信号波形测定装置以及测定方法

摘要

本发明的信号波形测定装置(1A)由信号光学系统(11)、参照光学系统(16)、设定信号光(L1)与参照光(L2)的时间差的时间差设定手部(12)、包含染料分子结晶的结合体并以与入射到结晶集合体的入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度生成波长被变换为比入射光的波长短的变换光(L5)的波长变换元件(20)、在元件(20)中检测以与信号光(L1)的强度和参照光(L2)的强度以及与两者的时间差相对应的强度生成的变换光(L5)的光检测器(30)、对变换光(L5)的检测结果进行解析从而获得信号光(L1)的时间波形的信号波形解析部(40)构成。由此，可以实现以简单的结构高精度地检测信号光的时间波形的信号波形测定装置以及测定方法。

权利要求

1.一种信号波形测定装置，其特征在于，

具备：

信号光学系统，对成为时间波形的测定对象的脉冲状信号光进行导光；

参照光学系统，对被用于所述信号光的所述时间波形的测定的参照光进行导光；

时间差设定部，针对所述信号光学系统以及所述参照光学系统的至少一方而设置，设定所述信号光与所述参照光的时间差；

波长变换元件，包含染料分子结晶的集合体，并以与入射到所述染料分子结晶的集合体的入射光的强度的r次方成比例的强度，生成波长被变换为比所述入射光的波长短的变换光，其中r＞1；

光检测单元，通过入射来自于所述信号光学系统的所述信号光以及来自于所述参照光学系统的所述参照光，在所述波长变换元件中检测以与所述信号光的强度、所述参照光的强度以及对应于两者的时间差的强度而生成的所述变换光；以及信号波形解析单元，对所述光检测单元中的所述变换光的检测结果进行解析，从而获得所述信号光的所述时间波形。

2.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述信号光以及所述参照光分别是波长比所述波长变换元件的所述染料分子的吸收端长的光。

3.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述波长变换元件以与所述入射光的强度的r次方成比例的强度生成所述变换光，其中r≥2。

4.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述时间差设定部具有延迟时间控制单元，该延迟时间控制单元被设置于所述信号光学系统或者所述参照光学系统，可变地控制所述信号光或者所述参照光的延迟时间。

5.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述时间差设定部具有波形设定单元，该波形设定单元以垂直于所述参照光的导光方向的轴作为时间分布测定轴而被设置于所述参照光学系统，并以延迟时间沿着所述时间分布测定轴变化的方式设定所述参照光的空间波形以及时间波形。

6.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，具备分光单元，该分光单元以垂直于所述信号光的导光方向的轴作为波长分布测定轴而被设置于信号光学系统，并以波长沿着所述波长分布测定轴变化的方式将所述信号光分光。

7.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述光检测单元具有检测所述变换光的强度的0维光检测器。

8.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，所述光检测单元具有检测所述变换光的光像的1维或者2维的摄像元件。

9.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，具备提供所述参照光的参照光源。

10.如权利要求1所述的信号波形测定装置，其特征在于，具备光分支单元，该光分支单元将所述信号光的一部分分支而生成所述参照光。

11.一种信号波形测定方法，其特征在于，

具备：

信号光导光步骤，由信号光学系统对成为时间波形的测定对象的脉冲状信号光进行导光；

参照光导光步骤，由参照光学系统对被用于所述信号光的所述时间波形的测定的参照光进行导光；

时间差设定步骤，在所述信号光学系统以及所述参照光学系统的至少一方中设定所述信号光与所述参照光的时间差；

波长变换步骤，使用包含染料分子结晶的集合体的波长变换元件，以与入射到所述染料分子结晶的集合体的入射光的强度的r次方成比例的强度，生成波长被变换为比所述入射光的波长短的变换光，其中r＞1；

光检测步骤，通过入射来自于所述信号光学系统的所述信号光以及来自于所述参照光学系统的所述参照光，在所述波长变换元件中检测以所述信号光的强度、所述参照光的强度以及对应于两者的时间差的强度而生成的所述变换光；

信号波形解析步骤，根据所述光检测步骤中的所述变换光的检测结果进行解析，获得所述信号光的所述时间波形。

12.如权利要求11所述的信号波形测定方法，其特征在于，所述信号光以及所述参照光分别是波长比所述波长变换元件的所述染料分子的吸收端长的光。

13.如权利要求11所述的信号波形测定方法，其特征在于，所述波长变换元件以与所述入射光的强度的r次方成比例的强度生成所述变换光，其中r≥2。

说明书

信号波形测定装置以及测定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及测定信号光的时间波形的信号波形测定装置以及信号波形测定方法。

背景技术

[0002] 一直以来，作为脉冲状信号光的时间波形的测定方法，众所周知的有光采样法以及利用高速扫描照相机(streak camera)的测定方法(参照专利文献1～4)。在光采样法中，利用非线性光学结晶导致的和频产生(sum frequency generation)以及差频产生(difference frequencygeneration)测定被测定对象的信号光的时间波形。此外，在利用高速扫描照相机的测定方法中，通过电气性地对信号光被光电变换而产生的电子进行时基扫描而测定信号光的时间波形。

[0003] 专利文献

[0004] 专利文献1：日本专利特开2003-35602号公报

[0005] 专利文献2：日本专利特公平5-74013号公报

[0006] 专利文献3：日本专利特开平10-132665号公报

[0007] 专利文献4：日本专利特公昭60-17049号公报

[0008] 专利文献5：日本专利特开2007-95859号公报

[0009] 专利文献6：日本专利特开2004-235574号公报

[0010] 专利文献7：日本专利特开2003-13236号公报

[0011] 专利文献8：日本专利特开2004-107744号公报

发明内容

[0012] 在上述测定方中，在使用光采样法的时间波形的测定中，为了满足在非线性光学结晶内的相位整合条件，需要进行信号光以及采样光的偏光方向的调整、照射到对应于测定对象信号光波长的结晶的光的入射角度或者结晶的朝向的调整等。为此，在这样的测定方法中，存在其测定作业以及测定装置中的调整机构等的结构被复杂化的问题。

[0013] 此外，在光采样法中，在测定例如包含多波长信息的信号光的时间波长的情况下，需要对每个测定波长都变更非线性结晶方位的机构，使得其结构被复杂化，同时测定时间较长。此外，在使用差频产生而实行测定的情况下，由于被进行了波长变换(频率变换)的差频光的强度较弱，所以为了在时间波形的测定中保持充分的S/N比，需要通过光增幅等来增大信号光强度。然而，一般而言，由于光增幅器的增幅波长区域被固定为较窄，所以需要将结构改变为对每个信号光的波长都进行测定的装置。

[0014] 此外，除了利用非线性光学结晶和频产生以及差频产生之外，还可考虑例如利用了双光子吸收发光的时间波形的测定方法。然而，在这样利用双光子吸收的方法中，由于是通过设想能级的激发过程，所以与上述的相同，具有需要增大信号光强度、或者在时间波形的测定中难以得到足够的测定精度等问题。

[0015] 此外，在使用高速扫描照相机的时间波形的测定中，由于是以如上所述的方式通过电气性的扫描而测定时间波形，所以会发生信号光的入射时机以及时基扫描的时机的偏差(不稳定)，由此会有信号波形测定的精度以及分解能劣化的可能性。此外，相对于测定对象的信号光，由于光电变换部以及时基扫描部等的装置部分是在真空管中被一体成型，所以会有所谓的装置构成变得复杂的问题。

[0016] 本发明正是为了解决以上所述问题而做出的悉心研究的结果，目的在于提供一种可以利用简单的结构高精度地测定信号光的时间波形的信号波形测定装置以及信号波形测定方法。

[0017] 近年来，本发明人发现，在向利用结晶保持单元保持染料分子结晶的集合体(结晶集合体)的元件照射了光之后，利用作为在物质的表面附近渗出的电磁波的近场光的特殊性质(例如参照专利文献5～8)，可以生成含有波长比入射光短的波长成分的变换光，并就这样的波长变换元件的特性以及应用等进行了详细的探讨。

