可変​鏡​を​用​い​た​極​短​光​パルス​の​自動​圧縮​システム

川上 洋平 氏, 東北​大学

"FROG​計測​プログラム​および​可変​鏡​制御​プログラム​の​開発​に​要​した​時間​は​約​1​日、​自動​最適​化​プログラム​開発​に​要​した​時間​は​1​週間​程度​で​あり、​極めて​迅速​に​システム​を​構築​する​こと​が​でき​た。" ​

- 川上 洋平 氏, 東北​大学

課題:

• ​光​パルス​圧縮​器​の​パーツ​を、​固定​型​の​パーツ​(プリズム​対​など)​から​動的​制御​型​の​パーツ​(可変​鏡)​に​変更​し、​その​制御​プログラム​を​作成​する。 ​• ​光​パルス​圧縮​の​過程、​すなわち​位相​制御​を​自動化​する。

ソリューション:

光​パルス​圧縮​システム​(可変​鏡)、​光​パルス​評価​システム​(オートコリレータ​もしくは​FROG​計測​器)、​データ​集録​システム​(光​検出​器​および​PC)​を​統合​し、​LabVIEW​に​て​管理・​計測・​制御​する​こと​により、​光​パルス​圧縮​の​自動​最適​化​システム​を​構築​した。 ​

1. 背景

最先端​の​光​技術​を​駆使​し、​未知​の​物質​に​含​ま​れる​元素・​分子​や​その​特性、​また、​半導体​など​における​キャリア​ダイ​ナミ​クス​や​化学​反応​を​はじめ​と​した​自然​現象​の​多く​を​調べる​手段​の​ひとつ​に、​超​高速​時間​領域​分光​法​が​ある。​これ​は、​いわば​動画​を​記録​する​よう​に、​物質​を​構成​する​電子​や​原子、​分子、​格子​の​動き​を、​時間​を​追って​記録​し​てい​こう​という​技術​で​ある。​この​手法​の​最大​の​利点​は、​物質​の​外部​刺激​に対する​応答​や​化学​反応​など​の​素​過程​を、​時間​軸​上​で​順次​観測​し​てい​く​こと​が​できる​点​に​ある。​ここ​で​最も​重要​な​の​は、​その​時間​分解能​で​ある。​そこで、​高​時間​分解能​を​実現​する​ため​の​極​短​光​パルス​光源​の​開発​が​急務​で​あり、​現在、​国内外​で​盛ん​に​研究​が​進​め​ら​れ​て​いる。​我々​の​研究​グループ​では、​この​最先端​の​光学​技術​を​基礎​物性​研究​に​応用​する​ため、​極​短​パルス​光源​の​開発​を​進​め​て​いる。

 

2. 課題

上記​の​よう​な​極​短​光​パルス​は、​広帯域​な​スペクトル​を​有する​光、​すなわち、​多く​の​色​が​混​ざった​光​を​元​にし​て​作​られる。​ここ​で、​光​と​は​電磁場​の“波”で​ある​が、​この​波​の​性質​の​ひとつ​で​ある“位相”を​制御​する​こと​が​極​短​光​パルス​発生​の​本質​で​ある。​上記​の​よう​な​広帯域​の​光​に​含​ま​れる​様々​な​色​の​光​の​位相​は、​色​によって​ずれ​て​いる​の​が​普通​で​ある​が、​この“位相​の​ずれ”を​補正​してやる​こと​によって、​時間​幅​の​極めて​短い​光​パルス​が​発生​する。​具体​的​に​は、​各色​の​光​の​光​路​長​を​個別に​制御​する​こと​で、​全て​の​色​の​光​の​位相​を​揃える​こと​が​できる。

 

