JP5448666B2 - Pulsed light generator - Google Patents
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Description
本発明は、数フェムト秒程度の超短パルスを発生させる際に好適なパルス光発生装置に関する。 The present invention relates to a pulsed light generator suitable for generating an ultrashort pulse of about several femtoseconds.
光パルスは、光情報伝送や各種光計測において必要不可欠であり、一般的には光の1パルスが1ビットに相当する情報を担う。また、この光パルスは、例えば時間分解分光測定等を始めとした各種光計測においても用いられ、被測定対象としての物質の光学応答や電子のダイナミクスを調査する各種基礎研究、応用研究に加え、作製した電子デバイスの性能評価等に対しても適用される。 An optical pulse is indispensable in optical information transmission and various optical measurements. In general, one pulse of light carries information corresponding to one bit. In addition, this light pulse is also used in various optical measurements such as time-resolved spectroscopy, etc., in addition to various basic research and applied research to investigate the optical response and electronic dynamics of the substance as the measurement target, The present invention is also applied to performance evaluation of manufactured electronic devices.
この光パルスのうち、特にピコ秒からフェムト秒に至る時間領域のパルス幅をもつ超短パルス光は、非常に高い時間分解能を以って超高速現象を観測するための光源として、分子分光学、固体物理学、プラズマ物理学、化学等の広汎な学術領域において用いられ、光通信や光情報処理等の各種工学分野における超高速光技術としても応用されてきている。 Among these optical pulses, ultrashort pulse light with a pulse width in the time domain from picoseconds to femtoseconds is particularly used as a light source for observing ultrafast phenomena with very high time resolution. It is used in a wide range of academic fields such as solid state physics, plasma physics, and chemistry, and has been applied as an ultrafast optical technology in various engineering fields such as optical communication and optical information processing.
このような超短パルス光は、従来において、過飽和吸収体や電気光変調素子、音響光学変調素子等のいわゆるモードロッカーと呼ばれる素子を光共振器内に挿入し、その光共振器の共振周波数とモードロッカーの周波数とを組み合わせて発生させるのが一般的である(例えば、特許文献1、2参照。)。しかしながら、この発生方法では、発光のパルス幅が過飽和吸収体や電気光変調素子、音響光学変調素子、あるいは利得媒質のバンド幅に制限され、50フェムト秒領域までの超短パルスまでしか発生させることができない。50フェムト秒以下の光パルスは自己位相変調法など非線形現象を利用して作ることが可能ではあるが、このような非線形現象を誘発するためには強く安定な光源が必要であり、大型で高額な装置が必要である。このため、簡便に高速な50フェムト秒以下のパルス幅を発生することができる装置が従来より望まれていた。 Conventionally, such an ultra-short pulse light is obtained by inserting an element called a mode locker such as a saturable absorber, an electro-optic modulation element, or an acousto-optic modulation element into an optical resonator, and the resonance frequency of the optical resonator. In general, the frequency is generated in combination with the frequency of the mode locker (see, for example, Patent Documents 1 and 2). However, with this generation method, the pulse width of light emission is limited to the saturable absorber, electro-optic modulation element, acousto-optic modulation element, or gain medium bandwidth, and only a very short pulse up to 50 femtoseconds is generated. I can't. Light pulses of 50 femtoseconds or less can be generated using nonlinear phenomena such as self-phase modulation, but a strong and stable light source is required to induce such nonlinear phenomena, which is large and expensive. Equipment is required. For this reason, an apparatus capable of easily generating a high-speed pulse width of 50 femtoseconds or less has been desired.
そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、50フェムト秒以下のパルス幅を発生することが可能なパルス光発生装置を簡易で安価に提供することにある。 Accordingly, the present invention has been devised in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a simple and inexpensive pulsed light generator capable of generating a pulse width of 50 femtoseconds or less. It is to provide.
