JP2011203550A - Heterodyne light source, and light absorption/light loss measuring instrument and spectroscopic analyzer using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ヘテロダイン計測法において使用されるヘテロダイン光源に関し、特に、光周波数コム装置を用いたヘテロダイン光源に関する。 The present invention relates to a heterodyne light source used in an optical heterodyne measurement method, and more particularly to a heterodyne light source using an optical frequency comb device.
光コム又は光周波数コムとは、周波数軸上において等間隔な成分からなる櫛形のスペクトルを持つ光信号のことである。図1は、光周波数コムのスペクトルの例である。光周波数コムのn次モードの周波数f(n)は、次式で表わされる:
f(n)=n・fr+f0,
ここで、f0は、オフセット周波数であり、frは、繰り返し周波数である。光周波数コムは、時間軸上で表わせば、超短光パルスの列となる。
An optical comb or an optical frequency comb is an optical signal having a comb-shaped spectrum made up of equally spaced components on the frequency axis. FIG. 1 is an example of a spectrum of an optical frequency comb. The frequency f (n) of the nth-order mode of the optical frequency comb is expressed by the following equation:
f (n) = n · f r + f 0 ,
Here, f 0 is the offset frequency, f r is the repetition frequency. If the optical frequency comb is represented on the time axis, it becomes a train of ultrashort optical pulses.
近年では、極めて周波数の精度が高い(即ち、上述のオフセット周波数f0、繰り返し周波数frの精度が高い)光周波数コムを発生する光周波数コム装置が開発されている。光周波数コム装置が達成可能な周波数の精度の高さは、協定世界時に同期した光周波数コム装置が、平成21年7月16日に、計量法第134条の規定に基づき新しい長さの特定標準器として指定されたことからも理解されよう。光周波数コム装置については、例えば、特開2008−311629号公報に開示されている。 In recent years, very frequency is highly accurate (i.e., the offset frequency f 0 of the above, a high precision of the repetition frequency f r) optical frequency comb apparatus for generating optical frequency comb has been developed. The frequency accuracy that can be achieved by the optical frequency comb device is determined by the optical frequency comb device synchronized with Coordinated Universal Time on July 16, 2009 by specifying a new length based on the provisions of Article 134 of the Measurement Law. It will be understood from the fact that it was designated as a standard device. An optical frequency comb device is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-311629.
出願人は、光周波数コム装置を光ヘテロダイン計測法において使用される光源(ヘテロダイン光源)に応用することを検討している。光ヘテロダイン計測法とは、概略的には、信号光と参照光とを重ね合わせて得られるビート信号から、該信号光が持っている情報を取り出す方法である。光の周波数は高いため、直接にその波形を電気的信号に変換して観測することは困難である。一方、ビート信号は、信号光と参照光の周波数の差の周波数(ヘテロダイン周波数と呼ばれる)の成分を有しているから、光の周波数よりも相当に低くできる。これは、ビート信号の周波数、振幅、位相は、電気的信号に変換して観測可能であることを意味している。ビート信号から信号光が持つ情報を電気的信号として取り出すことが、光ヘテロダイン計測法の基本的原理である。光ヘテロダイン計測法による計測対象は、広い範囲に及ぶが、例えば、距離計測、速度計測、分光分析等が挙げられる。光ヘテロダイン計測法においては、信号光又は参照光として用いる光の周波数(即ち、波長)の安定性が重要であり、光周波数コム装置をヘテロダイン光源として用いれば、高精度の計測を実現できる可能性がある。 The applicant is considering applying the optical frequency comb device to a light source (heterodyne light source) used in an optical heterodyne measurement method. The optical heterodyne measurement method is generally a method of extracting information held by a signal light from a beat signal obtained by superimposing the signal light and the reference light. Since the frequency of light is high, it is difficult to directly convert the waveform into an electrical signal for observation. On the other hand, the beat signal has a frequency difference component (referred to as a heterodyne frequency) between the signal light and the reference light, and therefore can be considerably lower than the light frequency. This means that the frequency, amplitude, and phase of the beat signal can be observed after being converted into an electrical signal. The basic principle of the optical heterodyne measurement method is to extract information held by the signal light from the beat signal as an electrical signal. The measurement object by the optical heterodyne measurement method covers a wide range, and examples thereof include distance measurement, speed measurement, and spectroscopic analysis. In the optical heterodyne measurement method, the stability of the frequency (that is, wavelength) of light used as signal light or reference light is important, and if an optical frequency comb device is used as a heterodyne light source, there is a possibility that high-precision measurement can be realized. There is.
光周波数コム装置をヘテロダイン光源として使用する場合における一つの問題は、大強度の光周波数コムを発生することが、実際上、困難なことである。光周波数コム装置の構成としては、概略的には、チタンサファイアレーザを用いた構成と、モード同期ファイバレーザを用いた構成が挙げられる。チタンサファイアレーザを用いた光周波数コム装置は、高出力且つ広帯域という特長を有しているが、大型で高価であり、計測装置としての実用的な応用は難しい。一方、モード同期ファイバレーザを用いた光周波数コム装置は、小型且つ安価であるが、出力が低いという問題がある。 One problem in using an optical frequency comb device as a heterodyne light source is that it is practically difficult to generate a high intensity optical frequency comb. As a configuration of the optical frequency comb device, a configuration using a titanium sapphire laser and a configuration using a mode-locked fiber laser can be given. An optical frequency comb device using a titanium sapphire laser has the features of high output and broadband, but is large and expensive, and practical application as a measurement device is difficult. On the other hand, an optical frequency comb device using a mode-locked fiber laser is small and inexpensive, but has a problem of low output.