[0018] 在对这样的元件的探讨中发现，在结晶集合体上的变换光的发光强度通常相对于入射光的强度线性(成1次方比例)变化，然而如果改变用于波长变换的染料分子的种类等条件，则在某种条件下，变换光的发光强度与入射光强度的r次方(r＞1)成比例(例如与其2次方成比例)。本申请发明人通过利用这样的波长变换现象及其特性，发现可以以高精度测定信号光的时间波形，从而完成了本发明。

[0019] 即，本发明的信号波形测定装置的特征在于，具备：(1)对成为时间波形的测定对象的脉冲状信号光进行导光的信号光学系统、(2)对被用于信号光的时间波形测定的参照光进行导光的参照光学系统、(3)针对信号光学系统以及参照光学系统的至少一方而设置，设定信号光与参照光的时间差的时间差设定部、(4)包含染料分子结晶的集合体，以与入射到染料分子结晶的集合体的入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度，生成波长被变换为小于入射光的波长的变换光的波长变换元件、(5)通过入射来自于信号光学系统的信号光以及来自于参照光学系统的参照光，在波长变换元件中检测出以信号光的强度、参照光的强度以及对应于两者的时间差的强度而生成的变换光的光检测单元、(6)根据光检测单元中的变换光的检测结果进行解析，从而获得信号光的时间波形的信号波形解析单元。

[0020] 此外，本发明的信号波形测定方法的特征在于，具备(1)由信号光学系统对成为时间波形的测定对象的脉冲状信号光进行导光的信号光导光步骤、(2)由参照光学系统对被用于信号光的时间波形测定的参照光进行导光的参照光导光步骤、(3)在信号光学系统以及参照光学系统的至少一个系统中设定信号光与参照光的时间差的时间差设定步骤、(4)使用包含染料分子结晶的集合体的波长变换元件，以与入射到染料分子结晶的集合体的入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度，生成波长被变换为小于入射光的波长的变换光的波长变换步骤、(5)通过入射来自于信号光学系统的信号光以及来自于参照光学系统的参照光，在波长变换元件上检测出以对应于信号光的强度、参照光的强度以及两者的时间差的强度而生成的变换光的光检测步骤、(6)根据光检测步骤中的变换光的检测结果进行解析，从而获得信号光的时间波形的信号波形解析步骤。

[0021] 在上述的信号波形测定装置以及测定方法中，将包含处于多个染料分子结晶互相挨近的状态的结晶集合体的元件作为波长变换元件来使用。如果向这样的的波长变换元件入射规定波长的光，例如波长比染料分子的吸收端长且不产生电子能级的激发的光，则在入射了光的染料分子结晶的表面附近会产生近场光。

[0022] 此时，由于近场光的较大的电场梯度，在位于其结晶的附近的结晶内的染料分子中，振动能级(声子phonon)被激发，由此而生成包含波长比入射光短的波长成分(高能量的成分)的变换光。这样，利用将染料分子结晶的集合体作为波长变换介质的结构，则通过利用近场光，可以实现通常的吸收过程中的电子能级的激发所导致的荧光产生中不能发生的、生成比入射光的波长短的变换光的波长变换。

[0023] 此外，在这样的结构中，在以与入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度生成变换光的条件下构成波长变换元件，同时向该波长变换元件入射由时间差设定部设定并控制彼此的时间差的信号光和参照光。此时，由于信号光脉冲以及参照光脉冲的时间性的重叠状态，在波长变换元件上以信号光的强度、参照光的强度以及对应于信号光与参照光的时间差的强度生成变换光。于是，对于该变换光的检测结果，通过参照信号光和参照光的时间差的信息而进行解析，可以获得信号光的时间波形。综上所述，利用这样的结构，可以实现以简单而价廉的结构高精度地测定信号光的时间波形的信号波形测定装置以及测定方法。

[0024] 利用上述的信号波形测定装置以及测定方法，向包含染料分子结晶的集合体、且在以与入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度生成变换光的条件下构成的波长变换元件，入射设定了彼此的时间差的信号光和参照光，检测出以信号光的强度、参照光的强度以及对应于信号光与参照光的时间差的强度而生成的变换光，通过对该检测结果进行解析从而获得信号光的时间波形，可以实现以简单的结构高精度地测定时间波形的信号波形测定装置以及测定方法。

附图说明

[0025] 图1是信号波形测定装置的一个实施方式的结构的示意图。

[0026] 图2是被用于信号波形测定装置的波长变换元件的示意图。

[0027] 图3是信号波形测定装置的其他实施方式的结构的示意图。

[0028] 图4是波长变换元件的结构的例子的示意图。

[0029] 图5是波长变换元件的结构的例子的示意图。

[0030] 图6是波长变换元件的结构的例子的示意图。

[0031] 图7是波长变换元件的结构的例子的示意图。

[0032] 图8是信号波形测定装置的第1结构例的示意图。

[0033] 图9是信号波形测定装置的第2结构例的示意图。

[0034] 图10是信号波形测定装置的第3结构例的示意图。

[0035] 图11是信号波形测定装置的第4结构例的示意图。

[0036] 图12是信号波形测定装置的第5结构例的示意图。

[0037] 图13是信号波形测定装置的第6结构例的示意图。

[0038] 图14是信号波形测定装置的第7结构例的示意图。

[0039] 图15是示意信号光的时间波形的测定结果的例子的曲线。

[0040] 图16是示意信号光的时间波形的测定结果的例子的曲线。

[0041] 图17是示意使用波长变换元件的情况以及使用双光子吸收发光的情况下的各个测定结果的例子的曲线。

[0042] 图18是示意信号光的时间波形以及空间波形的测定结果的例子的曲线。

具体实施方式

[0043] 以下参照附图详细说明本发明的信号波形测定装置以及信号波形测定方法的最佳实施方式。其中，在附图的说明中，将相同符号标注于相同的要素，省略重复的说明。此外，图面的尺寸比例并不一定与所说明的物体相一致。

[0044] 图1是本发明的信号波形测定装置的一个实施方式的结构的示意图。本测定装置是将成为测定对象的脉冲状的信号光以及参照光入射到波长变换元件，并根据在波长变换元件上而生成的变换光的检测结果获得信号光的时间波形的装置。在此，在以下叙述中，主要就有关将成为入射到波长变换元件的入射光的信号光以及参照光作为近红外光、将变换光作为可见光的例子加以说明，但是本发明并不限定于这样的波长区域。以下说明本信号波形测定装置1A的结构与信号波形测定方法。

[0045] 图1所示的信号波形测定装置1A被构成为具备信号光学系统11、参照光学系统16、时间差设定部12、波长变换元件20、光检测器30以及信号波形解析部40。图2是被用于信号波形测定装置1A的波长变换元件20的示意图。

[0046] 波长变换元件20是被用于从入射光L0(后述的信号光L1、参照光L2)到变换光L5的波长变换(频率变换)的元件，如图2(a)所示，由保持基板21以及染料分子结晶的集合体22构成。染料分子结晶的集合体(以下只称为结晶集合体)22为在波长变换元件20中实际上实行光的波长变换的波长变换介质，染料分子结晶(晶粒)23为多个，在互相挨近的状态下集合。此外，保持基板21是保持结晶集合体22的结晶保持单元。在图2(a)的结构例中，基板21被配置为水平，结晶集合体22被保持在基板21的上面。

[0047] 波长变换元件20，相对于入射到结晶结合体22的入射光L0，生成并输出波长被变换为比射光L0的波长短的变换光L5。此外，本实施方式中的波长变换元件20被构成为：而生成的变换光L5的强度为与入射到结晶集合体22的入射光L0强度的r次方(r＞1，高于1次方)成比例的强度。

