JP2011117957A - Terahertz wave imaging device - Google Patents
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Description
本発明は、テラヘルツ波を被測定物に照射したときの透過波または反射波から当該被測定物の特性を測定するテラヘルツイメージング装置に関し、とくに複数のレーザ光源からその差周波成分に相当するテラヘルツ波を発生させて被測定物の特性を測定するテラヘルツイメージング装置に関するものである。 The present invention relates to a terahertz imaging apparatus for measuring characteristics of a measured object from a transmitted wave or a reflected wave when the measured object is irradiated with a terahertz wave, and in particular, a terahertz wave corresponding to a difference frequency component from a plurality of laser light sources. The present invention relates to a terahertz imaging apparatus that measures the characteristics of an object to be measured.
近年、テラヘルツ波を用いた新たな分析技術の可能性が注目されている。テラヘルツ波は、波長がマイクロ波と光波の境界領域に位置づけられる電磁波であり、波長にしておよそ300μm〜3mmの電波である。試薬類や生体高分子等は、テラヘルツ波に対しそれぞれに固有の吸収スペクトルを示す特徴がある。また、テラヘルツ波は、紙、プラスチック、ビニール、セラミック、木材、骨、歯、脂肪、粉体、乾燥食品等の非金属や無極性材料を透過することから、従来の赤外線分光等では困難であった物質の同定や非破壊検査を、テラヘルツ波を用いて実現できると期待されている。 In recent years, the possibility of a new analysis technique using terahertz waves has attracted attention. The terahertz wave is an electromagnetic wave having a wavelength positioned in a boundary region between the microwave and the light wave, and is a radio wave having a wavelength of about 300 μm to 3 mm. Reagents, biopolymers, and the like have a characteristic of showing absorption spectra specific to terahertz waves. In addition, terahertz waves are difficult for conventional infrared spectroscopy because they transmit non-metal and non-polar materials such as paper, plastic, vinyl, ceramic, wood, bone, teeth, fat, powder, and dried food. It is expected that identification and non-destructive inspection of materials will be realized using terahertz waves.
一般に、テラヘルツ波の発生及び検出技術は、発生するテラヘルツ波の特徴から、(1)時間軸上でインパルス性を有するテラヘルツを対象とする技術(時間領域で制御されたテラヘルツ波を用いる方式)と、(2)特定の周波数を有するテラヘルツを対象とする技術(周波数領域で制御されたテラヘルツ波を用いる方式)とに分類できる。(1)の技術は、その広帯域・高分解能性を活かした分光等に、また(2)の技術は、固有の周波数成分の応答特性を活かしたイメージング等に適用されることが多い。 In general, the generation and detection technology of terahertz waves is based on the characteristics of the generated terahertz waves: (1) a technology targeting terahertz having an impulsive property on the time axis (a method using a terahertz wave controlled in the time domain) and (2) A technique for a terahertz having a specific frequency (method using a terahertz wave controlled in a frequency domain) can be classified. The technique (1) is often applied to spectroscopy and the like utilizing its broadband and high resolution, and the technique (2) is often applied to imaging and the like utilizing the response characteristics of the inherent frequency components.
(1)、(2)のそれぞれの技術について、テラヘルツ波の発生方法や検出方法がこれまでに検討されている(例えば特許文献1)。特に、(2)の技術については、一般に、所望のテラヘルツ(THz)相当の周波数だけ離れた2つのレーザ光を重ね合わせ、これを光伝導アンテナと呼ばれる非線形結晶(GaP、DAST、KTP等)に照射することで、所望のテラヘルツ相当のビート成分をテラヘルツ波として発生させる、差周波混合の技術として知られている。 For each of the techniques (1) and (2), a terahertz wave generation method and a detection method have been studied so far (for example, Patent Document 1). In particular, in the technique (2), generally, two laser beams separated by a frequency corresponding to a desired terahertz (THz) are superimposed, and this is superimposed on a nonlinear crystal (GaP, DAST, KTP, etc.) called a photoconductive antenna. This technique is known as a difference frequency mixing technique that generates a desired terahertz beat component as a terahertz wave by irradiation.
テラヘルツ波を用いた従来のイメージング装置の構成例を図15に示す。2つのレーザ光源には、Cr:Forsteriteレーザ901が用いられ、レーザ光源から発生された光波は、ミラー等の光学系部品によって光混合器902に導波され、GaPベースで形成されたテラヘルツ源903に照射される。テラヘルツ源903は、2つの異なる波長が重なった光波のビート成分をテラヘルツ波に変換して出射する。テラヘルツ源903から出射されたテラヘルツ波は、試料904に照射され、これを透過したテラヘルツ波が検知器905で検出される。
A configuration example of a conventional imaging apparatus using terahertz waves is shown in FIG. A Cr:
図15に例示するような従来のテラヘルツ波を用いたイメージング装置では、安定した周波数のテラヘルツ波を発生させるために、極めて高い安定度を有する高価なレーザ光源を用いており、ミラーやレンズなどの光学系部品を高精度に位置決めしてテラヘルツ源まで導波している。すなわち、レーザ光源からテラヘルツ源までが一体に構成され、光学系部品等の位置精度を厳密に管理する必要があった。また、装置が大型化する等の問題もあった。そのため、測定可能な場所が限定されたり、対象物に対しレーザ光源からテラヘルツ源までを一体に位置決めして配置するのが大きな負担となっていた。 In a conventional imaging apparatus using terahertz waves as illustrated in FIG. 15, an expensive laser light source having extremely high stability is used to generate a terahertz wave having a stable frequency. Optical parts are positioned with high accuracy and guided to the terahertz source. That is, the laser light source to the terahertz source are integrally configured, and it is necessary to strictly manage the positional accuracy of the optical system components and the like. In addition, there is a problem that the apparatus is enlarged. For this reason, places where measurement is possible are limited, and it is a heavy burden to position and arrange the laser light source to the terahertz source integrally with respect to the object.
さらに、このようなレーザ光源は、出力波長の可変が困難であり、発生できるテラヘルツ波の周波数が限定されてしまうといった問題があった。このような問題により、テラヘルツ波を用いたテラヘルツイメージングの適用が大きく制約されていた。 Further, such a laser light source has a problem that it is difficult to vary the output wavelength, and the frequency of the terahertz wave that can be generated is limited. Due to such problems, application of terahertz imaging using terahertz waves has been greatly restricted.
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、周波数が可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ源を被測定物の近傍に移動させて測定することができるテラヘルツイメージング装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problem, and provides a terahertz imaging apparatus capable of measuring by moving a terahertz source that generates a terahertz wave having a variable frequency to the vicinity of the object to be measured. With the goal.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の第1の態様は、それぞれの発振波長が異なる2以上の波長可変レーザと、前記波長可変レーザから出力されるレーザ光を合成して合成波を出力する光カプラと、前記光カプラから出力される合成波を伝播させる光導波路と、前記光導波路から前記合成波が照射されると前記合成波のビート成分に相当する周波数のテラヘルツ波を出力するテラヘルツ源と、を備え、前記波長可変レーザから出力されるレーザ光を合成した前記合成波を、前記光導波路を介して前記テラヘルツ源に高精度に照射して所定周波数のテラヘルツ波を発生させることを特徴とする。 According to a first aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, there are provided two or more wavelength tunable lasers having different oscillation wavelengths, and an optical coupler that synthesizes laser beams output from the wavelength tunable laser and outputs a synthesized wave. An optical waveguide for propagating a synthetic wave output from the optical coupler; and a terahertz source for outputting a terahertz wave having a frequency corresponding to a beat component of the synthetic wave when the synthetic wave is irradiated from the optical waveguide. And generating a terahertz wave having a predetermined frequency by irradiating the terahertz source with high accuracy through the optical waveguide with the synthesized wave obtained by synthesizing the laser beams output from the wavelength tunable laser.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記2以上の波長可変レーザと、前記光カプラと、を本体部に備え、前記テラヘルツ源をセンサヘッド部に備え、前記センサヘッド部が、前記光導波路で接続された前記本体部とは独立に移動可能に構成されていることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the two or more wavelength tunable lasers and the optical coupler are provided in a main body part, the terahertz source is provided in a sensor head part, and the sensor head part includes the sensor head part, It is configured to be movable independently from the main body connected by an optical waveguide.
この発明によれば、テラヘルツ源を備えるセンサヘッド部を、被測定物の近傍に移動させて測定することが可能となる。また、複数の波長可変レーザを光源とすることにより、それぞれの光源の出力波長の差分を時系列的に変化させることが可能となり、発生させるテラヘルツ波の周波数を可変とすることができる。 According to the present invention, it is possible to perform measurement by moving the sensor head portion including the terahertz source to the vicinity of the object to be measured. Further, by using a plurality of wavelength tunable lasers as light sources, it is possible to change the difference in output wavelength of each light source in time series, and the frequency of the terahertz wave to be generated can be made variable.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザを温度制御することで出力レーザ光の波長を調整するLD制御回路をさらに備え、前記LD制御回路が、前記2以上の波長可変レーザのうち少なくとも1つを温度制御して前記レーザ光の波長を調整することにより、前記テラヘルツ源から出力されるテラヘルツ波の周波数が時系列的に調整されることを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention further includes an LD control circuit that adjusts the wavelength of the output laser light by controlling the temperature of the wavelength tunable laser, and the LD control circuit includes the two or more wavelength tunable circuits. The frequency of the terahertz wave output from the terahertz source is adjusted in time series by adjusting the wavelength of the laser beam by controlling the temperature of at least one of the lasers.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記LD制御回路は、前記波長可変レーザの温度を制御するTEC(Thermo Electric Cooler)と、前記波長可変レーザから出力されるレーザ光の一部を受光するフォトダイオード(PD)と、前記合成波の一部を入射して所定周波数のレーザ光のみを通過させる前記波長可変レーザと同数のエタロンフィルタと、前記エタロンフィルタから前記所定周波数のレーザ光を受光する別のフォトダイオードと、前記フォトダイオード及び前記別のフォトダイオードからそれぞれの測定結果を入力し、前記レーザ光の出力強度及び波長が安定的に所定値となるように前記TECを制御するTEC駆動回路と、を有することを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the LD control circuit includes a TEC (Thermo Electric Cooler) that controls the temperature of the wavelength tunable laser, and a part of the laser light output from the wavelength tunable laser. A photodiode (PD) that receives light, an etalon filter of the same number as the wavelength tunable laser that allows only a portion of the synthesized wave to enter and passes a laser beam of a predetermined frequency, and a laser beam of the predetermined frequency from the etalon filter TEC for controlling the TEC so that the output intensity and wavelength of the laser beam are stably set to predetermined values by inputting another measurement result from another photodiode that receives light and the measurement result from the photodiode and the other photodiode. And a driving circuit.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記テラヘルツ源は、前記波長可変レーザから出力されるレーザ光の出力波長に対応した不純物準位を有し、かつ出力するテラヘルツ波に対し短いキャリア寿命と高い移動度を有する半導体材料からなる基板を備えることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the terahertz source has an impurity level corresponding to an output wavelength of laser light output from the wavelength tunable laser, and has a short carrier with respect to the output terahertz wave. A substrate made of a semiconductor material having a long life and high mobility is provided.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザは、波長が1.5um帯のレーザ光を出力し、前記テラヘルツ源は、GaN基板を備えることを特徴とする。
テラヘルツ源用材料にGaNを適用することにより、高耐圧環境においても、高信頼なテラヘルツ源を実現することができる。
In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 1.5 μm, and the terahertz source includes a GaN substrate.
