JP2000501189A - 二波混合法による散乱面からの過渡的運動の高感度、高速応答性光学的検出 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 工作物の表面から過渡的運動を光学的に検出する方法と装置が提供される。レーザビームを工作物の表面に当てた後、当該ビームはそれから反射して、レーザ源から除かれたポンプビームと実時間ホログラム材料の内部において干渉し、それによって当該ポンプビームを回折して参照ビームに変える格子を形成するようにし、そして当該参照ビームが実時間ホログラム材料の出力端で受光ビームと干渉し、それによって過渡的面運動を表す信号を生み出すようにする。電界を十分な大きさの該ホログラフ材料に印加することによって、該参照ビームの強度を実質的に高め、そして当該ビームに該受光ビームの位相と実質的に異なる位相を与える。当該電界は該過渡的運動が検出される前に、当該過渡的運動を捕捉するに十分な時間間隔ではあるが、該実時間ホログラム材料の過剰な加熱を回避するのに十分な短い斯かる期間に亘って印加される。該ポンプビームは該実時間ホログラム材料の応答時間を、該受光の位相がその空間分布の横断面域或いはその局面域における平均値に関し実質的に変化しない間の時間として規定された特性時間よりも実質的に短くするだけの十分に高い強度にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】 二波混合法による散乱面からの過渡的運動の高感度、高速応答性光学的検出 発明の分野 本発明は概して、散乱面から過渡的運動を光学的に検出する方法と装置に関す る。更に具体的に言えば、本発明は超音波によって生じるもの等の光学的位相変 調の検出に関する。 発明の背景 光波の位相変調或いは振動数変調の検出は、対象物の運動を検出するために光 ビームが使用される種々の用途分野にとって重要である。これは衝撃（ショック 、或いはインパクト）によって生まれるような超音波並びに過渡的物体変形のレ ーザ感知と超音波のレーザ検出のケースである。実務用途にとって格別に興味が あるのは、超音波や衝撃波がレーザによって発生するケースである。この場合、 完全な遠隔の超音波検査システムが、例えば高い温度において超音波探査を可能 にするものであると認識されている。従って、レーザ発生に基づく技法と光学的 検出は、プロセスと品質管理のために高温における材料（金属やセラミック）を 検査したり、処理の過程で欠陥が生じるや当該欠陥を検出したり、厚さ、温度、 等々の製造パラメータを測定したり、オンラインのミクロ構造的物性（グレンサ イズ、多孔性、等々）を決めたりするために、有利に使用することが出来る。更 に、この技法はポリマー母材複合物材料で作られ且つ高度の航空学的構造物並び に航空宇宙構造物において使用されるもの等の複雑形状物品を検査するために特 に有益である。 実務的に関心のある全てのケースにおいて、対象物の超音波励起がその表面に おいて非常に小さい変位として、これが対応する非常に小さな位相や振動数の摂 動(perturbations)に変換する斯ゝる変位を生み出す。それ故に、実用面では光 学干渉計に基づく技法を意味する高感度検出技法が使用されなければならない。 実際的には、探査面が粗いので、超音波情報はスペックルを伴う光ビームにエン コードされ、そして適当な干渉技法によってスペックル界（フイールド）全体に 亘って有効に統合させる、すなわち集光ビームのスぺックルの性質とは独立の復 調を与えるべきである。本出願人（即ち、本発明者）の一人、Jean-Pierre Monc halinは種々の米国特許において、これらの諸条件において高度の検出をするた めの干渉法の計略（スキーム）を記述している。これらのスキームの全てはその いる。 このエテンデュ・パラメータ（即ち、スループット）は有効入口面積と入口中 心を通る最大傾斜の光線によって限定された立体角との積の値として規定され、 従って視野を規定する。最大傾斜光線は１シフトの干渉パターンを縞の１／４に よって作る光線として規定され得る。エテンデュ・パラメータの重要度は幾何光 学の枠内で不 と実務上の実行可能性によってのみ制約されることになる大きなサイズの集光用 光学機器を選び、そして大きな面域に亘って面運動を検出することを許容する。 本出願人（即ち、本発明者）の一人、Jean-Pierre Monchalinが、1987年4 月2 1日発行の発明の名称「超音波エネルギーの光干渉的受容」になる米国特許第4,6 59,224号において記述した機構によれば、ファブリー -ぺロ−共焦干渉計(conf ocal Fabry-Perot)が スペックル効果から独立した面運動を表す信号を提供するためにトランスミッシ ョン（即ち、光ビーム伝送）において使われる。