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JP2000214082A - Measuring apparatus for nonlinear optical response of medium - Google Patents

Measuring apparatus for nonlinear optical response of medium

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Publication number
JP2000214082A
JP2000214082A JP11018812A JP1881299A JP2000214082A JP 2000214082 A JP2000214082 A JP 2000214082A JP 11018812 A JP11018812 A JP 11018812A JP 1881299 A JP1881299 A JP 1881299A JP 2000214082 A JP2000214082 A JP 2000214082A
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pulse
medium
probe
light
measured
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JP11018812A
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Japanese (ja)
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Shinichiro Aoshima
紳一郎 青島
Masatoshi Fujimoto
正俊 藤本
Makoto Hosoda
誠 細田
Yutaka Tsuchiya
裕 土屋
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Hamamatsu Photonics KK
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a measuring apparatus by which a nonlinear optical effect generated in a substance can be measured directly. SOLUTION: Optical pulses from an ultrashort-pulse light source 11 are branched by an optical branching device 12 so as to be guided to a medium 4 to be measured, as exciting pulses and probe pulses having a prescribed linearly polarized state by an excitation optical system 2 and a probe optical system 3. An interaction region which is generated in the medium 4 when the exciting pulses are incident and in which a refractive index is changed due to a nonlinear optical effect, is irradiated with the probe pulses. The component, out of the component which is passed through the medium 4, of the probe pulses which are passed through the interaction region and whose polarization state is changed, is detected by a camera 53 via an analyzer 51 in a light detection part 5. As a result, the nonlinear optical response of the medium 4 can be measured.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光パルスなどの光
の入射によって物質中に生じる非線形光学効果を測定す
ることができる媒質の非線形光学応答測定装置に関する
ものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for measuring a nonlinear optical response of a medium, which can measure a nonlinear optical effect generated in a substance by incidence of light such as a light pulse.

【0002】[0002]

【従来の技術】大強度の超短パルスレーザーなどのレー
ザー技術の発展に伴って、通常の光に比べて強度が大き
いレーザー光によって生じる光カー効果等の物質の非線
形光学効果(nonlinear optical effect)と、それに起
因する様々な現象が問題となっている。すなわち、電場
の2次以上の高次の項に対する物質の非線形感受率は1
次の項に比べて小さい値であるため、通常の光において
は線形の応答のみが測定されるが、レーザー光などの充
分に大きい強度(電場)を有する光に対しては、このよ
うな2次以上の非線形項による効果が現れる。
2. Description of the Related Art With the development of laser technology such as high-intensity ultrashort pulse lasers, the nonlinear optical effect of substances such as the optical Kerr effect caused by laser light having a higher intensity than ordinary light. And various phenomena caused by it. That is, the non-linear susceptibility of a substance to the second or higher order term of the electric field is 1
Since the value is smaller than the following term, only a linear response is measured in ordinary light. However, for light having sufficiently large intensity (electric field) such as laser light, such a 2 The effect of the non-linear term of the second or higher order appears.

【0003】このような非線形光学効果による現象とし
ては、例えば、大強度の光パルスを物質に照射すること
によって生じる光の自己集束効果(self-focusing effe
ct)や、光のビーム径が細いままで伝搬するチャネリン
グやフィラメンテーションなどの自己束縛効果(self-t
rapping effect)が知られている。
A phenomenon caused by such a nonlinear optical effect is, for example, a self-focusing effect of light generated by irradiating a substance with a high intensity light pulse.
ct) and self-constraining effects (self-t
rapping effect) is known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】近年、上記した諸現象
のレーザー光の制御等への利用が進められており、今後
さらに高度な光制御への応用が期待されている。そのよ
うな高度な光制御への応用を実現するためには、様々な
物質中における非線形光学効果の発生について、その発
生条件や時間変化などの応答(以下、非線形光学応答と
いう)を測定し、また、それによって非線形感受率など
の非線形定数を決定することが必要不可欠である。
In recent years, the use of the above-mentioned phenomena for controlling laser light has been promoted, and application to more advanced light control is expected in the future. In order to realize such advanced optical control applications, the response to the occurrence of nonlinear optical effects in various materials, such as the generation conditions and time changes (hereinafter referred to as nonlinear optical response), is measured. In addition, it is essential to determine a nonlinear constant such as a nonlinear susceptibility.

【0005】一方、上記した諸現象は、超短パルスレー
ザー等を利用する上で問題を生じる場合がある。例え
ば、自己集束効果や自己束縛効果が生じた光パルスによ
って、レンズなどの光学素子・光学材料が破壊され欠陥
を生じるなどの問題を生じる。また、光パルスを気体や
液体に集束させようとするとレーザープラズマを生じ、
その散乱などによって有効に集光することができないと
いう問題を生じる。この問題を回避するためには光学系
を真空とする必要があるが、この場合、真空にする必要
性から装置構成や光パルスの使用条件が制限されてしま
う。
On the other hand, the above-mentioned phenomena may cause a problem when using an ultrashort pulse laser or the like. For example, a light pulse having a self-focusing effect or a self-binding effect causes a problem that an optical element or an optical material such as a lens is broken and a defect is generated. Also, when trying to focus an optical pulse on a gas or liquid, a laser plasma is created,
There is a problem that light cannot be collected effectively due to the scattering or the like. In order to avoid this problem, the optical system needs to be evacuated, but in this case, the necessity of evacuating restricts the device configuration and the use conditions of the light pulse.

【0006】これらの問題を解決する上でも、物質の非
線形光学応答の測定を行う必要性は高い。このために
は、物質中の各部位における非線形光学効果の発生状態
とその時間変化等を、直接的に測定する技術を確立する
ことが重要である。
In order to solve these problems, it is highly necessary to measure the nonlinear optical response of a substance. For this purpose, it is important to establish a technique for directly measuring the state of occurrence of the nonlinear optical effect in each part of the substance and its time change.

【0007】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
ものであり、媒質中において生じる非線形光学効果によ
る非線形光学応答を直接的に測定することができる媒質
の非線形光学応答測定装置を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a medium nonlinear optical response measuring apparatus capable of directly measuring a nonlinear optical response due to a nonlinear optical effect generated in a medium. The purpose is to:

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明による媒質の非線形光学応答測定装置
は、光パルスによって被測定媒質内に生じる非線形光学
効果を測定するための媒質の非線形光学応答測定装置で
あって、パルス光源によって供給された光パルスから、
それぞれの出力タイミングが同期された第1の光束と第
2の光束とを生成して出力する光源部と、第1の光束に
基づいて励起パルスを形成し、被測定媒質に励起パルス
を入射する励起光学系と、第2の光束に基づいてプロー
ブパルスを形成し、被測定媒質に励起パルスが入射され
ることによって非線形光学効果が誘起された相互作用領
域を含む被測定媒質の所定領域にプローブパルスを照射
するプローブ光学系と、被測定媒質の所定領域を通過し
たプローブパルスを検出する光検出部と、を備え、励起
光学系は、励起パルスを所定の偏光状態とするための励
起パルス偏光手段と、励起パルスを被測定媒質に所定の
入射条件によって入射させる入射光学系とを有し、プロ
ーブ光学系は、プローブパルスを所定の偏光状態とする
ためのプローブパルス偏光手段を有し、光検出部は、被
測定媒質の所定領域を通過したプローブパルスのうち、
所定の偏光成分のみを透過させる検光手段と、検光手段
を透過したプローブパルスを検出・測定する光検出手段
と、被測定媒質の所定領域を通過し検光手段を透過した
プローブパルスを光検出手段に結像させる結像手段と、
を有することを特徴とする。
In order to achieve the above object, a device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention comprises a medium for measuring a nonlinear optical effect generated in a medium to be measured by an optical pulse. A non-linear optical response measurement device, comprising: a light pulse supplied by a pulse light source;
A light source unit that generates and outputs a first light beam and a second light beam whose output timings are synchronized, forms an excitation pulse based on the first light beam, and enters the excitation pulse into the medium to be measured A probe pulse is formed based on the excitation optical system and the second light flux, and a probe is formed in a predetermined region of the medium to be measured including an interaction region in which the nonlinear optical effect is induced by the excitation pulse being incident on the medium to be measured. A probe optical system for irradiating a pulse, and a light detection unit for detecting a probe pulse that has passed through a predetermined region of the medium to be measured, wherein the excitation optical system is an excitation pulse polarization for setting the excitation pulse to a predetermined polarization state. Means, and an incident optical system for causing the excitation pulse to be incident on the medium to be measured under predetermined incident conditions, wherein the probe optical system has a probe path for bringing the probe pulse into a predetermined polarization state. It has a scan polarizing means, the light detecting unit, among the probe pulse which has passed through the predetermined region of the measured medium,
An analyzer that transmits only a predetermined polarization component, an optical detector that detects and measures a probe pulse that has passed through the analyzer, and a probe that transmits a predetermined region of the medium to be measured and transmits the probe pulse through the analyzer. Imaging means for forming an image on the detection means;
It is characterized by having.

【0009】上記した媒質の非線形光学応答測定装置に
おいては、超短パルス光源である高強度フェムト秒レー
ザーなどのパルス光源を用い、パルス光源から出力され
た2つの光束からそれぞれ所定の偏光状態にある励起パ
ルス及びプローブパルスを生成して、それらを被測定媒
質に入射・照射する。このとき励起パルスの入射によっ
て、被測定媒質中に励起パルスが分布している空間領域
において、励起パルス光と被測定媒質とが相互作用して
非線形光学効果を生じ屈折率が変化した領域(相互作用
領域)が形成される。この相互作用領域の状態を、被測
定媒質を通過したプローブパルスのうち偏光状態の変化
した成分を検光手段によって選択し光検出手段によって
検出することによって測定する。これによって、被測定
媒質中の特定の領域における非線形光学応答について、
入射光の強度またはその空間分布との相関などの非線形
光学効果の発生状態・条件を直接的に測定することがで
き、さらにその時間変化の測定や非線形定数の決定も可
能となる。また特に、超短パルス光源などのパルス光源
を用いることによって、高時間分解能での非線形光学応
答の測定が実現されている。
In the above-described apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium, a pulse light source such as a high-intensity femtosecond laser which is an ultrashort pulse light source is used, and two light beams output from the pulse light source are in respective predetermined polarization states. An excitation pulse and a probe pulse are generated, and they are incident on and irradiated on the medium to be measured. At this time, in the spatial region where the excitation pulse is distributed in the medium to be measured due to the excitation pulse, the excitation pulse light and the medium to be measured interact with each other to generate a nonlinear optical effect and to change the refractive index (interaction). A working area) is formed. The state of the interaction region is measured by selecting a component having a changed polarization state among the probe pulses that have passed through the medium to be measured by the analyzing means and detecting the component by the light detecting means. With this, for the nonlinear optical response in a specific region in the medium to be measured,
It is possible to directly measure the generation state / condition of the nonlinear optical effect such as the intensity of the incident light or its correlation with the spatial distribution, and it is also possible to measure the time change thereof and determine the nonlinear constant. Particularly, by using a pulse light source such as an ultrashort pulse light source, measurement of a nonlinear optical response with high time resolution is realized.

【0010】光源部については、例えば、光パルスを出
力する単一のパルス光源と、光パルスを分岐して第1の
光束と第2の光束とを生成する光分岐手段と、を有して
構成することができる。この場合、同一のパルス光源を
用いることによって2つの光束が同期され、光源部の構
成を簡単化することができる。
The light source section includes, for example, a single pulse light source for outputting a light pulse, and light branching means for splitting the light pulse to generate a first light beam and a second light beam. Can be configured. In this case, by using the same pulse light source, the two light beams are synchronized, and the configuration of the light source unit can be simplified.

【0011】あるいは、光源部は、第1の光束となる光
パルスを出力する励起パルス光源と、第2の光束となる
光パルスを出力するプローブパルス光源と、第1の光束
及び第2の光束の出力タイミングを同期させるタイミン
グ制御手段と、を有して構成することができる。この場
合、タイミング制御手段によって2つの光束が同期され
る。このタイミング制御手段は、例えばトリガー回路と
遅延回路とから構成することができる。このような構成
の場合、例えば励起パルスとプローブパルスのパルス幅
や波長を異なるものとして設定することが可能である。
Alternatively, the light source unit includes an excitation pulse light source that outputs a light pulse that becomes a first light beam, a probe pulse light source that outputs a light pulse that becomes a second light beam, a first light beam and a second light beam. And timing control means for synchronizing the output timings. In this case, the two light beams are synchronized by the timing control means. This timing control means can be composed of, for example, a trigger circuit and a delay circuit. In the case of such a configuration, for example, the pulse width and the wavelength of the excitation pulse and the probe pulse can be set to be different.

【0012】また、励起光学系またはプローブ光学系の
いずれか一方は、励起光学系とプローブ光学系との光路
長差を設定・変更するための可変光遅延手段を有するこ
とを特徴とする。
Further, one of the excitation optical system and the probe optical system has a variable optical delay means for setting and changing an optical path length difference between the excitation optical system and the probe optical system.

【0013】また、入射光学系は、その光路方向の位置
が可動である可動光学系を有して構成されていることを
特徴とする。
Further, the incident optical system is characterized by having a movable optical system whose position in the direction of the optical path is movable.

【0014】励起パルスの入射に対するプローブパルス
の照射タイミング、またはプローブパルス照射時の励起
パルスの空間分布形状を、可変光遅延手段または可動光
学系を用いて変更することによって、生成される相互作
用領域の被測定媒質中の位置や範囲等の状態を変化させ
た測定を行うことが可能となる。
An interaction area generated by changing the irradiation timing of the probe pulse with respect to the injection of the excitation pulse or the spatial distribution shape of the excitation pulse during the irradiation of the probe pulse by using a variable optical delay means or a movable optical system. It is possible to perform measurement while changing the state such as the position and range in the medium to be measured.