By applying GaN to the terahertz source material, a highly reliable terahertz source can be realized even in a high withstand voltage environment.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザは、波長が1.3um帯あるいは1.5um帯のレーザ光を出力し、前記テラヘルツ源は、InGaAsP/InPあるいはInGaAs/AlGaAsからなる基板を備えることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 1.3 μm or 1.5 μm, and the terahertz source is from InGaAsP / InP or InGaAs / AlGaAs. It comprises the board | substrate which becomes.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザは、波長が650nm〜1.5um帯のレーザ光を出力し、前記テラヘルツ源は、II-VI族半導体あるいはIII-V族半導体からなる基板を備えることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 650 nm to 1.5 um, and the terahertz source is a II-VI group semiconductor or a III-V group semiconductor. It comprises the board | substrate which consists of.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザは、波長が650nm〜1.5um帯のレーザ光を出力し、前記テラヘルツ源は、金属をドープしたII-VI族半導体あるいは金属をドープしたIII-V族半導体からなる基板を備えることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the wavelength tunable laser outputs laser light having a wavelength of 650 nm to 1.5 μm, and the terahertz source is a metal-doped II-VI group semiconductor or metal And a substrate made of a III-V group semiconductor doped with.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記波長可変レーザは、波長が0.98um帯のレーザ光を出力し、前記テラヘルツ源は、GaAsからなる基板を備えることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus according to the present invention, the wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 0.98 um, and the terahertz source includes a substrate made of GaAs.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記光導波路は、伝播するレーザ光の偏波面を回転または保持する偏波面調整手段を有していることを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention is characterized in that the optical waveguide has a polarization plane adjusting means for rotating or holding the polarization plane of the propagating laser beam.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、テラヘルツ波の所定の周波数帯に感度を有するアンテナと、前記アンテナで受信した信号を検波する広帯域検波回路と、を有する検知部をさらに備え、前記テラヘルツ源から出力されたテラヘルツ波を被測定物に照射したときの反射信号または透過信号を前記検知部で受信することを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention further includes a detection unit including an antenna having sensitivity in a predetermined frequency band of the terahertz wave, and a broadband detection circuit that detects a signal received by the antenna, The detection unit receives a reflection signal or a transmission signal when the object to be measured is irradiated with the terahertz wave output from the terahertz source.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、テラヘルツ波の所定の周波数帯に感度を有するテラヘルツカメラを有する検知部をさらに備え、前記テラヘルツ源から出力されたテラヘルツ波を被測定物に照射したときの反射信号または透過信号を前記検知部で受信することを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention further includes a detection unit having a terahertz camera having sensitivity in a predetermined frequency band of the terahertz wave, and irradiates the object to be measured with the terahertz wave output from the terahertz source The reflected signal or transmitted signal is received by the detection unit.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記テラヘルツ源から出力されるテラヘルツ波の一部を受光して電圧値に変換する波長検知部と、前記波長検知部から前記電圧値を入力し、予め保存する較正用テーブルを用いて前記電圧値から前記テラヘルツ波の波長を推定して前記LD制御回路に出力する電圧較正手段と、をさらに備え、前記LD制御回路は、前記電圧較正手段から前記テラヘルツ波の波長を入力すると、前記テラヘルツ波の波長が所定の目標波長に一致するように前記波長可変レーザの出力を制御することを特徴とする。 According to another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, a wavelength detection unit that receives a part of the terahertz wave output from the terahertz source and converts it to a voltage value, and inputs the voltage value from the wavelength detection unit. Voltage calibration means for estimating the wavelength of the terahertz wave from the voltage value using a calibration table stored in advance and outputting the estimated wavelength to the LD control circuit, the LD control circuit from the voltage calibration means When the wavelength of the terahertz wave is input, the output of the wavelength tunable laser is controlled so that the wavelength of the terahertz wave matches a predetermined target wavelength.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記テラヘルツ源は、平行に配置された2つの伝送線路と、前記伝送線路のそれぞれの略中央に形成された突起部とを有し、前記突起部の先端が凹状の曲線形状に形成されていることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the terahertz source includes two transmission lines arranged in parallel, and a protrusion formed at substantially the center of each of the transmission lines. The tip of the part is formed in a concave curved shape.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記2以上の波長可変レーザと前記光カプラを1組とする光源部を2以上備え、さらに、前記2以上の光源部のそれぞれと前記光導波路で接続されて前記光カプラから出力されるそれぞれの合成波を入力して合波する合波部と、前記合波部で合波された混合波を前記テラヘルツ源に照射する別の光導波路と、を備えることを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention includes two or more light source units each including the two or more wavelength tunable lasers and the optical coupler, and each of the two or more light source units and the optical waveguide. A combined unit that inputs and combines the respective combined waves output from the optical coupler connected to each other, and another optical waveguide that irradiates the terahertz source with the mixed wave combined by the combined unit It is characterized by providing.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記2以上の波長可変レーザは、前記2以上の光源部のそれぞれで同じ発振波長のレーザ光を出射することを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the two or more wavelength tunable lasers emit laser light having the same oscillation wavelength in each of the two or more light source units.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記2以上の波長可変レーザは、前記2以上の光源部のそれぞれで周波数差が等しく発振波長の異なるレーザ光を出射することを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention is characterized in that the two or more wavelength tunable lasers emit laser beams having the same frequency difference and different oscillation wavelengths in each of the two or more light source units.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記合波部は、PLC(Planar LIghtwave Circuit)を用いて形成されていることを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention is characterized in that the multiplexing unit is formed using a PLC (Planar LIghtwave Circuit).
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記PLCは、前記2以上の光導波路から入力した合成波の位相をそろえる位相調整部を備えていることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention, the PLC includes a phase adjustment unit that aligns the phases of the combined waves input from the two or more optical waveguides.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記PLCは、前記2以上の光源部から入力した合成波に対し分散補償を行う分散補償部を備えていることを特徴とする。 In another aspect of the terahertz wave imaging apparatus according to the present invention, the PLC includes a dispersion compensation unit that performs dispersion compensation on the combined wave input from the two or more light source units.
本発明のテラヘルツ波イメージング装置の他の態様は、前記2以上の光源部から入力した合成波の位相をそろえてそれぞれを前記2以上の光導波路に出力する別の位相調整部を備えていることを特徴とする。 Another aspect of the terahertz wave imaging apparatus of the present invention includes another phase adjustment unit that aligns the phases of the combined waves input from the two or more light source units and outputs each to the two or more optical waveguides. It is characterized by.
本発明によれば、周波数が可変のテラヘルツ波を発生させるテラヘルツ源を被測定物の近傍に移動させて測定することができるテラヘルツイメージング装置を提供することが可能となる。本発明では、レーザ光源を備える本体部とテラヘルツ源を備えるセンサヘッド部とを分離した構成とすることで、センサヘッド部を被測定物の近傍まで移動させてテラヘルツ波を発生させることができる。また、2以上の波長可変レーザを光源とすることで、周波数が可変のテラヘルツ波を発生させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the terahertz imaging device which can measure by moving the terahertz source which generates the terahertz wave with a variable frequency to the vicinity of a to-be-measured object. In the present invention, the main body portion including the laser light source and the sensor head portion including the terahertz source are separated from each other, whereby the terahertz wave can be generated by moving the sensor head portion to the vicinity of the object to be measured. Further, by using two or more wavelength tunable lasers as light sources, a terahertz wave having a variable frequency can be generated.
本発明の好ましい実施の形態におけるテラヘルツ波イメージング装置の構成について、図面を参照して以下に詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。 A configuration of a terahertz wave imaging apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. In addition, about each structural part which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description.
