JP2011506993A - テラヘルツ周波数帯域中に存在する摂動によって誘起される一時的な複屈折のワンショット測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、テラヘルツ周波数帯域中に存在する摂動によって光学媒体で誘起される一時的な複屈折の、直接で、非変形の、ワンショット測定方法及び装置に関する。本発明の目的は、ワンショットの測定方法及びワンショットの測定装置を提供することによって先行技術の欠点を軽減することにある。これらは、スペクトル符号化／復号化方式に基づく。そして、それらはすべての短いパルス（UV-NIR）のレーザー光源と互換性がある。この点に関し、本発明は、少なくとも１つのテラヘルツ摂動（６）によって、光学媒体（１２）で誘起される一時的な複屈折のワンショット測定方法を提供し、その方法は、光パルス信号（２）の送信及びスペクトル符号化のステップを含む。符号化ステップは、スーパーコンティニューム（３）の生成を含み、さらに、２つの偏光方向へのスーパーコンティニュームの電界を分解し、その２つの成分の強度I_s及びI_pを同時に測定することによる、媒体（１２）の摂動（６）によって誘起されたスーパーコンティニュームの偏光の楕円率の復号ステップと組み合わされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、テラヘルツ周波数帯域中に存在する摂動によって光学媒体で誘起される一時的な複屈折の、直接で、非変形の、ワンショット測定装置に関する。

本発明は、光学媒体で誘起される複屈折の特性評価の技術分野、特に電気光学または磁気光学の診断の分野に関する。この点について、本発明は特に、テラヘルツ分光法、電子的構成要素の特性評価、及び、荷電加速粒子ビームの診断に適用される。

テラヘルツ放射の時間的プロファイルを特性評価する従来のサンプリング法は、ポッケルス効果に基づく。その特性評価方法は、従って、センサーパルス信号と呼ばれる光パルス信号が、光学媒体を、テラヘルツ放射を受けるポイントにおいて、通過することから成る。従って、センサーパルスの電界は、誘起された複屈折の２つの軸に沿って、位相遅延を起こす。テラヘルツ放射の時間的プロファイルは、その後、たとえば、時間の関数としてのセンサーパルス信号の電磁界の偏光の変調によって得られる位相遅延における時間的変動を知ることによって再構成され得る（L Duvillaret, S Rialland, J-L Coutaz, J Opt. Soc. Am. B 19, 2692 2000）。

従来の電気光学サンプリングは、測定される信号の繰り返しに基づく。テラヘルツ放射の時間的プロファイルは、テラヘルツ放射と超短センサー・レーザーパルスの間の時間遅延の変化によって得られる連続収集から再構成される。この技術に基づく電気光学サンプリング装置は、同期増幅器、または「ロックイン増幅器」と組み合わされた、高い繰り返し率（MHz）のレーザー光源を使用することにより、ピコ秒未満の時間分解能を達成でき、桁違いに感度が良くなる(J A Valdmanis, G Mourou, IEEE J Quantum Electron. 22, 69 1986)。

それでも、多くのアプリケーションについて、特に不安定なシステム（生体サンプル、反応物理化学システム、移動物体または不安定な物体の画像化）の特性評価に関するアプリケーションの場合、または撮影毎に固有のゆらぎがある実験の場合、上述した技術は適用できない。このように、いくつかの構成において、テラヘルツ放射は、センサーパルスと正確に同期できない。その他の場合、このテラヘルツ放射におけるゆらぎは、特に基準光クロックに関して特徴付けられる。

これらの多くの場合では、従来の電気光学サンプリングによってカバーされず、テラヘルツ放射の時間的プロファイルのシングルショットの記録方法が、開発されてきた。

歴史的には、提案された最初のシングルショットの取得方法は、周波数ドリフトによって、時間的に伸張されたセンサー・レーザーパルスのスペクトル上でのテラヘルツ放射の時間的プロファイルの符号化から成る。テラヘルツパルスは、その後、時間−周波数分散関係について知ることによって、スペクトルグラフの中でセンサーパルスを分散させることにより復号される。そして、スペクトルの符号化／復号化について、述べられている (Z Jiang, X-C Zhang, Appl. Phys. Lett. 72, 1945 1998; X-C Zhang, Z Jiang, US 6,573,700 2003)。

このシングルショットの測定スキームでは、時間分解能と検出窓幅は、センサーパルス信号のスペクトル幅に関係づけられる。これは、この符号化／復号化方式に固有の制限である。従って、装置の時間分解能の測定が以下の方程式によって与えられることが認められる(F G Sun, Z Jiang, X-C Zhang, Appl. Phys. Lett. 73, 2233 1998; J R Fletcher, Opt. Exp. 10, 1425 2002)。：

ここで、T_Minは、時間分解能の測定値であり、T_Oは、フーリエ変換によって限定されるセンサーパルスの持続時間であり、T_Cは、伸張されたセンサーパルスの持続時間である。

