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JP7791563B2 - Electric field measurement method and electric field sensor - Google Patents
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JP7791563B2 - Electric field measurement method and electric field sensor - Google Patents

Electric field measurement method and electric field sensor

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JP7791563B2 JP2021122635A JP2021122635A JP7791563B2 JP 7791563 B2 JP7791563 B2 JP 7791563B2 JP 2021122635 A JP2021122635 A JP 2021122635A JP 2021122635 A JP2021122635 A JP 2021122635A JP 7791563 B2 JP7791563 B2 JP 7791563B2
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Description

本発明は、電界計測方法及び電界センサに関する。 The present invention relates to an electric field measurement method and an electric field sensor.

非線形光学効果を利用して、計測対象物の電界を計測する電界計測方法が知られている(特許文献1,2)。特に、近年では、CARS(Coherent Anti-stokes Raman Scattering)型及びE-FISH(Electric Field Induced Second Harmonic generation)型などの短パルスレーザ(波長:800nm以下)を利用する電界計測方法が普及している(非特許文献1,2)。この種の電界センサでは、短パルスレーザで雰囲気ガスに非線形光学効果を誘起し、その結果生じる応答を信号として検出する。 There are known electric field measurement methods that use nonlinear optical effects to measure the electric field of an object being measured (Patent Documents 1 and 2). In particular, in recent years, electric field measurement methods that use short-pulse lasers (wavelength: 800 nm or less), such as CARS (Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) and E-FISH (Electric Field Induced Second Harmonic generation), have become popular (Non-Patent Documents 1 and 2). This type of electric field sensor uses a short-pulse laser to induce a nonlinear optical effect in the ambient gas, and the resulting response is detected as a signal.

特開平6-88840号公報Japanese Patent Application Publication No. 6-88840 特開2020-118498号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-118498

CARS(Coherent Anti-stokes Raman Scattering):T. Ito, K. Kobayashi, U. Czarnetzki and Satoshi Hamaguchi:“Rapid formation of electric field profiles in repetitively pulsed high-voltage high-pressure nanosecond discharges”, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 062001CARS (Coherent Anti-stokes Raman Scattering): T. Ito, K. Kobayashi, U. Czarnetzki and Satoshi Hamaguchi: “Rapid formation of electric field profiles in repetitively pulsed high-voltage high-pressure nanosecond discharges”, J. Phys. D: Appl. Phys. 43 (2010) 062001 E-FISH(Electric Field Induced Second Harmonic generation):A. Dogariu, B. M. Goldberg, S. O'Byrne and R. B. Miles: “Species-Independent Femtosecond Localized Electric Field Measurement”, Phys. Rev. Applied 7 (2017) 024024E-FISH (Electric Field Induced Second Harmonic generation): A. Dogariu, B. M. Goldberg, S. O'Byrne and R. B. Miles: “Species-Independent Femtosecond Localized Electric Field Measurement”, Phys. Rev. Applied 7 (2017) 024024

上記の従来の電界計測方法においては、目的の非線形光の検出効率を高めるべく(非線形光学効果の発現確率を向上させるべく)、入射レーザを計測対象に対して強く集光させる、又は入射レーザのパルス時間幅を短くすることで単位時間及び単位空間当たりに入射するフォトン数密度を高くすることが要求される。しかしながら、この種の電界計測方法においては、入射レーザが空間を伝播している過程において自己収縮又は自己拡散が生じて、所望の集光状態が得られないことがある。特に、短パルスレーザのように時間的にも空間的にもエネルギー密度の高い入射レーザを用いると、単位時間当たりに入射するフォトン数密度が高くなるため、自己収縮又は自己拡散がより生じ易くなる。このため、実用に足る計測精度を確保するための所望の集光状態が得られないという問題がある。 In the above-mentioned conventional electric field measurement methods, in order to increase the detection efficiency of the target nonlinear light (to increase the probability of nonlinear optical effects occurring), it is necessary to either strongly focus the incident laser on the measurement target or shorten the pulse time width of the incident laser to increase the number of photons incident per unit time and unit space. However, in this type of electric field measurement method, self-contraction or self-diffusion can occur as the incident laser propagates through space, making it difficult to achieve the desired focused state. In particular, when an incident laser with a high energy density both temporally and spatially, such as a short-pulse laser, is used, the number of photons incident per unit time increases, making self-contraction or self-diffusion more likely to occur. This results in the problem of not being able to achieve the desired focused state required to ensure practically sufficient measurement accuracy.

このような事情に鑑み、本発明の目的は、実用に足る計測精度で計測電界の空間分布を取得することのできる電界計測方法及び電界センサを提供することにある。 In light of these circumstances, the object of the present invention is to provide an electric field measurement method and electric field sensor that can obtain the spatial distribution of the measured electric field with practically sufficient measurement accuracy.

本発明のある態様によれば、非線形光学効果を利用して被計測部が発する電界を計測対象電界として求める電界計測方法が提供される。この電界計測方法では、被計測部に照射するための入射レーザを被計測部が配置されるとともに入射レーザの進行方向に略直交して所定長さに亘って延在する集光領域に集光させ、被計測部から発せられる透過光から計測対象の非線形光を抽出し、抽出した非線形光の強度に基づいて計測対象電界を演算する。そして、入射レーザの強度が所定の強度下限値以上であって且つ強度上限値以下となる第1強度条件を満たし、且つ入射レーザの強度が第2強度条件を満たすように、計測パラメータを調節する。なお、第2強度条件は、集光領域への集光に係る集光角及び入射レーザの強度に基づいて規定される。特に、強度下限値は、被計測部に照射された入射レーザが非線形光に変換される効率としての変換効率を一定値以上とする強度の最小値として予め定められる。また、強度上限値は、計測空間中のプラズマの発生を抑制する強度の最大値として予め定められる。また、第2強度条件を、第1強度条件を満たし且つ入射レーザのレイリー長が一定値以下となる集光角及び入射レーザの強度の関係として定め、入射レーザの強度が第1強度条件を満たすか否かの判断に、集光領域への集光に用いる集光要素を通過した後の進行方向に直交する面の単位面積当たりの該入射レーザの電力を用いる。さらに、第2強度条件を規定する入射レーザの強度として、電力の前記面における積分値を用いる。 According to one aspect of the present invention, there is provided an electric field measurement method for determining, as a measurement target electric field, an electric field emitted from a measurement target portion using a nonlinear optical effect. In this electric field measurement method, an incident laser beam for irradiating the measurement target portion is focused on a focusing region where the measurement target portion is located and which extends over a predetermined length substantially perpendicular to the propagation direction of the incident laser beam. The nonlinear light to be measured is extracted from the transmitted light emitted from the measurement target portion, and the measurement target electric field is calculated based on the intensity of the extracted nonlinear light. Measurement parameters are then adjusted so that the intensity of the incident laser beam satisfies a first intensity condition that is equal to or greater than a predetermined lower intensity limit and equal to or less than a predetermined upper intensity limit, and so that the intensity of the incident laser beam satisfies a second intensity condition . The second intensity condition is determined based on the focusing angle of the light focused on the focusing region and the intensity of the incident laser beam. In particular, the lower intensity limit is predetermined as a minimum intensity value that ensures a conversion efficiency, i.e., the efficiency with which the incident laser beam irradiated on the measurement target portion is converted into nonlinear light, equal to or greater than a certain value . The upper intensity limit is predetermined as a maximum intensity value that suppresses plasma generation in the measurement space. The second intensity condition is defined as a relationship between the collection angle and the intensity of the incident laser beam that satisfies the first intensity condition and makes the Rayleigh length of the incident laser beam equal to or less than a certain value, and the power of the incident laser beam per unit area on a plane perpendicular to the direction of travel after passing through a focusing element used to focus the light onto the focusing region is used to determine whether the intensity of the incident laser beam satisfies the first intensity condition. Furthermore, the integrated value of the power on the plane is used as the intensity of the incident laser beam that defines the second intensity condition.

また、本発明の他の態様によれば、非線形光学効果を利用して被計測部が発する電界を計測対象電界として求める電界センサが提供される。この電界センサは、被計測部に照射するための入射レーザを発するレーザ発振装置と、レーザ発振装置から発せられる入射レーザを被計測部が配置される集光領域に集光させる集光要素と、被計測部から発せられる透過光から計測対象の非線形光を抽出する抽出装置と、抽出した非線形光の強度に基づいて計測対象電界を演算する演算装置と、を備える。そして、この電界センサでは、入射レーザの強度が所定の強度下限値以上であって且つ強度上限値以下となる第1強度条件を満たし、且つ入射レーザの強度が第2強度条件を満たすように、計測パラメータが調節される。なお、第2強度条件は、集光領域への集光に係る集光角及び入射レーザの強度に基づいて規定される。特に、強度下限値は、被計測部に照射された入射レーザが非線形光に変換される効率としての変換効率を一定値以上とする強度の最小値として予め定められる。また、強度上限値は、計測空間中のプラズマの発生を抑制する強度の最大値として予め定められる。また、第2強度条件を、第1強度条件を満たし且つ入射レーザのレイリー長が一定値以下となる集光角及び入射レーザの強度の関係として定め、入射レーザの強度が第1強度条件を満たすか否かの判断に、集光領域への集光に用いる集光要素を通過した後の入射レーザの進行方向に直交する面の単位面積当たりの該入射レーザの電力を用いる。さらに、第2強度条件を規定する入射レーザの強度として、電力の前記面における積分値を用いる。 According to another aspect of the present invention, there is provided an electric field sensor that utilizes a nonlinear optical effect to determine an electric field emitted by a measurement target portion as a measurement target electric field. The electric field sensor includes a laser oscillator that emits an incident laser beam to be irradiated onto the measurement target portion, a focusing element that focuses the incident laser beam emitted from the laser oscillator onto a focusing region where the measurement target portion is located, an extractor that extracts the nonlinear light to be measured from the transmitted light emitted from the measurement target portion, and a computing unit that calculates the measurement target electric field based on the intensity of the extracted nonlinear light. In this electric field sensor, measurement parameters are adjusted so that the intensity of the incident laser beam satisfies a first intensity condition that is equal to or greater than a predetermined lower intensity limit and equal to or less than an upper intensity limit, and so that the intensity of the incident laser beam satisfies a second intensity condition . The second intensity condition is defined based on the focusing angle associated with focusing onto the focusing region and the intensity of the incident laser beam. In particular, the lower intensity limit is predetermined as the minimum intensity value that ensures a conversion efficiency, i.e., the efficiency with which the incident laser beam irradiated onto the measurement target portion is converted into nonlinear light, equal to or greater than a certain value. The upper intensity limit is predetermined as the maximum intensity value that suppresses plasma generation in the measurement space. The second intensity condition is defined as a relationship between the collection angle and the intensity of the incident laser that satisfies the first intensity condition and makes the Rayleigh length of the incident laser equal to or less than a certain value. Whether the intensity of the incident laser satisfies the first intensity condition is determined using the power of the incident laser per unit area on a plane perpendicular to the direction of travel of the incident laser after passing through a focusing element used to focus the laser onto the focusing region. Furthermore, the integrated value of the power on the plane is used as the intensity of the incident laser that defines the second intensity condition.

