JP3018418B2 - Optical loss measuring device - Google Patents
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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、光学損失測定装置に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an optical loss measuring device.
本発明は、互いに対向する一対の高反射率のミラーか
ら成る共振器と、その共振器の一対のミラー間の光路長
を可変する可変手段と、共振器の光軸上の一端側に入力
レーザー光を照射する単一モードレーザーと、共振器の
他端側からの出力レーザー光を検出する光検出器とを有
し、その光検出器の検出出力から、共振器の光路中に試
料を配した場合と配さない場合の共振器のフリースペク
トラルレンジ（FSR）及び透過ピーク幅を夫々得、これ
らの値から試料の光学的損失を得るようにして、試料の
光学損失を高精度及び広範囲に亘って測定することがで
きるようにしたものである。The present invention provides a resonator comprising a pair of high-reflectance mirrors facing each other, a variable means for varying the optical path length between the pair of mirrors of the resonator, and an input laser at one end on the optical axis of the resonator. It has a single-mode laser that irradiates light and a photodetector that detects output laser light from the other end of the resonator, and arranges a sample in the optical path of the resonator from the detection output of the photodetector. The free spectral range (FSR) and the transmission peak width of the resonator with and without the arrangement are obtained, respectively, and the optical loss of the sample is obtained from these values. The measurement can be performed over a wide range.
〔従来の技術〕 従来の試料の光学損失の評価法としては、試料の透
過光量の測定によるもの、超短パルスを利用したキャ
ビティダンプ法によるもの等があった。[Prior Art] Conventional methods for evaluating the optical loss of a sample include a method based on measurement of the amount of transmitted light of the sample and a method based on a cavity dump method using an ultrashort pulse.
従来の技術の内、は、試料の透過率・反射率が高い
場合には、測定精度が低く成ると言う欠点がある。又、
は、入射パルスの時間幅を非常に小さくしなければな
らず、又、共振器の損失が大きい場合、減衰時間が早く
成って、高速応答性が必要に成るため、測定装置が大掛
りに成り、且つ、測定が煩雑と成る。Among the conventional techniques, there is a disadvantage that when the transmittance and the reflectance of the sample are high, the measurement accuracy is low. or,
In this case, the time width of the incident pulse must be extremely small, and when the loss of the resonator is large, the decay time becomes short, and high-speed response is required. In addition, the measurement becomes complicated.
かかる点に鑑み、本発明は、構成簡単、測定容易にし
て、試料の光学損失を高精度及び広範囲に亘って測定す
ることのできる光学損失測定装置を提案しようとするも
のである。In view of the above, an object of the present invention is to propose an optical loss measuring apparatus capable of measuring the optical loss of a sample with high accuracy and over a wide range with a simple configuration and easy measurement.
本発明は、互いに対向する一対の高反射率のミラー
（４）、（６）から成る共振器RSと、その共振器RSの一
対のミラー（４）、（６）間の光路長を可変する可変手
段（6,10,11,12）と、共振器RSの光軸上の一端側に入力
レーザー光を照射する単一モードレーザー（１）と、共
振器RSの他端側からの出力レーザー光を検出する光検出
器（９）とを有する。そして、光検出器（９）の検出出
力から、共振器RSの光路中に試料（５）を配した場合と
配さない場合の共振器RSのフリースペクトラルレンジ
（FSR）及び透過ピーク幅を夫々得、これらの値から試
料の光学的損失を得るようにしたものである。According to the present invention, a resonator RS composed of a pair of mirrors (4) and (6) having a high reflectance facing each other and an optical path length between the pair of mirrors (4) and (6) of the resonator RS are variable. Variable means (6, 10, 11, 12), a single mode laser (1) for irradiating an input laser beam to one end on the optical axis of the resonator RS, and an output laser from the other end of the resonator RS A light detector (9) for detecting light. Then, based on the detection output of the photodetector (9), the free spectral range (FSR) and the transmission peak width of the resonator RS when the sample (5) is disposed in the optical path of the resonator RS and when the sample (5) is not disposed, respectively. The optical loss of the sample is obtained from these values.