上述した制限を取り除くために、特に、加速粒子のパルスの特性評価の目的で、より高い時間分解能の装置を開発するために、多くの努力がなされてきた。新しい方法は、こうして提案されてきた。
光学センサーの伸張されたスペクトルに記録された誘起複屈折情報を干渉像から復号する、干渉法による復号。この方法は、複雑なアルゴリズムから時間的プロファイルを再構成する必要があるため、直接的でない(B Yellampalle, K Y Kim, G Rodriguez, J H Glownia, A J Taylor, Appl. Phys. Lett. 87, 211109 2005 and J Y Kim, B Yellampalle, G Rodriguez, R D Averitt, A J Taylor, J H Glownia, Appl. Phys. Lett., 88, 041123 2006)。
センサーパルス信号の直径(diameter)でのテラヘルツ放射の時間的プロファイルの符号化／復号化から成る、空間符号化／復号化(J Shan, A S Weling, E Knoesel, L Bartels, M Bonn, A Nahata, G A Reider, T F Heinz, Opt. Lett. 25, 426 2000): S P Jamison, J Shen, A M MacLeod, W A Gillespie, D A Jaroszynski, Opt. Let. 28, 1710 2003 と、 K Y Kim, B Yellampalle, A J Taylor, G Rodriguez, J H Glownia, Opt. Lett. 32, 1968 2−7 と、最後の論文内の引用文献)。

これらの装置はスペクトル復号の時間分解能の制限をなくし、短い持続時間のテラヘルツパルスのシングルショットの診断を可能にする。しかし、これらの空間的解決法の何れも、数ピコ秒より長い持続時間のパルスの測定に適用できない。さらに、これらの新しいシングルショットの方法は、ビーム調整に関して、実装するのが難しく、テラヘルツ・イメージングに関してほとんど適さない。

既存のシングルショットの解決法のもう一つの重要な制限は、交差偏光子によって（すなわち、電磁界がない場合はセンサーが伝送しないように、方向合わせされた２つの偏光子の間に電気光学媒体を置くことによって）復号することから生じる。この検出の形式は、その位相遅延の振幅に応じた、その信号の非線形の応答を意味する。大多数のアプリケーションでは、電気光学信号の二極性を測定するために、ほとんど０の光バイアスを集めて、反応関数に追加の項を得るように、アナライザーが意図的に方向合わせされる。

そして、応答関数は、Г + Г₀ < 0.5 rad のような、小さい位相遅延で有効な、次の等式F₁によって定義される。

ここで、I_signal は、測定された信号の強度であり、I₀ は、センサー信号の強度であり、Г は、誘起複屈折の結果として生じる位相遅延であり、Г₀ は、光バイアス、または誘起複屈折がない場合に測定される位相遅延である。

式F₁で記述されるケースは、ロックインタイプの検出を使用して単純化されることができ、従って、Г₀ ²の項を省略することが可能である。それでも、この単純化されたケースでさえ、現在、シングルショットの検知にはほとんど想定され得ず、先行技術には、測定信号が歪みとアーチファクトを含むことが示される(Z Jiang, F G Sun, Q Chen, Appl. Phys. Lett. 74, 1191 1999; Y Li, Appl. Phys. Lett. 88, 251108 2006)。これらの歪みは、特性評価される電磁界の特性、センサー信号I₀の特性及びこれら２つのパルスの間の時間遅延のゆらぎがわからないと、一般に修正できない。さらに、センサー信号I₀と光バイアスГ₀の強度に対する測定信号I_signalの依存性のため、符号化された信号には、センサーパルスのガウス強度のプロファイルに従って摂動も与えられる。

テラヘルツ放射のシングルショット測定のアプリケーションの重要な分野の１つは、時間領域におけるテラヘルツ分光法の分野に関係する。この分析技術によると、例えば、テラヘルツ周波数帯域の光学媒体の吸収特性の特徴付けが図られる。このために、その測定方法は、テラヘルツパルスのプロファイルの２つの（光学媒体を伴うものと伴わないものの）取得から成る。しかしながら、この測定方法では、その感度を限定するテラヘルツパルス源におけるゆらぎによって摂動が与えられる(S P Mickana, K-S Leeb, T-M Lub, J Munch, D Abbotta, X-C Zhang, Microelectronics Journal 33, 1033 2002) 。

シングルショットの測定技術は、全て、短いパルスのレーザー光源の利用に基づく。そして、そのパルスの持続時間は、一般的にピコ秒（ps）とフェムト秒（fs）のレンジにある。それから、上述の方法によるシングルショット装置の動作は、スペクトル及びパルスの持続時間のような、これらのパルスの特性だけでなく、その空間的及び時間的安定度にも直接関連がある。

さらに、強いテラヘルツ放射源（現在のものと開発中のものの両方）、または次世代の粒子加速器は、主に、fs/ps レンジのパルスレーザー光源の使用に基づいており、その光源の特性は、これらの放射源または粒子源に適している。したがって、大多数のケースでは、これらのレーザー光源によって供給されるパルスの特性は、上述のシングルショットの方法の利用に適していない。現在、市場には、テラヘルツ放射の生成または粒子加速のために利用できるレーザーパルスの広い競合範囲が存在する。しかし、供給されるパルスの特性は異なる。

本発明は、スペクトル符号化／復号化の原理に基づいて、すべての短いパルスのレーザー光源（UV-NIR）と互換性があり、たとえば0.01 - 20テラヘルツの、広いテラヘルツ周波数帯域にわたって機能することができる、シングルショットの測定方法及び装置を提案することによって、先行技術のこれらの欠点を解決することを目的とする。

本発明は、特に、摂動された光学媒体で生じる位相遅延を、絶対的な方法（振幅及びサイン）で、非変形に（すなわち、この位相遅延の振幅からも、この位相遅延が符号化されるパルスタイプ光信号の特性からも独立して）、測定することを目的とする。

