JP5277530B2

JP5277530B2 - 光学遅延器械及び光学遅延器械を備える光学測定装置

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Publication number: JP5277530B2
Application number: JP2006285355A
Authority: JP
Inventors: 秀幸大竹; 利治杉浦; 喬堀
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: JP2008102352A

Description

本発明は、光学遅延器械と光学遅延器械を備える光学測定装置とに関する。

従来、例えばパルス光を用いた光学測定装置では、パルス光が測定対象物に到達するタイミングを変化させるために光学遅延手段が用いられる（例えば、特許文献１及び２参照。）。図８は、特許文献２の分光測定装置の構成図である。

フェムト秒レーザ光源１０から出射された超短光パルスは、偏光ビームスプリッタ１１で２つの光パルスに分割される。一方の光パルスはテラヘルツ波発生部１３にポンプ光として入射する。テラヘルツ波発生部１３から発生したテラヘルツ波（信号光）は、全反射プリズム２に載置された被測定物５に入射し、その後検出部４に入射する。

偏光ビームスプリッタ１１で分割された他方の光パルスは、光学遅延手段１８で遅延時間が調節されて、検出部４にサンプリング光として入射する。

検出部４は、EO結晶のZnTe４１と、１／４波長板４２と、偏光ビームスプリッタ４３と、フォトダイオード４４、４４’とを有している。

測定対象物５に入射したテラヘルツ波がZnTe４１に入射すると、テラヘルツ波の電場によってZnTe４１の屈折率が変化するので、そのタイミングで入射されるサンプリング光の偏光が回転し、１／４波長板４２を通過後楕円偏光になる。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の成分に差異が生じ、偏光ビームスプリッタ４３の後でフォトダイオード４４、４４’から出力される電気信号は異なる値をとり、バランスが検出される。このバランスはZnTeに入射するテラヘルツ波の電場に比例するので、瞬時のテラヘルツ波の電場振幅が求まる。従って、光学遅延手段１８でサンプリング光の検出部４への到着時間を変えることで、テラヘルツ波の電場振幅時間波形が得られ、この波形をフーリエ変換することで分光スペクトルが得られる。

前出の例はテラヘルツ波時間分解分光装置の例であるが、光学遅延装置はパルス光が測定対象物へ到達するタイミングを変化させるために必須の装置であり、時間分解分光装置を初めとして、光サンプリングオシロスコープ、周波数分解光ゲートパルス幅計測装置（Frequency-Resolved Optical Gating:ＦＲＯＧ）、自己相関波形計測装置（オートコリレータ）など、様々な計測装置で利用されている。
特開平０１−２８６４３１号公報特開２００４−３５４２４６号公報

従来の光学遅延手段１８は、図８に示すように、光学遅延器械である２枚のミラーを直交配置したキャッツアイミラー或いは直角プリズム（ダハプリズム、ルーフプリズムとも呼ぶ）を移動ステージに取り付けたものであった。通常、図８のように信号光の光路長は、長いので、光学遅延手段によるサンプリング光の光路も長くする必要がある。従来のキャッツアイミラー或いは直角プリズムのような光学遅延器械を用いた光学遅延手段の場合、光学遅延器械の内部光路長（図８のＬ）が小さいので、例えば、ビームスプリッタ１１から光学遅延手段１８までの距離を大きくする必要があった。その結果、熱歪み、衝撃、振動、空気のゆらぎに影響されやすく安定な光学測定ができなかった。また、光学測定装置が大きくなる問題も有していた。

本発明は、上記従来の光学遅延器械及びそれを用いた光学測定装置の問題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、内部光路長の大きな光学遅延器械を提供することを課題としている。また、内部光路長の大きな光学遅延器械を備える光学遅延手段を有する光学測定装置を提供することを課題としている。