したがって、高出力で、且つ、周波数の精度が高いヘテロダイン光源を、光周波数コム装置を用いて実現することには、技術的ニーズが存在する。 Therefore, there is a technical need to realize a heterodyne light source with high output and high frequency accuracy using an optical frequency comb device.
したがって、本発明の目的は、高出力で、且つ、周波数の精度が高いヘテロダイン光源を、光周波数コム装置を用いて実現することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to realize a heterodyne light source having high output and high frequency accuracy by using an optical frequency comb device.
本発明の一の観点では、ヘテロダイン光源が、光周波数コムを生成する光周波数コム装置と、第1出力光を発生する第1周波数可変レーザと、第1周波数制御機構と、第2出力光を発生する第2周波数可変レーザと、第2周波数制御機構と、前記第1出力光と前記第2出力光とを重ね合わせて光出力を生成する光結合器とを備えている。第1周波数制御機構は、前記第1出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第1入力光を受け取り、前記第1入力光に応答して前記第1出力光の周波数を前記光周波数コムのm1次モードの周波数からΔ1だけ高い周波数に調整する。第2周波数制御機構は、前記第2出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第2入力光を受け取り、前記第2入力光に応答して前記第2出力光の周波数を前記光周波数コムのm2次モードの周波数からΔ2(≠Δ1)だけ高い周波数に調整する。 In one aspect of the present invention, the heterodyne light source includes an optical frequency comb device that generates an optical frequency comb, a first frequency variable laser that generates first output light, a first frequency control mechanism, and second output light. A second frequency variable laser to be generated; a second frequency control mechanism; and an optical coupler that generates an optical output by superimposing the first output light and the second output light. The first frequency control mechanism receives first input light obtained by superimposing the first output light and the optical frequency comb, and in response to the first input light, sets the frequency of the first output light to the optical frequency comb. Is adjusted to a frequency higher by Δ 1 than the frequency of the m 1st- order mode. The second frequency control mechanism receives the second input light obtained by superimposing the second output light and the optical frequency comb, and responds to the second input light to change the frequency of the second output light to the optical frequency comb. The frequency is adjusted to a frequency higher by Δ 2 (≠ Δ 1 ) than the frequency of the m second- order mode.
このような構成のヘテロダイン光源では、Δ1とΔ2の差分の周波数成分を有するうなりを発生可能であり、光ヘテロダイン計測法に適用可能である。また、本発明のヘテロダイン光源は、光周波数コム装置とは別に第1周波数可変レーザ及び第2周波数可変レーザとが設けられ、第1周波数可変レーザ及び第2周波数可変レーザによってレーザ光出力が生成される。このような構成では、第1周波数可変レーザ及び第2周波数可変レーザとして高出力のレーザ(例えば、半導体レーザ)を使用することにより、光へテロダイン計測法による計測に適した高出力のレーザ光出力を生成することができる。加えて、本発明によって光へテロダイン干渉を利用可能になると、光高周波数のスーパーヘテロダインのほかに、微弱光の光検出や、機械的振動などの影響の減少が可能になる。 In such an arrangement the heterodyne light source is capable of generating a beat having a difference frequency component of the delta 1 and delta 2, it is applicable to an optical heterodyne measuring technique. The heterodyne light source of the present invention includes a first frequency tunable laser and a second frequency tunable laser separately from the optical frequency comb device, and a laser beam output is generated by the first frequency tunable laser and the second frequency tunable laser. The In such a configuration, by using a high-power laser (for example, a semiconductor laser) as the first frequency-variable laser and the second frequency-variable laser, a high-power laser light output suitable for measurement by the optical heterodyne measurement method. Can be generated. In addition, when optical heterodyne interference can be used according to the present invention, in addition to optical high-frequency superheterodyne, it is possible to reduce the effects of weak light detection and mechanical vibration.
ヘテロダイン光源に含まれる周波数可変レーザ及び周波数制御機構の数は、3以上であることも可能である。 The number of frequency variable lasers and frequency control mechanisms included in the heterodyne light source may be three or more.
一実施形態では、第1周波数制御機構が、前記第1入力光から前記第1入力光におけるうなりに対応する電気信号である第1ビート信号を取り出し、前記第1ビート信号に応答して前記第1出力光の周波数を制御するように構成され、第2周波数制御機構が、前記第2入力光から前記第2入力光におけるうなりに対応する電気信号である第2ビート信号を取り出し、前記第2ビート信号に応答して前記第2出力光の周波数を制御するように構成される。 In one embodiment, the first frequency control mechanism extracts a first beat signal, which is an electrical signal corresponding to a beat in the first input light, from the first input light and responds to the first beat signal with the first beat signal. The second frequency control mechanism is configured to control a frequency of one output light, and extracts a second beat signal that is an electric signal corresponding to a beat in the second input light from the second input light, and A frequency of the second output light is controlled in response to the beat signal.