本発明によれば、実用に足る計測精度で計測電界の空間分布を取得することのできる電界計測方法及び電界センサが実現される。 The present invention provides an electric field measurement method and electric field sensor that can acquire the spatial distribution of the measured electric field with practically sufficient measurement accuracy.

本発明の実施形態による電界センサの全体構成を説明する図である。1 is a diagram illustrating the overall configuration of an electric field sensor according to an embodiment of the present invention. 計測/演算装置の構成を説明するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of a measurement/calculation device. 計測ステージの側面視図(y-z平面図)である。FIG. 2 is a side view (yz plan view) of the measurement stage. 計測ステージの平面図(z-x平面図)である。FIG. 2 is a plan view (zx plan view) of the measurement stage. 計測ステージの要部斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a main part of a measurement stage. 高分解能領域を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a high-resolution region. 実施例の電界センサによる奥行き分解能を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the depth resolution of the electric field sensor of the embodiment. 実施例2の電界センサによる奥行き分解能を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the depth resolution of the electric field sensor of Example 2.

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施形態に係る電界センサ10の構成を説明する図である。本実施形態の電界センサ10は、所定のレーザ発生源から発生されるパルスレーザ(以下、「入射レーザIL」とも称する)を集光させて被計測物Oに照射し、被計測物Oを透過する光(以下、「透過光TL」とも称する)に含まれる被計測物Oから励起される光(以下、「非線形光EL」とも称する)の強度を検出し、当該強度に基づいて被計測物Oが発する電界を求めるセンサである。 Figure 1 is a diagram illustrating the configuration of an electric field sensor 10 according to one embodiment of the present invention. The electric field sensor 10 of this embodiment focuses a pulsed laser (hereinafter also referred to as "incident laser IL") generated from a predetermined laser source and irradiates it onto the object to be measured O, detects the intensity of light (hereinafter also referred to as "nonlinear light EL") excited by the object to be measured O and contained in the light (hereinafter also referred to as "transmitted light TL") that passes through the object to be measured O, and determines the electric field emitted by the object to be measured O based on this intensity.

なお、以下で説明する本実施形態の電界センサ10としては、被計測物Oに入射レーザILの照射を、大気雰囲気の計測空間で行い且つ被計測物Oに静電場を印加する環境下で実行するE-FISH型電界センサを想定する。しかしながら、本実施形態の電界センサ10の構成は、E-FISH型に限られず、CARS型などの非線形光学効果を利用する他のタイプのセンサにおいても、適宜修正を行いつつ適用することが可能である。 The electric field sensor 10 of this embodiment described below is assumed to be an E-FISH type electric field sensor in which an incident laser IL is irradiated onto the object to be measured O in a measurement space of atmospheric air, and in an environment in which an electrostatic field is applied to the object to be measured O. However, the configuration of the electric field sensor 10 of this embodiment is not limited to E-FISH type, and can be applied, with appropriate modifications, to other types of sensors that utilize nonlinear optical effects, such as CARS type.

また、本実施形態では、入射レーザIL又は非線形光ELが進行する方向(光軸方向)に沿った座標軸をz軸、入射レーザILを集光させる後述の集光領域Fに沿った方向の座標軸をy軸、並びにy軸及びz軸に直交する方向に沿った座標軸をx軸と定義する。 In addition, in this embodiment, the coordinate axis along the direction in which the incident laser IL or nonlinear light EL travels (optical axis direction) is defined as the z-axis, the coordinate axis along the focusing region F (described below) where the incident laser IL is focused is defined as the y-axis, and the coordinate axis along the direction perpendicular to the y-axis and z-axis is defined as the x-axis.

図示のように、本実施形態の電界センサ10は、主として、レーザ発振装置20と、レンズセット22と、計測ステージ24と、フィルタセット26と、計測/演算装置28と、を備えている。 As shown in the figure, the electric field sensor 10 of this embodiment mainly comprises a laser oscillator 20, a lens set 22, a measurement stage 24, a filter set 26, and a measurement/calculation device 28.

レーザ発振装置20は、所定波長のレーザパルスを入射レーザILとして出力する。具体的に、レーザ発振装置20は、ナノ秒パルスレーザ(nsパルスレーザ)、ピコ秒パルスレーザ(psパルスレーザ)、又はフェムト秒パルスレーザ(fsパルスレーザ)等の短パルスレーザ(特に、超短パルスレーザ或いは極短パルスレーザ)、より詳細にはfsパルスレーザを入射レーザILとして出力する。また、レーザ発振装置20は、入射レーザILの波長λIL、パルス幅(pulse duration)pdIL、及びパルスエネルギEpIL[J]を任意に調節できるよう構成される。 The laser oscillation device 20 outputs a laser pulse of a predetermined wavelength as the incident laser IL. Specifically, the laser oscillation device 20 outputs a short pulse laser (particularly, an ultrashort pulse laser or an extremely short pulse laser) such as a nanosecond pulse laser (ns pulse laser), a picosecond pulse laser (ps pulse laser), or a femtosecond pulse laser (fs pulse laser), more specifically an fs pulse laser, as the incident laser IL. Furthermore, the laser oscillation device 20 is configured to be able to arbitrarily adjust the wavelength λ IL , pulse duration pd IL , and pulse energy Ep IL [J] of the incident laser IL.

レンズセット22は、レーザ発振装置20から発振された入射レーザILをコリメートしつつ、計測ステージ24内の集光領域Fに好適に集光させるための光学機器により構成される。より具体的に、本実施形態のレンズセット22は、レーザ発振装置20から順に配置された球面凹レンズ22a、球面凸レンズ22b、及びシリンドリカルレンズ22cにより構成される。特に、シリンドリカルレンズ22cは、入射レーザILを、焦点距離fに応じた所定の位置z(後述するビームウェスト位置z0)においてy軸方向に所定長さに亘って延在する線状の領域(以下、「集光領域F」とも称する)に集光する集光要素として機能する。 The lens set 22 is composed of optical equipment for collimating the incident laser light IL emitted from the laser oscillator 20 and for suitably focusing the light onto a focusing region F within the measurement stage 24. More specifically, the lens set 22 in this embodiment is composed of a spherical concave lens 22a, a spherical convex lens 22b, and a cylindrical lens 22c, arranged in this order from the laser oscillator 20. In particular, the cylindrical lens 22c functions as a focusing element that focuses the incident laser light IL onto a linear region (hereinafter also referred to as "focusing region F") extending over a predetermined length in the y-axis direction at a predetermined position z (beam waist position z0 , described later) that corresponds to the focal length f.

計測ステージ24は、計測対象である被計測物Oが設置される部分である。また、計測ステージ24には、被計測物Oにy軸の正方向から負方向に向かう電場(以下、「計測用電場」とも称する)を印加するための電極25(図3参照)が設けられている。すなわち、被計測物Oには、計測用電場が印加された状態で入射レーザILが照射される。 The measurement stage 24 is where the object to be measured, O, is placed. The measurement stage 24 also has electrodes 25 (see Figure 3) for applying an electric field (hereinafter also referred to as the "measurement electric field") from the positive to the negative y-axis direction to the object to be measured O. In other words, the object to be measured O is irradiated with the incident laser IL while the measurement electric field is applied.

フィルタセット26は、入射レーザILの照射に応じて、透過光TLから計測対象の波長成分を持つ非線形光ELを抽出するための各種フィルタを含む。特に、本実施形態のフィルタセット26は、所定値以上の長波長成分をカットするショートパスフィルタ26a、長波長成分のカット後に所定値以下の短波長成分をカットするロングパスフィルタ26b、及び短波長成分のカット後に所定周波数範囲(すなわち所定波長範囲)以外の成分をカットするバンドパスフィルタ26cにより構成される。 The filter set 26 includes various filters for extracting nonlinear light EL having wavelength components to be measured from the transmitted light TL in response to irradiation with the incident laser IL. In particular, the filter set 26 of this embodiment is composed of a short-pass filter 26a that cuts long-wavelength components equal to or greater than a predetermined value, a long-pass filter 26b that cuts short-wavelength components equal to or less than a predetermined value after cutting the long-wavelength components, and a band-pass filter 26c that cuts components outside a predetermined frequency range (i.e., a predetermined wavelength range) after cutting the short-wavelength components.

より具体的に、例えば、ショートパスフィルタ26aとしては、700nm~900nmの波長成分を反射し、350nm~700nmの波長成分を透過する光学フィルタが用いられる。また、ロングパスフィルタ26bとしては、400nm以上の波長成分のみを透過する紫外カットフィルターが用いられる。さらに、バンドパスフィルタ26cとしては、透過光TLに含まれる入射レーザILの周波数の2倍の周波数成分(すなわち、波長λILの1/2の波長成分)を透過してその他の周波数成分をカットする狭域帯バンドパスフィルタが用いられる。したがって、フィルタセット26により、主として、透過光TLに含まれる非線形光EL、より詳細には入射レーザILの波長λILの1/2の波長λSHGを持つ第2次高調波(SHG:Second Harmonic Generation)ISHGが抽出されることとなる。 More specifically, for example, the short-pass filter 26a is an optical filter that reflects wavelength components between 700 nm and 900 nm and transmits wavelength components between 350 nm and 700 nm. The long-pass filter 26b is an ultraviolet-cut filter that transmits only wavelength components of 400 nm or longer. The band-pass filter 26c is a narrow-band band-pass filter that transmits frequency components contained in the transmitted light TL that are twice the frequency of the incident laser light IL (i.e., wavelength components with half the wavelength λ IL ) and cuts off other frequency components. Therefore, the filter set 26 mainly extracts the nonlinear light EL contained in the transmitted light TL, more specifically, the second harmonic generation (SHG) I SHG with a wavelength λ SHG that is half the wavelength λ IL of the incident laser light IL.