この​よう​な​光​の​位相​制御​の​方法​として​は、​プリズム​対​や​回折​格子​対​を​用​い​た​方法​が​最も​基本​的​な​もの​で​あり、​従来、​様々​な​分野​で​用​い​ら​れ​て​きた。​この​方法​は、​その​システム​自体​が​比較的​簡単​で​あり、​扱い​やすい​という​メリット​が​ある​反面、​固定​型​の​システム​で​ある​ため、​最適​な​条件​(プリズム、​回折​格子​対​間​の​距離​など)​を​決定​する​まで​に​多く​の​時間​と​労力​を​要​し、​さらに、​メンテナンス​に​も​手間​が​かかる、​また、​各色​の​光​の​位相​を​個別に​制御​でき​ない​ため​に​繊細​な​位相​制御​に​は​不向き​といった​デメリット​を​有​し​て​いる。​極​短​光​パルス​発生​を​例​に​取る​と、​従来​用​い​ら​れ​て​きた​プリズム​対​や​回折​格子​対​から​なる​光​パルス​圧縮​器​では、​上記​の​よう​な​幅広い​波長​の​光​の​位相​を​おおまか​に​揃える​こと​は​でき​て​も、​全て​の​波長​の​位相​を​厳密​に​揃える​こと​は​不可能​で​ある​ため、​真に時間幅の短い光パルスを作り出すことはできなかった。​この問題点が克服されれば、​従来​の​超短​光​パルス​に​比べ​て、​その​時間​幅​が​半分​以下​の​光​パルス​の​発生​が​期待​できる。​すなわち、​時間​分解​分光​の​測定​システム​として​これ​を​用​い​た​場合​に​は、​その​時間​分解能​が​従来​の​倍​以上​に​なる​ので​ある。

 


​そこで​我々​は​今回、​光​パルス​圧縮​装置​に、​繊細​かつ​動的​な​位相​制御​を​可能​に​する​「可変​鏡」​を​導入​した​(図​1:​右上​の​画像​参照)。​これ​は、​複数​チャンネル​の​電極​と​その​上​に​配置​さ​れ​た​金​膜​の​鏡​から​なり、​電極​に​電圧​を​印加​する​こと​により、​金​膜​の​鏡​と​の​間​に​働く​クーロン​力​を​介​し​て、​この​鏡​を​前後​方向​に​高​精度​に​微動​させる​という​もの​で​ある。​上記​の​多く​の​色​を​含​ん​だ​光​を​分光​し、​可変​鏡​で​反射​させる​こと​により、​各色​の​光​の​光​路​長​を​光​の​波長​以下​の​精度​で​制御​できる。​すなわち、​各色​の​光​の​位相​を​個別に​制御​できる​ので​ある。​この​こと​から、​可変​鏡​の​形状​によって、​出力​さ​れる​光​パルス​の​時間​幅​が​決まる​ことに​なる。​以上​の​よう​に、​光​パルス​圧縮​器​として​可変​鏡​を​導入​する​こと​により、​繊細​かつ​柔軟、​さらには​動的​な​位相​制御​が​可能​と​なる。
​可変​鏡​を​用いる​大きな​利点​が​もう​ひとつ​ある。​光​パルス​圧縮​の​自動化​で​ある。​これ​は、​電子​的​に、​すなわち​動的​に​制御​可能​な​システム​で​あれ​ば​こそ​の​利点​で​ある。​さらに、​このことを応用すれば、​一度​構築​した​システム​の​メンテナンス​も​極めて​簡便​な​もの​と​なる。

 

本​システム​の​構築​における​課題​を​まとめる​と、​以下​の​よう​に​なる。

 

・ 光​パルス​圧縮​器​の​パーツ​を、​固定​型​の​パーツ​(プリズム​対​など)​から​動的​制御​型​の​パーツ​(可変​鏡)​に​変更​し、​その​制御​プログラム​を​作成​する。
​・ 光​パルス​圧縮​の​過程、​すなわち​位相​制御​を​自動化​する。

 

3. ソリューション

3-1. システム​構成

 

