JP6254543B2 - Dielectric spectrometer - Google Patents

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Description

本発明は、測定対象の成分濃度を非侵襲で測定する技術に関し、特に誘電分光法を用いた技術に関する。   The present invention relates to a technique for non-invasively measuring the concentration of a component to be measured, and more particularly to a technique using dielectric spectroscopy.

高齢化が進み、成人病に対する対応が大きな課題になっている。血糖値などの検査は血液の採取が必要なために患者にとって大きな負担である。そのため、血液を採取しない非侵襲な成分濃度測定装置が注目されている。   As aging progresses, the response to adult diseases has become a major issue. Tests such as blood glucose levels are a heavy burden on patients because they need to collect blood. Therefore, a non-invasive component concentration measuring apparatus that does not collect blood has attracted attention.

非侵襲な成分濃度測定装置として、誘電分光法を用いた装置が提案されている。誘電分光法は、皮膚内に電磁波を照射し、測定対象の血液成分、例えば、グルコース分子と水の相互作用に従い、電磁波を吸収させ、電磁波の周波数に対する振幅及び位相を観測する。観測される電磁波の周波数に対する振幅及び位相から、誘電緩和スペクトルを算定する。一般的には、Cole−Cole式に基づき緩和カーブの線形結合として表現し、複素誘電率を算定する。生体成分の計測では、例えば血液中に含まれるグルコースやコレステロール等の血液成分の量に複素誘電率が相関があり、その変化に対応した電気信号(振幅、位相)として測定される。複素誘電率変化と成分濃度との相関を予め測定することによって検量モデルを構築し、計測した誘電緩和スペクトルの変化から成分濃度の検量を行う。   An apparatus using dielectric spectroscopy has been proposed as a noninvasive component concentration measuring apparatus. Dielectric spectroscopy irradiates the skin with electromagnetic waves, absorbs the electromagnetic waves according to the interaction of blood components to be measured, for example, glucose molecules and water, and observes the amplitude and phase with respect to the frequency of the electromagnetic waves. The dielectric relaxation spectrum is calculated from the amplitude and phase with respect to the frequency of the observed electromagnetic wave. In general, the complex dielectric constant is calculated by expressing as a linear combination of relaxation curves based on the Cole-Cole equation. In the measurement of biological components, for example, the complex dielectric constant has a correlation with the amount of blood components such as glucose and cholesterol contained in blood, and is measured as an electrical signal (amplitude, phase) corresponding to the change. A calibration model is constructed by measuring the correlation between the complex dielectric constant change and the component concentration in advance, and the component concentration is calibrated from the measured change in the dielectric relaxation spectrum.

従来の測定法としては、マイクロ波からミリ波以上の周波数帯では、光電気変換を利用した誘電分光装置がある(特許文献1、非特許文献1参照)。特許文献1の誘電分光装置は、2台の連続波光源から出力された周波数の異なる2つの連続光波を合成し、合成した光信号を光電変換して電磁波(例えばテラヘルツ波)を発生し、発生した電磁波を被測定対象物に照射し、被測定対象物を透過した電磁波を受信するとともに、2つの連続光波のうちの一方の位相を変調して合成した参照光を入力してホモダインミキシングする構成である。ホモダインミキシングする検出器には、例えば光伝導アンテナを用い、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる2つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。従来の誘電分光装置においては、電磁波をホモダイン検波する際には、検出器で被測定対象物を透過した光信号と参照光をミキシングするときにおける2つの光路長差が一致していることが必要である。そのため、空間を伝搬するテラヘルツ波の伝搬長や光が伝搬するファイルの長さ等を調節する。   As a conventional measurement method, there is a dielectric spectroscopic device using photoelectric conversion in a frequency band from microwave to millimeter wave or more (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). The dielectric spectroscopic device disclosed in Patent Document 1 combines two continuous light waves output from two continuous wave light sources with different frequencies, photoelectrically converts the combined optical signal, and generates an electromagnetic wave (for example, terahertz wave). The target electromagnetic wave is irradiated to the object to be measured, the electromagnetic wave transmitted through the object to be measured is received, and the reference light synthesized by modulating one phase of two continuous light waves is input and homodyne mixing is performed. It is. The detector for homodyne mixing is realized by, for example, using a photoconductive antenna and modulating the conductance between the antennas with the reference light by the difference frequency between two continuous light waves included in the reference light. In the conventional dielectric spectroscopic device, when homodyne detection of electromagnetic waves, it is necessary that the two optical path length differences when the optical signal transmitted through the object to be measured and the reference light are mixed by the detector match. It is. Therefore, the propagation length of the terahertz wave propagating in space, the length of the file through which light propagates, and the like are adjusted.

