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技術 CEP制御装置およびCEP制御方法

出願人 浜松ホトニクス株式会社
発明者 河田陽一
出願日 2015年2月18日 (5年9ヶ月経過) 出願番号 2015-029399
公開日 2016年8月22日 (4年2ヶ月経過) 公開番号 2016-151693
状態 特許登録済
技術分野 偏光要素 その他の光学系・装置、色の干渉・色の制御
主要キーワード 回転方位 パルスエンベロープ 方位角β P制御装置 方位設定 フェムト秒レーザ光 低速軸 fast軸
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題

簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる装置を提供する。

解決手段

CEP制御装置1は、λ/4板10、λ/2板20およびλ/4板30を備える。λ/4板10は、直線偏光の光パルスP1を入力して、円偏光の光パルスP2を出力する。λ/2板20は、光パルスP2を入力するとともに、光パルスP2の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたCEPを有する光パルスP3を出力する。λ/4板30は、λ/2板20から出力された円偏光の光パルスP3を入力して、直線偏光の光パルスP4を出力する。

概要

背景

フェムト秒レーザ光テラヘルツ光等の超短パルス技術において光パルス振幅時間的変化の形状(envelope)だけでなく光パルス内の電場(career)の位相も制御されることが重要である。直線偏光の光パルスの場合、キャリアエンベロープ位相(Carrie-Envelope Phase、以下「CEP」という場合がある。)は、光パルスの振幅のピーク位置での電場の位相で定義される。また、円偏光の光パルスの場合、CEPは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトル方位で定義することができる。

パルス幅中心光周波数の数サイクル程度である光パルスの場合、CEPによってパルス幅が変化したり、物質との相互作用の結果に影響を与えたりするようになる。CEPを制御することは、非線形相互作用の制御や計測応用、周波数標準分野、光電場のフーリエ合成の応用等において、重要になってきている(非特許文献1,2参照)。

非特許文献1に記載されたCEP制御技術は、光パルスの光路への分散物質の挿入量を調整することで光パルスのCEPを制御する。非特許文献2に記載されたCEP制御技術は、空間光変調器により波長毎に位相変調を行なって光パルスのCEPを制御するとともに、CEP制御と独立して遅延制御をすることもできるとされている。

概要

簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる装置を提供する。CEP制御装置1は、λ/4板10、λ/2板20およびλ/4板30を備える。λ/4板10は、直線偏光の光パルスP1を入力して、円偏光の光パルスP2を出力する。λ/2板20は、光パルスP2を入力するとともに、光パルスP2の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたCEPを有する光パルスP3を出力する。λ/4板30は、λ/2板20から出力された円偏光の光パルスP3を入力して、直線偏光の光パルスP4を出力する。

目的

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる装置および方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

入力した光パルス円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、前記円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたCEPを有する光パルスを出力するλ/2板と、を備えるCEP制御装置

請求項2

前記λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ/4板を更に備える請求項1に記載のCEP制御装置。

請求項3

前記λ/4板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記λ/4板が回転自在である請求項2に記載のCEP制御装置。

請求項4

前記λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位直線偏光成分を出力する偏光子を更に備える請求項1に記載のCEP制御装置。

請求項5

前記偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記偏光子が回転自在である請求項4に記載のCEP制御装置。

請求項6

入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、前記円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力するλ/2板と、を用い、前記λ/2板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記λ/2板を回転自在とし、前記λ/2板の回転方位に応じたCEPを有する光パルスを前記λ/2板から出力する、CEP制御方法

請求項7

前記λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ/4板を更に用い、前記λ/2板の回転方位および前記λ/4板の方位に応じたCEPを有する光パルスを前記λ/4板から出力する、請求項6に記載のCEP制御方法。

請求項8

前記λ/4板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記λ/4板を回転自在とし、前記λ/2板の回転方位および前記λ/4板の回転方位に応じたCEPを有する光パルスを前記λ/4板から出力する、請求項7に記載のCEP制御方法。

請求項9

前記λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子を更に用い、前記λ/2板の回転方位および前記偏光子の方位に応じたCEPを有する光パルスを前記偏光子から出力する、請求項6に記載のCEP制御方法。

請求項10

前記偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして前記偏光子を回転自在とし、前記λ/2板の回転方位および前記偏光子の回転方位に応じたCEPを有する光パルスを前記偏光子から出力する、請求項9に記載のCEP制御方法。

