit grating 25, and an incident reflection member 26. And a reflecting member 27 for emission.
[0033]
Further, in this optical waveform shaping device 2, since the transmissive SLM 23 is used, the incident reflecting member 26, the incident lens 22, the SLM 23, the emitting lens 24, and the emitting reflecting member 27 are on the same straight line. It is arranged to be. Further, the distance between the entrance lens 22 and the SLM 23 (optical path distance) and the distance between the exit lens 24 and the SLM 23 (optical path distance) are arranged to be the focal lengths f ₁ and f ₂ of the respective lenses. ing.
[0034]
Next, the basic operation of the optical waveform shaping device 2 according to this embodiment will be described.
The light incident on the optical waveform shaping device 2 is split into each wavelength component by the incident grating 21 as shown by solid line arrows in FIG. 8, then reflected by the incident reflecting member 26, and by the incident lens 22. The image is input to the SLM 23 while being imaged. The input light is phase-modulated by the SLM 23, then reflected by the exit reflecting member 27 via the exit lens 24, and incident on the exit grating 25 to superimpose the respective wavelength components. Then, the light is finally emitted in the direction of a predetermined optical axis as emitted light that has been waveform-shaped.
[0035]
Further, in the optical waveform shaping device 2 according to the present embodiment, as shown in FIG. 8, the incident direction and the outgoing direction of light are the same direction, and the incident (outgoing) direction is the optical path direction when passing through the SLM 23. It is parallel to. Therefore, in this optical waveform shaping device 2, the incident grating 21 and the incident reflecting member 26, and the outgoing grating 25 and the outgoing reflecting member 27 are moved in parallel as indicated by broken lines in FIG. The optical path distance between the grating 21 and the entrance lens 22 and the optical path distance between the exit grating 25 and the exit lens 24 can be adjusted. Therefore, the optical path distance can be adjusted without changing the optical axis, and there is no need to perform optical axis adjustment processing (such as lens tilt).
[0036]
Note that the optical waveform shaping device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can take various modifications according to other conditions. For example, in the first embodiment, the optical path distance between the incident grating 11 (or the outgoing grating 15) and the incident concave mirror 12 (or the outgoing concave mirror 14) is set as the focal length f ₁ (f ₂ ) of the concave mirror. ) It has been described that positive phase dispersion is given to incident light by making it longer (that is, z ₁ (z ₂ ) <0 in FIG. 3). However, the incident grating 11 (or the outgoing grating 15) has been described. And the concave concave mirror 12 (or the concave concave mirror 14) are made shorter than the focal length f ₁ (f ₂ ) of the concave mirror (ie, z ₁ (z ₂ )> 0 in FIG. 3). Thus, negative phase dispersion can be given to incident light.
[0037]
Also, as shown in FIG. 9, in the optical waveform shaping device 1 according to the first embodiment, on the optical path immediately before the incident light enters the incident grating 11 and immediately after the emission grating 15 is emitted.

Dispersion media

31 and 32 may be disposed on the optical path. Even in this case, since negative phase dispersion can be actively provided (for example, the spectrum waveform and phase waveform of the waveform-shaped optical pulse are as shown in the graph of FIG. 10), the incident grating 11 or the output By using it together with the position adjustment of the grating 15 for use, both positive and negative phase dispersion can be given.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, according to the optical waveform shaping device of the present invention, it is possible to easily correct the phase dispersion of the optical system and to provide a large phase modulation with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical waveform shaping device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing phase dispersion (negative phase dispersion) that occurs when propagating through an optical system.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining phase dispersion by a grating pair.
FIG. 4 is a graph showing reverse phase dispersion (positive phase dispersion) for correcting phase dispersion (negative phase dispersion);
FIG. 5 is a graph showing a spectral waveform and a phase waveform of an optical pulse immediately after being emitted from a light source.
FIG. 6 is a graph showing a spectrum waveform and a phase waveform of an optical pulse whose waveform has been shaped by the optical waveform shaping device before adjusting the optical path distance.
FIG. 7 is a graph showing a spectral waveform and a phase waveform of an optical pulse whose waveform has been shaped by the optical waveform shaping device after optical path distance adjustment.
FIG. 8 is a configuration diagram of an optical waveform shaping device according to a second embodiment.
FIG. 9 is a configuration diagram when a dispersion medium is inserted on the optical path of the optical waveform shaping device according to the first embodiment;
FIG. 10 is a graph showing a spectrum waveform and a phase waveform of an optical pulse waveform-shaped by an optical waveform shaping device in which a dispersion medium is inserted.
FIG. 11 is a configuration diagram of a conventional optical waveform shaping device.
FIG. 12 is a graph showing an example of phase modulation for an optical pulse.
FIG. 13 is a graph showing an example of a waveform shaped into a pulse train by phase-modulating an optical pulse.
FIG. 14 is a graph showing an example of a phase modulation pattern when an optical pulse diffracts a plurality of spatial light modulators.
15 is a graph showing the resolution of the spatial light modulator with respect to the phase modulation pattern shown in FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical waveform shaping device, 2 ... Optical waveform shaping device, 11 ... Incident grating, 12 ... Incident concave mirror, 13 ... Spatial light modulator (SLM), 14 ... Ejecting concave mirror, 15 ... Ejecting grating, 16 ... Total reflection mirror, 17 ... Incident grating position adjustment unit, 18 ... Emission grating position adjustment unit, 21 ... Incident grating, 22 ... Incident lens, 23 ... Spatial light modulator (SLM), 24 ... Emission lens, 25... Output grating, 26... Reflection member, 27... Reflection member, 31... Dispersion medium, 32. ... Spatial light modulator (SLM), 104 ... Depressing concave mirror, 105 ... Ejecting grating, 106 ... Total reflection mirror

Claims

In the optical waveform shaping device that shapes and emits the waveform of incident light,
A light separating means for splitting the incident light;
First imaging means for imaging light split by the light separating means;
A spatial light modulator that modulates the light imaged by the first imaging means;
Second imaging means for imaging light modulated by the spatial light modulator;
Light superimposing means for superimposing the light imaged by the second imaging means;
By moving at least one of the light separating unit and the light superimposing unit, an optical path distance between the light separating unit and the first imaging unit, and the light superimposing unit and the second superimposing unit An optical path distance adjusting means capable of adjusting at least one of the optical path distances with the imaging means ,
It said light separating means and the optical superposition means, respectively, the optical waveform shaping apparatus grating groove spacing is characterized by a single grating der Rukoto of d.

A reflection member disposed on at least one of an optical path between the light separating unit and the first imaging unit and an optical path between the light superimposing unit and the second imaging unit. Further comprising
The optical path distance adjusting unit moves at least one of the light separating unit and the light superimposing unit and the reflecting member to move the optical path distance between the light separating unit and the first imaging unit. 2. The optical waveform shaping device according to claim 1, wherein at least one of an optical path distance between the light superimposing unit and the second imaging unit is adjustable.