JP5148381B2 - 光測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光の測定に関する。
従来より、テラヘルツエミッターから被測定物に与えられたテラヘルツ光A(パルスである)が被測定物を透過したものと、テラヘルツ光Aのパルス周期とわずかに異なるパルス周期の光Bとをテラヘルツディテクターで受けて、被測定物を測定する方法が知られている(例えば、特許文献1の要約を参照)。
テラヘルツ光Aの繰り返し周波数をfAとし、光Bの繰り返し周波数をfBとすると、被測定物を透過した光パルスの一周期分を測定するために必要な時間は、1/(fA−fB)[s]である。
また、信号をスペクトラムアナライザにより測定することは周知である。スペクトラムアナライザは、信号のパワーなどを周波数ごとに測定する。スペクトラムアナライザにより測定される周波数は時間と共に変化する。すなわち、スペクトラムアナライザは、測定する周波数を掃引する。
国際公開第2006/092874号パンフレット
そこで、テラヘルツディテクターにより検出された信号を、スペクトラムアナライザにより測定することが考えられる。スペクトラムアナライザが掃引を開始する周波数をfs[Hz]、スペクトラムアナライザにより測定される周波数が変化する速度をS[Hz/s]とすると、スペクトラムアナライザにより測定される周波数は、fs+n・S/(fA−fB)[Hz]となる(ただし、nは0または正の整数)。
しかしながら、測定したい周波数f0が、fs+n0・S/(fA−fB)<f0<fs+(1+n0)・S/(fA−fB)、(n0は0または正の整数のうちの一つ)であるような場合、スペクトラムアナライザによる測定ができない。
そこで、本発明は、光信号に基づく電気信号をスペクトラムアナライザにより測定する際に、測定する周波数を変えることができるようにすることを課題とする。
本発明にかかる光測定装置は、所定のパルス光を受け、前記所定のパルス光の繰り返し周波数と同じ繰り返し周波数を有する被検出光パルスを出力する被検出光パルス出力部と、前記被検出光パルスとサンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で、前記被検出光パルスのパワーに応じた信号を出力する信号出力器と、前記信号の大きさを、時間と共に変化する測定周波数ごとに測定する周波数スペクトル測定器と、前記所定のパルス光と、前記サンプリング光パルスとが同時に入力されたときに、同時光パルスを出力する同時光パルス出力部と、前記同時光パルスを電気信号に変換して、前記トリガ信号とするトリガ信号生成部と、前記トリガ信号を遅延させるトリガ信号遅延部と、を備え、前記被検出光パルスの繰り返し周波数と前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数とが異なり、前記トリガ信号が前記周波数スペクトル測定器に与えられた時点から、前記測定周波数が変化を始めるように構成される。
上記のように構成された光測定装置によれば、被検出光パルス出力部が、所定のパルス光を受け、前記所定のパルス光の繰り返し周波数と同じ繰り返し周波数を有する被検出光パルスを出力する。信号出力器が、前記被検出光パルスとサンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で、前記被検出光パルスのパワーに応じた信号を出力する。周波数スペクトル測定器が、前記信号の大きさを、時間と共に変化する測定周波数ごとに測定する。同時光パルス出力部が、前記所定のパルス光と、前記サンプリング光パルスとが同時に入力されたときに、同時光パルスを出力する。トリガ信号生成部が、前記同時光パルスを電気信号に変換して、前記トリガ信号とする。トリガ信号遅延部が、前記トリガ信号を遅延させる。