特定用途では、第2周波数制御機構が前記Δ2を走査するように構成されていることも好ましい。 In certain applications, it is also preferable that the second frequency control mechanism is configured to scan the delta 2.
当該ヘテロダイン光源は、下記式:
m1≠m2
を成立させるように構成されることも好ましい。この場合でも、該光周波数コム装置によって生成された光周波数コムを用いるスーパーヘテロダインによってΔ2−Δ1のヘテロダイン周波数のビート信号を生成可能である。
The heterodyne light source has the following formula:
m 1 ≠ m 2
It is also preferable to be configured to establish Even in this case, a beat signal having a heterodyne frequency of Δ 2 −Δ 1 can be generated by superheterodyne using the optical frequency comb generated by the optical frequency comb device.
一実施形態では、第1周波数可変レーザと第2周波数可変レーザが、半導体レーザである。 In one embodiment, the first frequency tunable laser and the second frequency tunable laser are semiconductor lasers.
本発明の他の観点では、光吸収計測装置が、光周波数コムとレーザ光出力とを生成し、該レーザ光出力を計測対象に入射する上記の構成のヘテロダイン光源と、前記計測対象から得られる信号光と前記光周波数コムとを重ね合わせた重ね合わせ光を受け取り、前記重ね合わせ光のうなりに対応するビート信号から前記計測対象における光吸収を計測する計測系とを具備する。 In another aspect of the present invention, an optical absorption measurement device generates an optical frequency comb and a laser light output, and obtains the laser light output from the measurement target, the heterodyne light source having the above-described configuration that enters the measurement target. A measurement system that receives superimposed light obtained by superimposing signal light and the optical frequency comb, and measures light absorption in the measurement target from a beat signal corresponding to the beat of the superimposed light.
本発明の他の観点では、分光分析装置が、光周波数コムとレーザ光出力とを生成し、該レーザ光出力を計測対象に入射する上記の構成のヘテロダイン光源と、前記計測対象から得られる信号光と前記光周波数コムとを重ね合わせた重ね合わせ光を受け取り、前記重ね合わせ光のうなりに対応するビート信号から前記計測対象における光吸収を計測する計測装置とを具備する。計測装置は、前記第2出力光の周波数を特定の周波数範囲で走査させながら前記光吸収を計測することによって前記周波数範囲における前記計測対象の光吸収スペクトルを取得し、前記光吸収スペクトルを用いて分光分析を行う。 In another aspect of the present invention, the spectroscopic analyzer generates an optical frequency comb and a laser light output, and the heterodyne light source having the above-described configuration in which the laser light output is incident on the measurement target, and a signal obtained from the measurement target And a measuring device that receives superimposed light obtained by superimposing light and the optical frequency comb, and measures light absorption in the measurement object from a beat signal corresponding to the beat of the superimposed light. The measurement apparatus acquires the light absorption spectrum of the measurement target in the frequency range by measuring the light absorption while scanning the frequency of the second output light in a specific frequency range, and uses the light absorption spectrum. Perform spectroscopic analysis.
本発明によれば、高出力で、且つ、周波数の精度が高いヘテロダイン光源を、光周波数コム装置を用いて実現することができる。 According to the present invention, a heterodyne light source with high output and high frequency accuracy can be realized using an optical frequency comb device.
図2は、本発明の一実施形態におけるヘテロダイン光源1の構成を示すブロック図である。ヘテロダイン光源1は、光周波数コム装置2と、レーザダイオード(半導体レーザ)3、4と、光検出器5、6と、制御系7、8とを備えている。光周波数コム装置2は、光周波数コムを生成し、光ファイバ11に出力する。一実施形態では、光周波数コム装置2としてモード同期ファイバレーザが使用される。レーザダイオード3は、単色のレーザ光を生成して光ファイバ12に出力し、同様に、レーザダイオード4は、単色のレーザ光を生成して光ファイバ13に出力する。レーザダイオード3、4は、それらが生成するレーザ光の周波数(即ち、波長)が可変であるように構成されている。
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the heterodyne light source 1 in one embodiment of the present invention. The heterodyne light source 1 includes an optical
図3は、光周波数コム装置2が生成する光周波数コムと、レーザダイオード3、4が生成するレーザ光の周波数スペクトルを示す図である。光周波数コム装置2が生成する光周波数コムは、周波数軸上において等間隔な成分から構成されており、当該光周波数コムのn次モードの周波数f(n)は、次式で表わされる:
f(n)=n・fr+f0, ・・・(1)
ここで、f0は、オフセット周波数であり、frは、繰り返し周波数である。一方、レーザダイオード3、4は、単一の周波数成分のレーザ光を発生する。以下では、レーザダイオード3が生成するレーザ光の周波数をf1、レーザダイオード4が生成するレーザ光の周波数をf2と記載する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the optical frequency comb generated by the optical
f (n) = n · f r + f 0 , (1)
Here, f 0 is the offset frequency, f r is the repetition frequency. On the other hand, the
レーザダイオード3が生成するレーザ光の周波数f1が該光周波数コムのm1次モードの周波数f(m1)と、(m1+1)次モードの周波数f(m1+1)の間にあるとして、差分Δ1を下記のように定義する:
Δ1=f1−f(m1). ・・・(2)
同様に、レーザダイオード4が生成するレーザ光の周波数f2が該光周波数コムのm2次モードの周波数f(m2)と、(m2+1)次モードの周波数f(m2+1)の間にあるとして、差分Δ2を下記のように定義する:
Δ2=f2−f(m2). ・・・(3)
ここで、m1、m2は、同じであっても異なっていてもよい。
Frequency f 1 of the laser beam is a
Δ 1 = f 1 −f (m 1 ). ... (2)
Similarly, the frequency f of the laser diode 4 m 2 order mode of the frequency f 2 of the laser beam generating optical frequency comb (m 2), the (m 2 +1) for the
Δ 2 = f 2 −f (m 2 ). ... (3)
Here, m 1 and m 2 may be the same or different.
