測定システムを図に示す。原理は自己相関法とほぼ同じである。
入射光は測定パルス光とサンプリングパルス光(測定パルスよりも短いパルス光)の2つの光が用いられる。サンプリングパルス光の方は光学距離(時間)が調整できるようになっている。2つのビームが合波されるところに、2次の非線形光学結晶が配置され、出てきた2次高調波(SHG)を光検出器で測る。SHGの強さは光の強さの積で決まるため、2つのパルスの時間差を変えていくとSHGの強さも変わっていく。非線形光学結晶でのパルスの重なり度合いを、サンプリングパルス光の時間差を調整して測定パルス光の左端から右端まで変えていく。時間差とSHGの強さとの関係をプロットすることで、測定パルスの形状及びパルス幅を求める。
またSHG+光検出器の組み合わせの代わりに、2つの光子の吸収で光電流が流れる2光子吸収の現象を用いる場合もある。

図:光サンプリングによるパルス測定の原理

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