JP2020052020A - 電磁波測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波強度分布の実測値を低コスト、スピーディに計測可能にする。【解決手段】測定対象１に載置されたガラスセル２の内部には、電磁波の照射により原子内部の状態変化を繰り返すラビ振動を発生する原子が封入されている。第１レーザ照射装置３により、ガラスセル２の側面から、第１レーザ光を照射して光ポンピングを行った状態で、撮像装置８により、原子に照射される特定周波数の電磁波の吸収と第１レーザ光の再吸収により発生する近赤外蛍光の二次元強度分布を撮像する。第１レーザ光と第２レーザ照射装置５から照射される第２レーザ光により光ポンピングを行った状態での撮像結果に基づいて、第１レーザ光と第２レーザの交点における電磁波強度の実測値を計測し、近赤外蛍光の二次元強度分布と特定点における電磁波強度の実測値に基づいて、ガラスセルの二次元平面における電磁波強度分布の実測値を演算する。【選択図】 図５

Description

本発明は、例えば、電子回路の作動状態を計測するための電磁波測定装置に関し、特に任意のセルに封入した原子に特定のレーザ光や不可視波を照射することで、量子状態間をリレー形式に結ぶ多重共鳴を実現し、レーザ光等から受け取る励起エネルギーに応じた蛍光の強弱や空間分布を利用して電磁波の測定を行う電磁波測定装置に関する。

特許文献１には、電磁界センサにより取得された電磁界情報に基づいて電磁界強度を算出し、算出した電磁界強度を用いて電磁界ベクトルを算出することにより電磁界ベクトルの３次元表示を行うことが記載されている。
特許文献２には、複数の測定領域に配置される測定部材を使用して、各測定領域ごとの電波強度を測定することが記載されている。

特開２０１２−０４２４０１号公報 特許５７３７６７２号公報

従来より、電磁波強度の計測は、回路内に配置した電力計、アンテナ等を用いて行ってきたが、コスト面、精度面で限界があった。また、電磁波を可視化する技術として、走査型センサや二次元アレーセンサを利用したものが開発されているが、これらは相応の掃引時間を要し、ピクセル寸法に限界があった。
すなわち、電磁波の強度分布を測定するためには、微小なセンサを空間的に掃引するもの、微小な電磁波センサをアレー化して空間内に多数配置するものなどが一般的であるが、有限の掃引時間のために高速性は失われ、センサ寸法に限界があることから分解能と感度が制限される。

そこで、発明者らは、原子に電磁波が照射されると、原子内部の状態が変化を繰り返すラビ振動を発生し、その周波数(ラビ周波数)が原子に照射される電磁波強度に依存することに着目し、これを利用した電磁波測定技術を開発した。
(https://www.nmij.jp/public/ResearchTopics/pdf/2016_12_No1.pdf)
この電磁波測定技術では、一例として、導波管内を伝送する9.2GHzの電磁波を対象として、気体のセシウム原子を封入したガラスセルをこの導波管内に挿入し、その挙動をレーザ光で観測することでラビ周波数の測定を行い、我が国の特定標準器による測定結果と不確かさの範囲内で一致することを検証した。

ガラスセルとレーザ光検出を主体とした、この電磁波測定技術によれば、通常のアンテナ測定では困難であった電磁波の波長より狭い範囲の強度分布を高精度に測定することが可能になり、しかも、ワイヤレスであるため、ケーブルによる電磁波の反射や物理的な束縛を受けないという利点も備えている。

そこで、本発明の目的は、この電磁波測定技術をさらに深化させ、例えば、回路基板の製造ラインにそのまま組み込むことができ、しかも、測定対象の二次元平面あるいは三次元空間における電磁波強度分布の実測値を低コストかつスピーディに、しかも高精度に計測可能にすることにある。