さらに、本発明は、スペクトル分析窓全体にわたって、5mradより小さい位相遅延の検出が可能なシングルショットの装置を作ることを目的とする。

以下に記載されている発明は、テラヘルツ摂動が通過する光学媒体の複屈折における変動が、その後、符号化される、スーパーコンティニュームを生成するために、レーザーによって供給される、光パルス信号のエネルギーの少なくとも一部を集中させることを提案する。

それから、本発明は、同時検出構成によるスーパーコンティニュームの楕円偏光の測定手段によって、テラヘルツ摂動により生じる位相遅延の計算に関する規定を設ける。

この点に関し、本発明は、最も一般に受け入れられる点で、少なくとも１つのテラヘルツ摂動６によって、光学媒体１２で生じる一時的な複屈折のシングルショット測定方法に関する。この方法は、光パルス信号２の放射及びスペクトル符号化のステップを含む。符号化ステップは、スーパーコンティニューム３の生成を含み、さらに、スーパーコンティニュームの電界を２つの偏光方向に分解し、その２つの成分の強度I_s及びI_pを同時測定することによる、媒体１２の摂動６によって誘起されたスーパーコンティニュームの偏光の楕円率の復号ステップと組み合わされる。

特定の実施形態によれば、その方法は、スーパーコンティニュームの電界の２つの成分の強度I_s及びI_pの平衡化ステップを含む。スーパーコンティニュームの生成ステップは、光パルス信号のスペクトル及び時間の特性の影響を受けないように、光パルス信号の少なくとも一部をモノフィラメントモードで伝播させるフェーズを有する。また、その方法は、装置の色収差及び空間収差を補正することにより光学補償するステップを少なくとも一つ含む。符号化ステップは、スーパーコンティニュームのすべての波長に対して、同一の幾何学的な経路に沿ってスーパーコンティニュームを伝播することからなるスーパーコンティニュームを伸張するフェーズを含む時間的な形成ステップを含む。また、この方法は、スーパーコンティニュームのスペクトル、空間及び時間の分布を形成するステップを含み、及び／または、この方法は、テラヘルツ摂動を分析及び参照用の２つのテラヘルツ摂動に空間的に分離するステップと、分析及び参照用の２つのテラヘルツ摂動を時間的にオフセットするステップと、スーパーコンティニュームのパルスでの分析及び参照用の２つのテラヘルツ摂動を符号化するステップとを含む。

さらに、本発明は、少なくとも一つのテラヘルツ摂動によって、光学媒体で誘起される一時的な複屈折のシングルショット測定装置に関する。この装置は、光パルス信号の放射源と、光パルス信号のスペクトル符号化手段とを有する。スペクトル符号化手段は、スーパーコンティニュームの生成手段を有し、スーパーコンティニュームの電界を２つの偏光方向S及びPへの分解することによって、その２つの成分の強度I_s及びI_pを同時に測定するユニットと組み合わされる。

特定の実施形態によれば、スーパーコンティニュームの生成手段は、パルス光源の空間及び時間の特性の影響を受けないように、モノフィラメント形成手段を有する。また、この装置は、非線形媒体内でモノフィラメントモードによる伝播閾値に達するまでエネルギーの一部を集中させるために、光パルスをフォーカスする手段を有する。また、この装置は、これらの光パルスの一部を光ファイバに注入するために、光パルスをフォーカスする手段を有する。また、この装置は、スーパーコンティニュームの生成に対する空間ゆらぎの影響を弱めるために、パルスの光路上に設置された少なくとも１つのフォーカスする手段と絞りとを有する。分解手段は、平衡化素子を有する。平衡化素子は、偏光子に付随する４分の１波長板から成る。分解手段は、この装置の色収差及び空間収差を補正する手段を有する。分解手段は、スーパーコンティニュームの２つの成分の光路上にそれぞれ設置され、偏光子の機能と逆の機能をそれぞれ有する、第２の偏光分割プレートを有する。生成手段は、スーパーコンティニュームの時間的な伸張を制御する、分散レンズから成るスーパーコンティニュームの適合手段を有する。スーパーコンティニューム３の電界の２つの成分の少なくとも１つが、少なくとも１つの光ファイバによって分光器へ伝播され、及び／または、さらに、この装置は、テラヘルツ摂動６を分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂの２つに空間的に分離する手段５０と、２つの分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂのうちの１つを時間的にオフセットする手段５２とを有する。

別の側面によると、本発明は、本発明による装置の、テラヘルツ分光法、または、荷電加速粒子ビームの診断についての使用に関する。

スーパーコンティニュームの生成と、同時検出の組み合わせによって、時間的な分析窓全体にわたって均一な感度をもち、もっぱら撮影ノイズによって限定される、一時的な複屈折の変動の、直接で、非変形の測定が可能となる。

これは、光パルス信号からスーパーコンティニュームを生成することによって、光パルス信号の特性から測定装置を分離できるからである。さらに、スーパーコンティニュームは、検出窓にわたって、十分に平坦なスペクトルの強度分布を持つように生成され得る。そして、その検出窓は、いわゆる時間窓にわたって一定な信号対ノイズ比を得ることによって、測定品質を改善する。

この、分析窓の均一化は、スーパーコンティニュームが生成されるとすぐになされ、必要とされる均一化の程度によって、パッシブまたはアクティブレンズによりスーパーコンティニュームが生成された後の追加のステップの対象にもなり得る。

