JP2564148B2 - 電圧検出装置 - Google Patents

電圧検出装置

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JP2564148B2 JP62257508A JP25750887A JP2564148B2 JP 2564148 B2 JP2564148 B2 JP 2564148B2 JP 62257508 A JP62257508 A JP 62257508A JP 25750887 A JP25750887 A JP 25750887A JP 2564148 B2 JP2564148 B2 JP 2564148B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光変調器を用いてピコ秒オーダの時間分解
能で電圧を検出する電圧検出装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、光変調器を用いて電圧を検出する装置が知られ
ている。
第５図は米国特許第4,446,425号に開示されているこ
の種の従来の電圧検出装置の概略構成図である。
第５図の電圧検出装置では、パルス光源50から120フ
ェムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、この短光パ
ルスをチョッパ51,可変遅延器52を介し被測定物53,例え
ば光電スイッチに入力させる一方、光変調器40に入射さ
せている。光変調器40は、偏光子55,ポッケルスセル54,
位相補償器56,検光子57で構成され、入射した短光パル
スが被測定物が53からの電圧により変調される現象を利
用し、電圧波形を光強度の形で取出すようになってい
る。より詳しくは短光パルスに同期して被測定物53から
出力される検出されるべき電圧を光変調器40のポッケル
スセル54に加える一方、ポッケルスセル54にはパルス光
源50からの短光パルスのうち偏光子55によって抽出され
た所定の偏光成分のものを入射させる。ポッケルスセル
54には、電圧の印加で屈折率が変化するLiNbO3,LiTaO3
などの電気光学材料が用いられている。電気光学材料の
上記性質によって、ポッケルスセル54に入射した短光パ
ルスは、被測定物53からの電圧により偏光状態が変化し
変調されて出射光として出射し、位相補償器56を介して
検光子57に入射する。検光子57では、位相補償器56から
の出射光から直交する２つの偏光成分を抽出し、それぞ
れ変調された光強度信号を光変調器40からの出力として
光検出器58,59に入射させるようになっている。光検出
器58,59では、各偏光成分の光強度を検出し、差動増幅
器60で光検出器58,59からの出力信号を差動増幅し、ロ
ックインアンプ61,平均器62を介し検出結果をディスプ
レイ63に表示するようになっている。
なお、可変遅延器52は、被測定物53からの電圧発生タ
イミングを徐々に遅延させて電圧波形のサンプリング点
を定めるためのものである。またロックインアンプ61
は、チョッパ51に同期したタイミングで差動増幅器60か
らの出力を取出しノイズ成分を取除き、平均器62はロッ
クインアンプ61の出力を平均化するようになっている。
このような構成の電圧検出装置では、光検出器58,59
に応答速度の遅い検出器を用いており、あるサンプリン
グ点においてサンプリングした検光子57からの出射光の
光強度信号は、光検出器58,59において10ナノ秒程度に
広がる。
いま第６図に示すように、被測定物53からの電圧波形
が例えば100ピコ秒の広がりをもつときに、これを１ピ
コ秒の時間分解能で検出する場合には、パルス光源50か
ら１ピコ秒以下の短光パルスを出力させ、可変遅延器52
をサンプリング点S1に初期設定し、サンプリング点S1に
おける光強度をサンプリングし、これをチョッパ51に同
期したタイミングで繰返し求め平均器62で平均をとる。
次いで可変遅延器52を操作してサンプリング点をサンプ
リング点S1から１ピコ秒ずれた次のサンプリング点S2に
移動し、このサンプリング点S2における光強度を同様に
して求める。このようにして可変遅延器52を100回操作
して、100個のサンプリング点S1乃至S100をとり、各サ
ンプリング点S1乃至S100における光強度を繰返し求め各
々平均をとって電圧波形をサンプリング検出する。各サ
ンプリング点S1乃至S100における光強度信号は10ナノ秒
程度に広がっているが、短光パルスは１ピコ秒以下であ
り、かつ、サンプリングタイミングが１ピコ秒づつずれ
ているので、電圧波形を１ピコ秒の分解能で検出するこ
とができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
このように従来の電圧検出装置では、100ピコ秒の広