式(1)、(2)によれば、レーザダイオード3、4が生成するレーザ光の周波数f1、f2は、それぞれ、下記の式で表わされる。
f1=m1・fr+f0+Δ1, ・・・(4)
f2=m2・fr+f0+Δ2, ・・・(5)
一実施形態では、レーザダイオード3、4が生成するレーザ光の周波数f1、f2は、数百THzのオーダーであり、繰り返し周波数frは、数十MHzから数GHzのオーダーである。
According to the equations (1) and (2), the frequencies f 1 and f 2 of the laser light generated by the
f 1 = m 1 · f r + f 0 + Δ 1 , (4)
f 2 = m 2 · f r + f 0 + Δ 2 , (5)
In one embodiment, the frequency f 1, f 2 of the laser beam from the
図2に戻り、光検出器5には、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムとレーザダイオード3が生成したレーザ光とを重ね合わせた光が入力される。詳細には、光ファイバ11に光分波器14が設けられ、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムが分波される。同様に、光ファイバ12に光分波器15が設けられ、レーザダイオード3が生成したレーザ光が分波される。光分波器14、15によって分波された光周波数コム及びレーザ光は、光結合器16に入力される。光分波器14、15の出力と光結合器16の入力は、光ファイバで結合される。光結合器16は、その出力が光検出器5に接続されており、受け取った光周波数コム及びレーザ光を合波して光検出器5に供給する。光検出器5は、受け取った入力光(即ち、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムとレーザダイオード3が生成したレーザ光とを重ね合わせた光)に対応する電気信号5aを出力する。電気信号5aには、レーザダイオード3が発生したレーザ光の周波数f1と、光周波数コムのm1次モードの周波数f(m1)(=m1・fr+f0)との差分Δ1の周波数の成分が含まれている。
Returning to FIG. 2, the photodetector 5 receives light obtained by superimposing the optical frequency comb generated by the optical
同様に、光検出器6には、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムとレーザダイオード4が生成したレーザ光とを重ね合わせた光が入力される。詳細には、光ファイバ11に光分波器17が設けられ、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムが分波される。同様に、光ファイバ13に光分波器18が設けられ、レーザダイオード4が生成したレーザ光が分波される。光分波器17、18によって分波された光周波数コム及びレーザ光は、光結合器19に入力される。光分波器17、18の出力と光結合器19の入力は、光ファイバで結合される。光結合器19は、その出力が光検出器6に接続されており、受け取った光周波数コム及びレーザ光を合波して光検出器6に出力する。光検出器6は、受け取った入力光(即ち、光周波数コム装置2が生成した光周波数コムとレーザダイオード4が生成したレーザ光とを重ね合わせた光)に対応する電気信号6aを出力する。電気信号6aには、レーザダイオード4が発生したレーザ光の周波数f2と、光周波数コムのm2次モードの周波数f(m2)(=m2・fr+f0)との差分Δ2の周波数の成分が含まれている。
Similarly, light obtained by superimposing the optical frequency comb generated by the optical
制御系7は、レーザダイオード3が発生するレーザ光の周波数f1と、光周波数コムのm1次モードの周波数f(m1)との差分Δ1が所望値になるようにレーザダイオード3が発生するレーザ光の周波数f1を制御する。この制御は、光検出器5から出力される電気信号5aに応答して行われる。電気信号5aには差分Δ1の周波数の成分が含まれているから、電気信号5aから差分Δ1を検出することができる。制御系7は、検出した差分Δ1に応答して差分Δ1が所望値になるようにレーザダイオード3が発生するレーザ光の周波数f1を制御する。
同様に、制御系8は、レーザダイオード4が発生するレーザ光の周波数f2と、光周波数コムのm2次モードの周波数f(m2)との差分Δ2が所望値になるようにレーザダイオード4が発生するレーザ光の周波数f2を制御する。この制御は、光検出器6から出力される電気信号6aに応答して行われる。電気信号6aには差分Δ2の周波数の成分が含まれているから、電気信号6aから差分Δ2を検出することができる。制御系8は、検出した差分Δ2に応答して差分Δ2が所望値になるようにレーザダイオード4が発生するレーザ光の周波数f2を制御する。ここで、レーザダイオード4が発生するレーザ光の周波数f2は、差分Δ2が上述の差分Δ1とは異なるように調節される。
Similarly, the
光ファイバ11には、光周波数コム出力ポート21が設けられる。光周波数コム出力ポート21は、光周波数コム装置2によって生成された光周波数コムを外部に出力する。一方、光ファイバ12には、レーザダイオード3、4が発生したレーザ光を合波する光結合器20が設けられる。光結合器20の出力側にレーザ光出力ポート22が設けられる。レーザ光出力ポート22は、光結合器20によって合波された光(レーザダイオード3、4が発生したレーザ光を合波して得られる光)を外部に出力する。以下では、光周波数コム出力ポート21から出力される光を光周波数コム出力と呼び、レーザ光出力ポート22から出力される光をレーザ光出力と呼ぶことにする。
The
上記のように構成されたヘテロダイン光源1は、光ヘテロダイン計測法に使用可能である。レーザ光出力ポート22から出力されたレーザ光出力を信号光の生成に用い、光周波数コム出力ポート21から出力された光周波数コム出力を参照光として用いることにより、Δ2−Δ1のヘテロダイン周波数の成分を有するビート信号が得られる。このビート信号から周波数f2における計測対象に関する情報を得る、即ち、光ヘテロダイン計測を行うことができる。例えば、Δ2−Δ1が約50kHzになるようにレーザダイオード3、4を設定すれば、ビート信号の50kHz近傍の周波数帯域の成分から周波数f2における計測対象に関する情報を得ることができる。このとき、制御系8によってΔ2を逐次に走査すれば、計測対象から情報を得る周波数f2を走査することができる。
