JP2012047641A - 光パルス発生装置、テラヘルツ分光装置およびトモグラフィ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構成でポンプ光とプローブ光との時間差を高速に変化できる光パルス発生装置を提供すること。
【解決手段】 ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置は、光源１と、光源１からの光を変調することで、その光をポンプ光とプローブ光とに分岐する変調手段２、３と、を備える。変調手段２、３は、光を変調する周波数が可変になるように構成されている。変調手段２、３でその周波数を変えることで、ポンプ光が対象物に入射する時間とプローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させる。
【選択図】 図１
【解決手段】 ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置は、光源１と、光源１からの光を変調することで、その光をポンプ光とプローブ光とに分岐する変調手段２、３と、を備える。変調手段２、３は、光を変調する周波数が可変になるように構成されている。変調手段２、３でその周波数を変えることで、ポンプ光が対象物に入射する時間とプローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させる。
【選択図】 図１
Description
本発明は、光パルス発生装置、テラヘルツ分光装置およびトモグラフィ装置に関する。
近年、テラヘルツ波（周波数：３０ＧＨｚ〜３０ＴＨｚ）を用いた非破壊なセンシング技術が開発されている。テラヘルツ波の応用分野として、透視検査装置としてイメージングを行う技術、吸収スペクトルや複素誘電率を求めて分子の結合状態などの物性を調べる分光技術、キヤリア濃度や移動度、導電率などの物性を調べる計測技術、生体分子の解析技術が開発されている。
そのなかで代表的なテラヘルツパルスを用いたテラヘルツ時間領域分光装置は、フェムト秒レーザを２つに分岐させ、それぞれをテラヘルツ発生素子へのポンプ光、検出素子へのプローブ光として照射する光学系となっている。そのポンプ光、プローブ光を照射する時間の差を変化させることで、テラヘルツパルスをサンプリングにより計測し、物体との相互作用による変化を分析することができる。
時間差を調整する方法として一般的には機械的な遅延ステージが用いられるが、振動が雑音になったり、調整する時間がｍｓｅｃオーダーとなって信号取得時間が速くできないなどの課題があった。そこで、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋ Ｌｏｏｐ）制御により同期させた２台のファイバレーザを用いて、それぞれをポンプ光、プローブ光とし、ＰＬＬでの位相差を可変とする非同期サンプリング方法が高速な光遅延方法として注目されている（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１の方法ではレーザを２台用いているのでコストが増大するという課題があった。
そこで本発明は、簡単な構成でポンプ光とプローブ光との時間差を高速に変化できる光パルス発生装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての光パルス発生装置は、ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置であって、光源と前記光源からの光を変調することで、該光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する変調手段と、を備え、前記変調手段は、前記光を変調する周波数が可変になるように構成されており、前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光が対象物に入射する時間と前記プローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させることを特徴とする。