【0015】さらに、励起パルス偏光手段及びプローブ
パルス偏光手段は、少なくとも一方に波長板または偏光
子を含んで構成されて、励起パルス及びプローブパルス
の偏光状態はそれぞれ所定の直線偏光に設定され、プロ
ーブパルスの被測定媒質への照射軸は、励起パルスの被
測定媒質への入射軸を含み励起パルスの直線偏光の軸に
対して垂直な平面内にあって、プローブパルスの直線偏
光の軸は、前記平面に対して45度の傾きとして設定さ
れ、検光手段は、被測定媒質の所定領域を通過したプロ
ーブパルスのうち、被測定媒質に照射されるプローブパ
ルスの直線偏光と直交した偏光成分のみを透過させるこ
とを特徴とする。
Further, the excitation pulse polarization means and the probe pulse polarization means are configured so that at least one of them includes a wave plate or a polarizer, and the polarization states of the excitation pulse and the probe pulse are respectively set to predetermined linearly polarized light. The axis of irradiation of the medium to be measured with the pulse is in a plane perpendicular to the axis of linearly polarized light of the excitation pulse, including the axis of incidence of the excitation pulse to the medium to be measured, and the axis of linearly polarized light of the probe pulse is The analyzer is set as an inclination of 45 degrees with respect to the plane, and the analyzer detects only a polarization component orthogonal to the linearly polarized light of the probe pulse irradiated on the medium to be measured among the probe pulses that have passed through a predetermined region of the medium to be measured. Is transmitted.

【0016】また、プローブパルスの照射軸の、励起パ
ルスの入射軸に対する照射角度が90度であることを特
徴とする。
Further, the irradiation angle of the probe pulse irradiation axis with respect to the excitation pulse incidence axis is 90 degrees.

【0017】このように各パルスの偏光状態及び検光手
段等を設定することによって、効率的な測定装置の構成
とすることができる。
As described above, by setting the polarization state of each pulse, the analyzing means, and the like, an efficient measuring apparatus can be constructed.

【0018】また、プローブパルスの照射軸の、励起パ
ルスの入射軸に対する照射角度が0度より大きく90度
より小さい角度に設定され、プローブ光学系は、プロー
ブパルスの波面を励起パルスの波面に一致させて被測定
媒質に照射するための波面変換手段を有することを特徴
とすることによって、時間分解能を損なうことなく、か
つ、励起パルス及びプローブパルスの相互作用長を長く
とる測定を行うことができる。
Further, the irradiation angle of the irradiation axis of the probe pulse with respect to the incident axis of the excitation pulse is set to an angle larger than 0 degree and smaller than 90 degrees, and the probe optical system matches the wave front of the probe pulse with the wave front of the excitation pulse. By having a wavefront converting means for irradiating the medium to be measured, it is possible to perform a measurement that does not impair the time resolution and that increases the interaction length between the excitation pulse and the probe pulse. .

【0019】また、励起光学系、プローブ光学系及び光
検出部の一部または全部を一体化して保持するととも
に、励起パルスの入射軸を回転軸として回転駆動が可能
なように構成されて、被測定媒質に対する励起光学系、
プローブ光学系及び光検出部の設置角度を変更すること
が可能な光学系保持機構をさらに備えることを特徴とす
ることによって、相互作用領域を異なる角度から測定
し、得られたデータに対して例えばX線CTと同様の画
像再構成法を用いて、相互作用領域内に生じた非線形光
学効果についての3次元情報等を得ることが可能とな
る。
The excitation optical system, the probe optical system, and a part or all of the light detection unit are integrally held, and are configured to be rotatable about the excitation pulse incident axis as a rotation axis. Excitation optics for the measurement medium,
By further comprising an optical system holding mechanism capable of changing the installation angle of the probe optical system and the light detection unit, by measuring the interaction area from different angles, for example, Using the same image reconstruction method as that for X-ray CT, it becomes possible to obtain three-dimensional information and the like on the nonlinear optical effect generated in the interaction region.

【0020】また、光検出部は、被測定媒質の所定領域
を通過したプローブパルスの2次元の光像を1次元の光
像に変換する光像変換手段をさらに有し、光検出手段は
一次元光検出器を有して構成されていることを特徴とす
る。
Further, the light detecting section further has a light image converting means for converting a two-dimensional light image of the probe pulse which has passed through a predetermined area of the medium to be measured into a one-dimensional light image, and the light detecting means has a primary light. It is characterized by comprising a source photodetector.

【0021】シリンドリカルレンズなどを用いた光像変
換手段によって2次元光像を1次元光像に集束・変換
し、一次元光検出器によって1次元画像として検出し
て、その1次元画像の時間に対する変化を測定すること
によって、光飛跡の移動に伴う相互作用領域の移動・時
間変化の測定を効率的に行うことができる。
A two-dimensional light image is focused and converted into a one-dimensional light image by a light image conversion means using a cylindrical lens or the like, and detected as a one-dimensional image by a one-dimensional photodetector. By measuring the change, it is possible to efficiently measure the movement and the time change of the interaction region accompanying the movement of the light track.

【0022】また、光検出部は、被測定媒質の所定領域
を通過したプローブパルスの2次元の光像を1次元の光
像に変換する光像変換手段と、光像変換手段及び光検出
手段の間に設置される分光手段とを有するとともに、プ
ローブ光学系は、プローブパルスをチャープさせるパル
スストレッチャーを有することを特徴とする。
Further, the light detecting section includes a light image converting means for converting a two-dimensional light image of the probe pulse having passed through a predetermined area of the medium to be measured into a one-dimensional light image, a light image converting means and a light detecting means. And a probe optical system having a pulse stretcher for chirping a probe pulse.

【0023】プローブ光学系にパルスストレッチャーを
設置してプローブパルスをチャープ、すなわち時間波形
を波長によって広げて、各波長成分が時間情報と対応す
るようにし、一方、光検出部においてシリンドリカルレ
ンズなどの光像変換手段からの1次元光像を分光手段に
よって分光し、分光によって生成された2次元光像を光
検出手段によって測定する。これによって、分光された
波長軸が時間軸に対応した測定像を得ることができる。
A pulse stretcher is installed in the probe optical system to chirp the probe pulse, that is, to spread the time waveform by the wavelength so that each wavelength component corresponds to the time information. On the other hand, in the light detecting section, a cylindrical lens or the like is used. The one-dimensional light image from the light image conversion means is separated by the light separating means, and the two-dimensional light image generated by the light separation is measured by the light detecting means. This makes it possible to obtain a measurement image in which the spectral wavelength axis corresponds to the time axis.

【0024】また、励起光学系またはプローブ光学系の
少なくとも一方は、励起パルスまたはプローブパルスの
波長を変化させる波長変換手段を有することを特徴とし
ても良い。あるいは、励起光学系は、励起パルスの個々
の波形またはパルス列の構成などの時間波形を変化させ
る波形変換手段を有することを特徴としても良い。波長
または波形の変換手段を備えることによって、様々な状
態の光パルスに対する非線形光学応答とその変化の測定
を行うことができる。
Further, at least one of the excitation optical system and the probe optical system may have a wavelength conversion means for changing the wavelength of the excitation pulse or the probe pulse. Alternatively, the excitation optical system may include a waveform conversion unit that changes a time waveform such as an individual waveform of an excitation pulse or a configuration of a pulse train. The provision of the wavelength or waveform conversion means makes it possible to measure the nonlinear optical response to the light pulse in various states and its change.

【0025】さらに、光検出手段からの画像データの処
理を行う画像処理手段を有することによって、例えば画
像データから自己相関波形を導出するなどの画像処理や
必要な演算等をリアルタイムで行うことが可能となり、
測定をより効率化できる。
Further, by having the image processing means for processing the image data from the light detecting means, it is possible to perform image processing such as deriving an autocorrelation waveform from the image data and necessary calculations in real time. Becomes
Measurement can be made more efficient.

【0026】また、光源部のパルス光源としてパルスレ
ーザーを用い、パルスレーザーのレーザー媒質を被測定
媒質とし、パルスレーザーの共振器内の光パルスを励起
パルスとし、パルスレーザーから出力された光パルスか
らプローブパルスを形成して、測定されたレーザー媒質
の情報に基づいてパルスレーザーのレーザー制御装置に
フィードバックを行って、パルスレーザーの動作の最適
化、安定化を行うことを特徴とする。これは、媒質の非
線形光学応答測定装置を他の装置であるパルスレーザー
中における非線形光学応答の測定に利用するものであ
る。
Further, a pulse laser is used as a pulse light source of the light source section, a laser medium of the pulse laser is used as a medium to be measured, an optical pulse in a resonator of the pulse laser is used as an excitation pulse, and an optical pulse output from the pulse laser is used. The method is characterized in that a probe pulse is formed, and feedback to a laser controller of the pulse laser is performed based on information of the measured laser medium to optimize and stabilize the operation of the pulse laser. In this method, a device for measuring nonlinear optical response of a medium is used for measuring a nonlinear optical response in a pulse laser which is another device.

【0027】また、このような装置は、動熱力学の観測
または制御に適用することが可能である。
Such an apparatus can be applied to observation or control of thermodynamics.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による媒
質の非線形光学応答測定装置の好適な実施形態について
詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素
には同一符号を付し、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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of a device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Also,
The dimensional ratios in the drawings do not always match those described.

【0029】図1は、本発明に係る媒質の非線形光学応
答測定装置の第1の実施形態を示すブロック図である。
本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置は、
光源部1、励起光学系2、プローブ光学系3、及び光検
出部5とから構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.
The device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present embodiment includes:
It comprises a light source unit 1, an excitation optical system 2, a probe optical system 3, and a light detection unit 5.

【0030】光源部1は、光パルスを生成・出射する超
短パルス光源11と、光分岐器12とを有して構成され
る。超短パルス光源11から出射された光パルスは、光
分岐器12によって、励起光学系2へと導光される第1
の光束とプローブ光学系3へと導光される第2の光束と
に分岐される。
The light source unit 1 includes an ultrashort pulse light source 11 for generating and emitting an optical pulse, and an optical splitter 12. The first optical pulse emitted from the ultrashort pulse light source 11 is guided to the excitation optical system 2 by the optical splitter 12.
And a second light beam guided to the probe optical system 3.

【0031】光源部1から出力された第1の光束及び第
2の光束は、それぞれ励起パルス及びプローブパルスと
されて、測定対象となる物質である被測定媒質4へと導
かれる。励起光学系2は、光源部1からの第1の光束に
基づいて励起パルスを形成し、所定の入射軸から被測定
媒質4に入射する。この励起光学系2は、励起光学系2
とプローブ光学系3との遅延時間差を設定・変更するた
めの可変光遅延器21と、励起パルスを所定の偏光状態
とするための波長板23及び偏光子24からなる励起パ
ルス偏光手段22と、励起パルスを被測定媒質4へと所
定の入射条件によって入射させる入射光学系25とを有
して構成されている。
The first light beam and the second light beam output from the light source unit 1 are converted into an excitation pulse and a probe pulse, respectively, and guided to the medium 4 to be measured, which is a substance to be measured. The excitation optical system 2 forms an excitation pulse based on the first light beam from the light source unit 1 and enters the medium to be measured 4 from a predetermined incident axis. The excitation optical system 2 is
A variable optical delay unit 21 for setting / changing a delay time difference between the probe optical system 3 and the probe optical system 3, an excitation pulse polarization unit 22 including a wave plate 23 and a polarizer 24 for converting an excitation pulse into a predetermined polarization state, And an input optical system 25 for inputting the excitation pulse to the medium to be measured 4 under a predetermined input condition.

【0032】一方、プローブ光学系3は、光源部1から
の第2の光束に基づいてプローブパルスを形成し、所定
の照射軸から被測定媒質4に照射する。このプローブ光
学系3は、プローブパルスを所定の偏光状態とするため
の波長板33及び偏光子34からなるプローブパルス偏
光手段32を有して構成されている。
On the other hand, the probe optical system 3 forms a probe pulse based on the second light beam from the light source unit 1 and irradiates the medium 4 to be measured from a predetermined irradiation axis. The probe optical system 3 includes a probe pulse polarizing means 32 including a wave plate 33 and a polarizer 34 for turning a probe pulse into a predetermined polarization state.

【0033】以上の構成において、励起パルスは励起光
学系2を介して被測定媒質4に例えば集束して入射され
る。このとき、集光された励起パルスは被測定媒質4中
の所定領域で大強度・高密度の光束を形成し、そのよう
な励起パルスの光が分布している空間領域内において、
光カー効果等の非線形光学効果により被測定媒質4中の
屈折率の変化が誘起される。このような励起パルスと被
測定媒質4との相互作用によって非線形光学効果を生じ
た領域を、ここでは相互作用領域と呼ぶ。
In the above configuration, the excitation pulse is focused and incident on the medium to be measured 4 via the excitation optical system 2, for example. At this time, the condensed excitation pulse forms a high-intensity and high-density luminous flux in a predetermined region in the medium 4 to be measured, and in a spatial region where the light of such an excitation pulse is distributed,
A change in the refractive index in the measured medium 4 is induced by a nonlinear optical effect such as the optical Kerr effect. A region where such an interaction between the excitation pulse and the medium under measurement 4 produces a nonlinear optical effect is referred to as an interaction region here.

【0034】ここで、相互作用領域を含む被測定媒質4
の所定領域にプローブパルスをプローブ光学系3を介し
て照射すると、相互作用領域内における屈折率の異方性
によって、相互作用領域を通過したプローブパルス成分
のみ、被測定媒質4のその他の領域を通過したプローブ
パルス成分に対してその偏光状態が変化する。この変化
した光成分を光検出部5を用いて検出することによっ
て、相互作用領域の像を測定し、その画像データの強度
分布等から相互作用領域内に生じた非線形光学効果の発
生状態(非線形光学応答の位置・光強度依存性等)を、
また、画像データの時間変化から非線形光学効果の時間
変化(非線形光学応答の時間依存性)を測定することが
でき、さらにそれらの情報から非線形定数を決定するこ
とができる。
Here, the medium to be measured 4 including the interaction region
Is irradiated with a probe pulse through the probe optical system 3 through the probe optical system 3, only the probe pulse component that has passed through the interaction region is subjected to other regions of the measured medium 4 due to the anisotropy of the refractive index in the interaction region. The polarization state of the passed probe pulse component changes. By detecting the changed light component using the light detection unit 5, the image of the interaction area is measured, and the state of the nonlinear optical effect generated in the interaction area from the intensity distribution of the image data (non-linear state) Position and light intensity dependence of optical response)
In addition, the time change of the nonlinear optical effect (time dependency of the nonlinear optical response) can be measured from the time change of the image data, and the nonlinear constant can be determined from the information.