The heterodyne light source 1 configured as described above can be used for an optical heterodyne measurement method. The laser light output output from the laser
ここで、レーザダイオード3、4が生成するレーザ光の周波数f1、f2が近接していなくても、即ち、m1≠m2であっても、スーパーヘテロダインによって光ヘテロダイン計測を行うことができることに留意されたい。光周波数コム出力を併用することにより、m1≠m2であり、周波数f1、f2が近接していなくても、ヘテロダイン周波数Δ2−Δ1の成分を有するビート信号が得られる。これは、レーザダイオード3、4が生成すべきレーザ光の周波数f1、f2の自由度が高いことを意味しており、光ヘテロダイン計測法によって計測を行う上で好適である。
Here, even if the frequencies f 1 and f 2 of the laser beams generated by the
本実施形態のヘテロダイン光源1の利点は、高出力で、且つ、生成した光(レーザ光出力及び光周波数コム)の周波数の精度を高くできることである。光周波数コム出力ポート21から出力される光周波数コムは、例えば光周波数コム装置2としてモード同期ファイバレーザを用いることにより、その周波数の精度を高くすることができる。また、レーザ光出力ポート22から出力されるレーザ光出力は、光周波数コムを基準として周波数が制御されるため、やはり、周波数の精度を高くすることができる。その一方で、レーザ光出力は、レーザダイオード3、4によって生成されるので、高い出力を実現できる。このような利点を持つ本実施形態のヘテロダイン光源1によって光ヘテロダイン干渉を利用できると、光高周波数のスーパーヘテロダインのほかに、微弱光の光検出や、機械的振動などの影響の減少が可能になる。
The advantage of the heterodyne light source 1 of the present embodiment is that it has high output and the frequency accuracy of the generated light (laser light output and optical frequency comb) can be increased. The frequency accuracy of the optical frequency comb output from the optical frequency
以上には、本発明のヘテロダイン光源の実施形態が具体的に記載されているが、本発明の実施形態は、当業者には自明な様々な変更がなされ得る。例えば、レーザダイオード3、4の代わりに、他の周波数可変レーザを用いてもよい。
Although the embodiments of the heterodyne light source of the present invention have been specifically described above, various modifications obvious to those skilled in the art can be made to the embodiments of the present invention. For example, other frequency variable lasers may be used instead of the
また、図2には、2つのレーザダイオード3、4によって生成されたレーザ光を合波してレーザ光出力を生成するヘテロダイン光源1が図示されているが、3以上のレーザダイオード(周波数可変レーザ)によって生成されたレーザ光を合波してレーザ光出力を生成してもよい。この場合、対応する数の光検出器及び制御系がヘテロダイン光源1に追加される。例えば、周波数f3のレーザ光を生成する第3のレーザダイオードが、レーザダイオード3、4に追加して設けられてもよい。ここで、周波数f3が、光周波数コム出力のm3次モードの周波数f(m3)と、(m3+1)次モードの周波数f(m3+1)の間にあるとして、差分Δ3を
Δ3=f3−f(m3), ・・・(6)
として定義する。この場合には、レーザ光出力から生成される信号光と光周波数コム出力とを重ね合わせた光から、Δ2−Δ1のヘテロダイン周波数の成分と、Δ3−Δ1のヘテロダイン周波数の成分とを有するビート信号が得られる。ヘテロダイン周波数Δ2−Δ1、及びΔ3−Δ1を適切に調節すれば、周波数f2、f3における計測対象に関する情報が、異なる周波数帯に含まれるようなビート信号を生成することができる。これは、周波数f2、f3に関する情報を同一のビート信号から得られることを意味しており、多くの情報を得る光ヘテロダイン計測を実現する上で好ましい。
FIG. 2 shows a heterodyne light source 1 that combines laser beams generated by two
Define as In this case, a component of the heterodyne frequency of Δ 2 −Δ 1 and a component of the heterodyne frequency of Δ 3 −Δ 1 are obtained from the light obtained by superimposing the signal light generated from the laser light output and the optical frequency comb output. A beat signal having By appropriately adjusting the heterodyne frequencies Δ 2 −Δ 1 and Δ 3 −Δ 1 , it is possible to generate a beat signal in which information on the measurement target at the frequencies f 2 and f 3 is included in different frequency bands. . This means that information on the frequencies f 2 and f 3 can be obtained from the same beat signal, which is preferable in realizing optical heterodyne measurement for obtaining a large amount of information.