上記の課題を解決するための本発明の電磁波測定装置では、測定対象に対し所定の位置に配置されたガラスセルであって、測定対象から発生する電磁波の照射により原子内部の状態変化を繰り返すラビ振動を発生する原子が封入された密封空間を有するガラスセルと、ガラスセルの側面から、密封空間内部の原子が特定周波数のマイクロ波を吸収させるための光ポンピング可能な波長を持つレーザ光を測定対象の表面に沿って密封空間の内部に照射する第１レーザ照射装置及び第２レーザ照射装置と、ガラスセルの表面を撮影する撮像装置と、第１レーザ照射装置、第２レーザ照射装置及び撮像装置と接続される処理装置とを備え、処理装置は、撮像装置により、第１レーザ照射装置から照射される第１レーザ光により光ポンピングを行った状態で、原子に照射される特定周波数の電磁波の吸収と第１レーザの再吸収により発生する近赤外蛍光の二次元強度分布を撮像するとともに、第１レーザ照射装置と第２レーザ照射装置により光ポンピングを行った状態で記第１レーザ光と、第２レーザ照射装置から照射される第２レーザ光の交点における撮像装置による撮像結果に基づいて、処理装置がガラスセルの二次元平面における特定点における電磁波強度の実測値を計測し、近赤外蛍光の二次元強度分布と特定点における電磁波強度の実測値に基づいて、ガラスセルの二次元平面における電磁波強度分布の実測値を演算するようにした。

本発明によれば、電磁波との作用によって、ガラスセルの内部に封入した原子が発する蛍光をカメラによって撮影することにより、ガラスセルの二次元平面における電磁波強度分布の実測値を計測することが可能となり、広範囲にわたり、リアルタイムで高分解能な電磁波強度計測を実現することできる。

図１は、本発明に基づく電磁波測定装置の俯瞰図である。 図２は、本発明に基づく電磁波測定装置の平面図である。 図３は、レーザ光照射による光ポンピングを行った際に、ガラスセルの表面に発生する蛍光を模式的に示す図である。 図４は、発生した蛍光の撮影画像を示すものである。 図５は、本発明を、ホーンアンテナから空間中に放射される電磁波の強度分布測定に適用した際の模式図である。

図１、図２は本発明に基づく実施例の概要を示すものであり、図１は俯瞰図、図２は、平面図である。
本実施例の電磁波測定装置は、回路基板などの測定対象１の表面に、治具などで位置決めされた状態で載置されるガラスセル２、第１レーザ照射装置３、凹面レンズ４、第２レーザ照射装置５、レーザ受信装置６、凹面レンズ４を進退させるシフト装置７、測定対象１の表面を撮影する撮像装置８、そして、ディスプレイを備えた処理装置９などから構成されている。

ガラスセル２の内部には密封空間が形成されており、この密封空間には、飽和蒸気圧を維持した状態のセシウムが封入されている。ガラスセル２は、合成石英あるいは市販の耐熱ガラスで成形したものが好ましく、本実施例では、縦100mm×横100mm×高さ10mmの密封空間を形成している。

ガラスセル２の側面２ａに向けて第１レーザ照射装置３が設置されており、照射されたレーザ光は凹面レンズ４を介して、ガラスセル２の側面２ａに向けて拡散され、ガラスセル２内の密封空間全域にわたり、拡散されたレーザ光が照射されるようになっている。
一方、側面２ａに直交するガラスセル２の側面２ｂに向けて第２レーザ照射装置５が設置されており、照射されたレーザ光は、ガラスセル２の密封空間内部において、第１レーザ照射装置３から照射されたレーザ光とガラスセル２の側面２ａに沿って交差することになる。

本実施例では、ガラスセル２を、測定対象１としてのマイクロ波回路(マイクロストリップライン)基板上に密着するよう載置する。
次に、セシウム原子が9.2GHzの電磁波(以下、「マイクロ波」ともいう。)を吸収するように、第１レーザ照射装置３から波長852nmのレーザ光を照射する。このレーザ光は、凹面レンズ４により、ガラスセル２の表面に対し平行を維持しながら、側面２ａの全幅に広がり、ガラスセル２内の密封空間全域にわたり拡散し、密封空間内部のセシウム原子に対し光ポンピングを行う。

この状態で、セシウム原子がマイクロ波を吸収すると、再び波長852nmのレーザ光を吸収し、図３の模式図に示すように、瞬時に波長852nmの蛍光を発する。この蛍光を近赤外光に高感度を有するＣＣＤカメラ等の撮像装置８で撮影する。これにより、マイクロ波回路１におけるマイクロ波の相対的な二次元強度分布を、近赤外蛍光の強度分布として得ることができる。
図４は、実際の撮影画像を示すもので、マイクロ波回路１上の相対的な電磁波強度分布が可視化され、セシウム原子の近赤外線蛍光強度分布が電磁波強度分布を反映していることが確認できる。
なお、この画像により得られた電磁波の強度分布は、マイクロ波回路内の反射に起因する定在波を明瞭に示し、理論的な波長や位相とも合致しており、赤外光像は、マイクロ波の強度分布をリアルタイムに反映し、波長以下の分解能をも有していることが判明した。さらに、ヒーター等を使用して、ガラスセル２内部の密封空間を加熱すれば、セシウム原子の密度を高め、より明確な赤外光像を得ることができる。