[0048] 在该波长变换元件20中，设置对由信号光源10提供并成为时间波形的测定对象的脉冲状的信号光L1进行导光的信号光学系统11、以及对由参照光源15提供并被用于信号光源L1的时间波形的测定的脉冲状的参照光L2进行导光的参照光学系统16。

[0049] 此外，针对于这些光学系统11、16，设置时间差设定部12。设定部12被设置于信号光学系统11以及参照光学系统16的至少一方，是设定信号光L1和参照光L2的时间差的设定单元。这样的时间差的设定以及变更是为了测定信号光L1的时间波形而根据需要进行的。

[0050] 作为成为入射到波长变换元件20的入射光L0的信号光L1以及参照光L2，优选使用波长比被用于波长变换元件20的结晶集合体22的染料分子的吸收端长的光(例如近红外光)。在这样的结构中，由信号光学系统11进行导光的信号光L1(信号光导光步骤)、以及由参照光学系统16进行导光的参照光L2(参照光导光步骤)，在由时间差设定部12设定其时间差的状态(时间差设定步骤)下，被入射到波长变换元件20。

[0051] 此时，在上述的信号光L1以及参照光L2的波长分别被设定为波长比染料分子的吸收端长、即不被染料分子吸收的波长的情况下，即使信号光L1以及参照光L2被照射到波长变换元件20的结晶集合体22，在结晶集合体22的染料分子中，也不会产生由于通常的吸收过程而引起的电子能级的激发以及伴随于此的荧光发生。

[0052] 在波长变换元件20中，通过将这个近红外的信号光L1以及参照光L2入射于被保持在保持基板21上的染料分子结晶的集合体22，从而生成波长被变换为比这些入射光的波长短的变换光L5(例如可见光)(波长变换步骤)。如以下的详细叙述，这样的从近红外光到可见光的光的波长变换，是利用了在结晶集合体22内所产生的近场光的性质而实行的。此外，在波长变换元件20中而生成的变换光L5的强度不仅是信号光L1的强度以及参照光L2的强度，还成为对应于入射到信号光L1的波长变换元件20的入射时机t0和参照光L2的入射时机t1的时间差t1-t0的强度。

[0053] 这样，针对在波长变换元件20中所生成并输出的变换光L5，设置光检测器30和信号波形解析部40。光检测器30检测如上所述的对应于信号光L1以及参照光L2的入射而在波长变换元件20中生成并被输出的变换光L5，并输出显示其检测结果的检测信号(光检测步骤)。

[0054] 有关来自于光检测器30的变换光L5的检测结果的信息(检测信号)被输入到信号波形解析部40。此外，有关时间差设定部12中的时间差设定的信息也一并被输入到解析部40中。信号波形解析部40对这些信息进行必要的解析从而获得信号光L1的时间波形(信号波形解析步骤)。这样的解析部40能够通过实行例如规定的解析程序的计算而实现。

[0055] 在此，在图1中，为了说明，与上述装置的结构相配合模式地图示了信号光L1的时间波形的曲线、参照光L2的时间波形的曲线、在被入射到波长变换元件20的阶段的信号光L1和参照光L2的时间波形以及时间差的示意曲线、用光检测器30检测出的变换光L5的时间波形的曲线、以及在信号波形解析部40中获得并被再构成的信号光L1的时间波形的示意曲线。此外，在这些曲线中，针对利用时间差设定部12的时间差的设定，例示了在信号光学系统11中对于信号光L1不赋予延迟时间，而是通过在参照光学系统16中将延迟时间t1-t0赋予参照光L2，从而测定时间波形的情况。此外，有关这样的示意曲线的图示，在表示装置构成的以下的各图中也相同。

[0056] 接着说明上述实施方式的信号波形测定装置以及测定方法的效果。

[0057] 在由图1所示的信号波形测定装置1A以及测定方法中，将利用保持基板21保持多个染料分子结晶23处于互相挨近的状态的结晶集合体22的元件作为波长变换元件20而使用。若向这样的波长变换元件20入射规定波长的光、例如波长比染料分子的吸收端长(低能量)且不产生通常的吸收过程所引起的电子能级的激发的光L0，则在入射了光L0的染料分子结晶23的表面附近会产生近场光。

[0058] 此时，由于近场光的较大的电场梯度，在位于其结晶的附近的结晶内的染料分子中分子振动能级(声子)被激发，由此而生成包含比入射光L0的波长短的成分(高能量的成分)的变换光L5。如上所述，利用将染料分子结晶的集合体22作为波长变换介质的结构，可以通过利用近场光而实现通常的吸收过程中的电子能级的激发所导致的荧光产生中不能发生的、生成比入射光L0的波长短的变换光L5的波长变换。

[0059] 在这样的结构中，由于可以将波长比染料分子的吸收端长的光作为入射光L0，所以不易发生染料分子的光分解，因而极少出现波长变换元件20的劣化。此外，由于是利用入射光L0的能量的发光过程，所以即使持续照射光L0也不会出现发光强度的减少。这样的发光现象被认为不同于利用入射光L0的多光子吸收和非线性光学效果的波长变换、或者拉曼散射的反斯托克斯位移(anti-Stokes shift)等已知现象。

[0060] 此外，在图1所示的测定装置1A中，在使用这样的波长变换元件20的结构中，以与入射光L0强度的r次方(r＞1)成比例的强度生成变换光L5的条件构成波长变换元件20，且向该波长变换元件20入射利用时间差设定部12设定并控制相互时间差的信号光L1和参照光L2。此时，利用信号光脉冲以及参照光脉冲的时间性的重叠状态，在波长变换元件20上以信号光L1的强度、参照光L2的强度以及对应于两者的时间差的强度生成变换光L5。

[0061] 于是，对于由光检测器30检测出该变换光L5的检测结果，可以通过参照在信号光L1与参照光L2之间设定的时间差(延迟时间t1-t0)而在信号波形解析部40中进行解析，获得信号光L1的时间波形。综上所述，利用这样的结构，可以实现以简单而价廉的结构高精度地测定信号光L1的时间波形的信号波形测定装置以及测定方法。

[0062] 在这样的结构中，与例如使用非线性光学结晶的测定法相比较，由于减少了光的入射角度和结晶方向的调整机构等机构，所以可以利用零部件数量少的简单结构成获得信号光的时间波形。此外，与使用高速扫描照相机的测定方法相比较，由于控制了测定的时机偏差的产生，所以可以以高精度以及分解能进行测定。此外，在上述结构中，在利用光检测器30的变换光L5的检测中不要求高速应答性。为此，可以将例如CCD照相机等通用产品作为光检测器30而使用，从而降低装置的制造成本。

[0063] 在上述结构的信号波形测定装置1A中，如上所述，信号光L1以及参照光L2优选波长比各个波长变换元件20的染料分子的吸收端长的光。由此，可以适于实行波长变换元件20中的变换光L5的生成以及由此生成的信号光L1的时间波形的测定。此外，对于入射到信号光L1以及参照光L2的波长变换元件20的光，优选设置结合信号光L1以及参照光L2而使其入射到波长变换元件20的光结合单元。

[0064] 此外，波长变换元件20优选在以与入射光L0强度的r次方(r≥2，2次方以上)成比例的强度生成变换光L5的条件下被构成。在使用波长变换元件20的信号光L1的时间波形的测定中，只要是如上所述的变换光强度与入射光强度的r次方(r＞1)成比例的条件就可以得到时间波形，然而特别是通过在与r次方(r≥2)成比例的条件下、例如在变换光强度与入射光强度的2次方成比例的条件下进行测定，可以切实获得时间波形。这样的条件可以根据信号光L1的波长、参照光L2的波长以及相对于此的波长变换元件20的染料分子的选择等而进行设定以及调整。