課題を解決するためになされた参考発明は、少なくとも二つのペンタゴンプリズム構造体がカスケードに接続される光の光学遅延機械であって、前記二つのペンタゴンプリズム構造体は、前記光が入射する少なくとも一つの入射面と、前記光が出射する少なくとも一つの出射面と、前記入射面に入射した前記光を反射し前記出射面に導く少なくとも二つの反射面とをもち、一方のペンタゴンプリズム構造体の前記出射面と他方のペンタゴンプリズム構造体の前記入射面とが接続されていることを特徴とする光学遅延器械である。

ペンタゴンプリズム構造体の直交する２面（入射面と出射面）の、光が伝搬する面内での辺の長さをＬとすると、内部光路長は（２＋√２）Ｌ≒３．５Ｌとなる。二つのペンタゴンプリズム構造体がカスケードに接続されるので内部光路長は、２×３．５Ｌ＝７Ｌとなり、従来の約７倍内部光路長を大きくすることができる。その結果、光学遅延のための自由空間距離を短くできる。

また、課題を解決するためになされた別の参考発明は、少なくとも一つのペンタゴンプリズム構造体を備える光の光学遅延器械であって、前記ペンタゴンプリズム構造体は、前記光が入射する少なくとも一つの入射面と、前記光が出射する少なくとも一つの出射面と、前記入射面に入射した前記光を反射し前記出射面に導く少なくとも二つの反射面とをもち、前記出射面から出射される前記光を再帰反射させて該光を前記出射面に入射させる再帰反射手段を備えることを特徴としている。

出射光の方向が入射光の方向と一致するので、光学遅延のための伝搬空間を狭めることができる。また、出射光は、入射光と異なる光路を伝搬していくので、入射光と出射光とを分離する必要がない。さらに、内部光路長は２×３．５Ｌとなり、従来の約７倍内部光路長を大きくすることができる。

課題を解決するためになされた発明は、少なくとも一つのペンタゴンプリズム構造体を備える光の光学遅延器械であって、前記ペンタゴンプリズム構造体は、前記光が入射する少なくとも一つの入射面と、前記光が出射する少なくとも一つの出射面と、前記入射面に入射した前記光を反射し前記出射面に導く少なくとも二つの反射面とをもち、前記出射面から出射する光の光軸方向に移動可能に設けられ、前記出射面から出射する前記光を反射させると共に、前記光の偏光面を９０°回転させて前記出射面に戻すファラデー回転子ミラーと、前記入射面に入射する光を透過させると共に、前記ファラデー回転子ミラーで反射した光が前記出射面に入射し前記ペンタゴンプリズム構造体内部の光路を経由して前記入射面から出射する光を反射させて取り出す偏光ビームスプリッタと、を備えることを特徴としている。

出射光と入射光の方向と光路が一致するので、光学遅延のための伝搬空間をさらに狭めることができる。また、入射光と出射光の光路が一致しても偏光が異なる（入射光と出射光の偏光面が直交する）ので、入射面に入射する光の偏光を制御する偏光子で出射光を分離することができる。さらに、内部光路長は２×３．５Ｌとなり、従来の約７倍内部光路長を大きくすることができる。

課題を解決するためになされた発明は、光源と、前記光源からの光を信号光とサンプリング光とに分割する分割手段と、前記信号光或いはサンプリング光の時間遅延を制御する光学遅延手段と、を有する光学測定装置であって、前記光学遅延手段が上記の光学遅延器械を備えることを特徴とする光学測定装置である。

光学遅延器械の内部光路長が大きいので、その分、光学遅延のための自由空間距離を短くできる。その結果、熱歪み、衝撃、振動、空気のゆらぎに影響されずに安定な光学測定ができ、また、光学測定装置を小型化できる。

ペンタゴンプリズム構造体の直交する２面（入射面と出射面）の、光が伝搬する面内での辺の長さをＬとすると、内部光路長は２（２＋√２）Ｌ≒７Ｌとなり、従来の約７倍内部光路長を大きくすることができる。その結果、光学遅延のための自由空間距離を短くできる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