【0035】光検出部5は、被測定媒質4の所定領域を
通過したプローブパルスのうち所定の偏光成分のみを透
過させる検光子51と、検光子51を透過したプローブ
パルス成分を結像させる結像レンズ52と、結像したプ
ローブパルスの光像を測定するための光検出手段である
カメラ53とを有して構成されている。これによって、
相互作用領域を通過したプローブパルス成分を検光子5
1によって選択的に透過し、カメラ53によってこのプ
ローブパルス成分を測定・撮像して、被測定媒質4中に
おける非線形光学応答を測定する。
The light detection unit 5 includes an analyzer 51 that transmits only a predetermined polarization component of the probe pulse that has passed through a predetermined area of the medium 4 to be measured, and an imager that forms an image of the probe pulse component that has passed through the analyzer 51. It is configured to include an image lens 52 and a camera 53 that is a light detecting unit for measuring a light image of the formed probe pulse. by this,
The probe pulse component passing through the interaction area is analyzed by an analyzer 5
1, the probe pulse component is measured and imaged by the camera 53, and the nonlinear optical response in the measured medium 4 is measured.

【0036】なお、上記した実施形態においては、偏光
手段22、32はそれぞれ波長板23、33及び偏光子
24、34とから構成されているが、これは偏光手段2
2、32の構成の一例を示したものであって、励起光学
系2及びプローブ光学系3に入力される光束の偏光状態
と、設定する励起パルス及びプローブパルスの偏光状態
によって、その他の構成、例えば波長板のみからなる構
成等、を用いることができる。
In the above embodiment, the polarizing means 22 and 32 are composed of the wave plates 23 and 33 and the polarizers 24 and 34, respectively.
2 and 32 show an example of the configuration, and other configurations depending on the polarization state of the light beam input to the excitation optical system 2 and the probe optical system 3 and the polarization state of the excitation pulse and the probe pulse to be set. For example, a configuration including only a wave plate can be used.

【0037】また、励起光学系2における入射光学系と
して、励起パルスを集束して被測定媒質4に入射させる
入射光学系25を用いているが、励起パルスの強度や被
測定媒質4とする物質の種類等の測定条件によって、集
束を行わない光学系を入射光学系として用いても良い。
As the incident optical system in the excitation optical system 2, an incident optical system 25 for converging an excitation pulse and making it incident on the medium to be measured 4 is used. An optical system that does not perform focusing may be used as the incident optical system, depending on the measurement conditions such as the type.

【0038】図2は、図1に示した実施形態による媒質
の非線形光学応答測定装置について、具体的な構成とと
もに示す一実施例である。
FIG. 2 shows an example of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the embodiment shown in FIG. 1 together with a specific configuration.

【0039】本実施例においては、波長800nm、パ
ルス幅100fs、パルス当たりのエネルギーが7mJ
のチタン・サファイアレーザーを超短パルス光源11と
して用い、このパルス光源11からの光パルスは、例え
ばハーフミラーなどからなる光分岐器12によって第1
の光束l1及び第2の光束l2に分岐される。ここで、こ
の光パルスは、図2中において紙面、すなわち後述する
励起パルスの被測定媒質4への入射軸及びプローブパル
スの照射軸を含む平面(以下、測定平面という)、に対
して水平な方向の直線偏光を有している。なお、必要が
あれば、パルス光源11と光分岐器12との間に波長板
などを設置しても良い。この場合、光分岐器12として
例えばプリズム型の偏光ビームスプリッターを用いるこ
とが可能である。
In this embodiment, the wavelength is 800 nm, the pulse width is 100 fs, and the energy per pulse is 7 mJ.
The titanium sapphire laser is used as the ultrashort pulse light source 11, and the light pulse from the pulse light source 11 is firstly split by an optical splitter 12 composed of, for example, a half mirror.
Are divided into a light beam l 1 and a second light beam l 2 . Here, this optical pulse is horizontal to the paper surface in FIG. 2, that is, a plane (hereinafter, referred to as a measurement plane) including the axis of incidence of the excitation pulse to be measured and the irradiation axis of the probe pulse, which will be described later. It has linear polarization in the direction. If necessary, a wave plate or the like may be provided between the pulse light source 11 and the optical splitter 12. In this case, for example, a prism type polarizing beam splitter can be used as the optical splitter 12.

【0040】第1の光束l1は、励起光学系によって励
起パルスleとされて被測定媒質4へと導かれ、一方、
第2の光束l2は、プローブ光学系によってプローブパ
ルスlpとされて被測定媒質4へと導かれる。
The first light beam l 1 is guided to the excitation pulse l e and has been measured medium 4 by the excitation optical system, whereas,
The second light flux l 2 is converted into a probe pulse l p by the probe optical system and guided to the medium 4 to be measured.

【0041】励起パルスleとプローブパルスlpとの被
測定媒質4への入射・照射のタイミングは、励起光学系
における可変光遅延器21と、プローブ光学系における
光路部分30とによって調整・設定または変更される。
The timing of the incident-irradiation of the excitation pulse l e and probe pulse l measured with p medium 4 includes a variable optical delay unit 21 in the excitation optical system, adjusted and set by the optical path portion 30 in the probe optics Or be changed.

【0042】プローブ光学系の光路部分30は、装置の
構成時に設定され固定されるものであって、遅延時間が
固定された光遅延器としての機能を有し、励起光学系に
対する光路長差とそれによる遅延時間差の初期条件を調
整・設定するために用いられる。一方、励起光学系の可
変光遅延器21は、可動直角ミラー21aを有して構成
されており、この可動直角ミラー21aを移動させるこ
とによって光路長を変化させて、プローブ光学系に対す
る光路長差とそれによる遅延時間差を変更・設定するこ
とが可能なように構成されている。
The optical path portion 30 of the probe optical system is set and fixed when the apparatus is constructed, has a function as an optical delay unit with a fixed delay time, and has a difference in optical path length with respect to the excitation optical system. It is used for adjusting and setting the initial condition of the delay time difference. On the other hand, the variable optical delay unit 21 of the excitation optical system is configured to have a movable right-angle mirror 21a, and the optical path length is changed by moving the movable right-angle mirror 21a so that the optical path length difference with respect to the probe optical system is changed. And the delay time difference caused by the change can be changed and set.

【0043】励起パルスleとプローブパルスlpとのそ
れぞれの偏光状態は、励起光学系における励起パルス偏
光手段である波長板23及び偏光子24と、プローブ光
学系におけるプローブパルス偏光手段である波長板33
及び偏光子34とによってそれぞれ設定される。
[0043] Each of the polarization state of the excitation pulse l e and probe pulse l p is the wavelength plate 23 and the polarizer 24 is an excitation pulse polarizing means in the excitation optical system, the wavelength is a probe pulse polarizing means in the probe optics Board 33
And the polarizer 34.

【0044】励起パルス偏光手段の波長板23は本実施
形態においては1/2波長板であり、可変光遅延器21
を通過した第1の光束l1は、1/2波長板23によっ
てその直線偏光の方向が90度回転されて測定平面に対
して垂直な直線偏光を有するように変換され、さらに垂
直な直線偏光を有する成分のみを透過する偏光子24を
通過する。これによって、測定平面に対して垂直な直線
偏光を有する励起パルスleが得られる。なお、この偏
光子24は垂直な直線偏光を有する成分をより確実に選
択するためのものであって、設置しない構成とすること
も可能である。
The wavelength plate 23 of the excitation pulse polarizing means is a half-wave plate in this embodiment,
First beam l 1 that has passed through the is converted by 1/2 wavelength plate 23 is the direction of the linearly polarized light to have a linearly polarized light perpendicular to the measurement plane is rotated 90 degrees, further linearly polarized light perpendicular Pass through the polarizer 24 that transmits only the component having Thus, the excitation pulse l e is obtained with a linearly polarized light perpendicular to the measurement plane. The polarizer 24 is for more surely selecting a component having vertical linearly polarized light, and may be configured not to be provided.

【0045】一方、プローブパルス偏光手段の波長板3
3は1/4波長板であり、光路部分30を通過した第2
の光束l2は、1/4波長板33によってその直線偏光
が円偏光に変換され、さらに測定平面に対して45度傾
いた直線偏光を有する成分のみを透過する偏光子34を
通過する。これによって、測定平面に対して45度傾い
た直線偏光を有するプローブパルスlpが得られる。こ
こで、1/4波長板33を1/2波長板として、直接4
5度傾いた直線偏光を有するプローブパルスを生成し、
これを用いても良い。
On the other hand, the wavelength plate 3 of the probe pulse polarization means
Reference numeral 3 denotes a 1 / wavelength plate, which is the second wavelength plate passing through the optical path portion 30.
The light beam l 2 of its linearly polarized light by the / 4 wavelength plate 33 is converted into circularly polarized light, passes through the polarizer 34 that transmits only a component having a more linear polarization inclined by 45 degrees with respect to the measurement plane. Thus, the probe pulse l p having a linear polarization inclined by 45 degrees with respect to the measurement plane is obtained. Here, the 波長 wavelength plate 33 is used as a 波長 wavelength plate,
Generate a probe pulse with linear polarization tilted by 5 degrees,
This may be used.

【0046】上記のようにして得られた励起パルスle
及びプローブパルスlpは、それぞれ所定の入射軸及び
照射軸によって被測定媒質4に入射及び照射される。
The excitation pulse l e obtained as described above
And probe pulse l p are respectively incident and irradiated to the measured medium 4 by predetermined incident axis and the irradiation axis.

【0047】励起光学系からの励起パルスleは、焦点
距離50mmの平凸レンズである集束レンズ25aを通
って、所定の入射軸によって被測定媒質4に集光されつ
つ入射される。このとき被測定媒質4内に、励起パルス
eと被測定媒質4との相互作用によって、光カー効果
等の非線形光学効果を生じた相互作用領域が生成され
る。この相互作用領域内では被測定媒質4の屈折率が変
化し、特にその屈折率にプローブパルスlpの照射軸に
垂直な面内での異方性を生じる。
The excitation pulse l e from the excitation optical system passes through the focusing lens 25a is a plano-convex lens of focal length 50 mm, is incident while being focused on the measurement medium 4 by predetermined incident axis. At this time in the measured medium 4, by the interaction between the excitation pulse l e and the measured medium 4, the interaction region resulting nonlinear optical effect such as an optical Kerr effect is generated. This is interaction region changes the refractive index of a measured medium 4, resulting in anisotropy in a plane perpendicular especially to the irradiation axis of the probe pulse l p in its refractive index.

【0048】この相互作用領域を含む被測定媒質4の所
定領域に対して、プローブ光学系からのプローブパルス
pが、励起パルスleの入射軸に対して垂直な軸を照射
軸として照射される。このプローブパルスlpのうち、
被測定媒質4を透過した成分である透過プローブパルス
p’が光検出部によって検出される。
[0048] For a given area of the measured medium 4 comprising the interaction region, the probe pulse l p of the probe optical system is irradiated as irradiation axis an axis perpendicular to the axis of incidence of the excitation pulse l e You. Of this probe pulse l p ,
Is a component which has transmitted through the DUT medium 4 permeation probe pulse l p 'is detected by the light detection unit.

【0049】透過プローブパルスlp’は、対物レンズ
54を介して検光子51に入射する。この検光子51
は、透過プローブパルスlp’のうち、被測定媒質4に
照射されたプローブパルスlpの直線偏光に対して直交
した直線偏光成分のみを透過するように構成されてい
る。したがって、被測定媒質4の非線形光学効果による
屈折率の異方性を生じていない領域を透過した透過プロ
ーブパルスlp’の成分は検光子51を透過せず、相互
作用領域を通過して相互作用領域内の屈折率の異方性に
よってその偏光状態が変化を受けた透過プローブパルス
p’の成分のみが検光子51を透過する。すなわち、
検光子51を通過した透過プローブパルスl p’の成分
による光像は、非線形光学効果による屈折率変化が誘起
された相互作用領域の像に対応している。
Transmission probe pulse 1p’Is the objective lens
The light enters the analyzer 51 via 54. This analyzer 51
Is the transmission probe pulse lpOf the medium to be measured 4
Irradiated probe pulse lpOrthogonal to linearly polarized light
Is configured to transmit only the linearly polarized light component
You. Therefore, due to the nonlinear optical effect of the measured medium 4
A transmission probe that has passed through a region where no refractive index anisotropy has occurred.
Pulse lp′ Component does not pass through the analyzer 51 and
After passing through the action area, the anisotropy of the refractive index in the interaction area
Therefore, the transmitted probe pulse whose polarization state has changed
lpOnly the components of the 'pass through the analyzer 51. That is,
Transmitted probe pulse l passed through analyzer 51 p’Component
Image is induced by refractive index change due to nonlinear optical effect
Corresponding to the image of the interaction region.

【0050】検光子51を通過した透過プローブパルス
p’の成分による光像は、結像レンズ52によってC
CDカメラ53上に結像されて撮像され、これによっ
て、被測定媒質4中における非線形光学応答が測定され
る。なお、本実施例においては、対物レンズ54は倍率
10倍のものを用い、CCDカメラ53のカメラレンズ
の焦点を無限大として測定を行っている。また、CCD
カメラ53は横640×縦480画素を有して16ビッ
トの強度情報が得られるものを使用し、走査線の影響を
低減するために、CCDカメラ53は測定平面に対して
90度傾けて画素構造の縦方向が励起パルスleの被測
定媒質4中での伝搬方向(入射軸方向)と一致するよう
に設置した。この条件において、CCDカメラ53の画
素間隔に対応する測定面上の距離は4.8μmである。
The light image formed by the component of the transmitted probe pulse l p ′ that has passed through the analyzer 51 is converted by the imaging lens 52 into C light.
An image is formed and imaged on the CD camera 53, whereby the nonlinear optical response in the measured medium 4 is measured. In this embodiment, the objective lens 54 has a magnification of 10 times, and the measurement is performed with the focal point of the camera lens of the CCD camera 53 set to infinity. Also, CCD
The camera 53 has a width of 640.times.480 pixels and can obtain 16-bit intensity information. In order to reduce the influence of scanning lines, the CCD camera 53 is tilted 90 degrees with respect to the measurement plane. vertical structure was established to coincide with the direction of propagation of in the measured medium 4 of the excitation pulse l e (incident direction). Under these conditions, the distance on the measurement surface corresponding to the pixel interval of the CCD camera 53 is 4.8 μm.