1990年10月30日発行の発明の名 称「散乱面から過渡的面運動の広帯域光学的検出」の米国特許第4,966,459号に おいては、当該本出願人は非常に広い検出帯域を持った同じ能力を提供するよう にMach-Zehnder干渉機構の中で、或いは反射スキームにおいて使用され得る同じ タイプの干渉計の使用を記述している。両特許は受動的な検出スキームを記述し ている。スペックルによって生み出される位相ゆがみを積極的に正すこと、或い は参照波として、その位相分布が表面から散乱ビームと適合する斯ゝる参照波を 発生させることは、非線型光学技法を使用することによっても可能である。 過渡的表面運動、即ち超音波、を検出するための能動的スキーム（計略）、更 に正確に言えば光屈折率クリスタルにおける二波混合法(two wave mixing)に基 づくスキームは、本出願人（即ち、本発明者）の一人、Jean-Pierre Monchalin ，and R.K.Ing nによって、発明の名称「散乱面からの過渡的運動の広帯域光検 出」の1992年７月21日発行の米国特許第5,131,748号において記述されている。 光屈折率クリスタルはホログラフ光学材料として、そこでは信号波（面運動によ って与えられた位相変化を有する）のレーザに直接に由来するポンプ波（即ち、 ポンプビーム）との干渉によって生み出される光格子（即ち、光強度の空間的変 化）が空間電荷格子(spacecharge grating)を材料内の自由電荷(free charge)の 運動に後続して引き起こす斯ゝるホログラフ光学材料である。この空間電荷格子 は電気光学効果によって屈折格子のインデックス(index)（即ち、屈折率の空間 的変化）を引き起こす。この格子は表面運動の最中には疑似静止状態にあり、レ ーザに直接由来するポンプビームを回折することによって信号ビームの方向に伝 搬する当該信号ビームに 適合した波先（ウエーブフロント）を有する波を生み出す。それ故に、この二波 混合法スキームは、材料の内部で発生するホログラムの読出しがその書込みと同 時に実行される斯ゝる実時間ホログラフイーと見ることも可能である。この回折 波は干渉計の参照ビームとして作用し、当該参照ビームの伝達信号ビームとの干 渉が工作物の表面運動によって生み出された過渡的位相変動を表す強度変調信号 を与える。この原理は、実時間ホログラム材料として、その中で吸収格子等の屈 折格子のインデックス（即ち、屈折率の空間的変化の指標）ではない格子（グレ ーテイング）が生み出される斯ゝる実時間ホログラム材料において、適用するこ とも可能である。また、この原理はフォトリフラクティブ(photorefractive)・ ポリマー等の非晶質材料に適用することも可能である。 上述の米国特許第5,131,748号に記述されているように、最適感度は伝達信号 波と回折波が直角位相、即ち矩象（位相のずれ＝π/2＋ｎπ）になることを必要 とする。両波が同じ位相或いは反対の位相（位相のずれ＝0＋nπ）にあるとき、 信号はゼロである。このケースは、電荷動作が拡散によって引き起こされること になるフォトリフラクティブ材料であって、これを米国特許第5,131,748号がこ のケースに適用可能な特殊な種々の解法において提示している斯ゝるフォトリフ ラクティブ材料において、起きるものである。 実時間ホログラム材料或いはクリスタルにおける二波混合法は、過渡的面運動 の検出を実行する魅力的なアプローチとして、特にファブリ− -ぺロ−干渉計 に基づくものより一層コンパクトなシステを提供する斯ゝるアプローチである。 また、二波混合法はファブリ− -ぺロ−法に基づくシステムよりも広い、特に 数kHzから約1MHzの低超音波振動数の範囲を含む、検出帯域を許容する。しかし ながら、幾つかの制約がある。フォトリフラクティブ格子（即ち、 屈折率格子）の形成と抹消は装置の満足な操作にとっては十分に遅速でなければ ならないが、両者はしばしばスペックルのパターンの変動に十分に適合するする には余りにも遅速になり過ぎる。これは多くの用途における、探査面が振動によ って悪影響を受けるか、或いは移動しているか、或いは検査個所が変化した場合 である。この場合、集光された散乱光の位相がスペックルパターンの平均域に亘 って(on average across)或いは局域(locally)において著しくは変化しない間の 特性時間を規定することは可能である。許容される変化は例えばπ/10であり得 る。