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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023140552
(43)【公開日】2023-10-05
(54)【発明の名称】光学特性計測装置および光学特性計測方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/17 20060101AFI20230928BHJP
G01J 11/00 20060101ALI20230928BHJP
G01M 11/02 20060101ALI20230928BHJP
G01N 21/41 20060101ALI20230928BHJP
G01J 3/453 20060101ALI20230928BHJP
【ＦＩ】
G01N21/17 610
G01J11/00
G01M11/02 K
G01N21/41 Z
G01J3/453
【審査請求】未請求
【請求項の数】21
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022046443
(22)【出願日】2022-03-23
(71)【出願人】
【識別番号】000236436
【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088155
【弁理士】
【氏名又は名称】長谷川 芳樹
(74)【代理人】
【識別番号】100113435
【弁理士】
【氏名又は名称】黒木 義樹
(74)【代理人】
【識別番号】100140442
【弁理士】
【氏名又は名称】柴山 健一
(74)【代理人】
【識別番号】100174399
【弁理士】
【氏名又は名称】寺澤 正太郎
(72)【発明者】
【氏名】高橋 永斉
(72)【発明者】
【氏名】渡辺 向陽
(72)【発明者】
【氏名】里園 浩
(72)【発明者】
【氏名】重松 恭平
(72)【発明者】
【氏名】井上 卓
【テーマコード（参考）】
2G020
2G059
2G065
【Ｆターム（参考）】
2G020CB05
2G020CB42
2G020CC02
2G020CC25
2G020CC26
2G020CC29
2G020CC32
2G020CD22
2G020CD37
2G059AA02
2G059AA10
2G059GG01
2G059GG08
2G059HH01
2G059JJ05
2G059JJ19
2G059KK01
2G059MM09
2G059MM10
2G065AA04
2G065AB02
2G065BA01
2G065BB15
2G065BB25
2G065BC33
2G065BC35
(57)【要約】
【課題】二種類以上の光学特性の計測を、一つの装置を用いて行うことを可能にする。
【解決手段】パルス形成部３は、パルス光ＰＬを生成するとともに、計測される光学特性の種類に応じてパルス光ＰＬの時間波形を変更可能である。波形計測部５は、計測対象物Ｂに照射されたのち計測対象物Ｂから出力されたパルス光ＰＬの時間波形を計測する。光学系４は、パルス光ＰＬを構成する一の波長成分に対する減衰率がパルス光ＰＬを構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部４１を有する。光学系４は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態と、該光路上に減光部４１が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能とされている。解析部６は、波形計測部５において計測された時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの光学特性を求める。
【選択図】図１
【解決手段】パルス形成部３は、パルス光ＰＬを生成するとともに、計測される光学特性の種類に応じてパルス光ＰＬの時間波形を変更可能である。波形計測部５は、計測対象物Ｂに照射されたのち計測対象物Ｂから出力されたパルス光ＰＬの時間波形を計測する。光学系４は、パルス光ＰＬを構成する一の波長成分に対する減衰率がパルス光ＰＬを構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部４１を有する。光学系４は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態と、該光路上に減光部４１が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能とされている。解析部６は、波形計測部５において計測された時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの光学特性を求める。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
計測対象物の光学特性を計測する装置であって、
パルス光を生成するとともに、計測される前記光学特性の種類に応じて前記パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部と、
前記計測対象物に照射されたのち前記計測対象物から出力された前記パルス光の時間波形を計測する波形計測部と、
前記パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率が前記パルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部を有する光学系であって、前記計測対象物から出力される前記パルス光の光路上に前記減光部が配置される第１の状態と、前記光路上に前記減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な前記光学系と、
前記時間波形に基づいて、前記計測対象物の光学特性を求める解析部と、
を備える、光学特性計測装置。
パルス光を生成するとともに、計測される前記光学特性の種類に応じて前記パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部と、
前記計測対象物に照射されたのち前記計測対象物から出力された前記パルス光の時間波形を計測する波形計測部と、
前記パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率が前記パルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部を有する光学系であって、前記計測対象物から出力される前記パルス光の光路上に前記減光部が配置される第１の状態と、前記光路上に前記減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な前記光学系と、
前記時間波形に基づいて、前記計測対象物の光学特性を求める解析部と、
を備える、光学特性計測装置。
【請求項2】
前記光学系において、前記減光部が前記パルス光の光軸と交差する方向に移動可能である、請求項１に記載の光学特性計測装置。
【請求項3】
前記光学系は、前記パルス光のための２つの光路を相互に切り替えるための構成を有し、
前記減光部は、前記２つの光路のうちいずれかの光路上に配置される、請求項１に記載の光学特性計測装置。
前記減光部は、前記２つの光路のうちいずれかの光路上に配置される、請求項１に記載の光学特性計測装置。
【請求項4】
前記計測される光学特性の種類には、光照射に起因する前記計測対象物内部の時間応答と、前記計測対象物の波長分散量とが含まれ、
前記光学系は、前記時間応答の計測時には前記第１の状態とされ、前記波長分散量の計測時には前記第２の状態とされる、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
前記光学系は、前記時間応答の計測時には前記第１の状態とされ、前記波長分散量の計測時には前記第２の状態とされる、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項5】
前記パルス形成部は、前記時間応答の計測時に、前記パルス光として、ポンプ光の波長を含む第１パルス光、プローブ光の波長を含む第２パルス光、並びに、前記ポンプ光の波長及び前記プローブ光の波長を含む第３パルス光を共通の光軸上に生成し、
前記減光部の前記ポンプ光に対する減衰率が前記減光部の前記プローブ光に対する減衰率よりも大きく、
前記波形計測部は、前記減光部を通過した前記第１パルス光の時間波形である第１時間波形、前記減光部を通過した前記第２パルス光の時間波形である第２時間波形、及び、前記減光部を通過した前記第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測し、
前記解析部は、前記第１時間波形、前記第２時間波形、及び前記第３時間波形に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項４に記載の光学特性計測装置。
前記減光部の前記ポンプ光に対する減衰率が前記減光部の前記プローブ光に対する減衰率よりも大きく、
前記波形計測部は、前記減光部を通過した前記第１パルス光の時間波形である第１時間波形、前記減光部を通過した前記第２パルス光の時間波形である第２時間波形、及び、前記減光部を通過した前記第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測し、
前記解析部は、前記第１時間波形、前記第２時間波形、及び前記第３時間波形に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項４に記載の光学特性計測装置。
【請求項6】
前記解析部は、前記第３時間波形と前記第１時間波形との差分と、前記第２時間波形との比較に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項５に記載の光学特性計測装置。
【請求項7】
前記パルス形成部において、前記第３パルス光に含まれる前記ポンプ光の波長の成分の強度ピークと前記プローブ光の波長の成分の強度ピークとの時間間隔が可変である、請求項５または６に記載の光学特性計測装置。
【請求項8】
前記パルス形成部において、前記第３パルス光に含まれる前記ポンプ光の波長の成分のパルス幅と前記プローブ光の波長の成分のパルス幅との比が可変である、請求項５～７のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項9】
前記第３パルス光に含まれる前記ポンプ光の波長の成分のパルス幅は、前記第３パルス光に含まれる前記プローブ光の波長の成分のパルス幅よりも小さい、請求項５～８のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項10】
前記パルス形成部は、前記波長分散量の計測時に、前記パルス光として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスを含む光パルス列を形成し、
前記波形計測部は、前記計測対象物を通過した前記光パルス列の時間波形を計測し、
前記解析部は、前記光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて前記計測対象物の波長分散量を推定する、請求項４～９のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
前記波形計測部は、前記計測対象物を通過した前記光パルス列の時間波形を計測し、
前記解析部は、前記光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて前記計測対象物の波長分散量を推定する、請求項４～９のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項11】
前記パルス形成部は、入力光の位相変調と強度変調のうち少なくともいずれか一方を行うことにより前記パルス光を生成する空間光変調器を有する、請求項１～１０のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項12】
前記波形計測部は、前記計測対象物と前記光学系との間又は前記光学系の後段に配置され、前記パルス光を相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する相関光学系を有し、
前記解析部は、相関光に変換された前記パルス光に基づいて前記計測対象物の光学特性を求める、請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
前記解析部は、相関光に変換された前記パルス光に基づいて前記計測対象物の光学特性を求める、請求項１～１１のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項13】
前記波形計測部は、前記計測対象物と前記光学系との間又は前記光学系の後段に配置され、前記パルス光の時間幅を伸張させる光学部品を有する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項14】
前記減光部は、前記一の波長成分の波長を遮断帯域内に含み、前記別の波長成分の波長を透過帯域内に含む波長フィルタを有する、請求項１～１３のいずれか１項に記載の光学特性計測装置。
【請求項15】
計測対象物にパルス光を照射して前記計測対象物の光学特性を計測する方法であって、
前記計測対象物から出力される前記パルス光の光路上に、前記パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率が前記パルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部が配置される第１の状態と、前記光路上に前記減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な光学系においていずれかの状態を選択するステップと、
前記パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部を用いて、計測される前記光学特性の種類に応じた時間波形を有する前記パルス光を前記計測対象物に照射するステップと、
前記光学系を通過した前記パルス光の時間波形を計測するステップと、
前記時間波形に基づいて、前記計測対象物の光学特性を求めるステップと、
を含む、光学特性計測方法。
前記計測対象物から出力される前記パルス光の光路上に、前記パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率が前記パルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部が配置される第１の状態と、前記光路上に前記減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な光学系においていずれかの状態を選択するステップと、
前記パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部を用いて、計測される前記光学特性の種類に応じた時間波形を有する前記パルス光を前記計測対象物に照射するステップと、
前記光学系を通過した前記パルス光の時間波形を計測するステップと、
前記時間波形に基づいて、前記計測対象物の光学特性を求めるステップと、
を含む、光学特性計測方法。
【請求項16】
前記計測される光学特性の種類には、光照射に起因する前記計測対象物内部の時間応答と、前記計測対象物の波長分散量とが含まれ、
前記状態を選択するステップでは、前記時間応答の計測時には前記第１の状態を選択し、前記波長分散量の計測時には前記第２の状態を選択する、請求項１５に記載の光学特性計測方法。
前記状態を選択するステップでは、前記時間応答の計測時には前記第１の状態を選択し、前記波長分散量の計測時には前記第２の状態を選択する、請求項１５に記載の光学特性計測方法。
【請求項17】
前記時間応答の計測時には、前記照射するステップ及び前記計測するステップを交互に繰り返し、
一の前記照射するステップでは、ポンプ光の波長を含む前記パルス光である第１パルス光を所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第１パルス光の時間波形である第１時間波形を計測し、
別の前記照射するステップでは、プローブ光の波長を含む前記パルス光である第２パルス光を前記所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第２パルス光の時間波形である第２時間波形を計測し、
更に別の前記照射するステップでは、前記ポンプ光の波長及び前記プローブ光の波長を含む前記パルス光である第３パルス光を前記所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測し、
前記計測対象物の光学特性を求めるステップでは、前記第１時間波形、前記第２時間波形、及び前記第３時間波形に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項１６に記載の光学特性計測方法。
一の前記照射するステップでは、ポンプ光の波長を含む前記パルス光である第１パルス光を所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第１パルス光の時間波形である第１時間波形を計測し、
別の前記照射するステップでは、プローブ光の波長を含む前記パルス光である第２パルス光を前記所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第２パルス光の時間波形である第２時間波形を計測し、
更に別の前記照射するステップでは、前記ポンプ光の波長及び前記プローブ光の波長を含む前記パルス光である第３パルス光を前記所定の光軸に沿って前記計測対象物に照射し、該照射するステップに続く前記計測するステップでは、前記計測対象物から出力されたのち前記減光部を通過した前記第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測し、
前記計測対象物の光学特性を求めるステップでは、前記第１時間波形、前記第２時間波形、及び前記第３時間波形に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項１６に記載の光学特性計測方法。
【請求項18】
前記光学特性を求めるステップでは、前記第３時間波形と前記第１時間波形との差分と、前記第２時間波形との比較に基づいて前記計測対象物の時間応答を求める、請求項１７に記載の光学特性計測方法。
【請求項19】
前記第３パルス光に含まれる前記ポンプ光の波長の成分のパルス幅を、前記第３パルス光に含まれる前記プローブ光の波長の成分のパルス幅よりも小さくする、請求項１７または１８に記載の光学特性計測方法。
【請求項20】
前記第１時間波形及び前記第２時間波形を計測したのちに前記第３時間波形を計測する、請求項１７～１９のいずれか１項に記載の光学特性計測方法。
【請求項21】
前記波長分散量の計測時には、
前記照射するステップにおいて、前記パルス光として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスを含む光パルス列を前記計測対象物に照射し、
前記計測するステップにおいて、前記計測対象物を通過した前記光パルス列の時間波形を計測し、
前記光学特性を求めるステップにおいて、前記光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて前記計測対象物の波長分散量を推定する、請求項１６に記載の光学特性計測方法。
前記照射するステップにおいて、前記パルス光として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスを含む光パルス列を前記計測対象物に照射し、
前記計測するステップにおいて、前記計測対象物を通過した前記光パルス列の時間波形を計測し、
前記光学特性を求めるステップにおいて、前記光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて前記計測対象物の波長分散量を推定する、請求項１６に記載の光学特性計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学特性計測装置および光学特性計測方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１は、分散測定装置に関する技術を開示する。この分散測定装置は、パルス形成部と、相関光学系と、光検出部と、演算部と、を備える。パルス形成部は、測定対象から出力された第１光パルスから、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の第２光パルスを含む光パルス列を形成する。相関光学系は、パルス形成部から出力された光パルス列を受け、該光パルス列の相互相関又は自己相関を含む相関光を出力する。光検出部は、相関光の時間波形を検出する。演算部は、時間波形の特徴量に基づいて、測定対象の波長分散量を推定する。