さらに、スーパーコンティニュームの成分の強度の、同時かつ平衡の検出は、センサーパルス信号の強度のゆらぎを除去できる点で有利である。平衡検出によって、交差偏光子に起因した誤差を生じることなく、誘起された位相遅延の振幅及びサインを、直接得ることもできる。テラヘルツ摂動の特性評価を適用すると、この平衡検出によって、光学媒体でのテラヘルツ電磁界の値を見つけることもできる。

ショット毎の広帯域の平衡検出の実行によって、単に検出器のショットノイズによって制限される状況下での、一時的な複屈折の変動を測定することができる。

偏光分割プレートの使用によって、色の空間誤りを最小化できる点で有利である。残存する色誤りを補償する手段の使用によって、スーパーコンティニュームの空間ゆらぎに対するセンサーパルス信号の電界成分の平衡の安定度を改善する。

楕円率(ellipticity)を測定する装置が２つの光ファイバを含むことにより、分光器のエントリースロットでの空間ゆらぎの影響を受けなくすることが可能になる。

最後に、テラヘルツ摂動から、互いについて時間的にオフセットされる２つのテラヘルツ摂動を生成し、スーパーコンティニュームのスペクトルの２つの異なる部分で同時にそれらを符号化することにより、使用されるテラヘルツ源のゆらぎの影響を受けなくすることが可能になる。

このように、本発明による方法及び装置はすべての短パルスのレーザー光源（UV-NIR）と互換性を持ち、そして、測定の性能は使用されるパルスレーザー光源から独立している。さらに、装置の感度はショットノイズによってのみ限定され、そして、時間的な分析窓は0.01から20THzの間で、先行技術の装置のそれよりも良い時間分解能で、かつ、少なくとも同等の感度で、継続的に適合され得る。

本発明の他の特徴及び利点は、図を参照しつつ、以下の詳細な例示的な実施形態を読み取ることにより明らかになるであろう。

本発明による装置の第１の例示的な実施形態の概略図である。 本発明による装置の第２の例示的な実施形態の概略図である。 本発明による装置の安定度及び感度の測定結果を示す。 本発明による装置の安定度及び感度の測定結果を示す。 本発明による装置の安定度及び感度の測定結果を示す。 Zn:Te結晶内で誘起された電界の時間的プロファイルのワンショットの記録である。 電子のパケットの電界と、時間的にオフセットされるテラヘルツ電磁界の、時間的プロファイルのワンショットの記録である。

以下の説明では主に電磁界に言及するが、本発明による測定方法及び装置は、複屈折の変動を、テラヘルツ帯でこの一時的な複屈折を誘起する摂動の性質と独立して、測定するために利用できるものと理解される。特に、テラヘルツ摂動は、音響波、レーザーパルスによる衝撃、その他によって誘起され得る。

このため、用語「テラヘルツ摂動」は、テラヘルツ周波数帯域中での全ての種類の電磁界、音響波または他の摂動を意味する。

さらに、以下で使用される用語「光学媒体」は、外部の摂動によって誘起される複屈折を起こさせることが可能な全ての物理的な媒体（固体、液体または気体）を意味する。

さらに、光学媒体の複屈折によって誘起される偏光変調による符号化は、光学媒体を通過するスーパーコンティニュームの特定のケースにおいて後述する。しかしながら、発明の範囲を逸脱することなく、その方法及び装置は、例えば光学媒体の表面の反射のような他のどのような偏光変調手段にも適用される。

用語「スーパーコンティニュームの生成」は、様々な非線形のプロセスによって、非常に顕著なスペクトル広がりを得るために、光パルスの強度I(λ)のスペクトルプロファイルを変調することから成る周知のプロセスを意味する。また、様々な特性をもつスーパーコンティニュームを生成する多種多様の方法が存在する。以下の本発明の例示的な実施形態の説明では、本発明に関して、２、３の有利な生成方法を記載する。

さらに、これに関連して、スーパーコンティニュームは、すべてのパルスレーザー光源と互換性を持つ装置を生産する手段として使用され、用語「スーパーコンティニューム」は、発明の範囲を逸脱することなく、スーパーコンティニュームのスペクトルの一部を増幅するすべてのプロセスにまで及ぶ。

本発明による測定方法の第１の例示的な実施形態を、図１を参照しつつ以下に説明する。

この例示的な実施形態では、光学媒体１２は、テラヘルツ電磁界の形で、テラヘルツ摂動６の影響を受ける。このテラヘルツ電磁界６の影響の下で、光学媒体１２の複屈折は、変調される。それから一時的な形態が光学媒体１２内に設置される。その間、光学媒体１２は、光学屈折率n_e (λ,t)及びn_o (λ,t)（λとtはそれぞれ波長と時間を表す）の２本の直交する光学軸（またはニュートラルライン）によって特徴付けられる一時的な複屈折を持つ。

第１の例示的な実施形態によると、本発明による測定方法は、フェムト秒（fs）あるいはピコ秒（ps）の時間幅の超短パルスのレーザー光源といった光源１４から光パルス信号２を放射する第１のステップを含む。このパルス光源１４は、テラヘルツ摂動６と同期する。

光パルス信号２は、スーパーコンティニューム３の生成手段４を伝播する。それにより、光パルス信号２のエネルギーの一部は、非線形のプロセスに従って、非線形物質１８と効果的に相互作用するために、非線形物質１８内を伝播する光パルス信号２にとって必要十分な強度を実現するために、フォーカス手段１７によって非線形物質１８（サファイヤ基板など）に注入される。このようにして、光パルス信号２の一部は、スーパーコンティニューム３に変換される。

