多光子パルス内干渉位相スキャン
超短レーザーパルスの測定方法

多光子パルス内干渉位相走査（MIIPS ）は、超短レーザー技術において用いられる手法であり、適応型パルスシェーパーを用いてフェムト秒レーザーパルスの測定（位相特性評価）と補償（位相補正）を同時に行う。超短レーザーパルスの持続時間が数百フェムト秒未満になると、その持続時間、時間的強度曲線、あるいは電界を時間の関数として評価することが重要になる。光強度を測定する従来の光検出器は、最速のフォトダイオードやストリークカメラを用いても、依然として速度が遅すぎて直接測定が不可能である。

自己相関、FROG、SPIDERなど、準瞬間非線形光学効果に基づく他の手段も開発されています。ただし、これらはパルス特性を測定することはできますが、パルスを可能な限り短くするための欠陥補正はできません。たとえば、パルスは線形チャープしたり、高次の群遅延分散(GDD) を示したりして、同じ強度スペクトルを持つ帯域幅制限パルスよりも持続時間が長くなる可能性があります。したがって、パルスの特性評価だけでなく、再現性のあるパルス特性が求められるさまざまな用途に合わせてパルスを特定の形状に補正する方法が非常に望まれています。MIIPS はパルスを測定できるだけでなく、高次分散を補正できるため、変換制限された超短パルスや特定の位相特性を持つ超短パルスを生成する場合など、再現性のある電磁場が重要な用途に非常に適しています。

MIIPS法も非線形結晶における第二高調波発生（SHG）に基づいています。ただし、自己相関法のようにパルスのレプリカを時間的に走査するのではなく、制御可能で可変のGDDをパルスシェーパーを通してパルスに適用します。出力パルスがチャープされていないとき、または適用されたGDDが入力パルスのGDDを正確に補償するときに、強度が最大になります。このようにして、パルスGDDが測定され、補償されます。SHG信号をスペクトル分解することにより、GDDを周波数の関数として測定できるため、スペクトル位相を測定し、あらゆるオーダーの分散を補償することができます。

理論

MIIPSベースのデバイスは、コンピュータ制御される2つの基本コンポーネント、すなわちパルスシェーパ（通常は液晶ベースの空間光変調器（SLM））と分光計で構成されています。パルスシェーパは、超短パルスのスペクトル位相および/または振幅を操作することができます。分光計は、レーザーパルスによって生成される第二高調波発生などの非線形光学過程のスペクトルを記録します。MIIPS過程は、電子工学におけるホイートストンブリッジに類似しています。超短レーザーパルスの未知のスペクトル位相歪みを測定するために、既知の（校正済みの）スペクトル位相関数が使用されます。通常、この既知の重ね合わせ関数は、パルスの帯域幅全体にわたって走査される周期的な正弦関数です。

MIIPSは、超短パルスの特性評価のために周波数トレースを収集するという点でFROGに類似しています。周波数分解光ゲーティングでは、超短パルスを時間軸に沿って走査し、非線形過程のスペクトルを検出することでFROGトレースを収集します。これは次のように表されます。

私 （ ω 、 τ ） ＝ | ∫ E （ t ） グラム （ t − τ ） e 私 ω t d t | 2 {\displaystyle I(\omega ,\tau )=\left|\int {E(t)g(t-\tau )e^{i\omega t}\mathrm {d} t}\right|^{2}}

MIIPSでは、時間領域での走査ではなく、パルスの位相領域で一連の位相走査が行われる。MIIPS走査のトレースは、各位相走査の第二高調波スペクトルから構成される。MIIPSの信号は次のように表される。

私 （ 2 ω ） ＝ | ∫ | E （ ω ） | 2 e 私 ϕ d ϕ | 2 {\displaystyle I(2\omega )=\left|\int {|E(\omega )|^{2}e^{i\phi }\mathrm {d} \phi }\right|^{2}}