しかも、前記被検出光パルスの繰り返し周波数と前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数とが異なり、前記トリガ信号が前記周波数スペクトル測定器に与えられた時点から、前記測定周波数が変化を始める。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記トリガ信号遅延部は、前記同時光パルスを遅延させて、前記トリガ信号生成部に与えるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記トリガ信号遅延部は、前記周波数スペクトル測定器の内部に配置されているようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記トリガ信号遅延部は、前記サンプリング光パルスを遅延させて、前記同時光パルス出力部に与えるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記測定周波数の、前記トリガ信号が前記周波数スペクトル測定器に与えられた時点からの変化量は、前記時点から経過した時間に比例するようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記被検出光パルス出力部および前記信号出力器が光伝導スイッチであるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記被検出光パルスがテラヘルツ光であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記信号が電流であるようにしてもよい。
なお、本発明にかかる光測定装置は、前記被検出光パルス出力部が非線形光学結晶であり、前記信号出力器が電気光学結晶であるようにしてもよい。
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施形態にかかる光測定装置1の構成を示すブロック図である。光測定装置1は、光出力装置10、受光装置20、トリガ信号付与装置30を備える。
光出力装置10は、第一レーザ光源11、第二レーザ光源12、バイアス電圧源16、光伝導スイッチ(被検出光パルス出力部)18、ハーフミラーM11、M12を有する。
第一レーザ光源11は、数十フェムト秒のパルス幅を有する近赤外領域波長のレーザーパルス光(所定のパルス光)を出力する。レーザーパルス光は、ハーフミラーM11により、トリガ信号付与装置30へ与えられるものと、光伝導スイッチ18に与えられる光に分けられる。なお、レーザーパルス光の繰り返し周波数はfrep1である。
第二レーザ光源12は、サンプリング光パルスL2を出力するレーザ光源である。サンプリング光パルスL2の繰り返し周波数はfrep2(=frep1−Δf)である。なお、Δf>0である。サンプリング光パルスL2は、ハーフミラーM12により、受光装置20へ与えられるものと、トリガ信号付与装置30に与えられる光に分けられる。
バイアス電圧源16は、光伝導スイッチ18に直流電圧を与える。
光伝導スイッチ(被検出光パルス出力部)18は、レーザ光源11からレーザーパルス光(所定のパルス光)を受けると、テラヘルツ光L1を出力する。なお、光伝導スイッチ18の構成は、周知であり、説明を省略する。光伝導スイッチ18の出力するテラヘルツ光(被検出光パルス)L1は、光パルスであり、その繰り返し周波数は、レーザーパルス光の繰り返し周波数と同じfrep1である。
受光装置20は、光伝導スイッチ(信号出力器)21、電流アンプ22、RFスペクトラムアナライザ(周波数スペクトル測定器)26、ミラーM21、M22を有する。
光伝導スイッチ(信号出力器)21は、テラヘルツ光L1を受ける。なお、光伝導スイッチ21が、テラヘルツ光L1を、何らかの被測定物を介して受けることも考えられる。しかも、サンプリング光パルスL2が、ミラーM21、M22により、光伝導スイッチ21に導かれる。よって、光伝導スイッチ21はサンプリング光パルスL2を受ける。光伝導スイッチ21は、サンプリング光パルスL2を受けた時点で、テラヘルツ光L1のパワーに応じた信号を出力する。なお、光伝導スイッチ21が出力する信号は、電流である。また、光伝導スイッチ18の構成は、周知であり、説明を省略する。
電流アンプ22は、光伝導スイッチ21に発生した電流を増幅する。
RFスペクトラムアナライザ(周波数スペクトル測定器)26は、信号の大きさを、時間と共に変化する測定周波数ごとに測定する。測定周波数が時間と共に変化するということは、掃引を意味する。掃引は、トリガ信号EXTがRFスペクトラムアナライザ26に与えられた時点から開始する。
図2は、RFスペクトラムアナライザ26の構成を示すブロック図である。RFスペクトラムアナライザ26は、ローカル信号源26a、ミキサ26b、バンドパスフィルタ26c、信号測定部26dを有する。なお、図2においては、RFスペクトラムアナライザ26がミキサを一個だけ備えているが、RFスペクトラムアナライザ26が複数個のミキサを備えていてもよいことは周知である。