続いて、図2の構成のヘテロダイン光源1の具体的な応用例について説明する。図2の構成のヘテロダイン光源1の好適な応用例の一つは、光吸収や光損失の計測である。以下では、光吸収や光損失を計測する計測システムへのヘテロダイン光源1の応用について述べる。 Next, a specific application example of the heterodyne light source 1 having the configuration shown in FIG. 2 will be described. One suitable application example of the heterodyne light source 1 having the configuration shown in FIG. 2 is measurement of light absorption and light loss. Hereinafter, application of the heterodyne light source 1 to a measurement system for measuring light absorption and light loss will be described.
図4は、図2の構成のヘテロダイン光源1を用いた分光分析システム30の構成を示す図である。図4の分光分析システム30は、計測対象の光吸収を計測して分光分析を行う構成を有しており、ヘテロダイン光源1と計測セル31と光検出器32と信号処理装置33とを備えている。計測対象は計測セル31に収容される。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a
ヘテロダイン光源1のレーザ光出力ポート22は光ファイバ34の一端に接続されており、ヘテロダイン光源1によって生成されたレーザ光出力は、光ファイバ34に入力される。光ファイバ34の他端から出射されたレーザ光出力は、集光レンズ35を介して計測セル31に入射される。レーザ光出力が計測セル31を通過すると、計測対象による光吸収が起こる。計測セル31から出射された信号光は、対物レンズ36を介して光ファイバ37に入射される。一方、ヘテロダイン光源1の光周波数コム出力ポート21は光ファイバ38の一端に接続されており、ヘテロダイン光源1によって生成された光周波数コム出力は、光ファイバ38に入力される。光結合器39は、計測セル31から出射された信号光と光周波数コム出力とを合波し、光ファイバ39aを介して光検出器32に送る。信号処理装置33は、光検出器32から出力される電気信号に対して分光分析のための演算処理を行う。
The laser
このような分光分析システム30の構成では、以下のようにして計測セル31に収容されている計測対象の分光分析が行われる。光検出器32は、計測セル31から出射された信号光とヘテロダイン光源1によって生成された光周波数コム出力とを重ね合わせた光を受け取る。したがって、光検出器32から出力される電気信号は、ヘテロダイン周波数Δ2−Δ1の成分を有するビート信号を含んでいる。このビート信号から、信号処理装置33は、計測セル31の計測対象の周波数f2における光吸収を得ることができる。このとき、差分Δ2を所望の範囲で走査すれば、即ち、ヘテロダイン光源1のレーザダイオード4が生成するレーザ光の周波数f2を所望の周波数範囲で走査すれば、当該周波数範囲における光吸収スペクトルを得ることができる。得られた光吸収スペクトルを用いて計測セル31内の計測対象の分光分析を行うことができる。
In such a configuration of the
一方、図5は、図2の構成のヘテロダイン光源1を用いた光損失計測システム40の構成を示す図である。図5の光損失計測システム40は、計測対象である光デバイス41で発生する光損失を計測する構成を有しており、ヘテロダイン光源1と光検出器42と信号処理装置43とを備えている。
On the other hand, FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an optical
ヘテロダイン光源1のレーザ光出力ポート22は光ファイバ44の一端に接続されており、ヘテロダイン光源1によって生成されたレーザ光出力は、光ファイバ44に入力される。光ファイバ44の他端は、光サーキュレータ45の第1のポートに接続されている。光サーキュレータ45の第2のポートは、光ファイバ46を介して光デバイス41に接続される。光サーキュレータ45の第3のポートは、光ファイバ47を介して光結合器48に接続される。光サーキュレータ45は、ヘテロダイン光源1によって生成されたレーザ光出力を光ファイバ46を介して光デバイス41に送ると共に、光デバイス41から返ってきた信号光を光ファイバ47を介して光結合器48に送る。一方、ヘテロダイン光源1の光周波数コム出力ポート21は光ファイバ49の一端に接続されており、ヘテロダイン光源1によって生成された光周波数コム出力は、光ファイバ49に入力される。光結合器48は、光デバイス41から出射された信号光と光周波数コム出力とを合波し、光ファイバ50を介して光検出器42に送る。信号処理装置43は、光検出器42から出力される電気信号に対して光損失計測のための演算処理を行う。
The laser
このような光損失計測システム40の構成では、以下のようにして光デバイス41における光損失の計測が行われる。光検出器42は、光デバイス41から出射された信号光とヘテロダイン光源1によって生成された光周波数コム出力とを重ね合わせた光を受け取る。したがって、光検出器42から出力される電気信号は、ヘテロダイン周波数Δ2−Δ1の成分を有するビート信号を含んでいる。このビート信号から、信号処理装置43は、光デバイス41の周波数f2における光損失を得ることができる。このとき、ヘテロダイン光源1のレーザダイオード4が生成するレーザ光の周波数f2を所望の周波数範囲で走査すれば、当該周波数範囲における光損失の周波数特性を得ることができる。
In such a configuration of the optical
この光損失計測システムにおいて、光デバイス41の代わりに光ネットワークを接続すれば、当該光ネットワークの周波数f2における光吸収を計測できる。また、光デバイス41の代わりに様々な計測対象を接続すれば、当該計測対象の光損失を計測することができる。 In this optical loss measuring system, by connecting the optical network in place of the optical device 41 can measure the light absorption at the frequency f 2 of the optical network. If various measurement objects are connected instead of the optical device 41, the optical loss of the measurement object can be measured.