【0051】また、図2に示した測定装置においては、
励起パルスleが被測定媒質4内の非常に小さい領域内
に集光されるが、この場合、これに伴って被測定媒質4
がブレークダウンを起こしレーザープラズマが生成され
て、プラズマ発光が起こることがある。このようなプラ
ズマ発光は広帯域のスペクトル成分を有する白色光であ
る。この発光の影響を除去するため、検光子51及び結
像レンズ52の間にプローブパルスlpと異なるスペク
トル成分を除くための波長800nmの干渉フィルター
55を設置している。
Further, in the measuring apparatus shown in FIG.
Excitation pulse l e but is concentrated into a very small area in the measured medium 4, in this case, the measured medium 4 along with this
May cause breakdown, laser plasma may be generated, and plasma emission may occur. Such plasma emission is white light having broadband spectral components. To eliminate the influence of this light emission, we have established an interference filter 55 having a wavelength 800nm to remove spectral components different from the probe pulse l p between the analyzer 51 and the imaging lens 52.

【0052】一方、プローブパルスlpと同一のスペク
トル成分については、非線形光学応答の測定前に、プロ
ーブパルスlpを照射せず他の条件を測定時の条件と同
一とした測定を行い、この測定結果の画像データを非線
形光学応答測定時の測定結果の画像データから減算する
ことによって、透過プローブパルスlp’による相互作
用領域の光像の選択的な測定・撮像を行う。ただし、励
起パルスleがプラズマ発光を伴わない条件によって測
定を行うこともできるが、その場合には、上記したよう
な画像データの減算処理は行わなくても良い。
[0052] On the other hand, the probe pulse l p same spectral component and, prior to the measurement of the nonlinear optical response, performs the measurements were the same as the conditions of the measurement and other conditions without irradiating the probe pulse l p, this by subtracting the image data of the measurement result from the image data of the measurement result at the time nonlinear optical response measurements, perform selective measurement and imaging of the light image of the interaction region by transmitting a probe pulse l p '. However, it can also be measured by the conditions the excitation pulse l e is not accompanied by plasma emission, in which case, need not be performed in the subtraction processing of image data as described above.

【0053】また、励起パルスleのパルス当たりのエ
ネルギーは、各光学要素における損失等によって、集束
レンズ25aの直前において3.5mJであった。な
お、図2に示した実施例による媒質の非線形光学応答測
定装置によって、後述するように非線形光学応答の測定
を実際に行ったが、この測定においては、さらにNDフ
ィルターによって励起パルスleを減光して、パルス当
たり2.3mJとして測定を行った。また、この測定に
おいては、被測定媒質4としては常温・一気圧の空気を
用いた。ただし、測定装置全体を空気雰囲気中に設置し
て測定を行い、その空気のうちの所定領域にある部分を
そのまま被測定媒質4とした。
[0053] Further, the energy per pulse of the excitation pulse l e is the loss or the like in the optical elements were 3.5mJ immediately before the focusing lens 25a. Incidentally, by the nonlinear optical response measuring apparatus of the medium according to the embodiment shown in FIG. 2, although actually measured the nonlinear optical response, as will be described later, in this measurement, decrease the excitation pulse l e by addition ND filter Light was measured at 2.3 mJ per pulse. In this measurement, air at normal temperature and 1 atm was used as the medium 4 to be measured. However, the measurement was performed by installing the entire measuring device in an air atmosphere, and a portion of the air in a predetermined region was used as the medium 4 to be measured.

【0054】以下に、本発明に係る媒質の非線形光学応
答測定装置による効果を、上記した実施例による装置構
成及び測定条件によって行った測定の結果とともに説明
する。本媒質の非線形光学応答測定装置においては、光
源として超短パルス光を出力可能な超短パルスレーザー
をパルス光源11として用い、その超短パルスの光束を
光分岐器12によって分岐させて励起パルスle及びプ
ローブパルスlpを形成している。このように非常に短
い光パルスの時間幅を有する超短パルスを用いることに
よって、高時間分解能での非線形光学応答の測定が可能
となる。また、その超短パルスを分岐させて用いること
によって、励起パルスle及びプローブパルスlpの被測
定媒質4への入射・照射のタイミングの同期が実現でき
る。
The effects of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention will be described below together with the results of measurements performed under the apparatus configuration and measurement conditions according to the above-described embodiment. In the nonlinear optical response measuring apparatus of the present medium, an ultrashort pulse laser capable of outputting ultrashort pulse light is used as a pulse light source 11 as a light source, and the light beam of the ultrashort pulse is split by an optical splitter 12 to generate an excitation pulse l. e and forming the probe pulse l p. By using an ultrashort pulse having a time width of a very short light pulse, it is possible to measure a nonlinear optical response with high time resolution. Further, by using by branching the ultrashort pulse, synchronization of the excitation pulse l e and timing of the incident-irradiation of the probe pulse l p measured medium 4 can be realized.

【0055】特に、上記した実施例での超短パルスのパ
ルス幅100fsのように充分に短い時間幅の光パルス
を用いることによって、被測定媒質4中での特定の時間
における非線形光学効果の発生状態にほぼ対応した相互
作用領域の像を、2次元画像として直接的に測定するこ
とがはじめて可能となる。実際の測定結果では、66.
7fsの遅延時間間隔で48個の非線形光学応答のデー
タを連続的に取得し、光パルスによって生じる非線形光
学効果の空間分布構造及びその時間変化など、相互作用
領域内における非線形光学応答についての詳細な測定に
成功している。
In particular, by using an optical pulse having a sufficiently short time width such as the pulse width of the ultrashort pulse of 100 fs in the above-described embodiment, the generation of the nonlinear optical effect in the measured medium 4 at a specific time is achieved. For the first time, it is possible to directly measure an image of the interaction region almost corresponding to the state as a two-dimensional image. According to actual measurement results, 66.
Data of 48 nonlinear optical responses are continuously acquired at a delay time interval of 7 fs, and detailed information on the nonlinear optical response in the interaction region, such as the spatial distribution structure of the nonlinear optical effect caused by the light pulse and its time change, is obtained. The measurement has been successful.

【0056】さらに、上記した実施形態においては、励
起光学系2は可変光遅延器21を備えており、これによ
って励起パルスle及びプローブパルスlpの入射・照射
の相互のタイミングを変更することができる。このと
き、このタイミングの変化はプローブパルスlpが照射
されるときの励起パルスleの入射軸方向への位置の変
化となり、したがって、相互のタイミングを連続的に変
化させることによって、被測定媒質4中における励起パ
ルスleの移動に対応する相互作用領域の移動・時間変
化を、高時間分解能の連続的な画像として測定すること
ができる。
[0056] Further, in the above embodiment, the excitation optical system 2 includes a variable optical delay device 21, thereby changing the mutual timing of the incident-irradiation of the excitation pulse l e and probe pulse l p Can be. At this time, the change of the timing becomes the change in the position of the incident direction of the excitation pulse l e when the probe pulse l p is irradiated, therefore, by changing the timing of the mutual continuously measured medium the moving-time change in the interaction region corresponding to the movement of the excitation pulse l e in the 4, can be measured as a continuous image with high time resolution.

【0057】図3(a)に、このようにして測定された
被測定媒質4中における相互作用領域の移動を模式的に
示す。横軸は、励起パルスle及びプローブパルスlp
入射・照射の相互のタイミングの変化である遅延時間を
表す。一方、縦軸は、励起パルスleの伝搬距離(相互
作用領域の移動距離)を表す。ここで図3(a)におい
ては、CCDカメラ53によって得られた2次元画像の
うち、励起パルスleの入射軸に垂直な方向についての
画像データを加算して、励起パルスleの入射軸方向、
すなわち励起パルスleの伝搬方向についての1次元画
像(以下、これを演算画像とよぶ)にそれぞれの遅延時
間に対する画像データを変換してそれを図中の縦方向に
表示し、その1次元画像データを連続的に並べることに
よって相互作用領域の移動(斜線部分によって示されて
いる)を示している。
FIG. 3A schematically shows the movement of the interaction area in the measured medium 4 measured in this manner. The horizontal axis represents the excitation pulse l e and the delay time is the change in the mutual timing of the incident-irradiation of a probe pulse l p. On the other hand, the vertical axis represents the propagation distance of the excitation pulse l e (moving distance of the interaction region). Here in FIG. 3 (a), of the two-dimensional image obtained by the CCD camera 53, by adding the image data in the direction perpendicular to the axis of incidence of the excitation pulse l e, the axis of incidence of the excitation pulse l e direction,
That 1-dimensional image of the propagation direction of the excitation pulse l e (hereinafter, referred to as operation image) it converts the image data displayed in the vertical direction in the drawing for each delay time, the one-dimensional image The sequence of the data shows the movement of the interaction area (indicated by the shaded area).

【0058】図3(a)より、本発明による媒質の非線
形光学応答測定装置によって、相互作用領域の移動・時
間変化の様子が、高時間分解能で明確に測定されている
ことがわかる。この相互作用領域の移動の像の傾きは、
被測定媒質4中における光速度に相当する。また、中央
付近の横方向強度プロファイルは、自己相関波形とな
り、これから相互作用領域の範囲についての情報等を得
ることが可能となる。
From FIG. 3 (a), it can be seen that the movement / time change of the interaction region is clearly measured with high time resolution by the medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention. The tilt of the image of this movement of the interaction area is
This corresponds to the speed of light in the medium 4 to be measured. Also, the lateral intensity profile near the center becomes an autocorrelation waveform, from which information about the range of the interaction region can be obtained.

【0059】なお、上記した空気を被測定媒質4とした
測定の結果においては、透過プローブパルスの強度は励
起パルスの強度の2乗にほぼ比例し、主に被測定媒質4
中における光カー効果によって非線形光学効果が生じて
いることがわかった。このとき、得られた測定像の画像
データは励起パルスの強度の2乗分布に対応している。
したがって、例えば各画素の画像データの強度について
それぞれ平方根をとるか、またはarcsin2などの
演算を行って測定像とすることによって、光パルスの強
度の空間分布が反映された測定像を得ることができる。
It should be noted that the intensity of the transmission probe pulse is almost proportional to the square of the intensity of the excitation pulse in the measurement results using the air as the medium 4 to be measured.
It was found that the nonlinear optical effect was caused by the optical Kerr effect in the inside. At this time, the image data of the obtained measurement image corresponds to the square distribution of the intensity of the excitation pulse.
Therefore, for example, by taking the square root of the intensity of the image data of each pixel or by performing an operation such as arcsin 2 to obtain a measurement image, it is possible to obtain a measurement image in which the spatial distribution of the intensity of the light pulse is reflected. it can.

【0060】また、被測定媒質4中の特定の測定点につ
いて、励起パルスle通過後における透過プローブパル
スlp’の強度の時間変化を測定することによって、非
線形光学効果によって被測定媒質4に生じる複屈折の緩
和時間を測定することができる。このような測定を行う
場合には、被測定媒質4中において励起パルスleが最
も集束される位置の近傍を測定点とすることによって、
プローブパルスlpが測定点を通過する時間を短くし
て、測定の時間分解能を向上させることができる。ま
た、図2における集束レンズ25aとして、例えば焦点
距離200mmの平凸レンズなど長焦点のレンズを用い
ることによって、励起パルスleの集束状態の急速な変
化を避けて測定条件をより良好とすることができる。こ
のような測定は、単一の光パルスによって行うことがで
き、短い測定時間による測定が可能である。
[0060] Further, the specific measurement point in the 4 measured medium, by measuring the time variation of the intensity of the transmitted probe pulse l p 'after passing through the excitation pulse l e, the measured medium 4 by nonlinear optical effect The relaxation time of the resulting birefringence can be measured. When performing such measurements by the measurement points in the vicinity of the position where the excitation pulse l e is most focused in the measured medium 4,
By shortening the time that the probe pulse l p passes through the measurement point, it is possible to improve the time resolution of the measurement. Further, as the focusing lens 25a in FIG. 2, for example by using a focal length plano-convex lens and long focal point of the lens of 200 mm, to be more favorable measurement conditions to avoid rapid changes of the focusing state of the excitation pulse l e it can. Such a measurement can be performed by a single light pulse, and can be measured in a short measurement time.

【0061】このような条件によって、透過プローブパ
ルスlp’の強度の時間変化を測定した。測定点付近に
おける前記した演算画像の伝搬方向の軸(距離)を、
(距離)/(被測定媒質中の光速度)として時間軸に変
換して横軸にとり、加算した画像データ(強度)を正規
化し縦軸として作成した図を図3(b)に示す。このと
き、被測定媒質中の光速度が未知の場合には、図3
(a)の図から求めることができる。
[0061] Such conditions, to measure the time variation of the intensity of the transmitted probe pulse l p '. The axis (distance) in the propagation direction of the calculated image near the measurement point is
FIG. 3B is a diagram in which (horizontal axis) is converted into (distance) / (light velocity in the medium to be measured) on the time axis, and the added image data (intensity) is normalized and created on the vertical axis. At this time, if the light velocity in the medium to be measured is unknown, FIG.
It can be obtained from the diagram in FIG.

【0062】ここで、被測定媒質4としてはCS2(常
温で液体)を用いて測定を行った。このグラフにおい
て、励起パルスleの入射により非線形光学効果が生じ
た後、時間とともに非線形光学効果が緩和されていく時
間変化が示されており、これによって、非線形光学効果
による複屈折の緩和時間を決定することができる。
Here, the measurement was performed using CS 2 (liquid at normal temperature) as the medium 4 to be measured. In this graph, after the non-linear optical effect is caused by the incidence of the excitation pulse l e, time and time change of the nonlinear optical effect will be relaxed is shown with, thereby, the relaxation time of the birefringence due to the nonlinear optical effect Can be determined.

【0063】なお、上記した相互のタイミングを変更す
る手段である可変光遅延器21については、励起光学系
2ではなくプローブ光学系3に設置する構成、または両
光学系2、3に設置する構成としても良い。また、特定
のタイミングでの非線形光学応答の測定のみを行い、時
間変化を測定する必要がない場合には、可変光遅延器な
どのタイミング調整手段を有しない構成としても良い。
The variable optical delay device 21, which is a means for changing the mutual timing described above, is installed in the probe optical system 3 instead of the excitation optical system 2, or is installed in both optical systems 2, 3. It is good. When only the nonlinear optical response is measured at a specific timing and there is no need to measure the time change, a configuration without a timing adjusting means such as a variable optical delay device may be adopted.