ローカル信号源26aは、ローカル信号(周波数fLO)を出力する。fLOは、時間と共に変化する。すなわち、fLO = fLOS+S・tpである(ただし、fLOSは、ローカル周波数fLOの初期値[Hz]、Sは掃引の速度[Hz/秒]、tpはトリガ信号EXTをローカル信号源26aが受けてから経過した時間[秒]である。
ミキサ26bは、電流アンプ22の出力する電流と、ローカル信号とを乗算する。
バンドパスフィルタ26cは、ミキサ26bの出力から所定の周波数fIFの信号を取り出す。
信号測定部26dは、バンドパスフィルタ26cの出力の大きさ(位相も測定するようにしてよい)を測定する。信号測定部26dが測定する信号は、電流アンプ22の出力する電流の周波数fRFの成分である。ただし、fRF
= fIF+fLO = fIF+fLOS+S・tpである。ここで、fIF+fLOSをfsとすれば、fRF
= fS+S・tpである。周波数fRFは、先に述べた測定周波数である。トリガ信号EXTがRFスペクトラムアナライザ26(のローカル信号源26a)に与えられた時点から周波数fRFが変化した量S・tpは、トリガ信号EXTがRFスペクトラムアナライザ26(のローカル信号源26a)に与えられた時点から経過した時間tpに比例する。
トリガ信号付与装置30は、光カプラ(同時光パルス出力部)32、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34、フォトディテクタ(トリガ信号生成部)36を有する。
光カプラ(同時光パルス出力部)32は、レーザーパルス光と、サンプリング光パルスL2とが同時に入力されたときに、同時光パルスを出力する。
光遅延回路(トリガ信号遅延部)34は、同時光パルスを遅延させて、フォトディテクタ36に与える。これにより、トリガ信号EXTを、光遅延回路34が無い場合よりも遅延させることになる。なお、光遅延回路34がトリガ信号EXTを遅延させる時間をtdとする。
フォトディテクタ(トリガ信号生成部)36は、同時光パルスを光遅延回路34を介して受け、電気信号に変換して、トリガ信号EXTとして、RFスペクトラムアナライザ26に与える。
次に、本発明の実施形態の動作を説明する。
光出力装置10のレーザ光源11がレーザーパルス光を出力する。レーザーパルス光は、ハーフミラーM11を透過して、光伝導スイッチ18に与えられる。光伝導スイッチ18には、バイアス電圧源16により直流電圧が与えられている。この状態で、光伝導スイッチ18にレーザーパルス光が与えられると、光伝導スイッチ18からテラヘルツ光L1が出力される。テラヘルツ光L1は、受光装置20の光伝導スイッチ21に与えられる。
第二レーザ光源12は、サンプリング光パルスL2を出力する。サンプリング光パルスL2は、ハーフミラーM12を透過し、さらにミラーM21、M22により反射され、光伝導スイッチ21に与えられる。
光伝導スイッチ21は、サンプリング光パルスL2を受けた時点で、テラヘルツ光L1のパワーに応じた電流を出力する。この電流は、電流アンプ22により増幅され、RFスペクトラムアナライザ26により測定される。
また、レーザーパルス光は、ハーフミラーM11により反射されて、トリガ信号付与装置30の光カプラ32に与えられる。サンプリング光パルスL2は、ハーフミラーM12により反射されて、光カプラ32に与えられる。光カプラ32は、レーザーパルス光と、サンプリング光パルスL2とが同時に入力されたときに、同時光パルスを出力する。
同時光パルスは、光遅延回路34により時間tdだけ遅延されて、フォトディテクタ36に与えられる。フォトディテクタ36は、同時光パルスを電気信号に変換して、トリガ信号EXTとして、RFスペクトラムアナライザ26に与える。トリガ信号EXTがRFスペクトラムアナライザ26(のローカル信号源26a)に与えられると、掃引が開始される。
図3は、テラヘルツ光L1(図3(a))、サンプリング光パルスL2(図3(b))、トリガ信号EXT(td=0と仮定)(図3(c))、トリガ信号EXT(図3(d))のタイムチャートである。ただし、図示の便宜上、レーザーパルス光とテラヘルツ光L1との時間差は無いものとしている。