なお、本実施形態において、第2次高調波ISHGとは、非線形光ELの内、入射レーザILの被計測物Oへの照射に伴い、3次の非線形光学効果(被計測物Oが波長λILの光子を2つ吸収し、波長λIL/2で2倍のエネルギーを持つ光子を一つ放出する効果)が誘起されることで生じる成分である。 In this embodiment, the second harmonic I SHG is a component of the nonlinear light EL that is generated when the incident laser IL is irradiated onto the object O to be measured, thereby inducing a third-order nonlinear optical effect (the effect in which the object O to be measured absorbs two photons of wavelength λ IL and emits one photon with twice the energy and wavelength λ IL /2).

計測/演算装置28は、主として、フィルタセット26でフィルタリングされた透過光TLの信号及び入射レーザILの信号を入力として、計測対象である被計測物Oが持つ電界(以下、「計測対象電界E」とも称する)を求める装置である。 The measurement/calculation device 28 is a device that primarily receives as input the signal of the transmitted light TL filtered by the filter set 26 and the signal of the incident laser IL, and determines the electric field of the object to be measured O (hereinafter also referred to as the "electric field E to be measured").

図2は、計測/演算装置28の構成を説明するブロック図である。図示のように、計測/演算装置28は、入射レーザILの強度IILを取得するレーザ強度取得器28aと、非線形光ELに含まれるSHGの強度(以下、「SHG強度I(2ω)」とも称する)を抽出するSHG強度抽出器28bと、取得した入射レーザILの強度IIL及び抽出したSHG強度I(2ω)に基づいて、計測対象電界Eを演算する電界演算器28cと、を備える。 2 is a block diagram illustrating the configuration of the measurement/calculation device 28. As shown in the figure, the measurement/calculation device 28 includes a laser intensity acquirer 28a that acquires the intensity IIL of the incident laser IL, an SHG intensity extractor 28b that extracts the intensity of the SHG contained in the nonlinear light EL (hereinafter also referred to as "SHG intensity I (2ω ) "), and an electric field calculator 28c that calculates the electric field E to be measured based on the acquired intensity IIL of the incident laser IL and the extracted SHG intensity I (2ω ) .

レーザ強度取得器28aは、入射レーザILの強度IIL、特に入射レーザILが最も集光されている位置(すなわち、集光領域Fの位置)における強度IIL(以下、「最大入射レーザ強度I(ω) probe」とも称する)或いはこれと同一とみなすことができる程度に近い値の強度IILを検出又は推定するように構成される。 The laser intensity acquirer 28a is configured to detect or estimate the intensity I IL of the incident laser IL, in particular the intensity I IL at the position where the incident laser IL is most concentrated (i.e., the position of the focused area F) (hereinafter also referred to as the "maximum incident laser intensity I ( ω ) probe "), or an intensity I IL of a value close enough to be considered identical thereto.

特に、本実施形態において、レーザ強度取得器28aは、入射レーザILの強度IIL(特に最大入射レーザ強度I(ω) probe)を、計測空間中において入射レーザILの進行方向(z軸方向)に直交する面(x-y平面)の断面の単位面積[cm2]における入射レーザILの電力[W]として求める。すなわち、本実施形態の入射レーザILの強度IILは、当該入射レーザILにより生じる光電界の大きさと同一視し得る物理量である。 In particular, in this embodiment, the laser intensity acquirer 28a obtains the intensity I IL of the incident laser IL (particularly the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe ) as the power [W] of the incident laser IL per unit area [ cm2 ] of a cross section of a plane (x-y plane) perpendicular to the propagation direction (z-axis direction) of the incident laser IL in the measurement space. In other words, the intensity I IL of the incident laser IL in this embodiment is a physical quantity that can be identified with the magnitude of the optical electric field generated by the incident laser IL.

SHG強度抽出器28bは、フィルタセット26からの非線形光ELを分光する分光器、分光された非線形光ELの強度スペクトルを得るための光電子増倍管からなるCCDイメージングセンサ、及び得られた強度スペクトルからSHG強度I(2ω)を求める演算器などにより構成される。 The SHG intensity extractor 28b is composed of a spectrometer that disperses the nonlinear light EL from the filter set 26, a CCD imaging sensor consisting of a photomultiplier tube for obtaining the intensity spectrum of the dispersed nonlinear light EL, and a calculator that calculates the SHG intensity I (2ω ) from the obtained intensity spectrum.

そして、電界演算器28cは、最大入射レーザ強度I(ω) probe及びSHG強度I(2ω)に基づいて、以下の式(1)から計測対象電界Eを演算する。 Then, the electric field calculator 28c calculates the electric field E to be measured from the following equation (1) based on the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe and the SHG intensity I (2ω ) .

式中の「A」は較正定数、「N」は計測空間(特に大気雰囲気)中の分子の数密度、「ω」は入射レーザILの角周波数、及び「χ(3) i,j,k,l(-2ω,0,ω,ω)」は3次の非線形感受率テンソルを表す。なお、較正定数A、数密度N、及び3次の非線形感受率テンソルχ(3) i,j,k,l(-2ω,0,ω,ω)は、予め定めても良いし、計測環境などに応じて適宜定めても良い。 In the formula, "A" is a calibration constant, "N" is the number density of molecules in the measurement space (particularly the air atmosphere), "ω" is the angular frequency of the incident laser IL, and "χ (3) i,j,k,l (-2ω,0,ω,ω)" is the third-order nonlinear susceptibility tensor. Note that the calibration constant A, number density N, and third-order nonlinear susceptibility tensor χ (3) i,j,k,l (-2ω,0,ω,ω) may be determined in advance or may be determined appropriately depending on the measurement environment, etc.

以上説明した構成を有する電界センサ10における計測のさらなる詳細について説明する。なお、以下の説明で用いる各パラメータの意義を次のように定義する。
・「ビーム径D」:入射レーザILの空間分布の内、光軸rに対して実質上計測結果に影響をもたらす強度IILをとる範囲(特にx-y平面上の範囲)の大きさ。
・「スポットサイズw(z)」:光軸r上の位置zにおいて、入射レーザILの強度IILに対して所定の割合(例えば1/e倍又は1/e2倍)以上となるビーム領域の大きさ(特にビーム領域のx軸方向における長さ)。
・「ビームウェスト位置z0」:入射レーザILが最も集光する光軸r上の位置z(すなわち、集光領域Fの位置)。
・「ビームウェスト径w0」:ビームウェスト位置z0におけるスポットサイズw(z0)。
・「レイリー範囲z(Ra)」:ビーム(入射レーザIL又は透過光TL)の断面積がビームウェスト位置z0における断面積の2倍以下となるz軸上の範囲。
・「レイリー長Zr」:z軸上におけるビームウェスト位置z0からレイリー範囲z(Ra)の端までの長さ。
・「集光角θ」:ビームウェスト位置z0(集光領域F)を起点として、光軸rとビーム領域の外縁領域とのなす角。すなわち、集光角θは、シリンドリカルレンズ22cを通過した後の入射レーザILの集光領域Fの集光し易さを示す物理量である。
Measurements performed by the electric field sensor 10 having the above-described configuration will now be described in further detail. The meanings of the parameters used in the following description are defined as follows.
"Beam diameter D": The size of the range (particularly the range on the xy plane) of the spatial distribution of the incident laser IL, within which the intensity IIL substantially affects the measurement results relative to the optical axis r.
"Spot size w(z)": The size of the beam area (particularly the length of the beam area in the x-axis direction) that is equal to or greater than a predetermined ratio (e.g., 1/e or 1/ e2 ) of the intensity IIL of the incident laser IL at position z on the optical axis r.
"Beam waist position z 0 ": the position z on the optical axis r where the incident laser beam IL is most focused (i.e., the position of the focused region F).
"Beam waist diameter w 0 ": Spot size w(z 0 ) at beam waist position z 0 .
"Rayleigh range z (Ra)": the range on the z-axis where the cross-sectional area of the beam (incident laser IL or transmitted light TL) is less than twice the cross-sectional area at the beam waist position z0 .
"Rayleigh length Z r ": the length on the z-axis from the beam waist position z 0 to the end of the Rayleigh range z (Ra).
"Convergence angle θ": the angle between the optical axis r and the outer edge of the beam area, starting from the beam waist position z0 (focusing area F). In other words, the convergence angle θ is a physical quantity that indicates the ease of focusing the incident laser IL in the focusing area F after passing through the cylindrical lens 22c.

なお、本実施形態においては、後述する図5に示すように、集光要素であるシリンドリカルレンズ22cを通過した後の入射レーザILの分布は、x-z平面に沿って略同一の形状(より詳細には集光領域Fを頂点とする三角形)となる。すなわち、本実施形態では、当該三角形の頂点の角度(すなわち、一次元の角度)の大きさが入射レーザILの集光領域Fの集光し易さに直結するため、これを集光角θとして用いる。一方で、集光後の入射レーザILの分布の形状によっては、一次元の角度のみで入射レーザILの集光領域Fの集光し易さを表すことが難しい場合には、集光角θを適切な立体角として定義しても良い。 In this embodiment, as shown in FIG. 5, which will be described later, the distribution of the incident laser IL after passing through the cylindrical lens 22c, which is the focusing element, has a substantially uniform shape along the x-z plane (more specifically, a triangle with the focusing area F as its vertex). In other words, in this embodiment, the size of the angle of the vertex of this triangle (i.e., a one-dimensional angle) is directly related to the ease of focusing the incident laser IL in the focusing area F, and so this is used as the focusing angle θ. On the other hand, depending on the shape of the distribution of the incident laser IL after focusing, if it is difficult to express the ease of focusing the incident laser IL in the focusing area F using only a one-dimensional angle, the focusing angle θ may be defined as an appropriate solid angle.

図3は計測ステージ24の側面視図(y-z平面図)であり、図4は計測ステージ24の平面図(z-x平面図)であり、図5は計測ステージ24の要部斜視図である。なお、図5においては図面の簡略化のため、被計測物O及び電極25は省略している。 Figure 3 is a side view (y-z plan view) of the measurement stage 24, Figure 4 is a plan view (z-x plan view) of the measurement stage 24, and Figure 5 is a perspective view of the main parts of the measurement stage 24. Note that in Figure 5, the object to be measured O and electrode 25 have been omitted to simplify the drawing.

図示のように、入射レーザILはシリンドリカルレンズ22cで集光されて被計測物Oに照射される。そして、被計測物Oから発せられる非線形光ELを含む透過光TLはフィルタセット26に向かって出射される。 As shown in the figure, the incident laser IL is focused by the cylindrical lens 22c and irradiated onto the object to be measured O. The transmitted light TL, which includes the nonlinear light EL emitted from the object to be measured O, is then emitted toward the filter set 26.