また、2台の連続波光源を、連続発振した音響光学素子を用いた1台のデュアルモード光源で実現した誘電分光装置も知られている(非特許文献2参照)。   There is also known a dielectric spectroscopic device in which two continuous wave light sources are realized by one dual mode light source using an acoustooptic device that oscillates continuously (see Non-Patent Document 2).

特開2013−32933号公報JP 2013-32933 A

Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu,“Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164Jae-Young Kim, Ho-Jin Song, Katsuhiro Ajito, Makoto Yaita, and Naoya Kukutsu, “Continuous-Wave THz Homodyne Spectroscopy and Imaging System With Electro-Optical Phase Modulation for High Dynamic Range”, IEEE Transactions on terahertz science and technology, March 2013, Vol. 3, No. 2, pp.158-164 Steven Jones, JaeYoung Kim, Yoshiyuki Doi, Takashi Yamada, Nobutatsu Koshobu, and Hiroyoshi Togo,“Ultra-Wideband Tunable Dual-Mode Laser for Continuous Wave Teraherts Generation”, Journal of Lightwave Technology, 2014, Vol. 32, Issue 20, pp.3461-3467Steven Jones, JaeYoung Kim, Yoshiyuki Doi, Takashi Yamada, Nobutatsu Koshobu, and Hiroyoshi Togo, “Ultra-Wideband Tunable Dual-Mode Laser for Continuous Wave Teraherts Generation”, Journal of Lightwave Technology, 2014, Vol. 32, Issue 20, pp .3461-3467 Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke,“A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727-743Andrew P. Gregory, and Robert N. Clarke, “A Review of RF and Microwave Techniques for Dielectric Measurements on Polar Liquids”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, August 2006, Vol. 13, No. 4, pp.727- 743

しかしながら、2台の連続波光源を用いたホモダイン検波では、2台の連続波光源の位相雑音によりテラヘルツ波フォトミキシングの際に振幅雑音が発生するためSN比が制限されるという課題があった。   However, homodyne detection using two continuous wave light sources has a problem that the S / N ratio is limited because amplitude noise is generated during terahertz wave photomixing due to the phase noise of the two continuous wave light sources.

デュアルモード光源を用いた誘電分光装置は、2台の連続波光源を用いた場合と比べて、位相雑音が低減でき、システムも簡素化できる。ところが、デュアルモード光源では、2つの周波数が1THz以下に近接すると、2つの周波数の中間の周波数において3つ目の発振ピークが発生し、2つの所望の周波数の組合せによる差周波ビート信号の他にも差周波ビート信号が発生してしまい、周波数帯で連続したスペクトルが得られないという課題があった。   Compared with the case where two continuous wave light sources are used, the dielectric spectroscopic device using the dual mode light source can reduce the phase noise and can simplify the system. However, in the dual mode light source, when the two frequencies are close to 1 THz or less, the third oscillation peak occurs at a frequency intermediate between the two frequencies, and in addition to the difference frequency beat signal by the combination of the two desired frequencies. However, there is a problem that a difference frequency beat signal is generated and a continuous spectrum cannot be obtained in the frequency band.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、差周波ビート信号を所望の周波数で発生し、高いSN比のスペクトルを得ることを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to generate a difference frequency beat signal at a desired frequency and obtain a spectrum with a high S / N ratio.