以下に、第１図を参照して、本発明の実施例を説明す
る。この実施例の光学損失測定装置は、フィネス（fine
sse）の変化によって光学損失測定を行うものである。An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. The optical loss measuring device of this embodiment is finesse (fine)
The optical loss measurement is performed based on the change in sse).
以下に、第１図を参照して、本発明の実施例を詳細に
説明しよう。（１）は狭い線幅を有する単一モードレー
ザーで、ここではレーザー媒質として例えばNd:YAGレー
ザーロッドを用いた固体レーザーである。この固体レー
ザー（１）は例えば波長が1064nmで、線幅が1kHz〜3kHz
程度のレーザー光を発生する。尚、このレーザー光の波
長は、後述する共振器RS内に配する試料（５）の光学的
性質に応じて最適な波長に選ぶことができる。Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. (1) is a single mode laser having a narrow line width, which is a solid-state laser using, for example, a Nd: YAG laser rod as a laser medium. This solid-state laser (1) has, for example, a wavelength of 1064 nm and a line width of 1 kHz to 3 kHz.
Generates a degree of laser light. Incidentally, the wavelength of the laser light can be selected to be an optimal wavelength according to the optical properties of the sample (5) disposed in the resonator RS described later.
このレーザー（１）からのレーザー光は、レーザー
（１）に対する戻り光を阻止してレーザー出力の安定化
を図るための光アイソレータ（２）を通じ、更に、レー
ザー光の利用効率を向上させると共に、横モードを合わ
せるためのモードマッチングレンズ（３）を通じて、反
射率が99.9％の一対の凹面ミラー（４）、（６）から成
る共振器（ここでは、共焦点型共振器）RSのミラー
（４）側に入射せしめられる。尚、ミラー（４）、
（６）の反射率は、試料（５）の損失の大きさに応じ
て、その最適値があり、試料（５）の損失が小さい程、
高反射率が要求される。The laser light from the laser (1) passes through an optical isolator (2) for stabilizing the laser output by preventing return light to the laser (1), and further improves the utilization efficiency of the laser light. Through a mode matching lens (3) for matching the transverse mode, a mirror (4, here a confocal resonator) of a resonator consisting of a pair of concave mirrors (4) and (6) having a reflectivity of 99.9% (4). ) Side. In addition, mirror (4),
The reflectance of (6) has an optimal value according to the magnitude of the loss of the sample (5).
High reflectance is required.
この一対の凹面ミラー（４）、（６）から成る共振器
には、その光軸上に光学損失を測定すべき試料（５）が
配されている。この試料（５）としては、ガラス平行平
板、KTP（KTiOPO4）、Nd:YAGレーザーロッド、1/4波長
板等がある。A sample (5) whose optical loss is to be measured is arranged on the optical axis of the resonator including the pair of concave mirrors (4) and (6). Examples of the sample (5) include a glass parallel plate, KTP (KTiOPO 4 ), a Nd: YAG laser rod, a quarter-wave plate, and the like.
共振器RSの他方の凹面ミラー（６）の背面に圧電素子
（12）を取り付け、ファンクション・ジェネレータ
（１）からの、例えば、振幅が10（Ｖ）で、周波数が10
Hz程度の三角波信号を、高電圧アンプ（10）に供給して
増幅して、例えば、振幅が1000（Ｖ）の三角波信号を
得、これを圧電素子（12）に印加して、ミラー（６）を
光軸方向に振動させて、共振器RSのミラー（４）、
（６）間の往復光路長を、共振点型共振器の場合、それ
らのミラーの曲率半径と同じ距離（例えば、10cm）を中
心としてその前後に可変させるようにしている。A piezoelectric element (12) is attached to the back surface of the other concave mirror (6) of the resonator RS, and the amplitude is 10 (V) and the frequency is 10 (V) from the function generator (1).