上述した、本実施形態の電界センサ10を用いた電界計測方法では、シリンドリカルレンズ22cにより入射レーザILが集光領域Fに集光される。このため、被計測物Oの計測対象電界Eを、集光領域Fが延在する方向(y軸方向)の空間分布(以下、単に「電界空間分布」とも称する)として求めることができる。 In the electric field measurement method using the electric field sensor 10 of this embodiment described above, the incident laser IL is focused onto the focusing region F by the cylindrical lens 22c. Therefore, the electric field E to be measured of the object O can be determined as a spatial distribution in the direction in which the focusing region F extends (the y-axis direction) (hereinafter also simply referred to as the "electric field spatial distribution").

特に、本実施形態では、入射レーザILの強度IILに対して第1の条件(以下、「第1強度条件」とも称する)を課すことにより、上述した電界空間分布の計測において実用に足りる計測精度を実現することができる。さらに、入射レーザILの強度IILに対して上記第1の条件を満たすことを前提として第2の条件(以下、「第2強度条件」)を課すことにより、電界空間分布の計測において高い奥行き分解能(計測時において識別可能なz軸方向の領域の短さ)を実現することができる。以下、第1強度条件及び第2強度条件の詳細について説明する。 In particular, in this embodiment, by imposing a first condition (hereinafter also referred to as the "first intensity condition") on the intensity IIL of the incident laser IL, it is possible to achieve practically sufficient measurement accuracy in the measurement of the above-mentioned electric field spatial distribution. Furthermore, by imposing a second condition (hereinafter also referred to as the "second intensity condition") on the intensity IIL of the incident laser IL, on the premise that the above-mentioned first condition is satisfied, it is possible to achieve high depth resolution (the shortness of the area in the z-axis direction that can be distinguished during measurement) in the measurement of the electric field spatial distribution. The first intensity condition and the second intensity condition will be described in detail below.

[第1強度条件]
本発明者らは、電界空間分布の計測において実用に足りる計測精度が得られない主な要因が、入射レーザILの自己拡散に起因した変換効率の低下、又は入射レーザILの自己収縮に起因した計測空間中の原子又は分子の電離(プラズマ)の発生にある点を見出している。そして、本発明者らは、鋭意研鑽の結果、これらの計測精度を低下させる要因となる自己拡散又は自己収縮の発生は、計測空間中における入射レーザILの強度IILの分布と強く相関することを見出した。
[First strength condition]
The inventors have found that the main reasons why practically sufficient measurement accuracy cannot be obtained in measuring the spatial distribution of the electric field are a decrease in conversion efficiency due to self-diffusion of the incident laser IL, or the generation of ionization (plasma) of atoms or molecules in the measurement space due to self-contraction of the incident laser IL. As a result of extensive research, the inventors have found that the occurrence of self-diffusion or self-contraction, which are factors that reduce measurement accuracy, is strongly correlated with the distribution of the intensity IIL of the incident laser IL in the measurement space.

したがって、本実施形態における第1強度条件を、強度IILが、変換効率を維持する観点から定まる強度下限値Ilo以上であって、且つプラズマの発生を抑制する観点から定まる強度上限値Iul以下の範囲に含まれる条件として定める。そして、この第1強度条件が満たされるように計測パラメータを調節する。 Therefore, the first intensity condition in this embodiment is defined as a condition in which the intensity IIL is equal to or greater than the lower intensity limit Ilo determined from the viewpoint of maintaining conversion efficiency and equal to or less than the upper intensity limit Iul determined from the viewpoint of suppressing plasma generation, and the measurement parameters are adjusted so that this first intensity condition is satisfied.

なお、強度下限値Iloは、実用上許容される計測精度を実現できる程度の変換効率に達しているか否かを判断する基準となる強度IILの最小値として、実験等により予め定められる。ここで、上記式(1)を参照すれば理解されるように、検出対象であるSHG強度I(2ω)は、入射レーザILの強度IIL(特に最大入射レーザ強度I(ω) probe)、計測対象電界E、及び雰囲気ガスの種類及び状態(圧力又は温度)に依存する。このため、計測対象電界Eをある一定値として雰囲気ガスの種類及び状態が定まれば、強度下限値Iloを許容される最小の検出感度に応じた入射レーザILの強度IILの下限として定めることができる。強度下限値Iloは、例えば、1010[J/(s・cm2)]~1011[J/(s・cm2)]の範囲に設定される。 The intensity lower limit I lo is determined in advance through experiments or the like as the minimum value of the intensity I IL that serves as a criterion for determining whether the conversion efficiency has reached a level that allows for practically acceptable measurement accuracy. As can be understood by referring to the above formula (1), the SHG intensity I (2ω ) to be detected depends on the intensity I IL of the incident laser IL (particularly the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe ), the electric field E to be measured, and the type and state (pressure or temperature) of the atmospheric gas. Therefore, once the electric field E to be measured is set to a certain value and the type and state of the atmospheric gas are determined, the intensity lower limit I lo can be determined as the lower limit of the intensity I IL of the incident laser IL that corresponds to the minimum allowable detection sensitivity. The intensity lower limit I lo is set, for example, in the range of 10 10 [J/(s·cm 2 )] to 10 11 [J/(s·cm 2 )].

また、強度上限値Iulは、入射レーザILの空間伝播に起因したプラズマの発生を実用上の計測精度を維持できる範囲に抑える強度IILの最大値として、実験等により予め定められる。特に、強度上限値Iulは、プラズマ発光を生じる最大入射レーザ強度I(ω) probeの値として定められる。なお、強度上限値Iulの具体的な値については、雰囲気ガスの種類及び状態などの必要なパラメータに応じて適宜定めることができる。強度上限値Iulは、例えば1013[J/(s・cm2)]~1015[J/(s・cm2)]の範囲に設定される。 The upper intensity limit Iul is determined in advance through experiments or the like as the maximum value of the intensity IIL that suppresses the generation of plasma caused by the spatial propagation of the incident laser IL within a range that maintains practical measurement accuracy. In particular, the upper intensity limit Iul is determined as the value of the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe that generates plasma emission. The specific value of the upper intensity limit Iul can be determined appropriately depending on necessary parameters such as the type and state of the atmospheric gas. The upper intensity limit Iul is set, for example, in the range of 1013 [J/(s· cm2 )] to 1015 [J/(s· cm2 )].

また、第1強度条件を満たすか否かの判断に用いる入射レーザILの強度IILとしては、上述の最大入射レーザ強度I(ω) probeと同一視できる程度にこれと近い値を用いることが好ましい。より具体的には、ビームウェスト位置z0(集光領域Fの位置)に近い位置における強度IILを推定又は検出するように設けられたセンサ類(図示せず)で取得される値を用いることが好ましい。 Furthermore, as the intensity IIL of the incident laser beam IL used to determine whether the first intensity condition is satisfied, it is preferable to use a value that is as close as possible to the above-mentioned maximum incident laser intensity I ( ω ) probe . More specifically, it is preferable to use a value obtained by sensors (not shown) that are provided to estimate or detect the intensity IIL at a position close to the beam waist position z0 (position of the focusing region F).

計測パラメータは、入射レーザILの強度IILの変化に影響を与え得るパラメータであって、電界計測方法を実行するための電界センサ10に含まれる各装置のアレンジ及び/又は各装置の制御パラメータの操作(出力の操作など)により調節可能な任意の1又は複数のパラメータである。 The measurement parameters are any one or more parameters that can affect the change in intensity IIL of the incident laser IL and can be adjusted by arranging each device included in the electric field sensor 10 to perform the electric field measurement method and/or manipulating the control parameters of each device (such as manipulating the output).

特に、本実施形態の計測パラメータは、入射レーザILのビーム径D、パルス幅pdIL、パルスエネルギEpIL、及び波長λIL、並びに焦点距離fから成る群から選択される1又は2以上のパラメータを含む。 In particular, the measurement parameters in this embodiment include one or more parameters selected from the group consisting of the beam diameter D, pulse width pd IL , pulse energy Ep IL , and wavelength λ IL of the incident laser IL, and focal length f.

より具体的に、本実施形態では、入射レーザILの強度IILを、強度上限値Iulを超えない範囲で、ビーム径Dを大きくする、パルス幅pdILを小さくする、パルスエネルギEpILを大きくする、波長λILを短くする、及び/又は焦点距離fを小さくすることで具体的に定めることができる。 More specifically, in this embodiment, the intensity IIL of the incident laser IL can be specifically determined by increasing the beam diameter D, decreasing the pulse width pdIL , increasing the pulse energy EpIL , shortening the wavelength λIL , and/or decreasing the focal length f, within a range not exceeding the intensity upper limit value Iul.

一方、入射レーザILの強度IILを、強度下限値Iloを下回らない範囲で、ビーム径Dを小さくする、パルス幅pdILを大きくする、パルスエネルギEpILを小さくする、波長λILを長くする、及び/又は焦点距離fを大きくする。 On the other hand, the beam diameter D is reduced, the pulse width pd IL is increased, the pulse energy Ep IL is reduced, the wavelength λ IL is increased, and/or the focal length f is increased, within a range in which the intensity I IL of the incident laser IL does not fall below the intensity lower limit value I lo.

ここで、計測パラメータとしても用いるビーム径Dは、集光要素であるシリンドリカルレンズ22cに入射する直前(本実施形態では、球面凸レンズ22bとシリンドリカルレンズ22cの間の位置)の位置において検出又は推定される値であることが好ましい。特に、ビーム径Dは、入射レーザILの断面形状の大きさ(入射レーザILのx-y平面における広がりの程度)に相関する任意の値を用いることができる。例えば、入射レーザILの断面形状が四角形などの多角形である場合にはその一辺の長さ、対角線の長さ、及び面積などをビーム径Dとすることができる。また、入射レーザILの断面形状が円形である場合にはその直径、周長、及び面積などをビーム径Dとしても良い。特に、上記第1強度条件を実現する観点から好ましいビーム径Dは、例えば0.1[mm]~50[mm]の範囲から選択される。 Here, the beam diameter D, which is also used as a measurement parameter, is preferably a value detected or estimated at a position immediately before incidence on the cylindrical lens 22c, which is the focusing element (in this embodiment, a position between the spherical convex lens 22b and the cylindrical lens 22c). In particular, the beam diameter D can be any value that correlates with the size of the cross-sectional shape of the incident laser IL (the extent of spread of the incident laser IL in the x-y plane). For example, if the cross-sectional shape of the incident laser IL is a polygon such as a square, the beam diameter D can be the length of one side, the length of the diagonal, or the area. Furthermore, if the cross-sectional shape of the incident laser IL is circular, the diameter, perimeter, or area can also be used as the beam diameter D. In particular, from the perspective of achieving the first intensity condition, the beam diameter D is preferably selected from the range of 0.1 mm to 50 mm, for example.