スーパーコンティニューム３の生成手段４は、スーパーコンティニューム３の適合手段１９も含むのが好ましい。それにより、スーパーコンティニューム３はコリメートされ、その時間的(temporal)な伸張は、分散レンズ手段によって、予め定められた分析窓に適合される。

スーパーコンティニューム３は、また、偏光手段２０で直線偏光化される。そして、その偏光は、テラヘルツ摂動６によって摂動される光学媒体１２を横断することにより直線偏光が楕円偏光に変換されるように、方向合わせされる。

１つの変形例（図示せず）によると、スーパーコンティニューム３の生成は、パルス光源１４で生じる。これは、たとえばいわゆる白色レーザーが使用される場合である。

そして、スーパーコンティニューム３は、テラヘルツ摂動６によって誘起される一時的な複屈折を測定するために、光学媒体１２の摂動部分に伝播される。スーパーコンティニューム３とテラヘルツ摂動の間の時間遅延は、その２つの信号が光学媒体１２で時間的に重なるように、調節される。

スーパーコンティニューム３の強度のスペクトル分布は、十分に平坦なプロファイルを示すように調節されるのが好ましい。この分析窓の均一化は、スーパーコンティニューム３が生成されるとすぐになされ、また、必要とされる均一化の程度に従って、スーパーコンティニュームがパッシブまたはアクティブレンズによって生成された後の追加ステップの対象とされ得るのが好ましい。

それから、この方法は、スーパーコンティニューム３のそれぞれの波長における楕円率(ellipticity)の測定によるスペクトル復号のステップを含む。摂動がない場合、スーパーコンティニューム３の電界の直線偏光は、光学媒体１２の出力において、偏光手段３２を介して円偏光に変換される。次に、スーパーコンティニューム３の電界は、PとSで示される２つの直交偏光方向に同時に分解される。

理論的には、スーパーコンティニューム３の偏光のこの分解によって、平衡が保たれた検出が得られるべきである。すなわち、その検出では、テラヘルツ放射６がない場合、２つの偏光方向ＳとＰにおける２つのスーパーコンティニューム３の電界成分の強度I_s とI_pは、すべての波長に対して等しくなる。

しかし、光学素子の特性では、スーパーコンティニューム３のスペクトル幅にわたって完璧な平衡を実現するのは不可能である。このことは、その平衡がショット毎に変動する場合、装置の感度を制限する楕円率の測定におけるバイアスをもたらす。

本発明の方法によると、ショット毎の平衡の変動は、最小限に抑えられる。平衡化するステップは、実際には、装置の色誤りの補償のフェーズを含む。

スーパーコンティニューム３の２つの電界成分の強度I_pとI_sの同時測定のステップによって、アプリケーションと、テラヘルツ摂動６の特性（強度、時間のプロファイル、その他）と、摂動された光学媒体１２に関する情報に従い、複屈折での一時的な変動の推定が可能になる。

図１は、特に上記の方法を実現する測定装置の例を例示する。

この第１の例示的な実施形態では、テラヘルツ摂動６（ここではテラヘルツ電界）が、相対論的電子のパルスによって数ピコ秒の期間で生じ、パルス光源１４（この場合、フェムト秒レーザー）によって光誘起されるアクセラレータによって供給される。

パルス光源１４は、790ナノメートルの波長をもつ160フェムト秒の光パルス信号２を供給する、増幅Ti:Saレーザー光源から成る。パルス光源１４は、パルス光源１４の発振器のレーザーキャビティの長さに従って、テラヘルツ摂動６を構成する相対論的電子のパケットの加速高周波と同期する。テラヘルツ摂動６を構成する相対論的電子のパルスとパルス光源１４の間の同期は、およそ1psである。

この例示的な実施形態において、摂動された光学媒体１２は、Zn:Teの結晶である。それから、この光学媒体１２の近辺では、電子ビームの通過の影響の特徴付けが図られる。すなわち、相対論的電子の電界と、電子ビームが金属板を通過するときに生成されるテラヘルツ摂動とによってZn:Teの結晶で誘起される複屈折が測定される。

光学媒体１２は、(110)平面に沿って切断され、電子ビームの伝搬軸から略3-4mmの位置に設置される。従って、これらの条件下では、相対論的な電子の電界とテラヘルツ摂動６は、Zn:Teの結晶の(110)平面内にある。その結果、複屈折が、(110)平面内の２本の光学軸によって特徴付けられた光学媒体１２内で誘起され、［001］方向に対して、45度に方向合わせされる。テラヘルツ摂動６は、光学媒体１２を通過し、さらに一時的な複屈折を誘起する電磁界である。

本発明による装置は、パルス光源１４によって放射される光パルス信号２から、直線偏光化されたスーパーコンティニューム３の生成手段４も含む。光パルス信号２は、紫外線領域から近赤外線の範囲まで及ぶのが好ましい。

スーパーコンティニューム生成手段４は、光パルス信号２のビームを、非線形媒体１８内のモノフィラメントに到達するように、適応させるためのフォーカス手段１７を含む。非線形媒体１８の横断は、伝播がモノフィラメントで起こり、光パルス信号からスーパーコンティニューム３を生成する部分を含む。非線形媒体１８からの出口で、スーパーコンティニューム３の強度と、その空間、スペクトル及び時間の分布は、適合手段１９によってテラヘルツ摂動６の特性に適合される。

