JPH1096610A - レーザパルス比較方法、高速レーザー走査方法、高速走査レーザー装置、短パルスレーザー装置、距離計測装置、電気光学サンプリング・オシロスコープ、短パルスレーザー安定制御方法および較正時間スケール発生装置 - Google Patents
レーザパルス比較方法、高速レーザー走査方法、高速走査レーザー装置、短パルスレーザー装置、距離計測装置、電気光学サンプリング・オシロスコープ、短パルスレーザー安定制御方法および較正時間スケール発生装置Info
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- JPH1096610A JPH1096610A JP9030863A JP3086397A JPH1096610A JP H1096610 A JPH1096610 A JP H1096610A JP 9030863 A JP9030863 A JP 9030863A JP 3086397 A JP3086397 A JP 3086397A JP H1096610 A JPH1096610 A JP H1096610A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 最小の（ミクロンの）機械的動作で発生する
超短パルス幅レーザーを使用して時間走査を行う方法・
装置を提供すること。また、フェムト秒台の高精度タイ
ミング較正を行う方法を提供すること。 【解決手段】 二つのレーザー６１０，６２０のうち一
方６２０のキャビティー長には、ピエゾ素子ＰＺＴで動
揺が与えられている。ファブリペローエタロンＦＰは、
レーザー６１０の単パルスからタイミングパルス列を生
成する。相関器６４０は、同タイミングパルス列とレー
ザー６２０からのゲートパルスとの相関を取り較正時間
スケールを生成する。本発明には高度の高速走査と時間
較正とが要求される分野で多くの応用がある。例えば、
表面計測、半導体のチャージダイナミックス測定、超高
速電子／光電デバイスの電気光学試験、光学的時間領域
反射率計測、電気光学サンプリング・オシロスコープ、
その他に応用できる。
超短パルス幅レーザーを使用して時間走査を行う方法・
装置を提供すること。また、フェムト秒台の高精度タイ
ミング較正を行う方法を提供すること。 【解決手段】 二つのレーザー６１０，６２０のうち一
方６２０のキャビティー長には、ピエゾ素子ＰＺＴで動
揺が与えられている。ファブリペローエタロンＦＰは、
レーザー６１０の単パルスからタイミングパルス列を生
成する。相関器６４０は、同タイミングパルス列とレー
ザー６２０からのゲートパルスとの相関を取り較正時間
スケールを生成する。本発明には高度の高速走査と時間
較正とが要求される分野で多くの応用がある。例えば、
表面計測、半導体のチャージダイナミックス測定、超高
速電子／光電デバイスの電気光学試験、光学的時間領域
反射率計測、電気光学サンプリング・オシロスコープ、
その他に応用できる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超短パルス幅レー
ザーの技術分野に属し、特に極小（すなわちミクロンス
ケール）の機械的な動作を実行するための装置および方
法の技術分野に属する。本発明はまた、高精度（すなわ
ちサブピコ秒）のタイミング較正に使用できる方法に関
し、同方法は前述の時間的走査方法に対しても在来の時
間的走査方法に対しても適用可能である。分けても本発
明は、コリレーターやレンジング、三次元イメージン
グ、コンターリング、トモグラフィーおよび光学時間領
域レフレクトメトリー（ＯＴＤＲ）を含む他の形式のポ
ンプ・プローブデバイスにおいて、機械的な走査遅延ア
ームの必要性をなくする。
ザーの技術分野に属し、特に極小（すなわちミクロンス
ケール）の機械的な動作を実行するための装置および方
法の技術分野に属する。本発明はまた、高精度（すなわ
ちサブピコ秒）のタイミング較正に使用できる方法に関
し、同方法は前述の時間的走査方法に対しても在来の時
間的走査方法に対しても適用可能である。分けても本発
明は、コリレーターやレンジング、三次元イメージン
グ、コンターリング、トモグラフィーおよび光学時間領
域レフレクトメトリー（ＯＴＤＲ）を含む他の形式のポ
ンプ・プローブデバイスにおいて、機械的な走査遅延ア
ームの必要性をなくする。
【０００２】
【従来の技術】超高速レーザーオッシレータは、今のと
ころ、反復率が５ＭＨｚから１ＧＨｚ程度までの範囲
で、ナノジュールレベルのパルスエネルギーで１０ｆｓ
（フェムト秒）のオーダーのパルス幅（のレーザー）を
発生する能力があると知られている。この様な短パルス
は、タイムゲーティングや度量衡学を含む多くの応用に
使用されている。このような短光パルスの応用の多くに
おいては、光パルスのワンセットが他の光パルスのワン
セットに対して遅れていることが必要である。ここにお
いては、時間遅れは非常に高精度であることが必要であ
り、例えば１０ｆｓのオーダーの精度であることが必要
である。短パルスの時間遅れは、生物学的または医学的
なイメージングや、高速光検出および光サンプリング、
光時間領域反射率計、並びに度量衡学などの応用で、多
く使用されている。光パルスの遅延および走査（スキャ
ニング）のための通常の方法は、光パルスを鏡から反射
すると共に、この鏡を何らかの機械的な手段で物理的に
距離Ｄだけ動かすことである。距離Ｄは、遅延時間ΔＴ
と、真空中では３．０×１０8 ｍ／ｓの光速との積で定
義される。すなわち、 Ｄ＝ｃ／２×ΔＴ または Ｄ（ｃｍ）＝１５×Δ
Ｔ（ｎｓ） この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことに
する。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パル
スの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指す
ものとする。鏡の精密な位置決めおよび走査のために、
すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば
以下のようなものがある。 ・ボイスコイル型デバイス（シェーカー）（ R. F. For
k and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978)）。 ・回転鏡対（ Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Com
m., 36, 406(1981)） ・ステップモーターを採用しているリニアートランスレ
ーター（多くのベンダーから商品化されている） ・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレ
ーター（ D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Sch
euermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990)）可調整
群遅延（アジャスタブル・グループ・ディレイ）を使用
している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなも
のがある。 ・走査ガルバノメーターを採用しているフェムト秒パル
スシェーパー（ＦＰＳ）（ K. F. Kwong, D. Yankelevi
ch, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes;"400-H
z mechanical scanning optical delay line" Opt. Le
tt. 18, (7) 558(1993)（以下 Kwong et al.と略記）；
K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A.Denes, Confer
ence on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest
Series,Vol.8, 1994, paper CThI23.） ・回転ガラスブロック 物理的遅延方法には数々の短所をがあるが、その最たる
ものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしま
うことである。例えば、１０ｎｓ（ナノ秒）の遅延を得
るためには、５フィートの鏡の移動が必要である。その
他にもまた、物理的な制約や短所がある。長い遅延が使
用されているときには、ミスアラインメントやピント外
れは、計測を歪ませる。コーナーキューブ反射器を使用
すると、ミスアラインメントの問題は軽減されるが、ピ
ント外れの問題は軽減されない。このピント外れの影響
は、走査振幅が光ビームの共焦点パラメーターのかなり
の部分に相当する時に起きやすい。１０ｎｓの時間遅れ
は、１０フィート（約３ｍ）の自由空間での伝搬を必要
とする。それゆえ、ピント外れの影響を最小限に抑える
ためには、共焦点パラメーター（ＺR ）はおおよそこの
値（１０フィート）の１０倍、すなわちＺR ＝３０ｍで
なくてはならない。このため、１５５０ｎｍの波長では
１２ｍｍのビーム半径（ｗo ）が要求される。これでは
多くの場合に非現実的に大きいものになってしまう。
ころ、反復率が５ＭＨｚから１ＧＨｚ程度までの範囲
で、ナノジュールレベルのパルスエネルギーで１０ｆｓ
（フェムト秒）のオーダーのパルス幅（のレーザー）を
発生する能力があると知られている。この様な短パルス
は、タイムゲーティングや度量衡学を含む多くの応用に
使用されている。このような短光パルスの応用の多くに
おいては、光パルスのワンセットが他の光パルスのワン
セットに対して遅れていることが必要である。ここにお
いては、時間遅れは非常に高精度であることが必要であ
り、例えば１０ｆｓのオーダーの精度であることが必要
である。短パルスの時間遅れは、生物学的または医学的
なイメージングや、高速光検出および光サンプリング、
光時間領域反射率計、並びに度量衡学などの応用で、多
く使用されている。光パルスの遅延および走査（スキャ
ニング）のための通常の方法は、光パルスを鏡から反射
すると共に、この鏡を何らかの機械的な手段で物理的に
距離Ｄだけ動かすことである。距離Ｄは、遅延時間ΔＴ
と、真空中では３．０×１０8 ｍ／ｓの光速との積で定
義される。すなわち、 Ｄ＝ｃ／２×ΔＴ または Ｄ（ｃｍ）＝１５×Δ
Ｔ（ｎｓ） この種の遅延は、ここでは「物理的遅延」と呼ぶことに
する。同様に、走査というのは、ここでは二つの光パル
スの間の到着時刻の差のシステマティックな変動を指す
ものとする。鏡の精密な位置決めおよび走査のために、
すでに様々な方法やデバイスが開発されている。例えば
以下のようなものがある。 ・ボイスコイル型デバイス（シェーカー）（ R. F. For
k and F. A. Beiser, APPL Opt. 17, 3534(1978)）。 ・回転鏡対（ Z. A. Yaza and N. M. Amer, Opt. Com
m., 36, 406(1981)） ・ステップモーターを採用しているリニアートランスレ
ーター（多くのベンダーから商品化されている） ・ガルバノメーターを採用しているリニアートランスレ
ーター（ D. C. Edelstein, R. B. Romney, and M. Sch
euermann, Rev. Sci, Instrum. 62, 579(1990)）可調整
群遅延（アジャスタブル・グループ・ディレイ）を使用
している他のタイプの物理的遅延には、以下のようなも
のがある。 ・走査ガルバノメーターを採用しているフェムト秒パル
スシェーパー（ＦＰＳ）（ K. F. Kwong, D. Yankelevi
ch, K. C. Chu, J. P. Heritage, and A. Denes;"400-H
z mechanical scanning optical delay line" Opt. Le
tt. 18, (7) 558(1993)（以下 Kwong et al.と略記）；
K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A.Denes, Confer
ence on Laser and Electro-Optics, OSA Tech. Digest
Series,Vol.8, 1994, paper CThI23.） ・回転ガラスブロック 物理的遅延方法には数々の短所をがあるが、その最たる
ものは長い遅延が必要な場合には広い場所をとってしま
うことである。例えば、１０ｎｓ（ナノ秒）の遅延を得
るためには、５フィートの鏡の移動が必要である。その
他にもまた、物理的な制約や短所がある。長い遅延が使
用されているときには、ミスアラインメントやピント外
れは、計測を歪ませる。コーナーキューブ反射器を使用
すると、ミスアラインメントの問題は軽減されるが、ピ
ント外れの問題は軽減されない。このピント外れの影響
は、走査振幅が光ビームの共焦点パラメーターのかなり
の部分に相当する時に起きやすい。１０ｎｓの時間遅れ
は、１０フィート（約３ｍ）の自由空間での伝搬を必要
とする。それゆえ、ピント外れの影響を最小限に抑える
ためには、共焦点パラメーター（ＺR ）はおおよそこの
値（１０フィート）の１０倍、すなわちＺR ＝３０ｍで
なくてはならない。このため、１５５０ｎｍの波長では
１２ｍｍのビーム半径（ｗo ）が要求される。これでは
多くの場合に非現実的に大きいものになってしまう。
【０００３】鏡を大きく移動させることの必要性は、遅
延線を何度も通過すること（マルチパッシング）によ
り、低減される。（例えば、遅延線のダブルパッシング
によれば、必要とされる鏡の移動距離を半減させること
ができる。）しかしながら、これによっては、ピント外
れの問題は軽減されない。マルチパッシングでは、アラ
インメント作業がより複雑になり、光学的な損失が増え
るといった独自の問題が生じてしまう。
延線を何度も通過すること（マルチパッシング）によ
り、低減される。（例えば、遅延線のダブルパッシング
によれば、必要とされる鏡の移動距離を半減させること
ができる。）しかしながら、これによっては、ピント外
れの問題は軽減されない。マルチパッシングでは、アラ
インメント作業がより複雑になり、光学的な損失が増え
るといった独自の問題が生じてしまう。
【０００４】しかし、走査率（スキャニングレート）お
よび走査周波数に関する別の制限は、同時に解決するこ
とができる。進行中の計測の「リアルタイム」ディスプ
レイを得るために、素早く（３０Ｈｚより上で）走査す
る間に平均して信号を送ることが、多くの場合望まし
い。それでも、このように高い走査周波数では、走査範
囲は限られてしまう。これまでに達成された走査範囲の
最高記録は、走査ＦＰＳ法（ Kwong et al. ）を用い、
１００Ｈｚのレート（走査率）で１００ｐｓ（ピコ秒）
である。走査範囲およびまたは走査周波数をこれ以上い
くらかでも増加させると、高レベルの振動が発生してし
まい、レーザーの作動が成り立たなくなってしまう可能
性がある。回転しているガラスブロックは、この振動問
題を防ぎ、より高い走査速度を出す能力を持っている
が、走査範囲を全く調整することができない。さらに、
これら（回転ガラスブロック）は、群速度の分散の変動
をもたらすので、１００ｆｓ未満の幅のパルスに使用す
るのは不適当である。
よび走査周波数に関する別の制限は、同時に解決するこ
とができる。進行中の計測の「リアルタイム」ディスプ
レイを得るために、素早く（３０Ｈｚより上で）走査す
る間に平均して信号を送ることが、多くの場合望まし
い。それでも、このように高い走査周波数では、走査範
囲は限られてしまう。これまでに達成された走査範囲の
最高記録は、走査ＦＰＳ法（ Kwong et al. ）を用い、
１００Ｈｚのレート（走査率）で１００ｐｓ（ピコ秒）
である。走査範囲およびまたは走査周波数をこれ以上い
くらかでも増加させると、高レベルの振動が発生してし
まい、レーザーの作動が成り立たなくなってしまう可能
性がある。回転しているガラスブロックは、この振動問
題を防ぎ、より高い走査速度を出す能力を持っている
が、走査範囲を全く調整することができない。さらに、
これら（回転ガラスブロック）は、群速度の分散の変動
をもたらすので、１００ｆｓ未満の幅のパルスに使用す
るのは不適当である。
【０００５】物理的遅延に加えて、機械的な動きを全く
必要としない時間的な走査方法が導入されている。例え
ば、以下のようなものがある。 ・自由走査レーザー（ A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bl
oom, Rev.Sci, Instrum.63,3191(1992); K.S.Giboney,
S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers;"Picoseco
nd Measurements by Free-Running Electro-Optic Samp
ling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.199
4; J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-co
lor subpocosecond optical sampling technique." Op
t.Lett.,17, pp.1286-9, Sept.15, 1992（以下 Kafka e
t al.と略称）; M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann;
"Controllable dual-wavelength operation of a Femt
osecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-
7, Jan.15, 1995 ）。 ・分散要素として音響光学デフレクター（偏向器）を採
用しているステップミラー遅延線（ R.payaket, S.Hunt
er, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort o
ptical pulse delay using an acousto-optic deflecto
r." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 199
5 ）。 ・二つのモードロックレーザー間のＲＦ位相のねじれ
（ D.E.Spence, W.E.Sleat, J.M.Evance, W.Sibbett, a
nd J.D.Kafka; "Time synchronization measurements b
etween two self-modelocked Ti:sapphire lasers." Op
t.Comm., 101, pp.286-296, Aug.15, 1993）。
必要としない時間的な走査方法が導入されている。例え
ば、以下のようなものがある。 ・自由走査レーザー（ A.Black, R.B.Apte, and D.M.Bl
oom, Rev.Sci, Instrum.63,3191(1992); K.S.Giboney,
S.T.Allen, M.J.W.Redwell, and J.E.Bowers;"Picoseco
nd Measurements by Free-Running Electro-Optic Samp
ling." IEEE Photon.Tech.Lett., pp.1353-5. Nov.199
4; J.D.Kafka, J.W.Pieterse, and M.L.Watts; "Two-co
lor subpocosecond optical sampling technique." Op
t.Lett.,17, pp.1286-9, Sept.15, 1992（以下 Kafka e
t al.と略称）; M.H.Ober, G.Sucha, and M.E.Fermann;
"Controllable dual-wavelength operation of a Femt
osecond neodium fiber laser." opt.Lett.20, p.195-
7, Jan.15, 1995 ）。 ・分散要素として音響光学デフレクター（偏向器）を採
用しているステップミラー遅延線（ R.payaket, S.Hunt
er, J.E.Ford, S.Esener; "Programmable ultrashort o
ptical pulse delay using an acousto-optic deflecto
r." Appl.Opt., 34, No.8, pp.1445-1453, Mar.10, 199
5 ）。 ・二つのモードロックレーザー間のＲＦ位相のねじれ
（ D.E.Spence, W.E.Sleat, J.M.Evance, W.Sibbett, a
nd J.D.Kafka; "Time synchronization measurements b
etween two self-modelocked Ti:sapphire lasers." Op
t.Comm., 101, pp.286-296, Aug.15, 1993）。
【０００６】これらの非機械的な方法によれば、とりわ
け高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーで
は、レーザーの反復周期全体にわたるスパン（幅）が得
られる。例えば、図１に示す公知の自由走査レーザーシ
ステムは、互いに異なるキャビティー長を持っているマ
スターレーザー１０およびスレーブレーザー２０を有
し、両者１０，２０は互いに異なる反復周波数ν1 およ
びν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波
数差Δν＝ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー
２０のキャビティー長を所定の長さに調整することによ
り所望の値に設定される。相関器（コリレーター）４０
は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成す
る。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関
する情報が得られ、データ取得電子装置５０にトリガー
信号が与えられる。例えば、Kafka etal.によれば、二
つの独立なモードロック・チタン：サファイア・レーザ
ー、つまりマスターレーザー１０およびスレーブレーザ
ー２０（それぞれの公称反復率は８０ＭＨｚ）が、（８
０ＭＨｚ程度の）互いに異なる反復周波数を持つように
設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おお
よそ１００ｋＨｚのオフセット周波数Δνで、互いを通
して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカル
ＲＦオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反
復率が８０ＭＨｚ付近であったから、総走査範囲は約１
３ｎｓであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く
使用することなく、時間走査が達成された。タイミング
の較正は、非線形結晶（例えば相関器４０）の中へ鏡３
０から反射された二つのレーザービームの相互相関によ
り達成された。結果として得られた信号は、トリガーデ
ータ取得ユニット５０（例えばオシロスコープ）へ送ら
れて使用された。レーザー１０，２０からのレーザービ
ーム出力もまた、別の鏡６０で反射され、レーザービー
ムを使用した所望の計測や実験を行う計測装置７０によ
り受信される。
け高速走査が可能である。これらの自由走査レーザーで
は、レーザーの反復周期全体にわたるスパン（幅）が得
られる。例えば、図１に示す公知の自由走査レーザーシ
ステムは、互いに異なるキャビティー長を持っているマ
スターレーザー１０およびスレーブレーザー２０を有
し、両者１０，２０は互いに異なる反復周波数ν1 およ
びν2 でパルス列を生成する。その走査周波数は、周波
数差Δν＝ν1 −ν2 に等しいので、スレーブレーザー
２０のキャビティー長を所定の長さに調整することによ
り所望の値に設定される。相関器（コリレーター）４０
は、二つのレーザーの間の相互相関から信号を生成す
る。これからこの二つのレーザーの間のタイミングに関
する情報が得られ、データ取得電子装置５０にトリガー
信号が与えられる。例えば、Kafka etal.によれば、二
つの独立なモードロック・チタン：サファイア・レーザ
ー、つまりマスターレーザー１０およびスレーブレーザ
ー２０（それぞれの公称反復率は８０ＭＨｚ）が、（８
０ＭＨｚ程度の）互いに異なる反復周波数を持つように
設定された。反復周波数のオフセットに起因して、おお
よそ１００ｋＨｚのオフセット周波数Δνで、互いを通
して走査しあった。このオフセット周波数は、ローカル
ＲＦオシレーターに対して安定化され得る。レーザー反
復率が８０ＭＨｚ付近であったから、総走査範囲は約１
３ｎｓであった。それゆえ、機械的に動く遅延線を全く
使用することなく、時間走査が達成された。タイミング
の較正は、非線形結晶（例えば相関器４０）の中へ鏡３
０から反射された二つのレーザービームの相互相関によ
り達成された。結果として得られた信号は、トリガーデ
ータ取得ユニット５０（例えばオシロスコープ）へ送ら
れて使用された。レーザー１０，２０からのレーザービ
ーム出力もまた、別の鏡６０で反射され、レーザービー
ムを使用した所望の計測や実験を行う計測装置７０によ
り受信される。
【０００７】この技術の最大の欠点は、次の二つの理由
によりデータ取得時間が極めて長くかかることである。 １．固定された走査範囲：走査範囲が、レーザーの反復
周波数（すなわちラウンドトリップタイム）の逆数に固
定されている。 ２．無駄時間：１３ｎｓのパルス空間の全部の代わり
に、１００ｐｓだけとか１０ｐｓだけとかに関心が流れ
がちである。それゆえ、１０μｓ（マイクロ秒）ある走
査時間のうち、ほんの１％（または０．１％）しか活用
されておらず、残りの９９％（９９．９％）は「無駄時
間」である。そのため、データ取得時間が１００倍とか
１０００倍とかに増大する。
によりデータ取得時間が極めて長くかかることである。 １．固定された走査範囲：走査範囲が、レーザーの反復
周波数（すなわちラウンドトリップタイム）の逆数に固
定されている。 ２．無駄時間：１３ｎｓのパルス空間の全部の代わり
に、１００ｐｓだけとか１０ｐｓだけとかに関心が流れ
がちである。それゆえ、１０μｓ（マイクロ秒）ある走
査時間のうち、ほんの１％（または０．１％）しか活用
されておらず、残りの９９％（９９．９％）は「無駄時
間」である。そのため、データ取得時間が１００倍とか
１０００倍とかに増大する。
【０００８】Kafka et al.は、これらの制限に言及して
おり、もっと高い反復率（例えばν o ＝１ＧＨｚ）のレ
ーザーを用いればこれを部分的に回避することができる
と示唆している。しかしながら、たいへん多様な走査範
囲が要求される多くの応用のためには、この解決策は受
け入れ難い。例えば、半導体のポンププローブ計測は、
しばしば多種多様な時間範囲にわたって行われる。半導
体のキャリヤー（すなわち電子および正孔）の寿命は数
ナノ秒のオーダーであり、１ＧＨｚのレーザーは全く受
け入れることができない。なぜなら、次のパルスが届く
ときにも、以前のレーザパルスによる残留キャリヤーが
依然として存在しているからである。それでも同時に、
極端に高速なダイナミックスを見るために、もっと狭い
時間スケールにズームインすることが望ましいことも、
しばしばある。それゆえ、自由走査レーザー技術には、
多くの応用で要求される走査範囲の選定の柔軟性が欠け
ている。極端に長い取得時間がかからずに広い時間的な
ダイナミックレンジを得るための方法は、タイミング調
整を粗くも細かくもできる柔軟性を持つことである。
おり、もっと高い反復率（例えばν o ＝１ＧＨｚ）のレ
ーザーを用いればこれを部分的に回避することができる
と示唆している。しかしながら、たいへん多様な走査範
囲が要求される多くの応用のためには、この解決策は受
け入れ難い。例えば、半導体のポンププローブ計測は、
しばしば多種多様な時間範囲にわたって行われる。半導
体のキャリヤー（すなわち電子および正孔）の寿命は数
ナノ秒のオーダーであり、１ＧＨｚのレーザーは全く受
け入れることができない。なぜなら、次のパルスが届く
ときにも、以前のレーザパルスによる残留キャリヤーが
依然として存在しているからである。それでも同時に、
極端に高速なダイナミックスを見るために、もっと狭い
時間スケールにズームインすることが望ましいことも、
しばしばある。それゆえ、自由走査レーザー技術には、
多くの応用で要求される走査範囲の選定の柔軟性が欠け
ている。極端に長い取得時間がかからずに広い時間的な
ダイナミックレンジを得るための方法は、タイミング調
整を粗くも細かくもできる柔軟性を持つことである。
【０００９】関連する研究で、レーザーが能動的にモー
ド同期している場合にも受動的にモード同期している場
合にも、あるいは受動モードロックレーザーと能動モー
ドロックレーザーとの組み合わせの場合にも、二つのモ
ードロックレーザーの間でタイミングを安定化させるた
めに、数種類の方法が使用されてきた。同期化のために
使用された方法は、大きく分けて（１）受動光学的方法
と（２）電子的安定化との二つのタイプに分かれる。最
も高い同期精度は、二つのレーザーを光学効果を介して
干渉させる受動光学的方法によって達成される（ J.M.E
vans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual-wav
elength selfmode-locked Ti:sapphirelasers." Opt.Le
tt., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993; M.R.X.de Barros
and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-lock
ed femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18,
pp.631-3, Apr.15, 1993; D.R.Dykaar and S.B.Dara
k;"Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femt
osecond operation of a single Ti:sapphire laser."
Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993（以下Dykaar
et al.と略称）; Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelen
gth synchronous operation of a mode-locked Ti:sapp
hire laser based on self-spectrum splitting." Opt.
Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993）。これらの光学
効果（例えば相互位相変調等）は、一パルス幅（１００
フェムト秒未満）以下に同期される二つのレーザー間で
の強固なモード同期を発生させる。これらは最も正確な
同期化をもたらすものの、レーザー間の時間遅れは強固
に固定されている。そのため、これらの間の時間遅れを
走査するためには、通常の物理的な走査遅延方法を使用
せざるを得ない。
ド同期している場合にも受動的にモード同期している場
合にも、あるいは受動モードロックレーザーと能動モー
ドロックレーザーとの組み合わせの場合にも、二つのモ
ードロックレーザーの間でタイミングを安定化させるた
めに、数種類の方法が使用されてきた。同期化のために
使用された方法は、大きく分けて（１）受動光学的方法
と（２）電子的安定化との二つのタイプに分かれる。最
も高い同期精度は、二つのレーザーを光学効果を介して
干渉させる受動光学的方法によって達成される（ J.M.E
vans, D.E.Spence, D.Burns, and W.Sibbet; "Dual-wav
elength selfmode-locked Ti:sapphirelasers." Opt.Le
tt., 13, pp.1074-7, Jul.1, 1993; M.R.X.de Barros
and P.C.Becker; "Two-color synchronously mode-lock
ed femtosecond Ti:sapphire laser." Opt.Lett., 18,
pp.631-3, Apr.15, 1993; D.R.Dykaar and S.B.Dara
k;"Stickly pulses:two-color cross-mode-locked femt
osecond operation of a single Ti:sapphire laser."
Opt.Lett., 18, pp.634-7, Apr.15, 1993（以下Dykaar
et al.と略称）; Z.Zhang and T.Yagi, "Dual-wavelen
gth synchronous operation of a mode-locked Ti:sapp
hire laser based on self-spectrum splitting." Opt.
Lett., 18, pp.2126-8, Dec.15, 1993）。これらの光学
効果（例えば相互位相変調等）は、一パルス幅（１００
フェムト秒未満）以下に同期される二つのレーザー間で
の強固なモード同期を発生させる。これらは最も正確な
同期化をもたらすものの、レーザー間の時間遅れは強固
に固定されている。そのため、これらの間の時間遅れを
走査するためには、通常の物理的な走査遅延方法を使用
せざるを得ない。
【００１０】単純なＲＦ位相検知を使用した電子的な安
定化によれば、相対的な時間遅れを調整する上で最も柔
軟性が得られるが、しかし現時点ではこれらのシステム
は、２〜３ピコ秒よりも良好なタイミングの正確さを維
持することができない。このようなシステムは、外部の
参照周波数に合わせてＴｉ：サファイア・レーザーを安
定化させたり、二つのモードロックＴｉ：サファイア・
レーザーの同期を取るたりするために、市販されている
（スペクトラフィジックス Lok-to-Clock/TMシステ
ム）。パルス光学位相同期ループ（ＰＯＰＬＬ）を使用
すれば、１００フェムト秒よりも良好な安定化が達成さ
れる。これはハイブリッド光学電子的方法であって、デ
ィジャーリ等の文献（ S.P.Dijaili, J.S.Smith, and
A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mo
de-locked dye laser using a pulsed optical phase l
ocked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Ju
l.1989,以下Dijaili et al.と略称）に開示されてい
る。同文献では、電子安定化回路が、光学的相互相関器
からのタイミング誤差信号をもたらす。しかしながら、
この方法は、受動的光学方法としての同じタイミング調
整の同期（ロック）を被っている。タイミングの調整
は、一つのパルス幅未満でのみ可能である。それゆえ、
ＰＯＰＬＬ法を使用するに際して、一つのパルス幅より
少しでも大きく相対パルスタイミングを偏向したい場合
には、一つのレーザービームの中にある種の物理的な遅
延線を挿入することが必要になるであろう。
定化によれば、相対的な時間遅れを調整する上で最も柔
軟性が得られるが、しかし現時点ではこれらのシステム
は、２〜３ピコ秒よりも良好なタイミングの正確さを維
持することができない。このようなシステムは、外部の
参照周波数に合わせてＴｉ：サファイア・レーザーを安
定化させたり、二つのモードロックＴｉ：サファイア・
レーザーの同期を取るたりするために、市販されている
（スペクトラフィジックス Lok-to-Clock/TMシステ
ム）。パルス光学位相同期ループ（ＰＯＰＬＬ）を使用
すれば、１００フェムト秒よりも良好な安定化が達成さ
れる。これはハイブリッド光学電子的方法であって、デ
ィジャーリ等の文献（ S.P.Dijaili, J.S.Smith, and
A.Dienes, "Timing synchronization of a pasively mo
de-locked dye laser using a pulsed optical phase l
ocked loop" Appl.Phisics.Lett., 55, pp.418-420, Ju
l.1989,以下Dijaili et al.と略称）に開示されてい
る。同文献では、電子安定化回路が、光学的相互相関器
からのタイミング誤差信号をもたらす。しかしながら、
この方法は、受動的光学方法としての同じタイミング調
整の同期（ロック）を被っている。タイミングの調整
は、一つのパルス幅未満でのみ可能である。それゆえ、
ＰＯＰＬＬ法を使用するに際して、一つのパルス幅より
少しでも大きく相対パルスタイミングを偏向したい場合
には、一つのレーザービームの中にある種の物理的な遅
延線を挿入することが必要になるであろう。
【００１１】もしもレーザー固有のタイミングジッター
が低減されるのであれば、ＲＦ法によるタイミング安定
化の性能を向上させることができるであろう。二つのレ
ーザーができる限り同一の環境条件に置かれることによ
り、固有のレーザージッターのある程度の低減が可能で
ある。スティッキーパルス・レーザーは、Dykaar etal.
に開示されているが、Ｔｉ：サファイア・レーザー結
晶の空間的に分かれている二つの領域をポンピングする
ために、空間的に分割されたレーザービームを採用して
いる。これには、二つの分割されているレーザーが、エ
ンドミラーを除いて同じポンプレーザー、レーザー結
晶、空気の空間、およびその他のキャビティー内の要素
のほとんどを共有していることが不可欠である。このよ
うにすれば、二つのレーザーは、同じ温度変動、ポンプ
レーザーのノイズ、および擾乱を経験するので、反復率
のジッターにおける差異が最低限に抑制される。こうす
れば、たとえ二つのレーザー間での光学的干渉が弱くて
も、複数のパルスを一緒に同期（ロック）することがで
きる。「環境的カップリング」の一般的な原則は、モー
ドロック・ファイバーレーザーを含む他の形式のレーザ
ーにも適用可能である。しかしながら、Dykaar et al.
の目的は二つのレーザーを一緒にロックすることであ
り、本発明の目的とするところでは好ましくないことに
注意すべきである。なぜならば、この時間遅れは走査で
きないからである。すなわち、前述のスティッキーパル
ス・レーザーの二つのカップリングされたレーザーから
のタイミングパルスは、光学的カップリングを通して一
緒にロックされるものであり、独立に制御することはで
きないからである。
が低減されるのであれば、ＲＦ法によるタイミング安定
化の性能を向上させることができるであろう。二つのレ
ーザーができる限り同一の環境条件に置かれることによ
り、固有のレーザージッターのある程度の低減が可能で
ある。スティッキーパルス・レーザーは、Dykaar etal.
に開示されているが、Ｔｉ：サファイア・レーザー結
晶の空間的に分かれている二つの領域をポンピングする
ために、空間的に分割されたレーザービームを採用して
いる。これには、二つの分割されているレーザーが、エ
ンドミラーを除いて同じポンプレーザー、レーザー結
晶、空気の空間、およびその他のキャビティー内の要素
のほとんどを共有していることが不可欠である。このよ
うにすれば、二つのレーザーは、同じ温度変動、ポンプ
レーザーのノイズ、および擾乱を経験するので、反復率
のジッターにおける差異が最低限に抑制される。こうす
れば、たとえ二つのレーザー間での光学的干渉が弱くて
も、複数のパルスを一緒に同期（ロック）することがで
きる。「環境的カップリング」の一般的な原則は、モー
ドロック・ファイバーレーザーを含む他の形式のレーザ
ーにも適用可能である。しかしながら、Dykaar et al.
の目的は二つのレーザーを一緒にロックすることであ
り、本発明の目的とするところでは好ましくないことに
注意すべきである。なぜならば、この時間遅れは走査で
きないからである。すなわち、前述のスティッキーパル
ス・レーザーの二つのカップリングされたレーザーから
のタイミングパルスは、光学的カップリングを通して一
緒にロックされるものであり、独立に制御することはで
きないからである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の一つの目的
は、たとえば「マスター」レーザーおよび「スレーブ」
レーザーのように、光学要素の大きな機械的な動きを必
要とすることなく、パルス反復周期ＴR の連続していか
ようにも選択されるサブインターバルでの操作を可能と
する、二つのモードロックレーザーの間での時間遅れを
急速に走査（スキャン）するための方法および装置を提
供することである。これは、二つのレーザー間での平均
タイミング（位相）を連続的にモニターする電子的フィ
ードバック回路を使用している間に、一つのレーザー
（たとえばスレーブレーザー）のキャビティー長をミク
ロン単位で適正に調整することにより達成される。な
お、データー取得の衝撃係数（デューティーサイクル）
が大きく改善されるように、反復周期のいくつかのサブ
インターバルにわたって、自由走査法とは異なり相対時
間遅れが走査されるよう、二つのレーザーのＲＦ安定化
を改造（モディファイ）することが望ましい。
は、たとえば「マスター」レーザーおよび「スレーブ」
レーザーのように、光学要素の大きな機械的な動きを必
要とすることなく、パルス反復周期ＴR の連続していか
ようにも選択されるサブインターバルでの操作を可能と
する、二つのモードロックレーザーの間での時間遅れを
急速に走査（スキャン）するための方法および装置を提
供することである。これは、二つのレーザー間での平均
タイミング（位相）を連続的にモニターする電子的フィ
ードバック回路を使用している間に、一つのレーザー
（たとえばスレーブレーザー）のキャビティー長をミク
ロン単位で適正に調整することにより達成される。な
お、データー取得の衝撃係数（デューティーサイクル）
が大きく改善されるように、反復周期のいくつかのサブ
インターバルにわたって、自由走査法とは異なり相対時
間遅れが走査されるよう、二つのレーザーのＲＦ安定化
を改造（モディファイ）することが望ましい。
【００１３】本発明のもう一つの目的は、振動や空気の
乱れ、温度変化などの環境条件の変動により生じるタイ
ミングジッターを、最小限に低減することである。これ
は、二つのレーザーを独立に制御できるようにしなが
ら、同一の容器内で同一の要素を使用して、同じポンプ
レーザーでポンピングされるように、両方のレーザーを
構成することにより達成される。とりわけファイバーレ
ーザーの場合には、同じ軸（スプール）に二つのファイ
バーを一緒に巻き付けることにより、これは達成され
る。
乱れ、温度変化などの環境条件の変動により生じるタイ
ミングジッターを、最小限に低減することである。これ
は、二つのレーザーを独立に制御できるようにしなが
ら、同一の容器内で同一の要素を使用して、同じポンプ
レーザーでポンピングされるように、両方のレーザーを
構成することにより達成される。とりわけファイバーレ
ーザーの場合には、同じ軸（スプール）に二つのファイ
バーを一緒に巻き付けることにより、これは達成され
る。
【００１４】本発明のさらにもう一つの目的は、上記走
査方法および上記走査方法の結合に使用されるように、
サブピコ秒の精度をもって走査時間スケールを較正する
方法を提供することである。例えば、一つのレーザー
（例えばマスターレーザー）からのパルスを、部分反射
する光学要素のシリーズを通して別のレーザー（例えば
スレーブレーザー）からの通過パルスによって得られる
パルスシーケンスに対する相互相関を取る（クロスコリ
レートする）ために、本発明は使用することができる。
査方法および上記走査方法の結合に使用されるように、
サブピコ秒の精度をもって走査時間スケールを較正する
方法を提供することである。例えば、一つのレーザー
（例えばマスターレーザー）からのパルスを、部分反射
する光学要素のシリーズを通して別のレーザー（例えば
スレーブレーザー）からの通過パルスによって得られる
パルスシーケンスに対する相互相関を取る（クロスコリ
レートする）ために、本発明は使用することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態および実施例】本発明の実施例は、
複数の図面を参照してより詳細に以下に記述されてお
り、これらの図面には明細書と同一の符号が付されてい
る。 ［高速走査法の原理］本発明は、自由走査レーザーシス
テムと同様に、例えば図２（ａ）に示すようにほとんど
同一の反復率をもつマスターレーザー１１０およびスレ
ーブレーザー１２０の二つのレーザーから構成されてい
る。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なっ
て、マスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１
２０からのパルス出力は、互いを通して完全に走査する
ことはできないようになっている。むしろ、波長λ１を
もつマスターレーザー１１０は、一定の反復率ν1 に保
持されているか、自発的にドリフトするのが容認されて
いる一方で、スレーブレーザー１２０の反復周波数ν2
は、マスターレーザー１１０の反復率の付近を動揺（デ
ィザー）させられている。この反復率の動揺は、例えば
３０Ｈｚから１ｋＨｚまでの範囲の「高」周波でスレー
ブレーザー１２０のキャビティー長（Ｌ2）を変えるこ
とによって達成されている。その一方で、その「平均
的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相
同期ループ（ＰＬＬ）回路を含む安定器ユニット１３０
により、マスターレーザー１１０の反復率に合わせて追
従ないし制御されている。マスターレーザー１１０とス
レーブレーザー１２０との間の平均的な時間遅れは、ス
レーブレーザー１２０のキャビティー長を制御する安定
器ユニット１３０により、一定に保持されている。一
方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、
信号発生器１４０からの高速動揺信号出力は、安定器ユ
ニット１３０からの制御電圧出力と（合算器Σで）足し
合わされている。反復周波数の追従および動揺は、スレ
ーブレーザー１２０のエンドミラーをピエゾ素子（ＰＺ
Ｔ）１２１に取付け、周波数信号発生器１４０からの必
須の電圧信号を（ＰＺＴに）印加することにより、実現
することができる。ＰＬＬ回路の帯域幅は動揺周波数未
満であることが必要であり、さもないと、（スレーブレ
ーザー１２０の周波数が）マスターレーザー１１０に追
従しようとしてキャビティー長の走査を妨害してしまう
であろう。
複数の図面を参照してより詳細に以下に記述されてお
り、これらの図面には明細書と同一の符号が付されてい
る。 ［高速走査法の原理］本発明は、自由走査レーザーシス
テムと同様に、例えば図２（ａ）に示すようにほとんど
同一の反復率をもつマスターレーザー１１０およびスレ
ーブレーザー１２０の二つのレーザーから構成されてい
る。しかしながら自由走査レーザーシステムとは異なっ
て、マスターレーザー１１０およびスレーブレーザー１
２０からのパルス出力は、互いを通して完全に走査する
ことはできないようになっている。むしろ、波長λ１を
もつマスターレーザー１１０は、一定の反復率ν1 に保
持されているか、自発的にドリフトするのが容認されて
いる一方で、スレーブレーザー１２０の反復周波数ν2
は、マスターレーザー１１０の反復率の付近を動揺（デ
ィザー）させられている。この反復率の動揺は、例えば
３０Ｈｚから１ｋＨｚまでの範囲の「高」周波でスレー
ブレーザー１２０のキャビティー長（Ｌ2）を変えるこ
とによって達成されている。その一方で、その「平均
的」反復率は、走査周波数未満の帯域幅の「低速」位相
同期ループ（ＰＬＬ）回路を含む安定器ユニット１３０
により、マスターレーザー１１０の反復率に合わせて追
従ないし制御されている。マスターレーザー１１０とス
レーブレーザー１２０との間の平均的な時間遅れは、ス
レーブレーザー１２０のキャビティー長を制御する安定
器ユニット１３０により、一定に保持されている。一
方、二つのレーザー間の瞬時の遅れを走査するために、
信号発生器１４０からの高速動揺信号出力は、安定器ユ
ニット１３０からの制御電圧出力と（合算器Σで）足し
合わされている。反復周波数の追従および動揺は、スレ
ーブレーザー１２０のエンドミラーをピエゾ素子（ＰＺ
Ｔ）１２１に取付け、周波数信号発生器１４０からの必
須の電圧信号を（ＰＺＴに）印加することにより、実現
することができる。ＰＬＬ回路の帯域幅は動揺周波数未
満であることが必要であり、さもないと、（スレーブレ
ーザー１２０の周波数が）マスターレーザー１１０に追
従しようとしてキャビティー長の走査を妨害してしまう
であろう。
【００１６】図２（ｂ）は別の実施例を示しており、こ
の実施例ではマスターレーザー１１０もＰＺＴ１１１を
装置していて、両レーザー１１０，１２０が共にＰＺＴ
１１１，１２１によりそれぞれ制御されるエンドミラー
を有している。この場合には、マスターレーザー１１０
が走査周波数で動揺させられており、スレーブレーザー
１２０はマスターレーザー１１０の「平均的」反復率を
追従（トラック）している。マスターレーザー１１０の
キャビティー長は信号発生器１４０により急速に動揺さ
せられており、安定器ユニット１３０はスレーブレーザ
ー１２０を所望の平均的時間遅れに固持している。
の実施例ではマスターレーザー１１０もＰＺＴ１１１を
装置していて、両レーザー１１０，１２０が共にＰＺＴ
１１１，１２１によりそれぞれ制御されるエンドミラー
を有している。この場合には、マスターレーザー１１０
が走査周波数で動揺させられており、スレーブレーザー
１２０はマスターレーザー１１０の「平均的」反復率を
追従（トラック）している。マスターレーザー１１０の
キャビティー長は信号発生器１４０により急速に動揺さ
せられており、安定器ユニット１３０はスレーブレーザ
ー１２０を所望の平均的時間遅れに固持している。
【００１７】繰り返すが、ＰＬＬ回路がタイミング走査
と干渉しないために、ＰＬＬ回路の帯域幅を動揺周波数
が凌駕していることが必要である。キャビティー長の走
査がどう作用するかを説明する一例として、スレーブレ
ーザー１２０のＰＺＴに対して走査周波数ｆS の矩形波
を印加する。すると、キャビティー長のミスマッチは、
次の数１の時間の関数で急速に変動する。
と干渉しないために、ＰＬＬ回路の帯域幅を動揺周波数
が凌駕していることが必要である。キャビティー長の走
査がどう作用するかを説明する一例として、スレーブレ
ーザー１２０のＰＺＴに対して走査周波数ｆS の矩形波
を印加する。すると、キャビティー長のミスマッチは、
次の数１の時間の関数で急速に変動する。
【００１８】
【数１】 ΔＬ（ｔ）＝ΔＬ0 ・Sq（ｆS ｔ） ここで、ΔＬ0 は矩形波の移動量の振幅であり、Sq
（ｘ）は矩形波関数である。これにより、走査サイクル
の半分毎に正負の線形走査遅れが生じる（三角波）。安
定している場合には、ΔＬだけの一定のキャビティー長
のミスマッチが、次の数２のオフセット周波数を生じ
る。
（ｘ）は矩形波関数である。これにより、走査サイクル
の半分毎に正負の線形走査遅れが生じる（三角波）。安
定している場合には、ΔＬだけの一定のキャビティー長
のミスマッチが、次の数２のオフセット周波数を生じ
る。
【００１９】
【数２】 Δν＝−ｃΔＬ／（２Ｌ2 ) または書き改めて、 Δν／ν＝−ΔＬ／Ｌ しかしながら、高速走査法においては、キャビティー長
は十分に高い周波数で動揺させられるので、（両レーザ
ーの）パルスは互いにすれ違う可能性はない。すなわ
ち、走査周波数および振幅は、次の数３の条件を満た
す。
は十分に高い周波数で動揺させられるので、（両レーザ
ーの）パルスは互いにすれ違う可能性はない。すなわ
ち、走査周波数および振幅は、次の数３の条件を満た
す。
【００２０】
【数３】 ｆS ＞＞Δν または ｆS ＞＞ｃΔＬ／（２Ｌ2 ) この場合には、時間変動する時間遅れＴd(t)は、次の数
４に示すように、キャビティー長のミスマッチの時間積
分に比例するであろう。
４に示すように、キャビティー長のミスマッチの時間積
分に比例するであろう。
【００２１】
【数４】
【００２２】ここで、ｃは真空中の光速であり、積分期
間は走査サイクルのオーダーにある。図３（ａ）は矩形
波変調の例を示しており、同図では１ｋＨｚの矩形波が
二つのレーザーのうち一つのＰＺＴに印加されている。
図３（ａ）〜（ｃ）に示されている波形は、時間に依存
しているキャビティー長のミスマッチΔＬ(t) およびそ
の結果として生じる瞬時の時間遅れＴD(t)を、各種の動
揺波形がスレーブレーザー１２０のＰＺＴに印加される
際の時間の関数として示している。瞬時の反復率ν
2 は、ν1 の周辺を動揺しており、相対的な時間遅れは
時間に関して線形に前後に走査している。合計走査範囲
は基本反復率ν1 または走査周波数ｆs に依存してお
り、走査振幅は次の数５に従う。
間は走査サイクルのオーダーにある。図３（ａ）は矩形
波変調の例を示しており、同図では１ｋＨｚの矩形波が
二つのレーザーのうち一つのＰＺＴに印加されている。