フォトリフラクティブ格子の迅速適合のための別の理由はパルスレーザとし て、これがパルス化しているが故に表面からの集光の量を多くし、その結果とし て感度を高める斯ゝるパルスレーザの使用である。本出願人の二人（即ち、本発 明者）、Alain BlouinとJ.-P．Monchalin、は半導体クリスタルとして、その比 較的高い導電性によって一層迅速な応答時間を与える斯ゝる半導体クリスタルの 使用を、Applied Physics Letters，ｖol．65，pp．932-934（通信の題名：「Ga Asのフォトリフラクティブ・クリスタルにおいて二波混合法による散乱光の超音 波運動の検出」）の中で報告している。しかしながら、提示された応答時間は比 較的短いが、感度は最適ではない。この感度不足はフォトリフラクティブ格子に より回折されたビームの強度が比較的弱いことに由来を辿ることが出来る。この ビームが電界を印加することによって強められることは知られている。究極的に は、誰でも最適信号−対−ノイズ比の限界に達するために、入射信号ビームより 格段に強い回折されたビーム（参照ビーム）を欲しがる。電界の印加は回折ビー ムの振幅を増大させるだけでなく、干渉格子を基準にして回折格子のインデック スをシフトする効果を有しているので、伝達信号波と回折参照波は位相が合わな い。十分な電界が印加された状態にお いて、矩象の最適条件に近づけることは可能である。電界の印加は、応答時間を 引き延ばす傾向のあることも留意すべきである。 更に、この原理はこれまでＢＳＯクリスタルを用いた超音波の検出に適用され てきた。そしてその仕事は、日本の月刊誌「応用物理」vol．34，pp．3737-3740 ，199,題名：「ＢＳＯにおける二波混合法による粗面の超音波ナノメータ運動の 光学的測定」、著者：Tokuyuki 本田，Toshihisa山下，and Hirokazu 松本、 において報じられている。 十分な応答時間を維持しながら、適切な感度を高めるのに十分な規模の電界の 印加は幾つかの難点を出現させることが判明した。このアプローチはGaAsには適 用出来ず、そして数多くの理由からＢＳＯと半導体を含むその他の高速フォトリ フラクティブ材料に適用することも難しいことが見出された。第１に、印加しな ければならない高電界はクリスタルの表面や、或いはクリスタル内部での電気破 壊の原因になる。第２に、所望の短い応答時間を一定にするように要求される強 い照光は、電気抵抗を低減させ、高電流に導き、その結果として高熱負荷を負わ され且つ可能な壊損を被ることになる。 本発明の目的は過渡的面運動と超音波運動を特定距離の個所で遠隔検出を行う ための、非常に感度が良く且つ早い応答の方法と装置を提供することによって、 これらの限界を克服することにある。 発明の要旨 本発明によれば、所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動を光学 的に検出する方法であって、これが： ａ）レーザによって発生されたビームを該表面に仕向ける工程； ｂ）該表面によって反射或いは散乱された光ビームを受光する工 程； ｃ）実時間ホログラム材料の内部において該受光ビームと該レーザから除去さ れたポンプビームとの干渉を許容し、それによって該ポンプビームを回折で参照 ビームにする格子を形成し、そして当該参照ビームを該過渡的面運動を表す信号 を生み出すように該実時間ホログラム材料の出力端で該受光ビームと干渉させる ようにする工程； ｄ）該実時間ホログラム材料に十分な規模の電界を印加し、それによって該参 照ビームの強度を実質的に高め且つ当該ビームに該受光ビームの位相とは実質的 に異なる位相を与える工程であって、当該電界印加工程を検出されるべき該過渡 的運動の捕捉に十分なだけ長いが、該実時間ホログラム材料の過熱の回避に十分 なだけ短い斯ゝる時間間隔に亘って該過渡的運動の始まる前に実行する斯ゝる電 界印加工程、 但し、該ポンプビームは該実時間ホログラム材料の応答時間を、該受光の空間分 布の横断面域或いはその局面域における当該受光の平均的位相が実質的に変化し ない間の時間として規定された特性時間よりも、実質的に短くするに十分なだけ 高い強度のものである；そして ｅ）該電界印加の後の所定の時点で過渡的面運動を該実時間ホログラム材料に 誘発させる工程を含んで成る、 但し、該ポンプビームの強度、該印加電界の振幅、及び該印加電界の継続時間は 該実時間ホログラム材料の壊損の発生を回避する程度のものである、斯ゝる構成 の所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動を光学的に検出する方法 が提供される。 