【0003】
非特許文献１は、時間分解分光計測を開示する。この文献に記載された方法では、試料を励起するポンプ光と、試料の特性変化を検出するプローブ光との時間差を変化させることにより、試料の時間応答を評価する。非特許文献２は、中心波長が互いに異なる複数の光パルスを用いる時間分解計測方法を開示する。この文献に記載された方法では、光パラメトリック増幅器（Optical parametric amplifier；ＯＰＡ）を用いて波長変換を行うことにより、波長が互いに異なる複数の光パルスを発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１６９９４６号公報
【非特許文献】
【0005】
【非特許文献1】Jahan M. Dawlaty et al., "Measurement of ultrafast carrierdynamics in epitaxial graphene", Applied Physics Letters, 92, 042116(2008)
【非特許文献2】Masataka Kobayashi et al., "Fast-frame single-shot pump-probespectroscopy with chirped-fiber Bragg gratings", Optics Letters, Volume44, Issue 1, pp. 163-166 (2019)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
計測対象物にパルス光を照射して計測対象物の光学特性を計測する際には、計測される光学特性の種類に応じて異なる装置が用いられる。例えば、互いに波長が異なるポンプ光及びプローブ光を計測対象物に照射し、ポンプ光の照射に起因する計測対象物内部の特性変化を、計測対象物から出力されるプローブ光の時間変化に基づいて評価する装置（時間応答計測装置）が知られている。また、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスを含む光パルス列を計測対象物に照射し、計測対象物を通過した光パルス列の時間波形の特徴量（例えばパルス間隔）に基づいて、計測対象物の波長分散量を推定する装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。従って、二種類以上の光学特性を計測したい場合、各光学特性の種類に応じた二つ以上の装置を用意する必要がある。
【0007】
本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、二種類以上の光学特性の計測、例えば、時間応答計測及び波長分散計測を、一つの装置を用いて行うことができる光学特性計測装置および光学特性計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本開示による光学特性計測装置は、計測対象物の光学特性を計測する装置であって、パルス形成部と、波形計測部と、光学系と、解析部と、を備える。パルス形成部は、パルス光を生成するとともに、計測される光学特性の種類に応じてパルス光の時間波形を変更可能である。波形計測部は、計測対象物に照射されたのち計測対象物から出力されたパルス光の時間波形を計測する。光学系は、パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率がパルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部を有する。光学系は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置される第１の状態と、該光路上に減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能である。解析部は、時間波形に基づいて、計測対象物の光学特性を求める。
【0009】
本開示による光学特性計測方法は、計測対象物にパルス光を照射して計測対象物の光学特性を計測する方法であって、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に、パルス光を構成する一の波長成分に対する減衰率がパルス光を構成する別の波長成分に対する減衰率よりも大きい減光部が配置される第１の状態と、光路上に減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な光学系においていずれかの状態を選択するステップと、パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部を用いて、計測される光学特性の種類に応じた時間波形を有するパルス光を計測対象物に照射するステップと、光学系を通過したパルス光の時間波形を計測するステップと、時間波形に基づいて、計測対象物の光学特性を求めるステップと、を含む。
【0010】
これらの装置および方法では、パルス光の時間波形を変更可能であるパルス形成部を用いて、計測される光学特性の種類に応じて時間波形を設定することができる。また、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置される第１の状態と、光路上に減光部が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な光学系を用いて、光路上の減光部の有無を設定できる。パルス光を構成する一の波長成分に対する減光部の減衰率は、パルス光を構成する別の波長成分に対する減光部の減衰率よりも大きい。従って、パルス光を構成する一の波長成分を、計測対象物通過後に減光することが求められる光学特性の計測（例えば時間応答計測）と、計測対象物通過後に減光しないことが求められる光学特性の計測（例えば波長分散計測）とを、一つの装置を用いて行うことができる。よって、二種類以上の光学特性の計測、例えば、時間応答計測及び波長分散計測を、一つの装置を用いて行うことができる。
【0011】
上記の装置の光学系において、減光部がパルス光の光軸と交差する方向に移動可能であってもよい。或いは、光学系は、パルス光のための２つの光路を相互に切り替えるための構成を有し、減光部は、２つの光路のうちいずれかの光路上に配置されてもよい。これらのうちいずれかの構成を光学系が有することによって、光路上に減光部が配置される第１の状態と、光路上に減光部が配置されない第２の状態とを容易に切り替えることができる。
【0012】
上記の装置において、計測される光学特性の種類には、光照射に起因する計測対象物内部の時間応答と、計測対象物の波長分散量とが含まれ、光学系は、時間応答の計測時には第１の状態とされ、波長分散量の計測時には第２の状態とされてもよい。同様に、上記の方法において、計測される光学特性の種類には、光照射に起因する計測対象物内部の時間応答と、計測対象物の波長分散量とが含まれ、状態を選択するステップでは、時間応答の計測時には第１の状態を選択し、波長分散量の計測時には第２の状態を選択してもよい。時間応答の計測時には、波長が互いに異なるポンプ光及びプローブ光を計測対象物に照射したのち、ポンプ光を除去してプローブ光のみを計測することが望まれる。この場合、ポンプ光は一の波長成分に相当し、プローブ光は別の波長成分に相当する。また、波長分散量の計測時には、波長が互いに異なる複数の光パルスを含む光パルス列を計測対象物に照射し、計測対象物を通過した光パルス列の時間波形を、各波長成分の光強度比を維持しつつ検出することが望まれる。光学系及び状態を選択するステップにおいて、時間応答の計測時には第１の状態が選択され、波長分散量の計測時には第２の状態が選択されることにより、時間応答計測及び波長分散計測を好適に行うことができる。
【0013】
上記の装置において、パルス形成部は、時間応答の計測時に、パルス光として、ポンプ光の波長を含む第１パルス光、プローブ光の波長を含む第２パルス光、並びに、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長を含む第３パルス光を共通の光軸上に生成してもよい。減光部のポンプ光に対する減衰率は、減光部のプローブ光に対する減衰率より大きくてもよい。波形計測部は、減光部を通過した第１パルス光の時間波形である第１時間波形、減光部を通過した第２パルス光の時間波形である第２時間波形、及び、減光部を通過した第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測してもよい。解析部は、第１時間波形、第２時間波形、及び第３時間波形に基づいて計測対象物の時間応答を求めてもよい。
【0014】
上記の方法において、時間応答の計測時には、照射するステップ及び計測するステップを交互に繰り返し、一の照射するステップでは、ポンプ光の波長を含むパルス光である第１パルス光を所定の光軸に沿って計測対象物に照射し、該照射するステップに続く計測するステップでは、計測対象物から出力されたのち減光部を通過した第１パルス光の時間波形である第１時間波形を計測し、別の照射するステップでは、プローブ光の波長を含むパルス光である第２パルス光を所定の光軸に沿って計測対象物に照射し、該照射するステップに続く計測するステップでは、計測対象物から出力されたのち減光部を通過した第２パルス光の時間波形である第２時間波形を計測し、更に別の照射するステップでは、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長を含むパルス光である第３パルス光を所定の光軸に沿って計測対象物に照射し、該照射するステップに続く計測するステップでは、計測対象物から出力されたのち減光部を通過した第３パルス光の時間波形である第３時間波形を計測し、計測対象物の光学特性を求めるステップでは、第１時間波形、第２時間波形、及び第３時間波形に基づいて計測対象物の時間応答を求めてもよい。
【0015】
ポンプ光及びプローブ光の各光軸を互いに傾斜させずに一致させ、その一致した光軸上に配置された計測対象物にポンプ光及びプローブ光を照射する場合、プローブ光はポンプ光が重畳した光として検出される。ポンプ光の照射に起因する計測対象物内部の時間応答をプローブ光によって計測するためには、検出結果からポンプ光の影響を排除することが望まれる。そこで、計測対象物を通過したポンプ光及びプローブ光のうちポンプ光のみを除去することが考えられる。しかしながら、通常、ポンプ光の光強度はプローブ光の光強度よりも格段に大きいので、プローブ光に対して無視できる程度にまでポンプ光を除去することは困難である。一例では、ポンプ光の光強度はプローブ光の光強度のおよそ１００倍である。従って、例えば減衰率９９％の波長フィルタを用いてポンプ光のみを減衰したとしても、プローブ光の光強度とほぼ同程度の光強度のポンプ光が残存する。
【0016】
そこで、上記の装置及び方法では、ポンプ光の波長を含む第１パルス光、プローブ光の波長を含む第２パルス光、並びに、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長を含む第３パルス光を共通の光軸上に生成する。そして、これらの第１パルス光、第２パルス光、及び第３パルス光が光軸上の計測対象物に照射されたのち、減光部がポンプ光の波長の光強度を減衰する。従って、減光部を通過した第１パルス光の時間波形である第１時間波形には、減衰されたポンプ光の時間波形のみが含まれる。また、減光部を通過した第２パルス光の時間波形である第２時間波形には、ポンプ光を照射しないときのプローブ光の時間波形のみが含まれる。また、減光部を通過した第３パルス光の時間波形である第３時間波形には、ポンプ光を照射したときのプローブ光の時間波形と、減衰されたポンプ光の時間波形とを重畳した時間波形が含まれる。これらの時間波形に基づいて、計算によりポンプ光の影響を排除しつつ、ポンプ光の照射に起因する計測対象物内部の時間応答をプローブ光の時間波形から求めることができる。
【0017】
上記の装置において、解析部は、第３時間波形と第１時間波形との差分と、第２時間波形との比較に基づいて計測対象物の時間応答を求めてもよい。同様に、上記の方法において、光学特性を求めるステップでは、第３時間波形と第１時間波形との差分と、第２時間波形との比較に基づいて計測対象物の時間応答を求めてもよい。第３時間波形と第１時間波形との差分を算出することにより、ポンプ光の影響を排除しつつ、ポンプ光が照射されたときのプローブ光の時間波形を得ることができる。そして、この差分と、ポンプ光が照射されないときのプローブ光の時間波形である第２時間波形とを比較することにより、計測対象物内部の時間応答をより正確に求めることができる。
【0018】
上記の装置のパルス形成部において、第３パルス光に含まれるポンプ光の波長の成分の強度ピークとプローブ光の波長の成分の強度ピークとの時間間隔が可変であってもよい。この場合、第３パルス光に含まれるポンプ光とプローブ光との時間間隔を、計測対象物の種類又は性質に応じて適切に設定することが容易にできる。
【0019】
上記の装置のパルス形成部において、第３パルス光に含まれるポンプ光の波長の成分のパルス幅とプローブ光の波長の成分のパルス幅との比が可変であってもよい。この場合、第３パルス光に含まれるポンプ光のパルス幅とプローブ光のパルス幅との比を、計測対象物の種類又は性質に応じて適切に設定することが容易にできる。
【0020】
上記の装置において、第３パルス光に含まれるポンプ光の波長の成分のパルス幅は、第３パルス光に含まれるプローブ光の波長の成分のパルス幅より小さくてもよい。同様に、上記の方法において、第３パルス光に含まれるポンプ光の波長の成分のパルス幅を、第３パルス光に含まれるプローブ光の波長の成分のパルス幅より小さくしてもよい。この場合、例えばポンプ光の幅と同程度の幅を有するプローブ光とポンプ光との時間差を変化させながらプローブ光を複数回検出する方式と比較して、計測作業を更に簡易化できる。
【0021】
上記の方法において、第１時間波形及び第２時間波形を計測したのちに第３時間波形を計測してもよい。第３パルス光の光強度は、第１パルス光及び第２パルス光の各光強度よりも大きい。計測対象物によっては、大きな光強度を有する光を照射することによって不可逆な特性変化を生じる場合がある。そのような場合、第３時間波形の計測を、第１時間波形の計測及び第２時間波形の計測の少なくとも一方より先に行うと、その後に計測された第１時間波形及び／又は第２時間波形が正確性を欠く虞がある。第３時間波形の計測を第１時間波形の計測及び第２時間波形の計測より後に行うことによって、そのような虞を軽減できる。
【0022】
上記の装置において、パルス形成部は、波長分散量の計測時に、パルス光として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスを含む光パルス列を形成してもよい。波形計測部は、計測対象物を通過した光パルス列の時間波形を計測してもよい。解析部は、光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて計測対象物の波長分散量を推定してもよい。同様に、上記の方法における波長分散量の計測時には、照射するステップにおいて、パルス光として、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスを含む光パルス列を計測対象物に照射し、計測するステップにおいて、計測対象物を通過した光パルス列の時間波形を計測し、光学特性を求めるステップにおいて、光パルス列の時間波形の特徴量に基づいて計測対象物の波長分散量を推定してもよい。例えばこれらの装置及び方法により、計測対象物の波長分散量を好適に計測することができる。
【0023】
上記の装置において、パルス形成部は、入力光の位相変調と強度変調のうち少なくともいずれか一方を行うことによりパルス光を生成する空間光変調器を有してもよい。この場合、空間光変調器に表示される変調パターンを変更するだけでパルス光の時間波形を変更できるので、計測される光学特性の種類に応じた時間波形を有するパルス光を容易に生成することができる。
【0024】
上記の装置において、波形計測部は、計測対象物と光学系との間又は光学系の後段に配置され、パルス光を相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する相関光学系を有してもよい。解析部は、相関光に変換されたパルス光に基づいて計測対象物の光学特性を求めてもよい。或いは、波形計測部は、計測対象物と光学系との間又は光学系の後段に配置され、パルス光の時間幅を伸張させる光学部品を有してもよい。これらの場合、パルス光の時間幅が例えばフェムト秒オーダーまたはピコ秒オーダーであっても、その時間波形を精度良く測定できる。故に、計測対象物の光学特性を精度良く計測することができる。
【0025】
上記の装置及び方法において、減光部は、一の波長成分の波長を遮断帯域内に含み、別の波長成分の波長を透過帯域内に含む波長フィルタを有してもよい。この場合、簡易な構成によって一の波長成分の光強度を減衰することができる。
【発明の効果】
【0026】
本開示による光学特性計測装置および光学特性計測方法によれば、二種類以上の光学特性の計測、例えば、時間応答計測及び波長分散計測を、一つの装置を用いて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図4】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、光学系の例を概略的に示す図である。図４（ａ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置される第１の状態を示す。図４（ｂ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置されない第２の状態を示す。
【図5】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、光学系の別の例を概略的に示す図である。図５（ａ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置される第１の状態を示す。図５（ｂ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置されない第２の状態を示す。
【図6】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、光学系の更に別の例を概略的に示す図である。図６（ａ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置される第１の状態を示す。図６（ｂ）は、計測対象物から出力されるパルス光の光路上に減光部が配置されない第２の状態を示す。
【図23】図２３は、第３パルス光の時間波形及びスペクトル波形を説明するための図である。図２３の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図２３の（ｂ）部は、第３パルス光に含まれる２つの成分パルスの時間波形を表している。図２３の（ｃ）部は、２つの成分パルスを合成したスペクトル波形、すなわち第３パルス光のスペクトル波形を表している。
【図25】図２５の（ａ）部は、ポンプ光が計測対象物に照射されないときの、計測対象物を通過したプローブ光の時間波形の例を模式的に示すグラフである。図２５の（ｂ）部は、ポンプ光が計測対象物に照射されたときの、計測対象物を通過したプローブ光の時間波形の例を模式的に示すグラフである。図２５の（ｃ）部は、図２５の（ｂ）部に示された時間波形から図２５の（ａ）部に示された時間波形を差し引いたグラフである。
【図26】図２６は、減光部を通過した第１パルス光の時間波形である第１時間波形、減光部を通過した第２パルス光の時間波形である第２時間波形、及び、減光部を通過した第３パルス光の時間波形である第３時間波形の各一例を重ね合わせて示すグラフである。
【図29】図２９の（ａ）部は、第３パルス光の成分パルスが、０次光からなるパルス光と重なっている場合を示している。図２９の（ｂ）部は、第３パルス光を、０次光からなるパルス光の後に生成する場合を示している。
【図30】図３０は、第３時間波形から第２時間波形及び第１時間波形を差し引いた時間波形である時間波形の一例を示すグラフであって、第１パルス光、第２パルス光および第３パルス光が０次パルス光と時間的に重なっている場合を示す。
【図31】図３１は、第３時間波形から第２時間波形及び第１時間波形を差し引いた時間波形である時間波形の一例を示すグラフであって、第１パルス光、第２パルス光および第３パルス光が０次パルス光の１．５ｐｓ後に生成された場合を示す。