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
簡単な構成でポンプ光とプローブ光の時間差を高速に変化できる光パルス発生装置を提供できる。
〔実施形態１〕
本発明の非同期サンプリングのためのポンプ光およびプローブ光を供給する光パルス発生装置について図１を用いて説明する。本実施形態の光パルス発生装置は、光源１と、変調部２、３と、を備える。光源としてはシングルモードで連続発振するレーザ、たとえばレーザダイオードＬＤ１を用いる。ＬＤ以外でもＹＡＧのような固体レーザ、ファイバレーザ等でもよい。変調部は、変調器２と外部電源３を有し、光源１からの光を周期的に変調することでポンプ光とプローブ光とに分岐する。変調部２は、電気光学変調器（ＥＯ変調器）、たとえばマッハツェンダー変調器（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ：ＭＺＭ）２であり、光源１からの光を２値変調することで光パルス列に変換する。外部電源３は、たとえばシンセサイザーとアンプにより構成されて変調する周波数が可変でＭＺＭをオン・オフ変調できるようになっており、典型的には１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ程度まで変化させることができる。
本発明の非同期サンプリングのためのポンプ光およびプローブ光を供給する光パルス発生装置について図１を用いて説明する。本実施形態の光パルス発生装置は、光源１と、変調部２、３と、を備える。光源としてはシングルモードで連続発振するレーザ、たとえばレーザダイオードＬＤ１を用いる。ＬＤ以外でもＹＡＧのような固体レーザ、ファイバレーザ等でもよい。変調部は、変調器２と外部電源３を有し、光源１からの光を周期的に変調することでポンプ光とプローブ光とに分岐する。変調部２は、電気光学変調器（ＥＯ変調器）、たとえばマッハツェンダー変調器（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ：ＭＺＭ）２であり、光源１からの光を２値変調することで光パルス列に変換する。外部電源３は、たとえばシンセサイザーとアンプにより構成されて変調する周波数が可変でＭＺＭをオン・オフ変調できるようになっており、典型的には１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚ程度まで変化させることができる。
ここで、ＭＺＭは一般的に図２の１０のような構造となっている。ＭＺＭは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯｘ：ＬＮ）などの電気光学結晶基板１１、ＬＤからの光入力ファイバ１２、電気光学結晶に作りこんだＹ分岐光導波路１３、１４、変調電極１５ａ〜１５ｃ、光出力ファイバ１６、１７から構成される。これは周知のＭＺＭ構造であり、外部電源３から電極間に印加される電圧がＶ０（変調信号がオン）のときには光出力ファイバ１６に光が出力され、電圧がＶ１（変調信号がオフ）のときには光出力ファイバ１７に光が出力されるようになっている。すなわち、光導波路１３の光と光導波路１４の光の位相が同位相で合波する場合には光出力ファイバ１６に、逆位相で合波する場合には光出力ファイバ１７に光が出力されるようにしている。したがって、光出力ファイバ１６と光出力ファイバ１７の光出力は時間的に位相が反転している。このような変調技術は光通信用光源として用いる場合には一般的な技術であり、ＧＨｚオーダーの高速変調やドリフト制御には周知の技術を用いればよい。なお、光出力ファイバ１６はファイバ４に連結されており、光出力ファイバ１７はファイバ５に連結されている。繰り返しパルスの場合には、図１のパルス波形のように、ファイバ４を介して出力されるｔ１、ｔ２、ｔ３のパルスに対して、ファイバ５を介して出力されるパルスは時間的に相補的な位置（互いにパルス列の中間に配置）となるようにできる。したがって、２つのパルスの間には一定の位相差があるようになる。