本発明に係る誘電分光装置は、所定の周波数の光を出力する光源と、所定の周波数の光を出力する光源と、前記光を2つに分岐するスプリッタと、前記スプリッタで分岐した光の一方を位相変調して周波数を偏移させる位相変調手段と、前記位相変調手段で位相変調した光と前記スプリッタで分岐した他方の光とを合波するカプラと、前記カプラで合波された光を光電変換して電磁波を発生し、被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信して当該電磁波の振幅を測定する測定手段と、を有し、前記測定手段は、合波された光を所定の周波数で振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された光を光電変換して電磁波を発生する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、包絡線検波により前記所定の周波数の電気信号を出力する検出器とを有することを特徴とする。 A dielectric spectroscopic device according to the present invention includes a light source that outputs light of a predetermined frequency, a light source that outputs light of a predetermined frequency, a splitter that branches the light into two, and one of the light branched by the splitter. A phase modulation means for phase-modulating the light to shift the frequency, a coupler for multiplexing the light phase-modulated by the phase modulation means and the other light branched by the splitter, and the light multiplexed by the coupler Measuring means for generating an electromagnetic wave by photoelectric conversion, receiving the electromagnetic wave transmitted or reflected by the object to be measured, and measuring the amplitude of the electromagnetic wave, and the measuring means includes the combined light An amplitude modulator that modulates the amplitude at a predetermined frequency, a radiator that photoelectrically converts the amplitude-modulated light to generate an electromagnetic wave, and the electromagnetic wave that has been transmitted or reflected by the object to be measured is received, and envelope detection is performed. The electric power of the predetermined frequency And having a detector for outputting a signal.

上記誘電分光装置において、前記位相変調手段は、複数の位相変調器を多段に接続したことを特徴とする。   In the dielectric spectroscopic apparatus, the phase modulation means includes a plurality of phase modulators connected in multiple stages.

上記誘電分光装置において、前記スプリッタで分岐した光の他方を位相変調して周波数を逆方向に偏移させる第2の位相変調手段を有することを特徴とする。   The dielectric spectroscopic apparatus includes a second phase modulation means for phase-modulating the other of the lights branched by the splitter and shifting the frequency in the reverse direction.

本発明によれば、差周波ビート信号を所望の周波数で発生し、高いSN比のスペクトルを得ることができる。   According to the present invention, a difference frequency beat signal can be generated at a desired frequency, and a spectrum with a high S / N ratio can be obtained.

第1の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the dielectric spectroscopy apparatus in 1st Embodiment. 上記誘電分光装置の位相変調器の制御を説明するための図である。It is a figure for demonstrating control of the phase modulator of the said dielectric spectroscopy apparatus. 第2の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the dielectric spectroscopy apparatus in 2nd Embodiment. 第2の実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of another dielectric spectroscopy apparatus in 2nd Embodiment. 第3の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the dielectric spectroscopy apparatus in 3rd Embodiment. レンズを用いた誘電分光センサの測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of the dielectric spectroscopy sensor using a lens. レンズを用いた別の誘電分光センサの測定系を示す図である。It is a figure which shows the measurement system of another dielectric spectroscopy sensor using a lens.

[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a functional block diagram showing the configuration of the dielectric spectroscopic apparatus according to the first embodiment.

図1に示す誘電分光装置は、レーザ11、スプリッタ12、位相変調器13A,13B、発振器14、カプラ15、放射器16、検出器17、ロックインアンプ18、およびモニタ19を備える。   The dielectric spectroscopic device shown in FIG. 1 includes a laser 11, a splitter 12, phase modulators 13A and 13B, an oscillator 14, a coupler 15, a radiator 16, a detector 17, a lock-in amplifier 18, and a monitor 19.

レーザ11は、所定の周波数F1の連続光波を発生する連続波光源である。   The laser 11 is a continuous wave light source that generates a continuous light wave having a predetermined frequency F1.

スプリッタ12は、入力光の光パワーを所定の比率で2つに分岐する機能を有する。例えば、動作帯域の中心周波数は193.125THzで、光パワーの比率は50:50である。   The splitter 12 has a function of branching the optical power of input light into two at a predetermined ratio. For example, the center frequency of the operating band is 193.125 THz, and the optical power ratio is 50:50.