図３（ａ）〜（ｃ）に示されている波形は、時間に依存
しているキャビティー長のミスマッチΔＬ(t) およびそ
の結果として生じる瞬時の時間遅れＴD(t)を、各種の動
揺波形がスレーブレーザー１２０のＰＺＴに印加される
際の時間の関数として示している。瞬時の反復率ν
2 は、ν1 の周辺を動揺しており、相対的な時間遅れは
時間に関して線形に前後に走査している。合計走査範囲
は基本反復率ν1 または走査周波数ｆs に依存してお
り、走査振幅は次の数５に従う。
【００２３】
【数５】 Ｔmax＝（ΔＬ／２Ｌ）・（１／ｆs ） またはオフセット周波数で表現して Ｔmax＝（Δν／２ν）・（１／ｆs ） 走査率は、（ミリ秒／ミリ秒）の単位で次の数６により
与えられる。
与えられる。
【００２４】
【数６】 Ｒscan＝２ΔＬν／ｃ または Ｒscan＝ΔＬ／Ｌ あるいは研究室で使うのに便利な単位で、 Ｒscan＝１０9 ΔＬ／Ｌ（ｐｓ／ｍｓ） 「サンプリンググリッド」は、次の数７のラウンドトリ
ップあたりの時間的なパルス進みから与えられる。
ップあたりの時間的なパルス進みから与えられる。
【００２５】
【数７】 δｔg ＝２ΔＬ／ｃ 走査速度パラメーターを、１秒あたりの空間的なパルス
の進みの総計として、次の数８に示すように定義するこ
とができる。
の進みの総計として、次の数８に示すように定義するこ
とができる。
【００２６】
【数８】 νscan＝（２ΔＬ(t)）／ＴR ＝（ΔＬ(t)）
／Ｌ・ｃ 走査率、サンプリンググリッド、および走査速度の概念
は、自由走査（フリー・スキャン）レーザーにもまた適
用可能であることに注意されたい。一例を挙げると、公
称キャビティー長がＬ＝１．５ｍのレーザー一対によ
り、ν1 ＝１００ＭＨｚが得られる。もしΔＬ＝１５μ
ｍの走査振幅を仮定すると、Δν＝１ｋＨｚのオフセッ
ト周波数、Ｒscan＝１０4 ｐｓ／ｍｓ、およびδｔg＝
１００ｆｓが結果として得られる。もしキャビティー長
が動揺させられないと、フルパルス・ウォークオフが１
ｍｓで起こる。したがって、もし１５μｍの走査振幅が
使用されると、トータル・ウォークオフを防ぐためには
ｆs ＞１ｋＨｚの走査周波数が必要である。
／Ｌ・ｃ 走査率、サンプリンググリッド、および走査速度の概念
は、自由走査（フリー・スキャン）レーザーにもまた適
用可能であることに注意されたい。一例を挙げると、公
称キャビティー長がＬ＝１．５ｍのレーザー一対によ
り、ν1 ＝１００ＭＨｚが得られる。もしΔＬ＝１５μ
ｍの走査振幅を仮定すると、Δν＝１ｋＨｚのオフセッ
ト周波数、Ｒscan＝１０4 ｐｓ／ｍｓ、およびδｔg＝
１００ｆｓが結果として得られる。もしキャビティー長
が動揺させられないと、フルパルス・ウォークオフが１
ｍｓで起こる。したがって、もし１５μｍの走査振幅が
使用されると、トータル・ウォークオフを防ぐためには
ｆs ＞１ｋＨｚの走査周波数が必要である。
【００２７】表１〜３には、１０ＭＨｚ、１００ＭＨ
ｚ、および１ＧＨｚの反復率νをもつモードロックレー
ザーについて、いくつかの可能な走査範囲、走査率、お
よび各種走査速度パラメーターの関数としてのサンプリ
ンググリッド・インターバルが記載されている。表３か
ら、１ＧＨｚのレーザーについて、実際的な走査条件の
大半においてトータル・ウォークオフが生じていること
が分かり、それゆえに時間遅れは１ナノ秒を超えること
ができない。したがって、反復率が１ＧＨｚ未満のレー
ザーでは、本発明の動揺方法が自由走査レーザー方法と
して望ましい。
ｚ、および１ＧＨｚの反復率νをもつモードロックレー
ザーについて、いくつかの可能な走査範囲、走査率、お
よび各種走査速度パラメーターの関数としてのサンプリ
ンググリッド・インターバルが記載されている。表３か
ら、１ＧＨｚのレーザーについて、実際的な走査条件の
大半においてトータル・ウォークオフが生じていること
が分かり、それゆえに時間遅れは１ナノ秒を超えること
ができない。したがって、反復率が１ＧＨｚ未満のレー
ザーでは、本発明の動揺方法が自由走査レーザー方法と
して望ましい。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【表２】
【００３０】
【表３】
【００３１】注：表３中の＊は、トータル・ウォークオ
フ（最大で１ナノ秒）を示す。 対称形の矩形波が唯一の望ましい方法と言うわけではな
い。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、矩形波変調に加え
て別の二つの動揺方法（スキーム）を示している。単方
向の走査を得るために、図３（ｂ）に示すように方形波
（非対称な矩形波）を使用することもできる。こうすれ
ば、後方への走査の無用の無駄時間を低減することがで
きるであろう。無指向性走査が市販のファブリ・ペロー
干渉計で使用されているとは言え、図３（ｂ）に示す方
形波によるよりも、むしろ三角波で（無指向性走査を）
実行している。
フ（最大で１ナノ秒）を示す。 対称形の矩形波が唯一の望ましい方法と言うわけではな
い。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、矩形波変調に加え
て別の二つの動揺方法（スキーム）を示している。単方
向の走査を得るために、図３（ｂ）に示すように方形波
（非対称な矩形波）を使用することもできる。こうすれ
ば、後方への走査の無用の無駄時間を低減することがで
きるであろう。無指向性走査が市販のファブリ・ペロー
干渉計で使用されているとは言え、図３（ｂ）に示す方
形波によるよりも、むしろ三角波で（無指向性走査を）
実行している。
【００３２】矩形波および方形波の前縁および後縁での
電圧の急変は、機械的なショックとＰＺＴの浮き上がり
を起こしかねず、それゆえ異なる走査の線形時間スケー
ルを歪ませることになる。これらの影響を低減するよう
な信号条件の何らかのタイプ（例えば遷移のスムージン
グ）が望ましい。あるいは、図３（ｃ）に示すように、
正弦波電圧をＰＺＴに印加しても良い。正弦波走査の利
点は、矩形波や方形波にある鋭い電圧遷移に関連して起
こるショックや浮き上がりを避けることができることで
ある。また、誘起されたキャビティー長のミスマッチに
反応しようとするＰＬＬによるタイミングの歪みをもさ
けることができる。すなわち、単純なアナログ安定化回
路にとって、たとえ走査時間遅れに対してなにがしかの
反応をこの安定器がしても、正弦波駆動電圧は正弦波的
な走査特性をもたらす。これらの理由により、正弦波走
査が実施上もっとも単純である。しかしながら、正弦波
走査では、図３（ｂ）に示すように単方向の走査を生じ
る方形波のもつ利点は得られない。それゆえ、単純さが
求められる度合いに応じて、正弦波走査でＰＺＴを駆動
するのが望ましくなる。
電圧の急変は、機械的なショックとＰＺＴの浮き上がり
を起こしかねず、それゆえ異なる走査の線形時間スケー
ルを歪ませることになる。これらの影響を低減するよう
な信号条件の何らかのタイプ（例えば遷移のスムージン
グ）が望ましい。あるいは、図３（ｃ）に示すように、
正弦波電圧をＰＺＴに印加しても良い。正弦波走査の利
点は、矩形波や方形波にある鋭い電圧遷移に関連して起
こるショックや浮き上がりを避けることができることで
ある。また、誘起されたキャビティー長のミスマッチに
反応しようとするＰＬＬによるタイミングの歪みをもさ
けることができる。すなわち、単純なアナログ安定化回
路にとって、たとえ走査時間遅れに対してなにがしかの
反応をこの安定器がしても、正弦波駆動電圧は正弦波的
な走査特性をもたらす。これらの理由により、正弦波走
査が実施上もっとも単純である。しかしながら、正弦波
走査では、図３（ｂ）に示すように単方向の走査を生じ
る方形波のもつ利点は得られない。それゆえ、単純さが
求められる度合いに応じて、正弦波走査でＰＺＴを駆動
するのが望ましくなる。
【００３３】表１〜３中の走査速度パラメーターは、Ｐ
ＺＴの対称形の矩形波変調に基づいて得られている。正
弦波走査では、走査範囲および走査率が若干変わること
であろう。時間に依存する遅れは依然として前述の数４
で求められるが、キャビティー長の変調は次の数９によ
り与えられる。
ＺＴの対称形の矩形波変調に基づいて得られている。正
弦波走査では、走査範囲および走査率が若干変わること
であろう。時間に依存する遅れは依然として前述の数４
で求められるが、キャビティー長の変調は次の数９によ
り与えられる。
【００３４】
【数９】 ΔＬ(t) ＝ΔＬ0・ｃｏｓ（２πｆsｔ） その際の遅れは、次の数１０で与えられる。
【００３５】
【数１０】 ＴD(t) ＝（ΔＬ0／Ｌ）・（１／２πｆs）・ｓｉｎ
（２πｆsｔ） 以上のようにして正弦波走査（の特性）が求まる。ただ
し、ＰＺＴの位置に対して時間遅れは９０度になる。こ
の場合、走査特性は線形ではなく、ある種のスケール補
正が必要であることに注意されたい。
（２πｆsｔ） 以上のようにして正弦波走査（の特性）が求まる。ただ
し、ＰＺＴの位置に対して時間遅れは９０度になる。こ
の場合、走査特性は線形ではなく、ある種のスケール補
正が必要であることに注意されたい。
【００３６】ここに記載されているレーザー走査技術は
一対のモードロック・ファイバーレーザーを使用して実
証されているが、この技術は前述の二つの実施例に限定
されるものではなく、むしろソリッドステート、ダイオ
ードレーザー、およびダイレーザーを含むモードロック
レーザーの多くのタイプに適用可能である。 ［走査ファイバーレーザーシステム］図４に、二つのフ
ァイバーレーザーすなわちマスターレーザー２１０およ
びスレーブレーザー２２０を採用している本発明の好ま
しい実施例を示す。
一対のモードロック・ファイバーレーザーを使用して実
証されているが、この技術は前述の二つの実施例に限定
されるものではなく、むしろソリッドステート、ダイオ
ードレーザー、およびダイレーザーを含むモードロック
レーザーの多くのタイプに適用可能である。 ［走査ファイバーレーザーシステム］図４に、二つのフ
ァイバーレーザーすなわちマスターレーザー２１０およ
びスレーブレーザー２２０を採用している本発明の好ま
しい実施例を示す。
【００３７】両レーザー２１０，２２０は、同じレーザ
ーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされてお
り、同レーザーダイオードのパワーはスプリッターＳＰ
Ｌ２０６により二つのレーザーへと分割されている。マ
スターレーザー２１０は、ファラデー回転子（旋光器）
ミラーＦＲＭ ２１５によって終端が形成されている。
一方、スレーブレーザー２２０は、光学アセンブリＰＺ
Ｔ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。こ
れはＦＲＭ ２１５とほぼ同じであるが、ミラーがＰＺ
Ｔ上に取り付けられている点が異なっている。二つのフ
ァイバーレーザー２１０，２２０は、同一のモード同期
光学系（すなわち波長板λ／４，λ／２、ファラデー回
転子ＦＲ、および偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を構成
要素としている。レーザーモード同期は、飽和吸収器Ｓ
Ａによって始動される。両レーザー２１０，２２０の低
雑音出力ポートからの出力パルスは、それぞれフォトダ
イオードＰＤ−１，ＰＤ−２よって検知される。両フォ
トダイオードは、駆動安定器１３０によって使用され
る。
ーダイオードＬＤ ２０５によってポンピングされてお
り、同レーザーダイオードのパワーはスプリッターＳＰ
Ｌ２０６により二つのレーザーへと分割されている。マ
スターレーザー２１０は、ファラデー回転子（旋光器）
ミラーＦＲＭ ２１５によって終端が形成されている。
一方、スレーブレーザー２２０は、光学アセンブリＰＺ
Ｔ−ＦＲＭ ２２５によって終端が形成されている。こ
れはＦＲＭ ２１５とほぼ同じであるが、ミラーがＰＺ
Ｔ上に取り付けられている点が異なっている。二つのフ
ァイバーレーザー２１０，２２０は、同一のモード同期
光学系（すなわち波長板λ／４，λ／２、ファラデー回
転子ＦＲ、および偏光ビームスプリッタＰＢＳ）を構成
要素としている。レーザーモード同期は、飽和吸収器Ｓ
Ａによって始動される。両レーザー２１０，２２０の低
雑音出力ポートからの出力パルスは、それぞれフォトダ
イオードＰＤ−１，ＰＤ−２よって検知される。両フォ
トダイオードは、駆動安定器１３０によって使用され
る。
【００３８】両ファイバーレーザー２１０，２２０は、
ν0 ＝４．６２９ＭＨｚの公称反復率を持っている。こ
れらは、ファーマン等の文献（ M.E.Ferman, L.M.Yang,
M.L.Stock, and M.J.Andrejco, "Enviromentally stab
le Kerr-type mode-locked erbium fiber lazer produc
ing 360-fs pulses." Opt.Lett., 10, pp.43-5, Jan.19
94）に開示されている。同文献では、モード同期機構と
して非線形偏光エヴォルーション（ＮＰＥ）が使用され
ている。両レーザー２１０，２２０は、ファラデー回転
子ミラーを除いて、同一の構成要素を持っている。すな
わち、マスターレーザー２１０は、シングルパッケージ
のファラデー回転子ミラーＦＲＭ ２１５で終端を形成
されている。一方、スレーブレーザー２２０は、ＦＲＭ
と同一ではあるがミラーがＰＺＴ上に取り付けられてい
る分離した構成要素であるアセンブリーＰＺＴ−ＦＲＭ
２２５によって終端が形成されている。ここで使用さ
れているＰＺＴは、全移動行程が４０ミクロンのもので
ある。両レーザー２１０，２２０は、同じファイバース
プール２８０に一緒に巻き付けられることにより、熱的
および力学的にカップリングされている（同一状態に保
たれている）。そのうえ、両レーザー２１０，２２０
は、同じポンプレーザーダイオードＬＤ ２０５によっ
てポンピングされているので、二つのレーザー内のポン
プノイズは相関している。両レーザー２１０，２２０間
の相対的なタイミングは、ＰＬＬ回路を含む安定器１３
０によって設定され安定化されている。ひとたび安定器
１３０が稼働し両レーザー２１０，２２０が適正な遅れ
に設定されると、走査させるようにスレーブレーザー２
２０のＰＺＴに動揺信号が印加される。動揺信号は、信
号発生器１３５により印加され、ＰＺＴを駆動するため
の信号を生成するために、安定器１３０からの安定化信
号出力に加えられる。あるいは、安定器１３０の出力が
安定化信号および動揺信号の両方を含んでいるようにし
て、安定器１３０から動揺信号を発生させても良い。い
ずれのレーザー２１０，２２０も、キャビティー内の偏
光器に関連した二つの出力ポートをそれぞれ持ってい
る。これら二つの出力ポートは、図４中に各ＰＢＳの二
つの出力として図示されている。これら二つのレーザー
出力は、互いに極めて異なった雑音特性を持っている。
すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど
雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが
知られている（ＮＰＥに起因する）光学限界効果のゆえ
である。安定化回路１３０への入力を生成するフォトダ
イオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって検出されのは、こ
の静かな出力ビームである。安定化回路１３０への入力
として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッ
ターを最小限に抑制する助けになる。
ν0 ＝４．６２９ＭＨｚの公称反復率を持っている。こ
れらは、ファーマン等の文献（ M.E.Ferman, L.M.Yang,
M.L.Stock, and M.J.Andrejco, "Enviromentally stab
le Kerr-type mode-locked erbium fiber lazer produc
ing 360-fs pulses." Opt.Lett., 10, pp.43-5, Jan.19
94）に開示されている。同文献では、モード同期機構と
して非線形偏光エヴォルーション（ＮＰＥ）が使用され
ている。両レーザー２１０，２２０は、ファラデー回転
子ミラーを除いて、同一の構成要素を持っている。すな
わち、マスターレーザー２１０は、シングルパッケージ
のファラデー回転子ミラーＦＲＭ ２１５で終端を形成
されている。一方、スレーブレーザー２２０は、ＦＲＭ
と同一ではあるがミラーがＰＺＴ上に取り付けられてい
る分離した構成要素であるアセンブリーＰＺＴ−ＦＲＭ
２２５によって終端が形成されている。ここで使用さ
れているＰＺＴは、全移動行程が４０ミクロンのもので
ある。両レーザー２１０，２２０は、同じファイバース
プール２８０に一緒に巻き付けられることにより、熱的
および力学的にカップリングされている（同一状態に保
たれている）。そのうえ、両レーザー２１０，２２０
は、同じポンプレーザーダイオードＬＤ ２０５によっ
てポンピングされているので、二つのレーザー内のポン
プノイズは相関している。両レーザー２１０，２２０間
の相対的なタイミングは、ＰＬＬ回路を含む安定器１３
０によって設定され安定化されている。ひとたび安定器
１３０が稼働し両レーザー２１０，２２０が適正な遅れ
に設定されると、走査させるようにスレーブレーザー２
２０のＰＺＴに動揺信号が印加される。動揺信号は、信
号発生器１３５により印加され、ＰＺＴを駆動するため
の信号を生成するために、安定器１３０からの安定化信
号出力に加えられる。あるいは、安定器１３０の出力が
安定化信号および動揺信号の両方を含んでいるようにし
て、安定器１３０から動揺信号を発生させても良い。い
ずれのレーザー２１０，２２０も、キャビティー内の偏
光器に関連した二つの出力ポートをそれぞれ持ってい
る。これら二つの出力ポートは、図４中に各ＰＢＳの二
つの出力として図示されている。これら二つのレーザー
出力は、互いに極めて異なった雑音特性を持っている。
すなわち、一方はいくぶん雑音があり、他方はほとんど
雑音がない。これは、この種のレーザーに起こることが
知られている（ＮＰＥに起因する）光学限界効果のゆえ
である。安定化回路１３０への入力を生成するフォトダ
イオードＰＤ−１，ＰＤ−２によって検出されのは、こ
の静かな出力ビームである。安定化回路１３０への入力
として静かな出力ビームを使うことは、タイミングジッ
ターを最小限に抑制する助けになる。
【００３９】正弦波時間走査は、このツインファイバー
レーザーシステムを使用したインバーターによって達成
される。図５は、図４に示した二つのファイバーレーザ
ー２１０，２２０の間の相互相関走査（クロスコリレー
ション・スキャン）の二サイクルを示している。この相
互相関走査は、平均化なしの単発のデータ取得により収
集されたデータである。より詳しくは、走査周波数１０
６Ｈｚ、走査範囲２００ピコ秒における本発明の動揺方
法により走査させられている二つのファイバーレーザー
２１０，２２０間の相互相関信号を、図５は示してい
る。ここで、図５はフルに二サイクル分の走査を図示し
ており、前進走査（フォウォードスキャン）および後退
走査（バックウォードスキャン）を示している。併せ
て、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、矩形
波として現れている信号発生器１３５のトリガー出力と
が図示されている。図５のプロットは、二つのレーザー
２１０，２２０からのパルスを、非線形結晶すなわちベ
ータバリウム・ボレート（ＢＢＯ）結晶内での合計周波
数混合（サム・フリーケンシー・ミキシング）を使用し
た変形相互相関器を通して得られたものである。
レーザーシステムを使用したインバーターによって達成
される。図５は、図４に示した二つのファイバーレーザ
ー２１０，２２０の間の相互相関走査（クロスコリレー
ション・スキャン）の二サイクルを示している。この相
互相関走査は、平均化なしの単発のデータ取得により収
集されたデータである。より詳しくは、走査周波数１０
６Ｈｚ、走査範囲２００ピコ秒における本発明の動揺方
法により走査させられている二つのファイバーレーザー
２１０，２２０間の相互相関信号を、図５は示してい
る。ここで、図５はフルに二サイクル分の走査を図示し
ており、前進走査（フォウォードスキャン）および後退
走査（バックウォードスキャン）を示している。併せ
て、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧と、矩形
波として現れている信号発生器１３５のトリガー出力と
が図示されている。図５のプロットは、二つのレーザー
２１０，２２０からのパルスを、非線形結晶すなわちベ
ータバリウム・ボレート（ＢＢＯ）結晶内での合計周波
数混合（サム・フリーケンシー・ミキシング）を使用し
た変形相互相関器を通して得られたものである。
【００４０】走査の機械的な遅延（遅れ、ディレイ）
は、公知の相関器（コリレーター）の一枝（ワンアー
ム）の中で使用される。しかしながら、本発明の相関器
では、機械的な遅延は使用されていない。全ての走査
は、前述のレーザー動揺法によって行われている。また
図５には、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧
と、信号発生器１３５からのトリガー出力とが図示され
ている。数９および数１０から予期できるように、グラ
フ上にマークされたＰＺＴの移動端は、印加された正弦
波から９０度だけ位相が外れていることに留意された
い。走査範囲は、走査周波数１００Ｈｚで約２００ピコ
秒である。これは、反復率１００Ｈｚでの３ｃｍの物理
的な遅延と等価である。しかし、このツインレーザーシ
ステムでは、これと同じ走査範囲が、スレーブレーザー
２２０のＰＺＴをほんの２〜３ミクロンだけ動かすこと
により達成されている。
は、公知の相関器（コリレーター）の一枝（ワンアー
ム）の中で使用される。しかしながら、本発明の相関器
では、機械的な遅延は使用されていない。全ての走査
は、前述のレーザー動揺法によって行われている。また
図５には、ＰＺＴ制御器に印加されている正弦波電圧
と、信号発生器１３５からのトリガー出力とが図示され
ている。数９および数１０から予期できるように、グラ
フ上にマークされたＰＺＴの移動端は、印加された正弦
波から９０度だけ位相が外れていることに留意された
い。走査範囲は、走査周波数１００Ｈｚで約２００ピコ
秒である。これは、反復率１００Ｈｚでの３ｃｍの物理
的な遅延と等価である。しかし、このツインレーザーシ
ステムでは、これと同じ走査範囲が、スレーブレーザー
２２０のＰＺＴをほんの２〜３ミクロンだけ動かすこと
により達成されている。
【００４１】この相互相関法は、二つのレーザー２１
０，２２０間のタイミングジッターを計測するために使
用された。タイミングの較正は、２０ピコ秒だけ分離さ
れたパルス列を作り出す厚さ２ｍｍのガラスエタロンを
相関器の一枝に挿置することにより、行われている。こ
れらのパルス列は、図５中の走査上で明瞭に視認でき
る。図６は、同じ走査を引き伸ばした時間スケールで図
示している。同図から、２ｍｍのガラスエタロンを相関
器の一枝に挿置することによって生成されたごく近傍に