A triangular wave signal of about Hz is supplied to a high voltage amplifier (10) and amplified to obtain a triangular wave signal having an amplitude of, for example, 1000 (V). ) Is vibrated in the direction of the optical axis, and the mirror (4) of the resonator RS,
In the case of a resonance point type resonator, the length of the reciprocating optical path between (6) is variable around the same distance (for example, 10 cm) as the radius of curvature of the mirrors.
尚、共振器RSのミラー（６）を光軸方向に振動させて
ミラー（４）、（６）間の光路長を変化させる代わり
に、ミラー（４）、（６）間の間隔を固定して、レーザ
ー（１）から出射されるレーザー光の周波数を変化させ
て、実質的にミラー（４）、（６）間の光路長を変化さ
せるようにしても良い。Instead of changing the optical path length between the mirrors (4) and (6) by oscillating the mirror (6) of the resonator RS in the optical axis direction, the distance between the mirrors (4) and (6) is fixed. Then, the frequency of the laser beam emitted from the laser (1) may be changed to substantially change the optical path length between the mirrors (4) and (6).
凹面ミラー（４）、（６）の曲率半径は、ここでは10
cmである。凹面ミラー（４）、（６）間を往復伝播する
レーザー光の径は約200μｍである。The radius of curvature of the concave mirrors (4) and (6) is 10 here.
cm. The diameter of the laser light that reciprocates between the concave mirrors (4) and (6) is about 200 μm.
共振器RSのミラー（６）からの出力レーザー光を、横
モードの高次モードを除去するためのアパーチャ（７）
を通過せしめた後、集光レンズ（８）によって集束せし
めて、フォトダイオード（９）の受光部上に焦点を結ぶ
如く入射せしめる。An aperture (7) for removing the output laser light from the mirror (6) of the resonator RS from higher-order transverse modes.
After that, the light is converged by the condenser lens (8) and is incident on the light receiving portion of the photodiode (9) so as to be focused.
このフォトダイオード（９）からの検出出力がオシロ
スコープ（ストレージオシロスコープ）（13）に供給さ
れる。そして、このオシロスコープ（13）において、共
振器RS中に試料（５）を配した場合と配さない場合の共
振器RSのフリースペクトラルレンジ及び透過ピーク幅を
夫々得、これらの値から試料（５）の光学損失を得るよ
うにする。The detection output from the photodiode (9) is supplied to an oscilloscope (storage oscilloscope) (13). Then, in this oscilloscope (13), the free spectral range and the transmission peak width of the resonator RS when the sample (5) is arranged in the resonator RS and when the sample (5) is not arranged are obtained, and the sample (5) is obtained from these values. ) Optical loss.
尚、かかる光学損失測定装置の光学要素（１）〜
（９）及び（12）から成る光学系は、図示せざるも除震
台上に載置されている。In addition, the optical element (1) of such an optical loss measuring device
The optical system composed of (9) and (12) is mounted on a vibration isolation table (not shown).
次に、この光学損失測定装置の動作を説明する。共振
器RSのミラー（４）、（６）の反射率をＲ、試料（５）
の光が一回透過したときの光学損失を１−Ａと夫々する
と、入射光の透過率は次式のように表される。Next, the operation of the optical loss measuring device will be described. The reflectance of the mirrors (4) and (6) of the resonator RS is R, and the sample (5)
Assuming that the optical loss when the light is transmitted once is 1-A, the transmittance of the incident light is represented by the following equation.
Ｔ（δ）＝（１＝Ｒ）2A/〔（１−AR）２＋ 4ARsin2（δ/2）〕 ‥‥‥‥（１） δ＝４πｎ／λ ‥‥‥‥（２） ここで、n:ミラー（４）、（６）間の媒質の屈折率 ：ミラー（４）、（６）間の距離 λ：入射光の波長 共振器RS中に２種類以上の媒質があるときは、式
（２）中のnlは、次式のように表される。T (δ) = (1 = R) 2 A / [(1-AR) 2 + 4AR sin 2 (δ / 2)] ‥‥‥‥ (1) δ = 4πn / λ ‥‥‥‥ (2) , N: refractive index of medium between mirrors (4) and (6): distance between mirrors (4) and (6) λ: wavelength of incident light When there are two or more types of medium in resonator RS, Nl in the equation (2) is represented by the following equation.