[0065] 接着进一步具体说明波长变换元件20中的变换光L5的生成以及信号光L1的时间波形的获得。在将染料分子结晶的结合体22(参照图2(a))用于波长变换的结构中，如上所述，在结晶23的表面附近，对应于结晶尺寸产生近场光导致的空间梯度大的电场梯度，在其附近的结晶内的染料分子中，激发电子系统的基态内的高振动能级。如果利用这样的效果，则经过例如由入射光L0在振动能级上激发的电子进一步通过光吸收被激发为激发状态等的过程，从而可以生成波长比入射光L0的波长短的变换光L5。在此情况下，染料分子的结晶23具有伴随着入射光L0入射的近场光的发生源以及由此而形成的变换光L5的生成中心的两方面的功能。

[0066] 在使用了这样的波长变换元件20的波长变换中，正如上述的例子所述，可以使用作为入射光L0(信号光L1、参照光L2)使用近红外光、将变换光L5作为可见光的结构。在此情况下，对于入射光L0以及变换光L5的具体波长区域，可以考虑使入射光L0成为具有750nm～2μm范围内的波长的近红外光、使变换光L5成为具有400nm～750nm范围的波长的可见光的构成。

[0067] 具体而言，例如使入射光L0成为波长为750nm～800nm的近红外光，作为染料分子使用DCM(CAS号码：51325-91-8)而观察波长变换时，观察到了作为短波长的变换光L5在波长区域650nm上的染料发光。此外，也存在此时的变换光L5发光强度相对于入射光强度变化成线性的情况。

[0068] 此外，使用荧光波长比上述的DCM更短的染料分子(荧光波长460nm～540nm)，同样在对波长变换进行观察时发现，在波长区域460nm～540nm中的变换光L5的发光强度与入射光强度的2次方成比例。认为其原因在于，在染料分子中，分两步发生由近场光引起的振动能级的激发，由此出现了变换光强度与入射光强度的2次方成比例的波长变换现象。此外，同样可以出现伴随3步以上的振动能级的激发的波长变换现象。

[0069] 本发明的信号波形测定装置1A以及测定方法，是将这样的波长变换现象利用于时间波形的获得。即，使用波长变换元件20，该波长变换元件20被构成为伴随两步以上的声子激发的波长变换现象，生成的变换光L5的强度成为与入射到结晶结合体22的入射光L0强度的r次方(r＞1，高于1次方)成比例的强度，使入射信号光L1和参照光L2以时间差t1-t0(参照图1)入射于该波长变换元件20。在该情况下，以对应于向波长变换元件20入射时的信号光L1以及参照光L2的时间性的重叠状态的发光强度生成变换光L5。

[0070] 此外，在这样的条件下，使信号光L1和参照光L2的时间差发生时间性或者空间性的变化而实行测定时，这些时间性的重叠状态将发生变化，在波长变换元件20上生成的变换光L5的发光强度也将对应于时间差而发生变化。即，在信号光L1以及参照光L2两者发生时间性的重叠的情况下，产生由在信号光L1的光子所发生的近场光而引起的第1步的声子激发，进一步通过由在参照光L2的光子所发生的近场光而引起的第2步的声子激发，变换光L5的发光强度变得比没有信号光L1以及参照光L2的时间性的重叠的情况下更大。因此，通过在改变时间差的同时测定变换光L5的发光强度，如图1所示，可以获得信号光L1的时间波形。

[0071] 在这样的时间波形的获得方法中，即使是在改变信号光L1以及参照光L2的中心波长的情况下，在较大的波长范围中，也可以不改变入射到波长变换元件20的结晶集合体22的光的入射角度，而以同样的条件以及构成测定信号光L1的时间波形。此外，在光检测器30中即使检测灵敏度较低的波长的光成为测定对象的信号光L1，通过利用染料发光而引起的波长变换，也能高精度地测定信号光L1的时间波形。

[0072] 此外，在上述的波长变换现象中，由近场光而激发的染料分子的振动能级并不是设想的能级而为实际存在的能级。为此，在上述的2步以上的声子激发中，与例如通过设想能级而产生激发的双光子吸收发光等相比，激发强度以及伴随于此的变换光L5的发光强度变大，因此，能够高精度地测定信号光L1的时间波形。

[0073] 在此，图2(b)所示的曲线显示了由使用飞秒脉冲光的泵浦-探针(Pump-Probe)测量而对作为中间能级的振动能级进行的测量的结果。这个测量结果显示，由近场光激发的振动能级与双光子吸收的情况的设想能级等不同，是具有大约2psec的有限寿命的实际存在的能级。

[0074] 此外，如上述的波长变换现象所示，如果设作为向波长变换元件20入射的入射光L0的信号光L1的频率为ω1、参照光L2的频率为ω2、在波长变换元件20中而生成的变换光L5的频率为ω5，则优选这些频率满足下式：

[0075] ω1，ω2＜ω5＜ω1+ω2+ω2

[0076] 在此，变换光L5的频率ω5由被用于波长变换元件20的染料分子的种类决定。

[0077] 作为被用于波长变换元件20中的波长变换介质的结晶集合体22的染料分子，具体可以使用例如Coumarin480(CAS号码：41267-76-9)、Coumarin540A(CAS号码：53518-18-6)、Stilbene420(CAS号码：27344-41-8)。此外，除此之外也可以将各种各样的染料分子作为波长变换介质而使用。

[0078] 此外，关于该结晶集合体22的染料分子，包含于结晶集合体22的染料分子的结晶23优选具有宽度为1μm以下、长度为10μm以下的形状的晶粒。利用这样的结构，可以提高利用发生于信号光L1以及参照光L2所入射的染料分子的结晶23的表面附近的近场光的波长变换所产生的变换光L5的生成效率、以及信号光L1的时间波形的测定效率。

[0079] 波长变换元件20的具体制作方法可以使用例如以下的制作方法。在该制作方法中，首先将染料分子完全溶解于丙酮中。在该情况下的溶液的各部分的量为，例如相对于40mg的Coumarin540A，丙酮为1cc。将这样的1cc溶液与1.0cc的水相混合，则Coumarin540A的染料分子发生晶化而被析出。然后，过将该析出的染料分子结晶滴到作为结晶保持单元的基板上或者滴入到器皿内，从而获得Coumarin540A的结晶集合体被保持的波长变换元件20。

[0080] 波长变换元件20的结晶保持单元的材质，例如可以优选使用合成石英。此外，结晶保持单元的形态，可以优选使用规定厚度(例如厚度为1mm)的合成石英基板或者规定光路长(例如光路长为1mm)的合成石英器皿。

[0081] 成为时间波形测定对象的脉冲状信号光L1的供给，虽然例示了在图1所示的测定装置1A中在信号光学系统11中设置信号光源10的结构，但是并不限定于这样的结构，例如也可以是从装置外部提供测定对象的信号光L1的结构。此外，关于被用于时间波形测定的参照光L2，虽然采用了在图示1所示的测定装置1A中具备提供参照光的参照光源15的结构，但是也可以与信号光L1相同采用从装置外部提供参照光L2的结构。

[0082] 此外，关于参照光L2供给，不仅限于如上所述的将由与信号光源10不同设置的参照光源15提供的光作为参照光L2的结构，也可以使用将信号光L1的一部分分支作为参照光L2的结构。图3是信号波形测定装置的其他实施方式的结构的示意图。图3所示的信号波形测定装置1B的结构，其中信号光学系统11、参照光学系统16、时间差设定部12、波长变换元件20、光检测器30以及信号波形解析部40与图1所示的测定装置1A的结构相同。

[0083] 在本实施方式中，在信号光源10上设置有用于将信号光的一部分分支而生成参照光的光分支部13，且被构成为：被该光分支部13分支的一方的光成分作为信号光L1而被信号光学系统11导光，另一方的光成分作为参照光L2而被参照光学系统16导光。利用这样的结构也可以很好地测定信号光L1的时间波形。