間隔を空けている二つのパルス（一つのレーザーはサテ
ライトパルスを持っている）と、この一対のパルスの複
製とが見て取れる。この一対のパルスは、エタロンの光
学的厚さに対応している２０ピコ秒だけ、主たる（メイ
ン）パルス対（つい）から離れている。ここで、パルス
幅は１ピコ秒のオーダーにあり、またサテライトパルス
は２〜３ピコ秒だけメインパルスから離れて存在してい
る。したがって、ＲＭＳタイミングジッターは、±２０
ピコ秒までの状況によるタイミングの偏差を伴って、Δ
Ｔj ＝５ピコ秒と測定された。タイミングジッターのデ
ータは図７に示されており、同図では各データポイント
が、走査率１０６Ｈｚでの各レーザー２１０，２２０の
走査間の相対的な時間遅れを表している。この計測され
たジッターは、安定器１３０の電子的ＰＬＬ回路の精度
の限界を例示していると共に、これだけのジッターにも
かかわらず如何に精密にタイミングの情報が得られるか
をも例示している。もし走査が十分に急速に行われるの
であれば、走査時間内の相対的なタイミングジッター
は、極めて小さくすることができる。そして、例えばレ
ーザパルスをエタロンに通すことにより、もし安定なタ
イミングパルス列が得られるのであれば、走査時間の間
のジッターさえも正確に知ることができる。このように
して、レーザーに数ピコ秒のジッターがありながらも、
走査特性はサブピコ秒の精度で明らかになる。
０，２２０間のタイミングジッターを計測するために使
用された。タイミングの較正は、２０ピコ秒だけ分離さ
れたパルス列を作り出す厚さ２ｍｍのガラスエタロンを
相関器の一枝に挿置することにより、行われている。こ
れらのパルス列は、図５中の走査上で明瞭に視認でき
る。図６は、同じ走査を引き伸ばした時間スケールで図
示している。同図から、２ｍｍのガラスエタロンを相関
器の一枝に挿置することによって生成されたごく近傍に
間隔を空けている二つのパルス（一つのレーザーはサテ
ライトパルスを持っている）と、この一対のパルスの複
製とが見て取れる。この一対のパルスは、エタロンの光
学的厚さに対応している２０ピコ秒だけ、主たる（メイ
ン）パルス対（つい）から離れている。ここで、パルス
幅は１ピコ秒のオーダーにあり、またサテライトパルス
は２〜３ピコ秒だけメインパルスから離れて存在してい
る。したがって、ＲＭＳタイミングジッターは、±２０
ピコ秒までの状況によるタイミングの偏差を伴って、Δ
Ｔj ＝５ピコ秒と測定された。タイミングジッターのデ
ータは図７に示されており、同図では各データポイント
が、走査率１０６Ｈｚでの各レーザー２１０，２２０の
走査間の相対的な時間遅れを表している。この計測され
たジッターは、安定器１３０の電子的ＰＬＬ回路の精度
の限界を例示していると共に、これだけのジッターにも
かかわらず如何に精密にタイミングの情報が得られるか
をも例示している。もし走査が十分に急速に行われるの
であれば、走査時間内の相対的なタイミングジッター
は、極めて小さくすることができる。そして、例えばレ
ーザパルスをエタロンに通すことにより、もし安定なタ
イミングパルス列が得られるのであれば、走査時間の間
のジッターさえも正確に知ることができる。このように
して、レーザーに数ピコ秒のジッターがありながらも、
走査特性はサブピコ秒の精度で明らかになる。
【００４２】一緒にパッケージ（コ・パッケージング）
された複数のレーザーの効用は、重大である。以前に本
発明者により組み立てられたあまりうまくないデュアル
レーザーシステムでは、同様の一対のレーザーが異なる
基台（ブレッドボード）上に別々に汲み上げられてお
り、異なるレーザーによってポンピングされていた。安
定器を使用しても、ＰＺＴの移動範囲の４０ミクロンを
キャビティー長のミスマッチが超える前に、そのスレー
ブレーザーがマスターレーザーに追随していたのは、わ
ずかに３０分程度であった。この（ミスマッチが４０ミ
クロンを超える）時点で、追随（トラッキング）は不可
能となった。それゆえ、正常な室温の下にあっても、５
ＭＨｚレーザーの一対の間でのキャビティー長のミスマ
ッチのドリフトは、大半のＰＺＴの可動範囲である４０
ミクロンを容易に超えてしまった。
された複数のレーザーの効用は、重大である。以前に本
発明者により組み立てられたあまりうまくないデュアル
レーザーシステムでは、同様の一対のレーザーが異なる
基台（ブレッドボード）上に別々に汲み上げられてお
り、異なるレーザーによってポンピングされていた。安
定器を使用しても、ＰＺＴの移動範囲の４０ミクロンを
キャビティー長のミスマッチが超える前に、そのスレー
ブレーザーがマスターレーザーに追随していたのは、わ
ずかに３０分程度であった。この（ミスマッチが４０ミ
クロンを超える）時点で、追随（トラッキング）は不可
能となった。それゆえ、正常な室温の下にあっても、５
ＭＨｚレーザーの一対の間でのキャビティー長のミスマ
ッチのドリフトは、大半のＰＺＴの可動範囲である４０
ミクロンを容易に超えてしまった。
【００４３】これとは対称的に、本発明の一緒にパッケ
ージされたシステムは、無期限に追従することができる
ので、正常な室内状態の下でＰＺＴによる４０ミクロン
の制限内にキャビティー長のミスマッチが見事に留まっ
ていることを示している。周波数ドリフトの絶対値の計
測と相対値の計測によれば、二つのレーザー２１０，２
２０の間の相対的な周波数ドリフトは、一つのレーザー
の絶対的なドリフトの７分の１程度に小さいことが分か
る。相対的なドリフトは、製作上で二つのレーザーを真
に同一に作ることにより、さらに小さく改善することが
できる。これは、両レーザー２１０，２２０の終端を同
一のＰＺＴ−ＦＲＭアセンブリで形成することによる
か、または両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＦ
ＲＭパッケージで形成し、スレーブレーザー２２０のキ
ャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更する
ことにより、達成することができる。
ージされたシステムは、無期限に追従することができる
ので、正常な室内状態の下でＰＺＴによる４０ミクロン
の制限内にキャビティー長のミスマッチが見事に留まっ
ていることを示している。周波数ドリフトの絶対値の計
測と相対値の計測によれば、二つのレーザー２１０，２
２０の間の相対的な周波数ドリフトは、一つのレーザー
の絶対的なドリフトの７分の１程度に小さいことが分か
る。相対的なドリフトは、製作上で二つのレーザーを真
に同一に作ることにより、さらに小さく改善することが
できる。これは、両レーザー２１０，２２０の終端を同
一のＰＺＴ−ＦＲＭアセンブリで形成することによる
か、または両レーザー２１０，２２０の終端を同一のＦ
ＲＭパッケージで形成し、スレーブレーザー２２０のキ
ャビティー長をファイバー・ストレッチャーで変更する
ことにより、達成することができる。
【００４４】相対的タイミングドリフトおよび絶対的タ
イミングドリフトの両方をさらに低減するには、ファイ
バースプール２８０および他の構成要素を消音して、同
じ容器内に二つのレーザーを構成すると良い。こうする
と消音されるし、温度も制御される。つまるところ、前
述の各方法の全てを用いて、相対的タイミングジッター
は量子限界にまで達した（ H.A.Haus and A.Mecozzi, "
Noise of mode-lockedlasers," IEEE J. Quantum Elect
ron., QE-29, pp.983-996, March 0993）。量子限界に
よるタイミングジッターは、分散（ディスパーション）
の増大に伴って増大するので、分散ゼロの波長の付近で
モードロックレーザーを作動させることにより、ジッタ
ーはさらに低減されうるであろう。
イミングドリフトの両方をさらに低減するには、ファイ
バースプール２８０および他の構成要素を消音して、同
じ容器内に二つのレーザーを構成すると良い。こうする
と消音されるし、温度も制御される。つまるところ、前
述の各方法の全てを用いて、相対的タイミングジッター
は量子限界にまで達した（ H.A.Haus and A.Mecozzi, "
Noise of mode-lockedlasers," IEEE J. Quantum Elect
ron., QE-29, pp.983-996, March 0993）。量子限界に
よるタイミングジッターは、分散（ディスパーション）
の増大に伴って増大するので、分散ゼロの波長の付近で
モードロックレーザーを作動させることにより、ジッタ
ーはさらに低減されうるであろう。
【００４５】モードロックレーザーのエンドミラーを動
揺させることにより、ミラーのミスアラインメントとピ
ント外れとのせいで、走査周波数における振幅の変動が
誘起される。ミスアラインメントの作用は、角度の感度
を減らすようにＰＺＴミラーに焦点を結ばせることによ
り、また、市販のファブリペロー干渉計でできるがアラ
インメントを保つように三点ミラー走査ＰＺＴを用いる
ことによって、最小化される。ピント外れの影響は、Ｐ
ＺＴミラーのビーム無駄入射（ビーム・ウェイスト・イ
ンシデント）の共焦点パラメーターに対し、走査振幅が
許容できる程に小さいときに、発生しうる。ファイバー
レーザーにおいて、このピント外れは、ファイバー内に
戻ってくるビームの干渉効率（カップリング・エフェシ
エンシー）の減少を起こし、今度はパワーの変動を起こ
す。それゆえ、ＰＺＴミラーの焦点深度が浅いこと（タ
イト・フォーカシング）は、望ましくないことである。
ビームの視準（コリメーション）の賢明な選定により、
このピント外れの影響を低減することができる。例え
ば、もし４０ミクロンの走査範囲を持つＰＺＴを使用す
ると、共焦点パラメーターは少なくとも２〜３ｍｍは必
要であろう。そこで、ＺR がＰＺＴミラーでのビーム・
ウェイストの共焦点パラメーターであるとして、（ΔＬ
／ＺR）2の量がおおよそ１０-4であるというのはかなり
小さい。この量が小さければ、レーザーの振幅変調はこ
れに伴って小さい。
揺させることにより、ミラーのミスアラインメントとピ
ント外れとのせいで、走査周波数における振幅の変動が
誘起される。ミスアラインメントの作用は、角度の感度
を減らすようにＰＺＴミラーに焦点を結ばせることによ
り、また、市販のファブリペロー干渉計でできるがアラ
インメントを保つように三点ミラー走査ＰＺＴを用いる
ことによって、最小化される。ピント外れの影響は、Ｐ
ＺＴミラーのビーム無駄入射（ビーム・ウェイスト・イ
ンシデント）の共焦点パラメーターに対し、走査振幅が
許容できる程に小さいときに、発生しうる。ファイバー
レーザーにおいて、このピント外れは、ファイバー内に
戻ってくるビームの干渉効率（カップリング・エフェシ
エンシー）の減少を起こし、今度はパワーの変動を起こ
す。それゆえ、ＰＺＴミラーの焦点深度が浅いこと（タ
イト・フォーカシング）は、望ましくないことである。
ビームの視準（コリメーション）の賢明な選定により、
このピント外れの影響を低減することができる。例え
ば、もし４０ミクロンの走査範囲を持つＰＺＴを使用す
ると、共焦点パラメーターは少なくとも２〜３ｍｍは必
要であろう。そこで、ＺR がＰＺＴミラーでのビーム・
ウェイストの共焦点パラメーターであるとして、（ΔＬ
／ＺR）2の量がおおよそ１０-4であるというのはかなり
小さい。この量が小さければ、レーザーの振幅変調はこ
れに伴って小さい。
【００４６】たとえもしミラーの軽度のミスアラインメ
ントが走査中の振幅にいくらかの変動をもたらしたとし
ても、ファイバーの導波特性（ガイディング・プロパテ
ィー）の故に、ビーム指向性（ポインティング）の安定
性はいささかも減退しない。しかしながら、ソリッドス
テート・モードロックレーザーを使用した場合には、も
し出力ビームの偏差の発生を防止するように計測が行わ
れないならば、いくらかの出力ビームの偏差が生じる可
能性がある。
ントが走査中の振幅にいくらかの変動をもたらしたとし
ても、ファイバーの導波特性（ガイディング・プロパテ
ィー）の故に、ビーム指向性（ポインティング）の安定
性はいささかも減退しない。しかしながら、ソリッドス
テート・モードロックレーザーを使用した場合には、も
し出力ビームの偏差の発生を防止するように計測が行わ
れないならば、いくらかの出力ビームの偏差が生じる可
能性がある。
【００４７】変形態様のレーザーシステムとして、同一
のＦＲＭで両レーザーの終端が形成されていても良く、
またキャビティー長がＰＺＴファイバー・ストレッチャ
ーにより調整されるようになっていても良い。このよう
なピエゾセラミックチューブ・アクチュエータ（ＰｉＴ
４０×１８×１）は、ドイツのピエゾメカニック株式
会社により製造されている。
のＦＲＭで両レーザーの終端が形成されていても良く、
またキャビティー長がＰＺＴファイバー・ストレッチャ
ーにより調整されるようになっていても良い。このよう
なピエゾセラミックチューブ・アクチュエータ（ＰｉＴ
４０×１８×１）は、ドイツのピエゾメカニック株式
会社により製造されている。
【００４８】［タイミング較正］ＰＬＬ回路安定器１３
０が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この
位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例
えば１００フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミン
グ信号で、データ取得ユニット５０が適正にトリガーさ
れることが補償されていることが必要である。このよう
な信号は、ＢＢＯのような非線形結晶内での非線形光学
ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。こ
のようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka
et al.のようなその他の人によっても行われている。走
査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合に
も、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精
度を得るためにも必須であることが示されている。
０が相対的時間遅れの平均値を安定化していても、この
位置は数ピコ秒だけ変動することがあり、それゆえ、例
えば１００フェムト秒程度の所望の精度をもつタイミン
グ信号で、データ取得ユニット５０が適正にトリガーさ
れることが補償されていることが必要である。このよう
な信号は、ＢＢＯのような非線形結晶内での非線形光学
ミキシングを採用している相互干渉器から得られる。こ
のようなことは、前述の実施例で行われており、Kafka
et al.のようなその他の人によっても行われている。走
査時間遅れのためにミラーシェーカーを使用する場合に
も、この種のトリガリングは、度量衡計測において高精
度を得るためにも必須であることが示されている。
【００４９】しかしながら、これは必要条件ではあって
も十分条件ではない。ジッターの計測によれば、タイミ
ングの変動は、走査と走査との間で発生するばかりでは
なく、単一の走査の間にも生じていることが明らかにな
っている。すなわち、走査率Ｒscanは、走査と走査の間
で変化するばかりではなく、走査サイクルの中でさえも
変動する。それゆえ、走査の作動が信号平均化よりも
「前に」起こることが必須である。したがって、相関器
からの走査毎に「少なくとも」二つのタイミングパルス
があることが必要である。この二つのタイミングパルス
のうち、一方はトリガリングのためであり、他方は時間
スケール情報のためである。これを行うのに、本発明
は、（振幅と時間との両方において）一様なパルス列で
も非一様なパルス列でも、走査インターバルを満足する
ことができる。このようにすれば、各走査サイクルの各
々における走査インターバルに関すして、タイミング情
報を得ることができる。
も十分条件ではない。ジッターの計測によれば、タイミ
ングの変動は、走査と走査との間で発生するばかりでは
なく、単一の走査の間にも生じていることが明らかにな
っている。すなわち、走査率Ｒscanは、走査と走査の間
で変化するばかりではなく、走査サイクルの中でさえも
変動する。それゆえ、走査の作動が信号平均化よりも
「前に」起こることが必須である。したがって、相関器
からの走査毎に「少なくとも」二つのタイミングパルス
があることが必要である。この二つのタイミングパルス
のうち、一方はトリガリングのためであり、他方は時間
スケール情報のためである。これを行うのに、本発明
は、（振幅と時間との両方において）一様なパルス列で
も非一様なパルス列でも、走査インターバルを満足する
ことができる。このようにすれば、各走査サイクルの各
々における走査インターバルに関すして、タイミング情
報を得ることができる。
【００５０】［タイミングスケールの発生］時間スケー
ルの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発
生させるのに使用するように、光学的方法を選択するこ
とである。好ましい実施例においては、図６（ａ）〜
（ｂ）に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様
に生成するよう、高度に精妙（フィネッセ）なファブリ
ペロー（ＦＰ）エタロンから単パルスを反射することに
より、パルス列を生成することができる。なぜならば、
このＦＰエタロンは「ガタガタ板」として使用されてお
り、その中ではＦＰエタロン（すなわち高度に精妙なエ
タロン）内でパルスが何度も内部反射されるからであ
る。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率
はむしろ低い。
ルの較正で重要なキーポイントは、タイミング情報を発
生させるのに使用するように、光学的方法を選択するこ
とである。好ましい実施例においては、図６（ａ）〜
（ｂ）に示すように、多数のパルスの列を時間的に一様
に生成するよう、高度に精妙（フィネッセ）なファブリ
ペロー（ＦＰ）エタロンから単パルスを反射することに
より、パルス列を生成することができる。なぜならば、
このＦＰエタロンは「ガタガタ板」として使用されてお
り、その中ではＦＰエタロン（すなわち高度に精妙なエ
タロン）内でパルスが何度も内部反射されるからであ
る。ここではむしろ共振特性が使用されており、透過率
はむしろ低い。
【００５１】一例として二つのミラーからなるＲ＝９８
％の反射率のＦＰエタロンを採用したとすると、その透
過率はＴ＝０．０００４である。この例について今から
説明する。透過したパルス列は、図８（ａ）に示すよう
に、ＦＰエタロンの通過時間により分離されている一連
のパルスであり、ミラー損失およびミスアラインメント
に依存している減衰率により弱まって立ち上がってい
る。すなわち、送信されたパルス列は、Ｔをエタロン表
面の透過率としてＴ2 のファクターにより減衰する。送
信されたパルス列には、パルス強度がラウンドトリップ
毎にゆっくりと弱まるが、多かれ少なかれ一様性があ
る。パルス列中の第１の（かつ最大の）パルスは、ＦＰ
エタロンに入射するパルスに比べて２５００分の１に弱
まっている。
％の反射率のＦＰエタロンを採用したとすると、その透
過率はＴ＝０．０００４である。この例について今から
説明する。透過したパルス列は、図８（ａ）に示すよう
に、ＦＰエタロンの通過時間により分離されている一連
のパルスであり、ミラー損失およびミスアラインメント
に依存している減衰率により弱まって立ち上がってい
る。すなわち、送信されたパルス列は、Ｔをエタロン表
面の透過率としてＴ2 のファクターにより減衰する。送
信されたパルス列には、パルス強度がラウンドトリップ
毎にゆっくりと弱まるが、多かれ少なかれ一様性があ
る。パルス列中の第１の（かつ最大の）パルスは、ＦＰ
エタロンに入射するパルスに比べて２５００分の１に弱
まっている。
【００５２】図９および図１０は、表面の反射率がＲ＝
９８％でありミラーの間隔が約１ｍｍの実際にエアギャ
ップがあるＦＰエタロンを通して送信されたパルス列
が、ゆっくりと減衰していく様子を示している。図１０
は、引き伸ばした時間軸上に、１７パルスを持つ単一の
後退走査（バックウォード・スキャン）のプロットと、
走査の終端に対応する点とを示している。これらのデー
ターは、単に、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り
付けられたリトロレフレクターを採用している通常の走
査相関器の一枝に、ＦＰエタロンを挿置することにより
得られたものである。スピーカーには正弦波電圧が印加
されたので、時間遅れは、いくらか正弦波的な仕方で走
査されている。パルス間の時間的な間隔により、図１１
（ａ）に示すように、シェーカーミラーの走査特性が得
られる。総走査範囲（トータル・スキャンレンジ）は、
これらのデータから次の数１１に従って算出される。
９８％でありミラーの間隔が約１ｍｍの実際にエアギャ
ップがあるＦＰエタロンを通して送信されたパルス列
が、ゆっくりと減衰していく様子を示している。図１０
は、引き伸ばした時間軸上に、１７パルスを持つ単一の
後退走査（バックウォード・スキャン）のプロットと、
走査の終端に対応する点とを示している。これらのデー
ターは、単に、ヴォイスコイル（スピーカー）上に取り
付けられたリトロレフレクターを採用している通常の走
査相関器の一枝に、ＦＰエタロンを挿置することにより
得られたものである。スピーカーには正弦波電圧が印加
されたので、時間遅れは、いくらか正弦波的な仕方で走
査されている。パルス間の時間的な間隔により、図１１
（ａ）に示すように、シェーカーミラーの走査特性が得
られる。総走査範囲（トータル・スキャンレンジ）は、
これらのデータから次の数１１に従って算出される。
【００５３】
【数１１】 Ｔmax ＝〜（１７パルス）×（６．７ピコ
秒／パルス） 図１１（ａ）に示すデーターは、予期されたように、走
査特性が正確に線形ではないことを示している。線形性
からの偏差を示すために、このデーターは直線でフィッ
ティングされ、そしてこのデーターはこのベストフィッ
ト（の直線）から減算された。その結果を図１１（ｂ）
に示すように、時間走査特性は線形性からの偏差を有す
る。
秒／パルス） 図１１（ａ）に示すデーターは、予期されたように、走
査特性が正確に線形ではないことを示している。線形性
からの偏差を示すために、このデーターは直線でフィッ
ティングされ、そしてこのデーターはこのベストフィッ
ト（の直線）から減算された。その結果を図１１（ｂ）
に示すように、時間走査特性は線形性からの偏差を有す
る。
【００５４】反射されたパルス列は、図８（ｂ）に示す
ように、最初の表面反射でありパルスエネルギーの大半
（すなわち９８％）を含んでいるプロンプトパルスによ
って減少していること以外は、送信されたパルス列と同
一である。この最初に反射されたパルスが強度の大半を
占めているので、どのような試験的な応用や計測を行う
にも便利である。このプロンプトパルスの強度は、プロ
ンプトパルスの直後に続くパルス列の強度の２５００倍
であることに留意されたい。ほとんどの場合、この弱い
パルス列は計測に影響することはない。しかしながら、
それでも受け入れがたい場合もあり得るであろう。