本願請求項1記載の発明は、連続(CW)光を出射する光出射手段と、上記光出射手段から出射されたCW光が入射され、上記CW光の入射方向に対して非対称な形状からなるナノメータサイズの偏光子をガラス板内に配列させた偏光変換手段と、上記偏光変換手段を通過した光のうち所定の偏光成分を透過させることにより、所定時間毎にパルス光を発生させる偏光板とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 1 of the present application has a light emitting means for emitting continuous (CW) light, and CW light emitted from the light emitting means, and has an asymmetric shape with respect to the incident direction of the CW light. A polarization converting means in which nanometer-sized polarizers are arranged in a glass plate, and a polarizing plate that generates a pulsed light every predetermined time by transmitting a predetermined polarization component of the light that has passed through the polarization converting means. It is characterized by providing.
本願請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、上記偏光子は、上記CW光の入射方向に対して略直交する方向に凸設された凸部を有することを特徴とする。
The invention according to
本願請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、上記偏光変換手段は、上記入射されたCW光に基づいて上記凸部近傍に近接場光を発生させ、連続して入射される上記CW光の磁場振動方向を上記発生させた近接場光に基づいて変化させることを特徴とする。
The invention according to claim 3 of the present application is the invention according to
上述した構成からなる本発明を適用したパルス光発生装置によれば、入射方向に対して非対称な形状からなるナノメータサイズの偏光子をガラス板内に配列させる。そして、入射されたCW光に基づいてその非対称とされた形状の近傍に近接場光を発生させ、連続して入射されるCW光の磁場振動方向を発生させた近接場光に基づいて変化させる。その結果、偏光成分の長軸と短軸が直交していない形とすることが可能となり、ひいては発生した位相の飛びによって生じる周期的なピークをパルスとして取り出すことが可能となる。このパルス光は、フェムト秒オーダのパルス幅とすることで極めて高速なパルスを生成できる。また、パルス間隔もフェムト秒オーダで構成することが可能となり、超高速変調を実現することができる。 According to the pulse light generator to which the present invention having the above-described configuration is applied, a nanometer-size polarizer having an asymmetric shape with respect to the incident direction is arranged in the glass plate. Then, near-field light is generated in the vicinity of the asymmetric shape based on the incident CW light, and the magnetic field oscillation direction of the continuously incident CW light is changed based on the generated near-field light. . As a result, it is possible to make the major axis and minor axis of the polarization component not orthogonal to each other, and it is possible to take out a periodic peak caused by the generated phase jump as a pulse. This pulsed light can generate a very high-speed pulse by setting the pulse width to the femtosecond order. In addition, the pulse interval can be configured in the femtosecond order, and ultrahigh-speed modulation can be realized.
以下、本発明を実施するための形態として、数フェムト秒程度の超短パルスを発生させるパルス光発生装置について、図面を参照しながら詳細に説明をする。 Hereinafter, a pulsed light generator that generates an ultrashort pulse of about several femtoseconds will be described in detail with reference to the drawings as a mode for carrying out the present invention.
本発明を適用したパルス光発生装置1は、例えば図1に示すように、連続(CW)光を出射する光源11と、この光源11から出射されたCW光を通過させ、後述する偏光変換処理を行う偏光変換部12と、偏光変換部12を通過した光のうち所定の偏光成分を透過させる偏光板13とを備えている。
A pulsed light generator 1 to which the present invention is applied includes, for example, as shown in FIG. 1, a