MIIPSにおける位相スキャンは、パルスシェーパによって既知の参照関数 を導入することで実現され、パルスの未知のスペクトル位相 による歪みを局所的に打ち消します。未知の位相と参照位相の和は で与えられます。パルスの周波数2倍スペクトルは に依存するため、未知の を正確に取得することが可能です。 f （ ω ） {\displaystyle f(\omega )} Φ （ ω ） {\displaystyle \ファイ (\オメガ)} ϕ （ ω ） ＝ Φ （ ω ） + f （ ω ） {\displaystyle \phi (\omega )=\Phi (\omega )+f(\omega )} ϕ （ ω ） {\displaystyle \phi (\omega )} Φ （ ω ） {\displaystyle \ファイ (\オメガ)}

物理過程における位相変調過程は一般に連続関数である。したがって、SHG信号はテイラー展開によって次のように展開できる。 ω {\displaystyle \omega }

私 （ ω ） ＝ | ∫ | E （ ω + Ω ） | | E （ ω − Ω ） | × 経験 { 私 [ ϕ （ ω + Ω ） + ϕ （ ω − Ω ） ] } d Ω | 2 {\displaystyle I(\omega )=\left|\int |E(\omega +\Omega )||E(\omega -\Omega )|\times {\text{exp}}\{i[\phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )]\}\mathrm {d} \Omega \right|^{2}}

そして

ϕ （ ω + Ω ） + ϕ （ ω − Ω ） ＝ 2 ϕ 0 + ϕ ″ （ ω ） Ω 2 + 。 。 。 + 2 （ 2 n ） ! ϕ 2 n ′ （ ω ） Ω 2 n {\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )=2\phi 0+\phi ''(\omega )\Omega ^{2}+...+{\frac {2}{(2n)!}}\phi ^{2n'}(\omega )\Omega ^{2n}}

この式によれば、SHG信号は がゼロのときに最大になります。これは と等価です。 をスキャンすることでを決定できます。 ϕ （ ω + Ω ） + ϕ （ ω − Ω ） {\displaystyle \phi (\omega +\Omega )+\phi (\omega -\Omega )} Φ ″ （ ω ） ＝ − f ″ （ ω ） {\displaystyle \Phi ''(\omega )=-f''(\omega )} f （ ω ） {\displaystyle f(\omega )} Φ （ ω ） {\displaystyle \ファイ (\オメガ)}

フェムト秒パルスの高次分散を補正するための MIIPS 反復。

基準位相の各フルスキャンで記録された周波数 2 倍のスペクトルから、MIIPS トレースの 2 つのレプリカが生成されます (図 1 を参照、4 つのレプリカを表示)。このデータから、SHG( ) の 2D プロットが作成されます。結果として得られるパルスの 2 次高調波スペクトルは、パルスの 2 次導関数が補正された周波数で最大振幅を持ちます。を表す線は、未知の位相の 2 次導関数を解析的に取得するために使用されます。二重積分を行うと位相歪みがわかります。次に、システムは補正位相を導入して歪みをキャンセルし、より短いパルスを実現します。MIIPS の絶対精度は位相歪みが減少するにつれて向上するため、測定と補正の反復手順を適用して、レーザーの帯域幅内のすべての周波数で位相歪みを 0.1 ラジアン未満に低減します。 4 （ π ） {\displaystyle 4(\pi )} ω 、 ω {\displaystyle \omega ,\omega } ω ＝ π c / λ S H G {\displaystyle \omega =\pi c/\lambda _{SHG}} ω メートル （ ω ） {\displaystyle \omega _{m}(\omega )}

すべての位相歪みが除去されると、パルスは可能な限り高いピークパワーを持ち、帯域幅制限パルス|変換制限（TL）とみなされます。TLパルスに対応するMIIPSトレースは、 で区切られた直線状の平行線を示します。スペクトル位相歪みが除去されると、シェーパーを使用して較正された位相と振幅を導入し、レーザー誘起プロセスを制御することができます。 π {\displaystyle \pi }