スプリッタ12で分岐された一方の光は、電気光学効果を用いた位相変調器13A,13Bで位相変調される。位相変調器13A,13Bに、発振器14からの単一周波数w(例えば1GHz)の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数wと同等の周波数シフトを光に生じさせて、周波数F2(=F1+2w)の光を出力する。位相変調器13A,13Bには、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いる。位相変調器13A,13Bの制御電圧は、整数Nと2Vπ(Vπは位相がπ変化する制御電圧)の積により、Vm(t)=N2Vπwtと表すことができる。   One light branched by the splitter 12 is phase-modulated by the phase modulators 13A and 13B using the electro-optic effect. A sawtooth waveform signal having a single frequency w (for example, 1 GHz) from the oscillator 14 is applied to the phase modulators 13A and 13B to perform serodyne phase modulation, and a frequency shift equivalent to the modulation frequency w is generated in the light. , Outputs light of frequency F2 (= F1 + 2w). For the phase modulators 13A and 13B, an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal is used. The control voltage of the phase modulators 13A and 13B can be expressed as Vm (t) = N2Vπwt by the product of an integer N and 2Vπ (Vπ is a control voltage whose phase changes by π).

位相変調器が1つのときは、制御電圧の周波数wの2N倍の周波数遷移が生じ、検出器17で検出される信号の周波数は、制御電圧の周波数の2N倍となる(非特許文献1参照)。位相変調器の変調帯域により掃引可能な周波数が律速される。そこで、本実施の形態では、位相変調器13A,13Bを2段に構成することにより周波数偏移領域を2倍に増加させている。なお、位相変調器を3段以上の構成にしてもよい。多段の位相変調器による挿入損失を補償するために、適宜、光増幅器を挿入してもよい。   When there is one phase modulator, a frequency transition 2N times the frequency w of the control voltage occurs, and the frequency of the signal detected by the detector 17 is 2N times the frequency of the control voltage (see Non-Patent Document 1). ). The frequency that can be swept is limited by the modulation band of the phase modulator. Therefore, in the present embodiment, the frequency shift region is doubled by configuring the phase modulators 13A and 13B in two stages. Note that the phase modulator may have three or more stages. In order to compensate the insertion loss due to the multistage phase modulator, an optical amplifier may be appropriately inserted.

カプラ15は、スプリッタ12で分岐された周波数F1の光と位相変調器13A,13Bで位相変調された周波数F2の光を合波した後に分岐し、2つの異なる周波数F1,F2を持つ光を放射器16と検出器17に入力する。   The coupler 15 combines the light having the frequency F1 branched by the splitter 12 and the light having the frequency F2 phase-modulated by the phase modulators 13A and 13B, branches the light, and emits light having two different frequencies F1 and F2. To the detector 16 and the detector 17.

図2は、位相変調器13A,13Bの制御を説明するための図である。本実施の形態では、制御電圧を制御し、位相変調器13A,13Bに入力された光の周波数を線形に変化させて、放射器16に入力されるF2−F1の差周波ビート信号の周波数を線形にスイープする。スプリッタ12の動作帯域の中心周波数を193.125THzとすると、例えば、0.6THzの電磁波を発生するためには、F1=193.125THz、F2=193.725THzとする。スプリッタ12で分岐した一方の光の周波数を他方の光の周波数に対して線形に周波数偏移させることで、差周波ビート信号の周波数を変化させて連続したスペクトルを得ることができる。   FIG. 2 is a diagram for explaining the control of the phase modulators 13A and 13B. In the present embodiment, the control voltage is controlled, the frequency of light input to the phase modulators 13A and 13B is linearly changed, and the frequency of the F2-F1 difference frequency beat signal input to the radiator 16 is changed. Sweep linearly. If the center frequency of the operating band of the splitter 12 is 193.125 THz, for example, in order to generate an electromagnetic wave of 0.6 THz, F1 = 193.125 THz and F2 = 193.725 THz. By shifting the frequency of one light branched by the splitter 12 linearly with respect to the frequency of the other light, a continuous spectrum can be obtained by changing the frequency of the difference frequency beat signal.

放射器16は、2つの異なる周波数の光が合波された光信号の周波数差の電磁波(ミリ波又はテラヘルツ波)を発生させる。放射器16としては、例えば単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni−Traveling−Carrier Photodiode)を利用できる。   The radiator 16 generates an electromagnetic wave (millimeter wave or terahertz wave) having a frequency difference of an optical signal obtained by combining two light beams having different frequencies. As the radiator 16, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD) can be used.