技術分野

0001

本発明は、光パルスキャリアエンベロープ位相を制御する装置および方法に関するものである。

背景技術

0002

フェムト秒レーザ光テラヘルツ光等の超短パルス技術において光パルスの振幅時間的変化の形状(envelope)だけでなく光パルス内の電場(career)の位相も制御されることが重要である。直線偏光の光パルスの場合、キャリアエンベロープ位相(Carrie-Envelope Phase、以下「CEP」という場合がある。)は、光パルスの振幅のピーク位置での電場の位相で定義される。また、円偏光の光パルスの場合、CEPは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトル方位で定義することができる。

0003

パルス幅中心光周波数の数サイクル程度である光パルスの場合、CEPによってパルス幅が変化したり、物質との相互作用の結果に影響を与えたりするようになる。CEPを制御することは、非線形相互作用の制御や計測応用、周波数標準分野、光電場のフーリエ合成の応用等において、重要になってきている(非特許文献1,2参照)。

0004

非特許文献1に記載されたCEP制御技術は、光パルスの光路への分散物質の挿入量を調整することで光パルスのCEPを制御する。非特許文献2に記載されたCEP制御技術は、空間光変調器により波長毎に位相変調を行なって光パルスのCEPを制御するとともに、CEP制御と独立して遅延制御をすることもできるとされている。

先行技術

0005

P. Dombi, et al., "Directmeasurement and analysis of the carrier-envelop phase in light pulsesapproaching the single-cycle regime," New Journal of Physics, Vol.6, p.39(2004).
西嶋一樹、他、「光電場波形制御キャリアエンベロープ位相シフター」、電学論C、第125巻、第11号、第1686頁〜第1693頁、2005年

発明が解決しようとする課題

0006

非特許文献1に記載されたCEP制御技術では、光パルスの光路に分散物質が挿入されることから、広帯域スペクトルを持つ光パルスに対しては、高次分散によるパルスエンベロープの変化が生じたり、CEP制御と同時に時間遅延が生じたりするという問題点がある。

0007

非特許文献2に記載されたCEP制御技術では、空間光変調器が位相変調できる帯域に制限があることから、極めて広帯域な光パルスに対しては有効に機能させることが難しい。また、非特許文献2に記載されたCEP制御技術では、装置構成が煩雑であり、使用している部品が高価であり、また、電子的な制御系が必要である。

0008

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる装置および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

0009

本発明のCEP制御装置は、(1) 入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、(2) 円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力し、当該入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であり、その回転方位に応じたCEPを有する光パルスを出力するλ/2板と、を備える。

0010

本発明のCEP制御装置は、λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ/4板を更に備えるのが好適である。この場合、λ/4板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ/4板が回転自在であるのが好適である。

0011

本発明のCEP制御装置は、λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位直線偏光成分を出力する偏光子を更に備えるのも好適である。この場合、偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして偏光子が回転自在であるのが好適である。

0012

本発明のCEP制御方法は、入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部と、円偏光パルス生成部から出力された光パルスを入力するλ/2板とを用い、λ/2板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ/2板を回転自在とし、λ/2板の回転方位に応じたCEPを有する光パルスをλ/2板から出力する。

0013

本発明のCEP制御方法は、λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスを直線偏光にして出力するλ/4板を更に用い、λ/2板の回転方位およびλ/4板の方位に応じたCEPを有する光パルスをλ/4板から出力するのが好適である。この場合、λ/4板への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にしてλ/4板を回転自在とし、λ/2板の回転方位およびλ/4板の回転方位に応じたCEPを有する光パルスをλ/4板から出力するのが好適である。

0014

本発明のCEP制御方法は、λ/2板から出力された光パルスを入力し、この光パルスの特定方位の直線偏光成分を出力する偏光子を更に用い、λ/2板の回転方位および偏光子の方位に応じたCEPを有する光パルスを偏光子から出力するのが好適である。この場合、偏光子への光パルスの入力方向に平行な軸を中心にして偏光子を回転自在とし、λ/2板の回転方位および偏光子の回転方位に応じたCEPを有する光パルスを偏光子から出力するのが好適である。