以上には、光吸収の計測のための計測システムの構成を提示したが、本発明のヘテロダイン光源は、他にも、光ヘテロダイン計測法による様々な計測に応用できる。例えば、本発明のヘテロダイン光源は、光ヘテロダイン計測法による物体の速度の計測にも適用可能である。 Although the configuration of the measurement system for measuring the light absorption has been described above, the heterodyne light source of the present invention can be applied to various other measurements by the optical heterodyne measurement method. For example, the heterodyne light source of the present invention can be applied to the measurement of the speed of an object by the optical heterodyne measurement method.
1:ヘテロダイン光源
2:光周波数コム装置
3、4:レーザダイオード
5、6:光検出器
5a、6a:電気信号
7、8:制御系
11、12、13:光ファイバ
14、15、17、18:光分波器
16、19、20:光結合器
21:光周波数コム出力ポート
22:レーザ光出力ポート
30:分光分析システム
31:計測セル
32:光検出器
33:信号処理装置
34、37、38:光ファイバ
35:集光レンズ
36:対物レンズ
39:光結合器
39a:光ファイバ
40:光損失計測システム
41:光デバイス
42:光検出器
43:信号処理装置
44:光ファイバ
45:光サーキュレータ
46:光ファイバ
47:光ファイバ
48:光結合器
49、50:光ファイバ
1: heterodyne light source 2: optical
Claims (7)
第1出力光を発生する第1周波数可変レーザと、
前記第1出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第1入力光を受け取り、前記第1入力光に応答して前記第1出力光の周波数を前記光周波数コムのm1次モードの周波数からΔ1だけ高い周波数に調整する第1周波数制御機構と、
第2出力光を発生する第2周波数可変レーザと、
前記第2出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第2入力光を受け取り、前記第2入力光に応答して前記第2出力光の周波数を前記光周波数コムのm2次モードの周波数からΔ2(≠Δ1)だけ高い周波数に調整する第2周波数制御機構と、
前記第1出力光と前記第2出力光とを重ね合わせて光出力を生成する光結合器
とを備える
ヘテロダイン光源。 An optical frequency comb device for generating an optical frequency comb;
A first frequency tunable laser that generates first output light;
Receiving a first input light obtained by superimposing the first output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the first output light in response to the first input light to a frequency of the m first- order mode of the optical frequency comb; a first frequency control mechanism for adjusting the high frequency by delta 1 from
A second frequency tunable laser that generates second output light;
Receiving a second input light obtained by superimposing the second output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the second output light in response to the second input light to a frequency of the m second- order mode of the optical frequency comb. A second frequency control mechanism that adjusts to a frequency that is higher by Δ 2 (≠ Δ 1 ),
A heterodyne light source comprising: an optical coupler that generates an optical output by superimposing the first output light and the second output light.
前記第1周波数制御機構が、前記第1入力光から前記第1入力光におけるうなりに対応する電気信号である第1ビート信号を取り出し、前記第1ビート信号に応答して前記第1出力光の周波数を制御するように構成され、
前記第2周波数制御機構が、前記第2入力光から前記第2入力光におけるうなりに対応する電気信号である第2ビート信号を取り出し、前記第2ビート信号に応答して前記第2出力光の周波数を制御するように構成された
ヘテロダイン光源。 The heterodyne light source according to claim 1,
The first frequency control mechanism extracts a first beat signal, which is an electrical signal corresponding to a beat in the first input light, from the first input light, and outputs the first output light in response to the first beat signal. Configured to control the frequency,
The second frequency control mechanism extracts a second beat signal, which is an electrical signal corresponding to a beat in the second input light, from the second input light, and outputs the second output light in response to the second beat signal. Heterodyne light source configured to control frequency.
前記第2周波数制御機構が、前記Δ2を走査するように構成された
ヘテロダイン光源。 The heterodyne light source according to claim 1 or 2,
The heterodyne light source second frequency control mechanism, which is configured to scan the delta 2.