検出器17は、放射器16から出力されてサンプル100を透過した透過信号を受信し、ホモダイン検波により、周波数2wの電気信号を出力する。検出器17は、アンテナ付きSBDで構成されるTHzミキサと、アンテナ付きUTC−PDで構成されるフォトミキサとを、光ファイバと同一パッケージに実装することで実現できる。また、検出器17として、光伝導アンテナ(PCA:Photo−Conductive Antenna)を用いてもよい。光伝導アンテナでは、参照光の照射によりアンテナ間のコンダクタンスが参照光に含まれる2つの連続光波間の差周波数にて変調されることで実現される。なお、電磁波をホモダイン検波する際に、検出器17でのミキシング時における2つの光路長差が一致するように光が伝搬するファイバの長さ等を予め調整する。   The detector 17 receives the transmission signal output from the radiator 16 and transmitted through the sample 100, and outputs an electrical signal having a frequency of 2w by homodyne detection. The detector 17 can be realized by mounting a THz mixer composed of an SBD with an antenna and a photomixer composed of an UTC-PD with an antenna in the same package as the optical fiber. Further, as the detector 17, a photoconductive antenna (PCA: Photo-Conductive Antenna) may be used. In the photoconductive antenna, the conductance between the antennas is modulated by the difference frequency between two continuous light waves included in the reference light by irradiation of the reference light. When homodyne detection is performed on the electromagnetic wave, the length of the fiber through which the light propagates is adjusted in advance so that the two optical path length differences at the time of mixing by the detector 17 coincide.

検出器17が出力した電気信号をロックインアンプ18で同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ19で処理する。放射器16であるUTC−PDのバイアスを変調して、テラヘルツ波を強度変調してもよい。   The electrical signal output from the detector 17 is synchronously detected by the lock-in amplifier 18 to detect the amplitude and phase, and processed by the monitor 19. The intensity of the terahertz wave may be modulated by modulating the bias of the UTC-PD that is the radiator 16.

テラヘルツ波帯では、放物面鏡41A〜41Dを用いた擬似光学系によるフリースペース法により測定対象であるサンプル100にテラヘルツ波を照射し、透過信号や反射信号の振幅・位相を計測し、サンプル100の複素誘電率を算出する(非特許文献3参照)。   In the terahertz wave band, the sample 100, which is a measurement target, is irradiated with a terahertz wave by a free space method using a pseudo optical system using parabolic mirrors 41A to 41D, and the amplitude and phase of a transmission signal and a reflection signal are measured. A complex dielectric constant of 100 is calculated (see Non-Patent Document 3).

以上説明したように、本実施の形態によれば、所定の周波数F1の光を発生するレーザ11と、レーザ11が発生した光を2つに分岐するスプリッタ12と、スプリッタ12で分岐した光の一方を位相変調して制御電圧の周波数wと同等の周波数シフトを生じさせる位相変調器13A,13Bと、位相変調器13A,13Bで位相変調した光とスプリッタ12で分岐した他方の光とを合波するカプラ15と、カプラ15で合波された光の周波数差の電磁波を発生してサンプル100に照射する放射器16と、カプラ15で合波された光を照射されるとともに、サンプル100を透過または反射した電磁波を受信してホモダイン検波する検出器17とを備えることにより、1台の光源からの光でフォトミキシングして差周波ビート信号を発生するので、位相雑音によるSN比の劣化の影響を受けないことから高いSN比のスペクトルを取得することができる。また、1台の光源で実現するので低コストである。   As described above, according to the present embodiment, the laser 11 that generates light of the predetermined frequency F1, the splitter 12 that splits the light generated by the laser 11 into two, and the light that is split by the splitter 12 The phase modulators 13A and 13B that phase-modulate one of them to cause a frequency shift equivalent to the frequency w of the control voltage, and the light phase-modulated by the phase modulators 13A and 13B and the other light branched by the splitter 12 are combined. A coupler 15 that swells, a radiator 16 that generates an electromagnetic wave having a frequency difference of the light combined by the coupler 15 and irradiates the sample 100, a light that is combined by the coupler 15, and is irradiated with the sample 100. By including a detector 17 that receives the transmitted or reflected electromagnetic wave and detects homodyne, photomixing with light from one light source generates a differential frequency beat signal. Since, it is possible to obtain the spectrum of the high SN ratio because it is not affected by the deterioration of the SN ratio due to phase noise. Moreover, since it is realized by a single light source, the cost is low.

[第2の実施の形態]
図3は、第2の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a functional block diagram showing the configuration of the dielectric spectroscopic device according to the second embodiment.