（実施形態１）図１は、本発明の模範的な光学遅延器械５０の斜視図であり、図２は図１の光学遅延器械５０の平面図である。

光学遅延器械５０は、ペンタゴンプリズム構造体であり、遅延される光が入射する入射面５１a、入射面５１aから入射した光を反射させる反射面５２a、５２b、及び反射面５２a、５２bで反射した光を出射させる出射面５１bを有している。基本的なペンタゴンプリズムは、入射面５１aと出射面５１bが直交、すなわち∠ABC＝θ₀＝９０°で、頂角θ₁（＝∠AOC＝∠COA）＝４５°、∠BAE＝∠BCD＝θ₂＝１１２．５°である。

入射面５１aのFに垂直入射した光（ロ）は、F→G→H→Iと進み、出射面５１bから垂直に光（ロ）となって出射する。一方、入射面５１aの一方の端Bに入射した光イは、B→C→A→Bと進み、出射面５１bから光（イ）となって出射する。同様に、入射面５１aの他方の端Aに入射した光（ハ）は、A→D→E→Cと進み、出射面５１bから光（ハ）となって出射する。本実施形態では、上記のように、両端から入射した光が途中で蹴られることなく出射するようになっており、そのため、辺DEのEが頂角をなす直線AOとCを通る辺ABに平行な線との交点であり、Dが直線COとAを通る辺BCに平行な線との交点である。従って、辺DEは、直線GHに平行である。蹴られが許される場合は、辺DEは、直線GHに平行である必要がなく、例えば、一点鎖線で示すようにA、Cに近い点D'とE'を結ぶ辺５３’でもよい。

上記のように、入射面５１aのFに垂直入射した光（ロ）は、F→G→H→Iと進み、出射面５１bから垂直に光（ロ）となって出射するので、入射光と出射光とは同一平面内にあり、光学測定装置に組み込む際、調整が容易になる。

次に本実施形態の光学遅延器械の内部光路長Ｒを求めることにする。ペンタゴンプリズム構造体の媒体の屈折率をn、AB＝BC＝Ｌ、∠DCE＝θ、BF＝dとすると、
Ｒ＝n（FG'＋G'G＋GH＋HI）
＝２n（Ｌ＋ｄtanθ）＋√２n｛Ｌ＋ｄ（tanθ−１）｝（１）
となる。ここで、θ＝２２．５°であるので、Ｒ＝n（２＋√２）Ｌとなる。従って、n＝１の場合でもＲ＝３．４１Ｌとなる。従来の例えば、直角プリズムの場合、直角をなす頂角に対向する面（入・出射面）の長さをＬとすると、内部光路長は、高々Ｌであり、本実施形態の光遅延器械の内部光路長は約３．５倍大きい。

次に、入射する位置による光路差を見てみる。FF’＝ΔｄのF'から入射する場合の内部光路長Ｒ’は、n＝１とすると、
Ｒ’＝２（Ｌ＋ｄtanθ）＋√２｛Ｌ＋（ｄ＋Δｄ）（tanθ−１）｝（２）
となる。従って（２）−（１）からＦに入射する場合とＦ’に入射する場合の光路差ΔＲ（＝Ｒ−Ｒ’）が求まる。
ΔＲ＝２Δｄ｛tanθ−（１−tanθ）／√２｝
となり、ペンタゴンプリズムの場合θ＝２２．５°であるので、ΔＲ＝０となる。すなわち、本実施形態の光遅延器械は入射位置による光路差が生じないので、使い勝手がよい。

なお、n＝１は、入射面と出射面５１a、５１bを例えば透明ガラス板にし、反射面５２a、５２bを例えば表面反射鏡にして媒質を空気にすることで達成される。このようにすると、媒質による分散の影響を受けにくくなるため、約１００ｆｓ未満の短パルス光の遅延もパルス幅を変化させないで行うことができる。