本発明の別の局面によれば、所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的 運動を光学的に検出する装置であって、これが： ａ）該過渡的運動を誘発する手段； ｂ）レーザビームを発生させ且つこれを該表面に仕向ける手段； ｃ）該表面により反射或いは散乱され且つ当該表面の過渡的運動によって位相 変調された光を受光する手段； ｅ）電極を具備し且つ受光ビームを集光するように配置された実時間ホログラ ム材料要素； ｆ）該レーザビームからポンプビームとして、これが該実時間ホログラム材料 要素の応答時間を、該受光の空間分布の横断面域或いはその局面域における当該 受光の平均的位相が実質的に変化しない間の時間として規定された特性時間より も、実質的に短くするに十分なだけ高い強度を有する斯ゝるポンプビームを除去 する手段； ｇ）該実時間ホログラム材料要素の内部において該受光ビームを該ポンプビー ムと干渉させ、それによって該ポンプビームを回折して参照ビームにする格子を 形成し、そして当該参照ビームを該過渡的面運動を表す信号を生み出すように該 実時間ホログラム材料の出力端で該伝達された受光ビームと干渉させるようにす る手段； ｈ）該実時間ホログラム材料要素電極に、該伝達受光ビームの位相とは実質的 に異なる位相を有する該参照ビームの強度を実質的に高めるのに十分な規模のパ ルス電圧を印加する手段；及び ｉ）該電圧が該過渡的運動誘発手段の起動前に印加し、そして該実時間ホログ ラム材料の加熱を回避するために電圧持続時間を最小限度に抑えながら該過渡的 運動の終了後に解除するように、該過渡的運動の励起と該電界の印加のトリガー 動作を仕掛けるタイミング手段、 を含んで成る斯ゝる構成の所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動 を光学的に検出する装置が提供される。 図面の簡単な説明 本発明の例示の実施例は図面との関連でこれから説明されるが、当該図面にお いて： 図１は工作物の表面から過渡的運動を光学的に検出するための装置の第１実施 例の概略説明図である； 図２は特異な検出スキームを含む、工作物の表面から過渡的運動を光学的に検 出するための装置の第２実施例の概略説明図である； 図３は要素間に光路を提供する光ファイバを含む、工作物の表面から過渡的運 動を光学的に検出するための装置の第３実施例の概略説明図である；及び 図４は信号ビームの２種の偏光を用いて、工作物の表面から過渡的運動を光学 的に検出するための装置の第４実施例の概略説明図である。 詳細な説明 図１は本発明に係る第１実施例を図解している。図１において分かるように、 レーザ１０は工作物１４として、その表面が過渡的運動をしている、例えば超音 波によって励起された運動をしている斯ゝる工作物を照光している。工作物の表 面から散乱した、或いは反射したレーザ光の１部分はレンズ系Ｌで集光され、次 いで実時間（リアルタイム）ホログラム材料に、好ましくは光屈折率クリスタル の形式の材料、に投射される。レーザビームの小部分（フラクション）がビーム スプリッタ１２によってレーザの出力端（ポンプビーム）で除去され、実時間ホ ログラム材料１８に送られ、そこでは当該小部分が該表面から集光されたビーム （信号ビーム）と干渉して、干渉格子を生み出し、次いで参照波が先に説明した ように生み出されることになる屈折格子或いは吸収格子のインデックスを生み出 す。この参照波は伝達された信号波と干渉することによって面運動を表す強度(i ntensity)変調信号を生み出し、当該信号は実時間ホログラム材料１８の出力端 で最終的に光検出器２２に出現する。 電界（フィールド）は、対抗する２つの面に配置された２つの電極に電圧を印 加することによって、実時間ホログラム材料或いはクリスタルの全体に亘って付 与される。上述したように、短い応答時間の要件が課せられた強い電界の適用は 難しさの原因となる。本出願人（即ち、本発明者）は図１に概説されている３つ の必須構成の組合せによって感度と応答時間の両方の観点から満足する機構を見 出した。 第１に、電圧は過渡的、即ち超音波的な面運動の検出に要する時間だけ印加さ れる。図１に示すように、電子回路２６がクロック信号を発生させ、高電圧源２ ４（代表的には数kV）として、その出力が実時間ホログラム材料或いはクリスタ ル１８に設けた電極に接続されている斯ゝる高電圧源のターン・オンとターン・ オフ（オン・オフ切替え）を指令するように使用される。代表的には、約100μm のターン・オン間隔を用い、これが関心のある超音波信号を捕捉するのに十分で ある。