次に、処理装置９がシフト装置７に指令信号を送出し、凹面レンズ４をレーザ光の光路外に移動させた状態で、第１レーザ照射装置３から照射されたレーザ光(以下、「第１レーザ光」ともいう。)をガラスセル２の側面２ａの一点から密封空間内部に照射すると、第２レーザ照射装置５から照射されたレーザ光(以下、「第２レーザ光」ともいう。)と一点で交差することになる。
その際、処理装置９により第１レーザ照射装置３に制御信号を送出して、第２レーザ光に振幅変調(AM)、周波数(FM)、位相変調(PM)いずれかの変調を行う一方、ガラスセル２を透過した第１レーザ光をレーザ受信装置６で検出し、その透過光強度を計測する。

第２レーザ光の変調によって、第１レーザ光の透過光強度も変調されるので、第２レーザ光の変調周波数を変えながら、レーザ受信装置６により、第１レーザ光の変調の深さを計測する。
ここで、第１レーザ光の変調深さは、第２レーザ光の変調周波数とラビ周波数との差に依存する。したがって、第２レーザ光の変調周波数に対する第１レーザの変調深さを示すグラフの波形から、第１レーザ光と第２レーザ光の交点における電磁波の絶対強度を示すラビ周波数を計測することができる。

こうして電磁波強度の絶対値を基準に、前述した、第１レーザ照射装置３のみにより計測したマイクロ波回路１上の相対的な電磁波強度分布に基づいて、マイクロ波回路１上の電磁波強度分布を絶対強度を算出することができ、マイクロ波回路１の性能試験器として利用することが可能となる。

上記の実施例では、凹面レンズ４を用いて、第１レーザ光の照射による赤外光像を利用して電磁波の相対的な強度分布を計測したが、凹面レンズ４を用いずに第１レーザ照射装置３をガラスセル２の側面２ａに沿ってスキャンさせる第１スキャン装置を設け、第１レーザ照射装置３のみによる相対的な電磁波強度分布計測を行い、第１レーザ照射装置３及び第２レーザ照射装置５の同時照射による電磁波の絶対強度計測を行うようにしてもよい。
その際、第２レーザ照射装置５についても、第２スキャン装置により、ガラスセル２の側面２ｂに沿ってスキャンさせれば、ガラスセルの任意の地点、もしくは全体の電磁波強度の絶対値を計測することが可能となる。

凹面レンズ４を用いて、第１レーザ光の照射による赤外光像を利用して電磁波の相対的な強度分布を計測し、第２レーザ光の照射により電磁波の絶対強度を計測する場合、第１レーザ光の強度や、測定箇所における静磁場の不均一性を補正する必要がある。しかし、第１レーザ照射装置３、第２レーザ照射装置５をシフトさせ、走査する場合はこのような補正は不要である。ただし、空間分解能は交点の大きさと、走査点数で決まるため、赤外光像と同等の分解能を得るためには、走査のため所要の時間が必要となる。

上記の実施例では、ガラスセル２にセシウムを封入したが、ルビジウム等も使用可能である。ルビジウムの場合、レーザ光の波長が780nmとなり、セシウムの852nmより汎用的であるが、可視化できる電磁波の波長も原子によって異なるため、用途に応じて原子を選択する。

また、上記の実施例では、ガラスセル２を測定対象に密着するよう載置し、電磁波の二次元分布を計測したが、電磁波計測環境において、ガラスセル２を高さ方向にシフトして、そのたびに得られる二次元強度分布を統合して三次元分布を得ることができる。
この場合、処理装置９は、ガラスセル２の三次元位置を制御するロボットハンドなどの位置決め装置と連携し、ガラスセル２の高さ毎に上述の電磁波の二次元分布を計測し、これを統合することにより、電磁波の三次元分布を演算し、ディスプレイ表示を行う。このように、電磁波の放射パターンを可視化することで、アンテナの設計・開発やEMC等へ応用さすることができる。
なお、高さ方向の計測範囲は限られるが、ガラスセル２及びその内部に形成された密封空間の高さを拡大し、第１レーザ照射装置３、第２レーザ照射装置５を前述の位置決め装置を利用して高さ方向にシフトすることで、密封空間の高さの範囲で電磁波の三次元強度分布を計測することも可能である。