光伝導スイッチ21は、サンプリング光パルスL2のパルスの光パワーが最大になった時点におけるテラヘルツ光L1のパワーに応じた電流を出力する。例えば、時間t = 0, 1/frep2, 2/frep2, …におけるテラヘルツ光L1のパワーに応じた電流を出力する。すなわち、光伝導スイッチ21は、テラヘルツ光L1のパワーが最大になった時点からΔt1( = 1/frep2−1/frep1)づつずれた時点(0, Δt1,
2Δt1,…)のテラヘルツ光L1のパワーに応じた電流を出力することになる。光伝導スイッチ21は、やがて、テラヘルツ光L1のパワーが最大になった時点からのずれが1/frep1になったときのテラヘルツ光L1のパワーに応じた電流を出力する(図3(a)の右端のパルスを参照)。この時点で、テラヘルツ光L1のパルスの一周期分の測定が完了する。テラヘルツ光L1のパルスの一周期分の測定が完了するのにかかる時間Δtは、Δt = 1/Δf = 1/(frep1−frep2)となる。
ここで、td=0と仮定すると(光遅延回路34が無い場合に相当)、トリガ信号EXTはt = 0およびt = Δtに出力される(図3(c)参照)。しかし、実際には、td>0なので、トリガ信号EXTはt = tdおよびt = Δt+ tdに出力される(図3(d)参照)。
図4は、td=0と仮定したとき(光遅延回路34が無い場合に相当)の測定周波数fRFおよび実際の(td>0)測定周波数fRFを示す図である。電流アンプ22の出力する電流は、t = 0, Δt, 2Δt, 3Δt,…の時点で測定されるので、td=0と仮定したときの測定周波数fRFは、fRF = fS+S・tpのtpに0, Δt, 2Δt, 3Δt,…を代入して、fS, fS+ SΔt, fS+2SΔt, fS+3SΔt,…ということになる。
実際には、td>0である。すると、トリガ信号EXTをローカル信号源26aが受けてから経過した時間は、t−tdということになる。よって、測定周波数fRFは、fRF
= fS+S・tpのtpに0, Δt−td, 2Δt−td, 3Δt−td,…を代入して、fS, fS+ S(Δt−td), fS+
S(2Δt−td), fS+ S(3Δt−td),…ということになる。
光遅延回路34が無ければ、測定周波数fRFは、fS, fS+ SΔt, fS+2SΔt, fS+3SΔt,…ということになるので、測定したい周波数f0が、例えば、fS+2SΔt<f0<fS+3SΔtであれば、測定できない。
しかし、本発明の実施形態によれば、tdを適宜調整して、f0 = fS+ S(3Δt−td)とすることができる。すなわち、fS+2SΔtとfS+3SΔtとの間に測定周波数fRFを設定できる。これにより、光信号に基づく電気信号をRFスペクトラムアナライザ26により測定する際に、測定する周波数fRFを適宜変えることができる。
なお、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34は、光カプラ32とフォトディテクタ36との間に配置した例を説明したが、トリガ信号遅延部を他の部位に配置してもよい。
図5は、遅延部(トリガ信号遅延部)26eを、RFスペクトラムアナライザ26内部に配置したときのRFスペクトラムアナライザ26の構成を示すブロック図である。遅延部26eは、トリガ信号EXTを時間tdだけ遅延させてから、ローカル信号源26aに与える。
図6は、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とハーフミラーM12との間に配置したときの光測定装置1の構成を示すブロック図である。光遅延回路34は、サンプリング光パルスL2を時間tdだけ遅延させてから、光カプラ32に与える。
なお、これまで、被検出光パルス出力部および信号出力器として光伝導スイッチ18、21を用いた例を説明してきた。しかし、被検出光パルス出力部として非線形光学結晶を用い、信号出力器として電気光学結晶を用いることも可能である。
図7は、本発明の実施形態にかかる光測定装置1において非線形光学結晶を用いた場合の構成を示すブロック図である。光測定装置1は、光出力装置10、受光装置20、トリガ信号付与装置30を備える。
光出力装置10は、第一レーザ光源11、第二レーザ光源12、非線形光学結晶13、ハーフミラーM11、M12を有する。第一レーザ光源11、第二レーザ光源12およびハーフミラーM11、M12は、図1を参照して説明した光測定装置1と同様であり、説明を省略する。