このとき、外部電源３の周波数（変調周波数）ｆｍを変化させると、パルス間隔も変化することになる。しかし、同一の電源で変調して互いに逆位相の２つのパルスを出力しているため、光出力ファイバ１６、１７（ファイバ４、５）に出力されるそれぞれのパルスにはやはり一定の位相関係があることになる。その様子について図３を用いて説明する。ａ）をポンプパルス、ｂ）をプローブパルスとする。ポンプパルスのパルス間隔がＴ、Ｔ＋Δｔ、Ｔ＋２Δｔ、と変化した場合に、直近のプローブパルスとの時間差はＴ／２、Ｔ／２＋Δｔ／２、Ｔ／２＋Δｔ、Ｔ／２＋３Δｔ／２と変化していく。予め存在している２つのパルスの初期位相差に相当する時間Ｔ／２を伝搬距離の差を設けて時間差を０にすることができれば、ポンプパルスとプローブパルスの時間差をΔｔ／２、Δｔ、３Δｔ／２・・・と変化させることができる。たとえば、１０ＧＨｚの変調周波数を基本とすれば周期は１００ｐｓであり、周期を１０１ｐｓ、１０２ｐｓ、１０３ｐｓ・・・と変化させれば、ポンプパルスとプローブパルスの時間差は０、０．５ｐｓ、１ｐｓ、１．５ｐｓ・・・と変化することになる。また、初期位相調整には１００／２＝５０ｐｓの時間差をキャンセルするために、ポンプ光の伝搬距離を空気中で５０ｐｓ×３Ｅ＋８ｍ／ｓ＝１．５ｃｍ（屈折率１．５の光ファイバであれば１ｃｍ）だけ長くすればよい。なお、図３においてはこのポンプパルスとプローブパスルとの時間差をわかり易く説明するために、１パルス毎に間隔が変わる場合について描いているが、実際には変調周波数ｆｍに相当する時間周期は、変調周波数を変化させる時間よりも短いことが多い。その場合には、複数パルスは同一間隔であって、あるパルス数毎に間隔が変わることになる。
さて、図１に再び戻ると、ＭＺＭ２からの２つの光出力はパルスが波長チャーピングを受けた形でバンド幅が広がっている。それぞれ第１及び第２のシングルモードファイバＳＭＦ６ａ、６ｂでパルス波形を整えたのち、ファイバアンプなどの第１及び第２の光増幅部７ａ、７ｂで光出力を増幅し、第１及び第２の分散補償部８ａ、８ｂによりパルス圧縮を行なう。その結果、典型的には１００ｆｓ程度のパルス幅となる。ここで、一般にＭＺＭ２の光出力ファイバ１６、１７からの光出力は光出力ファイバ１６の方が大きい。したがって、ＭＺＭ２の後段（ＳＭＦ、光増幅部、分散補償部）の構成は、ＭＺＭ２からの光出力毎に最適化すればよく、構成（ファイバの分散値、増幅率など）を互いに異ならせることができる。また、パルス幅、出力は必ずしも同じである必要はなく、たとえばポンプ側の第１の分散補償部８ａからの光出力は平均で１００ｍＷ前後、第２の分散補償部８ｂからの光出力は１０ｍＷ前後である。
このポンプパルスとプローブパルスとを用いたテラヘルツ時間領域分光装置を図４に示す。分散補償部４０ａ、４０ｂはそれぞれ図１で８ａ、８ｂに相当するものである（図の中での上下は入れ替わっている）。分散補償部４０ａの光出力はテラヘルツ波発生のためのテラヘルツ波発生素子４１たとえばＩｎＧａＡｓベースの光伝導素子に照射される。また、分散補償部４０ｂの光出力はテラヘルツ波検出のためのテラヘルツ波検出素子４２たとえば同様に光伝導素子に照射される。
テラヘルツ波発生素子４１で発生したテラヘルツ波は放物面鏡４３ａで平行光にされ、ハーフミラー（メッシュ、Ｓｉなど）４４で反射されて再び放物面鏡４３ｂで集光して測定サンプル４５に照射される。サンプル４５の上に書かれた矢印はサンプルを２次元的にスキャンできるステージに載せられていることを示している。サンプルで反射されたテラヘルツ波は放物面鏡４３ｂで反射し、ハーフミラー４４を透過した成分を放物面鏡４３ｃで集光してテラヘルツ波検出素子４２にて検出する。必要に応じて発生素子４１を変調部４６で変調して信号取得部４７ではロックインアンプを用いて同期検波を行なって、微小信号を高いＳ／Ｎ比で観測することができる。検出信号はアンプ４８で増幅したのちに、信号取得部４７を経てデータ処理出力部４９でテラヘルツパルスの波形として観察できるようにする。ただし、信号出力が高い場合にはこの同期検波系（変調部４６およびロックインアンプ）は省略してアンプ４８の出力をそのまま信号取得部４７で取得することもできる。