【図33】図３３は、帯域制御したマルチパルスの例を示す図である。図３３の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図３３の（ｂ）部は、光パルス列の時間波形を表している。図３３の（ｃ）部は、３つの光パルスを合成したスペクトルを表している。
【図34】図３４は、比較例として、帯域制御されていないマルチパルスの例を示す図である。図３４の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図３４の（ｂ）部は、光パルス列の時間波形を表している。図３４の（ｃ）部は、３つの光パルスを合成したスペクトルを表している。
【図35】図３５の（ａ）部は、光パルス列を生成するために、空間光変調器によって初期パルス光に与えられるスペクトル波形の具体例を示す。図３５の（ｂ）部は、図３５の（ａ）部に示されるスペクトル波形によって生成される光パルス列の時間強度波形を示すグラフである。
【図36】図３６の（ａ）部および（ｂ）部は、光パルス列の相関光の特徴量を概念的に説明するための図である。図３６の（ａ）部は、光パルス列が計測対象物を通過しない場合の相関光の時間波形の例を示す。図３６の（ｂ）部は、光パルス列が計測対象物を通過した場合の相関光の時間波形の例を示す。
【図40】図４０（ａ）及び図４０（ｂ）は、プローブ光のチャープ量をそれぞれ－５０００ｆｓ２及び－２５００ｆｓ２とした場合における、第３パルス光の時間波形から第１パルス光及び第２パルス光の時間波形を差し引いた時間波形を示すグラフである。
【図41】図４１（ａ）及び図４１（ｂ）は、プローブ光のチャープ量をそれぞれ０ｆｓ２及び２５００ｆｓ２とした場合における、第３パルス光の時間波形から第１パルス光及び第２パルス光の時間波形を差し引いた時間波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、添付図面を参照しながら本開示による光学特性計測装置および光学特性計測方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。なお、本開示において、時間波形とは、特に説明が無い限り、光強度に関する時間波形を意味する。
【0029】
図１は、本開示の一実施形態に係る光学特性計測装置１Ａの構成を概略的に示す図である。この光学特性計測装置１Ａは、計測対象物Ｂの複数の光学特性を単一の装置にて計測することができる。複数の光学特性には、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答と、計測対象物Ｂの波長分散量との双方が含まれる。光学特性計測装置１Ａは、パルスレーザ光源２、パルス形成部３、光学系４、波形計測部５、及び解析部６を備えている。
【0030】
パルス形成部３の光入力端３ａは、空間的に又は光ファイバ等の光導波路を介して、パルスレーザ光源２と光学的に結合されている。パルス形成部３の光出力端３ｂは、空間的に又は光ファイバ等の光導波路を介して、計測対象物Ｂと光学的に結合される。更に、計測対象物Ｂは、空間的に又は光ファイバ等の光導波路を介して、波形計測部５と光学的に結合される。光学系４は、計測対象物Ｂと波形計測部５との間の光路上に配置される。解析部６は、波形計測部５と電気的に接続されている。
【0031】
パルスレーザ光源２は、コヒーレントな初期パルス光Ｐａを出力する。パルスレーザ光源２は、例えばフェムト秒レーザであり、一実施例ではＬＤ直接励起型Ｙｂ：ＹＡＧパルスレーザといった固体レーザ光源である。初期パルス光Ｐａの時間波形は例えばガウス関数状である。初期パルス光Ｐａの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、例えば１０ｆｓ～１００００ｆｓの範囲内であり、一例では１００ｆｓである。この初期パルス光Ｐａは、或る程度の帯域幅を有する光パルスであって、連続する複数の波長成分を含む。一実施例では、初期パルス光Ｐａの帯域幅は１０ｎｍであり、初期パルス光Ｐａの中心波長は１０３０ｎｍである。
【0032】
パルス形成部３は、初期パルス光Ｐａからパルス光ＰＬを生成する。パルス光ＰＬは、計測される光学特性の種類に応じた時間波形を有する。また、パルス光ＰＬは、計測される光学特性の種類に応じたパルス本数、スペクトルを更に有してもよい。パルス形成部３では、計測される光学特性の種類に応じて、パルス光ＰＬの時間波形が変更可能である。また、パルス形成部３は、計測される光学特性の種類に応じて、パルス光ＰＬのパルス本数及びスペクトルを更に変更可能としてもよい。なお、パルス光のスペクトルとは、パルス光の位相スペクトル、パルス光の強度スペクトル、或いはパルス光の位相スペクトル及び強度スペクトルの両方を含む。
【0033】
図２は、パルス形成部３の構成例を示す図である。パルス形成部３は、回折格子１２、レンズ１３、空間光変調器（ＳＬＭ）１４、レンズ１５、及び回折格子１６を有する。回折格子１２は、分光素子であり、パルスレーザ光源２と光学的に結合されている。ＳＬＭ１４は、レンズ１３を介して回折格子１２と光学的に結合されている。回折格子１２は、初期パルス光Ｐａに含まれる複数の波長成分を、波長毎に空間的に分離する。なお、分光素子として、回折格子１２に代えてプリズム等の他の光学部品を用いてもよい。初期パルス光Ｐａは、回折格子１２に対して斜めに入射し、複数の波長成分に分光される。この複数の波長成分を含む光Ｐｂは、レンズ１３によって波長成分毎に集光され、ＳＬＭ１４の変調面に結像される。レンズ１３は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。
【0034】
ＳＬＭ１４は、初期パルス光Ｐａをパルス光ＰＬに変換するために、波長毎の位相ずれを初期パルス光Ｐａに与える。具体的には、ＳＬＭ１４は、位相ずれを初期パルス光Ｐａに与えてパルス光ＰＬを生成するために、制御部１８から制御信号を受ける。ＳＬＭ１４は、制御部１８から出力された制御信号を受けることにより位相パターンを提示する。制御部１８は、例えばコンピュータによって構成され得る。ＳＬＭ１４は、提示された位相パターンを用いて光Ｐｂの位相変調と強度変調の少なくともいずれか一方を行う。また、ＳＬＭ１４は、提示された位相パターンを用いて光Ｐｂの位相変調と強度変調とを同時に行ってもよい。このように、ＳＬＭ１４は、回折格子１２から出力された複数の波長成分の位相を相互にずらす。ＳＬＭ１４は、例えば位相変調型である。一実施例では、ＳＬＭ１４はＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）型である。なお、図面には透過型のＳＬＭ１４が示されているが、ＳＬＭ１４は反射型であってもよい。
【0035】
図３は、ＳＬＭ１４の変調面１７を示す図である。変調面１７には、複数の変調領域１７ａが或る方向ＡＡに沿って並んでおり、各変調領域１７ａは方向ＡＡと交差する方向ＡＢに延びている。方向ＡＡは、回折格子１２による分光方向である。この変調面１７はフーリエ変換面として働き、複数の変調領域１７ａのそれぞれには、分光後の対応する各波長成分が入射する。ＳＬＭ１４は、各変調領域１７ａにおいて、入射した各波長成分の位相及び強度を他の波長成分から独立して変調する。ＳＬＭ１４が位相変調型である場合、強度変調は、変調面１７に提示される位相パターン（位相画像）によって実現される。
【0036】
ＳＬＭ１４によって変調された変調光Ｐｃの各波長成分は、レンズ１５によって回折格子１６上の一点に集められる。このときのレンズ１５は、変調光Ｐｃを集光する集光光学系として機能する。レンズ１５は、光透過部材からなる凸レンズであってもよく、凹状の光反射面を有する凹面鏡であってもよい。また、回折格子１６は合波光学系として機能し、変調後の各波長成分を合波する。すなわち、これらのレンズ１５及び回折格子１６により、変調光Ｐｃの複数の波長成分は互いに集光・合波されて、パルス光ＰＬとなる。
【0037】
制御部１８は、計測される光学特性の種類に応じたパルス本数、スペクトル及び時間波形のうち少なくとも１つを有するパルス光ＰＬを生成するために、複数の位相パターンを予め記憶している。制御部１８は、これらの位相パターンをＳＬＭ１４へ選択的に出力する。
【0038】
再び図１を参照する。計測対象物Ｂは、パルス形成部３から出力されるパルス光ＰＬの光軸上に配置される。パルス形成部３から出力されたパルス光ＰＬは、計測対象物Ｂに照射される。計測対象物Ｂからは、計測対象物Ｂを透過したパルス光ＰＬが出力される。或いは、計測対象物Ｂにおいて反射または散乱したパルス光ＰＬが計測対象物Ｂから出力されてもよい。パルス光ＰＬの時間波形は、計測対象物Ｂの光学特性に応じて変化する。
【0039】
光学系４は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に配置される。光学系４は、減光部４１を有する。パルス光ＰＬを構成する一の波長成分に対する減光部４１の減衰率は、パルス光ＰＬを構成する別の波長成分に対する減光部４１の減衰率よりも大きい。一例では、減光部４１は波長フィルタを有する。波長フィルタは、パルス光ＰＬを構成する一の波長成分の波長を遮断帯域内に含み、パルス光ＰＬを構成する別の波長成分の波長を透過帯域内に含む。波長フィルタは、バンドパスフィルタ、ハイパスフィルタ、及びローパスフィルタのいずれであってもよい。本実施形態において、パルス光ＰＬを構成する一の波長成分は、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測する際に計測対象物Ｂに照射されるポンプ光である。パルス光ＰＬを構成する別の波長成分は、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測する際に計測対象物Ｂに照射されるプローブ光である。
【0040】
光学系４は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態と、その光路上に減光部４１が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能に構成されている。光学系４は、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測するときには第１の状態とされ、計測対象物Ｂの波長分散量を計測するときには第２の状態とされる。
【0041】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、光学系４の例として、光学系４Ａを概略的に示す図である。光学系４Ａでは、減光部４１が、図示しないアクチュエータによって支持されることにより、パルス光ＰＬの光軸と交差する方向（例えばパルス光ＰＬの光軸と直交する方向）に移動可能とされている（図中の矢印ＡＣ）。該方向におけるアクチュエータの位置は、例えば制御部１８によって制御される。図４（ａ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態を示す。図４（ｂ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない第２の状態を示す。第２の状態では、パルス光ＰＬは減光部４１の側方を通過する。
【0042】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、光学系４の別の例として、光学系４Ｂを概略的に示す図である。光学系４Ｂは、減光部４１に加えて、パルス光ＰＬのための２つの光路を相互に切り替えるための構成を有する。減光部４１は、２つの光路のうちいずれかの光路上に配置される。具体的には、光学系４Ｂは、一対の固定ミラー４３ａ，４３ｂと、一対の可動ミラー４４ａ，４４ｂとを有する。可動ミラー４４ａ，４４ｂは、光学系４Ｂに入射する際のパルス光ＰＬの光軸に沿って並んで配置されている。可動ミラー４４ａ，４４ｂは、図示しないアクチュエータによって支持されることにより移動可能とされている（図中の矢印ＡＤ，ＡＥ）。固定ミラー４３ａは、可動ミラー４４ａと減光部４１とを光学的に結合する。固定ミラー４３ｂは、減光部４１と可動ミラー４４ｂとを光学的に結合する。
【0043】
図５（ａ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態を示す。第１の状態では、可動ミラー４４ａ，４４ｂがパルス光ＰＬの光軸上に配置される。パルス光ＰＬは、光学系４Ｂに入力され、可動ミラー４４ａ及び固定ミラー４３ａにより順次反射されて減光部４１に達し、減光部４１を通過した後、固定ミラー４３ｂおよび可動ミラー４４ｂにより順次反射されて、光学系４Ｂから出力される。また、図５（ｂ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない第２の状態を示す。第２の状態では、可動ミラー４４ａ，４４ｂはパルス光ＰＬの光軸上に配置されず、パルス光ＰＬは、可動ミラー４４ａ，４４ｂに当たることなく光学系４Ｂからそのまま出力される。
【0044】
なお、この例では減光部４１が固定ミラー４３ａ，４３ｂを含む一方の光路上に配置されているが、減光部４１は、図５（ａ）に示される状態における可動ミラー４４ａと可動ミラー４４ｂとの間の光路、すなわち固定ミラー４３ａ，４３ｂを含まない他方の光路上に配置されてもよい。その場合、図５（ａ）に示される可動ミラー４４ａ，４４ｂの位置が第２の状態を形成し、図５（ｂ）に示される可動ミラー４４ａ，４４ｂの位置が第１の状態を形成する。
【0045】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、光学系４の更に別の例として、光学系４Ｃを概略的に示す図である。光学系４Ｃもまた、減光部４１に加えて、パルス光ＰＬのための２つの光路を相互に切り替えるための構成を有する。減光部４１は、２つの光路のうちいずれかの光路上に配置される。具体的には、光学系４Ｃは、一対のハーフミラー４５ａ，４５ｂと、一対の固定ミラー４６ａ，４６ｂと、光吸収材４７と、を有する。光学系４Ｃに入力されたパルス光ＰＬは、まずハーフミラー４５ａに達し、ハーフミラー４５ａによって二分岐される。ハーフミラー４５ａの一方の面は、固定ミラー４６ａによって減光部４１と光学的に結合されている。ハーフミラー４５ａの他方の面は、ハーフミラー４５ｂの一方の面と光学的に結合されている。ハーフミラー４５ｂの他方の面は、固定ミラー４６ｂによって減光部４１と光学的に結合されている。光吸収材４７は、図示しないアクチュエータによって支持されることにより移動可能とされている（図中の矢印ＡＦ）。
【0046】
図６（ａ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態を示す。第１の状態では、光吸収材４７がハーフミラー４５ａとハーフミラー４５ｂとの間の光路（減光部４１を通過しない光路）上に配置される。このとき、ハーフミラー４５ａによって分岐されたパルス光ＰＬの一部は、固定ミラー４６ａにより反射されて減光部４１に達し、減光部４１を通過した後、固定ミラー４６ｂおよびハーフミラー４５ｂにより順次反射されて、光学系４Ｃから出力される。ハーフミラー４５ａによって分岐されたパルス光ＰＬの残部は、光吸収材４７に入射して消滅する。図６（ｂ）は、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない第２の状態を示す。第２の状態では、光吸収材４７が、ハーフミラー４５ａと減光部４１との間、および減光部４１とハーフミラー４５ｂとの間のいずれかの光路上に配置される。このとき、ハーフミラー４５ａによって分岐されたパルス光ＰＬの一部は、光吸収材４７に入射して消滅する。ハーフミラー４５ａによって分岐されたパルス光ＰＬの残部は、減光部４１が設けられていないハーフミラー４５ａとハーフミラー４５ｂとの間の光路を通過して、光学系４Ｃから出力される。なお、光学系４Ｃにおいては、光吸収材４７に代えて、光反射材または光拡散材を用いてもよい。
【0047】
再び図１を参照する。波形計測部５は、光学系４を通過したパルス光ＰＬの時間波形を計測する。本実施形態の波形計測部５は、相関光学系５０と、光検出器５１とを有する。
【0048】
相関光学系５０は、光学系４と光学的に結合されており、光学系４を通過したパルス光ＰＬを受ける。相関光学系５０は、パルス光ＰＬを、相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する。相関光に変換されたパルス光ＰＬは、相関光学系５０から出力される。
【0049】
図７は、相関光学系５０の構成例を示す図である。相関光学系５０は、レンズ５２ａ、光学素子５３及びレンズ５２ｂを含んで構成され得る。レンズ５２ａは、光学系４と光学素子５３との間の光路上に設けられ、光学系４を通過したパルス光ＰＬを光学素子５３に集光する。光学素子５３は、例えば二次高調波（ＳＨＧ）を発生する非線形光学結晶、及び蛍光体の少なくとも一方を含む発光体である。非線形光学結晶としては、例えばＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶、ＬＢＯ（ＬｉＢ3Ｏ5）結晶、ＢＢＯ（β－ＢａＢ2Ｏ4）結晶等が挙げられる。蛍光体としては、例えばクマリン、スチルベン、ローダミン等が挙げられる。光学素子５３は、パルス光ＰＬを入力し、パルス光ＰＬを、相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する。レンズ５２ｂは、相関光に変換されて光学素子５３から出力されたパルス光ＰＬを平行化または集光する。なお、パルス光ＰＬは、時間波形をより精度良く検出するために相関光に変換される。
【0050】
ここで、相関光学系５０の構成例について詳細に説明する。図８は、相関光学系５０の構成例として、入射したパルス光ＰＬを、自己相関を含む相関光に変換するための相関光学系５０Ａを概略的に示す図である。相関光学系５０Ａは、パルス光ＰＬを二分岐する光分岐部品として、ビームスプリッタ５４を有する。ビームスプリッタ５４は、光学系４と光学的に結合されており、光学系４から入力したパルス光ＰＬの一部を透過し、残部を反射する。ビームスプリッタ５４の分岐比は例えば１：１である。ビームスプリッタ５４により分岐された一方のパルス光ＰＬｕは、複数のミラー５５を含む光路５０ｃを通ってレンズ５２ａに達する。ビームスプリッタ５４により分岐された他方のパルス光ＰＬｖは、複数のミラー５６を含む光路５０ｄを通ってレンズ５２ａに達する。光路５０ｃの光学長と光路５０ｄの光学長とは互いに異なる。従って、複数のミラー５５及び複数のミラー５６は、ビームスプリッタ５４において分岐された一方のパルス光ＰＬｕと、他方のパルス光ＰＬｖとに対して時間差を与える遅延光学系を構成する。更に、複数のミラー５６の少なくとも一部は移動ステージ５７上に搭載されており、光路５０ｄの光学長は可変となっている。故に、この構成では、パルス光ＰＬｕとパルス光ＰＬｖとの時間差を可変とすることができる。
【0051】
この例では、光学素子５３は非線形光学結晶を含む。レンズ５２ａは、パルス光ＰＬｕ，ＰＬｖのそれぞれを光学素子５３に向けて集光するとともに、光学素子５３においてパルス光ＰＬｕ，ＰＬｖの光軸を所定の角度でもって互いに交差させる。これにより、非線形光学結晶である光学素子５３では、パルス光ＰＬｕ，ＰＬｖの交点を起点として二次高調波が生じる。この二次高調波は、相関光であって、パルス光ＰＬの自己相関を含む。相関光は、レンズ５２ｂにて平行化または集光された後、光検出器５１に入力される。
【0052】
図９は、相関光学系５０の別の構成例として、パルス光ＰＬを、相互相関を含む相関光に変換するための相関光学系５０Ｂを概略的に示す図である。相関光学系５０Ｂでは、パルス光ＰＬが光路５０ｅを通ってレンズ５２ａに達すると共に、参照用パルス光Ｐｒが光路５０ｆを通ってレンズ５２ａに達する。光路５０ｆは、複数のミラー５８を含み、Ｕ字状に屈曲している。更に、複数のミラー５８の少なくとも一部は移動ステージ５９上に搭載されており、光路５０ｆの光学長は可変となっている。故に、この構成では、パルス光ＰＬと参照用パルス光Ｐｒとの時間差（レンズ５２ａに到達するタイミング差）を可変とすることができる。
【0053】
この例においても、光学素子５３は非線形光学結晶を含む。レンズ５２ａは、パルス光ＰＬ及び参照用パルス光Ｐｒを光学素子５３に向けて集光するとともに、光学素子５３においてパルス光ＰＬの光軸と参照用パルス光Ｐｒの光軸とを所定の角度でもって互いに交差させる。これにより、非線形光学結晶である光学素子５３では、パルス光ＰＬ及び参照用パルス光Ｐｒの交点を起点として二次高調波が生じる。この二次高調波は、相関光であって、パルス光ＰＬの相互相関を含む。この相関光はレンズ５２ｂにて平行化または集光された後、光検出器５１に入力される。
【0054】