(第1実施形態)
本発明の好ましい第1の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本実施形態のテラヘルツイメージング装置の全体構成を示すブロック図である。本実施形態のテラヘルツイメージング装置100は、本体部110とセンサヘッド部120、及び両者を接続する複合ケーブル130を備えている。本実施形態では、センサヘッド部120が本体部110から分離されて複合ケーブル130で接続されており、センサヘッド部120だけを移動して用いることが可能となっている。
(First embodiment)
A preferred first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the terahertz imaging apparatus of the present embodiment. The
本体部110は、2つの波長可変レーザ111、112、波長可変レーザ111、112からのレーザ光を増幅する半導体光増幅器(SOA)113、114、光カプラ115、波長可変レーザ111、112を制御するLD制御回路116、及びアナログ回路117とデータ処理回路118を備えている。
The
2つの波長可変レーザ111、112は、それぞれで異なる波長のレーザ光を出射しており、この2つのレーザ光がそれぞれSOA113、114で増幅された後、光カプラ115で合成される。光カプラ115で合成された合成波は、複合ケーブル130を経由してセンサヘッド120に伝播される。なお、本実施形態では、波長可変レーザとして111と112の2つを用いているが、これに限定されず、3以上備えるようにすることも可能である。
The two wavelength
複合ケーブル130は、光カプラ115で合成された合成波をセンサヘッド部120に伝播する光導波路131と、センサヘッド部120で必要な電源を供給する電源ケーブル132と、センサヘッド部120で処理された信号を本体部110のデータ処理回路118に伝送する信号線133を有している。ここでは、光導波路131として光ファイバを用いている。
The
センサヘッド部120は、本体部110の光カプラ115から光導波路131を経由して伝播された合成波が照射されるとその合成波のビート成分に相当する周波数のテラヘルツ波を出力するテラヘルツ源121と、テラヘルツ源121から出力されたテラヘルツ波を被測定物10に好適に照射するためのレンズ122と、被測定物10を透過したテラヘルツ波を検知する検知部123と、被測定物10を透過したテラヘルツ波を検知部123に好適に入射させるためのレンズ124を備えている。ここでは、レンズ123、124に半球レンズを用いている。
The
本実施形態のテラヘルツイメージング装置100は、波長可変レーザ111、112に出力波長の異なる2つのDFBレーザを用いており、それぞれから出射されるレーザ光を合成してテラヘルツ源121に照射させることで、テラヘルツ源121からテラヘルツ波を発生させている。波長可変レーザ111、112の出力周波数をそれぞれω1、ω2とすると、テラヘルツ源121で発生するテラヘルツ波の周波数ωTは、
上記のように、所望の周波数ωTのテラヘルツ波を発生させるには、波長可変レーザ111、112に用いる2つのDFBレーザのそれぞれの周波数ω1、ω2を好適に選択すればよい。本実施形態のテラヘルツイメージング装置100は、テラヘルツ波の周波数が可変となるように構成しており、波長可変レーザ111、112に用いる2つのDFBレーザを、出力波長の温度依存性と調整可能な波長範囲を考慮して選択している。
As described above, in order to generate a terahertz wave having a desired frequency ωT, the frequencies ω1 and ω2 of the two DFB lasers used for the wavelength
波長可変レーザ111、112として、例えば1.5μm帯の光通信用DFBレーザを用いることができる。あるいは、0.98μm帯の光ファイバアンプ用シングルモードポンプレーザや650〜1.5μm帯の市販の赤外レーザを使用してもよい。1.5μm帯の光通信用DFBレーザを用いた場合には、被測定物10の鮮明なイメージ取得や、良好な同定が可能となる。
As the wavelength
一例として、発生させるテラヘルツ波の周波数を1〜2THzとするとき、波長可変レーザ111に波長1.52955μm(温度が25℃のとき)のDFBレーザを用い、波長可変レーザ112に波長1.54135μm(温度が25℃のとき)のDFBレーザを用いることができる。このとき、波長可変レーザ111の波長を固定しておき、波長可変レーザ112の波長を概ね1.5374〜1.54532μmの範囲で調整することによって、所定周波数のテラヘルツ波を発生させることができる。
As an example, when the frequency of the terahertz wave to be generated is 1 to 2 THz, a DFB laser having a wavelength of 1.52955 μm (when the temperature is 25 ° C.) is used for the wavelength
本体部110に備えられたLD制御回路116は、波長可変レーザ111、112の温度制御を行う機能を有しており、波長可変レーザ111、112の少なくとも1つを温度制御することでその出力波長を制御している。また、アナログ回路117は、複合ケーブル130内の電源ケーブル132を介して、センサヘッド部120に必要な電源を供給している。さらに、データ処理回路118は、センサヘッド部120の検知部123で検出されたデータを複合ケーブル130内の信号線133を経由して入力し、被測定物10のイメージング処理等を行う。
The
LD制御回路116の詳細構成を、図2を用いて説明する。図2は、LD制御回路116の詳細構成を示す本体部110のブロック図である。LD制御回路116は、波長可変レーザ111、112のそれぞれの温度制御を行う加熱冷却素子(TEC:Thermo Electric Cooler)141、142と、TEC141、142を制御するTEC駆動回路143、144を備えている。
A detailed configuration of the
また、波長可変レーザ111、112からのレーザ光の出力電力を監視する受光器(PD)145、146と、波長可変レーザ111、112からのレーザ光の出力波長を監視するPD147、148と、入力光から所定周波数の光のみを通過させるエタロンフィルタ149、150とが備えられている。エタロンフィルタ149、150には、TEC151、152がそれぞれ具備されている。PD145〜148でレーザ光を監視するために、レーザ光の一部を分岐する光分岐素子が適宜用いられている。
Also, light receivers (PD) 145 and 146 for monitoring the output power of the laser light from the wavelength
PD145、146は、それぞれ波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光の一部を光分岐素子で分岐したものを受光し、それぞれの出力電力(強度レベル)を測定している。測定結果は、それぞれTEC駆動回路143、144に伝送される。また、光カプラ115から出力される合成波の一部を光分岐素子で分岐し、これをエタロンフィルタ149、150を経由してPD147、148に入射している。PD147、148は、エタロンフィルタ149、150を経由して入射した所定の周波数のレーザ光の強度を測定しており、測定結果はそれぞれTEC駆動回路143、144に伝送される。
The
エタロンフィルタ149、150は、所定の周波数帯の光のみを通過させるものであり、ここでは、それぞれ波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光の周波数帯に一致するように調整されている。エタロンフィルタ149、150の通過周波数帯は、それぞれに具備されたTEC151、152を用いた温度制御で調整することができる。これより、PD147、148は、波長可変レーザ111、112から出力される所定周波数のレーザ光の強度を測定することができ、波長可変レーザ111、112の出力波長(出力周波数)を監視することができる。
The etalon filters 149 and 150 pass only light of a predetermined frequency band, and are adjusted so as to match the frequency bands of the laser beams output from the wavelength
TEC駆動回路143、144は、PD145〜148からそれぞれの測定結果を入力し、波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光のそれぞれの周波数が所望の周波数に安定的に一致し、かつ両者の出力電力が一致するように、TEC141、142を制御している。本実施形態では、波長可変レーザ111、112にSOA113、114、TEC141、142、及びTEC駆動回路143、144を一体化してモジュール化しており、これにより、従来は極めて高価であったレーザ光源部を小型・低コスト化することが可能となっている。また、モジュール化に当たっては、TEC141、142間の熱的アイソレーションを確保した構造としている。
The TEC drive
本実施形態の波長可変レーザ111、112及びLD制御回路116に用いられる波長可変光源の一例を、図を用いて詳細に説明する。以下では、波長可変レーザ111について説明するが、波長可変レーザ112も同じ構成とすることができる。図3は、波長可変レーザ111に温度調整型半導体レーザ(DFBレーザ)を用いたときの波長可変光源20の構成を示すブロック図である。半導体レーザ(LD)21(波長可変レーザ111に相当)とSOA22(SOA113に相当)は、TEC温度検出器24を取り付けたTEC23上に搭載されている。レーザ光出力経路には2つの光分岐素子25、26が配置されている。光分岐素子25による分岐光は、エタロンフィルタ等の波長フィルタ27(エタロンフィルタ149に相当)を介して第1PD28(PD147に相当)に入射される。光分岐素子26による分岐光は、そのまま第2PD29(PD145に相当)に入射される。以上の部品は、図3の破線で示すように、すべて同一モジュール内に収容されている。
An example of a wavelength tunable light source used in the wavelength
LD駆動電流モニタ回路31の出力アナログ値は、A/D変換器(ADC)32を介して、LD電流モニタ値としてCPU30に取得される。LD電流モニタ値と所定のLD電流目標値との差分情報に基づき、CPU30でLD電流制御指示値が更新され、D/A変換器(DAC)33を介してLD電流駆動回路34に出力される。LD電流駆動回路34では、LD電流制御指示値に基づいてLD21の自動電流制御(ACC:Automatic Current Control)が実現される。
The output analog value of the LD drive
第2PDモニタ回路35の出力アナログ値は、ADC36を介して、第2PD29の受光パワーに対応する電流モニタ値としてCPU30に取り込まれる。光出力パワー目標値に対応する電流目標値と第2PD29の電流モニタ値との差分情報に基づき、SOA電流制御指示値が更新され、DAC37を介してSOA電流駆動回路38に出力される。SOA電流駆動回路38では、SOA電流制御指示値に基づいてSOA22の自動光出力制御(APC:Automatic Power Control)が実現される。SOA電流モニタ回路39を実装しているので、SOA22の自動電流制御(ACC)を併用する方式でも良いし、APCとACCとのどちらか一方を選択する方式でも良い。
The output analog value of the second
TEC温度モニタ回路41の出力アナログ値は、ADC42を介してTEC温度モニタ値としてCPU30に取り込まれる。TEC温度目標値と上記TEC温度モニタ値との差分情報に基づき、TEC温度制御指示値が更新され、DAC43を介してTEC駆動回路44(TEC駆動回路143に相当)に出力される。TEC駆動回路44では、TEC温度制御指示値に基づいてTEC23の自動温度制御(ATC:Automatic Temperature Control)が実現される。
The output analog value of the TEC
第1PDモニタ回路45と第2PDモニタ回路35の出力アナログ値は、それぞれADC46、36を介して、第1PD電流モニタ値と第2PD電流モニタ値としてCPU30に取り込まれ、PD電流比モニタ値(第1PD電流モニタ値/第2PD電流モニタ値)が導出される。波長目標値に対応するPD電流比目標値と上記PD電流比モニタ値との差分情報に基づき、波長制御指示値が更新され、DAC43を介してTEC駆動回路44に出力される。TEC駆動回路44では、波長制御指示値に基づいて自動波長制御(AWC:Automatic Wavelength Control)が実現される。波長とPD電流比(第1PD電流モニタ値/第2PD電流モニタ値)との間には、図4に示すような周期的な関係がある。この曲線は一般的に波長弁別曲線と呼ばれており、あらかじめ波長ごとに決められたPD電流比目標値に収束させることになる。
The output analog values of the first
上記のATCとAWCは、どちらもTEC駆動回路44の制御指示値を更新するものであるが、ATCとAWCを併用する方式でもよいし、どちらか一方を選択する方式でもよい。
Both the ATC and the AWC update the control instruction value of the
波長可変光源20の初期化完了後で遷移可能な安定状態は、光出力オフ状態と光出力オン状態である。光出力オフ状態とは、波長可変光源として外部への光出力が無視できる状態を意味する。このことが保証されるのであれば、TEC23のATCとLD21のACCをともに稼動させてもよいし、TEC23のATCのみを稼動させてもよい。TEC23のATCとLD21のACCの両方を、必ずしも稼動させる必要はない。光出力オン状態とは、上位装置から指定された所望の波長、ならびに所望の光出力パワーを出力できている状態を意味する。
The stable states that can be shifted after the initialization of the wavelength variable
光出力オフ状態で波長変更命令、および光出力パワー変更命令を受信した場合には、図5に示す目標値決定プロセスのフローチャートに従い、各種制御の目標値を決定する。すなわち、その時点の目標波長と目標光出力パワーの組合せに対応したAWC目標値(第1PD電流/第2PD電流)と、APC目標値(第2PD電流)の決定、ならびに目標波長に対応したACC目標値(LD電流)とATC目標値(TEC温度)を決定する。4つの目標値を決定しているが、その順番は入れ替えても問題ない。 When the wavelength change command and the optical output power change command are received in the optical output off state, target values for various controls are determined according to the flowchart of the target value determination process shown in FIG. That is, the AWC target value (first PD current / second PD current) corresponding to the combination of the target wavelength and target optical output power at that time, the determination of the APC target value (second PD current), and the ACC target corresponding to the target wavelength The value (LD current) and ATC target value (TEC temperature) are determined. Although four target values are determined, there is no problem even if the order is changed.
ここでは、光出力パワー変更命令を受信した場合でも、4つの目標値を変更することになっているが、目標光出力パワーに関連する2つの目標値だけを更新してもよい。すなわち、その時点の目標波長と目標光出力パワーの組合せに対応したAWC目標値(第1PD電流/第2PD電流)とAPC目標値(第2PD電流)の決定を行なうだけでもよい。 Here, even when an optical output power change command is received, four target values are changed, but only two target values related to the target optical output power may be updated. That is, it is only necessary to determine the AWC target value (first PD current / second PD current) and the APC target value (second PD current) corresponding to the combination of the target wavelength and the target optical output power at that time.