がりをもつ電圧波形を１ピコの分解能で検出するために
可変遅延器52を100回操作しなければならず短時間で検
出を完了させることができないという問題があった。ま
た１ピコ秒の遅延に可変遅延器52を例えば0.3mm移動さ
せねばならないとすると、100回の操作で可変遅延器52
の移動量は30mmと非常に大きくなり、可変遅延器52を小
型かつ簡単な構造のものにするには限界があるという問
題があった。
本発明は、電圧波形の検出を短時間で完了させること
ができて、操作性を著しく向上させることの可能な電圧
検出装置を提供することを目的としている。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、光パルスを出力するパルス光源と、パルス
光源からの光パルスによりパルス列を発生し光変調手段
に入射させるパルス列発生手段と、検出されるべき電圧
波形により前記光変調手段において変調されたパルス列
の各光パルスの光強度を検出する光検出手段とを備えて
いることを特徴とする電圧検出装置によって、上記従来
技術の問題点を改善するものである。
〔作用〕
本発明では、パルス光源からの光パルスに基づきパル
ス列発生手段でパルス列を発生する。パルス列は光変調
手段に入射し、パルス列を構成する各光パルスに対応し
た複数のサンプリング点で光変調手段に加わる電圧波形
を同時にサンプリングする。換言すれば光変調手段に加
わる電圧波形によってパルス列の各光パルスを変調し、
この各光パルスの光強度が複数のサンプリング点での電
圧波形のサンプリング結果となる。このようにして変調
されたパルス列の各光パルスの光強度は、光検出手段に
入力し、そこで複数のサンプリング結果として一度に検
出される。なお電圧波形またはパルス列を例えば可変遅
延手段により時間的にずらすことにより、上記複数のサ
ンプリング点をずらし、これによってサンプリング点を
より細かく，より多くのサンプリング点での検出結果を
得ることもできる。この場合、可変遅延手段による時間
遅延量は、パルス列の各光パルス間の時間間隔で良いの
で可変遅延手段の移動量を少なくし、その構造を小型化
かつ簡単化できる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成
図である。第１図において第５図と対応する箇所には同
じ符号を付す。
本実施例の電圧検出装置は、光パルスを出力するパル
ス光源10と、パルス光源10からの光パルスから等間隔の
パルス列を発生するパルス列発生装置11と、パルス列に
よりサンプリングされた複数のサンプリング点における
光強度信号を出力する光変調器40と、複数のサンプリン
グ点で光強度信号を検出する光検出器12と、光検出器12
からの検出結果に対し所定の処理を施すコンピュータ13
とを有している。
複数のサンプリング点は被測定物53からの電圧を可変
遅延器14により遅延することにより徐々にずらされる。
また光検出器12のトリガ信号は、トリガ用光検出器15に
より作成される。なおパルス列発生装置14は、例えば光
学的エタロンで作られている。すなわち、例えば文献
「著者“土屋裕，犬塚英治",“ピコ秒ストリークカメラ
システムの諸特性",テレビジョン学会誌 第35巻第３号
1981年,PP 208（34）〜214（40）」の211（37）頁左欄
に記載されているように、単一パルス光を光学的エタロ
ン（例えば、２枚の半透明鏡で構成されるエタロン）に
通すと、一定の時間間隔を有するパルス光列を得ること
ができる。
このような構成の電圧検出装置では、パルス光源10か
ら出力される１つの光パルスをハーフミラー16で分岐
し、一方をハーフミラー17に、他方をトリガ用光検出器
15に加える。ハーフミラー17に入射した光パルスは、ミ
ラー18を介しパルス列発生装置11に加わる一方、可変遅
延器14を介して被測定物53に加わる。
１つの光パルスが加わると、パルス列発生装置11から
は、第２図（ａ）に示すように例えば10個の光パルスの
パルス列が発生し光変調器40に加わる。また被測定物53
からは、第２図（ｂ）に示すような検出されるべき電圧
が発生する。なおパルス列の各光パルス間の間隔は10ピ
コ秒、電圧波形の広がりは100ピコ秒であるとする。
光変調器40では、10個のパルス列により10個のサンプ
リング点で電圧波形を光強度の形でサンプリング抽出
し、光検出器12に加える。光検出器12では10個のサンプ
リング点で抽出された光強度信号をトリガ用光検出器15
からのトリガ信号に同期させて第２図（ｃ）に示すよう
に順次に検出し、コンピュータ13に送る。
なお、パルス列の各光パルスに対応した光強度信号を
互いに分離して検出するために、光検出器12の時間分解
能はパルス列の各パルス間の間隔以下でなければならな
い。パルス間の間隔を10ピコ秒にすると、光検出器12と