ように、最初の表面反射でありパルスエネルギーの大半
（すなわち９８％）を含んでいるプロンプトパルスによ
って減少していること以外は、送信されたパルス列と同
一である。この最初に反射されたパルスが強度の大半を
占めているので、どのような試験的な応用や計測を行う
にも便利である。このプロンプトパルスの強度は、プロ
ンプトパルスの直後に続くパルス列の強度の２５００倍
であることに留意されたい。ほとんどの場合、この弱い
パルス列は計測に影響することはない。しかしながら、
それでも受け入れがたい場合もあり得るであろう。
【００５５】もちろん、精妙さの低いエタロンを使用す
ることもできるが、そうすると送信されるパルス列の減
衰がもっとずっと急速になり、この相関器のダイナミッ
クレンジが限定要素になってしまう。例えば、表面の反
射率がＲ＝３０％のエタロンを使用すると、各パルスが
直前のパルスよりも１０分の１に弱くなって急激に減衰
する一連のパルスが発生する。それゆえ、ほとんどのデ
ーター取得装置においては一度の測定で三桁のダイナミ
ックレンジであるので、リアルタイムの較正にはたった
の三個程度のパルスしか使えない。これは、図５〜７に
示す相関の場合であった。例えば対数アンプを使用する
などのダイナミックレンジ圧縮スキームによって、この
影響はある程度まで除去することができる。
ることもできるが、そうすると送信されるパルス列の減
衰がもっとずっと急速になり、この相関器のダイナミッ
クレンジが限定要素になってしまう。例えば、表面の反
射率がＲ＝３０％のエタロンを使用すると、各パルスが
直前のパルスよりも１０分の１に弱くなって急激に減衰
する一連のパルスが発生する。それゆえ、ほとんどのデ
ーター取得装置においては一度の測定で三桁のダイナミ
ックレンジであるので、リアルタイムの較正にはたった
の三個程度のパルスしか使えない。これは、図５〜７に
示す相関の場合であった。例えば対数アンプを使用する
などのダイナミックレンジ圧縮スキームによって、この
影響はある程度まで除去することができる。
【００５６】さらに別の実施例では、ＦＰエタロンの組
み合わせを使用することができる。例えば、（カバース
リップのような）薄いエタロンによれば、極めて近接し
たパルス（〜１ピコ秒）の対を発生させることができ、
これをもっと間隔が広く（例えば２０ピコ秒）より高度
に精妙なＦＰに送ることができるであろう。その結果、
一連の２０ピコ秒おきのパルス対が得られるであろう。
これにより、タイミング特性に関するローカルで派生的
な情報が得られる。
み合わせを使用することができる。例えば、（カバース
リップのような）薄いエタロンによれば、極めて近接し
たパルス（〜１ピコ秒）の対を発生させることができ、
これをもっと間隔が広く（例えば２０ピコ秒）より高度
に精妙なＦＰに送ることができるであろう。その結果、
一連の２０ピコ秒おきのパルス対が得られるであろう。
これにより、タイミング特性に関するローカルで派生的
な情報が得られる。
【００５７】上記ＦＰエタロンは、固形（ソリッド）で
も空間型（エアスペースド）でも構わない。ソリッド・
エタロンはもっとでこぼこでコンパクトであるが、エア
スペースド・エタロンは調整可能でパルスの広がりを避
けることができる。ここで、パルスの広がりは、エタロ
ンを透過して多数回のラウンドトリップをしてきたパル
スに起こる現象である。高精度を得るためには、エタロ
ンの温度を制御することが必要である。例えば、融けた
シリカの一片を透過して起こる群遅延（グループ・ディ
レイ）の機能的な変化は、近似的にΔｌ／ｌ〜１０-6℃
である。それゆえ、もし１ミクロン（６フェムト秒）の
精度が全長１ｍ（６ナノ秒）の範囲で要求される場合に
は、エタロンの温度は１℃以内で一定にすべきである。
エアスペースド・エタロンには、温度補償取付け技術を
使用して構成できる点で利点がある。したがって、ソリ
ッド・エタロンの温度感度は低減することができ、正常
な室温での作動には温度制御は必要ないかもしれない。
も空間型（エアスペースド）でも構わない。ソリッド・
エタロンはもっとでこぼこでコンパクトであるが、エア
スペースド・エタロンは調整可能でパルスの広がりを避
けることができる。ここで、パルスの広がりは、エタロ
ンを透過して多数回のラウンドトリップをしてきたパル
スに起こる現象である。高精度を得るためには、エタロ
ンの温度を制御することが必要である。例えば、融けた
シリカの一片を透過して起こる群遅延（グループ・ディ
レイ）の機能的な変化は、近似的にΔｌ／ｌ〜１０-6℃
である。それゆえ、もし１ミクロン（６フェムト秒）の
精度が全長１ｍ（６ナノ秒）の範囲で要求される場合に
は、エタロンの温度は１℃以内で一定にすべきである。
エアスペースド・エタロンには、温度補償取付け技術を
使用して構成できる点で利点がある。したがって、ソリ
ッド・エタロンの温度感度は低減することができ、正常
な室温での作動には温度制御は必要ないかもしれない。
【００５８】その他にも実施可能なものとしては、図１
２（ａ）に示すように、光ファイバー３００上に形成さ
れた光反射率の異なる一連のファイバー格子３１０を使
用するものがある。これらの格子３１０は、一様にも非
一様にもパルス・シーケンスを顕すように製作すること
ができる。この場合には、間隔（スペーシング）は一様
であるが、同図に示す如く５パルス毎または１０パルス
毎に大きなパルスが生じる「規則的な（ルーラー）」ス
ケールを形成するように、その振幅は非一様である。も
ちろん、ファイバー３００内であれば所望の位置にどこ
にでもファイバー格子３１０を形成することができるこ
とは、たいへんに融通性に富んだことであり、格子３１
０を非一様に配設することは、タイミングの曖昧さを取
り除く上で有利であろう。
２（ａ）に示すように、光ファイバー３００上に形成さ
れた光反射率の異なる一連のファイバー格子３１０を使
用するものがある。これらの格子３１０は、一様にも非
一様にもパルス・シーケンスを顕すように製作すること
ができる。この場合には、間隔（スペーシング）は一様
であるが、同図に示す如く５パルス毎または１０パルス
毎に大きなパルスが生じる「規則的な（ルーラー）」ス
ケールを形成するように、その振幅は非一様である。も
ちろん、ファイバー３００内であれば所望の位置にどこ
にでもファイバー格子３１０を形成することができるこ
とは、たいへんに融通性に富んだことであり、格子３１
０を非一様に配設することは、タイミングの曖昧さを取
り除く上で有利であろう。
【００５９】そのうえ、もしファイバー３００の実長を
パルスが通過するようにしたいのであれば、ファイバー
３００内での群速度分散（ＧＶＤ）によってパルスが拡
がってしまう。そこで、通過すべきファイバー３００の
ＧＶＤが適正に補償されるようなやり方で、チャープ格
子３１０を形成しても良い。実際にも、ノーマルなチャ
ープのない格子では反射帯域幅がほんの２ｎｍ程度しか
ないので、サブピコ秒のパルスに対しては不安定になっ
てしまい、高精度の時間分解能を得ようとすればチャー
プ格子が必要である。中央波長８００ｎｍの１００フェ
ムト秒パルスは、半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅が８ｎｍ
である。そして波長１５００ｎｍでは、帯域幅は約３０
ｎｍである。これらのパルスに対しては、チャープ格子
だけが充分に広い帯域幅を持っている。
パルスが通過するようにしたいのであれば、ファイバー
３００内での群速度分散（ＧＶＤ）によってパルスが拡
がってしまう。そこで、通過すべきファイバー３００の
ＧＶＤが適正に補償されるようなやり方で、チャープ格
子３１０を形成しても良い。実際にも、ノーマルなチャ
ープのない格子では反射帯域幅がほんの２ｎｍ程度しか
ないので、サブピコ秒のパルスに対しては不安定になっ
てしまい、高精度の時間分解能を得ようとすればチャー
プ格子が必要である。中央波長８００ｎｍの１００フェ
ムト秒パルスは、半値全幅（ＦＷＨＭ）帯域幅が８ｎｍ
である。そして波長１５００ｎｍでは、帯域幅は約３０
ｎｍである。これらのパルスに対しては、チャープ格子
だけが充分に広い帯域幅を持っている。
【００６０】チャープ格子からのフェムト秒の反射パル
スは、それらのパルス自身が拡がっておりかつチャープ
されていることが知られている。この場合には、図１２
（ｂ）に概要を示すように、チャープの方向が互いに逆
の二つのチャープ格子３２０，３３０からのパルスを連
続的に反射することが必要である。ここでは、パルス
は、まず最初にチャープ格子シーケンスＣＦＧＳ ３２
０から反射され、続いて反対向きにチャープされたほと
んど同一のチャープ格子３１０から反射されるという補
償スキームを使用することにより、パルスの拡大（ブロ
ードニング）が防止されている。この順番は逆にしても
（すなわちＣＦＧの次にＣＦＧＳの順で反射されて
も）、同様の結果が得られる。偏光ビームスプリッタＰ
ＢＳ ３４０により、また１／４波長板ＱＷＰ ３５０
によって、有効な分割（スプリッティング）および反射
がもたらされる。
スは、それらのパルス自身が拡がっておりかつチャープ
されていることが知られている。この場合には、図１２
（ｂ）に概要を示すように、チャープの方向が互いに逆
の二つのチャープ格子３２０，３３０からのパルスを連
続的に反射することが必要である。ここでは、パルス
は、まず最初にチャープ格子シーケンスＣＦＧＳ ３２
０から反射され、続いて反対向きにチャープされたほと
んど同一のチャープ格子３１０から反射されるという補
償スキームを使用することにより、パルスの拡大（ブロ
ードニング）が防止されている。この順番は逆にしても
（すなわちＣＦＧの次にＣＦＧＳの順で反射されて
も）、同様の結果が得られる。偏光ビームスプリッタＰ
ＢＳ ３４０により、また１／４波長板ＱＷＰ ３５０
によって、有効な分割（スプリッティング）および反射
がもたらされる。
【００６１】この技術は、ガルバナスカス等によるファ
イバー内でのチャープパルス増幅に応用されて成功を収
めている（ A.Galvanauskas, M.E.Fermann, K.Sugden,
andBennion, "All-fiber femtosecond pulse amplifica
tion circuit using chirped Bragg gratings." Appl.P
hys.Lett., 66, pp.1053-5, Feb.27, 1995 ）。しかし
ながら、本発明のこの見地での目的は、ガルバナカス等
のそれとは異なっている。彼らの研究では、チャープパ
ルス増幅のために光パルスを非常に長い持続時間（＞３
００ピコ秒）に引き伸ばすためと、そしてそのパルスを
再び圧縮するためとに、一対の格子が使われている。本
発明では、チャープされていない格子は短パルスをサポ
ートするのに帯域幅（〜１ｎｍ）が不十分であるので、
また、ファイバーの実長を横切るパルスに対してファイ
バーのＧＶＤを補償する必要性がいくらか生じるであろ
うからという理由で、チャープ格子が使用されている。
ここで、本発明のこの見地での目的は短パルスのシーケ
ンスを発生させることであるから、パルスを引き伸ばそ
うという要求はない。
イバー内でのチャープパルス増幅に応用されて成功を収
めている（ A.Galvanauskas, M.E.Fermann, K.Sugden,
andBennion, "All-fiber femtosecond pulse amplifica
tion circuit using chirped Bragg gratings." Appl.P
hys.Lett., 66, pp.1053-5, Feb.27, 1995 ）。しかし
ながら、本発明のこの見地での目的は、ガルバナカス等
のそれとは異なっている。彼らの研究では、チャープパ
ルス増幅のために光パルスを非常に長い持続時間（＞３
００ピコ秒）に引き伸ばすためと、そしてそのパルスを
再び圧縮するためとに、一対の格子が使われている。本
発明では、チャープされていない格子は短パルスをサポ
ートするのに帯域幅（〜１ｎｍ）が不十分であるので、
また、ファイバーの実長を横切るパルスに対してファイ
バーのＧＶＤを補償する必要性がいくらか生じるであろ
うからという理由で、チャープ格子が使用されている。
ここで、本発明のこの見地での目的は短パルスのシーケ
ンスを発生させることであるから、パルスを引き伸ばそ
うという要求はない。
【００６２】二つのファイバー格子は、透過にも反射に
も使用可能なファイバーＦＰエタロンを形成するために
も使用できる。あるいは、受動的光ファイバーループを
使用しても良い。反射を起こせる他の構造は、ファイバ
ー内の光ファイバーとマイクロベンドとの接合が不十分
である。これらの場合には、温度制御が必要であろう
し、タイミングの較正のバリエーションは前もって知る
ことができ数学的に補償されるであろう。
も使用可能なファイバーＦＰエタロンを形成するために
も使用できる。あるいは、受動的光ファイバーループを
使用しても良い。反射を起こせる他の構造は、ファイバ
ー内の光ファイバーとマイクロベンドとの接合が不十分
である。これらの場合には、温度制御が必要であろう
し、タイミングの較正のバリエーションは前もって知る
ことができ数学的に補償されるであろう。
【００６３】パルス列は、物理的に可能であれば、所望
のパルス列が得られるように注意深く選ばれた各ミラー
の反射率および間隔により、部分的に反射する一連のミ
ラーによってもまた、生成が可能である。単一のパルス
から所望のパルス列を生じるために必要なミラーパラメ
ーターを計算するためのアルゴリズムがすでに開発され
ている（ V.Narayan et al., "Design of multimirror
structure for hig-frequency bursts and codes of ul
trashort pulses," IEEE J.Quantum Electron.QE-30, p
p.1671-1680, July 1994 ）。単一のパルスからパルス
列を生成するためにも使用できる部分レフレクターから
なる光学デバイスは、その他にも数々ある。
のパルス列が得られるように注意深く選ばれた各ミラー
の反射率および間隔により、部分的に反射する一連のミ
ラーによってもまた、生成が可能である。単一のパルス
から所望のパルス列を生じるために必要なミラーパラメ
ーターを計算するためのアルゴリズムがすでに開発され
ている（ V.Narayan et al., "Design of multimirror
structure for hig-frequency bursts and codes of ul
trashort pulses," IEEE J.Quantum Electron.QE-30, p
p.1671-1680, July 1994 ）。単一のパルスからパルス
列を生成するためにも使用できる部分レフレクターから
なる光学デバイスは、その他にも数々ある。
【００６４】任意にプログラムすることができるパルス
列は、パルスシェーピング分散遅延線（ＤＤＬ）にレー
ザパルスを通すことによって生成できる。これによれ
ば、前述の方法よりもずっと大きな柔軟性が得られる
が、しかし達成しうる最大のパルス間隔の点で限界があ
る。実際上の限界は、おおよそ１００〜２００ピコ秒で
ある。パルス間隔をこれよりいくらかでも大きくしよう
とすると、物理的に大きな装置が必要になり、法外に高
価なものになってしまう。
列は、パルスシェーピング分散遅延線（ＤＤＬ）にレー
ザパルスを通すことによって生成できる。これによれ
ば、前述の方法よりもずっと大きな柔軟性が得られる
が、しかし達成しうる最大のパルス間隔の点で限界があ
る。実際上の限界は、おおよそ１００〜２００ピコ秒で
ある。パルス間隔をこれよりいくらかでも大きくしよう
とすると、物理的に大きな装置が必要になり、法外に高
価なものになってしまう。
【００６５】波長が１５５０ｎｍ付近の低い反復率（３
０ＭＨｚ以下）のレーザーに最も有用な別の実施例は、
ゲイン・セクション（例えばＥｒドープされたファイバ
ー）のあるファイバーループからなる再生ソリトン保存
リング内に、パルス列を注入するためのものであろう。
このリング内に注入されたパルス列は、ここで説明した
方法を含むいろいろな方法で得られるであろう（例え
ば、ファブリペロー・エタロン、ファイバー格子、パル
スシェーパー、その他）。このループは再生的であるの
で、各レーザパルスについてダンピングすることと再注
入することが必要である。これは、５ＭＨｚのレーザー
では２００ナノ秒毎に起こるであろう。ダンピングおよ
び注入は、ＡＯ（音響光学的）であってもＥＯ（電気光
学的）であっても、市販のある種の光スイッチで達成さ
れうる。
０ＭＨｚ以下）のレーザーに最も有用な別の実施例は、
ゲイン・セクション（例えばＥｒドープされたファイバ
ー）のあるファイバーループからなる再生ソリトン保存
リング内に、パルス列を注入するためのものであろう。
このリング内に注入されたパルス列は、ここで説明した
方法を含むいろいろな方法で得られるであろう（例え
ば、ファブリペロー・エタロン、ファイバー格子、パル
スシェーパー、その他）。このループは再生的であるの
で、各レーザパルスについてダンピングすることと再注
入することが必要である。これは、５ＭＨｚのレーザー
では２００ナノ秒毎に起こるであろう。ダンピングおよ
び注入は、ＡＯ（音響光学的）であってもＥＯ（電気光
学的）であっても、市販のある種の光スイッチで達成さ
れうる。
【００６６】ただし、別の実施例は、閾値（スレッショ
ルド）またはその付近にまでバイアスされたレーザーダ
イオードに、単一のレーザーからの複数の短パルスを注
入するためのものであろう。レーザーダイオードの複数
の小面は、３０％の反射率を持ち、精妙さが低いＦＰエ
タロンを形成している。しかしながら、このレーザーダ
イオードの利得は、光パルスの「リングダウン」を阻止
ないし防止するであろう。このようにして、数十のパル
スからなるパルス列を得ることが可能になろう。実際
に、このダイオード中での群速度分散および利得の狭ま
り（ゲイン・ナローイング）は、その構造を通って多数
回のラウンドトリップをするパルスを拡げてしまい、そ
れゆえに実際に使用可能なパルスの数を制限してしまう
ことになろう。このデバイスは、反射にも透過にも使用
することができる。
ルド）またはその付近にまでバイアスされたレーザーダ
イオードに、単一のレーザーからの複数の短パルスを注
入するためのものであろう。レーザーダイオードの複数
の小面は、３０％の反射率を持ち、精妙さが低いＦＰエ
タロンを形成している。しかしながら、このレーザーダ
イオードの利得は、光パルスの「リングダウン」を阻止
ないし防止するであろう。このようにして、数十のパル
スからなるパルス列を得ることが可能になろう。実際
に、このダイオード中での群速度分散および利得の狭ま
り（ゲイン・ナローイング）は、その構造を通って多数
回のラウンドトリップをするパルスを拡げてしまい、そ
れゆえに実際に使用可能なパルスの数を制限してしまう
ことになろう。このデバイスは、反射にも透過にも使用
することができる。
【００６７】特別に細かい（サブミクロンの）較正は、
その計測システムの一つのビーム内に複屈折結晶（例え
ば水晶）を挿入して、その結晶の常軸および異常軸に沿
って伝搬するパルスの到着時刻を比較することによって
なし得る。１ｍｍの典型的な板厚では２〜３波長分のリ
ターデーションを生じ、そのリターデーションにより、
１００フェムト秒以下の持続時間のパルスが使用される
ならば容易に認められる違いを生じるであろう。
その計測システムの一つのビーム内に複屈折結晶（例え
ば水晶）を挿入して、その結晶の常軸および異常軸に沿
って伝搬するパルスの到着時刻を比較することによって
なし得る。１ｍｍの典型的な板厚では２〜３波長分のリ
ターデーションを生じ、そのリターデーションにより、
１００フェムト秒以下の持続時間のパルスが使用される
ならば容易に認められる違いを生じるであろう。
【００６８】［相互相関器光学系］前述の方法によって
生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用
して、別のレーザパルスと相互相関を取ることができ
る。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出
するためには、各種の非線形プロセスを使用することが
できる。使用可能なある種の非線形性としては、二次調
和発生（ＳＨＧ）、総和周波数発生、利得飽和、吸収飽
和、四波混合、および光電流があるが、これらに限定さ
れるものではない。非線形要素のありそうな選択として
は、ＳＨＧ結晶がある。しかしながら、ＳＨＧ結晶を使
用すると、レーザパルス間にオーバーラップがあったと
きにしか信号が発生しないという短所がある。それゆ
え、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そ
ういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパ
ー、エタロン、その他の各種を使用することが必要にな
る。ある状況においては、ＳＨＧ結晶の使用によって得
られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非
即時の応答を持つ故に「振幅」情報を介して時間遅れに
関する情報が得られる要素を使用することが、より望ま
しいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイ
オード増幅器（ＴＷＡｓ）や飽和吸収器や光検出器など
の適切なデバイスや材料、あるいはＰＩＮフォトダイオ
ードやアバランシェ・フォトダイオードあるいはＳＥＥ
Ｄデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスな
どは、数多くある。例えば、ＴＷＡなどは、光通信の中
で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら
（ＴＷＡ）は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の
変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲と
は、そのデバイスの回復時間（リカバリータイム）によ
って決まる。ＴＷＡデバイスは、１０-3ラジアン程度ま
での位相精度で計測ができることが分かっている。この
ような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけ
がタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。その
デバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化す
るそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的
な特性を観測することによってもまた、パルスタイミン
グ情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当た
り、これは大きな単純化である。
生成されたパルス信号列は、ある種の非線形要素を使用
して、別のレーザパルスと相互相関を取ることができ