光出力オフ状態で光出力オン命令を受信した場合には、以下の手順に従って光出力オン状態に遷移させ、その時点の目標波長ならびに目標光出力パワーに対応した各種制御の目標値を決定する。すでに、光出力オフ状態で実行済みであれば必ずしも行なわなくともよい。引き続き、ATC目標値とTEC温度モニタ値との差分、およびACC目標値とLD電流モニタ値との差分のそれぞれが許容値以下に収束するように、ATCとACCの制御処理を行なう。このとき、すでに光出力オフ状態でATCとACCが稼働中であれば、それぞれの目標値を変更することにより、自動制御を継続させることになる。 When an optical output on command is received in the optical output off state, the optical output is turned on according to the following procedure, and target values for various controls corresponding to the target wavelength and target optical output power at that time are determined. If it is already executed in the optical output off state, it is not always necessary. Subsequently, the ATC and ACC control processes are performed so that the difference between the ATC target value and the TEC temperature monitor value and the difference between the ACC target value and the LD current monitor value converge below the allowable values. At this time, if the ATC and ACC are already in operation with the light output off, the automatic control is continued by changing the respective target values.
ATCとACCの制御処理でそれぞれの目標値に収束できたことを確認した後は、APCとAWCの制御処理を開始させる。ATC目標値とTEC温度モニタ値との差分、ACC目標値とLD電流モニタ値、APC目標値と第2PD電流モニタ値との差分、およびAWC目標値とPD電流比モニタ値との差分、のそれぞれが許容値以下に収束するように、ATC、ACC、APC、及びAWCの制御処理を行なう。すべての収束条件を満足できれば、光出力オン状態に遷移できたことになる。 After confirming that the target values have been converged in the ATC and ACC control processes, the APC and AWC control processes are started. Each of the difference between the ATC target value and the TEC temperature monitor value, the ACC target value and the LD current monitor value, the difference between the APC target value and the second PD current monitor value, and the difference between the AWC target value and the PD current ratio monitor value ATC, ACC, APC, and AWC are controlled so as to converge below the allowable value. If all the convergence conditions can be satisfied, the light output is turned on.
ここでは、APCとAWCを同時に稼動させたが、APCが収束した後にAWCを稼動させてもよい。また、ATCとAWCとを同時に稼動させているが、AWCを稼動させる場合にはATCを停止する方式でも良い。 Here, the APC and the AWC are operated simultaneously, but the AWC may be operated after the APC converges. Further, although the ATC and the AWC are operated at the same time, the ATC may be stopped when the AWC is operated.
一方、光出力オン状態で波長変更命令、および光出力パワー変更命令を受信した場合には、上記の光出力オフ状態で光出力オン命令を受信した場合と同様の手順に従い、光出力オン状態に遷移させる。但し、目標値決定プロセスを実行する前に、APCとAWCの制御処理をこの順番で停止する点が、上記の光出力オフ状態で光出力オン命令を受信した場合と異なる。これは、共用できない指定波長以外の信号光の発出を抑止する対策である。これでも光出力レベルが無視できない場合には、AWC停止の前にACCの制御処理も停止することで対応することになる。 On the other hand, when a wavelength change command and an optical output power change command are received while the optical output is on, the optical output is turned on according to the same procedure as when the optical output on command is received when the optical output is off. Transition. However, the point that the APC and AWC control processes are stopped in this order before the target value determination process is executed is different from the case where the light output on command is received in the light output off state. This is a measure for suppressing emission of signal light other than the designated wavelength that cannot be shared. If the optical output level cannot be ignored even in this case, the ACC control process is also stopped before the AWC is stopped.
ここで、光出力パワー変更過程における出力波長の変動量が、運用上許容されるレベルであれば、光出力オン状態で光出力パワー変更命令を受信した場合に、上記のAPCとAWCの制御処理を停止させることなく、目標値決定プロセスを実行してもよい。すなわち、図6に示すフォローチャートに従った制御処理となる。 Here, if the fluctuation amount of the output wavelength in the process of changing the optical output power is an operationally acceptable level, when the optical output power change command is received in the optical output on state, the above APC and AWC control processing is performed. The target value determination process may be executed without stopping. That is, the control process follows the follow chart shown in FIG.
光出力オン状態で光出力オフ命令を受信した場合には、APCとAWCの制御処理をこの順番で停止させ、光出力オフ状態に遷移させる。これは、光出力オフ状態に遷移させる過程で、所望の波長以外の信号光を外部に出力しない対策である。APCを停止するだけでは、光出力レベルが無視できない場合には、AWCを停止する前にLD21のACCも停止することで対応することになる。
When the optical output off command is received in the optical output on state, the APC and AWC control processes are stopped in this order, and the optical output is turned off. This is a measure for preventing signal light having a wavelength other than the desired wavelength from being output to the outside during the transition to the optical output off state. If the optical output level cannot be ignored simply by stopping the APC, the ACC of the
このように、各種制御処理の目標値、すなわちAWC目標値、APC目標値、ACC目標値、ATC目標値を、目標波長と目標光出力パワーの組合せにより決定しているので、波長可変光源モジュールの内部で発生する発熱量や散乱光の影響を抑制することができ、波長可変光源に求められている出力波長や光出力パワーの設定精度や安定性を確保できる。上記で示した目標値決定プロセスは、採用する制御方式に対応させて、以下のように適宜調整してもその効果に変わりはない。 As described above, the target values of various control processes, that is, the AWC target value, the APC target value, the ACC target value, and the ATC target value are determined by the combination of the target wavelength and the target optical output power. The influence of the heat generation amount and scattered light generated inside can be suppressed, and the setting accuracy and stability of the output wavelength and optical output power required for the wavelength variable light source can be ensured. The target value determination process described above does not change its effect even if it is adjusted as follows according to the control method employed.
第2PD29の受光パワーに対応する第2PD電流値を目標とするAPCではなく、第2PD受光パワーそのものを目標値とするAPC制御を採用する場合には、第2PD電流値から第2PD受光パワーに変換するための係数α(λ、Pow)を更新することで対応できる。この変換係数α(λ、Pow)は、式(1)に示すように、その時点の目標波長λと目標光出力パワーPowの組合せにより一意に決定されるものである。変換係数α(λ、Pow)は、テーブル化してメモリ47に格納しておき、目標波長と目標光出力パワーの組合せにより、選択する方式や補完する方式で対応できる。
第2PD受光パワー=α(λ、Pow)×第2PD電流 (1)
When the APC control using the second PD light receiving power itself as the target value is adopted instead of the APC targeting the second PD current value corresponding to the light receiving power of the
Second PD light receiving power = α (λ, Pow) × second PD current (1)
また、各PD受光パワーに対応するPD電流値(第1PD電流、第2PD電流)やTEC温度は、動作環境温度により変動する可能性がある。この場合、ADC値からPD電流に変換する係数A(T)、B(T)、およびTEC目標温度を補正する係数C(T)、D(T)を、その時点の環境温度T(ケース温度:図3参照)で補正する方式を採用することで、環境温度依存性を抑制することができる。その結果、波長可変光源を高精度で安定に動作させることができる。 Further, the PD current value (first PD current, second PD current) and the TEC temperature corresponding to each PD light receiving power may vary depending on the operating environment temperature. In this case, the coefficients A (T) and B (T) for converting the ADC value to the PD current, and the coefficients C (T) and D (T) for correcting the TEC target temperature are set as the environmental temperature T (case temperature) at that time. : Refer to FIG. 3) By adopting the correction method, the environmental temperature dependency can be suppressed. As a result, the wavelength variable light source can be stably operated with high accuracy.
上記の変換係数A(T)、B(T)、C(T)、D(T)は、次式(2)、(3)に示すように、その時点の環境温度Tにより一意に決定されるものである。変換係数A(T)、B(T)、C(T)、D(T)は、テーブル化してメモリ47に格納しておき、環境温度Tにより、選択する方式や補完する方式で対応できる。ADC値と物理値との関係が非線形である場合には、変換そのものをテーブル参照方式で対応しても良い。
第2PD電流=A(T)×ADC値+B(T) (2)
TEC温度=C(T)×ADC値+D(T) (3)
The conversion coefficients A (T), B (T), C (T), and D (T) are uniquely determined by the environmental temperature T at that time, as shown in the following equations (2) and (3). Is. The conversion coefficients A (T), B (T), C (T), and D (T) are tabulated and stored in the
Second PD current = A (T) × ADC value + B (T) (2)
TEC temperature = C (T) × ADC value + D (T) (3)
さらに、第2PD電流から第2PD受光パワーに変換するプロセスとして(1)式を採用する制御方式の場合には、第2PD電流から第2PD受光パワーに変換する係数β(λ)の目標波長依存性を補償する仕組みと、第2PD受光パワーを補正する係数γ(Pow)の目標光出力パワー依存性を補償する仕組みとを併用する。その結果、波長可変光源は高精度で安定に動作させることができる。 Further, in the case of a control method that employs the expression (1) as a process for converting the second PD current to the second PD light receiving power, the target wavelength dependence of the coefficient β (λ) for converting the second PD current to the second PD light receiving power is determined. And a mechanism for compensating the dependency of the coefficient γ (Pow) for correcting the second PD light receiving power on the target light output power. As a result, the variable wavelength light source can be stably operated with high accuracy.
この変換係数は、次式(4)に示すように、その時点の目標波長と目標光出力パワーにより一意に決定されるものである。変換係数β(λ)と補正係数γ(Pow)は、テーブル化してメモリ47に格納しておき、目標波長と目標光出力パワーの組み合わせにより、選択する方式や補完する方式で対応できる。式(4)の変換係数β(λ)と補正係数γ(Pow)は、式(1)の変換係数α(λ、Pow)をλとPowの独立性に注目して分割したものである。この方式で対応できる場合には、テーブル化された変換係数や補正係数の容量を圧縮できるので、式(1)の方式より効率がよい。
第2PD受光パワー=β(λ)×γ(Pow)×第2PD電流 (4)
As shown in the following equation (4), this conversion coefficient is uniquely determined by the target wavelength and the target optical output power at that time. The conversion coefficient β (λ) and the correction coefficient γ (Pow) are tabulated and stored in the
Second PD light receiving power = β (λ) × γ (Pow) × second PD current (4)
以上のように、波長可変光源の制御方式に対応させて、目標値決定プロセスを適宜調整することで、波長可変光源として高精度で安定な動作を確保できる。要は、その時点の目標波長と目標光出力パワーの組合せに対応させて、各種制御の目標値、モニタ値の変換係数や補正係数を調整すればよい。 As described above, a highly accurate and stable operation as a wavelength variable light source can be ensured by appropriately adjusting the target value determination process in accordance with the control method of the wavelength variable light source. In short, it is only necessary to adjust the target value of various controls, the conversion coefficient and the correction coefficient of the monitor value in accordance with the combination of the target wavelength and the target optical output power at that time.