MIIPS 技術は、多光子イメージングの選択励起やフェムト秒光質量相互作用研究に効果的に応用されています。

実験セットアップ

ダブルパス MIIPS システムの実験セットアップ。

拡大されたレーザービームはまず回折格子（G）に到達し、一次反射はミラー（M）へと偏向され、次に曲面ミラー（CM）へと向かいます。曲面ミラーはレーザーを空間光変調器（SLM）へと反射します。SLMを通して周波数の各成分に位相が適用されます。その後、レーザーは逆反射されます。非線形媒体を用いることで、非線形（SHG、THGなど）スペクトルと位相スキャンの関係をMIIPSトレースとして記録し、パルスの特性評価を行うことができます。パルスの特性評価が完了したら、SLMを通して超短パルスに補償位相を適用することができます。

変種

改良されたMIIPS [1]アルゴリズムも存在します。このアルゴリズムは、参照サンプルにおけるレーザースペクトルが既知であれば、1回の反復で効率的な位相回復を可能にします。この手法は、特に感光性サンプルの測定に有効であると期待されており、また、非常に低い第二高調波スペクトルを生成するサンプルの場合にも有用です。この解析手法は、構造化された振幅パルスプロファイルで生じるある種の非自明な曖昧性を回避し、位相回復の精度に関するより優れたフィードバックを提供します。

ゲート型MIIPS（G-MIIPS）[2]はMIIPSの改良版であり、超短レーザーパルスの特性評価における高次位相歪みの限界に対処するために設計されています。G-MIIPSは、スペクトル全体を走査する振幅ゲートを採用することで、高次位相項の影響を軽減し、シンプルな4πパルスシェーパー構成で広帯域レーザーパルスの効率的な圧縮を可能にします。G-MIIPSは、高NA顕微鏡対物レンズなどの要因によって引き起こされる大きな位相歪みの補正に特に効果的です。

その他の超短パルス測定技術

参考文献

  • M. Dantus、VV Lozovoy、I. Pastirk、「測定と修復：フェムト秒ホイートストンブリッジ」OE Magazine 9 (2003)。
  • VV Lozovoy、I. Pastirk、M. Dantus、「多光子パルス内干渉4：超短レーザーパルスのスペクトル位相の特性評価と補正」Optics Letters 29、775-777（2004）。
  • B. Xu、JM Gunn、JM Dela Cruz、VV Lozovoy、M. Dantus、「フェムト秒レーザーパルスの位相測定と補正のためのMIIPS法の定量的調査」、J. Optical Society of America B 23、750-759 (2006)。
  • A. Comin, R. Ciesielski, N. Coca-Lopez, A. Hartschuh, 「MIIPSアルゴリズムを用いた超短レーザーパルスの位相回復」Opt. Express 24, 2505-2512 (2016)
  • A. Comin, R. Ciesielski, G. Piredda, K. Donkers, A. Hartschuh, 「ゲート制御された多光子パルス内干渉位相スキャンによる超短レーザーパルスの圧縮」, J. Opt. Soc. Am. B 31, 1118-1125 (2014)

参考文献

  1. ^ Comin, Alberto; Ciesielski, Richard; Coca-López, Nicolás; Hartschuh, Achim (2016年2月8日). 「MIIPSアルゴリズムを用いた超短レーザーパルスの位相回復」. Optics Express . 24 (3): 2505. doi : 10.1364/OE.24.002505 .
  2. ^ Comin, Alberto; Ciesielski, Richard; Piredda, Giovanni; Donkers, Kevin; Hartschuh, Achim (2014年5月1日). 「ゲート制御された多光子パルス内干渉位相スキャンによる超短レーザーパルスの圧縮」. Journal of the Optical Society of America B . 31 (5): 1118. arXiv : 1401.5952 . doi :10.1364/JOSAB.31.001118.
「https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Multiphoton_intrapulse_interference_phase_scan&oldid=1309807118」より取得