しては10ピコ秒以下の高時間分解能をもつ高速光検出器
例えばサンプリング型光オッシロスコープを用いる必要
がある。
繰返し生起する被測定物53からの電圧（例えば、繰返
し周期:10ナノ秒）に対し、複数のサンプリング点で繰
返してサンプリング抽出した光強度信号は、コンピュー
タ13内で各サンプリング点ごとに統計処理（例えば加算
処理、平均化処理）がなされ、第２図（ｄ）に示すよう
に10ピコ秒の時間間隔の10個のサンプリング点における
光強度データを同時に得ることができる。次に可変遅延
器14を調節し、ハーフミラー17から被測定物に加わる短
光パルスのタイミングを僅かに、例えば１ピコ秒ずら
す。
これにより被測定物53からの電圧波形は、第２図
（ｅ）に示すように第２図（ｂ）に示すものに比べ１ピ
コ秒遅れたものとなり、第２図（ａ）のパルス列でサン
プリングされる10個のサンプリング点も１ピコ秒ずれる
ことになる。この状態で上述したと同様にして光検出器
12とコンピュータ13とにより次の10個のサンプリング点
における光強度データを同時に得ることができる。
このようにして可変遅延器14を10回操作して10個のサ
ンプリング点を１ピコ秒づつ10ピコ秒までずらすことに
より、１つの電圧波形すなわち光強度波形に対して互い
に異なる100個のサンプリング点におけるサンプリング
抽出を行なうことができる。
第５図に示す従来の電圧検出装置と比較すると、本実
施例の装置では、同時に10個のサンプリング点での検出
を行なうので検出時間を1/10にすることができ、また可
変遅延器14の移動量は、1/10となり、１ピコ秒の遅延に
0.3mmの移動を必要とすると、全体の移動量は3mmとな
る。
なお第１図の装置では、光パルスのパルス幅と可変遅
延器14の１回の移動量とが装置全体の時間分解能を決め
るので、１ピコ秒の時間分解能を得るには、パルス幅を
１ピコ秒にする必要がある。
上述の実施例では、光検出器12として時間分解能10ピ
コ秒程度のサンプリング型光オッシロスコープを用い
て、10ピコ秒の時間間隔の複数のサンプリング点につき
同時にサンプリングする場合を例にとって説明したが、
光検出器12としてさらに時間分解能の高いストリークカ
メラ（時間分解能２ピコ秒）を用いる場合には、パルス
光源10としてはサブピコ秒のレーザを使用し、またパル
ス列の間隔を例えば2.5ピコ秒にすることができる。こ
れによりストリークカメラでは、第３図（ａ）に示すよ
うに2.5ピコ秒間隔の複数のサンプリング点で抽出され
た光強度信号がストリーク像FGとして得られる。このス
トリーク像FGは、単なる輝点でしかないが、ストリーク
カメラ用に開発された高性能画像処理解析装置（テンポ
ラルアナライザ）によってストリーク像を解析すると、
第３図（ｂ）に示したような出力波形を得ることができ
て、この出力波形を第１図に示したと同様にコンピュー
タ13に送り統計処理を施して電圧波形を検出することが
できる。
このようにパルス列の各光パルス間の間隔を短かく設
定できる場合には、あるいはサンプリング点が粗くても
良いような場合には、可変遅延器14は必ずしも必要でな
く、電圧波形をずらすことなく、全てのサンプリング点
でのサンプリングを１回で同時に行なうことができる。
また、検出されるべき電圧波形の広がりがかなり大き
く、数ナノ秒のオーダのものである場合には、光検出器
12としてゲート付光電子増倍管を用いても良い。
例えば、パルス光源からパルス幅が10ピコ秒の光パル
スが出力され、パルス列発生装置11から第４図（ａ）に
示すように１ナノ秒の時間間隔でパルス列が出力される
ようにして、第４図（ｂ）に示すような10ナノ秒の広が
りをもつ電圧波形を測定すると、ゲート付光電子増倍管
の出力は第４図（ｃ）に示すようになる。ゲート付光電
子増倍管のこの出力を通常のオッシロスコープあるいは
デジタルオッシロスコープに入力して取込ませ、コンピ
ュータ13により処理する。装置全体の時間分解能は前述
のように、光パルスのパルス幅と、可変遅延器12の１回
の移動量すなわち１回の遅延時間とで決まり、光検出器
12の時間分解能にはよらないので、可変遅延器12を例え
ば3mmづつ移動させ複数のサンプリング点を10ピコ秒づ
つずらすと、10ピコ秒の時間分解能で電圧波形を検出で
きる。パルス列の間隔は１ナノ秒であるので、電圧波形
全体を検出するのに可変遅延器12を100回移動させれば
良く、全体の移動量は30cmとなる。第５図に示すような
パルス列を用いない従来の電圧検出装置では、全体の移
動量は300cmとなるので、移動量を1/10に低減できて装
置を小型化することができる。さらに検出時間を1/10に
短縮できる。
なお上述の実施例において複数のサンプリング点をず
らすのに、被測定物53からの電圧波形を可変遅延器14に
より時間的にずらしていたが、例えばパルス列発生装置