【0064】また、上記のように可変光遅延器を用いて
測定を行った場合、遅延時間を変化させると、測定時に
おける励起パルスleの伝搬軸方向の位置(生成される
相互作用領域の位置)が変化するとともに、集光状態の
変化によって光パルスの空間分布(生成される相互作用
領域の形状)が変化する。これに対し、相互作用領域の
空間分布変化の測定については、例えば図2に示す実施
例において可変光遅延器21を用いずに遅延時間を固定
し、入射光学系である集束レンズ25aを光軸方向に可
動な構成の可動光学系とすることによって、被測定媒質
4中の同一の測定点での励起パルスleの集束状態を変
化させて、可変光遅延器21を用いた場合と同様の測定
を行うことが可能である。
[0064] When the measurement was carried out using a variable optical delay device as described above, when changing the delay time, the propagation direction of the excitation pulse l e during the measurement position (in the interaction area generated As the position changes, the spatial distribution of the light pulse (the shape of the generated interaction region) changes due to the change in the focusing state. On the other hand, in the measurement of the spatial distribution change of the interaction region, for example, in the embodiment shown in FIG. 2, the delay time is fixed without using the variable optical delay device 21, and the focusing lens 25a which is the incident optical system is moved along the optical axis. by the movable optical system of the movable structure in a direction, similar to the case where by changing the focusing state of the excitation pulse l e of the same measurement point 4 to be measured medium, using a variable optical delay device 21 Measurements can be made.

【0065】このように可動な集束レンズ25aを用い
た装置とした場合、常に同じタイミング条件で測定を行
うことが可能となり、測定点が移動しないためにCCD
カメラ53の撮像範囲による測定範囲の制限がなく、よ
り広い集束状態の範囲について非線形光学応答の測定を
行うことが可能となる。また、プローブパルスlpの空
間ビームパターンが常に同じとなり、得られる画像の精
度が向上される。
In the case of using the movable focusing lens 25a as described above, the measurement can always be performed under the same timing conditions, and the measurement point does not move.
There is no limitation on the measurement range due to the imaging range of the camera 53, and it is possible to measure the nonlinear optical response over a wider range of the focused state. Moreover, spatial beam pattern is always the same next to the probe pulse l p, the accuracy of the resulting image is improved.

【0066】また、図2に示した実施例では、プローブ
パルスlpの照射軸は、励起パルスleの入射軸に対して
垂直の照射角度を有して設定されているが、この照射角
度は必ずしも90度である必要はない。例えば、照射角
度を0度より大きく90度より小さい角度とし、回折格
子などを用いて構成された波面変換手段によってプロー
ブパルスlpの波面を励起パルスleの波面と一致させて
照射を行うことにより、時間分解能を損なうことなく、
かつ励起パルスle及びプローブパルスlpの相互作用長
をより長くとることが可能となる。
[0066] Further, in the embodiment shown in FIG. 2, the irradiation axis of the probe pulse l p has been set with a radiation angle perpendicular to the axis of incidence of the excitation pulse l e, the irradiation angle Need not necessarily be 90 degrees. For example, the irradiation angle and an angle smaller than than 90 degrees than 0 degrees, irradiation is performed with a wavefront of the probe pulse l p is matched with the wave front of the excitation pulse l e by the wavefront converting means constituted by using a diffraction grating With this, without impairing the time resolution,
And it is possible to take longer interaction length of the excitation pulse l e and probe pulse l p.

【0067】被測定媒質4については、気体・液体また
は固体などの様々な物質に対して本測定装置を適用する
ことができる。なお、気体または液体の非線形光学効果
の応答速度は固体の場合に比べて一般に高速である。
For the medium 4 to be measured, the present measuring apparatus can be applied to various substances such as gas, liquid and solid. The response speed of the nonlinear optical effect of a gas or a liquid is generally higher than that of a solid.

【0068】被測定媒質を気体または液体とした場合の
設置方法としては、例えば空気等の場合には上記のよう
に装置全体が被測定媒質となる空気中に設置された構成
とすることができるが、このような設置方法以外にも様
々な方法が考えられる。例えば、励起パルスle及びプ
ローブパルスlpが入射・照射される所定の領域と、そ
れ以外の装置の一部とを含む領域に対して囲いを設置
し、その囲いの内部を被測定媒質によって満たすという
方法がある。囲いを設置する領域としては、例えば図2
に点線によって示した領域40aまたは40bなどが可
能であり、また、これ以外の領域に設定することもでき
る。
As an installation method when the medium to be measured is a gas or a liquid, for example, in the case of air or the like, a configuration in which the entire apparatus is installed in the air to be the medium to be measured as described above can be adopted. However, various methods other than such an installation method are conceivable. For example, a predetermined region excitation pulse l e and probe pulse l p is incident-irradiation, the enclosure is placed to a region including a part of the other device, by the measurement medium and the interior of the enclosure There is a way to meet. For example, FIG.
A region 40a or 40b indicated by a dotted line is possible, and a region other than this can be set.

【0069】この場合、囲いのうち少なくとも光パルス
の入射・照射または出射が行われる部位を構成するため
の材質は、以下の条件、(1)入射する光パルスの波長
に対して充分な透過率があること、(2)励起パルスの
測定平面に垂直な偏光成分を充分透過させること、
(3)プローブパルスの偏光状態を乱さないこと、
(4)入射光のパルス幅を大きく変えるような分散を持
たないこと、(5)入射光の光エネルギーに対して充分
な耐性があること、などを満たすものを用いることが好
ましい。なお、被測定媒質についても、上記した諸条件
に関して、媒質の選択時またはデータ解析時において充
分に考慮することが必要である。
In this case, the material for forming at least the portion of the enclosure where the light pulse is incident, irradiated, or emitted is as follows: (1) sufficient transmittance for the wavelength of the incident light pulse; (2) sufficiently transmitting a polarization component perpendicular to the measurement plane of the excitation pulse;
(3) not disturb the polarization state of the probe pulse;
It is preferable to use one that satisfies (4) no dispersion that greatly changes the pulse width of the incident light, and (5) sufficient resistance to the light energy of the incident light. It should be noted that the medium to be measured also needs to be sufficiently considered when selecting the medium or analyzing the data with respect to the various conditions described above.

【0070】この場合の囲いについては、図4に囲い4
0としてその一例を示すように、光パルスの入射・照射
または出射が行われる部位以外は、背景光の影響を低減
するため黒色などに塗装すること(図4中の斜線部分)
が望ましい。また、光パルスの入射・照射または出射が
行われる部位は、例えば両面に反射防止膜が施された石
英ガラスなどからなる窓状に形成する。
The enclosure in this case is shown in FIG.
As shown in the example of 0, a part other than the part where the light pulse is incident / irradiated or emitted is painted black or the like in order to reduce the influence of the background light (hatched part in FIG. 4).
Is desirable. The part where the light pulse is incident, irradiated, or emitted is formed in a window shape made of, for example, quartz glass having an antireflection film on both surfaces.

【0071】図4においては、図2に示す領域40bの
ように囲いが光検出部をすべてその内部に含む場合に用
いられる囲い40を示し、励起パルス入射面41に形成
された入射窓41aが示されている。また、プローブパ
ルス照射面43についても同様に照射窓(図示していな
い)が形成されている。なお、図2に示す領域40aの
ように光検出部の一部が囲い40の外部に設置される場
合には、さらにプローブパルス出射面44に出射窓を設
ける必要がある。また、励起パルス出射面42について
も必要があれば出射窓を有する構成としても良い。ま
た、囲いを設置する領域が小さい場合など、観測中にお
ける被測定媒質の変性が問題となるときには、ポンプ等
を接続して被測定媒質を循環させる構成とすることが望
ましい。
FIG. 4 shows an enclosure 40 which is used when the enclosure includes all the photodetectors inside, as in an area 40b shown in FIG. 2, and an entrance window 41a formed in the excitation pulse incidence surface 41 is provided. It is shown. An irradiation window (not shown) is similarly formed on the probe pulse irradiation surface 43. When a part of the light detection unit is installed outside the enclosure 40 as in a region 40a shown in FIG. 2, it is necessary to further provide an emission window on the probe pulse emission surface 44. If necessary, the excitation pulse emission surface 42 may have an emission window. In addition, when the medium to be measured during observation is a problem, such as when the area where the enclosure is installed is small, it is preferable to connect a pump or the like to circulate the medium to be measured.

【0072】被測定媒質が気体であれば、光パルスの入
射・照射または出射が行われる部位について、窓ではな
く開口部とすることも可能である。この場合、開口部か
ら放出されてしまう被測定媒質である気体を、ボンベか
らホース等を介して囲いの内部に連続的に供給すること
が必要である。
If the medium to be measured is a gas, the portion where the light pulse is incident / irradiated or emitted may be an opening instead of a window. In this case, it is necessary to continuously supply the gas, which is the medium to be measured, released from the opening from the cylinder to the inside of the enclosure via a hose or the like.

【0073】また、無害の気体を被測定媒質とする場合
において、囲いを用いずに、ボンベ等に接続されたホー
スの出力口を被測定媒質の領域近傍の所定の位置とし、
気体をその領域に噴射することによって供給して、被測
定媒質として用いることも可能である。この場合、気体
の純度という点ではやや劣るが、実行が容易であって装
置が簡単化するとともに、窓材による光の吸収・反射等
の問題が生じない、という利点がある。
When a harmless gas is used as the medium to be measured, the output port of the hose connected to the cylinder or the like is set at a predetermined position near the area of the medium to be measured without using an enclosure.
It is also possible to supply gas by injecting it into the area and use it as a medium to be measured. In this case, although the purity of the gas is slightly inferior, there are advantages that the operation is easy and the apparatus is simplified, and that problems such as absorption and reflection of light by the window material do not occur.

【0074】さらに、被測定媒質の領域に、被測定媒質
となる気体または液体を充填したセルを設置して被測定
媒質とする方法がある。この方法は、特に液体や、有毒
ガス等の取り扱いが困難な気体とする場合に適してい
る。また、用いる被測定媒質の分量を少なくすることが
できる。この場合、セルを構成するための容器は、上記
した囲いの材質についての好ましい条件を同様に満たす
ものを用いることが望ましい。
Further, there is a method in which a cell filled with a gas or a liquid serving as a medium to be measured is provided in a region of the medium to be measured to be a medium to be measured. This method is particularly suitable for a liquid or a gas that is difficult to handle such as a toxic gas. In addition, the amount of the medium to be measured can be reduced. In this case, it is desirable to use a container for constituting the cell that also satisfies the above-mentioned preferable conditions for the material of the enclosure.

【0075】このとき、入射光の偏光方向が確定してい
ることに対応して、図5にセル45として(a)上面
図、及び(b)側面図を示すように、励起パルス入射面
46あるいは励起パルス出射面47を、その法線(図5
(b)中に点線で示す)が光軸に対してブルースター角
θbとなるように形成することによって、励起パルス入
射面46については反射を抑制させ透過率を増加させる
ことができ、また、励起パルス出射面47についてはセ
ルの出射端面で反射して被測定媒質内に戻る光を抑制し
て時間分解能の精度を向上させることができる。これ
は、被測定媒質中における泡の発生が問題となる液体を
用いた場合に、反射光が泡で散乱することを防ぐことが
できるので特に有効である。
At this time, corresponding to the fact that the polarization direction of the incident light is determined, as shown in FIG. 5 as a cell 45, (a) a top view and (b) a side view, an excitation pulse incidence surface 46 is shown. Alternatively, the excitation pulse emission surface 47 is connected to its normal (FIG. 5).
By indicated by a dotted line in (b)) is formed so that the Brewster angle theta b with respect to the optical axis, it is possible to increase the transmittance to suppress the reflection for the excitation pulses incident surface 46, also On the other hand, the excitation pulse emission surface 47 can suppress the light reflected on the emission end surface of the cell and returned to the medium to be measured, thereby improving the accuracy of the time resolution. This is particularly effective when using a liquid in which the generation of bubbles in the medium to be measured poses a problem, since reflected light can be prevented from being scattered by the bubbles.

【0076】なお、励起パルスleの入射・出射面に対
して上記のようにブルースター角を用いるときには、特
に液体を被測定媒質とした場合、空気と屈折率が大きく
異なるので、励起パルスleの進行方向が変化すること
を考慮してその光路を設定する必要がある。
[0076] Incidentally, when using the Brewster angle as described above with respect to the incident and emitting surfaces of the excitation pulse l e, especially when the liquid to be measured medium, the air and the refractive index is largely different, the excitation pulse l It is necessary to set the optical path in consideration of the change in the traveling direction of e .

【0077】また、プローブパルスlpの照射・出射面
については、反射防止膜が施されていることが望まし
い。また、プローブパルスlpの偏光状態に影響を与え
ない範囲において、図6(a)及び(b)にそれぞれ上
面図によってその例を示すように、光の反射を抑制する
目的でプローブパルス照射面48、プローブパルス出射
面49を水平方向等について斜めに形成して、セルが上
面からみて台形状(例えば図6(a)の形状)または平
行四辺形状(例えば図6(b)の形状)などになるよう
にしても良い。この場合にも同様に、光パルスの進行方
向の変化を考慮して光路を設定する。
[0077] Also, the irradiation-emitting surface of the probe pulse l p, it is desirable that the antireflection film is applied. Furthermore, to the extent that does not influence the polarization state of the probe pulse l p, as shown the example by respective top view in FIG. 6 (a) and (b), the probe pulse irradiation surface for the purpose of suppressing the reflection of light 48, the probe pulse emission surface 49 is formed obliquely in the horizontal direction or the like, and the cell is trapezoidal (for example, the shape of FIG. 6A) or parallelogram (for example, the shape of FIG. 6B) when viewed from above. May be used. In this case, similarly, the optical path is set in consideration of the change in the traveling direction of the light pulse.

【0078】このようにセルを用いた場合、被測定媒質
である気体または液体を適宜交換または循環等できるよ
うに上部等に2つのコックを設置しておくと良い。ま
た、特に被測定媒質を気体としたときにその純度を高め
る方法として、最初に一方のコックからセル内を真空引
きし、そのコックを閉じた後、他方のコックから気体を
充填する方法を用いることができる。なお、セルの形状
については、上記したものに限らず、光パルスのエネル
ギー、偏光状態、光路等の諸条件に応じて、様々な形状
・構成とすることができる。
When the cell is used as described above, two cocks are preferably provided at an upper portion or the like so that a gas or a liquid to be measured can be appropriately exchanged or circulated. In addition, as a method for increasing the purity of the medium to be measured, particularly when the medium to be measured is a gas, a method of first evacuating the cell from one cock, closing the cock, and then filling the gas with the other cock is used. be able to. The shape of the cell is not limited to the above, and various shapes and configurations can be used according to various conditions such as the energy of the light pulse, the polarization state, and the optical path.