図3に示す誘電分光装置は、レーザ11、スプリッタ12、位相変調器13A,13B、光アンプ21、発振器14、カプラ15、振幅変調器22、放射器16、検出器17、ロックインアンプ18、およびモニタ19を備える。   3 includes a laser 11, a splitter 12, phase modulators 13A and 13B, an optical amplifier 21, an oscillator 14, a coupler 15, an amplitude modulator 22, a radiator 16, a detector 17, a lock-in amplifier 18, And a monitor 19.

第1の実施の形態と同様に、スプリッタ12は、レーザ11から出力された周波数F1の光を分岐し、位相変調器13A,13Bは、分岐した一方の光を、発振器14からの単一周波数w(例えば1GHz)の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、カプラ15は、スプリッタ12で分岐された周波数F1の光と位相変調器13A,13Bで位相変調された周波数F2の光を合波する。図3の誘電分光装置では、位相変調器13Aの後段に光アンプ21を備えて挿入損失を補償している。   Similarly to the first embodiment, the splitter 12 branches the light of the frequency F1 output from the laser 11, and the phase modulators 13A and 13B convert one of the branched lights to a single frequency from the oscillator 14. A sawtooth waveform signal is applied by applying a w (for example, 1 GHz) sawtooth waveform signal, and the coupler 15 performs the light of the frequency F1 branched by the splitter 12 and the frequency F2 phase-modulated by the phase modulators 13A and 13B. Combine light. In the dielectric spectroscopic device of FIG. 3, an optical amplifier 21 is provided after the phase modulator 13A to compensate for insertion loss.

カプラ15で合波された光は、電磁波をダイオード検波するため、電気光学効果を用いたマッハツェンダ型の振幅変調器22で発振器14からの周波数f(例えば100kHz)で振幅変調される。   The light combined by the coupler 15 is amplitude-modulated at a frequency f (for example, 100 kHz) from the oscillator 14 by the Mach-Zehnder type amplitude modulator 22 using the electro-optic effect in order to detect the electromagnetic wave by diode detection.

放射器16は、振幅変調器22で振幅変調された光を入力し、2つの異なる周波数の連続光波が合波された光の周波数差の電磁波(ミリ波又はテラヘルツ波)を発生させる。放射器16としては、例えば単一走行キャリア・フォトダイオード(UTC−PD:Uni−Traveling−Carrier Photodiode)を利用できる。   The radiator 16 receives the light amplitude-modulated by the amplitude modulator 22 and generates an electromagnetic wave (millimeter wave or terahertz wave) having a frequency difference of light obtained by combining two continuous light waves having different frequencies. As the radiator 16, for example, a single traveling carrier photodiode (UTC-PD) can be used.

検出器17であるアンテナ付きSBD(ショットキー・バリア・ダイオード)でサンプル100を透過した電磁波を受信する。SBDでは包絡線検波により周波数fの電気信号が出力される。この電気信号を同期検波してロックインアンプ18で振幅を検出し、モニタ19で処理する。   An electromagnetic wave transmitted through the sample 100 is received by an SBD (Schottky barrier diode) with an antenna which is the detector 17. In SBD, an electric signal having a frequency f is output by envelope detection. The electric signal is synchronously detected, the amplitude is detected by the lock-in amplifier 18 and processed by the monitor 19.

なお、放射器16であるUTC−PDのバイアスを変調してもよく、テラヘルツ波をチョッパー等で振幅変調してもよい。   The bias of the UTC-PD that is the radiator 16 may be modulated, and the terahertz wave may be amplitude-modulated with a chopper or the like.

図4は、第2の実施の形態における別の誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。   FIG. 4 is a functional block diagram showing the configuration of another dielectric spectroscopic apparatus according to the second embodiment.

図4の誘電分光装置は、図3の誘電分光装置のスプリッタ12の別の分岐先にさらに位相変調器13C,13Dを追加した構成である。   The dielectric spectroscopic apparatus of FIG. 4 has a configuration in which phase modulators 13C and 13D are further added to another branch destination of the splitter 12 of the dielectric spectroscopic apparatus of FIG.