[0084] 关于波长变换元件20的结构，优选采用如上所述的染料分子结晶的集合体22被结晶保持单元保持的结构。特别是如图2所示，优选使用作为结晶保持单元使用基板(基板状的部件)21、将结晶集合体22保持在基板21的一方的面上的结构。由此，可以很好地构成将结晶集合体22作为波长变换介质的波长变换元件20。此外，关于波长变换元件20的具体构成，可以使用如图4～图7所示的各种各样的结构。还有，在以下的示意图4～图7中，简化了染料分子的结晶集合体22的图示。

[0085] 图4示意了作为结晶保持单元而使用保持基板21的情况的波长变换元件20的结构例。在图4的结构例(a)中，与由图2所示的结构相同，从上方向被保持于基板21上的结晶集合体22照射入射光L0(信号光L1以及参照光L2)，同样从上方输出所得到的变换光L5。此外，在图4的结构例(b)中，从上方向基板21上的结晶集合体22照射入射光L0，从下方输出所得到的变换光L5。在此情况下，作为基板21需要使用由可见的变换光L5可以透过的材质构成的基板。

[0086] 此外，在图4的结构例(c)中，示意了从下方向基板21上的结晶集合体22照射入射光L0、从上方输出所得到的变换光L5的结构。在此情况下，作为基板21需要使用由近红外的入射光L0可以透过的材质构成的基板。此外，在图4的结构例(d)中，示意了从下方向基板21上的结晶集合体22照射入射光L0、从下方输出所得到的变换光L5的结构。在此情况下，作为基板21需要使用由作为近红外光的入射光L0以及可见的变换光L5两者可以透过的材质构成的基板。

[0087] 图5示意了在作为结晶保持单元而使用保持基板、且包含反射入射光L0的反射单元而构成保持基板的情况的波长变换元件20的结构例。如上所述，通过使保持基板具有作为针对入射光L0的反射单元的功能，可以由保持基板反射不发生波长变换而通过结晶集合体22的入射光L0，并使该入射光L0再一次入射到结晶集合体22。由此，可以提高在波长变换元件20中的入射光L0的利用效率。

[0088] 在图5的结构例(a)中示意了作为保持基板而使用由反射入射光L0的基板状的反射部件构成的保持基板24的结构。在此情况下，从上方照射到结晶集合体22的入射光L0在基板24的上面被反射。此外，在图5的结构例(b)中示意了作为保持基板而使用将反射膜21a形成于保持结晶集合体22的上表面侧的保持基板21的结构。在此情况下，入射光L0在基板21的上表面侧的反射膜21a上被反射。

[0089] 此外，在图5的结构例(c)中示意了作为保持基板而使用在与结晶集合体22的相反侧的下表面侧形成有反射膜21b的保持基板21的结构。在此情况下，入射光L0透过保持基板21后，再在基板21的下表面侧的反射膜21b上被反射。此外，在这样的结构中，作为基板21需要使用由入射光L0可以透过的材质构成的基板。

[0090] 图6以及图7示意了作为结晶保持单元使用在夹住结晶集合体22的状态下而保持的2块保持基板的情况的波长变换元件20的结构例。这样的结构有利于物理性地保护结晶集合体22。在图6的结构例(a)中，结晶集合体22被保持于保持基板21上，再在其上方设置与基板21一起夹持并保持结晶集合体22的保持基板25。此外，在本结构例中，从上方向结晶集合体22照射入射光L0，同样从上方输出所得到的变换光L5。在此情况下，作为基板25需要使用由入射光L0以及变换光L5两者可以透过的材质构成的基板。

[0091] 此外，在图6的结构例(b)中，保持基板21、25的结构与结构例(a)相同，示意了从上方向结晶集合体22照射入射光L0并且从下方输出所得到的变换光L5的结构。在此情况下，作为上方的基板25需要使用由入射光L0可以透过的材质构成的基板，且作为下方的基板21需要使用由变换光L5可以透过的材质构成的基板。

[0092] 此外，在图7的结构例(a)～(c)中，相对于图5的结构例(a)～(c)，示意了使用2块保持基板的结构的例子。在图7的结构例(a)中，示意了结晶集合体22被保持于由反射部件构成的基板24上并进一步在其上方设置基板25的结构。此外，在图7的结构例(b)中，示意了结晶集合体22被保持于将反射膜21a形成于上表面侧的基板2 1上并进一步在其上方设置基板25的结构。此外，在图7的结构例(c)中，示意了结晶集合体22被保持于将反射膜21b形成于下表面侧的基板21上并进一步在其上方设置基板25的结构。在这些结构中，作为基板25需要使用由入射光L0以及变换光L5两者可以透过的材质构成的基板。

[0093] 关于图1以及图3所示的信号波形测定装置1A、1B的结构，将与图8～图14所示的具体结构例一起进一步说明。在此，在图8～图10中，便于说明而使信号光L1和参照光L2光路错开表示，但是在实际的结构中，这些光路不必错开。此外，在以下的叙述中，根据需要，将光的导光方向作为z轴，将垂直于z轴的轴作为x轴，将垂直于z轴以及x轴的轴作为y轴。

[0094] 图8是信号波形测定装置的第1结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2A中，使用将信号光的一部分分支并作为参照光的结构。具体而言，信号波形测定装置2A由作为光分支部而起作用的半反射镜(halfmirror)13a、构成信号光学系统的反射镜11a、构成参照光学系统的反射镜16a、包含染料分子结晶的集合体的波长变换元件20、作为光检测单元而起作用的0维光检测器30a、以及信号波形解析部40构成。

[0095] 在本结构例中，使用光检测器30a相对于波长变换元件20而被配置于与信号光L1以及参照光L2的入射侧相同侧的反射型结构。此外，在波长变换元件20和光检测器30a之间设置有用于只取出在波长变换元件20产生的染料发光的波长成分作为变换光L5的波长选择元件31。这样的波长选择元件31，具体可以使用例如带通滤波器(Band-passfilter)以及分光器等。

[0096] 此外，在参照光学系统中，在反射镜16a上设置有将反射镜16a的位置变更为参照光L2的导光方向，从而可变地控制参照光L2的延迟时间的可动平台12a。在本结构例中，利用使用了这些反射镜16a以及可动平台12a的延迟时间控制单元，构成了设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部。此外，由光检测器30a检测的变换光L5的检测结果的信息与由可动平台12a设定的信号光L1和参照光L2的时间差的信息一起，被输入到信号波形解析部40中。

[0097] 在这样的结构中，由半反射镜13a反射的信号光L1在被反射镜11a反射之后，透过半反射镜13a并被入射到波长变换元件20。此外，透过半反射镜13a并被从信号光分支的参照光L2，在被设置于可动平台12a上的反射镜16a反射并被赋予延迟时间t1-t0之后，被半反射镜13a反射从而入射到波长变换元件20。于是，在利用可动平台12a改变延迟时间的同时，利用光检测器30a检测出波长变换元件20产生的变换光L5的发光强度，通过参照其检测结果以及时间差信息在解析部40进行解析，从而获得信号光L1的时间波形。

[0098] 在由图8所示的信号波形测定装置2A中，使用了作为时间差设定部而被设置于参照光学系统并可变地控制参照光L2的延迟时间的可动平台12a构成的延迟时间控制单元。利用这样的结构，在利用可动平台12a改变延迟时间的同时进行测定，可以较好地获得信号光L1的时间波形。

[0099] 在此，延迟时间控制单元的具体结构并不限定于使用上述可动平台12a的结构，也可以使用其它各种各样的结构。此外，延迟时间控制单元也可以被设置于信号光学系统。一般而言，设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部，优选被构成为具有被设置于信号光学系统或者参照光学系统并可变地控制信号光或者参照光的延迟时间的延迟时间控制单元。