このクロック・トリガー電子装置２６も、高電圧源のターン・オンの後に 超音波発生装置を引き金動作、即ちトリガーするために使用される。超音波発生 装置は実務上関心のあるケース、通常はレーザであるが、ピエゾ電子装置などの 他の手段も使用することが出る。 第２に、高速実時間ホログラム要素１８を使用する。この要素１８はＢＳＯ、 ＢＧＯ、或いはＢＴＯ等のシレナイト(sillenite)タイプのクリスタル、好まし くは半導体光屈折率クリスタルの形式のものであり得る。鉄をドーピングしたイ ンジウム燐化物（ＩｎＰ）、バナジウムをドーピングしたカドミウムテルル化物 （ＣｄＴｅ） 等のクリスタルが適切であることが判明した。実時間ホログラム要素、或いはク リスタル１８は最大許容印加電圧にとって最適感度が得られるように選択された 。 第３に、十分なポンプビーム照光を実時間ホログラム要素に施こし、それによ って当該要素の光導電性を高め、そして当該要素の応答時間を短縮する。工作物 １４が静止していて、且つこれが強い振動によって悪影響を被らない或る種の事 例においては、連続レーザの使用が十分であり得る。そうでなければ、パルスシ ステムを一層高い強度(intensity)を与えるために使用する。この場合、このレ ーザシステムはクロック・トリガー電子機器２６によって、印加電圧のターン・ オンの後で且つ超音波発生源のターン・オンの前にトリガーされる。１−１０μ m の応答時間が要求される実務上関心の高い多くの場合に、数百ワットを実時間 ホログラム要素に送って、１kW/cm²の限度（レンジ）で照光する。 図１において気付くように、実時間ホログラム要素１８は温度の逃散を回避す るために熱電気クーラ２０に搭載されるか、択一的に適切にヒートシンクされる 、即ち熱吸収される。図１に示すように、偏光子１６を信号ビームの経路に加え ることによって、通常偏光されているポンプビームと同じ偏光度を選択すること が出来る。それにも拘らず、同じ偏光度のビーム間で干渉が起きる。偏光子１６ が有用ではない光として、これが検出器で集光され、従ってノイズを加えること になる斯ゝる光を除去する。この種の偏光子は特に、光が工作物１４から集光さ れ、次いで大きなマルチモードファイバ（図１に表されていない）を用いて実時 間ホログラム要素に伝達されるときに、加えられる。この場合、完全に近い偏光 解消がファイバを通じた伝搬の後に出現する。ＩｎＰ、ＣｄＴｅ等の立方晶光屈 折率クリスタルにとって適切な構成は以下のものである： クリスタルは[001]、[-110]及び[110]面に沿って切削され；入力面は[-110]、 信号ビームとポンプビームは[［110]面において伝搬し、どちらも[110]の方向に 沿って偏光され；空間電荷界（フイールド）と印加電界はどちらも[001]の方向 に沿っている（電極は[001]面にある）。 図２は本発明に係る第２実施例を図解している。この実施例では、実時間ホロ グラム要素１８は、好ましくは再び限定されるものではないが光屈折率クリスタ ルの形式であるが、これが伝達された信号ビームに対してポンプビームを直角な 偏光で以って回折（異方性回折）するような構成で以って使用される。これは特 に、ＩｎＰ、ＣｄＴｅ等の立方晶クリスタルにおいて次の構成で以って起きる： クリスタルは以前と同じカット（[001]、[-110]及び[110]面）を有しており； 入力面は既述の通りに[-110]であり；信号ビームとポンプビームは[001]面にお いて伝搬し、どちらも[001]の方向に沿って偏光され；空間電荷界（フイールド ）と印加電界はどちらも[110]の方向に沿っている（電極は[110]面にある）。レ ーザ１０の出力端において且つクリスタル１８より時間的に先んじた位置にある 偏光子１６によって与えられる偏光方向は、図の平面に対して直角の方向になる 。図２に示すように、回折されたポンプビーム（参照ビーム）と伝達された信号 ビームの両者は偏光ビームスプリッタＰＢＳにおける図の平面に対して４５゜に 配向する２種の偏光方向に沿って干渉し合う。偏光ビームスプリッタＰＢＳの２ 種の偏光方向に沿った光信号は２つの検出器３０、３２によって集光され、その 出力は差動増幅器３４に送られる。これらの２種の信号の変動部分が反対のサイ ンを有しているので、この構成は１つの検出器のみが使用される場合に関して感 度の増大を可能にする。 本実施例は、非常に短い応答時間を得るのに必要な高い強度のポ ンプビームと組み合わされたレーザの高い反復率が印加電界を制限し、従って第 １実施例の場合の合理的長さのクリスタル１８を用いては最適感度に達すること が出来ないときに、特に有用である。