光源11は、図示しない電源装置を介して受給した駆動電源に基づき、所定波長からなるCW光を発振する。この光源11は、例えば、Nd:YAG等の固体レーザ、GaAs等の半導体レーザ、ArF等のガスレーザ等の各種レーザ、さらには、LEDもしくはキセノンランプ等で構成されていてもよい。
The
偏光変換部12は、光源11から出射されるCW光が入射される。偏光変換部12は、ガラス板21と、このガラス板21中に配列させた偏光子22とを備えている。なお、この偏光子22は、ガラス板21の内部に埋設する場合に限定されるものではなく、ガラス板21の表面において形成されるものであってもよい。また、ガラス板21の代替として、例えば樹脂製の基板等を用いるようにしてもよい。
The
図2(a)は、一の偏光子22の拡大斜視図を、また図2(b)は、偏光子22の拡大平面図を示している。偏光子22は、本体部31と、この本体部31から外側に凸設された凸部32とを備えている。この偏光子22は、Al, Cr、Au、Pt等の材料から構成されている。この偏光子22の形状は如何なるものであってもよいが、この図2の例では、本体部31を直方体状に構成した場合を示している。また、偏光子22は、ナノメータサイズで構成されており、例えば本体部31の一辺が250nm以下からなるようにしてもよい。また、この偏光子22をガラス板21内に配列させる方法としては、EBリソグラフィ、フォトリソグラフィ、近接場リソグラフィ、によるパターン転写とエッチングによる加工を行う。
FIG. 2A shows an enlarged perspective view of one
凸部32は、上記光源11から入射されるCW光の入射方向Aに対して略直交する方向に凸設されてなる。この凸部32は、図2(b)に示すように、平面的に見たときに、本体部31の一辺から凸設された形状で構成されている。かかる凸部32が形成されていることにより、偏光子22は、この図2(b)の平面図に示すように、CW光の入射方向にから見たときに非対称な形状からなる。凸部32の上面は、本体部31の上面と同一平面を形成するように構成されている。これに対して、凸部32の底面は、本体部31の底面よりも高くなるように構成されている。
The
なお、この凸部32は、CW光の入射方向にから見たときに非対称な形状からなるものであれば、いかなる箇所に設けられていてもよく、また複数個に亘って形成されていてもよい。なお、この偏光子22の微細加工方法としては、例えばレーザ加工等により凸部32と本体部31の形状を作り出すようにしてもよい。
The
次に、本発明を適用したパルス光発生装置の動作について説明をする。 Next, the operation of the pulsed light generator to which the present invention is applied will be described.
先ず光源11からCW光を出射する。出射されたCW光は、偏光変換部12へ入射される。
First, CW light is emitted from the
偏光変換部12へ入射されたCW光は、偏光子22に到達する。
The CW light incident on the
図3(a)は、この偏光変換部12へ入射したCW光の偏光成分を示している。この図3では、CW光の磁場の方向を示しており、横軸がTE(Transverse Electric)、縦軸がTM(Transverse Magnetic)に相当する。仮に入射してきたCW光が円偏光である場合には、図3(a)に示すようにTE偏光電場、TM偏光電場ともにほぼ同程度の振動磁場の変化量となり、この偏光成分の長軸と短軸は互いに直交している状態となる。
FIG. 3A shows the polarization component of the CW light incident on the
この偏光子22にCW光が照射された場合、図4に示すように凸部32の近傍において近接場光が発生することになる。このような近接場光が発生した状態でCW光を連続的に照射し続けると、近接場光の周波数とほぼ同期して電流の向きが変化する。この電流の向きは、発生した近接場光によってさらに変化することになり、図3(b)に示すように数周期分の光の電場振動が繰り返されると、光の電場振動と、偏光子22構造固有の分極振動との差が大きくなり、分極振動の振動方向の変化量が大きくなる。その結果、ある周期以降において、入射されるCW光と、この偏光子22に基づいて生じる、一致する分極振動の偏光が変化することになり、図3(b)に示すような、いわゆる位相の飛びが生じることになる。
When the
このような図3(b)に示すような偏光成分からなる光が偏光変換部12から出射することになる。この出射する偏光成分は、偏光成分の長軸と短軸が直交していない形となる。図5(a)は、この図3(b)に示す偏光成分について、横軸を光の位相(×π)、縦軸をその振幅としている。上述した偏光成分の変化によって、周期的にピークが発生しているのが分かる。
Such light having a polarization component as shown in FIG. 3B is emitted from the
本発明では、この発生した位相の飛びによって生じる周期的なピークをパルスとして取り出すために、この偏光変換部12から出射された光を偏光板13へ入射させる。この偏光板13は、ちょうどパルスとして取り出すべきピークの位相に相当する偏光成分のみ透過できるように設定されている。その結果、この偏光板13を透過した光は、図5(b)に示すように所定時間毎に発生するパルスとなる。
In the present invention, the light emitted from the
図6は、実際に本発明を適用したパルス光発生装置1における偏光変換部12から出射させた光の光強度を時系列的に表したものである。この図6では、横軸に時間(フェムト(f)秒)、縦軸を光強度(W)としている。一般的に、偏光の周期は、フェムト秒オーダであることから、周期的に発生する位相の飛びに基づくピークは、フェムト秒オーダ間隔で発生する。図6では、10フェムト秒以下の時間間隔でピークが発生しているのが分かる。また、ピークの幅は、更に小さく、1フェムト秒以下まで狭小化させることが可能となる。このため、偏光板13を用いてこのピークを取り出すことにより、1フェムト秒以下のパルス光を10フェムト秒以下の時間間隔で発生させることが可能となる。
FIG. 6 shows the light intensity of the light emitted from the