図４で、ＭＺＭおよび外部電源は図１のＭＺＭ２および外部電源３と同じものであり同符号を用いている。ＭＺＭ２および外部電源３は、データ処理出力部からの制御で変調周波数ｆｍをｆ１からｆ２に変化させながら、上記に説明した時間差に相当する信号を同期させて取得し、テラヘルツパルス波形を出力している。なお、図４においてＭＺＭの両側や分散補償部の端部の波線は図１と同じ配線部分を省略したものである。
本実施形態ではすでに説明したように、テラヘルツ発生、検出素子に照射する光パルスの時間差はＭＺＭの変調周波数を変化することで調整することができ、光の非同期サンプリングによって高速にテラヘルツ波形を取得することができる。これまでの機械的な遅延ステージが不要となることで、振動によるノイズを除去することができる。
なお、ここではＹ分岐型のＭＺＭを用いた例を示したが、方向性結合器型等で２出力を持つＥＯ変調器などでもよい。また、テラヘルツ時間領域分光装置に本発明のポンプ光とプローブ光を適用した形態を説明したが、対象物の比較的高速現象の物性（たとえば半導体キャリア寿命）を測定するためのポンププローブ法の光源としても適用できる。その場合には同一対象物の同一もしくは近傍の領域にポンプ光とプローブ光を時間差を設けて照射することになる。
実施形態１の具体的な実施例１について例示的に説明する。
ＬＤ１としては１．５３μｍで単一モード発振するＤＦＢ−ＬＤを用い、１０ｍＷでＣＷ動作（連続発振）させる。ＭＺＭ２では周知の方法で初期周波数１０ＧＨｚで変調させる。このとき、波長チャープが起きているため、後段のＳＭＦ６ａ、６ｂではこれを補償するようにパルスを整形し、たとえば数ｐｓのパルス幅を持たせることができる。これらをＥｒドープファイバを含む光増幅部７ａ、７ｂで増幅を行い、ＤＦ−ＤＤＦ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｆｌａｔｔｅｎｅｄ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｉｂｅｒ）を含む分散補償部８ａ、８ｂでパルス圧縮を行う。分散補償部８ａからの光出力は平均で３０ｍＷ、パルス幅１５０ｆｓ、分散補償部８ｂからの光出力は平均で５ｍＷ、パルス幅２００ｆｓとなるように調整する。
このように発生させたポンプ、プローブ光をそれぞれ図４の光伝導素子４１、４２に導光し、テラヘルツトモグラフィ装置として動作させることができる。外部電源３の変調周波数を変化させてパルス間隔を１００ｐｓ（１０ＧＨｚ）から３００ｐｓ（３．３ＧＨｚ）まで変化させれば最大１００ｐｓ［Δｔ／２＝（３００−１００）／２］の時間差を与えられる。このとき０．２ｐｓごとにステップ的に周期を変化させていれば０．１ｐｓ毎で合計１０００点のデータを取得することができる。このようなパルス間隔１００ｐｓ〜３００ｐｓにおける０．２ｐｓごとのステップ的な周期変化による取得を繰り返して、同じ時間差に相当するデータを複数取得し平均化処理をすることでＳ／Ｎ比を向上させることもできる。このときに変調周波数もしくは周期を変化させるスピードは電気的な信号で与えるので高速であるため、信号取得部の時定数で波形の取得時間がほとんど決まることになる。典型的にはミリ秒オーダーとなる高速でサンプルの観察１ポイントにつき１回のテラヘルツ波形を取得することができる。
なお、この変調周波数を変えるスピードは光の変調周波数ｆｍに比べると十分に遅いため（たとえばＭＨｚオーダー）、前述したように、１パルス毎に周期が変わるわけではなく、たとえば１０００パルス分程度毎に間隔が異なるようになる。
図４のような系でサンプル４５からの反射テラヘルツパルスを分析することで、フーリエ変換による分光データを取得するテラヘルツ分光装置として使用することができる。また、サンプル４５の内部構造からの複数の反射界面を取得して断層像をイメージングするトモグラフィ装置としても使用することができる。
図８（ａ）にトモグラフィ装置を用いて皮膚の断層像を観察した例を示す。幅１０ｍｍ、深さ方向３０００μｍの（皮膚内部は１５００μｍ）の２次元画像となっている。Ｘ方向で２３ポイント（横軸は２５０μｍピッチである）の位置でのテラヘルツ時間波形を図８（ｂ）に示している。複数の層界面を反映して反射テラヘルツパルスが多数観察できることがわかる。本装置を用いた図８の２次元断層像取得時間は、Ｘ方向の１ポイントの取得が１回スキャンで１０ｍｓとして１０回積算平均することで１００ｍｓかかり、サンプルを２５０μｍピッチで４０ポイント（幅１０ｍｍ）分スキャンしたので４秒となる。しかし、実際には待機時間などがあり５秒程度となる。