ミラー（６）の光軸方向の振動によって、ミラー
（４）、（６）間の距離を、〜＋λ/2n以上の幅
で変化させると、δは2mπ〜（2m＋１）π（但し、ｍは
整数）に亘って変化する。 When the distance between the mirrors (4) and (6) is changed by a width equal to or more than + λ / 2n by the vibration of the mirror (6) in the optical axis direction, δ becomes 2mπ to (2m + 1) π (where m is Integer).
δが２πの整数倍のとき、Ｒ、Ａのある値に対して、
式（１）の分母が最小と成り、従って、透過率Ｔ（δ）
が極大と成る。第２図に透過率対δの特性曲線を示し、
第３図にδを拡大した透過率対δの特性曲線を示し、波
長λの整数倍毎に透過率Ｔ（δ）が極大に成ることを示
している。これら第２図及び第３図の特性曲線は、Ｒ＝
0.9992、Ａ＝0.993の場合であるが、オシロスコープ（1
3）の管面上に標示される。そして、この波形のピーク
部の間隔、即ち、δ＝２πに相当するスパンをフリース
ペクトラルレンジ（FSR）と呼び、このFSRと、そのピー
ク部の幅、即ち、透過ピーク幅（半値全幅）Δδとの比
をフィネス（finesse）Ｆと呼び、これを式に表すと、
次式のように成る。When δ is an integral multiple of 2π, for certain values of R and A,
The denominator of equation (1) is minimized, and therefore the transmittance T (δ)
Becomes the maximum. FIG. 2 shows a characteristic curve of transmittance versus δ,
FIG. 3 shows a characteristic curve of transmittance versus δ in which δ is enlarged, and shows that the transmittance T (δ) becomes maximum for every integral multiple of the wavelength λ. The characteristic curves in FIG. 2 and FIG.
0.9992, A = 0.993, but the oscilloscope (1
3) is marked on the tube surface. The interval between the peak portions of the waveform, that is, the span corresponding to δ = 2π, is called a free spectral range (FSR). Is called a finesse F, which is expressed by the following equation.
It becomes like the following formula.
Ｆ＝FSA/Δδ ‥‥‥‥（４） Ｔ（δ）/T（０）＝1/2を解くと、次式が得られる。 F = FSA / Δδ ‥‥‥‥ (4) By solving T (δ) / T (0) = 1/2, the following equation is obtained.
Δδ＝4sin-1〔（１−AR）/2（AR）1/2〕 〜〔２（１−AR）／（AR）1/2〕 ‥‥‥‥（５） この式（５）から、フィネスＦは次式のように表され
る（第３図のＲ＝0.999、0.9992、0.9995の場合のフィ
ネス対光学損失特性曲線図参照）。Δδ = 4 sin -1 [(1-AR) / 2 (AR) 1/2 ]-[2 (1-AR) / (AR) 1/2 ] (5) From this equation (5), The finesse F is represented by the following equation (see the graph of the finesse vs. optical loss characteristics when R = 0.999, 0.9992, and 0.9995 in FIG. 3).
Ｆ＝２π／Δδ〜π（AR）1/2／（１−AR） ‥‥‥‥（６） ARは１に近い値であるから、式（６）において、第２
項は第１項に比べて十分大きな値と成るので、第１項は
省略でき、又、（AR）1/2は略１と見なされるので、式
（６）は次式のように近似できる。F = 2π / Δδ to π (AR) 1/2 / (1−AR) ‥‥‥‥ (6) Since AR is a value close to 1, in equation (6), the second
Since the term has a sufficiently large value compared to the first term, the first term can be omitted, and (AR) 1/2 is regarded as substantially 1, so that equation (6) can be approximated as .