図１０は、相関光学系５０の更に別の構成例として、パルス光ＰＬを、相互相関を含む相関光に変換するための相関光学系５０Ｃを概略的に示す図である。この例において、パルス形成部３のＳＬＭ１４は、第１の偏光方向に変調作用を有する偏光依存型の空間光変調器である。これに対し、パルス形成部３に入力される初期パルス光Ｐａの偏向面は、ＳＬＭ１４が変調作用を有する偏光方向に対して傾斜しており、初期パルス光Ｐａは、第１の偏光方向の偏光成分（図中の矢印Ｄｐ1）と、第１の偏光方向に対して直交する第２の偏光方向の偏光成分（図中の記号Ｄｐ２）とを含む。また、初期パルス光Ｐａの偏波は、上記の偏波（傾斜した直線偏光）に限られず、楕円偏光でも良い。
【0055】
初期パルス光Ｐａのうち第１の偏光方向の偏光成分は、ＳＬＭ１４において変調され、パルス光ＰＬとしてパルス形成部３から出力される。一方、初期パルス光Ｐａのうち第２の偏光方向の偏光成分は、ＳＬＭ１４において変調されずに、そのままパルス形成部３から出力される。この変調されなかった偏光成分は、参照用パルス光Ｐｒとして、パルス光ＰＬと同軸でもって相関光学系５０Ｃに提供される。相関光学系５０Ｃは、パルス光ＰＬと参照用パルス光Ｐｒとから、パルス光ＰＬの相互相関を含む相関光を生成する。この構成例では、ＳＬＭ１４においてパルス光ＰＬに遅延を与え、且つその遅延時間を可変とすることにより（図中の矢印Ｅ）、パルス光ＰＬと参照用パルス光Ｐｒとの時間差（レンズ５２ａに到達するタイミング差）を可変とすることができ、相関光学系５０Ｃにおいてパルス光ＰＬの相互相関を含む相関光を好適に生成することができる。
【0056】
図８～図１０に示されるように、相関光学系５０は、パルス光ＰＬを、パルス光ＰＬ自身又は他のパルス光と空間的及び時間的に重ね合わせる光学系である。具体的には、一方のパルス光を時間的に掃引することで、パルス光ＰＬの時間波形形状に準じた相関波形が検出される。ここで、一般に、パルス光の掃引は、駆動ステージ等を用いて空間的に光路長を変化させることにより実施されるので、ステージの移動量が相関波形の時間遅延量に対応する。このとき、ステージ移動量に対する時間遅延量は極めて小さい。したがって、相関光学系５０を採用することにより、光検出器５１においてフェムト秒オーダーに達する高い時間分解スケールでもってパルス形状が観察されるので、パルス光ＰＬの時間波形がより精度良く検出される。
【0057】
再び図１を参照する。光検出器５１は、相関光に変換されて相関光学系５０から出力されたパルス光ＰＬを受ける。光検出器５１は、このパルス光ＰＬの時間波形を検出する。光検出器５１は、例えばフォトダイオードなどの光検出器（フォトディテクタ）を含んで構成されている。光検出器５１は、パルス光ＰＬの強度を電気信号に変換することにより、パルス光ＰＬの時間波形を検出する。検出結果である電気信号は、解析部６に提供される。
【0058】
解析部６は、光検出器５１と電気的に接続されている。解析部６は、相関光に変換されたパルス光ＰＬの時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの光学特性を求める。図１１は、解析部６及び制御部１８のハードウェアの構成例を概略的に示す図である。図１１に示されるように、解析部６及び制御部１８は、物理的には、プロセッサ（ＣＰＵ）６１、ＲＯＭ６２及びＲＡＭ６３等の主記憶装置、キーボード、マウス及びタッチスクリーン等の入力デバイス６４、ディスプレイ（タッチスクリーン含む）等の出力デバイス６５、他の装置との間でデータの送受信を行うためのネットワークカード等の通信モジュール６６、ハードディスク等の補助記憶装置６７などを含む、通常のコンピュータとして構成され得る。
【0059】
制御部１８の補助記憶装置６７は、パルス光ＰＬを生成するための複数の位相変調パターンに関する複数のデータを格納している。プロセッサ６１は、これらのデータのうち一つを必要に応じて読み出し、該データに基づいて、ＳＬＭ１４に呈示される位相変調パターンを制御する。
【0060】
また、解析部６の補助記憶装置６７は、相関光に変換されたパルス光ＰＬの時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの光学特性を求めるためのプログラムを格納している。言い換えると、計測対象物Ｂの光学特性を求めるためのプログラムは、コンピュータのプロセッサ６１を、解析部６として動作させる。プロセッサ６１は、このプログラムを実行することにより、計測対象物Ｂの光学特性を求める。計測対象物Ｂの光学特性を求めるためのプログラムを格納する記憶装置は、非一時的記録媒体であってもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体、ＲＯＭ等の記録媒体、半導体メモリ、クラウドサーバ等が例示される。求められた計測対象物Ｂの光学特性に関する情報は、出力デバイス６５に出力されるか、又は通信モジュール６６を介して外部装置へ出力される。
【0061】
本実施形態の光学特性計測方法について説明する。図１２は、本実施形態の光学特性計測方法を示すフローチャートである。この光学特性計測方法は、例えば上述した光学特性計測装置１Ａを用いて好適に実施される。
【0062】
まず、光学系４において、第１の状態（計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される状態）と、第２の状態（計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない状態）とのうちいずれかの状態を選択する（ステップＳＴ１）。次に、パルス形成部３を用いて、計測される光学特性の種類に応じたパルス本数、スペクトル及び時間波形のうち少なくとも１つを有するパルス光ＰＬを計測対象物Ｂに照射する（ステップＳＴ２）。ステップＳＴ２では、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調の少なくともいずれか一方を行うＳＬＭ１４を用いてパルス光ＰＬを生成する。また、ステップＳＴ２では、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調とを同時に行うＳＬＭ１４を用いてパルス光ＰＬを生成してもよい。計測される光学特性の種類には、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答と、計測対象物Ｂの波長分散量とが含まれる。ステップＳＴ１では、時間応答の計測時には第１の状態を選択し、波長分散量の計測時には第２の状態を選択する。続いて、計測対象物Ｂから出力されたのち光学系４を通過したパルス光ＰＬの時間波形を計測する（ステップＳＴ３）。ステップＳＴ２およびステップＳＴ３は、計測される光学特性の種類に応じて、パルス光ＰＬのパルス本数、スペクトル及び時間波形のうち少なくとも一つを変更しながら必要なだけ繰り返されてもよい（ステップＳＴ４，ＳＴ５）。その後、計測された時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの光学特性を求める（ステップＳＴ６）。
【0063】
ここで、図２に示されたパルス形成部３のＳＬＭ１４における、パルス光ＰＬを生成するための位相変調について詳細に説明する。レンズ１５よりも前の領域（スペクトル領域）と、回折格子１６よりも後ろの領域（時間領域）とは、互いにフーリエ変換の関係にあり、スペクトル領域における位相変調は、時間領域における時間強度波形に影響する。従って、パルス形成部３からの出力光は、ＳＬＭ１４の変調パターンに応じた、初期パルス光Ｐａとは異なる様々な時間強度波形を有することができる。
【0064】
図１３は、ＳＬＭ１４の変調パターンを演算する変調パターン算出装置２０の構成を示す図である。変調パターン算出装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ；スマートフォン、タブレット端末などのスマートデバイス；あるいはクラウドサーバなどのプロセッサを有するコンピュータである。図２に示された制御部１８が変調パターン算出装置２０を兼ねてもよい。変調パターン算出装置２０は、パルス形成部３の出力光の時間強度波形を所望の波形に近づけるための位相変調パターンを算出し、該位相変調パターンを制御部１８に提供する。変調パターンは、ＳＬＭ１４を制御するためのデータであり、複素振幅分布の強度あるいは位相分布の強度のテーブルを含むデータである。変調パターンは、例えば、計算機合成ホログラム（Computer-Generated Holograms：ＣＧＨ）である。
【0065】
本実施形態の変調パターン算出装置２０は、所望の波形を得る為の位相スペクトルを出力光に与える位相変調用の位相パターンと、所望の波形を得る為の強度スペクトルを出力光に与える強度変調用の位相パターンとを含む位相パターンを制御部１８に記憶させる。そのために、変調パターン算出装置２０は、図１３に示すように、任意波形入力部２１と、位相スペクトル設計部２２と、強度スペクトル設計部２３と、変調パターン生成部２４とを有する。すなわち、変調パターン算出装置２０に設けられたコンピュータのプロセッサは、任意波形入力部２１の機能と、位相スペクトル設計部２２の機能と、強度スペクトル設計部２３の機能と、変調パターン生成部２４の機能とを実現する。それぞれの機能は、同じプロセッサにより実現されてもよいし、異なるプロセッサにより実現されてもよい。
【0066】
コンピュータのプロセッサは、変調パターン算出プログラムによって、上記の各機能を実現することができる。故に、変調パターン算出プログラムは、コンピュータのプロセッサを、変調パターン算出装置２０における任意波形入力部２１、位相スペクトル設計部２２、強度スペクトル設計部２３、及び変調パターン生成部２４として動作させる。変調パターン算出プログラムは、コンピュータの内部または外部の記憶装置（記憶媒体）に記憶される。記憶装置は、非一時的記録媒体であってもよい。記録媒体としては、フレキシブルディスク、ＣＤ、ＤＶＤ等の記録媒体、ＲＯＭ等の記録媒体、半導体メモリ、クラウドサーバ等が例示される。
【0067】
任意波形入力部２１は、操作者からの所望の時間強度波形の入力を受け付ける。操作者は、パルス光ＰＬの所望のパルス本数、スペクトル及び時間波形（以下、所望のパルス本数等という）に関する情報を任意波形入力部２１に入力する。所望のパルス本数等は、計測される光学特性の種類に応じて操作者により決定される。所望のパルス本数等に関する情報は、任意波形入力部２１から位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３に与えられる。位相スペクトル設計部２２は、与えられた所望のパルス本数等の実現に適した、パルス形成部３の出力光の位相スペクトルを算出する。強度スペクトル設計部２３は、与えられた所望のパルス本数等の実現に適した、パルス形成部３の出力光の強度スペクトルを算出する。変調パターン生成部２４は、位相スペクトル設計部２２において求められた位相スペクトルと、強度スペクトル設計部２３において求められた強度スペクトルとをパルス形成部３の出力光に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する。
【0068】
図１４は、位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３の内部構成を示すブロック図である。図１４に示されるように、位相スペクトル設計部２２及び強度スペクトル設計部２３は、フーリエ変換部２５、関数置換部２６、波形関数修正部２７、逆フーリエ変換部２８、及びターゲット生成部２９を有する。ターゲット生成部２９は、フーリエ変換部２９ａ及びスペクトログラム修正部２９ｂを含む。これらの各構成要素の機能については、後に詳述する。
【0069】
ここで、所望の時間強度波形は時間領域の関数として表され、位相スペクトルは周波数領域の関数として表される。従って、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトルは、例えば、所望の時間強度波形に基づく反復フーリエ変換によって得られる。図１５は、反復フーリエ変換法による位相スペクトルの計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を用意する（図中の処理番号（１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Ψn（ω）を含む周波数領域の波形関数（ａ）を用意する（図中の処理番号（２））。
添え字ｎは、第ｎ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψn（ω）として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【数1】
添え字ｎは、第ｎ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、位相スペクトル関数Ψn（ω）として上述した初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【0070】
続いて、上記関数（ａ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ１）。これにより、時間強度波形関数ｂn（ｔ）及び時間位相波形関数Θn（ｔ）を含む時間領域の波形関数（ｂ）が得られる（図中の処理番号（３））。
続いて、上記関数（ｂ）に含まれる時間強度波形関数ｂn（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。
続いて、上記関数（ｄ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ２）。これにより、強度スペクトル関数Ｂn（ω）及び位相スペクトル関数Ψn（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｅ）が得られる（図中の処理番号（６））。
【数2】
続いて、上記関数（ｂ）に含まれる時間強度波形関数ｂn（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（４）、（５））。
【数3】
【数4】
続いて、上記関数（ｄ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ２）。これにより、強度スペクトル関数Ｂn（ω）及び位相スペクトル関数Ψn（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｅ）が得られる（図中の処理番号（６））。
【数5】
【0071】
続いて、上記関数（ｅ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂn（ω）を拘束するため、初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）に置き換える（図中の処理番号（７））。
以降、上記の処理（２）～（７）を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψn（ω）が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数ΨIFTA（ω）が、所望の時間強度波形を得るための変調パターンの基になる。
【数6】
以降、上記の処理（２）～（７）を複数回繰り返し行うことにより、波形関数中の位相スペクトル関数Ψn（ω）が表す位相スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する位相スペクトル形状に近づけることができる。最終的に得られる位相スペクトル関数ΨIFTA（ω）が、所望の時間強度波形を得るための変調パターンの基になる。
【0072】
しかしながら、上述したような反復フーリエ法では、時間強度波形を制御することはできるが、時間強度波形を構成する周波数成分（スペクトル）を制御することはできないという問題がある。そこで、本実施形態の変調パターン算出装置２０は、以下に説明する算出方法を用いて、変調パターンの基になる位相スペクトル関数及び強度スペクトル関数を算出する。図１６は、位相スペクトル設計部２２における位相スペクトル関数の計算手順を示す図である。まず、周波数ωの関数である初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を用意する（図中の処理番号（１１））。一例では、これらの強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）はそれぞれ入力光のスペクトル強度及びスペクトル位相を表す。次に、強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び位相スペクトル関数Φ0（ω）を含む周波数領域の第１波形関数（ｇ）を用意する（処理番号（１２））。但し、ｉは虚数である。
【数7】
【0073】
続いて、位相スペクトル設計部２２のフーリエ変換部２５は、上記関数（ｇ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ３）。これにより、時間強度波形関数ａ0（ｔ）及び時間位相波形関数φ0（ｔ）を含む時間領域の第２波形関数（ｈ）が得られる（図中の処理番号（１３））。
【数8】
【0074】
続いて、位相スペクトル設計部２２の関数置換部２６は、次の数式（ｉ）に示されるように、時間強度波形関数ｂ0（ｔ）に、任意波形入力部２１において入力された所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を代入する（図中の処理番号（１４））。
【数9】
【0075】
続いて、位相スペクトル設計部２２の関数置換部２６は、次の数式（ｊ）に示されるように、時間強度波形関数ａ0（ｔ）を時間強度波形関数ｂ0（ｔ）で置き換える。すなわち、上記関数（ｈ）に含まれる時間強度波形関数ａ0（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（１５））。
【数10】
【0076】
続いて、位相スペクトル設計部２２の波形関数修正部２７は、置き換え後の第２波形関数（ｊ）のスペクトログラムが、所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムに近づくように第２波形関数を修正する。まず、置き換え後の第２波形関数（ｊ）に対して時間－周波数変換を施すことにより、第２波形関数（ｊ）をスペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）に変換する（図中の処理番号（１５ａ））。添え字ｋは、第ｋ回目の変換処理を表す。
【0077】
ここで、時間－周波数変換とは、時間波形のような複合信号に対して、周波数フィルタ処理または数値演算処理（窓関数をずらしながら乗算して、各々の時間に対してスペクトルを導出する処理）を施し、時間、周波数、信号成分の強さ（スペクトル強度）からなる３次元情報に変換することをいう。本実施形態では、その変換結果（時間、周波数、スペクトル強度）を「スペクトログラム」と定義する。
【0078】
時間－周波数変換としては、例えば、短時間フーリエ変換（Short-Time Fourier Transform；ＳＴＦＴ）やウェーブレット変換（ハールウェーブレット変換、ガボールウェーブレット変換、メキシカンハットウェーブレット変換、モルレーウェーブレット変換）などがある。
【0079】
所望の波長帯域に従って予め生成されたターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）をターゲット生成部２９から読み出す。このターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は、目標とする時間波形（時間強度波形とそれを構成する周波数成分）と概ね同値であり、処理番号（１５ｂ）のターゲットスペクトログラム関数において生成される。
【0080】
次に、位相スペクトル設計部２２の波形関数修正部２７は、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）とのパターンマッチングを行い、類似度（どの程度一致しているか）を調べる。本実施形態では、類似度を表す指標として、評価値を算出する。そして、続く処理番号（１５ｃ）では、得られた評価値が、所定の終了条件を満たすか否かの判定を行う。条件を満たせば処理番号（１６）へ進み、満たさなければ処理番号（１５ｄ）へ進む。処理番号（１５ｄ）では、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0（ｔ）を任意の時間位相波形関数φ0,k（ｔ）に変更する。時間位相波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、上述した処理番号（１５ａ）～（１５ｄ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。
【0081】