また、ビーム径Dの調節を、最終的に入射レーザILを集光させるシリンドリカルレンズ22cの前に任意の光学機器(本実施形態の球面凹レンズ22a及び球面凸レンズ22bに代替する、或いはこれと併用する光学機器)を配置すること、及び/又はレーザ発振装置20による入射レーザILの出射面の面積を調整することにより行うことも可能である。 The beam diameter D can also be adjusted by placing any optical device (optical device that replaces or is used in conjunction with the spherical concave lens 22a and spherical convex lens 22b of this embodiment) in front of the cylindrical lens 22c that ultimately focuses the incident laser IL, and/or by adjusting the area of the exit surface of the incident laser IL from the laser oscillator device 20.

さらに、計測パラメータとしても用いるパルス幅pdIL、パルスエネルギEpIL、及び波長λILは、レーザ発振装置20の仕様の選択、及び当該レーザ発振装置20に対する出力設定などの操作によって適宜所望の値に調整される。なお、入射レーザILの波長λILの調節を、所定のフィルタ要素を設けることで行っても良い。特に、上記第1強度条件を実現する観点から好ましいパルス幅pdILは、例えば10[f・s]~1[n・s]の範囲から選択される。また、好ましいパルスエネルギEpILは、例えば0.1[mJ]~1[J]の範囲から選択される。さらに、好ましい波長λILは、例えば0.8[μm]~5[μm]の範囲から選択される。 Furthermore, the pulse width pd IL , pulse energy Ep IL , and wavelength λ IL , which are also used as measurement parameters, are adjusted to desired values as appropriate by selecting the specifications of the laser oscillation device 20 and manipulating the output settings of the laser oscillation device 20. The wavelength λ IL of the incident laser IL may be adjusted by providing a predetermined filter element. In particular, from the viewpoint of realizing the first intensity condition, a preferable pulse width pd IL is selected, for example, from the range of 10 fs to 1 ns. Furthermore, a preferable pulse energy Ep IL is selected, for example, from the range of 0.1 mJ to 1 J. Furthermore, a preferable wavelength λ IL is selected, for example, from the range of 0.8 μm to 5 μm.

また、計測パラメータとして用いる焦点距離fは、レンズセット22(特に、本実施形態ではシリンドリカルレンズ22c)の構造(厚さ、材質、又は曲率半径など)に応じて定まる、レンズセット22の入射光の出射面から結像位置(ビームウェスト位置z0)までの距離として定められる。特に、上記第1強度条件を実現する観点から好ましい焦点距離fは、例えば10[mm]~1000[mm]の範囲から選択される。 The focal length f used as a measurement parameter is determined as the distance from the exit surface of the lens set 22 for incident light to the imaging position (beam waist position z 0 ), which is determined according to the structure (thickness, material, radius of curvature, etc.) of the lens set 22 (particularly, the cylindrical lens 22c in this embodiment). In particular, a preferable focal length f from the viewpoint of realizing the first intensity condition is selected from the range of 10 mm to 1000 mm, for example.

上記のように、入射レーザILの強度IILが第1強度条件を満たすように計測パラメータを調節することによって、特に短パルスレーザ(特に、超短パルス又は極短パルスのレーザ)のような高強度の入射レーザILを用いた場合であっても、電界空間分布の計測において実用に足りる計測精度を実現することができる。 As described above, by adjusting the measurement parameters so that the intensity IIL of the incident laser IL satisfies the first intensity condition, it is possible to achieve practically sufficient measurement accuracy in measuring the electric field spatial distribution, even when using a high-intensity incident laser IL such as a short-pulse laser (particularly, an ultrashort-pulse or ultrashort-pulse laser).

[第2強度条件]
本発明者らは、上記第1強度条件を満たすことで電界空間分布の計測において実用に足りる計測精度を実現した上で、さらに強度IILに対してより厳しい第2強度条件を課すことで、当該計測における奥行き分解能をより改善させることができるという思想に至っている。以下、その詳細を説明する。
[Second strength condition]
The inventors have come to the idea that by satisfying the first intensity condition, sufficient measurement accuracy can be achieved in measuring the electric field spatial distribution, and then by imposing a stricter second intensity condition on the intensities I and I L , the depth resolution in the measurement can be further improved. The details of this will be explained below.

先ず、入射レーザILが理想的なガウシアンビーム(光軸rを中心とした強度分布が近似的にガウス分布となる電磁波)の特性にしたがうと仮定すると、レイリー長Zrはビームウェスト径w0又は集光角θ、及び入射レーザILの波長λILに基づいて、以下の式(2)により定まる。 First, assuming that the incident laser beam IL follows the characteristics of an ideal Gaussian beam (an electromagnetic wave whose intensity distribution centered on the optical axis r is approximately a Gaussian distribution), the Rayleigh length Zr is determined by the following equation (2) based on the beam waist diameter w0 or the collection angle θ, and the wavelength λIL of the incident laser beam IL.

また、ビームウェスト径w0は、以下の式(3)により表される。 The beam waist diameter w 0 is expressed by the following equation (3).

なお、式(3)中の「NA」は開口数を意味する。 In addition, "NA" in the formula (3) means the numerical aperture.

このため、理論的には、入射レーザILは上記式(2)及び式(3)で表される特性に応じた挙動をとる。すなわち、上記計測パラメータ、式(2)又は式(3)に含まれるビーム径D、波長λIL、又は焦点距離fを適宜調節することで、レイリー長Zrの短さ(奥行き分解能の高さ)を適切に制御することができる。 Therefore, theoretically, the incident laser beam IL behaves in accordance with the characteristics expressed by the above formulas (2) and (3). That is, by appropriately adjusting the measurement parameters, the beam diameter D, the wavelength λ IL , or the focal length f included in formula (2) or (3), it is possible to appropriately control the shortness of the Rayleigh length Zr (the high depth resolution).

一方で、上述のように、高強度の入射レーザILを使用するなどに起因したプラズマの発生等の非線形効果が生じると、入射レーザILの集光特性は式(2)及び式(3)に従わなくなる。このため、式(2)又は式(3)に基づく計測パラメータの調節のみでは、レイリー長Zrを所望の値に調節することが難しくなる。その結果、奥行き分解能を向上させることは難しい。 On the other hand, as described above, when nonlinear effects such as plasma generation due to the use of a high-intensity incident laser IL occur, the focusing characteristics of the incident laser IL no longer follow equations (2) and (3). Therefore, it becomes difficult to adjust the Rayleigh length Zr to a desired value by simply adjusting the measurement parameters based on equation (2) or (3). As a result, it is difficult to improve the depth resolution.

これに対して、本発明者らは、鋭意研鑽の結果、入射レーザILの強度IILがさらに第2強度条件を満たす場合に、レイリー長Zrの制御に影響を与える非線形効果の発生を抑制して奥行き分解能を向上させることができるという思想に想到した。 In response to this, the inventors, through extensive research, have come up with the idea that if the intensity IIL of the incident laser IL further satisfies a second intensity condition, the occurrence of nonlinear effects that affect the control of the Rayleigh length Zr can be suppressed, thereby improving the depth resolution.

具体的に、本実施形態の第2強度条件は、集光角θ及び入射レーザILの強度ピークPLの2つの変数とすることで画定される2次元閉領域(以下、「高分解能領域R」とも称する。)として定められる。なお、本実施形態の強度ピークPL([J/s])は、強度IIL[J/(s・cm2)]を、z軸方向に直交する面における広がり領域上で積分した値の最大ピーク高さ(例えば、尖頭値)である。 Specifically, the second intensity condition in this embodiment is defined as a two-dimensional closed region (hereinafter also referred to as "high-resolution region R") defined by two variables: the collection angle θ and the intensity peak P L of the incident laser IL. Note that the intensity peak P L ([J/s]) in this embodiment is the maximum peak height (e.g., peak value) of the value obtained by integrating the intensity I IL [J/(s·cm 2 )] over a spread region in a plane perpendicular to the z-axis direction.

図6は、高分解能領域Rを示す図である。図示のように、高分解能領域Rは、集光角θがその最小値及び最大値の範囲で変動する場合において、奥行き分解能を改善させる観点から許容される強度IILの範囲を、第1強度条件を満たす観点から定まる強度IILの範囲に比べてより限定するように定められる。以下でより具体的に説明する。 6 is a diagram showing a high-resolution region R. As shown in the figure, the high-resolution region R is defined so that, when the collection angle θ varies within a range between its minimum and maximum values, the range of intensity IIL that is permissible from the viewpoint of improving depth resolution is more limited than the range of intensity IIL that is determined from the viewpoint of satisfying the first intensity condition. This will be explained in more detail below.

図5に示すように入射レーザILがシリンドリカルレンズ22cに入射する場合、集光角θを固定すると、焦点位置(ビームウェスト位置z0)におけるビーム広がり領域の面積はH×w0となる。このため、上記式(2)及び式(3)を用いれば、レイリー長Zrが一定値以下となる集光角θ及び最大入射レーザ強度I(ω) probeの関係を以下の式(4)のように定めることができる。 5, when the incident laser beam IL is incident on the cylindrical lens 22c, if the converging angle θ is fixed, the area of the beam divergence region at the focal position (beam waist position z 0 ) is H×w 0. Therefore, by using the above equations (2) and (3), the relationship between the converging angle θ and the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe at which the Rayleigh length Z r is equal to or less than a certain value can be determined as shown in the following equation (4).

ここで、式(4)の最大入射レーザ強度I(ω) probeに、上記第1強度条件に係る強度下限値Iloを適用すれば、集光角θに応じた強度ピークPLの下限値が定まる(図6の曲線C1)。一方、式(4)の最大入射レーザ強度I(ω) probeに、上記第1強度条件に係る強度上限値Iulを適用すれば、集光角θに応じた強度ピークPLの上限値が定まる(図6の曲線C2)。すなわち、この曲線C1と曲線C2の間の高分解能領域Rは、上記第1強度条件及び上記第2強度条件の双方を満たす強度IILの範囲(より詳細には強度ピークPLの範囲)を規定することとなる。したがって、強度ピークPLが高分解能領域Rに含まれるように計測パラメータを調節することで、計測において必要な精度を確保しつつ奥行き分解能をより改善することができる。 Here, applying the intensity lower limit I lo associated with the first intensity condition to the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe in equation (4) determines the lower limit of the intensity peak P L according to the collection angle θ (curve C1 in FIG. 6 ). On the other hand, applying the intensity upper limit I ul associated with the first intensity condition to the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe in equation (4) determines the upper limit of the intensity peak P L according to the collection angle θ (curve C2 in FIG. 6 ). That is, the high-resolution region R between curves C1 and C2 defines the range of intensity I IL (more specifically, the range of the intensity peak P L ) that satisfies both the first and second intensity conditions. Therefore, by adjusting the measurement parameters so that the intensity peak P L is included in the high-resolution region R, it is possible to further improve the depth resolution while maintaining the required measurement accuracy.