第２実施例においては、伝達された信号ビ ームと参照ビームの間の適当な位相のずれ（シフト）が実時間ホログラム要素、 即ち光屈折率クリスタル１８の出力端で直接的に得られないが、位相のずれは図 ２に示す調節可能波板３６によって適切に設定することが出来る。波板によって 与えられる追加の位相のずれは、面運動を表す信号を最大にするために変動され る。板中立軸線は図面の平面上のものと、図面に対して直角なものとである。適 宜の調節可能波板３６はバビネット−ソレイル(Babinet-Soleil)補償器である。 本実施例の他の構成は先行の実施例と同じである。 本実施例はバックグラウンド信号レベルを本例の特異な構成によって最小にす るために有用であり、その結果としてレーザ強度変動(intensity fluctuations) の効果を最小限度に抑える。これらの強度変動は検出される帯域（バンド）幅の 範囲に入り、出力信号にノイズを加える可能性がある。出力信号ビームと参照ビ ームの間の直角位相条件が達成されたとき（この場合、追加位相のずれがゼロで あり、そして調節可能波板を必要としない）、出力バックグラウンドのレベルは ゼロであり、そして出力信号のレーザ強度変動の効果は完全に消去されてしまう 。 更に、図２に示す実施例はその特異な構成に起因して、実時間ホログラム要素 或いはクリスタルの面による強いポンプビームの散乱或いは弱い反射から来る疑 似（見せ掛けの）バックグラウンドを最小限度に抑えるという利点を有している 。 図３は本発明に係る第３の好適実施例を図解している。本例では、実時間ホロ グラム要素或いは光屈折率クリスタル１８とこれに連 携した光学機器、及び検出器は光ファイバリンクの使用によって、検出レーザか ら特定の距離の個所に配置させることが出来る。既に説明されている機器として 、これが大きなコアサイズのマルチモードファイバＯＦ１、表面から散乱光を集 光するレンズＬ１、及び信号ビームを実時間ホログラム要素或いは光屈折率クリ スタル１８に投射するレンズＬ２を含む斯ゝる機器が第１の機器として使用され た。偏光子Ｐ１は、実時間ホログラム要素或いはクリスタルに組み入れるために 、適切な偏光を選択するように使用される。ポンプビームのための第２ファイバ リンクは新規なものである。通常、ポンプビームはレーザに直接由来するもので あり、そして良好な近似で言えばプレーン波である。本出願人（即ち、本発明者 ）はマルチモードファイバを通じて組み入れられてスペックル様分布を生み出す ポンプビームが実に良好に機能することを見出した。図３で分かるように、レー ザ光の小部分がレンズＬ３によってファイバＯＢ２に送り込まれる。レンズＬ４ は伝達光を実時間ホログラム要素或いはクリスタルに投射する。この光は偏光子 Ｐ２によって偏光される。図３に示すように、単一の検出器２２を第１実施例と 同じように使用することが出来る。第２実施例にあるような特異なスキームの使 用も可能である。この場合、選択された偏光とクリスタル方位はこの第２実施例 に関して上記されたものである。 図４は本発明に係る第４の実施例を図解している。先行の実施例とは違って、 本例は信号ビームの両種の偏光を使用する。実時間ホログラム要素或いはクリス タル１８は第２実施例のものと同じ方位を有する。信号ビームとポンプビームは 先行実施例にあるような光ファイバを通じて実時間ホログラム要素に送り込まれ る、偏光子はファイバの出力端で使用される。これらのファイバは偏光の選択的 方向を有していないスペックル様の光、即ち非偏光、を与える大き なコアサイズのマルチモードファイバである。図の平面を基準にして４５゜に配 向した偏光作用ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が使用される。偏光作用ビームスプ リッタの後の２種の信号は、差動増幅器３４によって後続されることになる２つ の検出器３０、３２によって集光される。出力信号は結果的にファイバの両偏光 の寄与によってもたらされ、そして利用出来る光パワーが一層有効に使われるの で、結果的に感度を改良することが出来る。 更に正確に言えば、この場合の装置の操作は以下の通りに理解することが出来 る。 電界の印加は図の平面を基準にして４５゜になる２つの新しい中立軸線を生み 出す。信号ファイバとポンプファイバから出るビームが偏光されていないことは 、概略同じ強度を有し且つ当該新中立軸線の各々に沿って偏光された２種の非干 渉性(incoherent)ビームの重ね合わせと考えることが出来る。これらの両ビーム は反対のサインの形態で示し得る屈折格子のインデックスを生じる。