さらに、環境温度の影響が無視できない場合には、その時点の目標波長、目標光出力パワーに加えて、環境温度にも対応させて、各種制御の目標値、モニタ値の変換係数や補正係数を調整することで、さらに高精度で安定な波長可変光源を実現できる。 Furthermore, if the influence of the environmental temperature cannot be ignored, the target value for each control, the conversion value and the correction coefficient for the monitor value can be set according to the environmental temperature in addition to the target wavelength and target optical output power at that time. By adjusting, it is possible to realize a more accurate and stable wavelength variable light source.
上記の波長可変光源の一例では、半導体レーザに温度調整型半導体レーザ(DFBレーザ)を例示して説明した。しかし、これに限定されるものではなく、電流制御型半導体レーザに置き換えてもよい。ただし、電流制御型半導体レーザ(DBRレーザ)と温度調整型半導体レーザ(DFBレーザ)との間では、以下の点で異なる。温度調整型半導体レーザ(DFBレーザ)の場合には、AWCをTEC駆動回路の制御指示値を更新することで実現したが、電流制御型半導体レーザ(DBRレーザ)の場合には、LD駆動回路の制御指示値を更新することになる。そのため、電流制御型半導体レーザ(DBRレーザ)の場合には、LDのACCとAWCはどちらもLD駆動回路の制御指示値を更新するものとなるが、ACCとAWCの併用する方式でも良いし、どちらか一方の選択する方式でも良い。 In the example of the wavelength tunable light source described above, the semiconductor laser has been described by exemplifying a temperature adjustment type semiconductor laser (DFB laser). However, the present invention is not limited to this, and may be replaced with a current control type semiconductor laser. However, the current control type semiconductor laser (DBR laser) and the temperature adjustment type semiconductor laser (DFB laser) are different in the following points. In the case of a temperature adjustment type semiconductor laser (DFB laser), AWC is realized by updating the control instruction value of the TEC drive circuit. In the case of a current control type semiconductor laser (DBR laser), the LD drive circuit The control instruction value is updated. Therefore, in the case of a current-controlled semiconductor laser (DBR laser), both the ACC and AWC of the LD update the control instruction value of the LD drive circuit, but a method using both ACC and AWC may be used. Either one may be selected.
さらに、温度調整型半導体レーザ(DFBレーザ)の場合には、LDのACCを独立で動作させていたが、電流制御型半導体レーザ(DBRレーザ)の場合には、TECのATCを独立で動作させることになる。 Further, in the case of the temperature control type semiconductor laser (DFB laser), the ACC of the LD is operated independently, but in the case of the current control type semiconductor laser (DBR laser), the TEC ATC is operated independently. It will be.
なお、上記では、PD145〜148を用いて、波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光の出力電力の監視と周波数の監視を別々に行う構成としたが、PD145〜148に代えて、出力電力と周波数を同時に監視できるOPMを用いてもよい。OPMは、例えば光カプラ115の出力側に設けることができる。OPMを用いることで、波長可変レーザ111、112から出力される2つのレーザ光をそれぞれの波長に精度よく分離してそれぞれの出力電力を監視することができる。
In the above description, the
次に、センサヘッド部120のテラヘルツ源121と検知部123について、図7を用いて詳細に説明する。センサヘッド部120は、図1に示すように、テラヘルツ源121と検知部123を備えており、7(a)、(b)は、それぞれの斜視図を示している。
Next, the
テラヘルツ源121は、所定の半導体材料からなる基板161の一方の面にアンテナ162を配置して構成されている。アンテナ162は、平行に配置された伝送線路163、164と、伝送線路163、164のそれぞれの略中央に形成された突起部165、166で構成されている。突起部165、166は、両者の間に小さなギャップが設けられており、微小ダイポールアンテナを形成している。また、伝送線路163、164の間には、直流電源167から直流バイアスが印加されている。
The
上記のように構成されたテラヘルツ源121において、アンテナ162のギャップ部に光導波路131から出射された合成波を照射すると、照射された合成波からなるテラヘルツ相当のビート信号がテラヘルツ波に変換されて発生し、基板161の他方の面から出射される。出射されたテラヘルツ波のビームを半球レンズ122で拡大して被測定物10に照射し、被測定物10を透過したテラヘルツ波を半球レンズ124で集光して検知部123に入射させる。検知部123では、入射したテラヘルツ波に対応する信号を検知する。
In the
テラヘルツ源121の基板161に用いる非線形材料として、波長可変レーザ111、112の出力波長に対応した不純物準位(吸収帯)を有するとともに、出力するテラヘルツ波に対し短いキャリア寿命と高い移動度を有する半導体材料を用いるのがよい。従来は、例えば1.5μm帯の光源に対しては、DASTと呼ばれる有機結晶や、低温成長GaAsが採用されることが多かった。しかし、高出力のテラヘルツ波を発生させるために高電圧で直流バイアスを印加したときの劣化や、結晶体への光波照射による劣化などにより、テラヘルツ源の信頼性に課題があった。
As a nonlinear material used for the
そこで、本実施形態では、波長可変レーザ111、112から波長が1.5μm帯のレーザ光が出射されるときには、テラヘルツ源121の基板161にGaN基板を用いるようにしている。発明者らは、GaNが、その結晶成長のプロセスの特徴から、結晶内に欠陥を多く含んだ材料であり、低温成長GaAsと同様に、テラヘルツ波を発生させる材料として好適であることを見出した。GaNは、その耐圧性及び信頼性から、高電圧環境においても、高い信頼度を有するテラヘルツ源を実現することができる。また、GaNのもつ高周波特性から、テラヘルツ源121にGaNを用いた増幅素子も集積することにより、高出力のテラヘルツ波を発生させることができる。
Therefore, in this embodiment, when laser light having a wavelength of 1.5 μm is emitted from the wavelength
また、波長可変レーザ111、112から波長が1.3μmまたは1.5μm帯のレーザ光が出射されるときには、テラヘルツ源121の基板161に、InGaAsP/InPあるいはInGaAs/AlGaAsからなる基板を用いることができる。
When laser light having a wavelength of 1.3 μm or 1.5 μm is emitted from the wavelength
波長可変レーザ111、112から波長が650nm〜1.5μm帯のレーザ光が出射されるときには、テラヘルツ源121の基板161に、II-VI族半導体あるいはIII-V族半導体からなる基板、ないしは、金属をドープしたII-VI族半導体あるいは金属をドープしたIII-V族半導体からなる基板を用いることができる。波長可変レーザ111、112から出射されるレーザ光の波長を650nm〜1.5μm帯と広くする場合には、II-VI族半導体あるいはIII-V族半導体のどの材料を組み合わせるかで、テラヘルツ波の出力レベルが異なってくる。とくに、1.5μm帯では、II-VI族半導体あるいはIII-V族半導体にErやBeのような金属をドープしてもよい。
When laser light having a wavelength of 650 nm to 1.5 μm is emitted from the wavelength
さらに、波長可変レーザ111、112から波長が0.98μm帯のレーザ光が出射されるときには、テラヘルツ源121の基板161に、GaAsからなる基板を用いるのがよい。
Furthermore, when laser light having a wavelength of 0.98 μm is emitted from the wavelength
検知部123は、図7(b)に示すように、テラヘルツ波受信部170と広帯域検出回路180を備えている。テラヘルツ波受信部170は、テラヘルツ源121と同様な構成を有しており、所定の半導体材料からなる基板171の一方の面にアンテナ172が配置されている。アンテナ172は、アンテナ162と同様に、平行に配置された伝送線路173、174と、伝送線路173、174のそれぞれの略中央に形成された突起部175、176で構成されている。突起部175、176は、両者の間に小さなギャップが設けられており、微小ダイポールアンテナを形成している。
The
アンテナ172では、アンテナ162と異なり、伝送線路173、174の間に直流バイアスは印加されておらず、それに代えて電流計181が接続されている。電流計181で測定された電流は、ADC182でデジタル信号に変換され、信号線133を経由してデータ処理回路118に伝送される。データ処理回路118では、信号線133を経由して入力したデジタル信号を強度信号等に変換し、これをもとに被測定物10のイメージング処理等を行う。本実施形態では、広帯域検出回路180が電流計181とADC182を備える構成としている。
In the
検知部123を、上記のようなテラヘルツ波受信部170と広帯域検出回路180を用いて構成することにより、検知部123の小型化が容易となる。また、検知部123の別の実施形態として、上記のテラヘルツ波受信部170及び広帯域検出回路180に代えて、テラヘルツ波の所定の周波数帯に感度を有するテラヘルツカメラを用いることも可能である。このような構成としても、検知部を小型化することができる。
By configuring the
本実施形態のテラヘルツイメージング装置100を用いて、被測定物10を測定する方法を以下に説明する。テラヘルツイメージング装置100は、本体部110に2つの波長可変レーザ111、112を備えており、それぞれのTEC141、142を温度制御することで、それぞれの出射レーザ光の波長を調整することが可能となっている。これにより、TEC141、142の温度制御を時系列的に行うことで、テラヘルツ源121から出力されるテラヘルツ波の周波数を時系列的に調整することが可能となっている。
A method for measuring the
テラヘルツ波の周波数を時系列的に調整する一例を、図8及び図9を用いて説明する。図8では、一方の波長可変レーザ111の出力周波数(符号S1で示す)を所定の値に固定し、他方の波長可変レーザ112の出力周波数(符号S2で示す)を時系列的に連続的に変化させた例を示している。テラヘルツ波の周波数は、波長可変レーザ111と112の周波数の差となることから、符号S3で示すように時系列的に連続して変化する。
An example of adjusting the frequency of the terahertz wave in time series will be described with reference to FIGS. In FIG. 8, the output frequency (indicated by symbol S1) of one
図8に示すように、周波数が時系列的に変化するテラヘルツ波を被測定物10に照射することで、被測定物10に固有の周波数応答(イメージング)を得ることができる。周波数応答の一例を、図10に模式的に示す。同図では、検出したい物質A、B、Cのそれぞれの周波数応答を模式的に示している。図8に示すような周波数が時系列的に連続的に変化するテラヘルツ波を被測定物10に照射することで、データ処理回路118において周波数応答が得られる。得られた周波数応答を、図10に示す検出したい物質の周波数応答と比較することで、被測定物10が検出したい物質A、B、Cのいずれか、あるいは検出したい物質でないことを判定することができる。
As shown in FIG. 8, by irradiating the device under
また、図9では、一方の波長可変レーザ111の出力周波数(符号S4で示す)を所定の値に固定し、他方の波長可変レーザ112の出力周波数(符号S4で示す)を時系列的に所定の周波数にステップ状に変化させた例を示している。この場合には、テラヘルツ波の周波数も、符号S3で示すように、時系列的に特定の周波数にステップ状に変化する。このようなテラヘルツ波を被測定物10に照射することで、特定の周波数に対する被測定物10の周波数応答を得ることができる。検出したい物質が、特定の周波数で固有の応答を示すときは、図9に示すようなテラヘルツ波を用いるのがよい。
In FIG. 9, the output frequency of one wavelength tunable laser 111 (indicated by symbol S4) is fixed to a predetermined value, and the output frequency of the other wavelength tunable laser 112 (indicated by symbol S4) is predetermined in time series. An example in which the frequency is changed stepwise is shown. In this case, the frequency of the terahertz wave also changes in a stepwise manner to a specific frequency in time series as indicated by reference numeral S3. By irradiating the
上記実施形態のセンサヘッド部120は、被測定物10を透過したテラヘルツ波を検知部123で検知する構成としているが、これに代えて、被測定物10で反射されたテラヘルツ波を検知部123で検知するように構成することも可能である。被測定物10で反射されたテラヘルツ波を検知部123で検知するように構成されたセンサヘッド部120の実施形態を、図11のブロック図に示す。
The
また、上記実施形態では、検知部123のテラヘルツ波受信部170と半球レンズ124をともにセンサヘッド部120に設ける構成としていたが、テラヘルツ波受信部170を本体部110側に設け、センサヘッド部120には、テラヘルス源121と半球レンズ124を設ける構成とすることも可能である。この場合には、信号線133に代えて複合ケーブル130に所定のテラヘルツ波導波路を配索させ、被測定物10を透過または反射したテラヘルツ光を半球レンズ124で集光させる。そして、集光させたテラヘルツ波を所定のテラヘルツ波導波路に入射させ、このテラヘルツ波導波路を経由して本体部110側に設けたテラヘルツ波受信部170に出射させる。
In the above embodiment, the terahertz
さらに、本実施形態のセンサヘッド部120では、テラヘルツ源121で発生させたテラヘルツ波を被測定物10に広範囲に照射し、被測定物10を透過したテラヘルツ波を検知部123に入射させるために、レンズ123、124にそれぞれ半球レンズを用いているが、これに限定されず、例えば凹レンズ及び凸レンズを用いて構成することも可能である。
Furthermore, in the
この発明によれば、テラヘルツ源を備えたセンサヘッド部を小型化することが容易であり、センサヘッド部を被測定物の近傍に移動させて測定することが可能となる。また、レーザ光源の波長可変を可能とするLD制御回路を波長可変レーザと一体化させてモジュール化することによって、従来、極めて高価であったレーザ光源部を小型・低コスト化することができる。また、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ源の材料にGaNを採用することによって、高い駆動電圧条件においても、高い信頼性を有するテラヘルツ源を実現することができる。さらに、GaNを用いた増幅素子も集積すれば、テラヘルツ波の高出力化にも寄与する。 According to the present invention, it is easy to reduce the size of the sensor head portion provided with the terahertz source, and the measurement can be performed by moving the sensor head portion in the vicinity of the object to be measured. In addition, by integrating the LD control circuit that allows the wavelength of the laser light source to be integrated with the wavelength variable laser, it is possible to reduce the size and cost of the laser light source unit that has been extremely expensive. In addition, by adopting GaN as the material of the terahertz source that generates the terahertz wave, a highly reliable terahertz source can be realized even under high driving voltage conditions. Furthermore, if an amplifying element using GaN is also integrated, it contributes to higher output of terahertz waves.