なお、計測パラメータを調節するための具体的な手段は、上述の図1及び図2を参照して説明した具体的な態様に限定されるものではなく、本技術分野において知られている任意の手段により代替可能である。 Note that the specific means for adjusting the measurement parameters is not limited to the specific embodiments described above with reference to Figures 1 and 2, and can be replaced by any means known in the art.

以上説明した本実施形態による電界計測方法の作用効果について説明する。 The effects of the electric field measurement method according to this embodiment described above will now be explained.

本実施形態では、非線形光学効果を利用して被計測部(被計測物O)が発する電界を計測対象電界Eとして求める電界計測方法が提供される。この電界計測方法は、被計測物Oに照射するための入射レーザILを、被計測物Oが配置されるとともに入射レーザILの進行方向に略直交して(y軸方向に沿って)所定長さに亘って延在する集光領域Fに集光させ、被計測物Oから発せられる透過光TLから計測対象の非線形光ELを抽出し、抽出した非線形光ELの強度(特に、SHG強度I(2ω))に基づいて計測対象電界Eを演算する。 In this embodiment, there is provided an electric field measurement method that utilizes a nonlinear optical effect to determine an electric field emitted by a measurement target portion (measurement target O) as a measurement target electric field E. This electric field measurement method focuses an incident laser IL to be irradiated onto the measurement target O in a light-focusing region F where the measurement target O is placed and which extends over a predetermined length substantially perpendicular to the traveling direction of the incident laser IL (along the y-axis direction), extracts a measurement target nonlinear light EL from a transmitted light TL emitted from the measurement target O, and calculates a measurement target electric field E based on the intensity (in particular, the SHG intensity I (2ω ) ) of the extracted nonlinear light EL.

特に、この電界計測方法では、入射レーザILの強度IILが所定の強度下限値Ilo以上であって且つ強度上限値Iul以下となる第1強度条件を満たすように、計測パラメータを調節する。さらに、強度下限値Iloは、被計測物Oに照射された入射レーザILが非線形光ELに変換される効率としての変換効率を一定値以上とする観点から定められる値である。また、強度上限値Iulは、計測空間中のプラズマの発生を抑制する観点から定められる値である。 In particular, in this electric field measurement method, measurement parameters are adjusted so as to satisfy a first intensity condition in which the intensity IIL of the incident laser IL is equal to or greater than a predetermined intensity lower limit Ilo and equal to or less than an intensity upper limit Iul. Furthermore, the intensity lower limit Ilo is a value determined from the viewpoint of ensuring that the conversion efficiency, which is the efficiency with which the incident laser IL irradiated onto the object O is converted into nonlinear light EL, is equal to or greater than a certain value. Moreover, the intensity upper limit Iul is a value determined from the viewpoint of suppressing the generation of plasma in the measurement space.

これにより、入射レーザILが計測空間中を伝播する過程において、入射レーザILの集光状態の予測を困難にする自己収縮又は自己拡散といった非線形光学的な現象が発生しても、計測対象電界E(特にその空間分布)を高精度に計測することができる。特に、高強度の入射レーザILを用いた場合であっても、実用に足る計測精度を確保することができる。 As a result, even if nonlinear optical phenomena such as self-contraction or self-diffusion occur during the propagation of the incident laser IL through the measurement space, making it difficult to predict the focusing state of the incident laser IL, the electric field E to be measured (particularly its spatial distribution) can be measured with high precision. In particular, even when a high-intensity incident laser IL is used, it is possible to ensure measurement precision sufficient for practical use.

さらに、本実施形態の電界計測方法では、前記集光領域Fへの集光に係る集光角θ及び入射レーザILの強度IILに基づいて規定される第2強度条件を設定し、入射レーザILの強度IILが第2強度条件を満たすように、計測パラメータを調節する。第2強度条件を、第1強度条件を満たし且つ入射レーザILのレイリー長Zrが一定値以下となる集光角θ及び入射レーザILの強度IIL(強度ピークPL)の関係として定める(高分解能領域R)。 Furthermore, in the electric field measurement method of this embodiment, a second intensity condition is set based on the collection angle θ of the light collection onto the light collection region F and the intensity IIL of the incident laser IL, and measurement parameters are adjusted so that the intensity IIL of the incident laser IL satisfies the second intensity condition. The second intensity condition is defined as a relationship between the collection angle θ and the intensity IIL of the incident laser IL (intensity peak P L ) that satisfies the first intensity condition and makes the Rayleigh length Zr of the incident laser IL equal to or less than a certain value (high-resolution region R).

これにより、計測対象電界Eの計測において、実用に足る計測精度を確保した上で、奥行き分解能をより向上させることができる。 This makes it possible to improve depth resolution while ensuring practically sufficient measurement accuracy when measuring the electric field E to be measured.

また、入射レーザILの強度IILが第1強度条件を満たすか否かの判断に、集光領域Fへの集光に用いる集光要素(特にシリンドリカルレンズ22c)を通過した後の進行方向(z軸方向)に直交する面の単位面積当たりの該入射レーザILの電力(すなわち、最大入射レーザ強度I(ω) probe)を用いる。また、第2強度条件を規定する入射レーザILの強度IILとして、上記の面における入射レーザILの電力の積分値(強度ピークPL)を用いる。 Furthermore, to determine whether the intensity IIL of the incident laser IL satisfies the first intensity condition, the power of the incident laser IL per unit area on a plane perpendicular to the propagation direction (z-axis direction) after passing through a focusing element (particularly the cylindrical lens 22c) used to focus the light onto the focusing region F (i.e., the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe ) is used. Furthermore, the integral value of the power of the incident laser IL on the above plane (intensity peak P L ) is used as the intensity IIL of the incident laser IL that defines the second intensity condition.

これにより、第1強度条件及び第2強度条件を満たすかのそれぞれの判断に用いる強度IILに関するパラメータとして、計測精度をより向上させる観点から好ましい具体的な態様が実現されることとなる。 This realizes a specific embodiment that is preferable from the viewpoint of further improving measurement accuracy as a parameter related to the intensity IIL used to determine whether the first intensity condition and the second intensity condition are satisfied.

特に、入射レーザILの強度IILが第1強度条件を満たすか否かの判断に、最大入射レーザ強度I(ω) probeにできるだけ近い値を用いることで、上記強度上限値Iulの比較における精度(実際の計測空間中のプラズマの発生の有無の判断の精度)をより向上させることができる。結果として、計測精度がさらに向上する。 In particular, by using a value as close as possible to the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe to determine whether the intensity IIL of the incident laser IL satisfies the first intensity condition, the accuracy in the comparison with the intensity upper limit value Iul (the accuracy in determining whether plasma is generated in the actual measurement space) can be further improved. As a result, the measurement accuracy is further improved.

なお、計測パラメータは、入射レーザILのビーム径D、パルス幅pdIL、パルスエネルギEpIL、及び波長λIL、並びに焦点距離fから成る群から選択される1又は2以上のパラメータを含む。 The measurement parameters include one or more parameters selected from the group consisting of the beam diameter D, pulse width pd IL , pulse energy Ep IL , wavelength λ IL , and focal length f of the incident laser IL.

これにより、第1強度条件及び第2強度条件を満たすための上記入射レーザILの強度IILの調節に好ましい具体的な計測パラメータが提供されることとなる。 This provides specific measurement parameters that are preferable for adjusting the intensity IIL of the incident laser beam IL to satisfy the first and second intensity conditions.

また、入射レーザILのビーム径Dは、集光要素(特にシリンドリカルレンズ22c)に入射する直前の位置において検出又は推定される。 Furthermore, the beam diameter D of the incident laser IL is detected or estimated at a position immediately before it enters the focusing element (particularly the cylindrical lens 22c).

これにより、入射レーザILのビーム径Dを、計測系を構成する具体的な構成に基づいて現実の計測に用いるより具体化された計測パラメータとすることができる。 This allows the beam diameter D of the incident laser IL to be a more specific measurement parameter used in actual measurements based on the specific configuration of the measurement system.

さらに、本実施形態では、パルス幅pdIL、パルスエネルギEpIL、及び波長λILを、入射レーザILを発振するレーザ発振装置20の操作により調節する。 Furthermore, in this embodiment, the pulse width pd IL , pulse energy Ep IL , and wavelength λ IL are adjusted by operating the laser oscillation device 20 that oscillates the incident laser IL.

これにより、第1強度条件及び/又は高分解能領域Rを満たすためのパルス幅pdIL、パルスエネルギEpIL、及び波長λILを調節する具体的な構成が実現される。 This realizes a specific configuration for adjusting the pulse width pd IL , pulse energy Ep IL , and wavelength λ IL to satisfy the first intensity condition and/or the high resolution region R.

特に、入射レーザILとして、超短パルスレーザ(或いは極短パルスレーザ)を採用することが好ましい。これにより、計測における入射レーザILに係る所望の変換効率をより確実に実現することができる。 In particular, it is preferable to use an ultrashort pulse laser (or extremely short pulse laser) as the incident laser IL. This makes it possible to more reliably achieve the desired conversion efficiency of the incident laser IL during measurement.

また、本実施形態の電界計測方法では、上記非線形光ELとして第2次高調波ISHGを抽出し、第2次高調波ISHGの強度(SHG強度I(2ω))から計測対象電界Eを演算する。 In the electric field measurement method of this embodiment, the second harmonic I SHG is extracted as the nonlinear light EL, and the electric field E to be measured is calculated from the intensity of the second harmonic I SHG (SHG intensity I (2 ω ) ).

これにより、比較的高い信号強度が得られる第2次高調波ISHGを検出して計測対象電界Eを計測する前提において、実用に足る計測精度を実現しつつ高い奥行き分解能を実現することができる。 This makes it possible to achieve practically sufficient measurement accuracy and high depth resolution, assuming that the second harmonic I SHG , which provides a relatively high signal strength, is detected to measure the electric field E to be measured.

さらに、本実施形態では、非線形光学効果を利用して被計測部(被計測物O)が発する電界を計測対象電界Eとして求める電界センサ10が提供される。 Furthermore, this embodiment provides an electric field sensor 10 that utilizes a nonlinear optical effect to determine the electric field emitted by the measurement target (object O) as the electric field E to be measured.