実施形態１の具体的な実施例２では、テラヘルツ分光装置又はトモグラフィ装置のＳ／Ｎ比の向上のために、ファイバ出力とテラヘルツ波検出素子との間にＰＰＬＮなどの第二次高調波発生（ＳＨＧ）素子を挿入（不図示）している。これにより、光パルスの出力を向上させ、かつテラヘルツ波検出素子として低温成長ＧａＡｓを含む光伝導素子を用いることができる。
実施例１で使用したＤＦ−ＤＤＦでは大出力化できないため、代わりにフォトニック結晶ファイバと高非線形ファイバの組み合わせを用いる。また、パルス幅を狭くするため、Ｅｒドープファイバにおいても自己位相変調によって線形チャープを起こさせて波長バンド幅を広げるように設計している。Ｅｒドープファイバで増幅して高出力になり自己位相変調が顕著に生じる長さを伝播したところでチャープ量を調整するように、前段のＳＭＦの出力においては分散補償するだけでなく逆チャープとなるようにしている。このような構成では、ポンプ光８ａで３０ｆｓ、６０ｍＷ、プローブ光８ｂで３０ｆｓ、１２０ｍＷとなるように制御する。プローブ光はすでに述べたようにＳＨＧ素子を透過するため、テラヘルツ波検出素子に到達する時点では６０ｆｓ、１０ｍＷ程度になる。
このような系では、テラヘルツのパルス幅は３００ｆｓ前後まで狭くなり、テラヘルツの信号強度が強くなって、測定帯域は７ＴＨｚ程度までになるとともに計測時間が実施例１に比べてさらに速くできる。
〔実施形態２〕
本発明の第２の実施形態を図５に示す。本実施形態の光パルス発生装置は、光源５０と、光源５０の発振状態を周期的に変調する変調部５１と、光源５０からの光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部５２とを備える。光源５０としては偏波変調レーザを用いる。偏波変調レーザは、ファイバレーザやレーザダイオードで実現される。偏波変調レーザとしては、例えばＤＦＢ構造のＴＥ／ＴＭモードスイッチングレーザダイオード［Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．６７， ３４０５ （１９９５）等］を用いることができる。変調部５１は、外部電源であり、偏波変調レーザ５０に信号を送ることでレーザ光５７の偏波方向（偏波変調レーザ５０の発振状態）をスイッチングする。分岐部５２としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる。
本発明の第２の実施形態を図５に示す。本実施形態の光パルス発生装置は、光源５０と、光源５０の発振状態を周期的に変調する変調部５１と、光源５０からの光をポンプ光とプローブ光とに分岐する分岐部５２とを備える。光源５０としては偏波変調レーザを用いる。偏波変調レーザは、ファイバレーザやレーザダイオードで実現される。偏波変調レーザとしては、例えばＤＦＢ構造のＴＥ／ＴＭモードスイッチングレーザダイオード［Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ．６７， ３４０５ （１９９５）等］を用いることができる。変調部５１は、外部電源であり、偏波変調レーザ５０に信号を送ることでレーザ光５７の偏波方向（偏波変調レーザ５０の発振状態）をスイッチングする。分岐部５２としては、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる。
本実施形態では、一定の位相差のある２つの光パルスを出力するために、外部電源（変調部）５１からの信号により偏波変調レーザ５０からのレーザ光５７の偏波方向をスイッチングしている。外部電源５１は変調周波数が可変になるように構成されており、外部電源５１で変調周波数を変化させれば、スイッチングにより発生した光パルスの時間間隔が変化する。ＰＢＳ５２によって異なる偏波の光を分岐すれば、一定の位相関係を保った２つの光パルスが生成される。ＰＢＳで分岐された光パルスのそれぞれは、実施形態１と同様に、ＳＭＦ５４ａ、５４ｂ、光増幅部５５ａ、５５ｂ、分散補償部５６ａ、５６ｂにより、光伝導素子等の対象物に導かれる。外部電源５１の変調周波数を変えることで、ポンプ光が対象物に入射する時間とプローブ光が対象物に入射する時間との差が変化する。