[0100] 此外，在如上所述的使用延迟时间控制单元的结构中，作为检测变换光L5的光检测器，优选使用检测变换光L5的强度的0维光检测器30a。此外，该光检测器30a优选使用对于波长变换元件20中的染料发光的波长带具有足够的灵敏度的装置。此外，作为光检测器也可以使用检测变换光L5的光像(强度分布)的1维或者2维的摄像元件。

[0101] 图9是信号波形测定装置的第2结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2B中，半反射镜13b、反射镜11b、反射镜16b、可动平台12b、波长变换元件20以及信号波形解析部40的结构与图8所示的测定装置2A中的结构相同。

[0102] 在本结构例中，使用了光检测器30b相对于波长变换元件20而被配置于与信号光L1以及参照光L2的入射侧相反的一侧的透过型的结构。此外，在波长变换元件20和光检测器30b之间，设置有用于只将波长变换元件20中的染料发光的波长成分作为变换光L5取出的波长选择元件31。这样，相对于波长变换元件20的光检测器的配置，可以根据装置的具体结构和测定条件等使用各种各样的结构。

[0103] 图10是信号波形测定装置的第3结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2C中，使用了以与信号光不同的途径提供参照光的结构。具体为：信号波形测定装置2C由构成信号光学系统的反射镜11c、构成参照光学系统的延迟光学系统16c、作为光结合部起作用的半反射镜17c、波长变换元件20、光检测器30c、波长选择元件31以及信号波形解析部40构成。

[0104] 在本结构例中，在参照光学系统中设置有由4个反射镜161c～164c构成的延迟光学系统16c。此外，在这些反射镜161c～164c中，在反射镜162c、163c上设置有将反射镜162c、163c的位置变更为参照光L2的导光方向，并可变地控制参照光L2的延迟时间的可动平台12c。在本结构例中，利用使用这些延迟光学系统16c以及可动平台12c的延迟时间控制单元，构成设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部。

[0105] 在这样的结构中，信号光L1在被反射镜11c反射之后被半反射镜17c反射，并被入射到波长变换元件20。此外，参照光L2在通过包含被设置于可动平台12c上的反射镜162c、163c的延迟光学系统16c并被赋予延迟时间t1-t0之后，透过半反射镜17c而入射到波长变换元件20。于是，在利用可动平台12c改变延迟时间的同时，利用光检测器30c检测出变换光L5的发光强度，通过参照其检测结果以及时间差信息并由解析部40进行解析，从而获得信号光L1的时间波形。

[0106] 如图8～图10所示，关于参照光L2，可以对应于装置的具体结构和测定条件等，使用将信号光的一部分分支而作为参照光的结构、或者以与信号光不同途径提供参照光的结构。此外，相对于波长变换元件20的光检测器的配置，在图10中例示了透过型的结构，然而也可以使用反射型的结构。

[0107] 图11是信号波形测定装置的第4结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2D中，使用了将信号光的一部分分支而作为参照光的结构。具体为：信号波形测定装置2D由作为光分支部而起作用的半反射镜13d、构成信号光学系统的反射镜111d，112d、构成参照光学系统的延迟元件12d、作为光结合部而起作用的半反射镜17d、波长变换元件20、光检测器30d、波长选择元件31以及信号波形解析部40构成。在此，在以下的示意图11～图14中，为了便于说明，分别示意性地图示了半反射镜与波长变换元件之间的光路上的信号光L1以及参照光L2的时间波形的空间分布。

[0108] 在本结构例中，在参照光学系统中将延迟元件12d设置于参照光L2的光路上。该延迟元件12d是由玻璃等的透明介质形成的，并且由厚度沿着垂直于参照光L2的导光方向的轴(图中的x轴)而发生变化的透明基板构成。在这样的结构中，如图中的通过延迟元件12d之后的参照光L2的时间波形的空间分布(对应于时间分布)所示，在x轴方向的位置不同，赋予参照光L2的延迟时间(在延迟元件12d上的玻璃等的厚度)也不同。

[0109] 由此，延迟元件12d成为以垂直于参照光L2的导光方向的x轴作为时间分布测定轴，以沿着x轴变化延迟时间的方式设定参照光L2的空间波形以及时间波形的波形设定单元。在本结构例中，利用使用了该延迟元件12d的波形设定单元，构成了设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部。此外，由延迟元件12d设定的时间差的信息与由光检测器30d检测的变换光L5的检测结果的信息一起被预先输入到信号波形解析部40中。

[0110] 此外，在本结构例中，对应于上述的光学系统的结构，作为光检测器30d，使用了检测变换光L5的光像(强度分布)的1维或者2维的摄像元件。具体而言，作为光检测器30d可以使用在x轴方向上1维排列有多个像素的1维摄像元件(例如光电二极管阵列)。
或者，作为光检测器30d可以使用在x轴方向以及y轴方向上2维排列有多个像素的2维摄像元件(例如CCD照相机)。

[0111] 在这样的结构中，在利用透镜等扩大点径(spot diameter)的状态下半反射镜13d反射的信号光L1，在被反射镜11d，112d反射之后，再被半反射镜17d反射并向波长变换元件20入射。此外，透过半反射镜13d并从信号光中被分支的参照光L2，在通过延迟元件12d并被赋予x轴方向上的延迟时间分布之后，透过半反射镜17d向波长变换元件20入射。于是，由光检测器30检测出在波长变换元件20中的变换光L5的发光强度在x轴方向上的强度分布，通过参照其检测结果以及时间差信息并由解析部40进行解析，从而获得信号光L1的时间波形。

[0112] 在由图11所示的测定装置2D中，作为时间差设定部，使用了由以垂直于参照光L2的导光方向的轴作为时间分布测定轴而被设置于参照光学系统、并且以沿着时间分布测定轴变化延迟时间的方式设定参照光L2的空间波形以及时间波形的延迟元件12d构成的波形设定单元。利用这样的结构，通过对应于由延迟元件12d所赋予的延迟时间分布而测定变换光L5的光像，可以很好地获得信号光L1的时间波形。此外，由染料分子结晶的集合体构成的波长变换元件20可以容易地实现大面积化，在检测变换光L5的光像的结构中也有效。

[0113] 在此，对于波形测定单元的具体结构，并不限定于使用上述的延迟元件12d的结构，也可以使用各种各样的结构。此外，在如上所述的使用波形设定单元的结构中，作为检测变换光L5的光检测器，优选使用在x轴(时间分布测定轴)方向上检测变换光L5的光像的1维或者2维的摄像元件30d。

[0114] 此外，对于该摄像元件30d，优选使用对于在波长变换元件20中的染料发光的波长带具有足够的灵敏度的物质。作为这样的摄像元件，例如在染料发光的波长带为400nm～1000nm的情况下可以列举CCD照相机，在染料发光的波长带为940nm～1700nm的情况下可以列举InGaAs照相机。此外，对于相对于波长变换元件20的光检测器的配置，在图11中例示了透过型的结构，然而也可以使用反射型的结构。

[0115] 图12为信号波形测定装置的第5结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2E中，使用了以与信号光不同的途径提供参照光的结构。具体为：信号波形测定装置2E由构成信号光学系统的反射镜11e、构成参照光学系统的延迟元件12e、作为光结合部而起作用的半反射镜17e、波长变换元件20、光检测器30e、波长选择元件31以及信号波形解析部40构成。

[0116] 在本结构例中，在参照光学系统中，在参照光L2的光路上设置有以沿着x轴变化延迟时间的方式设定参照光L2的空间波形以及时间波形的延迟元件12e，利用使用这个延迟元件12e的波形设定单元，构成设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部。此外，由延迟元件12e设定的时间差的信息与光检测器30e中的变换光L5的检测结果的信息一起被输入到信号波形解析部40中。此外，在本结构例中，作为光检测器30e，使用了检测变换光L5光像的1维或者2维的摄像元件。

[0117] 如图11以及图12所示，对于参照光L2，可以对应于装置的具体构成和测定条件等使用将信号光的一部分分支而作为参照光的结构、或者以与信号光不同的途径提供参照光的结构。此外，对于相对于波长变换元件20的光检测器的配置，在图12中例示了透过型的结构，然而也可以使用反射型的结构。