11と光変調器40との間に可変遅延器を設け、パルス列を
時間的にずらすようにしても良い。
また可変遅延器は、電動のものであっても良いしある
いは光パルスをステップ的に遅延させるガラス板であっ
ても良い。光路中に例えば屈折率1.5のガラス板を入れ
る場合、ガラス板の厚さが0.6mmであるならば光パルス
を１ピコ秒遅延させることできる。ガラス板の厚さを異
なるものにしたり、ガラス板の複数枚重ねたりすること
で任意の遅延を作り出すことができる。なおガラス板に
は無反射コートが施されている必要がある。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば、光変調手段
により変調されたパルス列の各光パルスの光強度を同時
に検出するようにしているので、電圧波形を複数のサン
プリング点で同時にサンプリング抽出することができ
て、検出時間を著しく短縮できるとともに操作性を著し
く向上させることができる。なお、より細かなサンプリ
ングを望む場合には、検出されるべき電圧波形またはパ
ルス列を可変遅延器により時間的に徐々にずらさなけれ
ばならないが、この場合でも全体の時間遅延量は少なく
て済み、可変遅延器を小型でかつ簡単な構造のものにす
ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成
図、第２図（ａ）はパルス列を示す図、第２図（ｂ）は
検出されるべき電圧波形を示す図、第２図（ｃ）は光検
出器で検出された光強度信号を示す図、第２図（ｄ）は
コンピュータ処理された光強度データを示す図、第２図
（ｅ）は第２図（ｂ）に示す電圧波形を１ピコ秒ずらし
た状態を示す図、第３図（ａ）はストリーク像を示す
図、第３図（ｂ）は第３図（ａ）のストリーク像をテン
ポラルアナライザにより解析した結果を示す図、第４図
（ａ）は１ナノ秒の時間間隔のパルス列を示す図、第４
図（ｂ）は10ナノ秒の広がりをもつ電圧波形を示す図、
第４図（ｃ）はゲート付光電子増倍管の出力信号を示す
図、第５図は従来の電圧検出装置の構成図、第６図は電
圧波形をサンプリングする状態を示す図である。 10……パルス光源、11……パルス列発生装置、 12……光検出器、13……コンピュータ、 14……可変遅延器、15……トリガ用光検出器、 40……光変調器、53……被測定物

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光パルスを出力するパルス光源と、パルス
    光源からの光パルスによりパルス列を発生し光変調手段
    に入射させるパルス列発生手段と、検出されるべき電圧
    波形により前記光変調手段において変調されたパルス列
    の各光パルスの光強度を検出する光検出手段とを備えて
    いることを特徴とする電圧検出装置。
  2. 【請求項２】前記パルス列の各光パルス間の時間間隔
    は、前記光検出手段の時間分解能よりも大きいことを特
    徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。
  3. 【請求項３】前記パルス列により電圧波形を複数のサン
    プリング点でサンプリングしてパルス列の各光パルスの
    光強度を検出した後、複数のサンプリング点を前回の複
    数のサンプリング点に対して所定の時間遅延量でずら
    し、所定の時間遅延量でずらされた複数のサンプリング
    点で、繰り返し、パルス列により電圧波形をサンプリン
    グしてパルス列の各光パルス光強度を検出するようにな
    っており、前記複数のサンプリング点の最大の時間遅延
    量は、パルス列の各パルス間の時間間隔で定められるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出
    装置。
  4. 【請求項４】前記光検出手段は、高速光検出器であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出
    装置。
  5. 【請求項５】前記高速光検出器は、サンプリング型光オ
    ッシロスコープであることを特徴とする特許請求の範囲
    第４項に記載の電圧検出装置。
  6. 【請求項６】前記高速光検出器は、ストリークカメラで
    あることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の電
    圧検出装置。
  7. 【請求項７】前記高速光検出器は、ゲート付光電子増倍
    管であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載
    の電圧検出装置。
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