本実施形態では光源を変調することで一定の位相差をもつ２つの光パルス列を生成するもので分岐部としてのＰＢＳ５２は受動部品となっているため、駆動系を簡略化できるメリットがある。なお、本実施形態では、光源の発振状態として、光源からの光の偏波方向を変調した。しかし、代わりに、光源からの光の波長を変調しても良い。その場合には、光源として波長を変更できるレーザを用い、ＰＢＳの代わりにダイクロイックミラーを用いれば良い。
〔実施形態３〕
本発明による第３の実施形態を図６に示す。本実施形態の変調部は、実施形態１のＥＯ変調器の代わりに音響光学変調器（ＡＯＭ）６１を有し、更に、ＡＯＭ６１へ印加するＲＦ信号をオン・オフするデジタル信号源６３と、ミキサ変調器６４と、アンプ６５を有する。本実施形態の変調部は、音響光学変調器へ印加するＲＦ信号をデジタル信号源６３でオン・オフすることで、光パルスの出力方向をスイッチングさせて、ポンプ光とプローブ光とを生成する。種レーザ６０としては実施形態１のように連続発振のレーザダイオードやファイバレーザを用いるのが好適である。
本発明による第３の実施形態を図６に示す。本実施形態の変調部は、実施形態１のＥＯ変調器の代わりに音響光学変調器（ＡＯＭ）６１を有し、更に、ＡＯＭ６１へ印加するＲＦ信号をオン・オフするデジタル信号源６３と、ミキサ変調器６４と、アンプ６５を有する。本実施形態の変調部は、音響光学変調器へ印加するＲＦ信号をデジタル信号源６３でオン・オフすることで、光パルスの出力方向をスイッチングさせて、ポンプ光とプローブ光とを生成する。種レーザ６０としては実施形態１のように連続発振のレーザダイオードやファイバレーザを用いるのが好適である。
ＡＯＭ６１は、ＲＦ信号６２を印加すると音響光学素子上に表面弾性波が発生し、入射した光が回折によって直進方向から偏向されて出力するようにした変調器である。偏向方向は印加するＲＦ信号の周波数に依存する。ＲＦ信号を印加しないときの０次光をポンプ光、印加したときの偏向された１次回折光をプローブ光として、それぞれＳＭＦ６７ａ、６７ｂに結合させて２つの光パルス信号列とすることができる。このとき、ＲＦ信号のオン・オフはデジタル信号を出力するデジタル信号源６３とミキサ変調器６４によって制御する。
したがって、種レーザが連続光の場合には、デジタル信号源６３の波形が反映されたパルスがＡＯＭからの２つの光出力として現れる。その後は、ＳＭＦ６７ａ、６７ｂによる波形整形、光増幅部６８ａ，６８ｂによる光増幅、分散補償部６９ａ、６９ｂによる分散補償により一定位相差をもつ２つの光パルス信号列としてポンプ光とプローブ光とを生成することができる。
典型的にはＲＦ信号の周波数は２ＧＨｚ程度、デジタル信号源の繰り返し変調周波数は２５０ＭＨｚで動作させるが、さらに高周波で変調することも可能である。
変調周波数を徐々に変化させれば、ポンプ、プロ−ブ光のパルス間隔が徐々に変化して、実施形態１と同様な原理で２つのパルス列の時間差を変化させることができる。
〔実施形態４〕
本発明の実施形態４はリングレーザを変調かつ分岐された光出力をもつ光源として用いるものである。本実施形態ではリングレーザとして図７のようなリング型ファイバレーザ７０を使用している。リング型ファイバレーザ７０は、ファイバ増幅器７３、分散シフトファイバＤＳＦ７４、カップラ７６、方向切り替え型アイソレータ７８、アンプ８０、強度変調器８１、フィルタ８２、励起レーザ７１、および波長分割カプラ７２を有する。ファイバ増幅器７３で利得をもち、強度変調器８１でリングでの周回光伝播時間と同期して変調することで強制モード同期発振ができるようになっている。モード同期の周期は変調部としての外部電源７９で決めるが、周期が可変となるようにＤＳＦ７４の一部はピエゾ素子（ＰＺＴ）７５に巻かれて電圧印加により共振器長が変化できるようになっている。したがって、外部電源７９での周波数を変えるときにはＰＺＴ７５の電圧印加７７も同期して変えるようになっている。