非線形光学結晶(被検出光パルス出力部)13は、レーザ光源11からレーザーパルス光(所定のパルス光)を受けると、テラヘルツ光L1を出力する。非線形光学結晶13は、例えば、DASTまたはZnTeなどである。非線形光学結晶13の出力するテラヘルツ光(被検出光パルス)L1は、光パルスであり、その繰返し周波数は、レーザーパルス光の繰返し周波数と同じfrep1である。
受光装置20は、電流アンプ22、電気光学結晶(信号出力器)23、四分の一波長板24、偏光ビームスプリッタ25、RFスペクトラムアナライザ(周波数スペクトル測定器)26、フォトディテクタ27a、27b、減算器27c、ミラーM21、M22を有する。
電気光学結晶(信号出力器)23は、テラヘルツ光L1を受ける。電気光学結晶23は、例えば、DAST、ZnTeまたはGaAsなどである。なお、電気光学結晶23が、テラヘルツ光L1を、何らかの被測定物を介して受けることも考えられる。しかも、サンプリング光パルスL2が、ミラーM21、M22により、電気光学結晶23に導かれる。よって、電気光学結晶23はサンプリング光パルスL2を受ける。電気光学結晶23がサンプリング光パルスL2を受けた時点で、テラヘルツ光L1のパワーに応じて、電気光学結晶23の複屈折変化が発生する。電気光学結晶23において発生した複屈折変化の影響により、電気光学結晶23を通過するサンプリング光パルスL2の偏波状態が変化する。
すなわち、電気光学結晶(信号出力器)23は、サンプリング光パルスL2を受けた時点で、テラヘルツ光L1のパワーに応じて偏波状態が変化した信号(サンプリング光パルスL2)を出力する。
電気光学結晶23から出力された信号(サンプリング光パルスL2)は、四分の一波長板24(周知の四分の一波長板であり、説明を省略する)を介して、偏光ビームスプリッタ25に与えられる。信号は、偏光ビームスプリッタ25により二つに分岐され、フォトディテクタ27a、27bにより電気信号に変換される。フォトディテクタ27a、27bから出力された二つの電気信号は減算器27cに与えられ、両者の差分が得られる。減算器27cの出力が電流アンプ22に与えられる。
電流アンプ22およびRFスペクトラムアナライザ26は、図1を参照して説明した光測定装置1と同様であり、説明を省略する。
なお、本発明の実施形態にかかる光測定装置1において非線形光学結晶を用いた場合の動作は、図1を参照して説明した光測定装置1と同様の動作をとるので、説明を省略する。
また、図7においては、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とフォトディテクタ36との間に配置した例を説明したが、トリガ信号遅延部を他の部位に配置してもよいことは、上記と同様である。
例えば、図5を参照して、遅延部(トリガ信号遅延部)26eを、RFスペクトラムアナライザ26内部に配置してもよい。この場合、遅延部26eが、トリガ信号EXTを時間tdだけ遅延させてから、ローカル信号源26aに与える。
図8は、非線形光学結晶を用いた場合における、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とハーフミラーM12との間に配置したときの光測定装置1の構成を示すブロック図である。
例えば、図8を参照して、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とハーフミラーM12との間に配置してもよい。光遅延回路34は、サンプリング光パルスL2を時間tdだけ遅延させてから、光カプラ32に与える。
本発明の実施形態にかかる光測定装置1の構成を示すブロック図である。 RFスペクトラムアナライザ26の構成を示すブロック図である。 テラヘルツ光L1(図3(a))、サンプリング光パルスL2(図3(b))、トリガ信号EXT(td=0と仮定)(図3(c))、トリガ信号EXT(図3(d))のタイムチャートである。 td=0と仮定したとき(光遅延回路34が無い場合に相当)の測定周波数fRFおよび実際の(td>0)測定周波数fRFを示す図である。 遅延部(トリガ信号遅延部)26eを、RFスペクトラムアナライザ26内部に配置したときのRFスペクトラムアナライザ26の構成を示すブロック図である。 光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とハーフミラーM12との間に配置したときの光測定装置1の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態にかかる光測定装置1において非線形光学結晶を用いた場合の構成を示すブロック図である。 非線形光学結晶を用いた場合における、光遅延回路(トリガ信号遅延部)34を、光カプラ32とハーフミラーM12との間に配置したときの光測定装置1の構成を示すブロック図である。