る。パルスの同時性や相対的なパルスタイミングを検出
するためには、各種の非線形プロセスを使用することが
できる。使用可能なある種の非線形性としては、二次調
和発生（ＳＨＧ）、総和周波数発生、利得飽和、吸収飽
和、四波混合、および光電流があるが、これらに限定さ
れるものではない。非線形要素のありそうな選択として
は、ＳＨＧ結晶がある。しかしながら、ＳＨＧ結晶を使
用すると、レーザパルス間にオーバーラップがあったと
きにしか信号が発生しないという短所がある。それゆ
え、これは同時性の検出器としてしか使用できない。そ
ういうわけで、前述のパルス列発生器、パルスシェーパ
ー、エタロン、その他の各種を使用することが必要にな
る。ある状況においては、ＳＨＧ結晶の使用によって得
られる非常に高い精度は必要がない。ある場合には、非
即時の応答を持つ故に「振幅」情報を介して時間遅れに
関する情報が得られる要素を使用することが、より望ま
しいこともある。トラベリングウェーブ・レーザーダイ
オード増幅器（ＴＷＡｓ）や飽和吸収器や光検出器など
の適切なデバイスや材料、あるいはＰＩＮフォトダイオ
ードやアバランシェ・フォトダイオードあるいはＳＥＥ
Ｄデバイスなどのように飽和作用で中継するデバイスな
どは、数多くある。例えば、ＴＷＡなどは、光通信の中
で光学時計のリカバリーに使用されてきている。これら
（ＴＷＡ）は、十分に飽和状態に駆動されると、振幅の
変動に比較的鈍感になる。ここで、その精度と範囲と
は、そのデバイスの回復時間（リカバリータイム）によ
って決まる。ＴＷＡデバイスは、１０-3ラジアン程度ま
での位相精度で計測ができることが分かっている。この
ような光電子デバイスでは、光学的吸収の非線形性だけ
がタイミング情報をもたらす唯一の方法ではない。その
デバイスを通ってパルスが伝搬していくにつれて変化す
るそのデバイスの光電流や電圧、電気容量などの電気的
な特性を観測することによってもまた、パルスタイミン
グ情報が得られる。光学的特性の変化を検出するに当た
り、これは大きな単純化である。
【００６９】これらのタイミング較正技術は、高速走査
レーザー法と共に使用するようになっているとはいえ、
ここに述べられたレーザー走査システムだけにとは限ら
ず、自由走査レーザー、二重波長モードロックレーザ
ー、および物理的な遅れを採用している通常の走査シス
テムにさえも、応用できると期待している。その一例と
しては、図９〜１１に示されている較正データーがあ
る。このデーターは、ヴォイスコイル（スピーカー）上
に取り付けられたリトロレフレクターからなる走査シス
テムから取得された。そのスピーカーに正弦波電圧が印
加されているから、その時間遅れは、いくらか正弦波的
な調子で走査された。図１１（ａ）に示す走査特性は、
走査中に取得されたどんなデーターの時間スケールの修
正にも使用することができる。そのアクチュエータがも
っと大きな振幅で駆動されると、その走査特性は明らか
に正弦波的に偏差を生じる。これもまた、修正可能であ
る。回転しているガラスブロックや回転ミラーなどのよ
うな他のデバイスでもまた、ここで説明された本発明の
タイミング法によって修正可能な非線形走査特性を持っ
ている。
レーザー法と共に使用するようになっているとはいえ、
ここに述べられたレーザー走査システムだけにとは限ら
ず、自由走査レーザー、二重波長モードロックレーザ
ー、および物理的な遅れを採用している通常の走査シス
テムにさえも、応用できると期待している。その一例と
しては、図９〜１１に示されている較正データーがあ
る。このデーターは、ヴォイスコイル（スピーカー）上
に取り付けられたリトロレフレクターからなる走査シス
テムから取得された。そのスピーカーに正弦波電圧が印
加されているから、その時間遅れは、いくらか正弦波的
な調子で走査された。図１１（ａ）に示す走査特性は、
走査中に取得されたどんなデーターの時間スケールの修
正にも使用することができる。そのアクチュエータがも
っと大きな振幅で駆動されると、その走査特性は明らか
に正弦波的に偏差を生じる。これもまた、修正可能であ
る。回転しているガラスブロックや回転ミラーなどのよ
うな他のデバイスでもまた、ここで説明された本発明の
タイミング法によって修正可能な非線形走査特性を持っ
ている。
【００７０】［レーザー安定化］いかなるキャビティー
長の誤差もレーザーキャビティーのラウンドトリップ毎
にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビ
ティー長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じ
うる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」
反復率をν1 に、または等価であるが「時間平均」キャ
ビティー長ミスマッチΔＬをゼロに保持することが必要
になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために
使われるフィードバック信号は、図１３に示すように、
一対の光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２によって検知され、
通常の位相同期ループ（ＰＬＬ）回路に導入される。以
前に説明したように、このようなＰＬＬ安定化システム
の精度は、すでに計測されており、２０ピコ秒までの最
大タイミング移動で５ピコ秒以内のＲＭＳに、二つのフ
ァイバーレーザーを同期させることができることが分か
っている。ここに引用されている安定化の精度は現在の
技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を
示すものでは全くない。本質的には、１ピコ秒未満まで
精度を向上させることが可能なはずである。しかしなが
ら、場合によっては１フェムト秒以下にまでなる所望の
時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この
理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然
として必要である。
長の誤差もレーザーキャビティーのラウンドトリップ毎
にコンスタントに蓄積されるので、非常に小さなキャビ
ティー長の変動であっても大きなタイミング誤差を生じ
うる。それゆえ、サーボループを使って、「時間平均」
反復率をν1 に、または等価であるが「時間平均」キャ
ビティー長ミスマッチΔＬをゼロに保持することが必要
になる。平均キャビティーミスマッチを制御するために
使われるフィードバック信号は、図１３に示すように、
一対の光検出器ＰＤ−１，ＰＤ−２によって検知され、
通常の位相同期ループ（ＰＬＬ）回路に導入される。以
前に説明したように、このようなＰＬＬ安定化システム
の精度は、すでに計測されており、２０ピコ秒までの最
大タイミング移動で５ピコ秒以内のＲＭＳに、二つのフ
ァイバーレーザーを同期させることができることが分か
っている。ここに引用されている安定化の精度は現在の
技術水準によるものであって、絶対的な達成可能限界を
示すものでは全くない。本質的には、１ピコ秒未満まで
精度を向上させることが可能なはずである。しかしなが
ら、場合によっては１フェムト秒以下にまでなる所望の
時間分解能に達するとまでは、期待されていない。この
理由により、ここで説明したタイミング較正法は、依然
として必要である。
【００７１】図１３に、好ましい実施例として、安定器
１３０を含むレーザー安定化動揺システムの詳細な模式
図を示す。安定器１３０は、タイミング弁別装置ＴＤ
１３１，１３２、位相検出器１３３、フィルター１３
４、直流電圧発生器１３５、アンプ１３６、周波数発生
器１４０および加算器１３７を含んでいる。パルスアン
プ（ＰＡ）４３０，４４０は、それぞれ光検出器ＰＤ−
１，ＰＤ−２からの電気パルス出力を受け取る。パルス
アンプ４３０，４４０は、これらの受け取った電気パル
スを増幅して、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３
２にそれぞれ出力する。タイミング弁別装置ＴＤ １３
１，１３２は、その信号が位相検出器１３３に入力され
る前にその信号を整える。ＰＺＴ制御装置４５０には、
ここでは市販のＰＺＴ制御装置を使用している。高電圧
アンプは、１〜１０Ｖの範囲の入力信号を取り込み、こ
れに比例した０〜１５０Ｖの範囲の出力を生成する。Ｐ
ＺＴ制御装置４５０は別ユニットとして図示されている
が、安定器１３０内に統合してしまうこともでき、その
方が望ましい。
１３０を含むレーザー安定化動揺システムの詳細な模式
図を示す。安定器１３０は、タイミング弁別装置ＴＤ
１３１，１３２、位相検出器１３３、フィルター１３
４、直流電圧発生器１３５、アンプ１３６、周波数発生
器１４０および加算器１３７を含んでいる。パルスアン
プ（ＰＡ）４３０，４４０は、それぞれ光検出器ＰＤ−
１，ＰＤ−２からの電気パルス出力を受け取る。パルス
アンプ４３０，４４０は、これらの受け取った電気パル
スを増幅して、タイミング弁別装置ＴＤ １３１，１３
２にそれぞれ出力する。タイミング弁別装置ＴＤ １３
１，１３２は、その信号が位相検出器１３３に入力され
る前にその信号を整える。ＰＺＴ制御装置４５０には、
ここでは市販のＰＺＴ制御装置を使用している。高電圧
アンプは、１〜１０Ｖの範囲の入力信号を取り込み、こ
れに比例した０〜１５０Ｖの範囲の出力を生成する。Ｐ
ＺＴ制御装置４５０は別ユニットとして図示されている
が、安定器１３０内に統合してしまうこともでき、その
方が望ましい。
【００７２】安定器１３０のこの好ましい実施例におい
ては、ＰＬＬのための位相検出器１３３は、標準的なＲ
Ｆ位相検出器か、線形性が高いＸＯＲゲートのような混
合器（ミキサー）でよい。ラウンドトリップ時間のどん
なサブインターバルの走査を行おうとする場合にも、線
形性は非常に重要である。あるいは、時間振幅コンバー
ター（ＴＡＣ）を位相検出器１３３として使用しても良
い。これもまた線形性がとても高く、５ＭＨｚなどとい
う低い反復率においては特に適当であろう。高度に精密
な位相安定性の一つの限界は、単純なＲＦ混合器の中で
起こり得るＡＭからＦＭへの変換（コンバージョン）で
ある。すなわち、この混合器によって、レーザーの振幅
の変動がタイミングの変動へと変換されてしまうのであ
る。それゆえ、光ダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によっ
て生成された電気パルスに対し、信号調整（シグナル・
コンディショニング）を行うことが望ましい。こうすれ
ば図１３に示すように、位相検出器１３３の前のタイミ
ング弁別装置１３１，１３２により、最も容易に行うこ
とができる。しかしながら、レーザーの振幅雑音を低減
することによってもまた、この影響は最小化され得る。
ある条件下のモード同期作動の間に、レーザーのある出
力ポートに対して、光学的制限プロセスが起こることが
知られている。これにより、安定器１３０が作動する場
合に、タイミングジッターを大幅に低減することができ
る。
ては、ＰＬＬのための位相検出器１３３は、標準的なＲ
Ｆ位相検出器か、線形性が高いＸＯＲゲートのような混
合器（ミキサー）でよい。ラウンドトリップ時間のどん
なサブインターバルの走査を行おうとする場合にも、線
形性は非常に重要である。あるいは、時間振幅コンバー
ター（ＴＡＣ）を位相検出器１３３として使用しても良
い。これもまた線形性がとても高く、５ＭＨｚなどとい
う低い反復率においては特に適当であろう。高度に精密
な位相安定性の一つの限界は、単純なＲＦ混合器の中で
起こり得るＡＭからＦＭへの変換（コンバージョン）で
ある。すなわち、この混合器によって、レーザーの振幅
の変動がタイミングの変動へと変換されてしまうのであ
る。それゆえ、光ダイオードＰＤ−１，ＰＤ−２によっ
て生成された電気パルスに対し、信号調整（シグナル・
コンディショニング）を行うことが望ましい。こうすれ
ば図１３に示すように、位相検出器１３３の前のタイミ
ング弁別装置１３１，１３２により、最も容易に行うこ
とができる。しかしながら、レーザーの振幅雑音を低減
することによってもまた、この影響は最小化され得る。
ある条件下のモード同期作動の間に、レーザーのある出
力ポートに対して、光学的制限プロセスが起こることが
知られている。これにより、安定器１３０が作動する場
合に、タイミングジッターを大幅に低減することができ
る。
【００７３】安定化システムの帯域幅よりも走査周波数
が大きいこともまた、重要である。このため、ＰＬＬは
平均時間位置を適正に維持するが、適用されたミラー走
査を妨害することはない。前述のツインファイバーレー
ザーは、たった３０Ｈｚの帯域幅のＰＬＬ回路を使用し
て安定化されていた。このずいぶん低めの帯域幅には、
走査率の範囲を３０Ｈｚから数ｋＨｚに至るまでの範囲
で設定できるという利点がある。３０Ｈｚの安定器の帯
域幅を使用しながら１０ピコ秒未満の精度で同期を維持
し続けるためには、一対のレーザーの固有の相対的タイ
ミングジッターは極めて低くなければならない。これ
は、以前に説明した構成の方法を使用して達成される。
その方法とは、可能な限り大きな範囲で同じ環境条件に
二つのレーザーを置くことを確実にするものである。
が大きいこともまた、重要である。このため、ＰＬＬは
平均時間位置を適正に維持するが、適用されたミラー走
査を妨害することはない。前述のツインファイバーレー
ザーは、たった３０Ｈｚの帯域幅のＰＬＬ回路を使用し
て安定化されていた。このずいぶん低めの帯域幅には、
走査率の範囲を３０Ｈｚから数ｋＨｚに至るまでの範囲
で設定できるという利点がある。３０Ｈｚの安定器の帯
域幅を使用しながら１０ピコ秒未満の精度で同期を維持
し続けるためには、一対のレーザーの固有の相対的タイ
ミングジッターは極めて低くなければならない。これ
は、以前に説明した構成の方法を使用して達成される。
その方法とは、可能な限り大きな範囲で同じ環境条件に
二つのレーザーを置くことを確実にするものである。
【００７４】安定化のために必要なフィードバック信号
を、単純な相関器で生成することもまた可能である。レ
ーザーが走査している間に、相関器により計測されるピ
ーク位置を、安定器１３０にフィードバックする誤差信
号として使用することもできる。本発明においてはレー
ザーがコンスタントに走査しているので、Dykaar etal.
の単純な静的相互相関器の技術はここではうまく行かな
いことに留意されたい。
を、単純な相関器で生成することもまた可能である。レ
ーザーが走査している間に、相関器により計測されるピ
ーク位置を、安定器１３０にフィードバックする誤差信
号として使用することもできる。本発明においてはレー
ザーがコンスタントに走査しているので、Dykaar etal.
の単純な静的相互相関器の技術はここではうまく行かな
いことに留意されたい。
【００７５】本発明の高速走査システムは、多くの点で
通常の走査物理遅延や自由走査レーザーに勝っている。
とりわけ、可動アーム（ムーヴィング・アーム）を持つ
通常の走査物理遅延とは異なり、走査に数ナノ秒の大き
な遅れが生じた場合にも、本発明ではレーザービームに
ミスアラインメントやピント外れが起こらない。物理的
遅延では、アラインメントは非常に注意深く行わなくて
はならず、共焦点パラメーターは１ナノ秒の遅延線に対
しても１ｍより大きくなければならない。そのうえ、本
発明によれば、音速を超えることもできる高速走査速度
が可能である。しかし物理的遅延では、１００Ｈｚで１
ナノ秒（１００フィート毎秒）の走査さえおぼつかな
い。それなのに本発明によれば、大きな（調整可能な）
走査範囲が実施でき、例えば５ＭＨｚのファイバーレー
ザーで約５０ピコ秒から２００ナノ秒に至るまでの範囲
での走査が可能である。このような走査範囲を通常の走
査システムで達成するには、２００フィートの遅延線が
必要であろう。また、通常の自由走査システムと同様
に、よりよい衝撃係数（デューティーサイクル）のため
に高反復率のレーザーを採用する必要もない。
通常の走査物理遅延や自由走査レーザーに勝っている。
とりわけ、可動アーム（ムーヴィング・アーム）を持つ
通常の走査物理遅延とは異なり、走査に数ナノ秒の大き
な遅れが生じた場合にも、本発明ではレーザービームに
ミスアラインメントやピント外れが起こらない。物理的
遅延では、アラインメントは非常に注意深く行わなくて
はならず、共焦点パラメーターは１ナノ秒の遅延線に対
しても１ｍより大きくなければならない。そのうえ、本
発明によれば、音速を超えることもできる高速走査速度
が可能である。しかし物理的遅延では、１００Ｈｚで１
ナノ秒（１００フィート毎秒）の走査さえおぼつかな
い。それなのに本発明によれば、大きな（調整可能な）
走査範囲が実施でき、例えば５ＭＨｚのファイバーレー
ザーで約５０ピコ秒から２００ナノ秒に至るまでの範囲
での走査が可能である。このような走査範囲を通常の走
査システムで達成するには、２００フィートの遅延線が
必要であろう。また、通常の自由走査システムと同様
に、よりよい衝撃係数（デューティーサイクル）のため
に高反復率のレーザーを採用する必要もない。
【００７６】さらに、大きな時間的ダイナミックレンジ
が可能であり、これは離れた目標の走査やＯＴＤＲをす
る上で有用である。例えば、１フェムト秒未満の時間分
解能を持ち総走査範囲がＴR ＝２００ナノ秒であれば、
１０8 の時間ダイナミックレンジが得られる。また、通
常の自由走査システムとは異なって、無駄時間が大幅に
減っており向上した衝撃係数が達成されている。さらに
今や本発明によれば、可動部品を一切必要とせずに、極
めて単純でコンパクトな相互相関器の設計が化のであ
る。例えば、この相関器は、ゲームボーイ（商品名）の
サイズにすることもできる。そのうえ本発明では、行程
の長さがマッチしている必要がないので、実験のセット
アップは極めて単純になる。
が可能であり、これは離れた目標の走査やＯＴＤＲをす
る上で有用である。例えば、１フェムト秒未満の時間分
解能を持ち総走査範囲がＴR ＝２００ナノ秒であれば、
１０8 の時間ダイナミックレンジが得られる。また、通
常の自由走査システムとは異なって、無駄時間が大幅に
減っており向上した衝撃係数が達成されている。さらに
今や本発明によれば、可動部品を一切必要とせずに、極
めて単純でコンパクトな相互相関器の設計が化のであ
る。例えば、この相関器は、ゲームボーイ（商品名）の
サイズにすることもできる。そのうえ本発明では、行程
の長さがマッチしている必要がないので、実験のセット
アップは極めて単純になる。
【００７７】前述の高速走査および較正の方法は、多種
多様な計測や実験を行うために使用することができる。
本発明の方法および装置を使用できる２〜３の応用につ
いて、以下に説明する。しかしながら、当業者であれ
ば、本発明は多くの応用に適用でき、以下に説明する応
用に限定されるものではないことが、容易に理解できる
であろう。
多様な計測や実験を行うために使用することができる。
本発明の方法および装置を使用できる２〜３の応用につ
いて、以下に説明する。しかしながら、当業者であれ
ば、本発明は多くの応用に適用でき、以下に説明する応
用に限定されるものではないことが、容易に理解できる
であろう。
【００７８】図１４は、本発明による、ＦＰエタロンを
使用しているタイミング較正方法と高速走査レーザーシ
ステムとを採用している一般的な計測システムの好まし
い実施例を示す。レーザー５１０（レーザー５１０がマ
スターレーザーであるかスレーブレーザーであるかは不
問）は、ＦＰエタロンに入射している。ＦＰエタロンを
通過して発射されたパルス列は、タイミングユニット５
４０に送られ、レーザー５２０からの単パルスと相互相
関を取られて、較正された時間スケールを与える一連の
データー（データーストリーム）が発生する。上記エタ
ロンから反射されたパルス列は、レーザー５２０からの
単パルスに沿って計測ユニット（図略）に送られる。こ
の計測ユニットからの上記一連のデーターは、データー
取得システム（ＤＡＱ）５５０の「Ｙチャンネル」に入
力され、一方、タイミングユニット５４０からの一連の
データーは、ＤＡＱ ５５０の「Ｘチャンネル」に入力
される。この情報には、次の異なる二つの用途がある。
使用しているタイミング較正方法と高速走査レーザーシ
ステムとを採用している一般的な計測システムの好まし
い実施例を示す。レーザー５１０（レーザー５１０がマ
スターレーザーであるかスレーブレーザーであるかは不
問）は、ＦＰエタロンに入射している。ＦＰエタロンを
通過して発射されたパルス列は、タイミングユニット５
４０に送られ、レーザー５２０からの単パルスと相互相
関を取られて、較正された時間スケールを与える一連の
データー（データーストリーム）が発生する。上記エタ
ロンから反射されたパルス列は、レーザー５２０からの
単パルスに沿って計測ユニット（図略）に送られる。こ
の計測ユニットからの上記一連のデーターは、データー
取得システム（ＤＡＱ）５５０の「Ｙチャンネル」に入
力され、一方、タイミングユニット５４０からの一連の
データーは、ＤＡＱ ５５０の「Ｘチャンネル」に入力
される。この情報には、次の異なる二つの用途がある。
【００７９】１．飛行時間スケール修正：この技術で
は、タイミングパルスは時間スケールを形成する。例え
ば、もし正弦波走査が使われるなら、一様なパルスシー
ケンスであっても時間において非一様性を表す。高速プ
ロセッサーであれば、信号平均化以前の正確な時間スケ
ールで（補間法を用いて）適正に走査データーを調整す
るために、この時間スケール情報を使用できるであろ
う。
は、タイミングパルスは時間スケールを形成する。例え
ば、もし正弦波走査が使われるなら、一様なパルスシー
ケンスであっても時間において非一様性を表す。高速プ
ロセッサーであれば、信号平均化以前の正確な時間スケ
ールで（補間法を用いて）適正に走査データーを調整す
るために、この時間スケール情報を使用できるであろ
う。
【００８０】言い換えれば、タイミングパルスにより形
成された時間スケールに基づいた高速プロセッサーによ
って、各走査点が修正されるのである。例えば、図１１
（ａ）は、図１０に示してある走査の各ピークに対する
走査特性を示しており、そして図１１（ｂ）は、これら
の点の線形性からの偏差を示している。この時間スケー
ル情報はこの偏差の修正に使用され、「飛行中」の各ピ
ークを本質的に修正することができる。
成された時間スケールに基づいた高速プロセッサーによ
って、各走査点が修正されるのである。例えば、図１１
（ａ）は、図１０に示してある走査の各ピークに対する
走査特性を示しており、そして図１１（ｂ）は、これら
の点の線形性からの偏差を示している。この時間スケー
ル情報はこの偏差の修正に使用され、「飛行中」の各ピ
ークを本質的に修正することができる。
【００８１】２．走査の排除（賢明なトリガリング）：
この技術は、トリガーパルスと相対的に上手に定義され
た所定の時間スロット内で起こるたくさんの（少なくと
も二つの）タイミングパルスを探す「走査選択器（スキ
ャンセレクター）」を使用する。この選択器は、信号平
均化器に入る走査データーの合計をするか否か（ゴー／
ノーゴー）の決定をする。相関器からのタイミングパル
スがこの時間スロットにはまり込むと、現在のデーター
バッファーに走査を合計する。逆にもしタイミングパル