次いで、反 対のサインを有する面運動を表す２つの信号が生み出され、当該両信号は図４に 示す特異な構成が使用されるときに合算する。詳細な分析によれば、偏光子（或 いは偏光器）を用いていない図４で示された本実施例が偏光子を有する図３に示 された先行実施例と同じ感度（同じ信号−対−ノイズ比）をもたらし、下記の条 件を満たすことが判明した： 同じ電界が両ケースにおいて印加され、その強度は図３のケースにおける最適 感度を与える程度のものである。一層強い電界をレーザ反復率と応答時間の要件 に依存させて印加させることが出来たときは、それだけ一層良好な感度を達成さ せることさえ出来る。分析によれば、本ケースにおける感度を、図３に示す第３ 実施例を基準にして、√２に等しいファクターだけ増大させることが出来ること が判明した。 勿論、他の数多くの実施態様は本発明の精神と範囲から逸脱することなく構想 することが出来る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ドロイェ，デニ カナダ国，ケベック エイチ１エム ３ケ ー１，モントリオール，ジェラール モー リセット 6273 (72)発明者 モンシャラン，ジャン−ピエール カナダ国，ケベック エイチ４エー ２テ ィー８，モントリオール，アベニュ ウィ ルソン 3840 (72)発明者 ルーサン，ジェラール フランス国，ラ セル−レ−ボルデ 78720，リュ ドゥ ラ ギヨワイル ３ 【要約の続き】 くするだけの十分に高い強度にしたものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動を光学的に検出する 方法であって、これが： ａ）レーザによって発生されたビームを該表面に仕向ける工程； ｂ）該表面によって反射或いは散乱された光ビームを受光する工程； ｃ）実時間ホログラム材料の内部において該受光ビームと該レーザから除去さ れたポンプビームとの干渉を許容し、それによって該ポンプビームを回折で参照 ビームにする格子を形成し、そして当該参照ビームを該過渡的面運動を表す信号 を生み出すように該実時間ホログラム材料の出力端で該受光ビームと干渉させる ようにする工程； ｄ）該実時間ホログラム材料に十分な規模の電界を印加し、それによって該参 照ビームの強度を実質的に高め且つ当該ビームに該受光ビームの位相とは実質的 に異なる位相を与える工程であって、当該電界印加工程を検出されるべき該過渡 的運動の捕捉に十分なだけ長いが、該実時間ホログラム材料の過熱の回避に十分 なだけ短い斯ゝる時間間隔に亘って該過渡的運動の始まる前に実行する斯ゝる電 界印加工程、 但し、該ポンプビームは該実時間ホログラム材料の応答時間を、該受光の空間分 布の横断面域或いはその局面域における当該受光の平均的位相が実質的に変化し ない間の時間として規定された特性時間よりも、実質的に短くするに十分なだけ 高い強度のものである；そして ｅ）該電界印加の後の所定の時点で過渡的面運動を該実時間ホログラム材料に 誘発させる工程を含んで成る、 但し、該ポンプビームの強度、該印加電界の振幅、及び該印加電界の継続時間は 該実時間ホログラム材料の壊損の発生を回避する程度のものである、 斯ゝる構成の所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動を光学的に検 出する方法。 ２．該受光ビームが工程（ｃ）を実施する前に偏光される、請求項１に記載の 方法。 ３．該レーザが該過渡的面運動の持続時間を越え且つ該特性時間を越えるが、 該電界印加の持続時間よりは短いパルス持続時間を有するパルスの形態で以って 送られる、請求項１に記載の方法。 ４．該実時間ホログラム材料はクリスタルであり、そして該参照ビームが確実 に該受光ビームに対して直角に偏光されるように切削され且つ方位付けられてい る、請求項２に記載の方法。 ５．該実時間ホログラム材料はフォトリフラクティブ材料である、請求項１に 記載の方法。 ６．該レーザビームから除去された該ポンプビームは光ファイバによって伝達 され、そして該受光ビームはこれと該ポンプビームとの該実時間ホログラム材料 内部における干渉を許容されるに至る前に偏光される、請求項２に記載の方法。 ７．該レーザビームから除去された実質的に偏光されていない該ポンプビーム と同じく偏光されていない該受光ビームはいずれも光ファイバによって伝達され て該実時間ホログラム材料の中に送り込まれる、請求項１に記載の方法。 ８．