遅延する光が短パルス光で、n＞１の場合、分散の影響を受けてパルス幅が変化する。その場合、入射する短パルス光にペンタゴンプリズム構造体で受ける分散をうち消すことができる逆分散を、チャープミラーなどの分散制御素子で与えておくとよい。そうすることで、ペンタゴンプリズム構造体から出射される短パルス光のパルス幅を変化させないようにすることができる。また、アッベ数の大きな媒質を用いるとよい。分散はアッベ数に反比例するので、アッベ数の大きな媒質にすることで、分散の影響を少なくすることができる。

遅延する光が赤外線の場合、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線透過材料でペンタゴンプリズム構造体を構成するとよい。

（実施形態２）図３は、実施形態２の光学遅延器械の斜視図である。本実施形態の光学遅延器械は、実施形態１のペンタゴンプリズム構造体５０の出射面５１bに再帰反射手段として例えば幅がｈで奥行きＬ（ペンタゴンプリズム構造体５０のＢＣに等しい）の直角プリズム５４を直角をなす稜線５４１が辺ＢＣと平行になるように配置したものである。出射面５１bへの直角プリズム５４の配置は、出射面５１bに直角プリズム５４の底面５４２を接触させるだけでもよいが、屈折率マッチング材を介して接触させるとよい。こうすることで、両界面での反射損失を抑えることができる。

本実施形態では、入射光がペンタゴンプリズム構造体５０の面５１aから入射し、５２a、５２bで反射した後、５１bから出射すると同時に直角プリズム５４の底面５４２から入射する。次に、直角プリズム５４の直角をなす上側の面５４３で下向きに反射され、下側の面５４４で反射されペンタゴンプリズム構造体５０に戻される。戻された光は、出射光となって面５１aから出射される。このとき、入射光と出射光は垂直面内にあり、上下の差は、最大、直角プリズム５４の底面５４２の幅ｈになる。

本実施形態の光遅延器械の内部光路長は、ｎ＝１の場合、
３．４１Ｌ×２＋ｈ≒７Ｌ＋ｈ
となる。すなわち、内部光路長が実施形態１の場合より２倍以上大きくなる。

（実施形態３）図４は、実施形態３の光学遅延器械の平面図である。本実施形態の光学遅延器械は、実施形態１のペンタゴンプリズム構造体５０の入射面５１aの前に偏光ビームスプリッタ５５を配置し、出射面５１bの後にファラデー回転子ミラー５６を配置したものである。

入射光を例えば紙面に垂直な直線偏光の光（黒丸）とすると、偏光ビームスプリッタ５５を通過してペンタゴンプリズム構造体５０の面５１aから入射し、５２a、５２bで反射した後、５１bから出射する。その出射した直線偏光（黒丸）は、ファラデー回転子ミラー５６で反射される。この際、反射光の偏光は、入射時の偏光と９０°異なる偏光（紙面に平行、両矢印）になっている。ファラデー回転子ミラー５６で反射された紙面に平行な直線偏光の光（両矢印）はペンタゴンプリズム構造体５０の同じ光路を戻って行き、偏光ビームスプリッタ５５に至るが、偏光が入射時と９０°異なるため、偏光ビームスプリッタ５５で反射され、入射光と９０°の角度をなす方向に出射光が得られる。

出射光と入射光が同一面内にあるので、光学遅延のための伝搬空間を狭めることができる。

ファラデー回転子ミラー５６をを点線矢印Ｋのように光軸方向に移動できるようにすることで、可変型光学遅延器械とすることもできる。

（実施形態４）図５は、実施形態１のペンタゴンプリズム構造体を２つカスケードに接続した光学遅延器械の平面図、図６は、４つカスケードに接続した光学遅延器械の平面図である。

図５は、２つのペンタゴンプリズム構造体の一方に対して、他方を１８０°回転させて互いの面５１bを対向させた（Ｂ点とＣ点を一致させた）ものである。この場合の内部光路長は、３．４１Ｌ×２となる。また、出射光は、入射光と同一平面内を同一方向に進む。

２つのペンタゴンプリズム構造体の一方に対して、他方を９０°回転させて互いの面５１bを対向させると（点線で示す５０’）、出射光は、（イ’）となり、入射光と反対方向に進むようにすることができる。