その後、位相スペクトル設計部２２の逆フーリエ変換部２８は、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｋ）を生成する（処理番号（１６））。
この第３波形関数（ｋ）に含まれる位相スペクトル関数Φ0,k（ω）が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）となる。この位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）が、変調パターン生成部２４に提供される。
【数11】
この第３波形関数（ｋ）に含まれる位相スペクトル関数Φ0,k（ω）が、最終的に得られる所望の位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）となる。この位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）が、変調パターン生成部２４に提供される。
【0082】
図１７は、強度スペクトル設計部２３における強度スペクトル関数の計算手順を示す図である。処理番号（１１）から処理番号（１５ｃ）までは、上述した位相スペクトル設計部２２におけるスペクトル位相の計算手順と同様なので説明を省略する。強度スペクトル設計部２３の波形関数修正部２７は、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）とターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）との類似度を示す評価値が所定の終了条件を満たさない場合、第２波形関数に含まれる時間位相波形関数φ0（ｔ）は初期値で拘束しつつ、時間強度波形関数ｂ0（ｔ）を任意の時間強度波形関数ｂ0,k（ｔ）に変更する（処理番号（１５ｅ））。時間強度波形関数を変更した後の第２波形関数は、ＳＴＦＴなどの時間－周波数変換により再びスペクトログラムに変換される。以降、処理番号（１５ａ）～（１５ｃ）及び（１５ｅ）が繰り返し行われる。こうして、スペクトログラムＳＧ0,k（ω，ｔ）がターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に次第に近づくように、第２波形関数が修正される。
【0083】
その後、強度スペクトル設計部２３の逆フーリエ変換部２８は、修正後の第２波形関数に対して逆フーリエ変換を行い（図中の矢印Ａ４）、周波数領域の第３波形関数（ｍ）を生成する（処理番号（１６））。
【数12】
【0084】
続いて、処理番号（１７）では、強度スペクトル設計部２３のフィルタ処理部が、第３波形関数（ｍ）に含まれる強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｂ0,k（ω）に係数αを乗じた強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。全ての波長域において、強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）が入力光のスペクトル強度を超えないようにするためである。一例では、波長毎のカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（本実施形態では初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｎ）に示されるように、強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ0（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数Ａ0（ω）の値が取り入れられる。強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）が強度スペクトル関数Ａ0（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）の値として強度スペクトル関数αＢ0,k（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（１７））。
この強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターン生成部２４に提供される。
【数13】
この強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）が、最終的に得られる所望のスペクトル強度として変調パターン生成部２４に提供される。
【0085】
変調パターン生成部２４は、位相スペクトル設計部２２において算出された位相スペクトル関数ΦTWC-TFD（ω）により示されるスペクトル位相と、強度スペクトル設計部２３において算出された強度スペクトル関数ＡTWC-TFD（ω）により示されるスペクトル強度とを出力光に与えるための位相変調パターン（例えば、計算機合成ホログラム）を算出する。
【0086】
図１８は、ターゲット生成部２９におけるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）の生成手順の一例を示す図である。ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）は、目標とする時間波形を示す。時間波形とは、時間強度波形と、それを構成する周波数成分（波長帯域成分）である。したがって、ターゲットスペクトログラムの作成は、周波数成分（波長帯域成分）を制御するために極めて重要な工程である。図２１に示されるように、ターゲット生成部２９は、まずスペクトル波形（初期の強度スペクトル関数Ａ0（ω）及び初期の位相スペクトル関数Φ0（ω））、並びに所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を入力する。加えて、ターゲット生成部２９は、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ0（ｔ）を入力する（処理番号（２１））。
【0087】
次に、ターゲット生成部２９は、例えば図１５に示される反復フーリエ変換法を用いて、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を算出する（処理番号（２２））。
【0088】
続いて、ターゲット生成部２９は、先に得られた位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）を利用した反復フーリエ変換法により、時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）を実現するための強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する（処理番号（２３））。図１９は、強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）を算出する手順の一例を示す図である。
【0089】
図１９を参照して、まず、初期の強度スペクトル関数Ａk=0（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を用意する（図中の処理番号（３１））。次に、強度スペクトル関数Ａk（ω）及び位相スペクトル関数Ψ0（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｏ）を用意する（図中の処理番号（３２））。
添え字ｋは、第ｋ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ａk（ω）として上記の初期強度スペクトル関数Ａk=0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【数14】
添え字ｋは、第ｋ回目のフーリエ変換処理後を表す。最初（第１回目）のフーリエ変換処理の前においては、強度スペクトル関数Ａk（ω）として上記の初期強度スペクトル関数Ａk=0（ω）が用いられる。ｉは虚数である。
【0090】
続いて、上記関数（ｏ）に対して周波数領域から時間領域へのフーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ５）。これにより、時間強度波形関数ｂk（ｔ）を含む周波数領域の波形関数（ｐ）が得られる（図中の処理番号（３３））。
【数15】
【0091】
続いて、上記関数（ｐ）に含まれる時間強度波形関数ｂk（ｔ）を、所望の波形に基づく時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）に置き換える（図中の処理番号（３４）、（３５））。
【数16】
【数17】
【0092】
続いて、上記関数（ｒ）に対して時間領域から周波数領域への逆フーリエ変換を行う（図中の矢印Ａ６）。これにより、強度スペクトル関数Ｃk（ω）及び位相スペクトル関数Ψk（ω）を含む周波数領域の波形関数（ｓ）が得られる（図中の処理番号（３６））。
続いて、上記関数（ｓ）に含まれる位相スペクトル関数Ψk（ω）を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）に置き換える（図中の処理番号（３７ａ））。
【数18】
続いて、上記関数（ｓ）に含まれる位相スペクトル関数Ψk（ω）を拘束するため、初期の位相スペクトル関数Ψ0（ω）に置き換える（図中の処理番号（３７ａ））。
【数19】
【0093】
加えて、逆フーリエ変換後の周波数領域における強度スペクトル関数Ｃk（ω）に対し、入力光の強度スペクトルに基づくフィルタ処理を行う。具体的には、強度スペクトル関数Ｃk（ω）により表される強度スペクトルのうち、入力光の強度スペクトルに基づいて定められる波長毎のカットオフ強度を超える部分をカットする。一例では、波長毎のカットオフ強度は、入力光の強度スペクトル（例えば初期の強度スペクトル関数Ａk=0（ω））と一致するように設定される。その場合、次の数式（ｕ）に示されるように、強度スペクトル関数Ｃk（ω）が強度スペクトル関数Ａk=0（ω）よりも大きい周波数では、強度スペクトル関数Ａk（ω）の値として強度スペクトル関数Ａk=0（ω）の値が取り入れられる。強度スペクトル関数Ｃk（ω）が強度スペクトル関数Ａk=0（ω）以下である周波数では、強度スペクトル関数Ａk（ω）の値として強度スペクトル関数Ｃk（ω）の値が取り入れられる（図中の処理番号（３７ｂ））。
上記関数（ｓ）に含まれる強度スペクトル関数Ｃk（ω）を、上記数式（ｕ）によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ａk（ω）に置き換える。
【数20】
上記関数（ｓ）に含まれる強度スペクトル関数Ｃk（ω）を、上記数式（ｕ）によるフィルタ処理後の強度スペクトル関数Ａk（ω）に置き換える。
【0094】
以降、上記の処理（３２）～（３７ｂ）を繰り返し行うことにより、波形関数中の強度スペクトル関数Ａk（ω）が表す強度スペクトル形状を、所望の時間強度波形に対応する強度スペクトル形状に近づけることができる。最終的に、強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）が得られる。
【0095】
再び図１８を参照する。以上に説明した処理番号（２２）、（２３）における位相スペクトル関数ΦIFTA（ω）及び強度スペクトル関数ＡIFTA（ω）の算出によって、これらの関数を含む周波数領域の第３波形関数（ｖ）が得られる（処理番号（２４））。
ターゲット生成部２９のフーリエ変換部２９ａは、上の波形関数（ｖ）をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第４波形関数（ｗ）が得られる（処理番号（２５））。
【数21】
ターゲット生成部２９のフーリエ変換部２９ａは、上の波形関数（ｖ）をフーリエ変換する。これにより、時間領域の第４波形関数（ｗ）が得られる（処理番号（２５））。
【数22】
【0096】
ターゲット生成部２９のスペクトログラム修正部２９ｂは、時間－周波数変換により第４波形関数（ｗ）をスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）に変換する（処理番号（２６））。そして、処理番号（２７）では、所望の周波数（波長）帯域情報を含む時間関数ｐ0（ｔ）を基にスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）を修正することにより、ターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）を生成する。例えば、２次元データにより構成されるスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）に現れる特徴的パターンを部分的に切り出し、時間関数ｐ0（ｔ）を基に当該部分の周波数成分の操作を行う。以下、その具体例について詳細に説明する。
【0097】
例えば、所望の時間強度波形関数Ｔａｒｇｅｔ0（ｔ）として時間間隔が２ピコ秒であるトリプルパルスを設定した場合について考える。このとき、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）は、図２０（ａ）に示されるような結果となる。図２０（ａ）において横軸は時間（単位：フェムト秒）を示し、縦軸は波長（単位：ｎｍ）を示す。スペクトログラムの値は、図の明暗によって示されており、明るいほどスペクトログラムの値が大きい。このスペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）において、トリプルパルスは２ピコ秒間隔で時間軸上に分かれたドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3として現れる。ドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3の中心（ピーク）波長は８００ｎｍである。
【0098】
仮に出力光の時間強度波形のみを制御したい（単にトリプルパルスを得たい）場合には、これらのドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3を操作する必要はない。しかし、各パルスの周波数（波長）帯域を制御したい場合には、これらのドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3の操作が必要となる。すなわち、図２０（ｂ）に示されるように、波長軸（縦軸）に沿った方向に各ドメインＤ1、Ｄ2、及びＤ3を互いに独立して移動させることは、それぞれのパルスの構成周波数（波長帯域）を変更することを意味する。このような各パルスの構成周波数（波長帯域）の変更は、時間関数ｐ0（ｔ）を基に行われる。
【0099】
例えば、ドメインＤ2のピーク波長を８００ｎｍで据え置き、ドメインＤ1及びＤ3のピーク波長がそれぞれ－２ｎｍ、＋２ｎｍだけ平行移動するように時間関数ｐ0（ｔ）を記述するとき、スペクトログラムＳＧIFTA（ω，ｔ）は、図２０（ｂ）に示されるターゲットスペクトログラムＴａｒｇｅｔＳＧ0（ω，ｔ）に変化する。例えばスペクトログラムにこのような処理を施すことによって、時間強度波形の形状を変えずに、各パルスの構成周波数（波長帯域）が任意に制御されたターゲットスペクトログラムを作成することができる。
［時間応答計測］
［時間応答計測］
【0100】
本実施形態の光学特性計測装置１Ａを用いた、計測対象物Ｂの時間応答計測について説明する。図２１は、時間応答計測装置として用いられるときの光学特性計測装置１Ａの動作を示す図である。時間応答計測においては、光学系４が第１の状態、すなわち計測対象物Ｂから出力されたパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される状態に設定される。そして、パルス形成部３は、初期パルス光Ｐａから、パルス光ＰＬとしての第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３を、計測対象物Ｂに至る共通の光軸上に生成する。パルス形成部３は、これら第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３を、互いに時間間隔をあけて、個別に任意のタイミングで出力することができる。第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３の出力順も任意である。一例では、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２が出力されたのちに第３パルス光ＰＬ３が出力される。
【0101】
図２２の（ａ）部は、第１パルス光ＰＬ１の時間波形を模式的に示す。第１パルス光ＰＬ１の波長帯域は、ポンプ光の波長を含む。ポンプ光の波長は、初期パルス光Ｐａを構成する複数の波長成分に含まれる。ポンプ光の波長は、例えば７７０ｎｍ～８２０ｎｍの範囲内である。第１パルス光ＰＬ１は、ポンプ光の波長の光のみから成ってもよい。第１パルス光ＰＬ１の時間波形は例えばガウス関数状である。
【0102】
図２２の（ｂ）部は、第２パルス光ＰＬ２の時間波形を模式的に示す。第２パルス光ＰＬ２の波長帯域は、プローブ光の波長を含む。プローブ光の波長は、初期パルス光Ｐａに含まれる複数の波長成分のうちポンプ光の波長よりも長い波長成分に含まれる。また、プローブ光の波長は、初期パルス光Ｐａに含まれる複数の波長成分のうち長波長側の波長成分に含まれる。プローブ光の波長は、例えば８２０ｎｍ～８４０ｎｍの範囲内である。第２パルス光ＰＬ２は、プローブ光の波長の光のみから成ってもよい。第２パルス光ＰＬ２の波長帯域の一部は、第１パルス光ＰＬ１の波長帯域の一部と重なってもよい。第２パルス光ＰＬ２の時間波形は例えばガウス関数状である。第２パルス光ＰＬ２のピーク強度Ｔ２は、第１パルス光ＰＬ１のピーク強度Ｔ１よりも小さい。例えば、第２パルス光ＰＬ２のピーク強度Ｔ２は、第１パルス光ＰＬ１のピーク強度Ｔ１の１０分の１以下である。また、第２パルス光ＰＬ２の半値全幅であるパルス幅Ｗ２は、第１パルス光ＰＬ１の半値全幅であるパルス幅Ｗ１よりも大きい。例えば、第２パルス光ＰＬ２のパルス幅Ｗ２は、第１パルス光ＰＬ１のパルス幅Ｗ１の１倍以上１００倍以下である。
【0103】
図２３は、第３パルス光ＰＬ３の時間波形及びスペクトル波形を説明するための図である。図２３の（ａ）部は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図２３の（ｂ）部は、第３パルス光ＰＬ３に含まれる成分パルスＰ３及び成分パルスＰ４の時間波形を表している。図２３の（ｃ）部は、成分パルスＰ３及び成分パルスＰ４を合成したスペクトル波形、すなわち第３パルス光ＰＬ３のスペクトル波形を表している。
【0104】
第３パルス光ＰＬ３のスペクトルは、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長の双方を含む。第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光の波長成分は、成分パルスＰ３を形成する。一例では、成分パルスＰ３のピーク強度Ｔ３、パルス幅Ｗ３及び波長成分は、第１パルス光ＰＬ１のピーク強度Ｔ１、パルス幅Ｗ１及び波長成分とそれぞれ同じである。第３パルス光ＰＬ３に含まれるプローブ光の波長成分は、成分パルスＰ４を形成する。一例では、成分パルスＰ４のピーク強度Ｔ４、パルス幅Ｗ４及び波長成分は、第２パルス光ＰＬ２のピーク強度Ｔ２、パルス幅Ｗ２及び波長成分とそれぞれ同じである。第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光の波長の成分すなわち成分パルスＰ３のパルス幅Ｗ３は、第３パルス光ＰＬ３に含まれるプローブ光の波長の成分すなわち成分パルスＰ４のパルス幅Ｗ４よりも小さい。第３パルス光ＰＬ３は、成分パルスＰ３に成分パルスＰ４が重畳されたものである。好適には、第３パルス光ＰＬ３は、成分パルスＰ３及び成分パルスＰ４を除く他の成分を含まない。
【0105】
図２３の（ｃ）部に示されるように、成分パルスＰ３及びＰ４を合成したスペクトルは単一のピークを有するが、図２３の（ａ）部を参照すると、成分パルスＰ３及びＰ４の中心波長は互いにずれている。図２３の（ｃ）部に示される単一のピークは、ほぼ初期パルス光Ｐａのスペクトルに相当する。成分パルスＰ３及びＰ４のピーク波長間隔は、初期パルス光Ｐａのスペクトル帯域幅によって定まり、一例では、初期パルス光Ｐａのスペクトル帯域幅の半値全幅の概ね２倍の範囲内である。
【0106】