(第2実施形態)
本発明の第2の実施の形態を図12を用いて説明する。図12は、本実施形態のテラヘルツイメージング装置200の全体構成を示すブロック図である。テラヘルツ源121におけるテラヘルツ波の発生効率は、光導波路131を経由してセンサヘッド部120に伝播された合成波が、テラヘルツ源121に照射される時点でどのような状態にあるかに影響される。すなわち、合成波がテラヘルツ源121に照射される時点で、2つのレーザ光の偏波が所定の条件を満たし、かつ2つのレーザ光の出力電力がほぼ等しいときに、テラヘルツ源121からテラヘルツ波が効率よく発生される。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a block diagram showing the overall configuration of the
2つのレーザ光の偏波については、それぞれが波長可変レーザ111、112から出射されたときの偏波面を維持している、あるいは、偏波面が回転(円偏波)している、との条件が満たされているときに、テラヘルツ波が効率よく発生される。そこで、本実施形態では、光導波路231が、光導波路131を伝播するレーザ光の偏波面を回転させる、または維持する偏波面調整手段201を有する構成としている。
Regarding the polarization of the two laser beams, the polarization planes when the laser beams are emitted from the wavelength
図12に示す本実施形態のテラヘルツイメージング装置200では、光導波路131を伝播する2つのレーザ光の偏波面を回転させるために、偏波面調整手段201として、光導波路131の途中にデポラライザを配置している。デポラライザは、2つのレーザ光の偏波面を回転させることができる。また、デポラライザを配置する代わりに、光導波路131に用いる光ファイバを、光カプラ115との融着面を所定幅だけ軸ずれさせて接続するようにしてもよい。この場合には、光導波路131に用いる光ファイバと光カプラ115との融着面が偏波面調整手段となる。
In the
一方、光導波路131を伝播する2つのレーザ光の偏波面を維持させる偏波面調整手段として、光導波路131にパンダファイバを用いることができる。
On the other hand, a panda fiber can be used for the
上記のように、光導波路131を伝播する2つのレーザ光の偏波面を回転、または維持する機能を具備することによって、2つのレーザ光の合成波が有するビート成分のレベル変動を抑制し、効率の高いテラヘルツ波発生を実現することができる。
As described above, by providing the function of rotating or maintaining the polarization planes of the two laser beams propagating through the
また、本実施形態では、光導波路131から出力される2つのレーザ光の出力電力が等しくなるように制御するために、テラヘルツ源121の手前にさらに出力監視手段202を備えている。出力監視手段202は、2つのレーザ光のそれぞれの出力電力を測定して両者の差(以下では、出力誤差とする)を算出している。2つのレーザ光のそれぞれの出力電力を測定するのに、例えばOPMを用いることができる。
In the present embodiment, the
出力監視手段202で算出された出力誤差は、複合ケーブル130に追加された制御用信号線203を経由してLD制御回路116に伝送される。LD制御回路116は、出力監視手段202から入力した出力誤差に従って、波長可変レーザ111、112の駆動電流またはSOA113、114の駆動電流を制御することで、テラヘルツ源121に照射される2つのレーザ光の出力電力が等しくなるように調整する。これにより、テラヘルツ源121で効率よくテラヘルツ波が発生される。
The output error calculated by the
(第3実施形態)
本発明の第3の実施の形態を図13を用いて説明する。図13は、本実施形態のテラヘルツイメージング装置300の全体構成を示すブロック図である。テラヘルツ源121で発生されるテラヘルツ波は、2つのレーザ光の周波数の差に相当する周波数を有している。しかしながら、2つのレーザ光からなる合成波がテラヘルツ源121に照射された時点で、両者の間に出力電力に差が生じていると、発生するテラヘルツ波の周波数が変化するおそれがある。そこで、本実施形態では、テラヘルツ源121で発生されたテラヘルツ波の周波数を直接測定するようにしている。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a block diagram showing an overall configuration of the
本実施形態では、テラヘルツ源121で発生されるテラヘルツ波のうち、被測定物10の方向に照射されない漏れ光を波長検知部301で受光するようにしている。波長検知部301では、受光したテラヘルツ波の波長または周波数に対応する電圧値に変換し、これを複合ケーブル130に追加した制御用信号線303を経由して本体部110の例えばLD制御回路116に伝送する。
In the present embodiment, out of the terahertz wave generated by the
しかし、波長検知部301では、電圧値への変換効率のばらつきにより、受光したテラヘルツ波の波長に対応する電圧値に正確に変換されていないおそれがある。また、変換された電圧値が制御用信号線303を経由して本体部110に伝送されるまでに、制御用信号線303の影響等を受けて変動してしまうおそれがある。このように、本体部110に伝送された電圧値が、テラヘルツ波の波長に精度よく対応していない場合には、テラヘルツ波の周波数を所望の周波数に制御することができなくなる。
However, the
そこで、本実施形態のテラヘルツイメージング装置300では、本体部110に電圧較正手段302を設け、ここで、上記の変換効率のばらつきや制御用信号線303の影響等を取り除くように、伝送された電圧値を較正している。
Therefore, in the
制御用信号線303を経由して伝送された電圧値の較正方法を以下に説明する。まず、あらかじめ工場出荷時に、所定の高精度な波長検出器を用いてテラヘルツ源121で発生されるテラヘルツ波の周波数を直接測定する。それと同時に、波長検知部301で受光されたテラヘルツ波から電圧値に変換され、制御用信号線303を経由して本体部110に伝送された電圧値を取得する。これより、波長検出器で正確に測定されたテラヘルツ波の波長と、本体部110に伝送された電圧値とを対応させた較正用テーブルを作成する。電圧較正手段302は、事前に作成された上記の較正用テーブルを保存し、テラヘルツ波の波長を推定するのに用いる。
A method for calibrating the voltage value transmitted via the
電圧較正手段302において、較正用テーブルを用いてテラヘルツ波の波長を制御する方法を以下に説明する。電圧較正手段302は、波長検知部301から制御用信号線303を経由して電圧値が伝送されると、これを事前に保存している較正用テーブルを用いてテラヘルツ波の波長に変換する。そして、変換された波長をLD制御回路116に出力する。LD制御回路116では、電圧較正手段302から入力した波長が所望のテラヘルツ波の波長に一致するように、波長可変レーザ111、112の出力電力等を制御する。
A method for controlling the wavelength of the terahertz wave using the calibration table in the
上記のように、本実施形態では、テラヘルツ源121で発生されるテラヘルツ波を受光し、その波長が所望の波長に一致するように波長可変レーザ111、112を制御するように構成されていることから、非対象物の周波数応答を高精度に測定することが可能となる。
As described above, the present embodiment is configured to receive the terahertz wave generated by the
(第4実施形態)
本発明の第4の実施の形態を図14を用いて説明する。図14は、本実施形態のテラヘルツ源121に備えられたアンテナ462の平面図である。第2実施形態のテラヘルツイメージング装置200では、光導波路131を伝播する2つのレーザ光の偏波面を維持するために、光導波路131にパンダファイバを用いている。しかしながら、2つのレーザ光が光導波路131を出射してからテラヘルツ源121に照射されるまでの間に、2つのレーザ光の偏波面がずれるおそれがある。2つのレーザ光がテラヘルツ源121に到達する時点で偏波面がずれていると、発生されるテラヘルツ波の出力が低下してしまう。
(Fourth embodiment)
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a plan view of the
そこで、本実施形態では、テラヘルツ源121のアンテナ462を、図14に示すような形状としている。すなわち、アンテナ462の突起部465、466を、先端部が凹状の曲線形状となるように形成している。このように、突起部465、466の先端部を凹状の曲線形状に形成していると、その間に照射された2つのレーザ光の偏波面が一致するようになるといった効果が得られる。
Therefore, in the present embodiment, the
上記いずれの実施形態においても、テラヘルツ源を備えたセンサヘッド部を小型化することが容易であり、センサヘッド部を被測定物の近傍に移動させて測定することが可能となる。また、レーザ光源の波長可変を可能とするLD制御回路を波長可変レーザと一体化させてモジュール化することによって、従来、極めて高価であったレーザ光源部を小型・低コスト化することができる。また、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ源の材料にGaNを採用することによって、高い駆動電圧条件においても、高い信頼性を有するテラヘルツ源を実現することができる。さらに、GaNを用いた増幅素子も集積すれば、テラヘルツ波の高出力化にも寄与する。 In any of the above embodiments, it is easy to reduce the size of the sensor head portion provided with the terahertz source, and measurement can be performed by moving the sensor head portion in the vicinity of the object to be measured. In addition, by integrating the LD control circuit that allows the wavelength of the laser light source to be integrated with the wavelength variable laser, it is possible to reduce the size and cost of the laser light source unit that has been extremely expensive. In addition, by adopting GaN as the material of the terahertz source that generates the terahertz wave, a highly reliable terahertz source can be realized even under high driving voltage conditions. Furthermore, if an amplifying element using GaN is also integrated, it contributes to higher output of terahertz waves.