Ｆ≒π／（１−AR） ‥‥‥‥（６） この式（６）から、ARは次式のように表される。 F ≒ π / (1−AR) ‥‥‥‥ (6) From this equation (6), AR is expressed as the following equation.
AR≒１−π/F ‥‥‥‥（７） そして、共振器RS内に試料（５）を配しないで、即
ち、Ａ＝１の状態でフィネスＦを測定してＲを求め、し
かる後、共振器RS内に試料（５）を配してARを求めるこ
とにより、次式 Ａ≒（1/R）（１−π/F） ‥‥‥‥（８） からＡが求められ、光学損失は１−Ａで与えられる。AR ≒ 1−π / F ‥‥‥‥ (7) Then, without placing the sample (5) in the resonator RS, that is, in the state of A = 1, measure the finesse F to obtain R, and then By arranging the sample (5) in the resonator RS and calculating AR, A is obtained from the following equation A ≒ (1 / R) (1-π / F) ‥‥‥‥ (8), The loss is given by 1-A.
ここで、共振器RS内に試料（５）を配した場合の共振
器（５）における全損失はL2＝π/Fで算出される。この
損失L2を、共振器RS内に試料（５）を配さない場合の共
振器RS内の損失（厳密には０ではない）L0で校正すれ
ば、試料（５）自体の損失L1は次式によって得られる。Here, the total loss in the resonator (5) when the sample (5) is arranged in the resonator RS is calculated by L 2 = π / F. The loss L 2, (not 0 strictly) loss resonator RS when not placed a sample (5) to the resonator RS if calibrated in L 0, the sample (5) loss of itself L 1 is obtained by the following equation.
L1＝１−（１−L0）／（１−L2） ‥‥‥‥（９） 上述の実施例で、共振器RSの反射率が99.9のミラー
（４）、（６）間の距離（光路長）を、10cmに設定し、
0.01％程度の分解能で、試料（５）の光学損失を測定し
ようとする場合、圧電素子（12）を光軸方向に10Hzで振
動させた場合、1.5GHzのFSRに対し、時間軸上でFSRは約
20m sec、フィネスＦは3100より、透過ピーク幅Δδは
6.5μsec、あるいは1.5GHz/3100＝500kHzと成るので、
光源としてのレーザー（１）の線幅を1m secの間50kHz
以下に、フォトダイオード（９）の帯域を1MHz以上とす
る必要がある。フォトダイオード（９）の帯域を10MHz
以上、レーザー（１）の線幅を5kHz以下とすれば、更に
反射率の高い（例えば、Ｒ＝99.99）ミラー（４）、
（６）を使うことによって、もう１桁高い分解能0.001
％で、試料（５）の光学損失を測定することができる。L 1 = 1− (1−L 0 ) / (1−L 2 ) ‥‥‥‥ (9) In the above embodiment, the reflectance of the resonator RS is 99.9 between the mirrors (4) and (6). Set the distance (optical path length) to 10cm,
When trying to measure the optical loss of the sample (5) with a resolution of about 0.01%, when the piezoelectric element (12) is vibrated at 10 Hz in the optical axis direction, the FSR on the time axis is higher than the 1.5 GHz FSR. Is about
20m sec, finesse F is 3100, transmission peak width Δδ is
6.5μsec or 1.5GHz / 3100 = 500kHz, so
Line width of laser (1) as light source is 50kHz for 1msec
Below, the bandwidth of the photodiode (9) needs to be 1 MHz or more. 10MHz band of photodiode (9)
As described above, if the line width of the laser (1) is set to 5 kHz or less, the mirror (4) having a higher reflectivity (for example, R = 99.99),
By using (6), one digit higher resolution 0.001
In%, the optical loss of the sample (5) can be measured.