パルス形成部３では、第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光の波長の成分（成分パルスＰ３）の強度ピークと、プローブ光の波長の成分（成分パルスＰ４）の強度ピークとの時間間隔Ｄ１は可変である。この時間間隔は、計測対象物Ｂの種類又は特性に応じて適宜変更され得る。時間間隔Ｄ１はゼロであってもよい。また、パルス形成部３では、第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光の波長の成分（成分パルスＰ３）のパルス幅Ｗ３と、プローブ光の波長の成分（成分パルスＰ４）のパルス幅Ｗ４との比（Ｗ３／Ｗ４）は可変である。この比（Ｗ３／Ｗ４）は、計測対象物Ｂの種類又は特性に応じて適宜変更され得る。この場合、第１パルス光ＰＬ１のパルス幅Ｗ１と、第２パルス光ＰＬ２のパルス幅Ｗ２との比（Ｗ１／Ｗ２）も比（Ｗ３／Ｗ４）に合わせて変更される。
【0107】
制御部１８（図２を参照）は、第１パルス光ＰＬ１を生成するための第１の位相パターンと、第２パルス光ＰＬ２を生成するための第２の位相パターンと、第３パルス光ＰＬ３を生成するための第３の位相パターンと、を予め記憶している。制御部１８は、第１の位相パターン、第２の位相パターン、又は第３の位相パターンをＳＬＭ１４へ選択的に出力する。
【0108】
図２４は、第３の位相パターンによって初期パルス光Ｐａに与えられるスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ１１及びスペクトル強度Ｇ１２）の例を模式的に示す。図２４において、横軸は波長を示し、縦軸はスペクトル強度及びスペクトル位相の各値を示す。但し、図２４は、プローブ光の波長がポンプ光の波長よりも大きい場合の例である。図２４に示されるスペクトル波形において、スペクトル位相Ｇ１１の波長特性は、或る波長λＡよりも小さい帯域において一定である部分Ｇ１１ａと、波長λＡよりも大きい帯域において下に凸の曲線状である部分Ｇ１１ｂとを含んでいる。部分Ｇ１１ｂは、位相φ（λ）を用いて以下の式によって表される。
φ（λ）＝φ２（ω（λ）－ωＢ）２／２
但し、φ２は定数である。ω（λ）及びωＢは角周波数であって、ω（λ）＝２πｃ／λ、ωＢ＝２πｃ／λＢ（ｃは光速）である。部分Ｇ１１ｂが極小値となる波長λＢは、波長λＡよりも大きい。また、波長λＡは、スペクトル強度のピーク波長λＣよりも大きい。部分Ｇ１１ａは、第３パルス光ＰＬ３のうちのポンプ光の波長の成分である成分パルスＰ３を形成し、部分Ｇ１１ｂは、第３パルス光ＰＬ３のうちのプローブ光の波長の成分である成分パルスＰ４を形成する。このように、スペクトル位相Ｇ１１において、成分パルスＰ３を形成する部分と、成分パルスＰ４を形成する部分との境界は不連続となる。
φ（λ）＝φ２（ω（λ）－ωＢ）２／２
但し、φ２は定数である。ω（λ）及びωＢは角周波数であって、ω（λ）＝２πｃ／λ、ωＢ＝２πｃ／λＢ（ｃは光速）である。部分Ｇ１１ｂが極小値となる波長λＢは、波長λＡよりも大きい。また、波長λＡは、スペクトル強度のピーク波長λＣよりも大きい。部分Ｇ１１ａは、第３パルス光ＰＬ３のうちのポンプ光の波長の成分である成分パルスＰ３を形成し、部分Ｇ１１ｂは、第３パルス光ＰＬ３のうちのプローブ光の波長の成分である成分パルスＰ４を形成する。このように、スペクトル位相Ｇ１１において、成分パルスＰ３を形成する部分と、成分パルスＰ４を形成する部分との境界は不連続となる。
【0109】
計測対象物Ｂは、パルス形成部３から出力される第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３の光軸上に配置される。パルス形成部３から出力された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３は、計測対象物Ｂに照射される。計測対象物Ｂからは、計測対象物Ｂを透過した第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３が出力される。或いは、計測対象物Ｂにおいて反射または散乱した第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３が計測対象物Ｂから出力されてもよい。計測対象物Ｂは、ポンプ光により活性化され、その光学特性が変化する。従って、ポンプ光が同時に照射されないときのプローブ光の時間波形、すなわち第２パルス光ＰＬ２の時間波形と比較して、ポンプ光が同時に照射されたときのプローブ光の時間波形、すなわち第３パルス光ＰＬ３の成分パルスＰ４の時間波形は、成分パルスＰ３の照射直後において大きく変化する。
【0110】
図２５の（ａ）部は、ポンプ光が計測対象物Ｂに照射されないときの、計測対象物Ｂを通過したプローブ光の時間波形の例を模式的に示すグラフである。図２５の（ｂ）部は、ポンプ光が時刻ｔ０において計測対象物Ｂに照射されたときの、計測対象物Ｂを通過したプローブ光の時間波形の例を模式的に示すグラフである。なお、図２５の（ｂ）部には、図２５の（ａ）部に示されたグラフが一点鎖線で示されている。この例では、ポンプ光が照射される時刻ｔ０において計測対象物Ｂの光学特性が変化すると、プローブ光の波長に対する計測対象物Ｂの光透過率が急激に低下している。その後、計測対象物Ｂの光透過率は時間をかけて元に戻る。図２５の（ｂ）部に示された時間波形から図７の（ａ）部に示された時間波形を差し引けば、図２５の（ｃ）部に示されるように、ポンプ光の照射に対する計測対象物Ｂの時間応答を求めることができる。
【0111】
減光部４１は、計測対象物Ｂから出力された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３を通過させる。このとき、減光部４１は、第２パルス光ＰＬ２及び第３パルス光ＰＬ３に含まれるプローブ光の波長の成分、典型的には第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４を、ほぼ減衰することなく透過させる。そして、減光部４１は、第１パルス光ＰＬ１及び第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光の波長の成分、典型的には第１パルス光ＰＬ１及び成分パルスＰ３を減衰する。言い換えると、減光部４１におけるポンプ光の波長に対する減衰率は、減光部４１におけるプローブ光の波長に対する減衰率よりも大きい。減光部４１が波長フィルタを有する場合、波長フィルタは、ポンプ光の波長を遮断帯域内に含み、プローブ光の波長を透過帯域内に含む。ポンプ光の波長に対する波長フィルタの透過率は例えば０％～５０％の範囲内である。プローブ光の波長に対する波長フィルタの透過率は例えば５０％～９９％の範囲内である。
【0112】
図２６は、減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１、減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２、及び、減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３の各一例を重ね合わせて示すグラフである。図２６において、横軸は時間（ピコ秒（ｐｓ））を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。第１時間波形ＴＷ１は、減光部４１によって減衰されたポンプ光の時間波形のみを含む。第３時間波形ＴＷ３は、減光部４１によって減衰されたポンプ光の時間波形と、ポンプ光を照射した時のプローブ光の時間波形とを重畳した波形を含む。従って、第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分を算出するなどの補正処理を行うことにより、ポンプ光の影響を排除しつつ、ポンプ光が照射された時のプローブ光の時間波形を得ることができる。また、第２時間波形ＴＷ２は、ポンプ光が照射されないときのプローブ光の時間波形のみを含む。従って、第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分と、第２時間波形ＴＷ２とを比較することにより、ポンプ光が照射されたときのプローブ光の時間波形と、ポンプ光が照射されないときのプローブ光の時間波形とを比較して、計測対象物Ｂ内部の時間応答を求めることができる。上記の原理に基づく計測対象物Ｂ内部の時間応答の評価は、後述する解析部６によって行われる。
【0113】
第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分と、第２時間波形ＴＷ２との比較には、例えばこれらの差の評価、又はこれらの比の評価など様々な方法を用いることができる。また、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３に基づく上記の演算の順序は任意である。図２７は、第１時間波形ＴＷ１、第３時間波形ＴＷ３から第２時間波形ＴＷ２を差し引いた時間波形である時間波形ＴＷ４、及び、時間波形ＴＷ４から第１時間波形ＴＷ１を差し引いた時間波形である時間波形ＴＷ５を示すグラフである。図２７において、横軸は時間（ｐｓ）を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。例えば図２７に示されるように、まず第３時間波形ＴＷ３と第２時間波形ＴＷ２との差分を算出し、次いでその差分と第１時間波形ＴＷ１との差分を算出してもよい。
【0114】
相関光学系５０は、減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、および第３パルス光ＰＬ３を受ける。相関光学系５０は、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、および第３パルス光ＰＬ３を、相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する。相関光に変換された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、および第３パルス光ＰＬ３は、相関光学系５０から出力され、光検出器５１によって検出される。
【0115】
解析部６の補助記憶装置６７（図１１を参照）は、相関光にそれぞれ変換された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３の各時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの時間応答を求めるためのプログラムを格納している。解析部６は、相関光にそれぞれ変換された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３の各時間波形に基づいて、計測対象物Ｂの時間応答を求める。相関光にそれぞれ変換された第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３の各時間波形は、減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１、減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２、及び、減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３とそれぞれ相関を有する。従って、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３に基づいて計測対象物Ｂ内部の時間応答を求める前述した原理は、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３が相関光に変換された場合にもそのまま適用できる。
【0116】
ここで、本実施形態の時間応答計測方法について説明する。図２８は、本実施形態の時間応答計測方法を示すフローチャートである。この時間応答計測方法は、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測する方法であって、例えば上述した光学特性計測装置１Ａを用いて好適に実施される。
【0117】
まず、光学系４において、第１の状態（計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される状態）を選択する（ステップＳＴ１１）。このステップＳＴ１１は、図１２に示されるステップＳＴ１に相当する。次に、図１２に示されるステップＳＴ２およびＳＴ３を繰り返す。具体的には、ステップＳＴ１２として、第１パルス光ＰＬ１を所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１を計測する。次に、ステップＳＴ１３として、第２パルス光ＰＬ２を上記所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２を計測する。続いて、ステップＳＴ１４として、第３パルス光ＰＬ３を上記所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３を計測する。なお、ステップＳＴ１２～ＳＴ１４において、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２および第３時間波形ＴＷ３として、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３の各相関光の時間波形を計測してもよい。
【0118】
これらのステップＳＴ１２～ＳＴ１４の順序は任意であり、ステップＳＴ１３を最初に行ってもよく、ステップＳＴ１４を最初に行ってもよい。但し、第３パルス光ＰＬ３の光強度は、第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２の各光強度よりも大きい。計測対象物Ｂによっては、大きな光強度を有する光を照射することによって不可逆な特性変化を生じる場合がある。そのような場合、ステップＳＴ１４を、ステップＳＴ１２及びステップＳＴ１３の少なくとも一方より先に行うと、その後に計測された第１時間波形ＴＷ１及び／又は第２時間波形ＴＷ２が正確性を欠く虞がある。ステップＳＴ１４をステップＳＴ１２及びステップＳＴ１３より後に行うことによって、そのような虞を軽減できる。
【0119】
その後、ステップＳＴ１５として、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求める。このステップＳＴ１５では、前述した原理に基づき、第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分と、第２時間波形ＴＷ２との比較に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求めてもよい。このステップＳＴ１５は、図１２に示されるステップＳＴ６に相当する。
【0120】
ＳＬＭ１４によって第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３を生成する際の留意点について述べる。ＳＬＭ１４からは、位相変調により生じる１次光、－１次光などに加えて、変調されない０次光が出力される。０次光は、１次光および－１次光と異なり、所望の時間波形の形成には寄与しない。従って、０次光からなるパルス光Ｐ０が第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３と時間的に重なると、０次光がポンプ光及び／又はプローブ光と同時に検出されてしまう。例えば図２９（ａ）は、第３パルス光ＰＬ３の成分パルスＰ３が、０次光からなるパルス光Ｐ０と重なっている場合を示している。このような場合、ポンプ光及び／又はプローブ光の光強度を正確に検出することができない。
【0121】
そこで、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３を、０次光からなるパルス光Ｐ０から時間的にずらして生成するとよい。例えば図２９（ｂ）は、第３パルス光ＰＬ３を、パルス光Ｐ０の後に生成する場合を示している。第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２それぞれの強度ピークと、パルス光Ｐ０の強度ピークとの時間間隔は、例えば第１パルス光ＰＬ１及び第２パルス光ＰＬ２のパルス幅Ｗ１，Ｗ２それぞれの１倍以上１００倍以下である。同様に、第３パルス光ＰＬ３の強度ピーク（典型的には成分パルスＰ３の強度ピークを意味する）と、パルス光Ｐ０の強度ピークとの時間間隔Ｄ２は、例えば第３パルス光ＰＬ３のパルス幅（典型的には成分パルスＰ４のパルス幅Ｗ４を意味する）の２倍以上１００倍以下である。一実施例では、時間間隔Ｄ２は－１．５ｐｓである。
【0122】
図３０及び図３１は、第３時間波形ＴＷ３から第２時間波形ＴＷ２及び第１時間波形ＴＷ１を差し引いた時間波形である時間波形ＴＷ５の一例を示すグラフである。図３０は、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３がパルス光Ｐ０と時間的に重なっている場合を示す。図３１は、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３がパルス光Ｐ０の１．５ｐｓ後に生成された場合を示す。図３０に示されるように、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３がパルス光Ｐ０と時間的に重なっている場合には、時間波形ＴＷ５からパルス光Ｐ０の成分を分離することは難しい。これに対し、図３１に示されるように、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３がパルス光Ｐ０から十分に遅れて生成された場合には、時間波形ＴＷ５からパルス光Ｐ０の成分を分離することは容易である。
【0123】
第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３は、パルス光Ｐ０の前に生成されてもよく、パルス光Ｐ０の後に生成されてもよい。但し、計測対象物Ｂの時間応答はポンプ光が照射された後長く続くため、パルス光Ｐ０が第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３の前に生じる（すなわち、第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２および第３パルス光ＰＬ３がパルス光Ｐ０の後に生成される）ことが好ましい。
［波長分散量計測］
［波長分散量計測］
【0124】
本実施形態の光学特性計測装置１Ａを用いた、計測対象物Ｂの波長分散量の計測について説明する。図３２は、波長分散計測装置として用いられるときの光学特性計測装置１Ａの動作を示す図である。波長分散量の計測においては、光学系４が第２の状態、すなわち計測対象物Ｂから出力されたパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない状態に設定される。そして、パルス形成部３は、初期パルス光Ｐａから、パルス光ＰＬとして光パルス列ＰＬ４を形成する。光パルス列ＰＬ４は、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む。光パルス列ＰＬ４は、初期パルス光Ｐａを構成するスペクトルを複数の波長帯域に分け、それぞれの波長帯域を用いて生成したシングルパルス群である。なお、複数の波長帯域の境界では、互いに重なり合う部分があってもよい。以下の説明では、光パルス列ＰＬ４を「帯域制御したマルチパルス」と称することがある。
【0125】
図３３は、帯域制御したマルチパルスの例を示す図である。この例では、３つの光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む光パルス列ＰＬ４が示されている。図３３（ａ）は、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図３３（ｂ）は、光パルス列ＰＬ４の時間波形を表している。各光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの時間波形は例えばガウス関数状である。図３３（ａ）及び図３３（ｂ）に示すように、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃのピーク同士は時間的に互いに離れており、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの伝搬タイミングは互いにずれている。言い換えると、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃは、互いに時間差を有している。光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの中心波長は互いに異なる。光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの時間間隔（ピーク間隔）は、例えば１０ｆｓ～１００００ｆｓの範囲内であり、一例では２０００ｆｓである。また、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃのＦＷＨＭは、例えば、１０ｆｓ～５０００ｆｓの範囲内であり、一例では３００ｆｓである。