所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動を光学的に検出する 装置であって、これが： ａ）該過渡的運動を誘発する手段； ｂ）レーザビームを発生させ且つこれを該表面に仕向ける手段; ｃ）該表面により反射或いは散乱され且つ当該表面の過渡的運動によって位相 変調された光を受光する手段； ｅ）電極を具備し且つ受光ビームを集光するように配置された実時間ホログラ ム材料要素； ｆ）該レーザビームからポンプビームとして、これが該実時間ホログラム材料 要素の応答時間を、該受光の空間分布の横断面域或いはその局面域における当該 受光の平均的位相が実質的に変化しない間の時間として規定された特性時間より も、実質的に短くするに十分なだけ高い強度を有する斯ゝるポンプビームを除去 する手段； ｇ）該実時間ホログラム材料要素の内部において該受光ビームを該ポンプビー ムと干渉させ、それによって該ポンプビームを回折して参照ビームにする格子を 形成し、そして当該参照ビームを該過渡的面運動を表す信号を生み出すように該 実時間ホログラム材料の出力端で該伝達された受光ビームと干渉させるようにす る手段； ｈ）該実時間ホログラム材料要素電極に、該伝達受光ビームの位相とは実質的 に異なる位相を有する該参照ビームの強度を実質的に高めるのに十分な規模のパ ルス電圧を印加する手段；及び ｉ）該電圧が該過渡的運動誘発手段の起動前に印加され、そして該実時間ホロ グラム材料の加熱を回避するために電圧持続時間を最小限度に抑えながら該過渡 的運動の終了後に解除されるように、該過渡的運動の励起と該電界の印加のトリ ガー動作を仕掛けるタイミング手段、 を含んで成る斯ゝる構成の所定の存続期間を有する工作物の表面から過渡的運動 を光学的に検出する装置。 ９．更に、該受光ビームを該実時間ホログラム材料要素に組み入れる前に偏光 するための第１偏光手段を含む、請求項８に記載の装置。 １０．レーザビームを発生するための該手段は該過渡的面運動の持続時間を越 え且つ該特性時間を越えるが、該電圧印加の持続時間よりは短いパルス持続時間 を有するレーザパルスを送り出し、当該レーザパルスのトリガー動作が該タイミ ング手段によって制御される、請求項８に記載の装置。 １１．該実時間ホログラム材料要素はフォトリフラクティブ・クリスタルであ る、請求項８に記載の装置。 １２．該フォトリフラクティブ・クリスタル材料がシレナイトである、請求項 １１に記載の装置。 １３．該フォトリフラクティブ・クリスタル材料が半導体である、請求項１１ に記載の装置。 １４．該フォトリフラクティブ・クリスタル材料がドープド・インジウム燐化 物である、請求項１３に記載の装置。 １５．該フォトリフラクティブ・クリスタル材料がドープド・カドミウムテル ル化物である、請求項１３に記載の装置。 １６．更に、熱電冷却手段を含み、当該冷却手段に該実時間ホログラム材料要 素が搭載される、請求項８に記載の装置。 １７．該印加電圧は該参照ビームが該受光ビームと実質的に直角位相になるよ うにする規模のものである、請求項８に記載の装置。 １８．該実時間ホログラム材料要素はクリスタルであって、該伝達受光ビーム に対して直角に偏光された該参照ビームを生み出すように切削され且つ方位付け られており、請求項８に記載の該過渡的面運動を表す信号を生み出す該干渉は２ 種の出力信号ビームを発信するために偏光作用ビームスプリッタ手段を含む、請 求項９に記載の装置。 １９．該出力信号ビームを集光し、そしてバックグラウンド信号の最小オフセ ットと見せ掛けの寄与を伴った、該過渡的面運動を表 す信号を差動増幅器が発信するためにこれに信号を与える２つの光検出器を更に 含んで成る、請求項１８に記載の装置。 ２０．該差動増幅器の出力端で該過渡的面運動を表す該信号を最大にするため の調節可能波板を更に含んで成る、請求項１９に記載の装置。 ２１．該ポンプビームを該実時間ホログラム材料要素に伝達するための光ファ イバと、該第１偏光作用手段と同じ偏光を与えるために該実時間ホログラム材料 要素より時間的に先んじた位置に設けた第２偏光作用手段とを更に含んで成る、 請求項９に記載の装置。 ２２．該ポンプビームと該受光ビームを該実時間ホログラム材料要素に送り込 むために伝達する２本の光ファイバを更に含んで成り、該実時間ホログラム材料 要素より時間的に先んじた当該２本のファイバの出力が実質的に偏光されず、そ して該実時間ホログラム材料要素に送り込まれるようにした、請求項８に記載の 装置。 ２３．２種の信号ビームを発信するために設けた偏光作用ビームスプリッタと 、当該信号ビームを受信する２種の光検出器とを更に含んで成り、該過渡的面運 動を表す信号を差動増幅器手段に対して発信するための当該光検出器は該受信信 号を与えるために設けたものである、請求項２２に記載の装置。