このように、本発明を適用したパルス光発生装置1によれば、入射方向に対して非対称な形状からなるナノメータサイズの偏光子をガラス板内に配列させる。そして、入射されたCW光に基づいてその非対称とされた形状の近傍に近接場光を発生させ、連続して入射されるCW光の磁場振動方向を発生させた近接場光に基づいて変化させる。その結果、偏光成分の長軸と短軸が直交していない形とすることが可能となり、ひいては発生した位相の飛びによって生じる周期的なピークをパルスとして取り出すことが可能となる。このパルス光は、フェムト秒オーダのパルス幅とすることで極めて高速なパルスを生成できる。また、パルス間隔もフェムト秒オーダで構成することが可能となり、超高速変調を実現することができる。 Thus, according to the pulsed light generator 1 to which the present invention is applied, the nanometer-sized polarizers having an asymmetric shape with respect to the incident direction are arranged in the glass plate. Then, near-field light is generated in the vicinity of the asymmetric shape based on the incident CW light, and the magnetic field oscillation direction of the continuously incident CW light is changed based on the generated near-field light. . As a result, it is possible to make the major axis and minor axis of the polarization component not orthogonal to each other, and it is possible to take out a periodic peak caused by the generated phase jump as a pulse. This pulsed light can generate a very high-speed pulse by setting the pulse width to the femtosecond order. In addition, the pulse interval can be configured in the femtosecond order, and ultrahigh-speed modulation can be realized.
これに加えて、本発明によれば、非常に簡単な構造で、CW光からフェムト秒オーダの光パルスを発生させることができ、製造コストを低減することが可能となる。またパルス発生装置としての用途以外に、モードロッカーとしても機能させることができ、その多岐の用途への応用も期待できる。 In addition, according to the present invention, it is possible to generate a femtosecond order optical pulse from CW light with a very simple structure, thereby reducing the manufacturing cost. In addition to its use as a pulse generator, it can also function as a mode locker, and can be expected to be used in various applications.
1 パルス光発生装置
11 光源
12 偏光変換部
13 偏光板
21 ガラス板
22 偏光子
31 本体部
32 凸部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
上記光出射手段から出射されたCW光が入射され、上記CW光の入射方向に対して非対称な形状からなるナノメータサイズの偏光子を基板内又は基板上に配列させた偏光変換手段と、
上記偏光変換手段を通過した光のうち所定の偏光成分を透過させることにより、所定時間毎にパルス光を発生させる偏光板とを備えること
を特徴とするパルス光発生装置。 Light emitting means for emitting continuous (CW) light;
Polarization conversion means in which CW light emitted from the light emission means is incident and nanometer-size polarizers having an asymmetric shape with respect to the incident direction of the CW light are arranged in or on the substrate;
A pulsed light generator comprising: a polarizing plate that generates pulsed light at predetermined time intervals by transmitting a predetermined polarized light component of the light that has passed through the polarization converting means.
を特徴とする請求項1記載のパルス光発生装置。 The pulsed light generator according to claim 1, wherein the polarizer has a convex portion that is projected in a direction substantially orthogonal to the incident direction of the CW light.
を特徴とする請求項2記載のパルス光発生装置。 The polarization conversion unit generates near-field light in the vicinity of the convex portion based on the incident CW light, and based on the generated near-field light in the direction of magnetic field oscillation of the continuously incident CW light. The pulsed light generator according to claim 2, wherein
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