特に、この電界センサ10は、被計測物Oに照射するための入射レーザILを発するレーザ発振装置20と、レーザ発振装置20から発せられる入射レーザILを、被計測物Oが配置される集光領域Fに集光させる集光要素(特にシリンドリカルレンズ22c)と、被計測物Oから発せられる透過光TLから計測対象の非線形光ELを抽出する抽出装置(SHG強度抽出器28b)と、抽出した非線形光ELの強度(特に、SHG強度I(2ω))に基づいて計測対象電界Eを演算する演算装置(電界演算器28c)と、を備える。 In particular, this electric field sensor 10 comprises a laser oscillator 20 that emits an incident laser IL to be irradiated onto the object to be measured O, a focusing element (particularly a cylindrical lens 22c) that focuses the incident laser IL emitted from the laser oscillator 20 onto a focusing region F where the object to be measured O is located, an extraction device (SHG intensity extractor 28b) that extracts the nonlinear light EL to be measured from the transmitted light TL emitted from the object to be measured O, and a calculation device (electric field calculator 28c) that calculates the electric field E to be measured based on the intensity (particularly the SHG intensity I (2ω ) ) of the extracted nonlinear light EL.

そして、この電界センサ10では、入射レーザILの強度IILが所定の強度下限値Ilo以上であって且つ強度上限値Iul以下となる第1強度条件を満たすように、計測パラメータを調節する。さらに、強度下限値Iloは、被計測物Oに照射された入射レーザILが非線形光ELに変換される効率としての変換効率を一定値以上とする観点から定められる値である。また、強度上限値Iulは、計測空間中のプラズマの発生を抑制する観点から定められる値である。 In this electric field sensor 10, the measurement parameters are adjusted so as to satisfy a first intensity condition in which the intensity IIL of the incident laser IL is equal to or greater than a predetermined intensity lower limit Ilo and equal to or less than an intensity upper limit Iul . Furthermore, the intensity lower limit Ilo is a value determined from the viewpoint of ensuring that the conversion efficiency, which is the efficiency with which the incident laser IL irradiated onto the object O is converted into nonlinear light EL, is equal to or greater than a certain value. Moreover, the intensity upper limit Iul is a value determined from the viewpoint of suppressing the generation of plasma in the measurement space.

これにより、実用に足る計測対象電界Eの計測精度を実現する電界計測方法の実行に適した構成の電界センサ10が提供されることとなる。 This provides an electric field sensor 10 with a configuration suitable for implementing an electric field measurement method that achieves practically sufficient measurement accuracy for the electric field E to be measured.

なお、上述した本実施形態の電界計測方法及び電界センサ10は、医療における細胞の分析、落雷などの自然現象の分析、及び半導体エッチングなどの精密加工における加工精度のモニタリングなど種々の分野において、既存のセンサ(特に高フォトン数密度のレーザ源を用いるタイプのセンサ)を用いた計測が難しかったケースにおいても、好適に適用することが可能である。 The electric field measurement method and electric field sensor 10 of the present embodiment described above can be suitably applied in a variety of fields, including medical cell analysis, analysis of natural phenomena such as lightning strikes, and monitoring of processing accuracy in precision processing such as semiconductor etching, even in cases where measurement using existing sensors (especially sensors that use laser sources with high photon density) is difficult.

以下、実施例1及び実施例2により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 The present invention will be explained in more detail below using Examples 1 and 2, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
下記の装置及び計測条件に基づく電界計測方法に関して、計測精度を評価した。
Example 1
Measurement accuracy was evaluated for the electric field measurement method based on the following equipment and measurement conditions.

[装置構成]
・レーザ発振装置20:PHAROS PH2-SP-1mJ (Light Conversion社製)
・レンズセット22(22a:凹シリンドリカルレンズ(f=-20mm)、22b及び22c:凸球面レンズ(f=80mm))
・フィルタセット26(26a:#84-714(Edmund社製)、26b:#65-132(Edmund社製)、26c:#39-349(Edmund社製))
[Device configuration]
Laser oscillator 20: PHAROS PH2-SP-1mJ (manufactured by Light Conversion)
Lens set 22 (22a: concave cylindrical lens (f=-20 mm), 22b and 22c: convex spherical lenses (f=80 mm))
Filter set 26 (26a: #84-714 (Edmund), 26b: #65-132 (Edmund), 26c: #39-349 (Edmund))

・計測/演算装置28:istar DH320T-18F-03-LP(Andor社製) Measurement/Calculation Unit 28: istar DH320T-18F-03-LP (Andor)

[計測パラメータの設定]
集光領域F付近の入射レーザILの強度IILの推定値(≒最大入射レーザ強度I(ω) probe)が第1強度条件を満たすように計測パラメータを調節した。具体的に調節した計測パラメータは以下の通りである。
[Measurement parameter settings]
The measurement parameters were adjusted so that the estimated value of the intensity IIL of the incident laser IL near the focusing area F (≒ maximum incident laser intensity I ( ω ) probe ) would satisfy the first intensity condition. The specific adjusted measurement parameters are as follows:

・パルス幅:190fs
・パルスエネルギ0.5mJ
・入射レーザの波長λIL:1030nm
・ビーム径D:5mm
・焦点距離f:80mm
Pulse width: 190 fs
・Pulse energy 0.5 mJ
Wavelength of incident laser λ IL : 1030 nm
Beam diameter D: 5 mm
・Focal length f: 80mm

[計測精度の評価]
上記条件の下、入射レーザILの被計測物Oに対する位置zごとの透過率T(z)を測定した。一方で、以下の式(5)及び式(6)に基づいて、電界計測における透過率T(z)の理想値を定めた。
[Evaluation of measurement accuracy]
Under the above conditions, the transmittance T(z) of the incident laser IL at each position z on the object O to be measured was measured. Meanwhile, the ideal value of the transmittance T(z) in the electric field measurement was determined based on the following formulas (5) and (6).

なお、式中の「β」は2光子吸収係数、「I0(t)」は最大入射レーザ強度I(ω) probeの時間プロファイル、「L」は被計測物Oの厚み(z軸方向に沿った長さ)、及び「z」はz軸における被計測物Oの位置をそれぞれ表す。 In the formula, "β" represents the two-photon absorption coefficient, "I 0 (t)" represents the time profile of the maximum incident laser intensity I ( ω ) probe , "L" represents the thickness of the object O (length along the z-axis), and "z" represents the position of the object O on the z-axis.

図7のグラフのプロットは、実施例1による透過率T(z)の実測値を示す。なお、図7の実線は実施例1の計測パラメータの下における透過率T(z)を式(5)及び式(6)から生成した近似曲線である。 The plot in the graph in Figure 7 shows the measured values of transmittance T(z) in Example 1. Note that the solid line in Figure 7 is an approximation curve generated from equations (5) and (6) for transmittance T(z) under the measurement parameters in Example 1.

さらに、当該近似曲線に基づくレイリー長zrを算出し、その2倍(2zr)を奥行き分解能の高さを表す指標として求めた。その結果、奥行き分解能2zrは400μmであった。 Furthermore, the Rayleigh length zr was calculated based on the approximation curve, and twice this value ( 2zr ) was used as an index representing the depth resolution. As a result, the depth resolution 2zr was found to be 400 μm.

(実施例2)
下記の装置及び計測条件に基づく電界計測方法に関して、計測精度及び奥行き分解能を評価した。
Example 2
The measurement accuracy and depth resolution were evaluated for the electric field measurement method based on the following equipment and measurement conditions.

[装置構成]
レンズセット22(22a:凸球面レンズf=-40mm、22b:凸球面レンズf=150mm、22c::凸シリンドリカルレンズf=80mm)を用いた以外は実施例1と同一とした。
[Device configuration]
The same as in Example 1 was used except that lens set 22 (22a: convex spherical lens f=-40 mm, 22b: convex spherical lens f=150 mm, 22c: convex cylindrical lens f=80 mm) was used.

[計測パラメータの設定]
(1)実施例1と同一の計測パラメータを前提として、予め実験等で得られる適切な集光角θを設定した。具体的に、集光角θを0.25[rad]と設定した。
[Measurement parameter settings]
(1) An appropriate collection angle θ was set in advance through experiments etc., assuming the same measurement parameters as in Example 1. Specifically, the collection angle θ was set to 0.25 [rad].

(2)図6に示す集光角θ-強度IILテーブル(第2計測条件を定めるテーブル)を参照して、設定した集光角θから、強度ピークPLが高分解能領域Rに含まれるように、計測パラメータを調節した。具体的に調節した計測パラメータは以下の通りである。 (2) With reference to the collection angle θ-intensity I /L table (a table defining the second measurement conditions) shown in Fig. 6, the measurement parameters were adjusted so that the intensity peak P/ L was included in the high-resolution region R from the set collection angle θ. The specific adjusted measurement parameters are as follows:

・パルス幅:190fs
・パルスエネルギ0.1mJ
・入射レーザの波長λIL:1030nm
・ビーム径D:20mm
・焦点距離f:80mm
Pulse width: 190 fs
・Pulse energy 0.1 mJ
Wavelength of incident laser λ IL : 1030 nm
Beam diameter D: 20 mm
・Focal length f: 80mm

[計測精度の評価]
実施例1と同様に計測精度の評価を行った。
[Evaluation of measurement accuracy]
The measurement accuracy was evaluated in the same manner as in Example 1.

図8のグラフのプロットは、実施例2による透過率T(z)の実測値を表す。なお、図8の実線は実施例2の計測パラメータの下における透過率T(z)を式(5)及び式(6)から生成した近似曲線である。また、図8に示すように、実施例2の実測値は、概ね、透過率T(z)の近似曲線に沿っている。当該実測値から奥行き分解能2zrを求めた。奥行き分解能2zrは46μmであった。 The plot of the graph in Fig. 8 represents the measured values of transmittance T(z) in Example 2. The solid line in Fig. 8 is an approximation curve generated from Equation (5) and Equation (6) for the transmittance T(z) under the measurement parameters in Example 2. As shown in Fig. 8, the measured values in Example 2 generally follow the approximation curve for transmittance T(z). The depth resolution 2zr was calculated from the measured values. The depth resolution 2zr was 46 µm.