本発明の実施形態４はリングレーザを変調かつ分岐された光出力をもつ光源として用いるものである。本実施形態ではリングレーザとして図７のようなリング型ファイバレーザ７０を使用している。リング型ファイバレーザ７０は、ファイバ増幅器７３、分散シフトファイバＤＳＦ７４、カップラ７６、方向切り替え型アイソレータ７８、アンプ８０、強度変調器８１、フィルタ８２、励起レーザ７１、および波長分割カプラ７２を有する。ファイバ増幅器７３で利得をもち、強度変調器８１でリングでの周回光伝播時間と同期して変調することで強制モード同期発振ができるようになっている。モード同期の周期は変調部としての外部電源７９で決めるが、周期が可変となるようにＤＳＦ７４の一部はピエゾ素子（ＰＺＴ）７５に巻かれて電圧印加により共振器長が変化できるようになっている。したがって、外部電源７９での周波数を変えるときにはＰＺＴ７５の電圧印加７７も同期して変えるようになっている。
方向切り替え型アイソレータ７８は、異なる方向のアイソレータ１つずつ計２つが内蔵されており、光路切り替えによりアイソレータを選択することでレーザ発振する発振周回方向（発振状態）を選ぶことができる。この切り替えを外部電源７９と同期させて、たとえば正弦波変調の場合には正の振幅で時計回り、負の振幅で反時計回りを選択することで、カップラ７６のそれぞれの出力ａ）、ｂ）が図７のように反転して取り出せることになる。
後段でのパルスの増幅、分散補償はこれまでの実施形態と同様に必要に応じて行なうことができる。また、光パルスの周期を変化させてポンプ光とプローブ光との時間差を変えることによる非同期サンプリングの手法はこれまでの実施形態と同様である。
リング型ファイバレーザとすることで、パルス間でのタイミングシッタがより小さい光パルスを提供することができる。なお、本実施形態では、分岐部としてカップラ７６を用いたが、分岐部としてＭＥＭＳを用いて光伝搬方向を振り分けても良い。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、本発明の光パルス発生装置は、ポンププローブ測定装置の光源部としても使用できる。ポンププローブ測定装置において、本発明の光パルス発生装置は、ポンプ光が被測定物に入射する時間とプローブ光がその被測定物に入射する時間との差を変化させる。
１ 光源
２ 変調器（変調部）
３ 外部電源（変調部）
４、５ ファイバ
６ａ、６ｂ シングルモードファイバ
７ａ、７ｂ 光増幅部
８ａ、８ｂ 分散補償部
２ 変調器（変調部）
３ 外部電源（変調部）
４、５ ファイバ
６ａ、６ｂ シングルモードファイバ
７ａ、７ｂ 光増幅部
８ａ、８ｂ 分散補償部
Claims (13)
- ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置であって、
光源と
前記光源からの光を変調することで、該光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する変調手段と、を備え、
前記変調手段は、前記光を変調する周波数が可変になるように構成されており、
前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光が対象物に入射する時間と前記プローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させる
ことを特徴とする光パルス発生装置。 - 前記変調手段は、電気光学変調器または音響光学変調器を有し、
前記変調手段は、前記電気光学変調器または音響光学変調器を２値変調することで、前記光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する
ことを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生装置。 - 前記変調手段は、電源を有し、
前記電気光学変調器は、マッハツェンダー変調器であり、
前記変調手段は、前記電気光学変調器を前記電源でオン・オフ変調することで、前記光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する