0015

なお、本発明では、「光」は、ビームとして伝搬し得る電磁波をいい、紫外光からテラヘルツ光に到るまでの帯域の電磁波を含む。

発明の効果

0016

本発明によれば、簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる。

図面の簡単な説明

0017

第1実施形態のCEP制御装置1の構成を示す図である。
λ/4板10の断面図である。
β=0°の場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。
β=45°の場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。
β=90°の場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。
λ/2板20の方位角αを各値に設定した場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。
第2実施形態のCEP制御装置2の構成を示す図である。
λ/4板10Aの断面図である。
第3実施形態のCEP制御装置3の構成を示す図である。
第4実施形態のCEP制御装置4の構成を示す図である。
α=0°の場合にλ/2板20から出力される光パルスP3の光電場の時間的変化を示す図である。
α=45°の場合にλ/2板20から出力される光パルスP3の光電場の時間的変化を示す図である。
α=90°の場合にλ/2板20から出力される光パルスP3の光電場の時間的変化を示す図である。
第5実施形態のCEP制御装置5の構成を示す図である。

実施例

0018

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

0019

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態のCEP制御装置1の構成を示す図である。CEP制御装置1は、λ/4板10、λ/2板20およびλ/4板30を備える。

0020

λ/4板10は、入力した光パルスを円偏光にして出力する円偏光パルス生成部である。λ/4板10は、光パルスP1の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。入力する光パルスP1が直線偏光である場合、λ/4板10の高速軸fast軸)または低速軸(slow軸)と光パルスP1の直線偏光の方位とがなす角度が45°または−45°となるようにλ/4板10の方位を設定することで、λ/4板10は円偏光の光パルスP2を出力することができる。

0021

入力する光パルスが直線偏光でない場合には、例えば、偏光子およびλ/4板を含む円偏光パルス生成部の構成とし、先ず偏光子を用いて直線偏光にした後に、その直線偏光の光パルスをλ/4板に入力させることで、λ/4板から円偏光の光パルスP2を出力することができる。

0022

λ/2板20は、円偏光パルス生成部であるλ/4板10から出力された光パルスP2を入力する。λ/2板20は、光パルスP2の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在である。そして、λ/2板20は、その回転方位に応じたCEPを有する光パルスP3を出力する。

0023

λ/4板30は、λ/2板20から出力された円偏光の光パルスP3を入力して、直線偏光の光パルスP4を出力する。λ/4板30は、光パルスP3の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

0024

λ/4板10、λ/2板20およびλ/4板30それぞれは、波長依存性が小さいものであるのが好ましい。好適には、λ/4板10、λ/2板20およびλ/4板30それぞれは、プリズム波長板水晶スタック型波長板、金属平板スタック型波長板などである。特に、プリズム型波長板は、材質屈折率が一定であると見なせる波長範囲においては全ての波長の光に対して設定された位相変化を与えることができる。

0025

図2は、λ/4板10の断面図である。同図に示されるλ/4板10は、プリズム型波長板である。λ/4板10は、光パルスP1の波長域において透明であって高い屈折率を有する材料からなる。光パルスP1がテラヘルツ光である場合、λ/4板10は、テラヘルツ光の波長域で屈折率が3.41であるシリコンからなるのが好適である。λ/4板10は、入射面11、出射面12、全反射面13a〜13dおよび保持面14a〜14fを有する。

0026

入射面11と出射面12とは互いに平行である。直線偏光の光パルスP1は入射面11に垂直に入射する。入射面11に入射した光パルスは、4つの全反射面13a〜13dそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面12から垂直に円偏光の光パルスP2が出射する。入射面11に入射する光パルスP1と出射面12から出射する光パルスP2とは同軸とすることができる。したがって、その軸を中心にしてλ/4板10を回転させても、出射面12から出射する光パルスP2の位置は変わらない。保持面14a〜14fは、光パルスの入射,全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、λ/4板10の配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

0027

全反射面13a〜13dそれぞれにおける光パルスの全反射の際にp偏光成分とs偏光成分との間に位相差が生じる。その位相差は、全反射面13a〜13dにおける光パルスの入射角θ1〜θ4、およひ、λ/4板10の材料と周囲の媒質(一般には空気)との屈折率比に依存する。したがって、これらを適切に設定することで、全反射面13a〜13dそれぞれにおける光パルスの全反射の際に生じるp偏光成分とs偏光成分との間の位相差の総和をπ/2とすることができ、これによりλ/4板を構成することができる。同様にして、λ/2板および3λ/4板などを構成することもできる。