【0126】
図３３（ｃ）は、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを合成したスペクトルを表している。図３３（ｃ）に示すように光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを合成したスペクトルは単一のピークを有するが、図３３（ａ）を参照すると光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの中心波長は互いにずれている。図３３（ｃ）に示す単一のピークは、ほぼ初期パルス光Ｐａのスペクトルに相当する。隣り合う光パルスＰＬａ，ＰＬｂ（又はＰＬｂ，ＰＬｃ）のピーク波長間隔は、初期パルス光Ｐａのスペクトル帯域幅によって定まり、概ね半値全幅の２倍の範囲内である。一例では、初期パルス光Ｐａのスペクトル帯域幅が１０ｎｍの場合、ピーク波長間隔は５ｎｍである。具体例として、初期パルス光Ｐａの中心波長が１０３０ｎｍである場合、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃのピーク波長はそれぞれ１０２５ｎｍ、１０３０ｎｍ、及び１０３５ｎｍであることができる。
【0127】
図３４は、比較例として、帯域制御されていないマルチパルスの例を示す図である。この例では、３つの光パルスＰＬｄ，ＰＬｅおよびＰＬｆを含む光パルス列ＰＬ５が示されている。図３４（ａ）は、図３３（ａ）と同様に、スペクトログラムであって、横軸に時間、縦軸に波長を示しており、光強度を色の濃淡で表している。図３４（ｂ）は、光パルス列ＰＬ５の時間波形を表している。図３４（ｃ）は、光パルスＰＬｄ，ＰＬｅおよびＰＬｆを合成したスペクトルを表している。図３４（ａ）～（ｃ）に示すように、光パルスＰＬｄ，ＰＬｅおよびＰＬｆのピーク同士は時間的に互いに離れているが、光パルスＰＬｄ，ＰＬｅおよびＰＬｆの中心波長は互いに一致している。計測対象物Ｂの波長分散量を計測する場合、パルス形成部３は、このような光パルス列ＰＬ５ではなく、図３３に示されたような、中心波長が互いに異なる光パルス列ＰＬ４を生成する。
【0128】
図３５（ａ）は、光パルス列ＰＬ４を生成するために、ＳＬＭ１４によって初期パルス光Ｐａに与えられるスペクトル波形（スペクトル位相Ｇ２１及びスペクトル強度Ｇ２２）の具体例を示す。図３５（ａ）において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸はスペクトル強度（任意単位）及びスペクトル位相（ｒａｄ）を示す。図３５（ｂ）は、図３５（ａ）に示されるスペクトル波形によって生成される光パルス列ＰＬ４の時間強度波形を示すグラフである。図３５（ｂ）において、横軸は時間（ｆｓ）を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃの中心波長は、それぞれ１０２５ｎｍ、１０３０ｎｍ、及び１０３５ｎｍである。
【0129】
計測対象物Ｂは、パルス形成部３から出力される光パルス列ＰＬ４の光軸上に配置される。パルス形成部３から出力された光パルス列ＰＬ４は、計測対象物Ｂに照射される。計測対象物Ｂからは、計測対象物Ｂを透過した光パルス列ＰＬ４が出力される。
【0130】
計測対象物Ｂは、例えば、光学ファイバあるいは光導波路等の導光部材である。光学ファイバとしては、例えば、シングルモードファイバ、マルチモードファイバ、希土類添加ファイバ、フォトニック結晶ファイバ、分散シフトファイバ、又はダブルクラッドファイバが挙げられる。光導波路としては、例えば、ＳｉＮ又はＩｎＰなどの半導体微小導波路が挙げられる。或いは、計測対象物Ｂは、例えば半導体又は誘電体光学結晶であってもよい。その場合、計測対象物Ｂは、ダイヤモンド、ＳｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３，ＰＬＺＴ、Ｓｉ、Ｇｅ、フラーレン、グラファイト、グラフェン、カーボンナノチューブ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、磁性体、有機材料、又は高分子材料等であってもよい。
【0131】
光学系４を通過した光パルス列ＰＬ４は、相関光学系５０に入力される。相関光学系５０は、光パルス列ＰＬ４を、相互相関又は自己相関を含む相関光に変換する。相関光に変換された光パルス列ＰＬ４は、相関光学系５０から出力される。
【0132】
図３６（ａ）および図３６（ｂ）は、光パルス列ＰＬ４の相関光の特徴量を概念的に説明するための図である。図３６（ａ）は、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過しない場合の相関光の時間波形の例を示す。図３６（ｂ）は、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過した場合の相関光の時間波形の例を示す。なお、これらの例は、計測対象物Ｂに照射される光パルス列ＰＬ４が、図３３（ｂ）に示された３つの光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む場合を示している。この場合、相関光は、光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃにそれぞれ対応する３つの光パルスＰＣａ，ＰＣｂおよびＰＣｃを含んで構成される。ここで、光パルスＰＣａ，ＰＣｂおよびＰＣｃのピーク強度をぞれぞれＰＥａ，ＰＥｂおよびＰＥｃとし、光パルスＰＣａ，ＰＣｂおよびＰＣｃの半値全幅（ＦＷＨＭ）をぞれぞれＷａ，ＷｂおよびＷｃとし、光パルスＰＣａ，ＰＣｂのピーク時間間隔（パルス間隔）をＧa,bとし、光パルスＰＣｂ，ＰＣｃのピーク時間間隔をＧb,cとする。
【0133】
図３６（ａ）に示すように、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過しない場合、相関光の時間波形は、パルス形成部３から出力された直後の光パルス列ＰＬ４の時間波形とほぼ同一となる。この例では、ピーク強度についてはＰＥｂがＰＥａ及びＰＥｃよりも大きく、ＰＥａとＰＥｂとがほぼ等しい。また、半値全幅についてはＷａとＷｂとＷｃとが互いにほぼ等しい。ピーク時間間隔についてはＧa,bとＧb,cとがほぼ等しい。これに対し、図３６（ｂ）に示すように、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過する場合、計測対象物Ｂの波長分散によって、相関光の時間波形は、光パルス列ＰＬ４の時間波形から大きく変化する。この例では、光パルスＰＣａ，ＰＣｂおよびＰＣｃのピーク強度ＰＥａ，ＰＥｂおよびＰＥｃが図３６（ａ）と比較して大きく低下しており、且つ、光パルスＰＣａ，ＰＣｂおよびＰＣｃの半値全幅Ｗａ，ＷｂおよびＷｃが図３６（ａ）と比較して顕著に拡大している。更に、ピーク時間間隔Ｇa,bが図３６（ａ）と比較して格段に長くなっている。
【0134】
このように、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過すると、相関光の時間波形の特徴量（ピーク強度ＰＥａ，ＰＥｂおよびＰＥｃ、半値全幅Ｗａ，ＷｂおよびＷｃ、ピーク時間間隔Ｇa,b，Ｇb,c）が、光パルス列ＰＬ４が計測対象物Ｂを通過しない場合と比較して大きく変化する。そして、その変化量は、計測対象物Ｂの波長分散量に依存する。従って、相関光の時間波形の特徴量の変化を観察することにより、計測対象物Ｂの波長分散量を精度良く且つ容易に知ることができる。但し、パルスレーザ光源２の既知の波長分散量を用いて計測対象物Ｂの波長分散量を補正してもよい。
【0135】
図３７は、本実施形態の波長分散計測方法を示すフローチャートである。この波長分散計測方法は、計測対象物Ｂの波長分散量を計測する方法であって、例えば上述した光学特性計測装置１Ａを用いて好適に実施される。
【0136】
まず、光学系４において、第２の状態（計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置されない状態）を選択する（ステップＳＴ２１）。このステップＳＴ２１は、図１２に示されるステップＳＴ１に相当する。次に、パルス光ＰＬとして、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数の光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む光パルス列ＰＬ４をパルス形成部３において生成し、この光パルス列ＰＬ４を計測対象物Ｂに照射する（ステップＳＴ２２）。このステップＳＴ２は、図１２に示されるステップＳＴ２に相当する。続いて、計測対象物Ｂを通過した光パルス列ＰＬ４の時間波形を波形計測部５において計測する（ステップＳＴ２３）。ステップＳＴ２３では、相関光学系５０を用いて光パルス列ＰＬ４の相関光を生成することによって、光パルス列ＰＬ４の時間波形を計測してもよい。続いて、解析部６において、光パルス列ＰＬ４の時間波形の特徴量に基づいて、計測対象物Ｂの波長分散量を推定する（ステップＳＴ２４）。
【0137】
以上に説明した本実施形態による光学特性計測装置１Ａ及び光学特性計測方法によって得られる効果について説明する。本実施形態による光学特性計測装置１Ａ及び光学特性計測方法では、パルス光ＰＬのパルス本数、スペクトル及び時間波形を変更可能であるパルス形成部３を用いて、計測される光学特性の種類に応じてパルス本数、スペクトル及び時間波形を設定することができる。また、計測対象物Ｂから出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４１が配置される第１の状態と、該光路上に減光部４１が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能な光学系４を用いて、光路上の減光部４１の有無を設定できる。パルス光ＰＬを構成する一の波長成分に対する減光部４１の減衰率は、パルス光ＰＬを構成する別の波長成分に対する減光部４１の減衰率よりも大きい。従って、パルス光ＰＬを構成する一の波長成分を、計測対象物Ｂを通過した後に減光することが求められる光学特性の計測（例えば時間応答計測）と、計測対象物Ｂを通過した後に減光しないことが求められる光学特性の計測（例えば波長分散計測）とを、一つの装置を用いて行うことができる。よって、二種類以上の光学特性の計測、例えば、時間応答計測及び波長分散計測を、一つの装置を用いて行うことができる。
【0138】
図４に示されたように、光学系４において、減光部４１はパルス光ＰＬの光軸と交差する方向に移動可能であってもよい。或いは、図５および図６に示されたように、光学系４は、パルス光ＰＬのための２つの光路を相互に切り替えるための構成を有し、減光部４１は、２つの光路のうちいずれかの光路上に配置されてもよい。これらのうちいずれかの構成を光学系４が有することによって、光路上に減光部４１が配置される第１の状態と、光路上に減光部４１が配置されない第２の状態とを容易に切り替えることができる。
【0139】
本実施形態のように、計測される光学特性の種類には、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答と、計測対象物Ｂの波長分散量とが含まれ、光学系４は、時間応答の計測時には第１の状態とされ、波長分散量の計測時には第２の状態とされてもよい。時間応答の計測時には、波長が互いに異なるポンプ光及びプローブ光を計測対象物Ｂに照射したのち、ポンプ光を除去してプローブ光のみを計測することが望まれる。この場合、ポンプ光は上記一の波長成分に相当し、プローブ光は上記別の波長成分に相当する。また、波長分散量の計測時には、波長が互いに異なる複数の光パルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む光パルス列ＰＬ４を計測対象物Ｂに照射し、計測対象物Ｂを通過した光パルス列ＰＬ４の時間波形を、各波長成分の光強度比を維持しつつ検出することが望まれる。光学系４において、時間応答の計測時には第１の状態が選択され、波長分散量の計測時には第２の状態が選択されることにより、時間応答計測及び波長分散計測を好適に行うことができる。
【0140】
本実施形態のように、パルス形成部３は、波長分散量の計測時に、パルス光ＰＬとして、互いに時間差を有し中心波長が互いに異なる複数のパルスＰＬａ，ＰＬｂおよびＰＬｃを含む光パルス列ＰＬ４を形成してもよい。波形計測部５は、計測対象物Ｂを通過した光パルス列ＰＬ４の時間波形を計測してもよい。解析部６は、光パルス列ＰＬ４の時間波形の特徴量に基づいて、計測対象物Ｂの波長分散量を推定してもよい。これにより、計測対象物Ｂの波長分散量を好適に計測することができる。
【0141】
本実施形態のように、パルス形成部３は、時間応答の計測時に、パルス光ＰＬとして、ポンプ光の波長を含む第１パルス光ＰＬ１、プローブ光の波長を含む第２パルス光ＰＬ２、並びに、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長の双方を含む第３パルス光ＰＬ３を共通の光軸上に生成してもよい。減光部４１のポンプ光に対する減衰率は、減光部４１のプローブ光に対する減衰率より大きくてもよい。波形計測部５は、減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１、減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２、及び、減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３を計測してもよい。解析部６は、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求めてもよい。
【0142】
本実施形態のように、時間応答の計測時には、図１２に示されるステップＳＴ２及びステップＳＴ３を交互に繰り返してもよい。そして、一の繰り返しに相当するステップＳＴ１２では、ポンプ光の波長を含むパルス光ＰＬである第１パルス光ＰＬ１を所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し（ステップＳＴ２）、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１を計測してもよい（ステップＳＴ３）。また、別の繰り返しに相当するステップＳＴ１３では、プローブ光の波長を含むパルス光ＰＬである第２パルス光ＰＬ２を所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し（ステップＳＴ２）、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２を計測してもよい（ステップＳＴ３）。また、更に別の繰り返しに相当するステップＳＴ１４では、プローブ光の波長を含むパルス光ＰＬである第３パルス光ＰＬ３を所定の光軸に沿って計測対象物Ｂに照射し（ステップＳＴ２）、計測対象物Ｂから出力されたのち減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３を計測してもよい（ステップＳＴ３）。そして、計測対象物Ｂの光学特性を求めるステップＳＴ６に相当するステップＳＴ１５において、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求めてもよい。
【0143】
図４７は、計測対象物１０２の時間応答を計測するための、比較例としての装置１００の構成を示す模式図である。図４７に示される装置１００では、計測対象物１０２を通過する際のポンプ光Ｌpumpの光軸が、プローブ光Ｌprobeの光軸に対して傾斜している。この場合、計測対象物１０２の内部において、ポンプ光Ｌpumpの照射位置とプローブ光Ｌprobeの照射位置とを一致させるために、これらの照射位置をマイクロメートルオーダーで調整する必要がある。したがって、空間的及び時間的な光学調整の精度が求められ、作業が極めて煩雑となる。
【0144】
この問題を解決するために、ポンプ光及びプローブ光の各光軸を互いに傾斜させずに一致させ、その一致した光軸上に配置された計測対象物にポンプ光及びプローブ光を照射することが考えられる。これにより、ポンプ光の照射位置とプローブ光の照射位置とを一致させるための作業をする必要がないので、計測作業を簡易化できる。しかし、その場合、プローブ光はポンプ光が重畳した光として検出される。従って、ポンプ光の照射に起因する計測対象物内部の時間応答をプローブ光によって計測するためには、検出結果からポンプ光の影響を排除することが望まれる。そこで、計測対象物を通過したポンプ光及びプローブ光のうちポンプ光のみを除去することが考えられる。しかしながら、通常、ポンプ光の光強度はプローブ光の光強度よりも格段に大きい。従って、例えば波長フィルタを用いてポンプ光のみを減衰したとしても、プローブ光の光強度に対して無視できない光強度のポンプ光が残存する。
【0145】
本実施形態の光学特性計測装置１Ａ及び光学特性計測方法では、ポンプ光の波長を含む第１パルス光ＰＬ１、プローブ光の波長を含む第２パルス光ＰＬ２、並びに、ポンプ光の波長及びプローブ光の波長を含む第３パルス光ＰＬ３を共通の光軸上に生成する。そして、これらの第１パルス光ＰＬ１、第２パルス光ＰＬ２、及び第３パルス光ＰＬ３が光軸上の計測対象物Ｂに照射されたのち、減光部４１がポンプ光の波長の光強度を減衰する。この場合、減光部４１を通過した第１パルス光ＰＬ１の時間波形である第１時間波形ＴＷ１には、減衰されたポンプ光の時間波形のみが含まれる。また、減光部４１を通過した第２パルス光ＰＬ２の時間波形である第２時間波形ＴＷ２には、ポンプ光を照射しないときのプローブ光の時間波形のみが含まれる。また、減光部４１を通過した第３パルス光ＰＬ３の時間波形である第３時間波形ＴＷ３には、ポンプ光を照射したときのプローブ光の時間波形と、減衰されたポンプ光の時間波形とを重畳した時間波形が含まれる。これらの時間波形に基づいて、計算によりポンプ光の影響を排除しつつ、ポンプ光の照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答をプローブ光の時間波形から求めることができる。
【0146】
加えて、本実施形態の光学特性計測装置１Ａによれば、次のような作用効果を奏することもできる。仮に、計測対象物Ｂを通過する際のポンプ光の光軸が、プローブ光の光軸に対して傾斜している場合、特性変化が生じる計測対象物Ｂ内部の領域は、ポンプ光の光軸とプローブ光の光軸とが互いに交差する領域に限られ、その領域は極めて小さい。よって、当該領域における特性変化がプローブ光に与える影響も小さい。これに対し、本実施形態の光学特性計測装置１Ａでは、計測対象物Ｂを通過する際のポンプ光の光軸と、プローブ光の光軸とが互いに一致している。従って、特性変化が生じる計測対象物Ｂ内部の領域とプローブ光の照射領域とが重なる領域は、プローブ光の光軸に沿って延在することとなり、ポンプ光の光軸とプローブ光の光軸とが交差する場合の領域と比較して、その体積が大きくなる。よって、当該領域における特性変化がプローブ光に与える影響も大きくなるので、計測対象物Ｂ内部の時間応答をより精度良く求めることができる。
【0147】
本実施形態のように、解析部６及びステップＳＴ１５において、第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分と、第２時間波形ＴＷ２との比較に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求めてもよい。第３時間波形ＴＷ３と第１時間波形ＴＷ１との差分を算出することにより、ポンプ光の影響を排除しつつ、ポンプ光が照射されたときのプローブ光の時間波形を得ることができる。そして、この差分と、第２時間波形ＴＷ２とを比較することにより、ポンプ光が照射されたときのプローブ光の時間波形と、ポンプ光が照射されないときのプローブ光の時間波形とを比較して、計測対象物Ｂ内部の時間応答をより正確に求めることができる。
【0148】
本実施形態のように、パルス形成部３は、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調の少なくともいずれか一方を行うことによりパルス光ＰＬを生成するＳＬＭ１４を有してもよい。同様に、ステップＳＴ２では、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調の少なくともいずれか一方を行うＳＬＭ１４を用いてパルス光ＰＬを生成してもよい。また、パルス形成部３は、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調とを同時に行うことによりパルス光ＰＬを生成するＳＬＭ１４を有してもよい。同様に、ステップＳＴ２では、入力された初期パルス光Ｐａの位相変調と強度変調とを同時に行うＳＬＭ１４を用いてパルス光ＰＬを生成してもよい。これらの場合、ＳＬＭ１４に表示される変調パターンを変更するだけで種々のパルス光ＰＬを選択的に生成できる。従って、パルス形成部３において生成されるパルス光ＰＬを、計測される光学特性の種類に応じて容易に変更することができる。