スがその時間スロットを「ミス」した場合には、その走
査は排除される。信号の平均化が済んだ後、時間スケー
ルのいかなる非線形性も適正に補償することができる。
この技術は、トリガーパルスと相対的に上手に定義され
た所定の時間スロット内で起こるたくさんの（少なくと
も二つの）タイミングパルスを探す「走査選択器（スキ
ャンセレクター）」を使用する。この選択器は、信号平
均化器に入る走査データーの合計をするか否か（ゴー／
ノーゴー）の決定をする。相関器からのタイミングパル
スがこの時間スロットにはまり込むと、現在のデーター
バッファーに走査を合計する。逆にもしタイミングパル
スがその時間スロットを「ミス」した場合には、その走
査は排除される。信号の平均化が済んだ後、時間スケー
ルのいかなる非線形性も適正に補償することができる。
【００８２】この賢明なトリガリング法は、実施するに
は最も単純なものであるが、多くの走査が無駄になって
しまう。飛行中スケール修正はもっと洗練されており、
走査の無駄から言えばもっと効率的ではあるが、もっと
計算負荷が大きい。したがって、応用での制限がどちら
の技術を使うかを決めることになろう。 ［表面計測システム］さらに明確な応用の一例として、
図１５および図１６に示すように、通常の動ミラー法の
代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している
表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
は最も単純なものであるが、多くの走査が無駄になって
しまう。飛行中スケール修正はもっと洗練されており、
走査の無駄から言えばもっと効率的ではあるが、もっと
計算負荷が大きい。したがって、応用での制限がどちら
の技術を使うかを決めることになろう。 ［表面計測システム］さらに明確な応用の一例として、
図１５および図１６に示すように、通常の動ミラー法の
代わりに本発明の高速レーザー走査技術を採用している
表面計測システムの好ましい二つの実施例がある。
【００８３】図１５は、表面計測システムの一実施例を
示す。同実施例では、スレーブレーザー６２０からのビ
ームは、タイミングユニット６４１に入力されるパルス
列を発生するＦＰエタロンに入射する。マスターレーザ
ー６１０からのビームは、普通のビームスプリッターＢ
Ｓ ６６０によって分割される。スレーブレーザー６２
０の分割されたビームの一方は、タイミングユニット６
４１に入力される。同ビームの他方は検査される表面に
向けられ、同表面で反射される。反射されたビームは相
関器６４０に入力される。同様に、ＦＰエタロンから反
射された単パルスも相関器６４０に入力される。したが
って、相関器６４０は計測されるべき目標物（供試体）
のために使用され、タイミングユニット６４１は時間ス
ケール較正のために使用される。相関器６４０からの出
力である目標物に対応しているデーターストリームは、
ＤＡＱ６５０のＹチャンネルへ入力される。そして、ま
た相関器を含むタイミングユニット６４１から出力され
たデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＸチャンネル
へ入力される。Ｘチャンネルに入力されたタイミングユ
ニットデーターは、時間スケールをもたらす。そして、
相関器６４０から出力されＹチャンネルに入力されたデ
ーターからは、目標物表面の距離情報が得られる。
示す。同実施例では、スレーブレーザー６２０からのビ
ームは、タイミングユニット６４１に入力されるパルス
列を発生するＦＰエタロンに入射する。マスターレーザ
ー６１０からのビームは、普通のビームスプリッターＢ
Ｓ ６６０によって分割される。スレーブレーザー６２
０の分割されたビームの一方は、タイミングユニット６
４１に入力される。同ビームの他方は検査される表面に
向けられ、同表面で反射される。反射されたビームは相
関器６４０に入力される。同様に、ＦＰエタロンから反
射された単パルスも相関器６４０に入力される。したが
って、相関器６４０は計測されるべき目標物（供試体）
のために使用され、タイミングユニット６４１は時間ス
ケール較正のために使用される。相関器６４０からの出
力である目標物に対応しているデーターストリームは、
ＤＡＱ６５０のＹチャンネルへ入力される。そして、ま
た相関器を含むタイミングユニット６４１から出力され
たデーターストリームは、ＤＡＱ６５０のＸチャンネル
へ入力される。Ｘチャンネルに入力されたタイミングユ
ニットデーターは、時間スケールをもたらす。そして、
相関器６４０から出力されＹチャンネルに入力されたデ
ーターからは、目標物表面の距離情報が得られる。
【００８４】図１６は、本発明の複数の技術を採用して
いる表面計測システムの別の実施例を示す。同実施例で
は、タイミングデバイス（ＦＰエタロン）は、目標物へ
のビーム経路の中に挿置されている。ＦＰエタロンから
反射されたビームは、計測すべき目標物を照射する。目
標物表面から散乱する光は、レンズＬ１によって集光さ
れ、ＦＰエタロンを通過した較正済みのパルス列と（ビ
ームスプリッタＢＳ６７０を介して）再結合される。ス
レーブレーザー６２０からのゲーティングパルスと目標
物およびエタロンからのパルス列との間の結果として得
られる相互相関からは、このエタロンからの複数パルス
・タイミングスケールに重畳された目標物までの距離情
報（単一パルス）が得られる。この結果は単一データー
ストリームであって、これには目標物までの距離情報と
時間スケール較正との両方が含まれている。さすれば、
目標物表面上の一点までの距離は、データーストリーム
中のタイミングパルスと目標物パルスとの間の相対的な
時間遅れを計測することによって推定される。目標物パ
ルスとエタロンパルスとの間のこの比較は、超短パルス
を用いた差分計測法の一変形である。
いる表面計測システムの別の実施例を示す。同実施例で
は、タイミングデバイス（ＦＰエタロン）は、目標物へ
のビーム経路の中に挿置されている。ＦＰエタロンから
反射されたビームは、計測すべき目標物を照射する。目
標物表面から散乱する光は、レンズＬ１によって集光さ
れ、ＦＰエタロンを通過した較正済みのパルス列と（ビ
ームスプリッタＢＳ６７０を介して）再結合される。ス
レーブレーザー６２０からのゲーティングパルスと目標
物およびエタロンからのパルス列との間の結果として得
られる相互相関からは、このエタロンからの複数パルス
・タイミングスケールに重畳された目標物までの距離情
報（単一パルス）が得られる。この結果は単一データー
ストリームであって、これには目標物までの距離情報と
時間スケール較正との両方が含まれている。さすれば、
目標物表面上の一点までの距離は、データーストリーム
中のタイミングパルスと目標物パルスとの間の相対的な
時間遅れを計測することによって推定される。目標物パ
ルスとエタロンパルスとの間のこの比較は、超短パルス
を用いた差分計測法の一変形である。
【００８５】図１５および図１６では、ＦＰエタロンは
入力ビームに対して鋭角で対向しているように図示され
ている。この入射角は、明瞭にするために誇張されてい
る。ＦＰエタロンを垂直入射から傾けていくと、図８
（ａ）に示すように、このエタロンからの一連の反射光
が横にずれる量が増えていくことが、当業者にはお分か
りになろう。したがって、入射角を実現可能な限り小さ
くしてＦＰエタロンを使うことが望ましい。もしＦＰエ
タロンの前に偏光子およびファラデー回転子があれば、
垂直入射角での使用も可能である。この空間的なずれ
は、相関器６４０，７４０のレンズや他の開口からはみ
出さない限りは、同相関器の性能を損なうことはない。
入力ビームに対して鋭角で対向しているように図示され
ている。この入射角は、明瞭にするために誇張されてい
る。ＦＰエタロンを垂直入射から傾けていくと、図８
（ａ）に示すように、このエタロンからの一連の反射光
が横にずれる量が増えていくことが、当業者にはお分か
りになろう。したがって、入射角を実現可能な限り小さ
くしてＦＰエタロンを使うことが望ましい。もしＦＰエ
タロンの前に偏光子およびファラデー回転子があれば、
垂直入射角での使用も可能である。この空間的なずれ
は、相関器６４０，７４０のレンズや他の開口からはみ
出さない限りは、同相関器の性能を損なうことはない。
【００８６】あるいは、この横ずれの影響は、急激な劣
化とは異なった何かであるパルス列の包絡線の形を変え
て、なにがしかの利点を生じることもあり得る。このよ
うなことは、ビームの光景を介してか、または相関器内
の非線形混合結晶の位相マッチング条件の角度の選択可
能性により、起こりうるであろう。 ［ＯＴＤＲシステム］図１７は、本発明の高速走査レー
ザーおよびタイミングシステムを採用している光学時間
領域反射率計（ＯＴＤＲ）システムの模式図である。走
査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くな
るように、低い反復率のレーザー（ν〜５−１０ＭＨ
ｚ）からなることが望ましい。マスターレーザー７１０
からの短パルスは、ビームスプリッタＢＳ ７６０によ
り二つのビームに分割される。分割されたビームのうち
一方はタイミングユニット７４１に送られ、他方はファ
イバーなどの導波供試デバイス（ＤＵＴ）７９０に送ら
れる。ＤＵＴ７９０内の表面や接続部、欠陥などから反
射されたパルスは、約１０フェムト秒すなわち約３ミク
ロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のた
めに、相関器７４０に送られる。これは、次のような方
法で実現される。
化とは異なった何かであるパルス列の包絡線の形を変え
て、なにがしかの利点を生じることもあり得る。このよ
うなことは、ビームの光景を介してか、または相関器内
の非線形混合結晶の位相マッチング条件の角度の選択可
能性により、起こりうるであろう。 ［ＯＴＤＲシステム］図１７は、本発明の高速走査レー
ザーおよびタイミングシステムを採用している光学時間
領域反射率計（ＯＴＤＲ）システムの模式図である。走
査レーザーシステムは、使用可能な明瞭な範囲が広くな
るように、低い反復率のレーザー（ν〜５−１０ＭＨ
ｚ）からなることが望ましい。マスターレーザー７１０
からの短パルスは、ビームスプリッタＢＳ ７６０によ
り二つのビームに分割される。分割されたビームのうち
一方はタイミングユニット７４１に送られ、他方はファ
イバーなどの導波供試デバイス（ＤＵＴ）７９０に送ら
れる。ＤＵＴ７９０内の表面や接続部、欠陥などから反
射されたパルスは、約１０フェムト秒すなわち約３ミク
ロンの精度での精密なタイミングないし距離の計測のた
めに、相関器７４０に送られる。これは、次のような方
法で実現される。
【００８７】すなわち、スレーブレーザー７２０からの
単一パルスは、二つのビームに分割される。それらのビ
ームのうち一方は、ファイバーからの信号のためのゲー
ティングパルスとして使用されるために、相関器７４０
に送られる。その他方は、データー取得（ＤＡＱ）ユニ
ット７５０のために較正された時間スケールをもたらす
ために、次にはそれ自身が別の相関器であるタイミング
ユニット７４１によって使用されるパルスシーケンスを
生成するパルスシェーパー７８０に送られる。５ＭＨｚ
（ＴR ＝２００ｎｓ）程度の低い反復率のシステムのた
めには、パルスシェーパー７８０は、２００ナノ秒のタ
イミングインターバル全体をだいたい満たすパルスシー
ケンスを生成しなければならない。この好ましい実施例
では、パルスシェーパーは、図１２（ｂ）に示すような
チャープ・ファイバーブラッグ格子を利用して構成でき
るであろう。
単一パルスは、二つのビームに分割される。それらのビ
ームのうち一方は、ファイバーからの信号のためのゲー
ティングパルスとして使用されるために、相関器７４０
に送られる。その他方は、データー取得（ＤＡＱ）ユニ
ット７５０のために較正された時間スケールをもたらす
ために、次にはそれ自身が別の相関器であるタイミング
ユニット７４１によって使用されるパルスシーケンスを
生成するパルスシェーパー７８０に送られる。５ＭＨｚ
（ＴR ＝２００ｎｓ）程度の低い反復率のシステムのた
めには、パルスシェーパー７８０は、２００ナノ秒のタ
イミングインターバル全体をだいたい満たすパルスシー
ケンスを生成しなければならない。この好ましい実施例
では、パルスシェーパーは、図１２（ｂ）に示すような
チャープ・ファイバーブラッグ格子を利用して構成でき
るであろう。
【００８８】このレーザーの変形態様としては、タイミ
ングユニットおよび相関器が使用可能である。例えば、
マスターレーザー７１０の役とスレーブレーザー７２０
の役とは、交換可能である。パルスシェーパーとして
は、ファイバーＦＰエタロンまたは（受動でも利得あり
でも）ファイバーループが使用可能である。 ［ＥＯサンプリング・オシロスコープ］図１８は、本発
明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを使用
した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロス
コープの模式図である。本実施例では、十分に確立され
ている非接触ＥＯサンプリング技術が、ここで説明され
た高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの
調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
ングユニットおよび相関器が使用可能である。例えば、
マスターレーザー７１０の役とスレーブレーザー７２０
の役とは、交換可能である。パルスシェーパーとして
は、ファイバーＦＰエタロンまたは（受動でも利得あり
でも）ファイバーループが使用可能である。 ［ＥＯサンプリング・オシロスコープ］図１８は、本発
明の高速走査レーザーおよびタイミングシステムを使用
した、ジッターなしの電気光学サンプリング・オシロス
コープの模式図である。本実施例では、十分に確立され
ている非接触ＥＯサンプリング技術が、ここで説明され
た高速走査技術と組み合わされており、時間スケールの
調整にかなり大きな柔軟性がもたらされている。
【００８９】マスターレーザー８１０からのパルスは、
二つのビームに分割される。一方のビームはタイミング
ユニット８４１に送られ、他方のパルスは供試デバイス
（ＤＵＴ）上に電気パルスを発生させるために送られ
る。この場合、供試デバイスは、光導電（ＰＣ）スイッ
チ８９１を介して、集積回路（ＩＣ）上に取り付けられ
ている。スレーブレーザー８２０からのパルスもまた、
二つのビームに分割される。一方のビームは、電気光学
（ＥＯ）プローブチップ８９２に送られ、他方のビーム
は、パルス列を生成するパルスシェーパー８８０に送ら
れる。このパルス列は、時間スケールの較正のために、
次にはタイミングユニット８４１に送られる。ＥＯプロ
ーブチップ８９２から返ってきたパルスは、ＤＵＴから
の電圧とＥＯプローブチップ８９２との間の干渉によっ
て変調されている。これらのパルスは、偏光光学素子８
９３によって検出され、ＤＡＱ８５０のＹチャンネルに
送られる。したがって、精密タイミング較正が、図１７
のＯＤＴＲのために説明したのと同じようにして得られ
る。
二つのビームに分割される。一方のビームはタイミング
ユニット８４１に送られ、他方のパルスは供試デバイス
（ＤＵＴ）上に電気パルスを発生させるために送られ
る。この場合、供試デバイスは、光導電（ＰＣ）スイッ
チ８９１を介して、集積回路（ＩＣ）上に取り付けられ
ている。スレーブレーザー８２０からのパルスもまた、
二つのビームに分割される。一方のビームは、電気光学
（ＥＯ）プローブチップ８９２に送られ、他方のビーム
は、パルス列を生成するパルスシェーパー８８０に送ら
れる。このパルス列は、時間スケールの較正のために、
次にはタイミングユニット８４１に送られる。ＥＯプロ
ーブチップ８９２から返ってきたパルスは、ＤＵＴから
の電圧とＥＯプローブチップ８９２との間の干渉によっ
て変調されている。これらのパルスは、偏光光学素子８
９３によって検出され、ＤＡＱ８５０のＹチャンネルに
送られる。したがって、精密タイミング較正が、図１７
のＯＤＴＲのために説明したのと同じようにして得られ
る。
【００９０】時間遅れ、走査インターバル、および走査
周波数は、安定器８３０によって所望の値に設定するこ
とができる。例えば、もし（走査範囲ではなく）走査周
波数を二倍に増加させたければ、スレーブレーザー８２
０内の変調周波数を倍にして、対応する量だけＰＺＴの
走査電圧を増大させる必要がある。それに比べ、走査周
波数を変化させないで走査範囲を増大させるには、単純
にＰＺＴの走査電圧を増せばよい。時間掃引範囲（タイ
ム・スウィープレンジ）の相対遅れは、安定器８３０の
位相制御によって調整される。時間スケールの調整のこ
の柔軟性は、通常のオシロスコープの遅れ時間ベースに
よって与えられるものと同様である。
周波数は、安定器８３０によって所望の値に設定するこ
とができる。例えば、もし（走査範囲ではなく）走査周
波数を二倍に増加させたければ、スレーブレーザー８２
０内の変調周波数を倍にして、対応する量だけＰＺＴの
走査電圧を増大させる必要がある。それに比べ、走査周
波数を変化させないで走査範囲を増大させるには、単純
にＰＺＴの走査電圧を増せばよい。時間掃引範囲（タイ
ム・スウィープレンジ）の相対遅れは、安定器８３０の
位相制御によって調整される。時間スケールの調整のこ
の柔軟性は、通常のオシロスコープの遅れ時間ベースに
よって与えられるものと同様である。
【００９１】この目的のために、光導電性サンプリング
を使用することもまた、同様に可能であろう。こうすれ
ばずっと高い感度が得られるが、時間分解能は約２ピコ
秒までに限られる。短レーザーパルスおよび走査遅れの
最も広く使用される応用は、ずっと物理、化学、または
電子システムのポンプ・プローブ計測であった。しかし
ながら、この技術のための応用範囲は急速に拡がってき
ており、この技術が科学市場を越えて商品になることは
今にも起こりそうなことである。ここに説明された高速
走査および時間較正の技術は、超短レーザーパルスを利
用するほとんど全ての応用に使用可能である。なぜなら
ば、これらの応用の事実上全てが、レーザパルス間の時
間遅れの調整を何らかの形式で必要としているからであ
る。これらの応用は、半導体材料および半導体デバイス
の分野での超高速電子／光電子デバイスのチャージ・ダ
イナミックス特性の電気光学試験や、全光信号処理光導
電サンプリング、および各種各様の時間分解ナノメータ
ー・プロービングなどに適用でき、またこれらに限定さ
れずに広く応用可能である。
を使用することもまた、同様に可能であろう。こうすれ
ばずっと高い感度が得られるが、時間分解能は約２ピコ
秒までに限られる。短レーザーパルスおよび走査遅れの
最も広く使用される応用は、ずっと物理、化学、または
電子システムのポンプ・プローブ計測であった。しかし
ながら、この技術のための応用範囲は急速に拡がってき
ており、この技術が科学市場を越えて商品になることは
今にも起こりそうなことである。ここに説明された高速
走査および時間較正の技術は、超短レーザーパルスを利
用するほとんど全ての応用に使用可能である。なぜなら
ば、これらの応用の事実上全てが、レーザパルス間の時
間遅れの調整を何らかの形式で必要としているからであ
る。これらの応用は、半導体材料および半導体デバイス
の分野での超高速電子／光電子デバイスのチャージ・ダ
イナミックス特性の電気光学試験や、全光信号処理光導
電サンプリング、および各種各様の時間分解ナノメータ
ー・プロービングなどに適用でき、またこれらに限定さ
れずに広く応用可能である。
【００９２】したがって、テラヘルツ・イメージングを
含むこれらの走査方法が応用できるテラヘルツ・ビーム
のための新しい応用は、数多く開発中である。その一例
としては、フー等の文献（ B.B.Hu et al., "Imaging w
ith Teraherz Waves", OpticLetters, Vol.20, No.16,
August 15, 1995, pp.1716-1719）により開示されてい
るものがある。最近では、超高速光検出器が市販される
ようになり、そのスピード（５０ＧＨｚ，１０ｐｓ Ｆ
ＷＨＭ）は、市販のオシロスコープ（例えばPicometrix
製の Newport Corp. Model #PX-D7 ）の計測能力を遥か
に凌駕するものである。ピコ秒レーザーおよび走査遅れ
は、これらの検出器のスピードの利点を最大限に引き出
すために必要である。そのうえさらに、本発明の走査方
法は、その走査範囲の選定の非常なる優越性のゆえに、
サブミリメーターの分解能のレーザーレーダーおよび目
標物のリモート・プロファイフィングに特に適当であ
る。その走査範囲調整の柔軟性により、高速走査システ
ムをオシロスコープの可調整時間ベースと相似にするこ
とができる。
含むこれらの走査方法が応用できるテラヘルツ・ビーム
のための新しい応用は、数多く開発中である。その一例
としては、フー等の文献（ B.B.Hu et al., "Imaging w
ith Teraherz Waves", OpticLetters, Vol.20, No.16,
August 15, 1995, pp.1716-1719）により開示されてい
るものがある。最近では、超高速光検出器が市販される
ようになり、そのスピード（５０ＧＨｚ，１０ｐｓ Ｆ
ＷＨＭ）は、市販のオシロスコープ（例えばPicometrix
製の Newport Corp. Model #PX-D7 ）の計測能力を遥か
に凌駕するものである。ピコ秒レーザーおよび走査遅れ
は、これらの検出器のスピードの利点を最大限に引き出
すために必要である。そのうえさらに、本発明の走査方
法は、その走査範囲の選定の非常なる優越性のゆえに、
サブミリメーターの分解能のレーザーレーダーおよび目
標物のリモート・プロファイフィングに特に適当であ
る。その走査範囲調整の柔軟性により、高速走査システ
ムをオシロスコープの可調整時間ベースと相似にするこ
とができる。
【００９３】ここで説明された高速走査方法によって達
成できる非常に高い走査率によれば、新しい潜在的な応
用をたくさん実施可能にすることができる。走査速度パ
ラメーター（表１〜３参照）は、特別に利用価値がある
長所の象徴である。表１〜３の走査速度は、３ｍ／ｓか
ら３０，０００ｍ／ｓにまで範囲が及んでいることに留
意されたい。それゆえ、自由走査技術でも高速走査技術
でも超音速の走査速度が可能であるから、例えばレーザ
ーに誘起される固体中および液体中の音響効果および光
弾性効果などの研究や応用で、本発明は潜在的に利用価
値がある。このような応用では、通常の走査方法を使用
するのは実際的ではない。というのは、通常の走査方法
では物理的遅延システムの中で走査ミラーを音速で動か
すことが必要であり、非現実的だからである。
成できる非常に高い走査率によれば、新しい潜在的な応
用をたくさん実施可能にすることができる。走査速度パ
ラメーター（表１〜３参照）は、特別に利用価値がある
長所の象徴である。表１〜３の走査速度は、３ｍ／ｓか
ら３０，０００ｍ／ｓにまで範囲が及んでいることに留
意されたい。それゆえ、自由走査技術でも高速走査技術
でも超音速の走査速度が可能であるから、例えばレーザ
ーに誘起される固体中および液体中の音響効果および光