第１の例示的な実施形態によると、フォーカス手段１７は、レンズ、絞り及び強度可変のフィルタを含む。さらに、非線形媒体１８は厚さ3ミリメートルのサファイヤであり、その光学軸はその表面に垂直に方向合わせされる。フォーカス手段１７と非線形媒体１８は、1μJの光パルス信号２が非線形媒体１８で、0.1未満の開口数でフォーカスする、オートフォーカスの閾値に対応する、略10¹¹ W/cm²の強度を実現するように調整される。

パルス光源１４の特性（ピーク電力、波長、空間モード）により、非線形媒体１８及びフォーカス手段１７は、光パルス信号２と非線形媒体１８の間の相互作用がスーパーコンティニューム３を生成するために十分な長さを得るように、常に適応され得る。したがって、スーパーコンティニューム３を、たとえば、光ファイバ（フォトニック結晶ファイバ(photon crystal fibres)を含む）のコアで伝播される、数nJの光パルス信号２から生成することができる。

スーパーコンティニューム３の特性適合手段１９は、さらに、コリメートレンズ１９ａと、スーパーコンティニューム３のスペクトルを、測定される複屈折の変動に適応させるためのパッシブまたはアクティブ素子１９ｂを含むことが好ましい。

適合手段１９は、さらに、ローパス誘電体フィルタ１９ｃと、場合により、スーパーコンティニューム３のスペクトル及び時間のプロファイルを変調することができるアクティブ装置１９ｄを含むことが好ましい。

適合手段１９は、さらに、場合により、周知の増幅素子１９ｅによって、スーパーコンティニューム３の一部または全体を光増幅するステップを含むことが好ましい。

最後に、スーパーコンティニューム３の適合手段１９は、スーパーコンティニューム３の存続期間内の周波数ドリフトによる伸張器または圧縮器19fを含むことが好ましい。

１つの実施形態によると、スーパーコンティニューム３は、非線形媒体１８と光学媒体１２の間の光路で、分散の大部分に関与する色収差補正レンズによってコリメートされる。そして、式F₁によると、460〜760nmのスペクトルの伸張は、T_c=2.25psであり、スペクトルのフーリエ変換によって得られるパルスの持続時間は、T₀ = 4.4 fsであり、T_min = 100 fsである。

他の実施形態によると、スーパーコンティニューム３は、20cmのSF57の、２本の通路によって伸張されるのが好ましい。そして、その結果、Zn：Te結晶（550-730nm）によって伝達されるスペクトル幅にわたって、伸張Tc=60psになる。スペクトル分布のフーリエ変換は、パルスの持続時間T₀ = 6.6 fsと等価である。これらの状況下で、T_min = 630 fsである。

適合手段１９は、伝播手段２２によって光学媒体１２に向けられる前に、スーパーコンティニューム３を直線偏光にするための偏光子２０も含む。

スーパーコンティニュームの光路は、それが、テラヘルツ摂動６によって誘起される一時的な複屈折の瞬間に光学媒体１２を通過するように、調節された長さを持つ。

スーパーコンティニューム３の偏光の方向が光学媒体１２の一時的な複屈折を特徴付ける光学軸の方向に適合され、その結果、複屈折がスーパーコンティニュームの直線偏光を楕円偏光に変換する点に留意する必要がある。

この例示的な実施形態で、スーパーコンティニューム３は、結晶の(110)平面に対して垂直に光学媒体１２を通過する。そして、[001]軸は、スーパーコンティニューム３の伝播方向kに対して直交する。そのとき、光学媒体１２の一時的な複屈折は、 (110)平面の２本の光学軸によって特徴付けられる。スーパーコンティニューム３の偏光の方向は、光学軸から45度をなすのが好ましい。

光学媒体１２でテラヘルツ摂動６によって誘起される複屈折は、スーパーコンティニューム３の直線偏光を楕円偏光に変換する。そのとき、誘起される複屈折の２本の主軸での、センサーパルス信号の電界の２つの成分の間の、Г(λ)で示される位相差は、スーパーコンティニューム３のスペクトル成分に依存する。

第１の例示的な実施形態による装置は、スーパーコンティニュームの楕円率の分解及び測定による復号の手段も含む。

分解手段３０は、４分の１波長板３２、第１の偏光分割プレート３４、２枚の第２の偏光分割プレート３５、３６及び２つの色収差補正レンズ３８から成る。

可視範囲（450-800ナノメートル）に最適化された、４分の１波長板３２は、スーパーコンティニューム３の直線偏光を、テラヘルツ摂動６がない場合に、円偏光に変換するように、配置され、かつ、方向合わせされる。

それから、スーパーコンティニューム３は、その電界を２つの直交偏光SとPに分解する第１の偏光分割プレート３４の方へ伝播される。そして、第２の偏光分割プレート３５、３６は、それぞれ、２つの分解されたビームの光路３７ａと３７ｂ上に配置される。その結果、それぞれの成分は、いったんプレート３４によって伝送され、その後、第２の偏光プレート３６によって反射される。または、いったんプレート３４によって反射され、その後、第２の偏光プレート３５によって伝送される。これらの条件下では、各々のビームは、最終的に同じ光学的変化を受ける。このように、偏光子による色誤りは、補償により補正される。

第１の偏光分割プレート３４及び第２の偏光分割プレート３５、３６は、薄い基板の上に蒸着された金属の格子から成り、その波長でのビーム偏向を防ぎつつ、可視範囲で、高い一定の減衰係数を保証するのが好ましい。