0028

次に、本実施形態のCEP制御装置1の動作について説明するとともに、本実施形態のCEP制御方法について説明する。入力する光パルスP1が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、λ/4板10の高速軸が45°だけ傾いているとし、λ/2板20の高速軸がα°だけ傾いているとし、λ/4板30の高速軸がβ°だけ傾いているとし、また、λ/4板30から出力される光パルスP4の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。

0029

光パルスP3の入力方向に平行な軸を中心にしてλ/4板30を回転させて、λ/4板30の方位角βを変化させると、λ/4板30から出力される光パルスP4の直線偏光の方位角θを下記(1)式に従って変化させることができる。また、λ/2板20の方位角αまたはλ/4板30の方位角βを変化させると、光パルスP4のCEP(φCEP)を下記(2)式に従って変化させることができる。φCEP0はCEPの初期値である。
θ=β−45° …(1)
φCEP=2α−β−45°+φCEP0 …(2)

0030

図3図5は、λ/4板30の方位角βを各値に設定した場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。図3はβ=0°の場合を示し、図4はβ=45°の場合を示し、図5はβ=90°の場合を示す。ここでは、α=0°に固定した。これらの図は、光パルスの進行方向に直交する2軸をx軸およびy軸とし、時刻tにλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の振幅および方位を示す。これらの図に示されるように、λ/4板30の方位角βの変化に従って、λ/4板30から出力される光パルスP4の直線偏光の方位角θが変化する。

0031

図6は、λ/2板20の方位角αを各値に設定した場合にλ/4板30から出力される光パルスP4の光電場の時間的変化を示す図である。α=0°、45°、90°の各値とし、β=45°に固定した。破線は光パルスの振幅のエンベロープを示す。同図に示されるように、λ/2板20の方位角αの変化に従って、λ/4板30から出力される光パルスP4のCEPが変化する。

0032

このように、本実施形態では、λ/4板30の方位角βの調整によって、λ/4板30から出力される光パルスP4の直線偏光の方位角θを制御することができる。さらに、λ/4板30の方位角βの調整に加えてλ/2板20の方位角αの調整によって、光パルスP4のCEP(φCEP)を制御することができる。本実施形態では、光パルスP4のCEPを制御するために波長板を回転させるだけでよいので、簡易な構成で容易に光パルスのCEPを制御することができる。

0033

なお、入力する光パルスP1の直線偏光の方位に対してλ/4板10の高速軸が−45°だけ傾いていてもよいし、また、λ/4板10またはλ/4板30に替えて3λ/4板を用いてもよい。これら何れの場合も、上記(1)式,(2)式の中の符号が異なるだけで、実質的には、入力する光パルスP1の直線偏光の方位に対してλ/4板10の高速軸が45°だけ傾いている上記の場合と等価である。

0034

(第2実施形態)
図7は、第2実施形態のCEP制御装置2の構成を示す図である。このCEP制御装置2は、λ/4板10A、λ/2板20およびλ/4板30を備える。図1に示された第1実施形態のCEP制御装置1の構成と比較すると、図7に示される第2実施形態のCEP制御装置2は、λ/4板10に替えてλ/4板10Aを円偏光パルス生成部として備える点で相違する。

0035

図8は、λ/4板10Aの断面図である。同図に示されるλ/4板10Aは、入射面11、出射面12、全反射面13a,13bおよび保持面14a〜14dを有する。入射面11と出射面12とは互いに平行である。直線偏光の光パルスP1は入射面11に垂直に入射する。入射面11に入射した光パルスは、2つの全反射面13a,13bそれぞれにおいて順次に全反射される。そして、出射面12から垂直に円偏光の光パルスP2が出射する。入射面11に入射する光パルスP1と出射面12から出射する光パルスP2とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にしてλ/4板10Aを回転させると、出射面12から出射する光パルスP2の位置は変化する。保持面14a〜14dは、光パルスの入射,全反射および出射の何れにも寄与しない面であり、λ/4板10Aの配置や方位設定の為の支持部材が当接される面である。

0036

CEP制御装置2では、光パルスP1の入力方向に平行な軸を中心としてλ/4板10Aを回転させることができない。しかし、光パルスP1の直線偏光の方位に応じてλ/4板10Aの高速軸の方位を適切に固定することで、λ/4板10Aから円偏光の光パルスP2を出力することができる。