ことを特徴とする請求項２に記載の光パルス発生装置。 - 前記変調手段は、前記音響光学変調器へ印加するＲＦ信号をオン、オフするデジタル信号源を有し、
前記変調手段は、前記音響光学変調器へ印加するＲＦ信号を前記デジタル信号源でオン・オフすることで、前記光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する
ことを特徴とする請求項２に記載の光パルス発生装置。 - ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置であって、
光源と、
前記光源の発振状態を変調する変調手段と、
前記光源からの光を前記ポンプ光と前記プローブ光とに分岐する分岐手段と、を備え、
前記変調手段は、前記発振状態を変調する周波数が可変になるように構成されており、
前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光が対象物に入射する時間と前記プローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させる
ことを特徴とする光パルス発生装置。 - 前記光源は、偏波変調レーザであり、
前記変調手段は、前記偏波変調レーザの偏波方向を変化させ、
前記分岐手段は、偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする請求項５に記載の光パルス発生装置。 - ポンプ光とプローブ光とを供給する光パルス発生装置であって、
光源と、
前記光源の発振状態を変調する変調手段と、を備え、
前記光源は、該光源から前記ポンプ光と前記プローブ光とが出力されるように光を分岐する分岐手段を有し、
前記変調手段は、前記発振状態を変調する周波数が可変になるように構成されており、
前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光が対象物に入射する時間と前記プローブ光が対象物に入射する時間との差を変化させる
ことを特徴とする光パルス発生装置。 - 前記光源は、リングレーザであり、
前記変調手段は、前記リングレーザの周回方向を変化させ、
前記分岐手段は、カップラである
ことを特徴とする請求項７に記載の光パルス発生装置。 - 前記ポンプ光を増幅する第１の光増幅部と、
前記光増幅部で増幅された前記ポンプ光を圧縮する第１の分散補償部と、
前記プローブ光を増幅する第２の光増幅部と、
前記光増幅部で増幅された前記プローブ光を圧縮する第２の分散補償部と、を備える
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。 - 前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光がテラヘルツ波発生素子に入射する時間と前記プローブ光がテラヘルツ波検出素子に入射する時間との差を変化させる
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。 - 前記変調手段で前記周波数を変えることで、前記ポンプ光が被測定物に入射する時間と前記プローブ光が該被測定物に入射する時間との差を変化させる
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光パルス発生装置と、
前記光パルス発生装置からのポンプ光が入射するテラヘルツ波発生素子と、
前記光パルス発生装置からのプローブ光が入射するテラヘルツ波検出素子と、を備える
ことを特徴とするテラヘルツ分光装置。 - 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光パルス発生装置と、
前記光パルス発生装置からのポンプ光が入射するテラヘルツ波発生素子と、
前記光パルス発生装置からのプローブ光が入射するテラヘルツ波検出素子と、を備える
ことを特徴とするトモグラフィ装置。
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