その後、各々の波長の強度I_s及びI_pは、測定部４０で測定される。測定部４０は、少なくとも分光器４２及び多重チャンネル検出器４４から成る。それから、スーパーコンティニューム３の２つの成分の強度I_p(λ)及びI_s(λ)は、スーパーコンティニューム３の各々のパルスについて同時に検出される。

スーパーコンティニューム３の２つの成分は、分光器４２のエントリースロットの位置調整と測定部のオフセットを提供する光ファイバによって結合されるのが好ましい。

分光器によって実行される測定結果から、以下の式F2によって、スーパーコンティニュームの電界Г(λ)の２つの成分の間の位相遅延を推定することが可能である。

時間Г(t)の関数としての複屈折における変動は、スーパーコンティニューム３のスペクトル範囲を知ることにより、直接的に推定される。

変形例によると、第２の偏光分割プレート３５、３６の後の、直径400μmの２つのシリカ・ファイバから成る光ファイバの集合体に、スーパーコンティニューム３の２つの成分がフォーカスされる。そして、その光ファイバの一端は、分光器のエントリースロットに置かれる。装置のスペクトル分解能は、1nmである。スペクトルは、ＣＣＤカメラによって記録される。これらの条件下で得られた、各ショットの平衡の安定度は、以下の図３ｂに例示される。

以下、本発明による測定装置の第２の例示的な実施形態を、図２を参照しつつ説明する。

この例示的な実施形態では、第１に、分析用テラヘルツ摂動６ａと呼ばれる第１のテラヘルツ電磁界と、参照用テラヘルツ摂動６ｂと呼ばれる第２のテラヘルツ電磁界が、テラヘルツ摂動６から生成される。光学媒体１２の前では、参照用テラヘルツ摂動６ｂの電磁界の強度は、分析用テラヘルツ摂動６ａの電磁界の強度と比例する。

このように、第１に、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂの２つは、１つの初期テラヘルツパルスから作り出され、それから、時間的にオフセットされる。こうするために、初期摂動６は、空間的分離手段５０によって、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂに対応する２つのビームに分解される。参照用テラヘルツ摂動６ｂに対応するビームは、特性評価される光学媒体１２を通って伝播される。

さらに、ビーム６ａ、６ｂの間の光遅延は、２つのビーム６ａ、６ｂを時間的にオフセットするために、分析用テラヘルツ摂動６ａまたは参照用テラヘルツ摂動６ｂの光路上に配置された遅延手段５２によって、調節される。このように、これらの２つのビームは光学媒体１２内を伝播し、同じスーパーコンティニューム３のパルスで、引き続いて符号化される。

第２に、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂの２つは、スーパーコンティニューム３のスペクトルの２つの異なった部分で符号化され、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂの２つのプロファイルが、前述の方法によるシングルショットで検出される。参照用テラヘルツ摂動６ｂによって、テラヘルツ源におけるショット毎のゆらぎの補正が可能となる。

他の実施形態によると、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂは、加速電子のビームから生成される。こうするために、金属の板、または遷移放射を生成可能な他の素子は、加速電子のビームの経路に配置される。

このように、発生したテラヘルツ電磁界は、その電子の電界が参照用テラヘルツ摂動６ｂを構成する間、分析用テラヘルツ摂動６ａを構成する。分析用テラヘルツ摂動６ａは、分散基板５２によって遅延される。それから、分析用テラヘルツ摂動６ａ及び参照用テラヘルツ摂動６ｂに対応するビームは、光学媒体１２で一時的な複屈折を誘起するために、特性評価される光学媒体１２に前述同様に伝播され、前述と同じように検知される。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明による装置の安定度及び感度を示す測定結果を表す。

図３Ａは、テラヘルツ放射が全くない場合の、10Hzの、光パルス信号２の２０個の連続したパルスに関して記録された信号F₂を示す。図３Ｂは、１５分後の同じ測定結果を図示する。

図３Ｃは、２０個の連続したセンサーパルスの平均値について計算された、ショット毎のゆらぎを示しており、本発明による装置の安定度を明確に示している。

光学媒体１２における電界は、位相遅延の絶対的な測定結果から計算され得る。この実施形態で考慮されるケースでは、電界は、式F₃による位相から推定される。

ここで、dは、Zn:Te結晶の光学媒体１２の厚みであり、n(λ)は、光学媒体１２の光学指数であり、r₄₁は、光学媒体１２の電気光学係数であり(= 4.25*10^-12m/W)、Eは、電界であり、λは、波長である。

図４には、厚さ0.5mm のZn:Te結晶の付近に伝播する8MeVの相対論的電子のパケットにより、その結晶内で誘起される電界の時間的プロファイルのワンショットの記録Emが示される。

図５は、電子Ａのパケットの電界と、時間的に補正され、スーパーコンティニュームの２つの異なった部分で符号化されたテラヘルツ電磁界Ｂの、時間的プロファイルのワンショットの記録を示す。

本発明は、上述した例示的な実施形態に限定されるものではない。当業者は、特許の範囲を逸脱することなく、本発明の異なる変形を実行する立場にあるものと理解される。

例えば、本発明の測定装置及び方法は、超短光の光源の特性評価に使用され得る。

Claims (21)