[結果及び考察]
図7及び図8に示すように、第1強度条件を満たす実施例1及び2では、概ね、それぞれの透過率T(z)の理想値の曲線に沿っている。すなわち、実施例1又は2の計測方法であれば、少なくとも、電界空間分布の計測において実用に足る計測精度が確保されるものと考えられる。
[Results and Discussion]
7 and 8, in Examples 1 and 2 that satisfy the first intensity condition, the transmittance T(z) generally follows the curve of the ideal value. That is, it is considered that the measurement method of Examples 1 or 2 ensures at least a practically sufficient measurement accuracy in measuring the electric field spatial distribution.

さらに、第2強度条件を満たす実施例2では、実施例1と比較して奥行き分解能が顕著に向上している。これは、実施例2が第2強度条件を満たすことに依るものと考えられる。 Furthermore, in Example 2, which satisfies the second intensity condition, the depth resolution is significantly improved compared to Example 1. This is thought to be due to Example 2 satisfying the second intensity condition.

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 The above describes embodiments of the present invention, but these embodiments merely illustrate some of the application examples of the present invention, and are not intended to limit the technical scope of the present invention to the specific configurations of the above embodiments.

例えば、上記電界センサ10において、計測対象の非線形光ELを複数の偏光方向(例えば、y軸方向とz軸方向)に分ける偏光スプリッターなどを配置し、計測/演算装置28が偏光スプリッターにより複数の方向に分けられた非線形光ELに基づいて当該複数の偏光方向に対応する計測対象電界Eを求める構成を採用しても良い。 For example, the electric field sensor 10 may be configured to include a polarization splitter that splits the nonlinear light EL to be measured into multiple polarization directions (e.g., the y-axis direction and the z-axis direction), and the measurement/calculation device 28 may determine the electric field E to be measured corresponding to the multiple polarization directions based on the nonlinear light EL split into multiple directions by the polarization splitter.

10 電界センサ
20 レーザ発振装置
22c シリンドリカルレンズ
28 計測/演算装置
28a レーザ強度取得器
28b SHG強度抽出器
28c 電界演算器
10 electric field sensor 20 laser oscillation device 22c cylindrical lens 28 measurement/calculation device 28a laser intensity acquisition device 28b SHG intensity extractor 28c electric field calculation device

Claims (7)

非線形光学効果を利用して被計測部が発する電界を計測対象電界として求める電界計測方法であって、
前記被計測部に照射するための入射レーザを、前記被計測部が配置されるとともに前記入射レーザの進行方向に略直交して所定長さに亘って延在する集光領域に集光させ、
前記被計測部から発せられる透過光から計測対象の非線形光を抽出し、
抽出した前記非線形光の強度に基づいて前記計測対象電界を演算し、
前記入射レーザの強度が所定の強度下限値以上であって且つ強度上限値以下となる第1強度条件を満たし、且つ前記入射レーザの強度が第2強度条件を満たすように、計測パラメータを調節し、
前記第2強度条件は、前記集光領域への集光に係る集光角及び前記入射レーザの強度に基づいて規定され、
前記強度下限値は、前記被計測部に照射された前記入射レーザが前記非線形光に変換される効率としての変換効率を一定値以上とする強度の最小値として予め定められ、
前記強度上限値は、計測空間中のプラズマの発生を抑制する強度の最大値として予め定められ、
前記第2強度条件を、
前記第1強度条件を満たし且つ前記入射レーザのレイリー長が一定値以下となる前記集光角及び前記入射レーザの強度の関係として定め、
前記入射レーザの強度が前記第1強度条件を満たすか否かの判断に、前記集光領域への集光に用いる集光要素を通過した後の前記進行方向に直交する面の単位面積当たりの該入射レーザの電力を用い、
前記第2強度条件を規定する前記入射レーザの強度として、前記電力の前記面における積分値を用いる、
電界計測方法。
An electric field measurement method for determining an electric field emitted from a measurement target portion as a measurement target electric field by utilizing a nonlinear optical effect,
an incident laser beam for irradiating the measurement portion is focused on a focusing region in which the measurement portion is disposed and which extends over a predetermined length substantially perpendicular to the traveling direction of the incident laser beam;
extracting nonlinear light to be measured from transmitted light emitted from the measurement target portion;
calculating the electric field to be measured based on the extracted intensity of the nonlinear light;
adjusting measurement parameters so that the intensity of the incident laser satisfies a first intensity condition that is equal to or greater than a predetermined intensity lower limit value and equal to or less than a predetermined intensity upper limit value, and so that the intensity of the incident laser satisfies a second intensity condition ;
the second intensity condition is defined based on a collection angle related to collection of light onto the light collection region and an intensity of the incident laser,
the intensity lower limit value is predetermined as a minimum value of intensity that makes a conversion efficiency, which is an efficiency at which the incident laser irradiated on the measurement portion is converted into the nonlinear light, equal to or greater than a certain value,
the upper intensity limit value is predetermined as a maximum value of the intensity that suppresses the generation of plasma in the measurement space,
The second strength condition is
a relationship between the collection angle and the intensity of the incident laser that satisfies the first intensity condition and makes the Rayleigh length of the incident laser equal to or less than a certain value,
determining whether the intensity of the incident laser satisfies the first intensity condition using the power of the incident laser per unit area on a plane perpendicular to the traveling direction after passing through a focusing element used to focus the light onto the focusing region;
an integrated value of the power in the plane is used as the intensity of the incident laser that defines the second intensity condition;
Electric field measurement method.
請求項に記載の電界計測方法であって、
前記計測パラメータは、
前記入射レーザのビーム径、パルス幅、パルスエネルギ、及び波長、並びに前記集光領域への集光における焦点距離から成る群から選択される1又は2以上のパラメータを含む、
電界計測方法。
2. The electric field measurement method according to claim 1 ,
The measurement parameters are:
The incident laser includes one or more parameters selected from the group consisting of a beam diameter, a pulse width, a pulse energy, and a wavelength of the incident laser, and a focal length at which light is focused on the focused region.
Electric field measurement method.
請求項2に記載の電界計測方法であって、
前記計測パラメータは、前記ビーム径を含み、
前記ビーム径は、前記集光領域への集光に用いる集光要素に入射する直前の位置において検出又は推定される、
電界計測方法。
3. The electric field measurement method according to claim 2,
the measurement parameters include the beam diameter;
The beam diameter is detected or estimated at a position immediately before the beam is incident on a focusing element used to focus the beam onto the focusing region.
Electric field measurement method.
請求項1~の何れか1項に記載の電界計測方法であって、
さらに、前記非線形光を複数の偏光方向に分割し、
前記複数の偏光方向に対応した前記計測対象電界を求める、
電界計測方法。
The electric field measurement method according to any one of claims 1 to 3 ,
Furthermore, the nonlinear light is split into a plurality of polarization directions,
determining the electric field to be measured corresponding to the plurality of polarization directions;
Electric field measurement method.
請求項1~の何れか1項に記載の電界計測方法であって、
前記入射レーザは、超短パルスレーザである
電界計測方法。
The electric field measurement method according to any one of claims 1 to 4 ,
The incident laser is an ultrashort pulse laser .
Electric field measurement method.
請求項1~の何れか1項に記載の電界計測方法であって、
前記非線形光として第2次高調波を抽出し、
前記入射レーザの強度及び前記第2次高調波の強度から前記計測対象電界を演算する、
電界計測方法。
The electric field measurement method according to any one of claims 1 to 5 ,
extracting a second harmonic as the nonlinear light;
calculating the electric field to be measured from the intensity of the incident laser and the intensity of the second harmonic;
Electric field measurement method.
非線形光学効果を利用して被計測部が発する電界を計測対象電界として求める電界センサであって、
前記被計測部に照射するための入射レーザを発するレーザ発振装置と、
前記レーザ発振装置から発せられる前記入射レーザを、前記被計測部が配置される集光領域に集光させる集光要素と、
前記被計測部から発せられる透過光から計測対象の非線形光を抽出する抽出装置と、
抽出した前記非線形光の強度に基づいて前記計測対象電界を演算する演算装置と、を備え、
前記入射レーザの強度が所定の強度下限値以上であって且つ強度上限値以下となる第1強度条件を満たし、且つ前記入射レーザの強度が第2強度条件を満たすように、計測パラメータが調節され、
前記第2強度条件は、前記集光領域への集光に係る集光角及び前記入射レーザの強度に基づいて規定され、
前記強度下限値は、前記被計測部に照射された前記入射レーザが前記非線形光に変換される効率としての変換効率を一定値以上とする強度の最小値として予め定められ、
前記強度上限値は、計測空間中のプラズマの発生を抑制する強度の最大値として予め定められ、
前記第2強度条件を、
前記第1強度条件を満たし且つ前記入射レーザのレイリー長が一定値以下となる前記集光角及び前記入射レーザの強度の関係として定め、
前記入射レーザの強度が前記第1強度条件を満たすか否かの判断に、前記集光領域への集光に用いる集光要素を通過した後の前記入射レーザの進行方向に直交する面の単位面積当たりの該入射レーザの電力を用い、
前記第2強度条件を規定する前記入射レーザの強度として、前記電力の前記面における積分値を用いる、
電界センサ。
An electric field sensor that utilizes a nonlinear optical effect to determine an electric field emitted from a measurement target as a measurement target electric field,
a laser oscillator that emits an incident laser to be irradiated onto the measurement target portion;
a focusing element that focuses the incident laser emitted from the laser oscillator on a focusing region where the measurement target is located;
an extracting device that extracts nonlinear light to be measured from transmitted light emitted from the measurement target portion;
a calculation device that calculates the electric field to be measured based on the extracted intensity of the nonlinear light,
measurement parameters are adjusted so that the intensity of the incident laser satisfies a first intensity condition that is equal to or greater than a predetermined intensity lower limit value and equal to or less than a predetermined intensity upper limit value, and so that the intensity of the incident laser satisfies a second intensity condition ;
the second intensity condition is defined based on a collection angle related to collection of light onto the light collection region and an intensity of the incident laser,
the intensity lower limit value is predetermined as a minimum value of intensity that makes a conversion efficiency, which is an efficiency at which the incident laser irradiated on the measurement portion is converted into the nonlinear light, equal to or greater than a certain value,
the upper intensity limit value is predetermined as a maximum value of the intensity that suppresses the generation of plasma in the measurement space,
The second strength condition is
a relationship between the collection angle and the intensity of the incident laser that satisfies the first intensity condition and makes the Rayleigh length of the incident laser equal to or less than a certain value,
determining whether the intensity of the incident laser satisfies the first intensity condition using the power of the incident laser per unit area on a plane perpendicular to the direction of travel of the incident laser after passing through a focusing element used to focus the laser on the focusing region;
an integrated value of the power in the plane is used as the intensity of the incident laser that defines the second intensity condition;
Electric field sensor.
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