位相変調器13C,13Dは、分岐した他方の光を、発振器14からの単一周波数w(例えば1GHz)の反転した鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、位相変調器13A,13Bとは逆の周波数方向に光の周波数を偏移させる。2段構成の位相変調器により周波数偏移量を2倍に増加させるのに加えて、スプリッタ12の分岐先それぞれに位相変調器13A〜13Dを備えて、互いに反転した鋸状波形の信号を印加する構成により、合計4倍の周波数偏移を発生することができる。   The phase modulators 13C and 13D perform serodyne phase modulation on the other branched light by applying a signal having an inverted sawtooth waveform having a single frequency w (for example, 1 GHz) from the oscillator 14, and performing phase modulation 13A, The frequency of light is shifted in the frequency direction opposite to 13B. In addition to doubling the frequency shift amount by a two-stage phase modulator, phase splitters 13 </ b> A to 13 </ b> D are provided at each branch destination of the splitter 12, and signals having sawtooth waveforms that are inverted from each other are applied. With this configuration, a total of four times the frequency shift can be generated.

第1の実施の形態においても、スプリッタ12の分岐先それぞれに位相変調器を備えて、互いに反転した鋸状波形の信号によりセロダイン位相変調することで、同様の効果を生じさせることができる。   Also in the first embodiment, the same effect can be produced by providing a phase modulator at each branch destination of the splitter 12 and performing serodyne phase modulation with mutually inverted sawtooth waveform signals.

[第3の実施の形態]
図5は、第3の実施の形態における誘電分光装置の構成を示す機能ブロック図である。
[Third Embodiment]
FIG. 5 is a functional block diagram showing the configuration of the dielectric spectroscopic apparatus in the third embodiment.

図5に示す誘電分光装置は、レーザ11、スプリッタ12、多段位相変調器31、発振器14、スプリッタ32A,32B、カプラ33A,33B、位相変調器34、放射器16、検出器17、ロックインアンプ18、およびモニタ19を備える。図5の誘電分光装置は、特許文献1に記載された誘電分光装置の2台の連続波光源を、1台のレーザ11とスプリッタ12と多段位相変調器31に置き換えた誘電分光装置である。   The dielectric spectroscopic apparatus shown in FIG. 5 includes a laser 11, a splitter 12, a multistage phase modulator 31, an oscillator 14, splitters 32A and 32B, couplers 33A and 33B, a phase modulator 34, a radiator 16, a detector 17, and a lock-in amplifier. 18 and a monitor 19. The dielectric spectroscopic apparatus of FIG. 5 is a dielectric spectroscopic apparatus in which the two continuous wave light sources of the dielectric spectroscopic apparatus described in Patent Document 1 are replaced with one laser 11, a splitter 12, and a multistage phase modulator 31.

第1の実施の形態と同様に、スプリッタ12は、レーザ11から出力された周波数F1の光を分岐し、多段位相変調器31は、分岐した一方の光を、発振器14からの単一周波数w(例えば1GHz)の鋸状波形の信号を印加してセロダイン位相変調を行い、周波数F2(F1+nw)の光を出力する。   Similarly to the first embodiment, the splitter 12 branches the light having the frequency F1 output from the laser 11, and the multistage phase modulator 31 converts the branched light to the single frequency w from the oscillator 14. A signal having a sawtooth waveform (for example, 1 GHz) is applied to perform serodyne phase modulation, and light having a frequency F2 (F1 + nw) is output.

スプリッタ32Aは、周波数F1の光を2つに分波し、スプリッタ32Bは、周波数F2の光を2つに分波する。   The splitter 32A demultiplexes the light with the frequency F1 into two, and the splitter 32B demultiplexes the light with the frequency F2 into two.

カプラ33Aは、スプリッタ32Aで分波された周波数F1の光とスプリッタ32Bで分波された周波数F2の光とを合波し、放射器16に入力する。   The coupler 33A combines the light having the frequency F1 demultiplexed by the splitter 32A and the light having the frequency F2 demultiplexed by the splitter 32B, and inputs them to the radiator 16.