しかして、かかる光学損失測定装置によれば、従来測
定し難かった0.1％程度あるいはそれ以下の光学損失を
比較的簡単に測定することができ、共振器RSのミラー
（４）、（６）の選択によって、0.001％のから数％ま
での広い範囲に亘る光学損失を測定することができる。
これによって、レーザー設計・部品管理において、光学
部品や結晶、ミラー等の光学損失を正確に測定でき、基
準作りの重要な手段と成る。Thus, according to such an optical loss measuring apparatus, it is possible to relatively easily measure an optical loss of about 0.1% or less, which has been difficult to measure conventionally, and to obtain mirrors (4) and (6) of the resonator RS. By selection, optical losses can be measured over a wide range from 0.001% to several%.
This makes it possible to accurately measure the optical loss of optical components, crystals, mirrors, and the like in laser design and component management, and this is an important means for creating standards.
上述せる本発明によれば、互いに対向する一対の高反
射率のミラーから成る共振器と、その共振器の一対のミ
ラー間の光路長を可変する可変手段と、共振器の光軸上
の一端側に入力レーザー光を照射する単一モードレーザ
ーと、共振器の他端側からの出力レーザー光を検出する
光検出器とを有し、その光検出器の検出出力から、共振
器の光路中に試料を配した場合と配さない場合の共振器
のフリースペクトラルレンジ（FSR）及び透過ピーク幅
を夫々得、これらの値から試料の光学的損失を得るよう
にしたので、構成簡単、測定容易にして、試料の光学損
失を高精度及び広範囲に亘って測定することができる。According to the present invention described above, a resonator including a pair of high-reflectance mirrors facing each other, a variable unit that changes the optical path length between the pair of mirrors of the resonator, and one end of the resonator on the optical axis Side has a single mode laser that irradiates the input laser light, and a photodetector that detects an output laser light from the other end of the resonator. The free spectral range (FSR) and transmission peak width of the resonator with and without the sample are obtained respectively, and the optical loss of the sample is obtained from these values. Thus, the optical loss of the sample can be measured with high accuracy and over a wide range.
第１図は本発明の実施例を示す配置図、第２図、第３図
及び第４図は夫々本発明の説明に供する特性曲線図であ
る。 （１）は単一モードレーザー、RSは共振器、（４）、
（６）は夫々ミラー、（５）は試料、（７）はアパーチ
ャー、（９）はフォトダイオード、（13）はオシロスコ
ープである。FIG. 1 is a layout diagram showing an embodiment of the present invention, and FIGS. 2, 3, and 4 are characteristic curve diagrams for explaining the present invention, respectively. (1) is a single mode laser, RS is a resonator, (4),
(6) is a mirror, (5) is a sample, (7) is an aperture, (9) is a photodiode, and (13) is an oscilloscope.
Claims (1)
ら成る共振器と、 該共振器の一対のミラー間の光路長を可変する可変手段
と、 上記共振器の光軸上の一端側に入力レーザー光を照射す
る単一モードレーザーと、 上記共振器の他端側からの出力レーザー光を検出する光
検出器とを有し、 該光検出器の検出出力から、上記共振器の光路中に試料
を配した場合と配さない場合の上記共振器のフリースペ
クトラルレンジ及び透過ピーク幅を夫々得、これらの値
から上記試料の光学的損失を得るようにしたことを特徴
とする光学損失測定装置。1. A resonator comprising a pair of high-reflectance mirrors facing each other, a variable means for varying an optical path length between a pair of mirrors of the resonator, and one end on the optical axis of the resonator. A single-mode laser for irradiating an input laser beam, and a photodetector for detecting an output laser beam from the other end of the resonator, wherein a detection output of the photodetector is used in an optical path of the resonator. Optical loss measurement, wherein a free spectral range and a transmission peak width of the resonator are obtained respectively with and without a sample, and the optical loss of the sample is obtained from these values. apparatus.
Priority Applications (1)
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| JP2194194A JP3018418B2 (en) | 1990-07-23 | 1990-07-23 | Optical loss measuring device |
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| JPH0480633A JPH0480633A (en) | 1992-03-13 |
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|---|---|---|---|---|
| CN105973849B (en) * | 2016-07-07 | 2018-08-14 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | The measuring device and measurement method of optical material loss |
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