【0079】なお、従来、このような非線形光学効果を
測定する装置としては、例えば Opt. Commun., vol.51,
pp.433-437 (1984)に記載された装置がある。この装置
はプローブパルス光の干渉計測によって3次の非線形感
受率を測定するものであって、測定内容が限定されてお
り、また、干渉を用いているために計算によってはじめ
て非線形定数が求められる。したがって、このような装
置によっては、本測定装置のように非線形光学応答を直
接的に測定することは不可能である。
Conventionally, as a device for measuring such a nonlinear optical effect, for example, Opt. Commun., Vol.
pp. 433-437 (1984). This device measures the third-order nonlinear susceptibility by interferometric measurement of probe pulse light. The measurement content is limited, and a nonlinear constant is obtained only by calculation because interference is used. Therefore, it is not possible to measure the nonlinear optical response directly with such a device as in the present measuring device.

【0080】図7は、本発明に係る媒質の非線形光学応
答測定装置の第2の実施形態を示すブロック図である。
本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置は、
光源部1、励起光学系2、及びプローブ光学系3につい
ては第1の実施形態と同様である。一方、光検出部5に
ついては、検光子51及び結像レンズ52の後段に、透
過プローブパルスの2次元の光像を1次元の光像に変換
する光像変換手段であるシリンドリカルレンズ56と、
シリンドリカルレンズ56によって生成された1次元の
光像を検出するための一次元光検出器57とが設置され
ている。特に、このシリンドリカルレンズ56を、励起
パルスの入射軸に垂直な方向について一次元光検出器5
7上に透過プローブパルスを集束して1次元光像を形成
するように設置することによって、図3(a)に示した
ような相互作用領域の移動についての画像をより効率的
に生成することが可能となる。
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of the medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.
The device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present embodiment includes:
The light source unit 1, the excitation optical system 2, and the probe optical system 3 are the same as in the first embodiment. On the other hand, with respect to the light detection unit 5, a cylindrical lens 56 which is a light image conversion means for converting a two-dimensional light image of the transmitted probe pulse into a one-dimensional light image is provided downstream of the analyzer 51 and the imaging lens 52.
A one-dimensional photodetector 57 for detecting a one-dimensional light image generated by the cylindrical lens 56 is provided. In particular, the cylindrical lens 56 is connected to the one-dimensional photodetector 5 in a direction perpendicular to the axis of excitation pulse incidence.
By focusing the transmission probe pulse on 7 so as to form a one-dimensional optical image, an image of the movement of the interaction area as shown in FIG. Becomes possible.

【0081】図8は、本発明に係る媒質の非線形光学応
答測定装置の第3の実施形態を示すブロック図である。
本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置は、
光源部1、及び励起光学系2については第1の実施形態
と同様である。一方、光検出部5については、第2の実
施形態と同様に光像変換手段としてシリンドリカルレン
ズ56が用いられ、このシリンドリカルレンズ56の後
段に、分光器58が設置されて、シリンドリカルレンズ
56によって生成された1次元光像を分光器58の入射
スリットに入射して分光し、分光器58の出力結像位置
とカメラ53の受光面とを一致させて、分光器58から
の2次元の出力像をカメラ53で観測する。
FIG. 8 is a block diagram showing a third embodiment of the medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.
The device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present embodiment includes:
The light source unit 1 and the excitation optical system 2 are the same as in the first embodiment. On the other hand, as in the second embodiment, a cylindrical lens 56 is used as a light image conversion unit in the light detection unit 5, and a spectroscope 58 is provided at a stage subsequent to the cylindrical lens 56, and the light is generated by the cylindrical lens 56. The obtained one-dimensional light image is incident on the entrance slit of the spectroscope 58 to be separated, and the output image position of the spectroscope 58 is made coincident with the light receiving surface of the camera 53, and the two-dimensional output image from the spectroscope 58 is obtained. Is observed by the camera 53.

【0082】このとき、プローブ光学系3に、図8に示
すようにパルスストレッチャー37を設置し、パルスス
トレッチャー37を通過したプローブパルスをチャープ
させてパルス幅を広げる(図8中にその光路上の各点に
おける時間軸に対する波長成分分布を示した)。このよ
うに時間波形を広げることによって、プローブパルスの
各波長成分と時間情報とを対応させることができる。な
お、パルスストレッチャー37としては、例えば光ファ
イバー、回折格子対、プリズム対、後述する波形変換手
段等からなるものを用いることができる。
At this time, a pulse stretcher 37 is installed in the probe optical system 3 as shown in FIG. 8, and the probe pulse that has passed through the pulse stretcher 37 is chirped to widen the pulse width (see FIG. The wavelength component distribution with respect to the time axis at each point on the road is shown). By expanding the time waveform in this manner, each wavelength component of the probe pulse can be associated with time information. As the pulse stretcher 37, for example, an optical fiber, a pair of diffraction gratings, a pair of prisms, a waveform conversion unit described later, or the like can be used.

【0083】このような構成を用いて得られる測定像の
一例を図9に示す。横軸は波長であるが、前述のように
これは時間軸に変換・対応されており、したがって、図
9に示した図3と等価な図が一回の測定によって観測で
きることとなる。なお、測定精度を向上するために、あ
らかじめプローブパルスのスペクトルを取得しておい
て、得られた測定像にフィルターをかけるなどすること
が好ましい。
FIG. 9 shows an example of a measurement image obtained by using such a configuration. The horizontal axis is the wavelength, which is converted and corresponded to the time axis as described above. Therefore, a diagram equivalent to FIG. 3 shown in FIG. 9 can be observed by one measurement. In order to improve the measurement accuracy, it is preferable to obtain the spectrum of the probe pulse in advance and apply a filter to the obtained measurement image.

【0084】図10は、本発明に係る媒質の非線形光学
応答測定装置の第4の実施形態を示すブロック図であ
る。本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置
は、その装置構成については第1の実施形態と同様であ
るが、装置各部の制御や画像データについての演算等を
行う制御部6がさらに設置されている。この制御部6
は、画像処理装置61、制御装置62、及び表示装置6
3を有して構成されている。
FIG. 10 is a block diagram showing a fourth embodiment of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention. The nonlinear optical response measuring device for a medium according to the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment, but further includes a control unit 6 for controlling each unit of the device, performing calculations on image data, and the like. I have. This control unit 6
The image processing device 61, the control device 62, and the display device 6
3.

【0085】画像処理装置61はCCDカメラ53に接
続されており、この画像処理装置61によってCCDカ
メラ53で撮像された測定像の整理や解析・必要な演算
等が行われる。例えば、図2に示した実施例について上
記したプローブパルスの照射時・非照射時の画像データ
の減算や、図3(a)に示した図の生成などは、CCD
カメラ53によって画像データを取得した後、解析を行
うことによって得ることができるが、図10に示すよう
にCCDカメラ53を画像処理装置61に接続すること
によって、測定時にリアルタイムで上記したような画像
処理を行うことが可能である。また、各画素の画像デー
タに対して、例えば平方根の演算を行うなど所定の関数
による演算処理を行うことも可能である。
The image processing device 61 is connected to the CCD camera 53, and the image processing device 61 sorts, analyzes, performs necessary calculations, and the like, the measurement images captured by the CCD camera 53. For example, the subtraction of the image data at the time of irradiation and non-irradiation of the probe pulse and the generation of the diagram shown in FIG.
The image data can be obtained by acquiring the image data by the camera 53 and then performing an analysis. By connecting the CCD camera 53 to the image processing device 61 as shown in FIG. It is possible to perform processing. Further, it is also possible to perform arithmetic processing by a predetermined function, for example, by performing an arithmetic operation of a square root on the image data of each pixel.

【0086】この画像処理装置61はさらに装置全体を
制御するための制御装置62に接続されている。この制
御装置62は、画像処理装置61を介した画像データ等
の取得、得られたデータの表示装置63による表示等を
行う。また、制御装置62は可変光遅延器21に接続さ
れており、遅延時間を測定と相関させて制御することが
できる。また、必要があればパルス光源11等にさらに
接続される構成としても良い。
The image processing device 61 is further connected to a control device 62 for controlling the entire device. The control device 62 obtains image data and the like via the image processing device 61 and displays the obtained data on the display device 63. Further, the control device 62 is connected to the variable optical delay device 21 and can control the delay time in correlation with the measurement. Further, if necessary, a configuration may be adopted in which the light source is further connected to the pulse light source 11 or the like.

【0087】図11は、本発明に係る媒質の非線形光学
応答測定装置の第5の実施形態を示すブロック図であ
る。本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置
は、T字状に構成された光学系保持機構7によって各部
が一体化されて保持されている。この光学系保持機構7
は、励起パルスの入射軸を中心軸として設置されて励起
光学系を保持する円筒状の励起光学系保持部71と、プ
ローブパルスの照射軸を中心軸として設置されてプロー
ブ光学系の一部及び光検出部を保持する円筒状のプロー
ブ光学系保持部72とを有して構成されている。
FIG. 11 is a block diagram showing a fifth embodiment of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention. In the medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present embodiment, each part is integrally held by a T-shaped optical system holding mechanism 7. This optical system holding mechanism 7
Is a cylindrical excitation optical system holding unit 71 that is installed with the incident axis of the excitation pulse as the central axis and holds the excitation optical system, and a part of the probe optical system that is installed with the irradiation axis of the probe pulse as the central axis and It has a cylindrical probe optical system holding section 72 for holding the light detecting section.

【0088】本実施形態においては、パルス光源11と
光分岐器12の間に1/4波長板13が設置されてお
り、光分岐器12によって分岐される第1の光束及び第
2の光束は円偏光を有している。これに対して、励起パ
ルス偏光手段及びプローブパルス偏光手段は、それぞれ
偏光子24及び34のみによって構成されて、励起パル
ス及びプローブパルスの直線偏光状態を選択している。
In the present embodiment, the quarter-wave plate 13 is provided between the pulse light source 11 and the optical splitter 12, and the first light flux and the second light flux split by the optical splitter 12 are It has circularly polarized light. On the other hand, the excitation pulse polarization means and the probe pulse polarization means are respectively constituted only by the polarizers 24 and 34, and select the linear polarization state of the excitation pulse and the probe pulse.

【0089】励起光学系保持部71は複数の円筒部分に
分割されており、それぞれの間に光遅延器21、偏光子
24、及び入射光学系25が固定されている。このよう
に励起光学系保持部71を分割して形成し、その間の部
位に各光学要素を設置することによって、各光学要素の
交換を容易にするとともに、光遅延器21の光路を妨げ
ない構成とすることができる。なお、分割された励起光
学系保持部71の各部は連結部73によって連結されて
一体化されている。
The excitation optical system holding unit 71 is divided into a plurality of cylindrical parts, and the optical delay unit 21, the polarizer 24, and the incident optical system 25 are fixed between the cylindrical units. As described above, the excitation optical system holding unit 71 is divided and formed, and each optical element is installed in a portion therebetween, thereby facilitating the exchange of each optical element and not obstructing the optical path of the optical delay unit 21. It can be. In addition, each part of the divided excitation optical system holding unit 71 is connected by a connecting unit 73 to be integrated.

【0090】プローブ光学系保持部72の中心部には、
被測定媒質4が配置され、この被測定媒質4に対面する
所定の部分には開口部72aが設けられており、この開
口部72aに励起光学系保持部71が接続されて、被測
定媒質4への励起パルスの入射が行われる。開口部72
aに対向する面にも開口部72bが設けられている。ま
た、プローブ光学系保持部72の上部にはプローブ光学
系の偏光子34が保持されている。
At the center of the probe optical system holding unit 72,
The medium 4 to be measured is arranged, and an opening 72a is provided in a predetermined portion facing the medium 4 to be measured. The excitation optical system holding section 71 is connected to the opening 72a, and the medium 4 to be measured is An excitation pulse is incident on the substrate. Opening 72
An opening 72b is also provided on the surface facing a. The polarizer 34 of the probe optical system is held above the probe optical system holding unit 72.

【0091】本実施形態においては、プローブ光学系の
光路に光ファイバー35を用いており、この光路の途中
に光ファイバー用の可変光遅延器31が設置されてい
る。また、光ファイバー35への入射・出射のために、
集光レンズ36a、36c及びコリメートレンズ36
b、36dが配置されている。
In this embodiment, an optical fiber 35 is used in the optical path of the probe optical system, and a variable optical delay unit 31 for the optical fiber is provided in the optical path. Further, in order to enter and exit the optical fiber 35,
Condensing lenses 36a, 36c and collimating lens 36
b and 36d are arranged.

【0092】なお、このように光ファイバーを用いた場
合には光ファイバーの分散によってプローブパルスのパ
ルス幅が広がってしまい、非線形光学応答測定の時間分
解能が劣化してしまう。このため、分散シフトファイバ
ー、グレーティングファイバーや、回折格子対、プリズ
ム対等を用いることによってパルス幅の広がりを補正
し、被測定媒質4においてパルス幅が短い光パルスとな
るように構成することが望ましい。
When an optical fiber is used as described above, the pulse width of the probe pulse is increased due to the dispersion of the optical fiber, and the time resolution of the nonlinear optical response measurement is deteriorated. For this reason, it is desirable to use a dispersion-shifted fiber, a grating fiber, a diffraction grating pair, a prism pair, or the like to correct the spread of the pulse width, and to configure the medium to be measured 4 to be an optical pulse having a short pulse width.

【0093】プローブ光学系保持部72の下部には光検
出部の各要素、すなわち対物レンズ54、検光子51、
結像レンズ52、及びCCDカメラ53が保持されてい
る。
Under the probe optical system holding section 72, each element of the light detecting section, that is, the objective lens 54, the analyzer 51,
An imaging lens 52 and a CCD camera 53 are held.

【0094】ここで、この光学系保持機構7は、固定・
保持されている各光学系の光学要素等とともに励起パル
スの入射軸を中心軸として回転可能に構成されている。
このような構成とすることによって、被測定媒質4中に
おける相互作用領域での非線形光学応答を異なる角度か
ら測定することが可能となる。したがって、例えばX線
CTと同様の画像再構成法を用いて、特定の遅延時間に
おける非線形光学応答についての3次元情報等を得るこ
とができる。
Here, the optical system holding mechanism 7 is fixed and fixed.
It is configured to be rotatable around the incident axis of the excitation pulse as a central axis together with the held optical elements and the like of each optical system.
With such a configuration, it is possible to measure the nonlinear optical response in the interaction region in the measured medium 4 from different angles. Therefore, for example, using the same image reconstruction method as that of X-ray CT, it is possible to obtain three-dimensional information and the like on the nonlinear optical response at a specific delay time.