[0118] 图13是信号波形测定装置的第6结构例的示意图。在本结构例的信号波形测定装置2F中，反射镜11f、包含反射镜161f～164f的延迟光学系统16f、可动平台12f、半反射镜17f、波长变换元件20、波长选择元件31以及信号波形解析部40的结构基本与图10所示的信号图形测定装置2C中的结构相同。

[0119] 在本结构例中，如图中的信号光L1的时间波形的空间分布所示，对于成为时间波形的测定对象的信号光L1，设定在垂直于信号光L1的导光方向的x轴方向上时间波形空间性地不同的情况。此外，对应于这样的信号光L1，作为光检测器30f，使用在x轴方向上检测变换光L5的光像的1维或者2维的摄像元件。

[0120] 如图13所示，对于信号光L1的时间波形，通过将摄像元件用于光检测器30f，可以测定时间波形的空间分布。此外，在上述的例子中，虽然设定在x轴方向上时间波形空间性地不同的信号光L1，然而在例如在x轴方向以及y轴方向上时间波形空间性地不同的信号光L1成为测定对象的情况下，通过使用2维的摄像元件作为光检测器，可以测定时间波形的2维的空间分布。在此，对于相对于波长变换元件20的光检测器的配置，在图13中例示了透过型的结构，然而也可以使用反射型的结构。

[0121] 图14是信号波形测定装置的第7结构例的示意图。在本结构例的信号图形测定装置2G中，反射镜11g、延迟元件12g、半反射镜17g、波长变换元件20、波长选择元件31以及信号波形解析部40的结构基本与由12所示的信号图形测定装置2E中的结构相同。关于测定装置2G的整体结构，在xz面上所看到的结构与图12相同。为此，在图14中，示意了在垂直于x轴的yz面上所看到的信号图形测定装置2G的结构。

[0122] 在本结构例中，相对于成为时间波形测定对象的信号光L1，在信号光系统中设置分光棱镜18g。该光棱镜18g成为以垂直于信号光L1的导光方向的轴(图中的y轴)作为波长分布测定轴(分光轴)、以沿着y轴方向变化波长的方式对信号光L1分光的分光单元。此外，对应于如上所述的被分光的信号光L1，作为光检测器30g，使用了检测变换光L5的光像的2维摄像元件。此外，由延迟元件12g设定的时间差信息以及有关由分光棱镜18g形成的信号光L1的分光的波长信息与光检测器30g中的变换光L5的检测结果的信息一起，被输入到信号波形解析部40中。

[0123] 如图14所示，对于信号光L1的时间波形，可以在信号光学系统中，通过波长以沿着垂直于信号光L1的导光方向的波长分布测定轴而变化的方式设置对信号光L1分光的分光单元，对包含于信号光的各个波长成分，可以同时实行时间波形的测定。在图14的结构中，如上所述，x轴成为时间分布测定轴、y轴成为波长分布测定轴。此外，对于分光单元的具体结构，并不限定于上述使用分光棱镜18g的结构，例如也可以使用光栅等各种各样的结构。此外，对于相对于波长变换元件20的光检测器的配置，在图14中例示了透过型的结构，然而也可以使用反射型的结构。

[0124] 关于使用由上述结构形成的信号波形测定装置的信号光L1的时间波形的测定，将与具体的测定例一起进一步说明。

[0125] 图15是信号光的时间波形的测定结果的一个例子的示意曲线。在本测定例中，作为信号波形测定装置使用了由图8所示的第1结构例的信号图形测定装置2A。作为光检测器30a使用作为0维的光检测器的光电子倍增管(浜松光子学株式会社制：H7421-40)，在来自于波长变换元件20的变换光L5中，利用波长选择元件31仅取出染料发光的波长成分，并利于光子计数法进行变换光L5的发光强度的测定。在此，在图8的结构中，如果将可动平台12a导致的反射镜16a的移动量作为d(μm)，则赋予参照光L2的延迟时间Δt可以被换算为2d/300(psec)。

[0126] 此外，在本测定例中，显示了使波长变换元件20的染料分子为Coumarin 480、将作为信号光L1以及参照光L2使用的脉冲光的中心波长改变为808nm、780nm、880nm时的时间波形的测定结果。

[0127] 图15的示意曲线(a)为使脉冲光的波长为808nm时的时间波形的测定结果。在该曲线中，横轴表示对应于信号光L1与参照光L2的时间差的参照光L2的延迟时间Δt(psec)，纵轴表示由光检测器检测出的变换光L5的发光强度(a.u.)。

[0128] 在此，对于纵轴的发光强度，以使信号光L1和参照光L2时间性地远离而不相重叠的情况下的发光强度作为基准线，仅将由于信号光L1和参照光L2时间性地重叠而形成的发光强度的增加部分标准化而表示。这样的发光强度的增加部分相对于延迟时间Δt的变化，如上所述，对应于信号光L1的时间波形。如曲线(a)所示，在对于波长808nm的脉冲光的测定结果中，对应于信号光L1的时间波形的发光强度的时间变化的半值全宽(full width at half maximum，FWHM)变为0.2psec。

[0129] 此外，图15的曲线(b)示意了使脉冲光的波长为780nm时的时间波形的测定结果。在该测定结果中，发光强度的时间变化半值全宽为0.26psec。此外，图15的曲线(c)示意了使脉冲光的波长为880nm时的时间波形的测定结果。在该测定结果中，发光强度的时间变化半值全宽为0.2psec。

[0130] 图16为信号光的时间波形的测定结果的其他例子的示意曲线。在本测定例中所使用的测定装置的结构，使用了与图15所示的测定结果的情况相同的结构。此外，在本测定例中，显示了使作为信号光L1以及参照光L2而使用的脉冲光中的中心波长固定为808nm、使波长变换元件20的染料分子改变为Coumarin 540A以及Stilbene 420时的时间波形的测定结果。

[0131] 图16的曲线(a)示意了使波长变换元件的染料分子为Coumarin540A时的时间波形的测定结果。在该测定结果中，对应于信号光L1的时间波形的发光强度的时间变化半值全宽为0.17psec。此外，图16的曲线(b)示意了使染料分子为Stilbene 420时的时间波形的测定结果。在该测定结果中，发光强度的时间变化半值全宽为0.23psec。

[0132] 图17是使用上述结构的波长变换元件的情况、以及使用双光子吸收发光的情况的各个测定结果的例子的示意曲线。在本测定例中，示意了使波长变换元件的染料分子为Coumarin 540A、使作为信号光L1以及参照光L2而被使用的脉冲光的中心波长为808nm时的时间波形的测定结果。此外，使用双光子吸收发光的比较例显示了取代上述结构的波长变换元件而使用将Coumarin 540A完全溶解于丙酮的试样时的测定结果。

[0133] 图17的曲线(a)示意了由波长变换元件或者上述试样产生的变换光的发光强度的波长依存性。具体而言，曲线A1示意了使用包含染料分子结晶结合体的波长变换元件时的发光强度的测定结果，曲线A2示意了由使用染料分子被溶解于丙酮的试样时的双光子吸收产生的发光强度的测定结果。

[0134] 如这些曲线所示，与由染料分子被溶解的试样产生的发光的曲线A2相比，在由波长变换元件产生的发光的曲线A1中得到大约600倍的发光强度。认为这是由于，与由通过设想能级的激发而引起的双光子吸收发光相比，在通过如上所述的实际存在的能级的振动能级的激发而引起的变换光的生成过程中，较容易产生两步的激发。