(第5実施形態)
本発明の第5の実施の形態を図16を用いて説明する。図16は、本実施形態のテラヘルツイメージング装置500の全体構成を示すブロック図である。本実施形態のテラヘルツイメージング装置500では、テラヘルツ源121から高い電力のテラヘルツ波が得られるようにするために、本体部510に光源部501を複数設けている。図16では、一例として光源部501a〜501dの4つの光源部を設けている。なお、本体部510に設ける光源部501の数は4つに限定されず、必要に応じて適宜増減させることができる。
(Fifth embodiment)
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 16 is a block diagram showing an overall configuration of the
各光源部501(501a〜501dのそれぞれ)は、第1実施形態の本体部110と同様に、波長可変レーザ111、112及びそれぞれに設けられたSOA113、114と、光カプラ115と、LD制御回路116とを備えている。本体部510は、上記の4つの光源部501a〜501dと、アナログ回路117と、データ処理回路118とを備えて構成されている。
Each light source unit 501 (each of 501a to 501d) includes wavelength
各光源部501a〜501dにはそれぞれ光導波路531a〜531dが接続されており、各光源部501a〜501dの光カプラ115で生成された合成波が、それぞれに接続された光導波路531a〜531dでセンサヘッド部120側に伝送される。各光源部501a〜501dの光カプラ115から出力される合成波は、同位相でそれぞれの光導波路531a〜531dに入力される。センサヘッド部120側にはPLC(Planar LIghtwave Circuit)535が設けられており、各光導波路531a〜531dがPLC535に接続されている。PLC535には、各光導波路531a〜531dから出力される合成波を合波する合波部535aが形成されており、合波された光が光導波路531eを経由してテラヘルツ源121に出力される。
Optical light guides 531a to 531d are connected to the
本実施形態では、光導波路531a〜531dから出力される複数の合成波を合波させるのにPLC535を用いているが、PLC535を用いることで各合成波の位相をそろえた上で合波部535aで合波させるようにすることができる。すなわち、光導波路531a〜531dとPLC535との各接続点から合波部535aまでの光導波路の長さをそれぞれで調整する(位相調整部)ことにより、合波部535aで合波されるときには各合成波の位相がそろっているようにすることができる。各合成波の位相をそろえて合波部535aで合波することにより、テラヘルツ源121に対しより高い電力のテラヘルツ波を出力させるようにすることができる。なお、各合成波の位相をそろえる別の方法として、光導波路531a〜531eのそれぞれの長さを調整して行うことも可能である。
In the present embodiment, the
上記のように、本体部510に複数の光源部501を設けてセンサヘッド部120側に設けられたPLC535に複数の合成波を出力させ、PLC535で複数の合成波を合波させたのち光導波路531eを経由してテラヘルツ源121に出力させる構成とすることにより、テラヘルツ源120に高電力の合成波を照射することができる。その結果、テラヘルツ源121から高電力のテラヘルツ波を出力させることが可能となる。
As described above, a plurality of
第1実施形態では、波長可変レーザ111、112からそれぞれ異なる周波数ω1、ω2のレーザ光を出力させているが、本実施形態でも光源部501a〜501dのそれぞれの波長可変レーザ111、112からそれぞれ周波数ω1、ω2のレーザ光を出力させるようにすることができる。これにより、周波数ω1、ω2のレーザ光からなる合成波の電力を高くすることができ、テラヘルツ源121に高い電力の合成波を与えて高い電力のテラヘルツ波を出力させることが可能となる。
In the first embodiment, laser beams having different frequencies ω1 and ω2 are output from the wavelength
あるいは、光源部501a〜501dのそれぞれで周波数の異なるレーザ光を波長可変レーザ111、112から出力させるようにすることも可能である。一例として、光源部501a〜501dのそれぞれの波長可変レーザ111及び112から、それぞれ周波数ω1及びω2、ω3及びω4、ω5及びω6、ω7及びω8、のレーザ光を出力させるようにすることができる。このとき、式(5)より各周波数は次式を満たすように設定される。
|ω1−ω2|=|ω3−ω4|=|ω5−ω6|=|ω7−ω8| (6)
Alternatively, it is also possible to output laser light having different frequencies from the wavelength
| Ω1-ω2 | = | ω3-ω4 | = | ω5-ω6 | = | ω7-ω8 | (6)
このように、光源部501a〜501dのそれぞれの波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光の周波数がすべて異なるように設定することで、PLC535で合波された混合波が、各周波数では比較的低い電力を持つことになる。これに対し、光源部501a〜501dのそれぞれの波長可変レーザ111、112で同じ周波数ω1、ω2のレーザ光を出力させる場合には、周波数ω1、ω2で高い電力を持つことになり、これが光導波路531eを経由してテラヘルツ源121に出力されることになる。
In this way, by setting the frequencies of the laser beams output from the wavelength
特定の周波数で電力の高い光が光導波路(光ファイバ)531eを導波すると、光ファイバの非線形特性により非線形な影響を受けてテラヘルツ源121に出力されてしまう。その結果、例えば光導波路531eが長くなると、十分な高さの電力を有するテラヘルツ波を出力させることができなくなることも考えられる。これに対し、光源部501a〜501dのそれぞれの波長可変レーザ111、112から出力されるレーザ光の周波数をすべて異なるようにすると、光導波路531eに導波させる混合波のピーク電力を低くすることができ、非線形な影響を十分に低減させることが可能となる。その結果、テラヘルツ源121から高い電力を有するテラヘルツ波を出力させることができる。
When light having high power at a specific frequency is guided through the optical waveguide (optical fiber) 531e, the light is output to the
本実施形態では、本体部510で生成された合成波が光ファイバからなる光導波路531a〜531dを経由してPLC535まで伝送されている。そのため、光導波路531a〜531dが長くなると、光ファイバにおける分散の影響により光パルス(合成波)のパルス幅が広がってピーク強度が低下してしまうことも考えられる。そこで、PLC535に入力された合成波に対し分散補償(歪補償)を行うようにすることにより、光パルスの広がりを抑制することができる。本実施形態では、分散補償を行う分散補償部をPLC535に設けることができる。
In the present embodiment, the composite wave generated by the
分散補償部を備えたPLCの一例を図17に示す。図17は、分散補償部535bを備えたPLC535’の一例を示す斜視図である。分散補償部535bは、分散補償が可能な非線形デバイスで形成されており、合波部535aで合波された合成波を入力して分散補償した後、これを光導波路531eを経由してセンサヘッド部120に出力するようにしている。このように、分散補償部535bを設けてテラヘルツ源121に出力される合成波の分散補償を行うことにより、さらに高出力かつ安定なテラヘルツ波を発生させることが可能となる。なお、PLC535に分散補償部535bを設けるのに代えて、分散補償ファイバ(DCF)を光導波路531a〜531dまたは光導波路531eに接続するようにしてもよい。
An example of a PLC including a dispersion compensation unit is shown in FIG. FIG. 17 is a perspective view illustrating an example of a
(第6実施形態)
本発明の第6の実施の形態を図18を用いて説明する。図18は、本実施形態のテラヘルツイメージング装置600の全体構成を示すブロック図である。第5実施形態では、光導波路531a〜531dから出力される複数の合成波の位相をそろえるために、PLC535上の光導波路531a〜531dとの接続点から合波部535aまでの光導波路の長さを調整することを説明した。本実施形態のテラヘルツイメージング装置600では、各光源部501a〜501dから出力される合成波の位相をさらに高精度にかつ容易にそろえることが可能となるように、第5実施形態のテラヘルツイメージング装置500にさらにPLC636を追加している。
(Sixth embodiment)
A sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 18 is a block diagram showing the overall configuration of the terahertz imaging apparatus 600 of this embodiment. In the fifth embodiment, in order to align the phases of the plurality of synthesized waves output from the
PLC636は、一端が各光源部501a〜501dに接続され、他端が光導波路531a〜531dに接続されている。光源部501a〜501dはそれぞれ、PLC636上の導波路636a〜636dを経由して光導波路531a〜531dに接続されている。各光源部501a〜501dは、それぞれの光カプラ115から出力される合成波の位相がほぼそろった状態でPLC636に出力されるように構成されるが、本実施形態では各合成波の位相をPLC636でさらに高精度にそろえている。すなわち、光源部501a〜501dと光導波路531a〜531dのそれぞれを接続する導波路636a〜636dをPLC636上に形成し、導波路636a〜636dの長さを調整することで位相のそろった合成波を光導波路531a〜531dに出力するようにしている。
One end of the PLC 636 is connected to the
上記説明のように、本実施形態のテラヘルツイメージング装置600では、光源部501a〜501dから出力される合成波の各位相を高精度にそろえることが可能となり、高精度に位相がそろった合成波を導波路636a〜636dを経由してセンサヘッド部120側に伝送させることができる。また、センサヘッド部120側では、導波路636a〜636dを通過する間に生じた位相誤差を補正して再び位相が高精度にそろうようにPLC535に形成されている導波路の長さを調整する。これにより、高精度に位相のそろった合成波をテラヘルツ源121に出力させることが可能となり、テラヘルツ源121から高い電力を有するテラヘルツ波を出力させることができる。
As described above, in the terahertz imaging apparatus 600 of the present embodiment, the phases of the synthesized waves output from the
なお、上記の実施形態では、いずれも波長可変レーザを2つ備える例について説明したが、波長可変レーザの数は2つに限定されず、3以上備えるようにすることも可能である。本実施の形態における記述は、本発明に係るテラヘルツ波イメージング装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるテラヘルツ波イメージング装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 In each of the above embodiments, the example in which two wavelength tunable lasers are provided has been described. However, the number of wavelength tunable lasers is not limited to two, and three or more wavelength tunable lasers may be provided. The description in the present embodiment shows an example of the terahertz wave imaging apparatus according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the terahertz wave imaging apparatus according to the present embodiment can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention.