図６は、４つのペンタゴンプリズム構造体５０、５０’、５０”、５０′″をカスケードに接続したもので、まず、ペンタゴンプリズム構造体５０に対して５０’を１８０°回転させ、５０のＢＣ面と５０’のＢＣ面を接触させる。次に、５０”を５０’に対して９０°回転させ、５０’のAB面に５０”のBC面を接触させる。次に、５０′″を５０”に対して１８０°回転させ、５０”のABに５０′″のABを接触させる。

４つのペンタゴンプリズム構造体を上記のようにカスケード接続することにより、図６に示すように、５０の面５１aから入射した光は、５０’、５０”、５０′″を通過して、５０′″の面５１bから出射される。従って、入射光と出射光は同軸上にある。また、内部光路長は、３．４１×４となる。

（実施形態５）図７は、本発明の光学測定装置の構成図である。これは、図８に示す従来の光学測定装置の光学遅延手段に本発明の実施形態３の光学遅延器械を用いたものである。すなわち、本実施形態５の光学測定装置は、光源１０と、光源１０からの光を信号光とサンプリング光とに分割する分割手段１１と、サンプリング光の時間遅延を制御する光学遅延手段６０とを有し、被測定部５の分光スペクトルを測定する。光学遅延手段６０は、ペンタゴンプリズム構造体６１と偏光ビームスプリッタ６２、ファラデー回転子ミラー６３を備えている。

光学遅延手段６０は、内部光路長が従来のキャッツアイミラー或いは直角プリズムより約７倍大きい。従って、その分、光学遅延のための自由空間距離を短くできる。その結果、熱歪み、衝撃、振動、空気のゆらぎに影響されずに安定な光学測定ができ、また、光学測定装置を小型化できる。

本発明の模範的な光学遅延器械の斜視図である。図１の光学遅延器械の平面図である。実施形態２の光学遅延器械の斜視図である。実施形態３の光学遅延器械の平面図である。実施形態１のペンタゴンプリズム構造体を２つカスケードに接続した光学遅延器械の平面図である。実施形態１のペンタゴンプリズム構造体を４つカスケードに接続した光学遅延器械の平面図である。本発明の光学測定装置の構成図である。従来の光学遅延器械を備える光学測定装置の構成図である。

符号の説明

１０・・・・・・・・・光源
１１・・・・・・・・・分割手段
５０・・・・・・・・・ペンタゴンプリズム構造体レーザ光源
５１a・・・・・・・・入射面
５１b・・・・・・・・出射面
５２a、５２b・・・・・反射面
５４・・・・・・・・・再帰反射手段（直角プリズム）
５５・・・・・・・・・偏光子（偏光ビームスプリッタ）
５６・・・・・・・・・ファラデー回転子ミラー
６０・・・・・・・・・光学遅延手段

Claims

少なくとも一つのペンタゴンプリズム構造体を備える光の光学遅延器械であって、
前記ペンタゴンプリズム構造体は、前記光が入射する少なくとも一つの入射面と、前記光が出射する少なくとも一つの出射面と、前記入射面に入射した前記光を反射し前記出射面に導く少なくとも二つの反射面とをもち、
前記出射面から出射する光の光軸方向に移動可能に設けられ、前記出射面から出射する前記光を反射させると共に、前記光の偏光面を９０°回転させて前記出射面に戻すファラデー回転子ミラーと、
前記入射面に入射する光を透過させると共に、前記ファラデー回転子ミラーで反射した光が前記出射面に入射し前記ペンタゴンプリズム構造体内部の光路を経由して前記入射面から出射する光を反射させて取り出す偏光ビームスプリッタと、
を備えることを特徴とする光学遅延器械。
光源と、前記光源からの光を信号光とサンプリング光とに分割する分割手段と、前記信号光或いはサンプリング光の時間遅延を制御する光学遅延手段と、を有する光学測定装置であって、
前記光学遅延手段が請求項１に記載の光学遅延器械を備えることを特徴とする光学測定装置。