弾性効果などの研究や応用で、本発明は潜在的に利用価
値がある。このような応用では、通常の走査方法を使用
するのは実際的ではない。というのは、通常の走査方法
では物理的遅延システムの中で走査ミラーを音速で動か
すことが必要であり、非現実的だからである。
【００９４】本発明は、好ましい実施例を参照して説明
されてきたが、これらの実施例に応用が限定されること
はない。以上の開示と教唆から、本発明に対するその他
の変形態様やヴァリエーションがあることは、当業者に
とっては明白である。したがって、ここで取り上げて説
明してきた本発明の実施例はほんのいくつかのである
が、本発明の思想および見解から離れることなく、なお
その上に数々の変形が可能であることは明白である。
されてきたが、これらの実施例に応用が限定されること
はない。以上の開示と教唆から、本発明に対するその他
の変形態様やヴァリエーションがあることは、当業者に
とっては明白である。したがって、ここで取り上げて説
明してきた本発明の実施例はほんのいくつかのである
が、本発明の思想および見解から離れることなく、なお
その上に数々の変形が可能であることは明白である。
【図１】 公知の自由走査レーザーシステムの構成を示
す模式図
す模式図
【図２】 本発明の高速走査レーザーシステムの構成を
示す組図 （ａ）スレーブレーザーのキャビティー長制御の場合の
模式図 （ｂ）両レーザーのキャビティー長が制御される場合の
模式図
示す組図 （ａ）スレーブレーザーのキャビティー長制御の場合の
模式図 （ｂ）両レーザーのキャビティー長が制御される場合の
模式図
【図３】 時間遅れＴD(t)と、レーザーキャビティー内
のＰＺＴに印加される電圧とを示す組図 （ａ）印加電圧が矩形波の場合のグラフ （ｂ）印加電圧が方形波の場合のグラフ （ｃ）印加電圧が正弦波の場合のグラフ
のＰＺＴに印加される電圧とを示す組図 （ａ）印加電圧が矩形波の場合のグラフ （ｂ）印加電圧が方形波の場合のグラフ （ｃ）印加電圧が正弦波の場合のグラフ
【図４】 本発明のツインファイバーレーザーシステム
の構成を示す模式図（同システムでは、両レーザーのフ
ァイバーは同じ軸に巻かれており、モード同期機構とし
て非線形偏光展開（エヴォルーション）を使用する二つ
の同一のモードロック・ファイバーレーザーを使用。）
の構成を示す模式図（同システムでは、両レーザーのフ
ァイバーは同じ軸に巻かれており、モード同期機構とし
て非線形偏光展開（エヴォルーション）を使用する二つ
の同一のモードロック・ファイバーレーザーを使用。）
【図５】 本発明の動揺法により走査された二つのファ
イバーレーザーの間の相互相関信号を示すグラフ
イバーレーザーの間の相互相関信号を示すグラフ
【図６】 本発明の動揺法により走査された二つのファ
イバーレーザーの間の相互相関信号を示す拡大グラフ
イバーレーザーの間の相互相関信号を示す拡大グラフ
【図７】 本発明の動揺法により走査された二つのファ
イバーレーザーの間のタイミングジッターを示すグラフ
イバーレーザーの間のタイミングジッターを示すグラフ
【図８】 ファブリペロー・エタロンの作用を示す組図 （ａ）ファブリペロー・エタロンの作用を示す模式図 （ｂ）発射パルス列と反射パルス列との時間配列を示す
概念図
概念図
【図９】 単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列
との間の相互相関信号を示す全走査サイクル二つ分のグ
ラフ
との間の相互相関信号を示す全走査サイクル二つ分のグ
ラフ
【図１０】単レーザパルスとエタロンを通ったパルス列
との間の相互相関信号を示す半走査サイクル分の拡大グ
ラフ
との間の相互相関信号を示す半走査サイクル分の拡大グ
ラフ
【図１１】ファブリペロー・エタロンのピーク位置を示
す組図 （ａ）ピーク位置の線形フィッティングを示すグラフ （ｂ）線形フィッティングの偏差を示すグラフ
す組図 （ａ）ピーク位置の線形フィッティングを示すグラフ （ｂ）線形フィッティングの偏差を示すグラフ
【図１２】光屈折性成長チャープファイバー格子の並び
からなるパルス列ジェネレーターの構成を示す組図 （ａ）パルス列ジェネレーター単体の構成および作用を
示す模式図 （ｂ）二つのパルス列ジェネレーターの組み合わせを示
す模式図
からなるパルス列ジェネレーターの構成を示す組図 （ａ）パルス列ジェネレーター単体の構成および作用を
示す模式図 （ｂ）二つのパルス列ジェネレーターの組み合わせを示
す模式図
【図１３】レーザー安定化動揺システムの構成を詳細に
示す模式図
示す模式図
【図１４】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング
較正法を採用している計測システムの模式図
較正法を採用している計測システムの模式図
【図１５】本発明の高速走査レーザーを採用している計
測システムの模式図
測システムの模式図
【図１６】本発明の高速走査レーザーを採用している計
測システムの模式図
測システムの模式図
【図１７】本発明の高速走査レーザーおよびタイミング
較正法を採用しているフェムト秒ＯＴＤＲシステムの構
成を示す模式図
較正法を採用しているフェムト秒ＯＴＤＲシステムの構
成を示す模式図
【図１８】本発明の高速走査レーザーシステムおよびタ
イミング較正法を採用している電気光学サンプリング・
オシロスコープの構成を示す模式図
イミング較正法を採用している電気光学サンプリング・
オシロスコープの構成を示す模式図
１０，１１０，２１０，５１０，６１０，７１０，８１
０：マスターレーザー ２０，１２０，２２０，５２０，６２０，７２０，８２
０：スレーブレーザー ３０：ハーフミラー ４０，６４０，７４０：相関器
（コリレーター） ５０：オシロスコープ ６０：ミラー ７０：計測
装置 １１１，１２１：ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ
（ＰＺＴ） １３０，６３０，８３０：安定器ユニット、駆動安定
器、ＰＬＬ回路安定器 １３１：タイミング弁別装置（ＴＤ） １３３：位相
検出器 １３４：フィルター、濾波器 １３５：信号発生器 １３６：オペアンプ １３８：加算器（Σ） １４
０：低周波信号発生器 ２０５：レーザーダイオード（ＬＤ） ２０６：スプ
リッター（ＳＰＬ） ２１５：ファラデー回転子（旋光器）ミラー（ＦＲＭ） ２２５：光学アセンプリ（ＰＺＴ−ＦＲＭ） ２８
０：ファイバースプール ３００：ファイバー ３１０，３２０，３３０：チャ
ープ・ファイバー格子 ３４０：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ３５０：四分の一波長板（ＱＷＰ） ４３０，４４０：パルスアンプ（ＰＡ） ４５０：Ｐ
ＺＴ制御装置 ５４０：タイミングユニット、相互相関器 ５５０，６５０，７５０，８５０：データー取得システ
ム（ＤＡＱ） ６４１，７４１，８４１：タイミングユニット ６６０，６７０，７６０，７７０：ビームスプリッター
（ＢＳ） ７８０，８８０：パルスシェーパー ７９０：供試デ
バイス（ＤＵＴ） ８９１：光導電（ＰＣ）スイッチ ８９２：電気光学
（ＥＯ）プローブチップ ８９３：偏光光学素子 Ｌ１：集光レンズ ＦＰ：ＦＰエタロン ＦＲ：フ
ァラデー旋光器 ＰＤ−１，ＰＤ−２：フォトダイオード、光検出器
ＳＡ：飽和吸収器 λ／２：半波長板 λ／４：四分の一波長板（ＱＷ
Ｐ）
０：マスターレーザー ２０，１２０，２２０，５２０，６２０，７２０，８２
０：スレーブレーザー ３０：ハーフミラー ４０，６４０，７４０：相関器
（コリレーター） ５０：オシロスコープ ６０：ミラー ７０：計測
装置 １１１，１２１：ピエゾ素子、ピエゾアクチュエータ
（ＰＺＴ） １３０，６３０，８３０：安定器ユニット、駆動安定
器、ＰＬＬ回路安定器 １３１：タイミング弁別装置（ＴＤ） １３３：位相
検出器 １３４：フィルター、濾波器 １３５：信号発生器 １３６：オペアンプ １３８：加算器（Σ） １４
０：低周波信号発生器 ２０５：レーザーダイオード（ＬＤ） ２０６：スプ
リッター（ＳＰＬ） ２１５：ファラデー回転子（旋光器）ミラー（ＦＲＭ） ２２５：光学アセンプリ（ＰＺＴ−ＦＲＭ） ２８
０：ファイバースプール ３００：ファイバー ３１０，３２０，３３０：チャ
ープ・ファイバー格子 ３４０：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ３５０：四分の一波長板（ＱＷＰ） ４３０，４４０：パルスアンプ（ＰＡ） ４５０：Ｐ
ＺＴ制御装置 ５４０：タイミングユニット、相互相関器 ５５０，６５０，７５０，８５０：データー取得システ
ム（ＤＡＱ） ６４１，７４１，８４１：タイミングユニット ６６０，６７０，７６０，７７０：ビームスプリッター
（ＢＳ） ７８０，８８０：パルスシェーパー ７９０：供試デ
バイス（ＤＵＴ） ８９１：光導電（ＰＣ）スイッチ ８９２：電気光学
（ＥＯ）プローブチップ ８９３：偏光光学素子 Ｌ１：集光レンズ ＦＰ：ＦＰエタロン ＦＲ：フ
ァラデー旋光器 ＰＤ−１，ＰＤ−２：フォトダイオード、光検出器
ＳＡ：飽和吸収器 λ／２：半波長板 λ／４：四分の一波長板（ＱＷ
Ｐ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドナルド ジェー ハーター アメリカ合衆国 ミシガン州 アンアーバ ー サルグレイブ・プレイス3535番地 (54)【発明の名称】 レーザパルス比較方法、高速レーザー走査方法、高速走査レーザー装置、短パルスレーザー装 置、距離計測装置、電気光学サンプリング・オシロスコープ、短パルスレーザー安定制御方法お よび較正時間スケール発生装置
Claims (29)
- 【請求項１】第１レーザー発生源からの第１レーザパル
スと第２レーザー発生源からの第２レーザーパルスとの
間の時間差を検出する検出ステップと、 検出された該時間差に基づいて制御信号を発生させる制
御信号発生ステップと、 該制御信号に基づいて該第２レーザー発生源の出力を連
続的に調整し、該調整により該第１レーザパルスと該第
二レーザパルスとの間の該時間差を制御する時間差制御
ステップとを有し、 該第１レーザー発生源からの該第１レーザパルスと該第
２レーザー発生源からの該第２レーザーパルスとを比較
する、 レーザパルス比較方法 - 【請求項２】第１短パルスレーザーからの第１パルス出
力と第２短パルスレーザーからの第２パルス出力との間
の時間差を検出する検出ステップと、 該検出ステップで検出された該時間差に基づいて時間遅
れ制御信号を発生させる制御信号発生ステップと、 該時間遅れ制御信号に基づいて該第２パルス出力の周期
を変えることにより、該第２パルス出力の時間遅れを変
更する時間遅れ変更ステップと、 該第１出力パルスおよび該第２出力パルスのうち一方の
時間遅れを所定の仕方で変えることにより、該時間遅れ
変更ステップで変更された該第２パルス出力と該第１パ
ルス出力とを走査する走査ステップとを有し、 該第１パルス出力および該第２パルス出力を急速に走査
させる、 高速レーザー走査方法。 - 【請求項３】前記時間遅れ変更ステップは、前記第２短
パルスレーザーのレーザーキャビティー長を変えること
により行われ、 前記走査ステップにおいて、前記第１短パルスレーザー
および該第２短パルスレーザーのうち一方のレーザーキ
ャビティー長を変えることにより、前記時間遅れが調整
される、 請求項２記載の高速レーザー走査方法。 - 【請求項４】前記第１短パルスレーザーおよび前記第２
短パルスレーザーのうち一方のレーザーキャビティー内
に挿置されたピエゾ素子（ピエゾアクチュエータ）に、
矩形波、方形波および正弦波のうちいずれかを印加する
ことにより、 前記走査ステップにおいて、前記所定の仕方で前記第１
短パルスレーザーおよび前記第２短パルスレーザーのう
ち該一方の前記レーザーキャビティー長が調整される、 請求項３記載の高速レーザー走査方法。 - 【請求項５】動揺信号を出力する信号発生器と、 第１短パルスレーザーおよび第２短パルスレーザーのう
ち少なくとも一方のレーザーキャビティー内に挿置され
ており、前記動揺信号に基づいてそのキャビティー長を
変更するキャビティー長変更ユニットとを有する、 高速走査レーザー装置。 - 【請求項６】前記第１レーザーからの第１パルス出力と
前記第２レーザーからの第２パルス出力との間のタイミ
ング差に基づいて制御信号を発生させ、該制御信号およ
び前記動揺信号に基づいて前記キャビティー長を変更す
るキャビティー長変更ユニットに該制御信号を出力する
安定器を有する、 請求項５記載の高速走査レーザー装置。 - 【請求項７】前記安定器は、 前記第１短パルスレーザーからの第１パルス出力と前記
第２短パルスレーザーからの第２パルス出力との間の位
相差を検出して制御する位相ロックループ回路と、 該位相ロックループ回路によって検出された該位相差に
基づいて前記制御信号を発生させ、該制御信号を調整し
て出力する制御信号発生手段とを有する、 請求項６記載の高速走査レーザー装置。 - 【請求項８】前記キャビティー長変更ユニットは、ピエ
ゾ素子（ピエゾアクチュエータ）上に取り付けられてい
るミラーを有する、 請求項５記載の高速走査レーザー装置。 - 【請求項９】一つ以上の超短パルスからなるレーザービ
ームを出力するレーザー発生手段と、 該レーザー発生手段と協調して該レーザー発生手段の有
効キャビティー長を変化させ、この変化により該レーザ
ービームの反復率を変える可動デバイスとを有する、 短パルスレーザー装置。 - 【請求項１０】前記レーザー発生手段は終端部を有し、 前記可動デバイスは、該レーザー発生手段の該終端部に
設けられている、 請求項９記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１１】前記可動デバイス上に取り付けられてい
るミラーを有し、 該可動デバイスは該ミラーを動かして、前記レーザー発
生手段の前記有効キャビティー長を変化させ、この変化
により前記レーザービームの前記反復率を変更する、 請求項１０記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１２】前記可動デバイスは、ピエゾ素子（ピエ
ゾアクチュエータ）である、 請求項１１記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１３】前記可動デバイスは、直径が可変なドラ
ムであり、 前記レーザー発生手段は、該可動デバイスに巻き付けら
れているファイバーであって、 該可動デバイスの該直径の変化によって該レーザー発生
手段の前記有効キャビティー長が変化し、この変化によ
って前記レーザービームの前記反復率が変更される、 請求項９記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１４】前記レーザー発生手段として、前記ドラ
ムに別のレーザー発生手段が巻き付けられている、 請求項１３記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１５】前記可動デバイスは、ピエゾ電気ドラム
である、 請求項１４記載の短パルスレーザー装置。 - 【請求項１６】第１パルスとしての高速超短パルスから
なるレーザービームを出力するレーザー発生手段と、該
レーザー発生手段と協調して前記レーザー発生手段の前
記有効キャビティー長を変化させこの変化によって該レ
ーザービームの反復率を変更する可動デバイスとを有す
る第１短パルスレーザーと、 第２パルスとしての第２超短パルスを出力する第２短パ
ルスレーザーと、 該第２超短パルスからパルス列を生成する光学要素と、 該光学要素により発生した該パルス列と該第１パルスと
の相関をとり、該パルス列に関して該第２パルスの較正
を含んでいる較正信号を発生させるタイミングユニット
と、 該第１パルスを供試目標物に出力し、該供試目標物によ
る該第１パルスの反射に対応する反射パルスを受信する
光学出力デバイスと、 該反射パルスと該第２パルスとの相関を取り、相関信号
を出力する相関器と、 該相関信号を該較正信号と比較するデーター取得ユニッ
トとを有する、 距離計測装置。 - 【請求項１７】表面計測システムに採用されていて、 前記供試目標物は、表面であり、 前記光学出力デバイスは、該表面上に前記第１パルスの
焦点を結ばせるレンズである、 請求項１６記載の距離計測装置。 - 【請求項１８】光学時間領域反射率計であって、 前記供試目標物は、光ファイバーであり、 前記反射は、該光ファイバー中の光学的不連続性からの
該第１パルスの反射である、 請求項１６記載の距離計測装置。 - 【請求項１９】第１高速超短パルスからなるレーザービ
ームを出力するレーザー発生手段と、該レーザー発生手
段と協調して前記レーザー発生手段の前記有効キャビテ
ィー長を変化させこの変化によって該レーザービームの
反復率を変更する可動デバイスとを有する第１短パルス
レーザーと、 第２短パルスを出力する第２短パルスレーザーと、 該第１パルスからパルス列を生成する光学要素と、 該第１パルスを供試目標物に出力し、該供試目標物によ
る該第１パルスの反射に対応する反射パルスを受信する
光学出力デバイスと、 該反射パルスと該第２パルスとの相関、および該反射パ
ルスと該光学要素により生成された該パルス列との相関
を取り、該パルス列に重畳された該反射パルスと該第２
パルスとの相関に対応している対応信号を出力する相関
器とを有する、 距離計測装置。 - 【請求項２０】第１超短パルスからなるレーザービーム
を出力するレーザー発生手段と、該レーザー発生手段と
協調して該レーザー発生手段の有効キャビティー長を変
化させこの変化によって該レーザービームの反復率を変
化させる可動デバイスとを有する第１短パルスレーザー
と、 第２超短パルスを出力する第２短パルスレーザーと、 該第２パルスからパルス列を生成する光学要素と、 該光学要素により生成された該パルス列と該第１パルス
との相関を取って相関信号を発生させ、該パルス列に関
して該第２パルスの較正を指示する較正信号を出力する
タイミングユニットと、 供試デバイスに該第１パルスを出力し、この出力によっ
て該供試デバイス上に信号を発生させる光学出力デバイ
スと、 該供試デバイスの計測すべき一点に該第２パルスを出力
し、該供試デバイス上に発生した該信号と該一点に出力
された該第２パルスとの間の干渉によって改変された反
射信号を受信するプローブと、 該相関信号と該反射信号とを比較し、この比較により高
精度の時間ベースを供給するデーター取得ユニットとを
有する、 電気光学サンプリング・オシロスコープ。 - 【請求項２１】ファイバースプールに巻き付けられてい
る光ファイバーからなる短パルスレーザーを外部環境か
ら隔離する隔離ステップを有する、 短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２２】前記ファイバースプールは、消音されて
いる、 請求項２１記載の短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２３】前記ファイバースプールの熱膨張係数と
前記光ファイバーの熱膨張係数とは、互いに一致してい
る、 請求項２１記載の短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２４】前記短パルスレーザーは、第１短パルス
レーザーとしての高速短パルスレーザーであり、 第２短パルスレーザーの安定性は、該第１短パルスレー
ザーの安定制御と共に制御され、 該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザー
は、いずれもファイバーレーザーであって、 該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザー
を同一の装置から同一の仕方で構成する構成ステップ
と、 該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザー
を共通のレーザーでポンピングするポンピングステップ
と、 該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザー
を共通のファイバースプールに巻き付ける巻き付けステ
ップと、 該第１短パルスレーザーおよび該第２短パルスレーザー
を単一の容器内に設置する設置ステップとを有する、 請求項２１記載の短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２５】短パルスレーザーをゼロ分散波長付近で
作動させることにより、タイミングジッターを量子限界
にまで低減する、 短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２６】消音および温度制御のうち少なくとも一
方が施されている容器中に短パルスレーザーを設置する
設置ステップを有する、 短パルスレーザー安定制御方法。 - 【請求項２７】パルス出力としての超短パルスを出力す
るレーザーと、 該レーザーからの該パルス出力が入射すると、所期の時
間だけ互いにパルスが離れているパルス列を生成する光
学要素とを有する、 較正時間スケール発生装置。 - 【請求項２８】前記光学要素は、 誘電体ミラーおよび光屈折性ファイバー格子のうち一方
からなる終端反射器を持つ光ファイバー・キャビティー
中に形成されている光学エタロンと、 光共振反射器と、 反射を生じるミスアラインメント・スプライスをもつ光
ファイバーと、 所定の反射率および間隔を持つファイバー格子が複数の
光屈折率を生じている光ファイバーと、 所望の時間間隔で反射を生じるように複数のマイクロベ
ンドが配設されている光ファイバーと、 反復パルスを発生するように閾値付近にバイアスされて
いて、光パルス列の減衰を防止ないし阻止されている半
導体レーザーダイオードと、 反復パルスを発生するように閾値付近でポンピングされ
ている光ファイバー利得媒体を含む線形ファブリペロー
・キャビティーと、 光スイッチ要素により注入され減衰させられ、一つ以上
のパルスを保存する受動光ファイバーループと、 光スイッチ要素により注入され減衰させられ、一つ以上
のパルスを保存する増幅光ファイバーループと、 異なるトランスバース・モード中を移動するパルスに、
モード分散により異なる到着時刻が生じるマルチモード
光ファイバーとのうちいずれかである、 請求項２７記載の較正時間スケール発生装置。 - 【請求項２９】前記光学要素は、 第１方向へチャープしている複数の光屈折率チャープフ
ァイバー格子をもつ第１光ファイバーと、 本質的に該第１光ファイバーと同じであるが、第１方向
とは反対方向の第２方向へチャープしている複数の光屈
折率チャープファイバー格子をもつ第２光ファイバー
と、 前記レーザーからの前記パルス出力を該第１光ファイバ
ーおよび該第２光ファイバーのうち一方に向け、該一方
からの第１の反射された複数のパルスを受光して、該第
１の反射された複数のパルスを該第１光ファイバーおよ
び該第２光ファイバーのうち他方に向け、該他方からの
第２の反射された複数のパルスを受光して、該第２の反
射された複数のパルスを較正された時間スケールとして
出力する手段とからなる、 パルス列発生器である、 請求項２７記載の較正時間スケール発生装置。
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