1. 少なくとも１つのテラヘルツ摂動（６）によって、光学媒体（１２）で誘起される一時的な複屈折のワンショット測定方法において、
   光パルス信号（２）を放射し、かつ、スペクトル符号化するステップを含み、
   前記符号化するステップは、
   スーパーコンティニューム（３）を生成することを含み、
   前記スーパーコンティニュームの電界を２つの偏光方向に分解し、かつ、前記２つの成分の強度I_s及びI_pを同時に測定することによって、前記媒体（１２）の前記摂動（６）によって誘起された前記スーパーコンティニュームの偏光の楕円率を復号するステップと組み合わされることを特徴とするワンショット測定方法。
2. 請求項１に記載のワンショット測定方法であって、
   さらに、前記スーパーコンティニューム（３）の前記電界の２つの成分の強度I_sとI_pとを平衡化するステップを含む方法。
3. 請求項１または２に記載の測定方法であって、
   前記スーパーコンティニューム（３）を生成するステップは、前記光パルス信号（２）のスペクトル及び時間の特性の影響を受けないように、前記光パルス信号（２）の少なくとも一部をモノフィラメントモードで伝播させるフェーズを有する方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の測定方法であって、
   装置の色収差及び空間収差を補正することにより光学補償するステップを少なくとも一つ含む方法。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の測定方法であって、
   前記符号化するステップは、前記スーパーコンティニューム（３）のすべての波長に対して、同一の幾何学的な経路に沿って前記スーパーコンティニューム（３）を伝播することからなる前記スーパーコンティニューム（３）を伸張するフェーズを含む時間的な形成ステップを含む方法。
6. 請求項４に記載の測定方法であって、
   前記スーパーコンティニューム（３）のスペクトル、空間及び時間の分布を形成するステップを含む方法。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の測定方法であって、
   iv. 前記テラヘルツ摂動（６）を分析用テラヘルツ摂動（６ａ）及び参照用テラヘルツ摂動（６ｂ）の２つに空間的に分離するステップと、
   v. 前記２つの分析用テラヘルツ摂動（６ａ）及び参照用テラヘルツ摂動（６ｂ）を時間的にオフセットするステップと、
   vi. 前記スーパーコンティニューム（３）のパルスでの前記２つの分析用テラヘルツ摂動（６ａ）及び参照用テラヘルツ摂動（６ｂ）を符号化するステップと、
   を含む方法。
8. 少なくとも１つのテラヘルツ摂動（６）によって、光学媒体（１２）で誘起される一時的な複屈折のワンショット測定装置において、
   光パルス信号（２）の放射源（１４）と、前記光パルス信号（２）をスペクトル符号化する手段（４、１２）とを有し、
   前記スペクトル符号化する手段（４、１２）は、
   スーパーコンティニューム（３）を生成する手段（４）を有し、
   前記スーパーコンティニュームの電界を２つの偏光方向S及びPに分解する手段（３０）によって、前記２つの成分の強度I_s及びI_pを同時に測定する測定部（４０）と組み合わされることを特徴とするワンショット測定装置。
9. 請求項８に記載の装置であって、
   前記スーパーコンティニューム（３）を生成する手段（４）は、前記パルス光源（１４）の空間及び時間の特性の影響を受けないように、モノフィラメントを形成する手段（１７、１８）を有する装置。
10. 請求項９に記載の測定装置であって、
    非線形媒体（１８）内でモノフィラメントモードによる伝播閾値に達するまでエネルギーの一部を集中させるために、前記光パルス（２）をフォーカスする手段（１７）を有する装置。
11. 請求項９に記載の測定装置であって、
    前記光パルスの一部を光ファイバ（１８）に注入するために、前記光パルス（２）をフォーカスする手段（１７）を有する装置。
12. 請求項９〜１１の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記スーパーコンティニューム（３）の生成に対する空間ゆらぎの影響を弱めるために、前記パルス（２）の光路上に設置された少なくとも１つのフォーカスする手段（１７）と絞りとを有する装置。
13. 請求項９〜１２の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記分解する手段（３０）は、平衡化素子（３２、３４）を有する装置。
14. 請求項１３に記載の測定装置であって、
    前記平衡化素子は、偏光子（３４）に付随する４分の１波長板（３２）から成る装置。
15. 請求項９〜１２の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記分解する手段（３０）は、前記装置の色収差及び空間収差を補正する手段（３５、３６、３８）を有する装置。
16. 請求項９〜１５の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記分解する手段（３０）は、前記スーパーコンティニューム（３）の前記２つの成分の光路上にそれぞれ配置された第２の偏光分割プレート（３５、３６）を有し、該第２の偏光分割プレート（３５、３６）は、偏光子（３４）の機能と逆の機能をそれぞれ有する装置。
17. 請求項９〜１６の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記生成する手段（４）は、前記スーパーコンティニューム（３）の時間的な伸張を制御する、分散レンズから成る前記スーパーコンティニューム（３）の適合手段（１９）を有する装置。
18. 請求項９〜１７の何れか一項に記載の測定装置であって、
    前記スーパーコンティニューム（３）の電界の前記２つの成分の少なくとも１つが、少なくとも１つの光ファイバによって分光器へ伝播される装置。
19. 請求項７〜１８の何れか一項に記載の測定装置であって、
    さらに、前記テラヘルツ摂動（６）を分析用テラヘルツ摂動（６ａ）及び参照用テラヘルツ摂動（６ｂ）の２つに空間的に分離する手段（５０）と、
    前記２つの分析用テラヘルツ摂動（６ａ）及び参照用テラヘルツ摂動（６ｂ）のうちの１つを時間的にオフセットする手段（５２）と、を有する装置。
20. 請求項７〜１７の何れか一項に記載の装置を用いた、テラヘルツ分光法。
21. 請求項７〜１７の何れか一項に記載の装置を用いた、荷電加速粒子ビームの診断。

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