【0095】図12は、本発明に係る媒質の非線形光学
応答測定装置の第6の実施形態を示すブロック図であ
る。本実施形態における媒質の非線形光学応答測定装置
では、光源として用いられている超短パルスレーザーで
あるパルス光源11のレーザー媒質4aを被測定媒質と
している。このとき、励起パルスはパルス光源11のレ
ーザー共振器内に存在する光パルスであり、プローブパ
ルスは光分岐器12によって分岐されたパルス光源11
の出力レーザーパルスを用いている。
FIG. 12 is a block diagram showing a sixth embodiment of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention. In the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present embodiment, the laser medium 4a of the pulse light source 11, which is an ultrashort pulse laser used as a light source, is used as the medium to be measured. At this time, the excitation pulse is an optical pulse existing in the laser resonator of the pulse light source 11, and the probe pulse is a pulse light source 11 split by the optical splitter 12.
Output laser pulse is used.

【0096】このような構成において、カメラ53によ
って得られた測定像からレーザー媒質4a中に生じてい
る非線形光学効果の発生状態についての情報を得て、そ
の情報をレーザー制御装置14を介してレーザーにフィ
ードバックすることによって、パルスレーザーの最適化
や安定化に利用することができる。また、レーザー装置
自体を改良するためのデータについても得ることができ
る。このような測定は、分散補償プリズムを被測定媒質
としても行うことができる。また、レーザーを対象とし
た本実施形態は本発明による媒質の非線形光学応答測定
装置の利用の一例であって、レーザー以外の様々な装置
に対しても同様の応用が可能である。なお、レーザー媒
質4a中の光の偏光状態を考慮すると、図中の2つのプ
リズムは紙面に垂直に配置することが望ましい。
In such a configuration, information on the state of occurrence of the nonlinear optical effect occurring in the laser medium 4a is obtained from the measurement image obtained by the camera 53, and the information is transmitted to the laser controller 14 via the laser controller 14. By using the feedback, the pulse laser can be used for optimization and stabilization. Further, data for improving the laser device itself can be obtained. Such a measurement can be performed using the dispersion compensation prism as the medium to be measured. The present embodiment for a laser is an example of the use of the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention, and the same application can be applied to various apparatuses other than a laser. In consideration of the polarization state of light in the laser medium 4a, it is desirable that the two prisms in the figure be arranged perpendicular to the plane of the drawing.

【0097】図13は、本発明に係る媒質の非線形光学
応答測定装置の第7の実施形態を示すブロック図であ
り、ここでは光源部1に単一のパルス光源を用いるので
はなく、励起パルス及びプローブパルスに対してそれぞ
れ別の励起パルス光源11a及びプローブパルス光源1
1bを用いている。
FIG. 13 is a block diagram showing a seventh embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention. In this embodiment, a single pulse light source is not used for the light source unit 1 but an excitation pulse is used. Excitation pulse light source 11a and probe pulse light source 1
1b.

【0098】励起パルスに対するプローブパルスのタイ
ミングは、可変光遅延器21に加えてタイミング制御回
路15によって制御されている。タイミング制御回路1
5は、トリガー回路16及び遅延回路17を有して構成
されており、これによって両パルスを同期させるととも
に、遅延時間差の設定・変更を行うことができる。この
場合、励起光学系2及びプローブ光学系3がともに可変
光遅延器を有しない構成としても良い。また、このよう
に2つの光源を用いた場合、励起パルス及びプローブパ
ルスのパルス幅や波長を異なるものとすることができ
る。特に、励起パルスに対してプローブパルスのパルス
幅をさらに短くするようにプローブパルス光源11bを
選択することによって、さらに高時間分解能での測定が
可能となる。
The timing of the probe pulse with respect to the excitation pulse is controlled by the timing control circuit 15 in addition to the variable optical delay unit 21. Timing control circuit 1
5 has a trigger circuit 16 and a delay circuit 17, which can synchronize both pulses and set / change the delay time difference. In this case, both the excitation optical system 2 and the probe optical system 3 may have no variable optical delay device. When two light sources are used in this way, the pulse width and wavelength of the excitation pulse and the probe pulse can be different. In particular, by selecting the probe pulse light source 11b so as to further shorten the pulse width of the probe pulse with respect to the excitation pulse, it is possible to perform measurement with higher time resolution.

【0099】本発明による媒質の非線形光学応答測定装
置は、上記した実施形態・実施例に限られるものではな
く、様々な変形が可能である。例えば、励起光学系また
はプローブ光学系の光路上に、励起パルスまたはプロー
ブパルスの波長を変化させる波長変換手段を設置しても
良い。励起光学系に波長変換手段を用いることによっ
て、異なる波長の光が被測定媒質に入射したときの非線
形光学応答とその変化を測定することができる。また、
プローブ光学系に波長変換手段を用いることによって、
励起パルスとプローブパルスとの波長を異なるものと
し、例えば被測定媒質中においてレーザープラズマ発光
が発生している場合に、プローブパルスの波長をこのプ
ラズマに吸収または散乱されにくい波長として、測定の
効率を向上することができる。このような波長変換手段
としては、例えば光パラメトリック増幅器、和・差周波
発生装置、SHG結晶等がある。
The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications are possible. For example, a wavelength conversion means for changing the wavelength of the excitation pulse or the probe pulse may be provided on the optical path of the excitation optical system or the probe optical system. By using the wavelength conversion means in the excitation optical system, it is possible to measure the nonlinear optical response and its change when light of different wavelengths enters the medium to be measured. Also,
By using wavelength conversion means in the probe optical system,
The excitation pulse and the probe pulse have different wavelengths.For example, when laser plasma emission occurs in the medium to be measured, the wavelength of the probe pulse is set to a wavelength that is not easily absorbed or scattered by the plasma, and the efficiency of the measurement is improved. Can be improved. Examples of such a wavelength conversion unit include an optical parametric amplifier, a sum / difference frequency generator, and an SHG crystal.

【0100】また、励起光学系の光路上に、励起パルス
の波形等を変化させる波形変換手段を設置して、様々な
時間波形の光パルスによる非線形光学応答を測定するよ
うにしても良い。波形変換手段としては、例えば特開平
10−206234号公報に開示されているものであっ
て、パルス列生成器及び波形生成器などがある。このう
ち、パルス列生成器とは光パルスをパルス列に変換等す
るものであって、例えばエタロンなどを用いることがで
きる。また、波形生成器とは光パルスの波形等の状態を
変化させるものであって、例えば空間光変調器などを用
いることができる。
Further, a waveform conversion means for changing the waveform of the excitation pulse or the like may be provided on the optical path of the excitation optical system to measure the nonlinear optical response due to the light pulse having various time waveforms. The waveform conversion means is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-206234, and includes a pulse train generator, a waveform generator, and the like. Among them, the pulse train generator converts an optical pulse into a pulse train and the like, and for example, an etalon or the like can be used. The waveform generator changes the state of the waveform or the like of an optical pulse, and for example, a spatial light modulator can be used.

【0101】本発明による媒質の非線形光学応答測定装
置を用いた非線形光学効果の測定は、例えば図12に示
したように様々な装置の各部における測定に用いること
ができる。この場合、対象とする装置のうち非線形光学
応答を測定しようとする所定の部分が、被測定媒質とさ
れる。
The measurement of the nonlinear optical effect using the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention can be used, for example, as shown in FIG. In this case, a predetermined portion of the device to be measured for which the non-linear optical response is to be measured is the medium to be measured.

【0102】さらに、媒質中の光速度等の測定が可能で
あり、これによって媒質の屈折率の測定や、レーザープ
ラズマが生成されている場合におけるプラズマ密度、プ
ラズマ温度、プラズマの誘電率等を測定することが可能
である。このような測定は、例えば非平衡高エネルギー
状態の測定、半導体のレーザーアブレーション、液晶の
レーザーアブレーション、レーザー加工等に用いるレー
ザーの飛跡の測定等、動熱力学の測定・制御に適用する
ことができる。また、図14に示すように、化学プラン
トや半導体製造プラント等の反応過程Aで生成される反
応生成物を被測定媒質とし、非線形光学応答の測定Bを
行うことによって、ここから得られた情報をプラント等
の制御部Cを介してフィードバックして、反応過程の最
適化、安定化に利用するなど、様々な応用が可能であ
る。
Furthermore, it is possible to measure the speed of light in a medium, etc., thereby measuring the refractive index of the medium, and measuring the plasma density, plasma temperature, and the dielectric constant of plasma when laser plasma is generated. It is possible to Such measurement can be applied to measurement and control of dynamic thermodynamics, for example, measurement of non-equilibrium high energy state, laser ablation of semiconductor, laser ablation of liquid crystal, measurement of laser track used for laser processing, etc. . Further, as shown in FIG. 14, the reaction product generated in the reaction process A of a chemical plant, a semiconductor manufacturing plant, or the like is used as a medium to be measured, and the measurement B of the nonlinear optical response is performed. Is fed back via a control unit C of a plant or the like, and is used for optimization and stabilization of a reaction process, and various applications are possible.

【0103】[0103]

【発明の効果】本発明による媒質の非線形光学応答測定
装置は、以上詳細に説明したように、次のような効果を
得る。すなわち、超短パルスレーザーなどから出力され
る同期した2つの光パルスをそれぞれ所定の偏光状態と
し、被測定媒質中に非線形光学効果を誘起させる励起パ
ルス及び測定プローブであるプローブパルスとして用い
ることによって、高時間分解能での非線形光学応答の測
定を行うことができる。
As described above in detail, the apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention has the following effects. That is, by using two synchronized light pulses output from an ultrashort pulse laser or the like into a predetermined polarization state, and using them as an excitation pulse for inducing a nonlinear optical effect in the medium to be measured and a probe pulse as a measurement probe, Measurement of nonlinear optical response with high time resolution can be performed.

【0104】測定方法としては、測定対象となる物質で
ある被測定媒質に対して、この被測定媒質内において励
起パルス光により非線形光学効果を生じた領域(相互作
用領域)の屈折率変化を、プローブパルスの偏光状態の
変化を利用して検出する。これによって、非線形光学効
果の発生状態や時間変化などの物質の非線形光学応答
を、CCDカメラ等の光検出器によって直接的に検出・
測定することが可能となる。
As a measuring method, a change in the refractive index of a region (interaction region) in which a nonlinear optical effect is generated by excitation pulse light in the medium to be measured, which is a substance to be measured, Detection is performed using the change in the polarization state of the probe pulse. As a result, the nonlinear optical response of a substance, such as the state of occurrence of the nonlinear optical effect and time change, is directly detected and detected by a photodetector such as a CCD camera.
It becomes possible to measure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置の
第1の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図2】図1に示した実施形態による媒質の非線形光学
応答測定装置の一実施例を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the embodiment shown in FIG. 1;

【図3】図2に示した媒質の非線形光学応答測定装置に
よって測定された(a)相互作用領域の移動、及び
(b)非線形光学効果の時間変化、を示す図である。
3A and 3B are diagrams showing (a) a movement of an interaction region and (b) a time change of a nonlinear optical effect measured by the medium nonlinear optical response measuring device shown in FIG. 2;

【図4】被測定媒質に用いられる囲いの一例を示す斜視
図である。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of an enclosure used for a medium to be measured.

【図5】被測定媒質に用いられるセルの一例を示す
(a)上面図、及び(b)側面図である。
5A is a top view and FIG. 5B is a side view showing an example of a cell used for a medium to be measured.

【図6】被測定媒質に用いられるセルの他の例を示す上
面図である。
FIG. 6 is a top view showing another example of the cell used for the medium to be measured.

【図7】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置の
第2の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 7 is a block diagram showing a second embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図8】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置の
第3の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 8 is a block diagram showing a third embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図9】図8に示した媒質の非線形光学応答測定装置に
よって測定される光像を示す図である。
9 is a diagram showing an optical image measured by the device for measuring nonlinear optical response of a medium shown in FIG. 8;

【図10】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置
の第4の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 10 is a block diagram showing a fourth embodiment of the medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図11】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置
の第5の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 11 is a block diagram showing a fifth embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図12】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置
の第6の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram showing a sixth embodiment of the device for measuring nonlinear optical response of a medium according to the present invention.

【図13】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置
の第7の実施形態を示すブロック図である。
FIG. 13 is a block diagram showing a seventh embodiment of a medium nonlinear optical response measuring apparatus according to the present invention.