上記の実施例では、ガラスセル２を測定対象に密着するよう載置し、測定対象から発生する電磁波の二次元分布を計測したが、図５に示すように、ガラスセル２をホーンアンテナ１０の前面に配置し、アンテナから空間中に放射されるマイクロ波の強度分布に関しても、近赤外蛍光の強度分布として得ることができる。
さらに多重共鳴技術を用いて、前述のセシウム原子が9.2GHzのマイクロ波を吸収するように、波長852nmのレーザ光で光ポンピングした状態において、ホーンアンテナからの9.2GHzのマイクロ波に加え、さらにセシウムのゼーマン副準位間のエネルギー差に該当する低周波帯のマイクロ波をループコイルアンテナで与えることで、低周波帯のマイクロ波に対応する蛍光を、同様の撮像装置８でリアルタイムに観測することも可能である。
実際の観測結果によれば、電磁界シミュレータで得られるホーンアンテナ近傍におけるマイクロ波の強度分布とも合致していることが確認できた。

１；測定対象
２；ガラスセル
３；第１レーザ照射装置
４；凹面レンズ
５；第２レーザ照射装置
６；受信装置
７；シフト装置
８；撮像装置
９；処理装置
１０；ホーンアンテナ

Claims (6)

1. 測定対象に対し所定の位置に配置されたガラスセルであって、前記測定対象から発生する電磁波の照射により原子内部の状態変化を繰り返すラビ振動を発生する原子が封入された密封空間を有するガラスセルと、
   前記ガラスセルの側面から、前記密封空間内部の原子が特定周波数のマイクロ波を吸収させるための光ポンピング可能な波長を持つレーザ光を前記測定対象の表面に沿って前記密封空間の内部に照射する第１レーザ照射装置及び第２レーザ照射装置と、
   前記ガラスセルの表面を撮影する撮像装置と、
   処理装置とを備え、
   前記処理装置は、前記第１レーザ照射装置から照射される第１レーザ光により光ポンピングを行った状態で、前記原子に照射される特定周波数の電磁波の吸収と前記第１レーザ光の再吸収により発生する、前記撮像装置による近赤外蛍光の撮像結果に基づいて、前記電磁波の二次元強度分布を計測するとともに、前記第１レーザ照射装置と第２レーザ照射装置により光ポンピングを行った状態で、前記第１レーザ光と、前記第２レーザ照射装置から照射される第２レーザ光の交点における前記撮像装置の撮像結果に基づいて、前記ガラスセルの二次元平面における特定点における電磁波強度の実測値を計測し、
   前記近赤外蛍光の二次元強度分布と前記特定点における電磁波強度の実測値に基づいて、前記ガラスセルの二次元平面における電磁波強度分布の実測値を演算することを特徴とする電磁波測定装置。
2. 前記前記近赤外蛍光の二次元強度分布を求める際に、前記第１レーザ光を前記ガラスセルの側面から前記密封空間の全域にわたり拡散させて照射するよう、前記第１レーザ照射装置と前記ガラスセルの側面との間に凹面レンズを介在させたことを特徴とする請求項１に記載された電磁波測定装置。
3. 前記第１レーザ光を前記ガラスセルの側面に沿って照射するよう、前記第１レーザ照射装置をスキャンさせる第１スキャン装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載された電磁波測定装置。
4. 前記第２レーザ光を前記ガラスセルの他の側面に沿って照射するよう、前記第２レーザ照射装置をスキャンさせる第２スキャン装置を設けたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載された電磁波測定装置。
5. 前記ガラスセルを電磁波計測環境において高さ方向にシフトして、そのたびに得られる二次元強度分布を統合することにより三次元分布を得るようにしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された電磁波測定装置。
6. 測定対象がホーンアンテナであり、前記原子のゼーマン副準位間のエネルギー差に該当する低周波帯のマイクロ波をループコイルアンテナで与えることで、低周波帯のマイクロ波に対応する蛍光を、前記撮像装置で撮像するようにしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された電磁波測定装置。
   
   

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