【0149】
本実施形態のように、波形計測部５は、相関光学系５０を有してもよい。相関光学系５０は、光学系４の後段に配置され、パルス光ＰＬの相互相関又は自己相関を含む相関光を出力する。そして、解析部６は、この相関光に基づいて計測対象物Ｂの時間応答を求めてもよい。この場合、パルス光ＰＬの時間幅が例えばフェムト秒オーダーまたはピコ秒オーダーであっても、その時間波形を精度良く計測できる。故に、計測対象物Ｂ内部の特性変化を精度良く計測することができる。
【0150】
本実施形態のように、減光部４１は、ポンプ光の波長を遮断帯域内に含み、プローブ光の波長を透過帯域内に含む波長フィルタを有してもよい。この場合、簡易な構成によってポンプ光の波長の光強度を減衰することができる。
【0151】
本実施形態のように、パルス形成部３において、成分パルスＰ３の強度ピークと成分パルスＰ４の強度ピークとの時間間隔Ｄ１が可変であってもよい。この場合、成分パルスＰ３と成分パルスＰ４との時間間隔Ｄ１を、計測対象物Ｂの種類又は性質に応じて適切に設定することが容易にできる。
【0152】
本実施形態のように、パルス形成部３において、成分パルスＰ３のパルス幅Ｗ３と成分パルスＰ４のパルス幅Ｗ４との比（Ｗ３／Ｗ４）が可変であってもよい。この場合、第３パルス光ＰＬ３に含まれるポンプ光のパルス幅とプローブ光のパルス幅との比を、計測対象物Ｂの種類又は性質に応じて適切に設定することが容易にできる。
【0153】
本実施形態のように、成分パルスＰ３のパルス幅Ｗ３は、成分パルスＰ４のパルス幅Ｗ４よりも小さくてもよい。例えば、パルス幅Ｗ３と同程度のパルス幅Ｗ４を有する成分パルスＰ４と、成分パルスＰ３との時間差を変化させながら第３パルス光ＰＬ３の検出を複数回行う方式も考えられる。本実施形態によれば、このような方式と異なり、第３パルス光ＰＬ３を一回だけ検出すれば計測が完了する。従って、第３パルス光ＰＬ３の照射回数及び検出回数が少なくて済むので、計測作業を更に簡易化できる。
【0154】
ここで、プローブ光のパルス幅、すなわち第２パルス光ＰＬ２のパルス幅Ｗ２および成分パルスＰ４のパルス幅Ｗ４の決定方法の例について説明する。図３８は、パルス幅Ｗ２，Ｗ４と、時間波形ＴＷ５に含まれる計測対象物Ｂの時間応答波形の時間幅Δｔとの関係を示すグラフである。図３８において、横軸はパルス幅Ｗ２，Ｗ４（ｐｓ）を示し、縦軸は時間幅Δｔ（ｐｓ）を示す。図３８は、計測対象物Ｂとして厚さ１ｍｍのＺｎＴｅ結晶を用いた実験結果である。図３９は、図３８に含まれる幾つかのプロットの基になった時間波形ＴＷ５を示すグラフである。図３９において、横軸は時間（ｐｓ）を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。図３９において、線Ｇ３１は、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量を１５０００ｆｓ２とした結果である。線Ｇ３２は、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量を２００００ｆｓ２とした結果である。線Ｇ３３は、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量を４００００ｆｓ２とした結果である。線Ｇ３４は、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量を６００００ｆｓ２とした結果である。なお、チャープ量が大きいほどパルス幅は大きくなる。
【0155】
図３８を参照すると、プローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４が大きくなるほど、計測対象物Ｂの時間応答波形の時間幅Δｔは概ね増大している。しかしながら、プローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４が４００ｆｓ以上６００ｆｓ以下である範囲内においては、時間幅Δｔがほぼ一定値となっている。すなわち、この範囲内においては、時間波形ＴＷ５がほぼ変化しないといえる。この範囲内における時間幅Δｔは２００ｆｓであった。このことから、プローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４を計測対象物Ｂの時間応答幅の２倍以上３倍以下の範囲内に決定することにより、計測対象物Ｂの時間応答をより精度良く計測することができる。
［第１変形例］
［第１変形例］
【0156】
上記実施形態の光学特性計測装置１Ａは、計測対象物Ｂの時間応答の計測の際に、プローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４を調整することによって、計測対象物Ｂの３次の非線形係数χ（３）を併せて計測してもよい。
【0157】
図４０（ａ）、図４０（ｂ）、図４１（ａ）、図４１（ｂ）、図４２（ａ）、及び図４２（ｂ）は、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量をそれぞれ－５０００ｆｓ２、－２５００ｆｓ２、０ｆｓ２、２５００ｆｓ２、５０００ｆｓ２、及び１００００ｆｓ２とした場合における、時間波形ＴＷ５を示すグラフである。これらの図において、横軸は時間（ｐｓ）を示し、縦軸は光強度（任意単位）を示す。これらの図を参照すると、第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４のチャープ量の変化、すなわちプローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４の変化に応じて、計測対象物Ｂの時間応答波形の位相が変化することがわかる。このような現象は、プローブ光のパルス幅Ｗ２，Ｗ４が比較的小さい（例えば４００ｆｓ以下）ときに顕著に生じる。
【0158】
計測対象物Ｂにポンプ光が照射されると、その照射領域において計測対象物Ｂの屈折率が変化する。これにより、計測対象物Ｂを通過したプローブ光の時間波形が歪む。このような現象は、相互位相変調（ＸＰＭ：cross-phase modulation）と呼ばれる。そして、ＸＰＭの大きさは、計測対象物Ｂの３次の非線形係数χ（３）に依存する。計測対象物Ｂの時間応答波形の位相の変化は、このＸＰＭに因ると考えられる。従って、時間波形ＴＷ５に含まれる計測対象物Ｂの時間応答波形の位相の変化を検出することによって、計測対象物Ｂの３次の非線形係数χ（３）を計測することが可能である。なお、時間波形ＴＷ５に基づく計測対象物Ｂの３次の非線形係数χ（３）の演算は、解析部６において行われてもよい。また、３次の非線形係数χ（３）の演算元となる情報は、時間波形ＴＷ５に限られず、第１時間波形ＴＷ１、第２時間波形ＴＷ２、及び第３時間波形ＴＷ３から導き出される種々の情報であってよい。
［第２変形例］
［第２変形例］
【0159】
図４３は、本開示の第２変形例に係る光学特性計測装置１Ｂの構成を示す図である。光学特性計測装置１Ｂでは、相関光学系５０の配置が上記実施形態の光学特性計測装置１Ａと異なる。すなわち、光学特性計測装置１Ｂでは、相関光学系５０が、計測対象物Ｂと光学系４０との間の光路上に配置されている。この場合、相関光学系５０は、計測対象物Ｂから出力されたパルス光ＰＬを受けて、減光前のパルス光ＰＬの相関光を生成する。
【0160】
パルス光ＰＬの相関光は、光学系４０に達する。光学系４０は、相関光学系５０から出力されたパルス光ＰＬの相関光を通過させる。光学系４０は、減光部４８を有する。パルス光ＰＬを構成する一の波長成分（例えばポンプ光の相関光）に対する減光部４８の減衰率は、パルス光ＰＬを構成する別の波長成分（例えばプローブ光の相関光）に対する減光部４８の減衰率よりも大きい。
【0161】
光学系４０は、相関光学系５０から出力されるパルス光ＰＬの光路上に減光部４８が配置される第１の状態と、その光路上に減光部４８が配置されない第２の状態とを相互に切り替え可能に構成されている。光学系４０は、光照射に起因する計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測するときには第１の状態とされ、計測対象物Ｂの波長分散量を計測するときには第２の状態とされる。なお、上述した点を除く光学系４０および減光部４８の構成は、上記実施形態と同じである。
【0162】
計測対象物Ｂ内部の時間応答を計測する際、減光部４８は、第２パルス光ＰＬ２及び第３パルス光ＰＬ３の各相関光に含まれる、プローブ光に起因する波長成分、典型的には第２パルス光ＰＬ２及び成分パルスＰ４の各相関光を、ほぼ減衰することなく透過させる。そして、減光部４８は、第１パルス光ＰＬ１及び第３パルス光ＰＬ３の各相関光に含まれる、ポンプ光に起因する波長成分、典型的には第１パルス光ＰＬ１及び成分パルスＰ３の各相関光を減衰する。
［第３変形例］
［第３変形例］
【0163】
図４４は、本開示の第３変形例に係る波形計測部５Ａの構成を模式的に示す図である。上記実施形態の光学特性計測装置１Ａは、波形計測部５に代えて波形計測部５Ａを備えてもよい。波形計測部５Ａは、相関光学系５０に代わる光学部品として、長尺光ファイバ５０２を有する。長尺光ファイバ５０２は、その長さが十分に長い（例えば長さ数ｋｍの）光ファイバである。長尺光ファイバ５０２は光学系４の後段に配置され、長尺光ファイバ５０２の一端は、レンズ５０１を介して光学系４と光学的に結合されている。長尺光ファイバ５０２の他端は、光検出器５１と光学的に結合されている。
【0164】
光学系４を通過したパルス光ＰＬは、長尺光ファイバ５０２に入射する。長尺光ファイバ５０２は、長尺光ファイバ５０２の内部を伝搬するパルス光ＰＬの時間幅を伸張させる。長尺光ファイバ５０２は、例えば、フェムト秒オーダーのパルス幅をナノ秒オーダーに伸張させる。時間幅が伸張したパルス光ＰＬの各時間波形は、光検出器５１によって検出される。長尺光ファイバ５０２の長さ及び屈折率は既知であるので、解析部６は、検出された各時間波形から、時間幅を伸張する前のパルス光ＰＬの時間波形を算出して、その時間波形に基づき計測対象物Ｂの時間応答を計測する。なお、第２変形例に係る波形計測部５Ｂが、相関光学系５０に代わる光学部品として、長尺光ファイバ５０２を有してもよい。すなわち、長尺光ファイバ５０２は、計測対象物Ｂと光学系４との間の光路上に配置されてもよい。
【0165】
本変形例のように、波形計測部５Ａは、計測対象物Ｂと光学系４との間又は光学系４の後段に配置されてパルス光ＰＬの時間幅を伸張させる光学部品（長尺光ファイバ５０２）を有してもよい。この場合、パルス光ＰＬの時間幅が例えばフェムト秒オーダーまたはピコ秒オーダーであっても、これらの時間波形を精度良く測定できる。故に、計測対象物Ｂの光学特性を精度良く計測することができる。
【0166】
また、本変形例によれば、パルス光ＰＬをそれらの時間幅を拡げて検出するので、相関光学系のような複雑な光学系を必要としない。また、相関光学系を用いる場合にはパルス光ＰＬと参照パルス光との時間差を複数設定しながら検出を行う必要があるが、本変形例によればより少ない検出回数によってパルス光ＰＬの時間波形を取得することができる。従って、計測作業をより簡易化できる。
［第４変形例］
［第４変形例］
【0167】
図４５は、本開示の第４変形例に係る波形計測部５Ｂの構成を模式的に示す図である。パルス光ＰＬの時間幅を伸張させるための光学部品は長尺光ファイバ５０２に限られない。例えば、図４５に示されるように、長尺光ファイバ５０２に代えて（又は長尺光ファイバ５０２とともに）チャープドファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）５０４を配置してもよい。ＣＦＢＧ５０４は、光ファイバに回折格子パターンが描写されたものである。一例では、ＣＦＢＧ５０４は光サーキュレータ５０３とともに光学系４と光検出器５１との間に配置される。光サーキュレータ５０３の第１ポートは光学系４と光学的に結合され、第１ポートには計測対象物Ｂおよび光学系４を通過したパルス光ＰＬが入力される。光サーキュレータ５０３の第２ポートはＣＦＢＧ５０４と光学的に結合される。光サーキュレータ５０３の第１ポートに入力されたパルス光ＰＬは、光サーキュレータ５０３の第２ポートから出力されてＣＦＢＧ５０４に入力される。ＣＦＢＧ５０４は、上述した長尺光ファイバ５０２と同様に、パルス光ＰＬの時間幅を（例えばナノ秒オーダーに）伸張させる。時間幅が伸張したパルス光ＰＬは、再び光サーキュレータ５０３の第２ポートに入力される。光サーキュレータ５０３の第３ポートは光検出器５１と光学的に結合されており、時間幅が伸張したパルス光ＰＬは、第３ポートから出力されて光検出器５１に入力される。なお、光サーキュレータ５０３の第１ポートが計測対象物Ｂと光学的に結合され、第３ポートが光学系４と光学的に結合されてもよい。
【0168】
本変形例の構成によれば、上述した第３変形例と同じ効果を奏することができる。加えて、ＣＦＢＧ５０４は長尺光ファイバ５０２よりも格段に小さいので、光学特性計測装置の小型化が可能になる。また、長尺光ファイバ５０２と比較して伝搬ロスを小さくすることができる。
［第５変形例］
［第５変形例］
【0169】
上記実施形態の波形計測部５は、相関光学系５０に代わる光学系として、スペクトル干渉光学系を有してもよい。スペクトル干渉光学系は、パルス光ＰＬを２つに分岐し、分岐された２つのパルス光ＰＬ同士を干渉させることにより、干渉縞を生成する。そして、この干渉縞を、分光器を用いて計測する。この場合、パルス光ＰＬの時間幅が例えばフェムト秒オーダーまたはピコ秒オーダーであっても、これらの時間波形を精度良く測定できる。故に、計測対象物Ｂの光学特性を精度良く計測することができる。
［第６変形例］
［第６変形例］
【0170】
図４６は、本開示の第６変形例に係る光学特性計測装置１Ｃの構成を模式的に示す図である。光学特性計測装置１Ｃは、相関光学系５０に代えてデュアルコム分光技術を利用している点で、上記実施形態に係る光学特性計測装置１Ａと異なる。すなわち、本変形例に係る光学特性計測装置１Ｃは、上記実施形態の波形計測部５に代えて波形計測部５Ｃを備え、また、上記実施形態のパルスレーザ光源２に代えて、第１のパルスレーザ光源２Ａと、第２のパルスレーザ光源２Ｂとを備える。
【0171】
第１のパルスレーザ光源２Ａ及び第２のパルスレーザ光源２Ｂは、いずれもパルス周期およびオフセット周波数が安定化された光周波数コム光源であり、等しい周波数間隔で並んだモード群（コムモード群）からなるフェムト秒光パルスを周期的に出力する。第１のパルスレーザ光源２Ａと第２のパルスレーザ光源２Ｂとは、互いに位相が同期されており、フェムト秒光パルスを出力する周期がわずかに異なる。第１のパルスレーザ光源２Ａは、初期パルス光Ｐａを出力し、第２のパルスレーザ光源２Ｂは、参照用パルス光Ｐｒを出力する。第１のパルスレーザ光源２Ａから出力された初期パルス光Ｐａは、パルス形成部３によってパルス光ＰＬに変換される。パルス光ＰＬは計測対象物Ｂ及び光学系４を通過したのち、波形計測部５Ｃに入力される。
【0172】
一方、第２のパルスレーザ光源２Ｂから出力された参照用パルス光Ｐｒは、パルス形成部３、計測対象物Ｂ及び光学系４を経ることなく波形計測部５Ｃに直接入力される。このとき、パルス光ＰＬは、参照用パルス光Ｐｒと干渉して干渉光に変換される。波形計測部５Ｃは光検出器５０５を有している。光検出器５０５は、パルス光ＰＬの干渉光を検出する。この干渉光は、パルス光ＰＬの相互相関を含む相関光である。従って、第２のパルスレーザ光源２Ｂと、パルス光ＰＬを波形計測部５Ｃへ導く光学系と、参照用パルス光Ｐｒを波形計測部５Ｃへ導く光学系とは、相関光学系を構成する。
【0173】
ここで、第１のパルスレーザ光源２Ａ及び第２のパルスレーザ光源２Ｂは、いずれもフェムト秒光パルスを周期的に出力し、かつその周期がわずかに異なる。従って、パルス光ＰＬが光検出器５０５に入力されるタイミングと、参照用パルス光Ｐｒが光検出器５０５に入力されるタイミングとの間に差が生じ、かつその差は時間とともに変化する。したがって、光検出器５０５は、相関光の強度を表す電気信号を、パルス光ＰＬに対する参照用パルス光Ｐｒの時間遅延を変化させながら、順次出力する。これによって、パルス光ＰＬの時間波形を異なるタイミングでサンプリングした光信号に相当する電気信号を順次取得することができる。波形計測部５Ｃは、このようにして順次取得した電気信号を処理することにより、パルス光ＰＬの時間波形を計測する。
【0174】
図９に示された相関光学系５０Ｂでは、パルス光ＰＬの時間波形をサンプリングするために、移動ステージ５９に搭載されたミラー５８を移動させて、参照用パルス光Ｐｒの光路長（つまり、時間遅延）を変化させる必要がある。ミラー５８の移動量及び移動速度には限界があるので、時間応答計測のダイナミックレンジ及び時間応答計測に要する時間にも限界がある。
【0175】
これに対して、本変形例に係る光学特性計測装置１Ｃにおいては、移動反射鏡を使用しないので、図９に示された相関光学系５０Ｂを備える光学特性計測装置１Ａに比べて、時間応答計測のダイナミックレンジを拡大することができ、時間応答計測に要する時間を短縮することができる。
【0176】
本開示による光学特性計測装置及び光学特性計測方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態及び各変形例を、必要な目的及び効果に応じて互いに組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0177】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…光学特性計測装置、２，２Ａ，２Ｂ…パルスレーザ光源、３…パルス形成部、３ａ…光入力端、３ｂ…光出力端、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４０…光学系、５，５Ａ，５Ｂ，５Ｃ…波形計測部、６…解析部、１２…回折格子、１３…レンズ、１４…空間光変調器（ＳＬＭ）、１５…レンズ、１６…回折格子、１７…変調面、１７ａ…変調領域、１８…制御部、２０…変調パターン算出装置、２１…任意波形入力部、２２…位相スペクトル設計部、２３…強度スペクトル設計部、２４…変調パターン生成部、２５…フーリエ変換部、２６…関数置換部、２７…波形関数修正部、２８…逆フーリエ変換部、２９…ターゲット生成部、２９ａ…フーリエ変換部、２９ｂ…スペクトログラム修正部、４１，４８…減光部、４３ａ，４３ｂ…固定ミラー、４４ａ，４４ｂ…可動ミラー、４５ａ，４５ｂ…ハーフミラー、４６ａ，４６ｂ…固定ミラー、４７…光吸収材、５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ…相関光学系、５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ…光路、５１…光検出器、５２ａ，５２ｂ…レンズ、５３…光学素子、５４…ビームスプリッタ、５５，５６，５８…ミラー、５７，５９…移動ステージ、６１…プロセッサ（ＣＰＵ）、６２…ＲＯＭ、６４…入力デバイス、６５…出力デバイス、６６…通信モジュール、６７…補助記憶装置、１００…装置、１０２…計測対象物、５０１…レンズ、５０２…長尺光ファイバ、５０３…光サーキュレータ、５０４…チャープドファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）、５０５…光検出器、ＡＡ，ＡＢ…方向、Ｂ…計測対象物、Ｄ１，Ｄ２…時間間隔、Ｌｐｒｏｂｅ…プローブ光、Ｌｐｕｍｐ…ポンプ光、Ｐ０…（０次）パルス光、Ｐ３，Ｐ４…成分パルス、Ｐａ…初期パルス光、Ｐｂ…光、Ｐｃ…変調光、ＰＣａ，ＰＣｂ，ＰＣｃ…光パルス、ＰＥａ，ＰＥｂ…ピーク強度、ＰＬ…パルス光、ＰＬ１…第１パルス光、ＰＬ２…第２パルス光、ＰＬ３…第３パルス光、ＰＬ４，ＰＬ５…光パルス列、ＰＬａ，ＰＬｂ，ＰＬｃ，ＰＬｄ，ＰＬｅ，ＰＬｆ…光パルス、Ｐｒ…参照用パルス光、ＰＬｕ，ＰＬｖ…パルス光、Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４…ピーク強度、ＴＷ１，ＴＷ２，ＴＷ３，ＴＷ４，ＴＷ５…時間波形、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４…パルス幅、Ｗａ，Ｗｂ…半値全幅。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】
【図47】