10 被測定物
100、200、300、500、600 テラヘルツイメージング装置
110、510 本体部
111、112 波長可変レーザ
113、114 SOA
115 光カプラ
116 LD制御回路
117 アナログ回路
118 データ処理回路
120 センサヘッド部
121 テラヘルツ源
122、124 レンズ
123 検知部
130 複合ケーブル
131、531 光導波路
132 電源ケーブル
133 信号線
141、142、151、152 TEC
143、144 TEC駆動回路
145、146、147、148 PD
149、150 エタロンフィルタ
161、171 基板
162、172、462 アンテナ
163、164、173、174 伝送線路
165、166、175、176、465、466 突起部
167 直流電源
170 テラヘルツ波受信部
180 広帯域検出回路
181 電流計
182 ADC
201 偏波面調整手段
202 出力監視手段
203 制御用信号線
301 波長検知部
302 電圧較正手段
303 制御用信号線
501 光源部
535、636 PLC
535a 合波部
535b 分散補償部
10
143, 144
149, 150
201 Polarization
535a multiplexing
Claims (22)
前記波長可変レーザから出力されるレーザ光を合成して合成波を出力する光カプラと、
前記光カプラから出力される合成波を伝播させる光導波路と、
前記光導波路から前記合成波が照射されると前記合成波のビート成分に相当する周波数のテラヘルツ波を出力するテラヘルツ源と、
を備え、
前記波長可変レーザから出力されるレーザ光を合成した前記合成波を、前記光導波路を介して前記テラヘルツ源に照射して所定周波数のテラヘルツ波を発生させる
ことを特徴とするテラヘルツ波イメージング装置。 Two or more tunable lasers each having a different oscillation wavelength;
An optical coupler for synthesizing laser beams output from the wavelength tunable laser and outputting a combined wave;
An optical waveguide for propagating a composite wave output from the optical coupler;
A terahertz source that outputs a terahertz wave having a frequency corresponding to a beat component of the synthetic wave when the synthetic wave is irradiated from the optical waveguide;
With
A terahertz wave imaging apparatus, wherein the terahertz wave is generated by irradiating the terahertz source through the optical waveguide with the synthesized wave obtained by synthesizing laser beams output from the wavelength tunable laser.
前記テラヘルツ源をセンサヘッド部に備え、
前記センサヘッド部が、前記光導波路で接続された前記本体部とは独立に移動可能に構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The main body unit includes the two or more wavelength tunable lasers and the optical coupler,
The terahertz source is provided in a sensor head part,
The terahertz wave imaging apparatus according to claim 1, wherein the sensor head unit is configured to be movable independently of the main body unit connected by the optical waveguide.
前記LD制御回路が、前記2以上の波長可変レーザのうち少なくとも1つを温度制御して前記レーザ光の波長を調整することにより、前記テラヘルツ源から出力されるテラヘルツ波の周波数が時系列的に調整される
ことを特徴とする請求項1または2に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 An LD control circuit for adjusting the wavelength of the output laser beam by controlling the temperature of the wavelength tunable laser;
The LD control circuit controls the temperature of at least one of the two or more wavelength tunable lasers to adjust the wavelength of the laser light, so that the frequency of the terahertz wave output from the terahertz source is changed in time series. The terahertz wave imaging apparatus according to claim 1, wherein the terahertz wave imaging apparatus is adjusted.
前記波長可変レーザの温度を制御するTEC(Thermo Electric Cooler)と、
前記波長可変レーザから出力されるレーザ光の一部を受光するフォトダイオード(PD)と、
前記合成波の一部を入射して所定周波数のレーザ光のみを通過させる前記波長可変レーザと同数のエタロンフィルタと、
前記エタロンフィルタから前記所定周波数のレーザ光を受光する別のフォトダイオードと、
前記フォトダイオード及び前記別のフォトダイオードからそれぞれの測定結果を入力し、前記レーザ光の出力強度及び波長が安定的に所定値となるように前記TECを制御するTEC駆動回路と、を有する
ことを特徴とする請求項3に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The LD control circuit
TEC (Thermo Electric Cooler) for controlling the temperature of the wavelength tunable laser;
A photodiode (PD) that receives a portion of the laser light output from the wavelength tunable laser;
The same number of etalon filters as the wavelength tunable laser that allows a part of the combined wave to enter and pass only laser light of a predetermined frequency;
Another photodiode that receives the laser light of the predetermined frequency from the etalon filter;
A TEC driving circuit that inputs measurement results from the photodiode and the other photodiode and controls the TEC so that the output intensity and wavelength of the laser light are stably set to predetermined values. The terahertz wave imaging apparatus according to claim 3.
前記波長可変レーザから出力されるレーザ光の出力波長に対応した不純物準位を有し、かつ出力するテラヘルツ波に対し短いキャリア寿命と高い移動度を有する半導体材料からなる基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The terahertz source is
A substrate comprising a semiconductor material having an impurity level corresponding to an output wavelength of laser light output from the wavelength tunable laser and having a short carrier lifetime and high mobility with respect to the output terahertz wave. The terahertz wave imaging apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記テラヘルツ源は、GaN基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 1.5 μm,
The terahertz wave imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the terahertz source includes a GaN substrate.
前記テラヘルツ源は、InGaAsP/InPあるいはInGaAs/AlGaAsからなる基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 1.3 um band or 1.5 um band,
The terahertz wave imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the terahertz source includes a substrate made of InGaAsP / InP or InGaAs / AlGaAs.
前記テラヘルツ源は、II-VI族半導体あるいはIII-V族半導体からなる基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The wavelength tunable laser outputs laser light having a wavelength of 650 nm to 1.5 μm,
The terahertz wave imaging apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the terahertz source includes a substrate made of a II-VI group semiconductor or a III-V group semiconductor.
前記テラヘルツ源は、金属をドープしたII-VI族半導体あるいは金属をドープしたIII-V族半導体からなる基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The wavelength tunable laser outputs laser light having a wavelength of 650 nm to 1.5 μm,
6. The terahertz wave imaging according to claim 1, wherein the terahertz source includes a substrate made of a metal-doped II-VI group semiconductor or a metal-doped III-V group semiconductor. apparatus.
前記テラヘルツ源は、GaAsからなる基板を備える
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The wavelength tunable laser outputs a laser beam having a wavelength of 0.98 um,
The terahertz wave imaging apparatus according to claim 1, wherein the terahertz source includes a substrate made of GaAs.
ことを特徴とする請求項1乃至10のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 11. The terahertz wave imaging apparatus according to claim 1, wherein the optical waveguide includes a polarization plane adjusting unit that rotates or holds a polarization plane of a propagating laser beam.
前記テラヘルツ源から出力されたテラヘルツ波を被測定物に照射したときの反射信号または透過信号を前記検知部で受信する
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 A detector having an antenna having sensitivity in a predetermined frequency band of the terahertz wave, and a broadband detection circuit for detecting a signal received by the antenna;
The terahertz wave according to any one of claims 1 to 11, wherein the detection unit receives a reflected signal or a transmitted signal when the object to be measured is irradiated with the terahertz wave output from the terahertz source. Imaging device.
前記テラヘルツ源から出力されたテラヘルツ波を被測定物に照射したときの反射信号または透過信号を前記検知部で受信する
ことを特徴とする請求項1乃至11のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 A detection unit having a terahertz camera having sensitivity in a predetermined frequency band of the terahertz wave;
The terahertz wave according to any one of claims 1 to 11, wherein the detection unit receives a reflected signal or a transmitted signal when the object to be measured is irradiated with the terahertz wave output from the terahertz source. Imaging device.
前記波長検知部から前記電圧値を入力し、予め保存する較正用テーブルを用いて前記電圧値から前記テラヘルツ波の波長を推定して前記LD制御回路に出力する電圧較正手段と、をさらに備え、
前記LD制御回路は、前記電圧較正手段から前記テラヘルツ波の波長を入力すると、前記テラヘルツ波の波長が所定の目標波長に一致するように前記波長可変レーザの出力を制御する
ことを特徴とする請求項3乃至13のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 A wavelength detector that receives a portion of the terahertz wave output from the terahertz source and converts it into a voltage value;
Voltage calibration means for inputting the voltage value from the wavelength detection unit, estimating the wavelength of the terahertz wave from the voltage value using a calibration table stored in advance, and outputting the wavelength to the LD control circuit;
The LD control circuit, when receiving the wavelength of the terahertz wave from the voltage calibration unit, controls the output of the wavelength tunable laser so that the wavelength of the terahertz wave matches a predetermined target wavelength. Item 14. The terahertz wave imaging apparatus according to any one of Items 3 to 13.
前記突起部の先端が凹状の曲線形状に形成されている
ことを特徴とする請求項12に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The terahertz source has two transmission lines arranged in parallel, and a protrusion formed at substantially the center of each of the transmission lines,
The terahertz wave imaging apparatus according to claim 12, wherein a tip of the protrusion is formed in a concave curved shape.
さらに、前記2以上の光源部のそれぞれと前記光導波路で接続されて前記光カプラから出力されるそれぞれの合成波を入力して合波する合波部と、
前記合波部で合波された混合波を前記テラヘルツ源に照射する別の光導波路と、を備える
ことを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 Including two or more light source units each including the two or more wavelength tunable lasers and the optical coupler;
Further, a combining unit that inputs and combines each of the two or more light source units that are connected by the optical waveguide and that is output from the optical coupler;
The terahertz wave imaging apparatus according to any one of claims 1 to 15, further comprising: another optical waveguide that irradiates the terahertz source with the mixed wave combined by the combining unit.
ことを特徴とする請求項16に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The terahertz wave imaging apparatus according to claim 16, wherein the two or more wavelength tunable lasers emit laser light having the same oscillation wavelength in each of the two or more light source units.
ことを特徴とする請求項16に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 17. The terahertz wave imaging apparatus according to claim 16, wherein the two or more wavelength tunable lasers emit laser beams having the same frequency difference and different oscillation wavelengths in each of the two or more light source units.
ことを特徴とする請求項16乃至18のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The terahertz wave imaging apparatus according to claim 16, wherein the multiplexing unit is formed using a PLC (Planar LIghtwave Circuit).
ことを特徴とする請求項19に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 The terahertz wave imaging apparatus according to claim 19, wherein the PLC includes a phase adjustment unit that aligns phases of synthesized waves input from the two or more optical waveguides.
ことを特徴とする請求項19または20に記載のテラヘルツ波イメージング装置。 21. The terahertz wave imaging apparatus according to claim 19, wherein the PLC includes a dispersion compensation unit that performs dispersion compensation on a combined wave input from the two or more light source units.
ことを特徴とする請求項16乃至21のいずれか1項に記載のテラヘルツ波イメージング装置。
The phase adjustment part which aligns the phase of the synthetic wave input from the said 2 or more light source part, and each outputs to the said 2 or more optical waveguide is provided, The any one of Claim 16 thru | or 21 characterized by the above-mentioned. The terahertz wave imaging apparatus described in the item.
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