【図14】本発明に係る媒質の非線形光学応答測定装置
の利用形態の一例を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a use form of the medium nonlinear optical response measuring device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…光源部、11…超短パルス光源、11a…励起パル
ス光源、11b…プローブパルス光源、12…光分岐
器、13…波長板、14…レーザー制御装置、15…タ
イミング制御回路、16…トリガー回路、17…遅延回
路、2…励起光学系、21…可変光遅延器、21a…可
動直角ミラー、22…励起パルス偏光手段、23…波長
板、24…偏光子、25…入射光学系、25a…集束レ
ンズ、3…プローブ光学系、30…光路部分、31…可
変光遅延器、32…プローブパルス偏光手段、33…波
長板、34…偏光子、35…光ファイバー、36a、3
6c…集光レンズ、36b、36d…コリメートレン
ズ、37…パルスストレッチャー、4…被測定媒質、4
a…レーザー媒質、40…囲い、45…セル、5…光検
出部、51…検光子、52…結像レンズ、53…カメ
ラ、54…対物レンズ、55…干渉フィルター、56…
シリンドリカルレンズ、57…一次元光検出器、58…
分光器、6…制御部、61…画像処理装置、62…制御
装置、63…表示装置、7…光学系保持機構、71…励
起光学系保持部、72…プローブ光学系保持部、72
a、72b…開口部、73…連結部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source part, 11 ... Ultra short pulse light source, 11a ... Excitation pulse light source, 11b ... Probe pulse light source, 12 ... Optical splitter, 13 ... Wave plate, 14 ... Laser control device, 15 ... Timing control circuit, 16 ... Trigger Circuit, 17 delay circuit, 2 excitation optical system, 21 variable optical delay device, 21a movable rectangular mirror, 22 excitation pulse polarizing means, 23 wavelength plate, 24 polarizer, 25 incident optical system, 25a ... focusing lens, 3 ... probe optical system, 30 ... optical path portion, 31 ... variable optical delay device, 32 ... probe pulse polarizing means, 33 ... wavelength plate, 34 ... polarizer, 35 ... optical fiber, 36a, 3
6c: condenser lens, 36b, 36d: collimating lens, 37: pulse stretcher, 4: medium to be measured, 4
a: laser medium, 40: enclosure, 45: cell, 5: photodetector, 51: analyzer, 52: imaging lens, 53: camera, 54: objective lens, 55: interference filter, 56 ...
Cylindrical lens, 57 ... one-dimensional photodetector, 58 ...
Spectroscope, 6 control unit, 61 image processing device, 62 control device, 63 display device, 7 optical system holding mechanism, 71 excitation light system holding unit, 72 probe optical system holding unit, 72
a, 72b ... opening, 73 ... connecting part.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 細田 誠 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 (72)発明者 土屋 裕 静岡県浜松市市野町1126番地の1 浜松ホ トニクス株式会社内 Fターム(参考) 2G059 AA02 BB01 BB04 BB08 DD13 EE04 EE12 FF01 FF04 GG01 GG08 GG09 HH09 JJ03 JJ05 JJ11 JJ13 JJ17 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL03 MM01 MM02 MM08 2G065 AA11 AB09 AB10 AB16 AB23 BA04 BB02 BB14 BB28 BB32 BB33 BC04 BC13 BC22 DA02 DA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Makoto Hosoda 1126-1, Nomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture Inside (72) Inventor Hiroshi Tsuchiya 1126, Nonomachi, Ichinomachi, Hamamatsu City, Shizuoka Prefecture 1 F-term within the company (reference) 2G059 AA02 BB01 BB04 BB08 DD13 EE04 EE12 FF01 FF04 GG01 GG08 GG09 HH09 JJ03 JJ05 JJ11 JJ13 JJ17 JJ19 JJ20 JJ22 JJ30 KK04 LL03 MM01 MM02 MM10 BB02 AB16 BC33 BB04 BC22 DA02 DA20

Claims (16)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光パルスによって被測定媒質内に生じる
非線形光学効果を測定するための媒質の非線形光学応答
測定装置であって、 パルス光源によって供給された光パルスから、それぞれ
の出力タイミングが同期された第1の光束と第2の光束
とを生成して出力する光源部と、 前記第1の光束に基づいて励起パルスを形成し、前記被
測定媒質に前記励起パルスを入射する励起光学系と、 前記第2の光束に基づいてプローブパルスを形成し、前
記被測定媒質に前記励起パルスが入射されることによっ
て非線形光学効果が誘起された相互作用領域を含む前記
被測定媒質の所定領域に前記プローブパルスを照射する
プローブ光学系と、 前記被測定媒質の所定領域を通過した前記プローブパル
スを検出する光検出部と、を備え、 前記励起光学系は、前記励起パルスを所定の偏光状態と
するための励起パルス偏光手段と、前記励起パルスを前
記被測定媒質に所定の入射条件によって入射させる入射
光学系とを有し、前記プローブ光学系は、前記プローブ
パルスを所定の偏光状態とするためのプローブパルス偏
光手段を有し、 前記光検出部は、前記被測定媒質の所定領域を通過した
前記プローブパルスのうち、所定の偏光成分のみを透過
させる検光手段と、前記検光手段を透過した前記プロー
ブパルスを検出・測定する光検出手段と、前記被測定媒
質の所定領域を通過し前記検光手段を透過した前記プロ
ーブパルスを前記光検出手段に結像させる結像手段と、
を有することを特徴とする媒質の非線形光学応答測定装
置。
An apparatus for measuring a nonlinear optical response of a medium for measuring a nonlinear optical effect generated in a medium to be measured by an optical pulse, wherein respective output timings are synchronized from an optical pulse supplied by a pulse light source. A light source unit that generates and outputs the first light beam and the second light beam, and an excitation optical system that forms an excitation pulse based on the first light beam and that enters the excitation pulse into the medium to be measured. Forming a probe pulse based on the second light flux, and forming a probe pulse on the predetermined area of the measured medium including an interaction area in which the nonlinear optical effect is induced by the excitation pulse being incident on the measured medium. A probe optical system that irradiates a probe pulse, and a light detection unit that detects the probe pulse that has passed through a predetermined region of the medium to be measured. Excitation pulse polarization means for setting the excitation pulse to a predetermined polarization state, and an incident optical system for causing the excitation pulse to enter the medium to be measured under predetermined incident conditions, wherein the probe optical system includes the probe A probe pulse polarization unit for setting a pulse to a predetermined polarization state, wherein the light detection unit transmits only a predetermined polarization component of the probe pulse that has passed through a predetermined region of the medium to be measured. Means, a light detecting means for detecting and measuring the probe pulse transmitted through the light detecting means, and a probe pulse passing through a predetermined area of the medium to be measured and transmitting the light detecting means to the light detecting means. Imaging means for imaging;
An apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium, comprising:
【請求項2】 前記光源部は、光パルスを出力する単一
のパルス光源と、前記光パルスを分岐して前記第1の光
束と前記第2の光束とを生成する光分岐手段と、を有す
ることを特徴とする請求項1記載の媒質の非線形光学応
答測定装置。
2. The light source unit includes: a single pulse light source that outputs an optical pulse; and an optical branching unit that splits the optical pulse to generate the first light beam and the second light beam. 2. The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to claim 1, further comprising:
【請求項3】 前記光源部は、前記第1の光束となる光
パルスを出力する励起パルス光源と、前記第2の光束と
なる光パルスを出力するプローブパルス光源と、前記第
1の光束及び前記第2の光束の出力タイミングを同期さ
せるタイミング制御手段と、を有することを特徴とする
請求項1記載の媒質の非線形光学応答測定装置。
3. The light source unit includes: an excitation pulse light source that outputs an optical pulse that becomes the first light beam; a probe pulse light source that outputs an optical pulse that becomes the second light beam; 2. The apparatus according to claim 1, further comprising: timing control means for synchronizing the output timing of the second light flux.
【請求項4】 前記励起光学系または前記プローブ光学
系のいずれか一方は、前記励起光学系と前記プローブ光
学系との光路長差を設定・変更するための可変光遅延手
段を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一
項記載の媒質の非線形光学応答測定装置。
4. The apparatus according to claim 1, wherein one of the excitation optical system and the probe optical system has a variable optical delay unit for setting and changing an optical path length difference between the excitation optical system and the probe optical system. The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to claim 1.
【請求項5】 前記入射光学系は、その光路方向の位置
が可動である可動光学系を有して構成されていることを
特徴とする請求項1〜4のいずれか一項記載の媒質の非
線形光学応答測定装置。
5. The medium according to claim 1, wherein the incident optical system has a movable optical system whose position in an optical path direction is movable. Nonlinear optical response measurement device.
【請求項6】 前記励起パルス偏光手段及び前記プロー
ブパルス偏光手段は、少なくとも一方に波長板または偏
光子を含んで構成されて、前記励起パルス及び前記プロ
ーブパルスの偏光状態はそれぞれ所定の直線偏光に設定
され、 前記プローブパルスの前記被測定媒質への照射軸は、前
記励起パルスの前記被測定媒質への入射軸を含み前記励
起パルスの直線偏光の軸に対して垂直な平面内にあっ
て、前記プローブパルスの直線偏光の軸は、前記平面に
対して45度の傾きとして設定され、 前記検光手段は、前記被測定媒質の所定領域を通過した
前記プローブパルスのうち、前記被測定媒質に照射され
る前記プローブパルスの直線偏光と直交した偏光成分の
みを透過させることを特徴とする請求項1〜5のいずれ
か一項記載の媒質の非線形光学応答測定装置。
6. The excitation pulse polarization means and the probe pulse polarization means are configured so that at least one of them includes a wave plate or a polarizer, and the polarization states of the excitation pulse and the probe pulse become predetermined linearly polarized light, respectively. The irradiation axis of the probe pulse to the medium to be measured is set in a plane perpendicular to the axis of linearly polarized light of the excitation pulse, including the axis of incidence of the excitation pulse to the medium to be measured, The axis of the linearly polarized light of the probe pulse is set as an inclination of 45 degrees with respect to the plane, and the analyzing unit is configured to detect the medium to be measured among the probe pulses that have passed through a predetermined region of the medium to be measured. The nonlinear optics of a medium according to any one of claims 1 to 5, wherein only a polarization component orthogonal to a linear polarization of the probe pulse to be irradiated is transmitted. Answer measurement device.
【請求項7】 前記プローブパルスの前記照射軸の、前
記励起パルスの前記入射軸に対する照射角度が90度で
あることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項記載
の媒質の非線形光学応答測定装置。
7. The nonlinear optic medium according to claim 1, wherein an irradiation angle of the irradiation axis of the probe pulse with respect to the incident axis of the excitation pulse is 90 degrees. Response measuring device.
【請求項8】 前記プローブパルスの前記照射軸の、前
記励起パルスの前記入射軸に対する照射角度が0度より
大きく90度より小さい角度に設定され、 前記プローブ光学系は、前記プローブパルスの波面を前
記励起パルスの波面に一致させて前記被測定媒質に照射
するための波面変換手段を有することを特徴とする請求
項1〜7のいずれか一項記載の媒質の非線形光学応答測
定装置。
8. An irradiation angle of the irradiation axis of the probe pulse with respect to the incident axis of the excitation pulse is set to an angle larger than 0 degree and smaller than 90 degrees, and the probe optical system changes a wavefront of the probe pulse. 8. The apparatus according to claim 1, further comprising a wavefront converting unit configured to irradiate the medium to be measured with the wavefront of the excitation pulse in accordance with the wavefront of the excitation pulse. 9.
【請求項9】 前記励起光学系、前記プローブ光学系及
び前記光検出部の一部または全部を一体化して保持する
とともに、前記励起パルスの前記入射軸を回転軸として
回転駆動が可能なように構成されて、前記被測定媒質に
対する前記励起光学系、前記プローブ光学系及び前記光
検出部の設置角度を変更することが可能な光学系保持機
構をさらに備えることを特徴とする請求項1〜8のいず
れか一項記載の媒質の非線形光学応答測定装置。
9. A system in which a part or all of the excitation optical system, the probe optical system, and the light detection unit are integrally held, and can be rotationally driven with the incident axis of the excitation pulse as a rotation axis. 9. An optical system holding mechanism configured to change an installation angle of the excitation optical system, the probe optical system, and the light detection unit with respect to the medium to be measured. A device for measuring nonlinear optical response of a medium according to any one of the preceding claims.
【請求項10】 前記光検出部は、前記被測定媒質の所
定領域を通過した前記プローブパルスの2次元の光像を
1次元の光像に変換する光像変換手段をさらに有し、前
記光検出手段は一次元光検出器を有して構成されている
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項記載の媒
質の非線形光学応答測定装置。
10. The light detection unit further includes a light image conversion unit that converts a two-dimensional light image of the probe pulse that has passed through a predetermined region of the medium to be measured into a one-dimensional light image. 10. The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to claim 1, wherein the detection means includes a one-dimensional photodetector.
【請求項11】 前記光検出部は、前記被測定媒質の所
定領域を通過した前記プローブパルスの2次元の光像を
1次元の光像に変換する光像変換手段と、前記光像変換
手段及び前記光検出手段の間に設置される分光手段とを
有するとともに、前記プローブ光学系は、前記プローブ
パルスをチャープさせるパルスストレッチャーを有する
ことを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項記載の媒
質の非線形光学応答測定装置。
11. A light image conversion means for converting a two-dimensional light image of the probe pulse having passed through a predetermined area of the medium to be measured into a one-dimensional light image, and the light image conversion means And a spectroscopic means provided between the light detecting means, and the probe optical system has a pulse stretcher for chirping the probe pulse. An apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium as described in the above.
【請求項12】 前記励起光学系または前記プローブ光
学系の少なくとも一方は、前記励起パルスまたは前記プ
ローブパルスの波長を変化させる波長変換手段を有する
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項記載の
媒質の非線形光学応答測定装置。
12. The apparatus according to claim 1, wherein at least one of the excitation optical system and the probe optical system has a wavelength conversion unit for changing a wavelength of the excitation pulse or the probe pulse. A non-linear optical response measuring device for a medium according to the above item.
【請求項13】 前記励起光学系は、前記励起パルスの
個々の波形またはパルス列の構成などの時間波形を変化
させる波形変換手段を有することを特徴とする請求項1
〜12のいずれか一項記載の媒質の非線形光学応答測定
装置。
13. The pumping optical system according to claim 1, wherein the pumping optical system has a waveform converting unit that changes a time waveform such as an individual waveform of the pumping pulse or a pulse train configuration.
13. The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to any one of claims 12 to 12.
【請求項14】 前記光検出手段からの画像データの処
理を行う画像処理手段を有することを特徴とする請求項
1〜13のいずれか一項記載の媒質の非線形光学応答測
定装置。
14. The apparatus for measuring nonlinear optical response of a medium according to claim 1, further comprising image processing means for processing image data from said light detection means.
【請求項15】 前記光源部のパルス光源としてパルス
レーザーを用い、前記パルスレーザーのレーザー媒質を
前記被測定媒質とし、前記パルスレーザーの共振器内の
光パルスを前記励起パルスとし、前記パルスレーザーか
ら出力された光パルスから前記プローブパルスを形成し
て、測定された前記レーザー媒質の情報に基づいて前記
パルスレーザーのレーザー制御装置にフィードバックを
行って、前記パルスレーザーの動作の最適化、安定化を
行うことを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項記
載の媒質の非線形光学応答測定装置。
15. A pulse laser as a pulse light source of the light source unit, a laser medium of the pulse laser as the medium to be measured, an optical pulse in a resonator of the pulse laser as the excitation pulse, Forming the probe pulse from the output light pulse, feedback to the laser controller of the pulse laser based on the measured information of the laser medium, optimization of the operation of the pulse laser, stabilization. The apparatus according to claim 1, wherein the measurement is performed.
【請求項16】 動熱力学の観測または制御に適用した
ことを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項記載の
媒質の非線形光学応答測定装置。
16. The apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is applied to observation or control of thermodynamics.
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