下記式:
m1≠m2
を成立させる
ヘテロダイン光源。 The heterodyne light source according to any one of claims 1 to 3,
Following formula:
m 1 ≠ m 2
Heterodyne light source.
前記第1周波数可変レーザと前記第2周波数可変レーザが、半導体レーザである
ヘテロダイン光源。 The heterodyne light source according to claim 1 or 2,
The heterodyne light source, wherein the first frequency variable laser and the second frequency variable laser are semiconductor lasers.
前記計測対象から得られる信号光と前記光周波数コムとを重ね合わせた重ね合わせ光を受け取り、前記重ね合わせ光のうなりに対応するビート信号から前記計測対象における光吸収又は光損失を計測する計測系
とを具備し、
前記ヘテロダイン光源が、
前記光周波数コムを生成する光周波数コム装置と、
第1出力光を発生する第1周波数可変レーザと、
前記第1出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第1入力光を受け取り、前記第1入力光に応答して前記第1出力光の周波数を前記光周波数コムのm1次モードの周波数からΔ1だけ高い周波数に調整する第1周波数制御機構と、
第2出力光を発生する第2周波数可変レーザと、
前記第2出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第2入力光を受け取り、前記第2入力光に応答して前記第2出力光の周波数を前記光周波数コムのm2次モードの周波数からΔ2(≠Δ1)だけ高い周波数に調整する第2周波数制御機構と、
前記第1出力光と前記第2出力光とを重ね合わせて前記レーザ光出力を生成する光結合器
とを備える
光吸収/損失計測装置。 A heterodyne light source for generating an optical frequency comb and a laser light output, and entering the laser light output to a measurement target;
A measurement system that receives superimposed light obtained by superimposing the signal light obtained from the measurement target and the optical frequency comb, and measures light absorption or loss in the measurement target from a beat signal corresponding to the beat of the superimposed light And
The heterodyne light source is
An optical frequency comb device for generating the optical frequency comb;
A first frequency tunable laser that generates first output light;
Receiving a first input light obtained by superimposing the first output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the first output light in response to the first input light to a frequency of the m first- order mode of the optical frequency comb; a first frequency control mechanism for adjusting the high frequency by delta 1 from
A second frequency tunable laser that generates second output light;
Receiving a second input light obtained by superimposing the second output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the second output light in response to the second input light to a frequency of the m second- order mode of the optical frequency comb. A second frequency control mechanism that adjusts to a frequency that is higher by Δ 2 (≠ Δ 1 ),
An optical absorption / loss measurement apparatus comprising: an optical coupler that superimposes the first output light and the second output light to generate the laser light output.
前記計測対象から得られる信号光と前記光周波数コムとを重ね合わせた重ね合わせ光を受け取り、前記重ね合わせ光のうなりに対応するビート信号から前記計測対象における光吸収を計測する計測装置
とを具備し、
前記ヘテロダイン光源が、
前記光周波数コムを生成する光周波数コム装置と、
第1出力光を発生する第1周波数可変レーザと、
前記第1出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第1入力光を受け取り、前記第1入力光に応答して前記第1出力光の周波数を前記光周波数コムのm1次モードの周波数からΔ1だけ高い周波数に調整する第1周波数制御機構と、
第2出力光を発生する第2周波数可変レーザと、
前記第2出力光と前記光周波数コムとを重ね合わせた第2入力光を受け取り、前記第2入力光に応答して前記第2出力光の周波数を前記光周波数コムのm2次モードの周波数からΔ2(≠Δ1)だけ高い周波数に調整する第2周波数制御機構と、
前記第1出力光と前記第2出力光とを重ね合わせて前記レーザ光出力を生成する光結合器
とを備え、
前記計測装置が、前記第2出力光の周波数を特定の周波数範囲で走査させながら前記光吸収を計測することによって前記周波数範囲における前記計測対象の光吸収スペクトルを取得し、前記光吸収スペクトルを用いて分光分析を行う
分光分析装置。 A heterodyne light source for generating an optical frequency comb and a laser light output, and entering the laser light output to a measurement target;
A measuring device that receives superimposed light obtained by superimposing the signal light obtained from the measurement target and the optical frequency comb, and measures light absorption in the measurement target from a beat signal corresponding to the beat of the superimposed light; And
The heterodyne light source is
An optical frequency comb device for generating the optical frequency comb;
A first frequency tunable laser that generates first output light;
Receiving a first input light obtained by superimposing the first output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the first output light in response to the first input light to a frequency of the m first- order mode of the optical frequency comb; a first frequency control mechanism for adjusting the high frequency by delta 1 from
A second frequency tunable laser that generates second output light;
Receiving a second input light obtained by superimposing the second output light and the optical frequency comb, and changing the frequency of the second output light in response to the second input light to a frequency of the m second- order mode of the optical frequency comb. A second frequency control mechanism that adjusts to a frequency that is higher by Δ 2 (≠ Δ 1 ),
An optical coupler that superimposes the first output light and the second output light to generate the laser light output;
The measurement device acquires the light absorption spectrum of the measurement object in the frequency range by measuring the light absorption while scanning the frequency of the second output light in a specific frequency range, and uses the light absorption spectrum. A spectroscopic analyzer that performs spectroscopic analysis.
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