[0135] 此外，图17的曲线(b)是使用波长变化元件或者上述试样时的脉冲光的时间波形的测定结果。具体而言，曲线B1是使用包含染料分子结晶结合体的波长变换元件时的时间波形的测定结果，曲线B2是使用染料分子被溶解于丙酮的试样时的时间波形的测定结果。如这些曲线所示，从利用波长变换元件的测定结果，可知与利用溶解有染料分子的试样的测定结果相比，测定的S/N比较好。利用这样的方法，即使对于低峰值强度的脉冲光，也可以高精度地测定其时间波形。

[0136] 图18是示意信号光的时间波形以及空间波形的测定结果的一个例子的曲线。在本测定例中，作为信号波形测定装置使用了图13所示的第6结构例的信号波形测定装置2F。对于信号光L1以及参照光L2，分别利用柱面透镜整形成为x轴方向(参照图13)上扩展的线状，并测定来自于波长变换元件20的线状的发光图像。此外，使信号光L1为在x轴方向上时间波形空间性地不同的脉冲光。信号光L1以及参照光L2的中心波长为805nm。

[0137] 作为波长变换元件20的染料分子，使用了被封入到石英器皿内的Coumarin540A。光检测器30f的配置，使用了被配置于与信号光L1以及参照光L2的入射侧相同侧的反射型的结构。此外，作为光检测器30f，使用了2维摄像装置的CCD照相机(Watec Co.，Ltd制：WAT-231S2)，在来自于波长变换元件20的变换光L5中，由波长选择元件31仅取出染料发光的波长成分，在改变参照光L2的延迟时间的同时获得并记录发光图像。

[0138] 此外，在图13的结构中，如果使由可动平台12f形成的反射镜162f、163f的移动量为d(μm)，那么赋予参照光L2的延迟时间Δt就可以换算为2d/300(psec)。通过排列对于各个延迟时间获得的线状的发光图像，可以得到在各个空间位置上的信号光L1的时间波形的信息。

[0139] 在图18的曲线中，横轴表示x轴方向的空间位置，纵轴表示赋予参照光L2的延迟时间Δt(psec)。从该测定例可知，信号光L1被空间性地分割成4份，并在各个空间领域中成为具有大约0.5psec的时间延迟的脉冲形状。

[0140] 本发明的信号波形测定装置以及信号波形测定方法并不限定于上述的实施方式以及结构例，可以有各种变形的可能。例如，对于波长变化元件20的结构以及被用于波长变换元件20的染料分子，并不限定于上述结构，具体而言，可以使用各种各样的结构。此外，对于对信号光L1、参照光L2以及变换光L5进行导光的光学系统的结构、或者设定信号光L1与参照光L2的时间差的时间差设定部的结构等，上述结构仅为例示，具体地可以使用除了上述结构之外的各种各样的结构。

[0141] 在此，在利用上述实施方式的信号波形测定装置中，使用了具备以下单元的结构，即：(1)对成为时间波形测定对象的脉冲状的信号光进行导光的信号光学系统、(2)对被用于信号光的时间波形的测定的参照光进行导光的参照光学系统、(3)设定于信号光学系统以及参照光学系统的至少一方而并设定信号光与参照光的时间差的时间差设定部、(4)包含染料分子结晶的集合体，并以与入射到染料分子结晶的集合体的入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度，生成变换光的波长变换元件，其中变换光的波长被变换为小于入射光的波长、(5)通过入射来自于信号光学系统的信号光以及来自于参照光学系统的参照光，检测出在波长变换元件上以信号光的强度、参照光的强度以及对应于两者的时间差的强度而生成的变换光的光检测单元、(6)对于光检测单元中的变换光的检测结果进行解析，获得信号光的时间波形的信号波形解析单元。

[0142] 此外，在本发明的信号波形测定方法中使用了具备以下步骤的结构，即：(1)由信号光学系统对成为时间波形的测定对象的脉冲状信号光进行导光的信号光导光步骤、(2)由参照光学系统对被用于信号光的时间波形的测定的参照光进行导光的参照光导光步骤、(3)在信号光学系统以及参照光学系统的至少一个系统中设定信号光与参照光的时间差的时间差设定步骤、(4)使用包含染料分子结晶的集合体的波长变换元件，以与入射到染料分子结晶的集合体的入射光强度的r次方(r＞1)成比例的强度，生成波长被变换为小于入射光的波长的变换光的波长变换步骤、(5)通过入射来自于信号光学系统的信号光以及来自于参照光学系统的参照光，检测出在波长变换元件上以信号光的强度、参照光的强度以及对应于两者的时间差的强度而生成的变换光的光检测步骤、(6)对于光检测步骤中的变换光的检测结果进行解析从而获得信号光的时间波形的信号波形解析步骤。

[0143] 在上述结构的信号波形测定装置以及测定方法中，优选信号光以及参照光为较分别为波长比波长变换元件的染料分子的吸收端长的光。由此，就可以很好地进行波长变换元件中的变换光的生成以及由其而产生的信号光的时间波形的测定。

[0144] 此外，优选波长变换元件被构成为以与入射光的强度的r次方(r≥2)成比例的强度生成变换光。使用了波长变换元件的信号光时间波形的测定，虽然如上所述，在变换光强度与入射光强度的r次方(r＞1)成比例的条件即可获得时间波形，然而特别是在与入射光强度的r次方(r≥2)成比例的条件下，例如通过将条件设定为变换光强度与入射光强度的2次方成比例，可以更加可靠地获得时间波形。这样的条件可以根据信号光的波长、参照光的波长以及相对于这些的波长变换元件的染料分子的选择等而设定并调整。

[0145] 对于信号波形测定装置的具体结构，可以使用如下结构，即设定信号光与参照光的时间差的时间差设定部具有被设置于信号光学系统或者参照光学系统、且可变地控制信号光或者参照光的延迟时间的延迟时间控制单元。或者也可以使用如下结构，即时间差设定部具有以垂直于参照光的导光方向的轴作为时间分布测定轴而被设置于参照光学系统、且以沿着时间分布测定轴变化延迟时间的方式设定参照光的空间波形以及时间波形的波形设定单元。

[0146] 此外，替代上述的时间差设定部，测定装置还可以具有以垂直于信号光的导光方向的轴作为波长分布测定轴而被设置于信号光学系统、并以沿着波长分布测定轴变化波长的方式将信号光分光的分光单元。在此情况下，对于包含于信号光的各个波长成分，可以同时实行时间波形的测定。

[0147] 对于来自于波长变换元件的变换光的检测，可以使用光检测单元具有检测变换光的强度的0维光检测器的结构。这样的结构，在使用可变地控制信号光或者参照光的延迟时间的延迟时间控制单元的结构中特别适宜。或者，可以使用光检测单元具有检测变换光的光像的1维或者2维的摄像元件的结构。这样的结构在使用以沿着时间分布测定轴变化延迟时间的方式设定参照光的空间波形以及时间波形的波形设定单元的结构中特别适宜。

[0148] 此外，对于被用于信号光时间波形的测定的参照光的供给，可以使用测定装置具备提供参照光的参照光源的结构。或者，可以采用具备将信号光的一部分分支而生成参照光的光分支单元的结构。

[0149] 对于波长变换元件的具体结构，优选染料分子结晶的集合体被结晶保持单元保持的结构。特别优选在波长变换元件中，结晶保持单元为基板(基板状的部件)，染料分子结晶的集合体被保持于基板的一方的面上。由此，就可以适宜地构成将染料分子结晶的集合体作为波长变换介质的元件。此外，在此情况下，对于结晶保持单元的基板，也可以采用包含反射入射光(信号光以及参照光)的反射单元的结构。

[0150] 此外，对于成为波长变换介质的染料分子，优选包含于染料分子结晶的集合体的染料分子的结晶为具有宽度为1μm以下、长度为10μm以下的形状的晶粒。利用这样的构成，可以提高利用了染料分子结晶的集合体中的近场光的波长变换效率。

[0151] 本发明可以作为利用简单的结构高精度地测定信号光的时间波形的信号波形测定装置以及信号波形测定方法而被利用。