0037

第1実施形態の構成と比較すると、回転できないλ/4板10Aを用いる第2実施形態のCEP制御装置2は、価格、入手性および操作性の点で好ましい。

0038

(第3実施形態)
図9は、第3実施形態のCEP制御装置3の構成を示す図である。このCEP制御装置3は、λ/4板10A、λ/2板20およびλ/4板30Aを備える。図7に示された第2実施形態のCEP制御装置2の構成と比較すると、図9に示される第3実施形態のCEP制御装置3は、λ/4板30に替えてλ/4板30Aを備える点で相違する。

0039

λ/4板30Aは、前述のλ/4板10Aと同様の構成を有する。λ/4板30Aにおいても、入射面に入射する光パルスP3と出射面から出射する光パルスP4とは、互いに平行にすることができるものの、同軸ではない。したがって、その軸を中心にしてλ/4板30Aを回転させると、出射面から出射する光パルスP4の位置は変化する。

0040

CEP制御装置3では、光パルスP1の入力方向に平行な軸を中心としてλ/4板10Aを回転させることができないだけでなく、光パルスP3の入力方向に平行な軸を中心としてλ/4板30Aを回転させることができない。すなわち、λ/4板30Aの方位角βは、一定値とされ、例えば45°に固定される。この場合、λ/4板30Aから出力される光パルスP4の直線偏光の方位角θは、λ/4板10Aに入力される光パルスP1の直線偏光の方位角と一致する。

0041

第2実施形態の構成と比較すると、回転できないλ/4板30Aを用いる第3実施形態のCEP制御装置3は、価格、入手性および操作性の点で更に好ましい。

0042

(第4実施形態)
図10は、第4実施形態のCEP制御装置4の構成を示す図である。CEP制御装置4は、λ/4板10およびλ/2板20を備える。図1に示された第1実施形態のCEP制御装置1の構成と比較すると、図10に示される第4実施形態のCEP制御装置4は、λ/4板30を備えていない点で相違する。

0043

第4実施形態では、CEP制御装置4から出力されるのは、円偏光の光パルスP3である。λ/2板20の方位角αの調整によって、光パルスP3のCEPを制御することができる。なお、円偏光の光パルスの場合、CEPは、光パルスの振幅のピーク位置での電場ベクトルの方位で定義することができる。

0044

図11図13は、λ/2板20の方位角αを各値に設定した場合にλ/2板20から出力される光パルスP3の光電場の時間的変化を示す図である。図11はα=0°の場合を示し、図12はα=45°の場合を示し、図13はα=90°の場合を示す。これらの図は、光パルスの進行方向に直交するする2軸をx軸およびy軸とし、時刻tにλ/2板20から出力される光パルスP3の光電場の振幅および方位を示す。これらの図に示されるように、λ/2板20の方位角αの変化に従って、λ/2板20から出力される光パルスP3のCEPが変化する。

0045

(第5実施形態)
図14は、第5実施形態のCEP制御装置5の構成を示す図である。CEP制御装置5は、λ/4板10、λ/2板20および偏光子40を備える。図1に示された第1実施形態のCEP制御装置1の構成と比較すると、図14に示される第5実施形態のCEP制御装置5は、λ/4板30に替えて偏光子40を備える点で相違する。

0046

偏光子40は、λ/2板20から出力された円偏光の光パルスP3を入力し、この光パルスP3の特定方位の直線偏光成分を光パルスP4として出力する。偏光子40は、光パルスP3の入力方向に平行な軸を中心にして回転自在であるのが好適である。

0047

入力する光パルスP1が直線偏光であるとして、その直線偏光の方位に対して、λ/4板10の高速軸が45°だけ傾いているとし、λ/2板20の高速軸がα°だけ傾いているとし、偏光子40の光学軸の方位がβ°だけ傾いているとし、また、偏光子40から出力される光パルスP4の直線偏光の方位がθ°だけ傾いているとする。αおよびβは可変である。本実施形態では、θ=βであり、偏光子40の光学軸の方位角βを変化させると、偏光子40から出力される光パルスP4の直線偏光の方位角θを変化させることができる。また、λ/2板20の方位角αまたは偏光子40の方位角βを変化させると、光パルスP4のCEPを式(2)に従って変化させることができる。

0048

本実施形態では、λ/4板と比べて安価でアライメントが容易である偏光子を用いるので、光パルスP4の直線偏光の方位角θおよびCEPを高精度に制御することができる。また、光パルスが偏光子を通過する際の分散を小さくすることができる。

0049

1〜5…CEP制御装置、10,10A…λ/4板(円偏光パルス生成部)、20…λ/2板、30,30A…λ/4板、40…偏光子。

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