今回​構築​した​システム​の​構成​図​を​図​2(右上​の​画像​参照)​に​示す。​広帯域​光​パルス​発生​器​((N)OPA)​から​出力​さ​れる​光​パルス​を、​可変​鏡​を​用​い​た​光​パルス​圧縮​器​に​て​圧縮​する。​ここ​で、​可変​鏡​の​形状​は、​LabVIEW​で​電極​に​与える​電圧​を​指示​する​こと​により​決定​さ​れる。​光​パルス​圧縮​器​から​出力​さ​れ​た​光​パルス​は、​オートコリレータ​および​FROG​計測​器​に​て​評価​さ​れる。​光​パルス​の​自己​相関​波形​もしくは​FROG​トレース​を​PC​で​集録​し、​LabView​で​作成​した​ソフトウェア​で​解析​する​こと​によって、​光​パルス​の​時間​幅​が​求まる。​光​パルス​の​時間​幅​が​最も​短​く​なる​よう​に、​可変​鏡​に​与える​電圧​を、​LabVIEW​ソフトウェア​上​で​調整​する​こと​により、​求める​極​短​光​パルス​が​得​られる。​作成​した​LabVIEW​ソフトウェア​の​スクリーン​ショット​を​図​3(右上​の​画像​参照)​に​示す。

 

ここ​で、​前​に​述​べた​よう​な“真​の”極​短​光​パルス、​すなわち、​全て​の​波長​の​位相​が​揃​っ​た​光​を​発生​させる​ため​に​は、​可変​鏡​の​形状​の​最適​値​を​求め​な​け​れ​ば​なら​ない。​そこで、​光​パルス​圧縮​システム​(可変​鏡)、​光​パルス​評価​システム​(オートコリレータ​もしくは​FROG​計測​器)、​データ​集録​システム​(光​検出​器​および​PC)​を​統合​し、​LabVIEW​に​て​管理・​計測・​制御​する​こと​により、​光​パルス​圧縮​の​自動​最適​化​システム​を​構築​した。​その​フィードバック​ループ​の​概念​図​を​図​4(右上​の​画像​参照)​に​示す。​すなわち、​ある​可変​鏡​の​形状​に​対応​した​光​パルス​の​自己​相関​波形​の​時間​幅​を​計測​し、​これ​を​元​に​次​の​可変​鏡​の​形状​を​決定​する。​これ​を​繰り返す​こと​により、​光​パルス​の​時間​幅​が​最も​狭​く​なる​よう​な​可変​鏡​の​形状​を​自動​で​求める​こと​が​できる。

 

3-2. 結果

光​パルス​圧縮​器​において、​固定​型​の​パーツ​で​ある​プリズム・​回折​格子​対​を、​LabVIEW​による​電子​的​かつ​柔軟、​繊細​な​制御​が​可能​な​可変​鏡​に​変更​する​こと​で、​光​パルス​圧縮​に​かかる​時間​および​その​精度​が​大幅​に​改善​した。​特に、​発生​した​光​パルス​を、​時間​分解​分光​など​の​測定​システム​として​用いる​場合​を​例​に​挙げる​と、​その​時間​分解能​は​従来​の​2​倍以上となった。
​さらに、​LabView​を​用​い​て​光​パルス​圧縮​の​自動​最適​化​システム​を​構築​した​結果、​圧縮の作業そのものが自動化され、​従来とは比べ物にならないほど高速化および簡便化された。​特に、​最適​化​システム​の​初期​値​(可変​鏡​の​初期​形状)​を​適切​に​与​え​た​場合​に​は、​数分​程度​で​最適​値​を​見つけ出す​こと​が​できる。​これ​は、​従来​行​って​い​た​プリズム​もしくは​回折​格子​対​を​用​い​た​パルス​圧縮​が、​数​十分​~​数時間​を​要する​ことに​比べる​と​飛躍​的​な​改善​で​ある。​また、​この​こと​は、​一度構築したシステムのメンテナンスにも利用できることを考えれば、​極めて​有利​な​点​で​ある。

 

最後​に、​FROG​計測​プログラム​および​可変​鏡​制御​プログラム​の​開発​に​要​した​時間​は​約​1​日、​自動​最適​化​プログラム​開発​に​要​した​時間​は​1​週間​程度​で​あり、​極めて​迅速​に​システム​を​構築​する​こと​が​でき​た。

図​1: ​ ​可変​鏡​による​パルス​圧縮​の​模式​図。 ​