符号の説明
1 光測定装置
10 光出力装置
11 第一レーザ光源
12 第二レーザ光源
16 バイアス電圧源
18 光伝導スイッチ(被検出光パルス出力部)
M11、M12 ハーフミラー
20 受光装置
21 光伝導スイッチ(信号出力器)
22 電流アンプ
26 RFスペクトラムアナライザ(周波数スペクトル測定器)
M21、M22 ミラー
30 トリガ信号付与装置
32 光カプラ(同時光パルス出力部)
34 光遅延回路(トリガ信号遅延部)
36 フォトディテクタ(トリガ信号生成部)
td 遅延させる時間
L1 テラヘルツ光(被検出光パルス)
L2 サンプリング光パルス
frep1、frep2 繰り返し周波数
EXT トリガ信号
13 非線形光学結晶(被検出光パルス出力部)
23 電気光学結晶(信号出力器)

Claims (9)

  1. 所定のパルス光を受け、前記所定のパルス光の繰り返し周波数と同じ繰り返し周波数を有する被検出光パルスを出力する被検出光パルス出力部と、
    前記被検出光パルスとサンプリング光パルスとを受け、前記サンプリング光パルスを受けた時点で、前記被検出光パルスのパワーに応じた信号を出力する信号出力器と、
    前記信号の大きさを、時間と共に変化する測定周波数ごとに測定する周波数スペクトル測定器と、
    前記所定のパルス光と、前記サンプリング光パルスとが同時に入力されたときに、同時光パルスを出力する同時光パルス出力部と、
    前記同時光パルスを電気信号に変換して、前記トリガ信号とするトリガ信号生成部と、
    前記トリガ信号を遅延させるトリガ信号遅延部と、
    を備え、
    前記被検出光パルスの繰り返し周波数と前記サンプリング光パルスの繰り返し周波数とが異なり、
    前記トリガ信号が前記周波数スペクトル測定器に与えられた時点から、前記測定周波数が変化を始める、
    光測定装置。
  2. 請求項1に記載の光測定装置であって、
    前記トリガ信号遅延部は、前記同時光パルスを遅延させて、前記トリガ信号生成部に与える、
    光測定装置。
  3. 請求項1に記載の光測定装置であって、
    前記トリガ信号遅延部は、前記周波数スペクトル測定器の内部に配置されている、
    光測定装置。
  4. 請求項1に記載の光測定装置であって、
    前記トリガ信号遅延部は、前記サンプリング光パルスを遅延させて、前記同時光パルス出力部に与える、
    光測定装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光測定装置であって、
    前記測定周波数の、前記トリガ信号が前記周波数スペクトル測定器に与えられた時点からの変化量は、前記時点から経過した時間に比例する、
    光測定装置。
  6. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光測定装置であって、
    前記被検出光パルス出力部および前記信号出力器が光伝導スイッチである、
    光測定装置。
  7. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光測定装置であって、
    前記被検出光パルスがテラヘルツ光である、
    光測定装置。
  8. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光測定装置であって、
    前記信号が電流である、
    光測定装置。
  9. 請求項1ないし4のいずれか一項に記載の光測定装置であって、
    前記被検出光パルス出力部が非線形光学結晶であり、
    前記信号出力器が電気光学結晶である、
    光測定装置。
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