位相変調器34は、制御信号により電気的に位相変調が可能な電気光学結晶を用いた位相変調器であり、スプリッタ32Bとカプラ33Bの間に配置される。位相変調器34に、発振器14からの単一周波数wの制御信号を印加してセロダイン位相変調を行い、変調周波数wと同等の周波数シフトをスプリッタ32Bで分波された周波数F2の光に生じさせる。   The phase modulator 34 is a phase modulator using an electro-optic crystal that can be electrically phase-modulated by a control signal, and is disposed between the splitter 32B and the coupler 33B. A control signal having a single frequency w from the oscillator 14 is applied to the phase modulator 34 to perform serodyne phase modulation, and a frequency shift equivalent to the modulation frequency w is generated in the light having the frequency F2 demultiplexed by the splitter 32B. .

カプラ33Bは、スプリッタ32Aで分波された周波数F1の光と位相変調器34で位相変調された周波数F2+wの光を合波し、検出器17に入力する。   The coupler 33B combines the light having the frequency F1 demultiplexed by the splitter 32A and the light having the frequency F2 + w phase-modulated by the phase modulator 34 and inputs the light to the detector 17.

放射器16は、カプラ33Aで合波された光を光電変換し、周波数F1,F2の周波数差に一致する周波数の電磁波(ミリ波又はテラヘルツ波)を発生する。   The radiator 16 photoelectrically converts the light combined by the coupler 33A and generates an electromagnetic wave (millimeter wave or terahertz wave) having a frequency that matches the frequency difference between the frequencies F1 and F2.

検出器17は、カプラ33Bで合波された光を照射されるとともに、放射器16から放射されてサンプル100を透過した電磁波を受信し、受信した電磁波と照射された光とをホモダインミキシングする。   The detector 17 is irradiated with the light combined by the coupler 33B, receives the electromagnetic wave emitted from the radiator 16 and transmitted through the sample 100, and performs homodyne mixing between the received electromagnetic wave and the irradiated light.

ロックインアンプ18は、検出器17が出力する電気信号を同期検波して振幅及び位相を検出し、モニタ19は、ロックインアンプ18が検出した振幅及び位相を処理する。   The lock-in amplifier 18 detects the amplitude and phase by synchronously detecting the electrical signal output from the detector 17, and the monitor 19 processes the amplitude and phase detected by the lock-in amplifier 18.

第3の実施の形態のホモダイン検波は、第2の実施の形態のダイオードによる包絡線検波に比べて、高SN比とすることができる。   The homodyne detection of the third embodiment can have a higher S / N ratio than the envelope detection by the diode of the second embodiment.

次に、レンズを用いた誘電分光センサの測定系について説明する。   Next, a measurement system of a dielectric spectroscopic sensor using a lens will be described.

図6は、レンズを用いた誘電分光センサの測定系を示す図である。図6の例では、誘電分光センサの測定系に透過型の配置をして水溶液や油等の液体を透過した透過信号の振幅、位相を測定する。放射器16から放射されたテラヘルツ波は、レンズ51を通過し、固定治具54に保持された誘電率測定用セル53のサンプルセルに入射する。サンプルセルのサイズは、例えば、ビームサイズ以上として数ミリ×数ミリ角以上である。サンプルを固定する窓板52の材料は、高抵抗Si,Zカット水晶、HDPE、TPX、Tsurupica等を用いてもよく、測定周波数に応じて透過率の高い材料を選択する。サンプルセルを通過したテラヘルツ波は、レンズ51を通過し、検出器17で受信される。なお、サンプルセルは、インレットとアウトレットを備えるフローセル構成としてもよい。また、固体を測定してもよい。   FIG. 6 is a diagram showing a measurement system of a dielectric spectroscopic sensor using a lens. In the example of FIG. 6, the amplitude and phase of a transmission signal transmitted through a liquid such as an aqueous solution or oil are measured by arranging a transmission type in the measurement system of the dielectric spectroscopic sensor. The terahertz wave radiated from the radiator 16 passes through the lens 51 and enters the sample cell of the dielectric constant measurement cell 53 held by the fixing jig 54. The size of the sample cell is, for example, several millimeters × several millimeters or more as the beam size. The material of the window plate 52 for fixing the sample may be a high resistance Si, Z cut crystal, HDPE, TPX, Tsurupica, etc., and a material having a high transmittance is selected according to the measurement frequency. The terahertz wave that has passed through the sample cell passes through the lens 51 and is received by the detector 17. Note that the sample cell may have a flow cell configuration including an inlet and an outlet. Moreover, you may measure solid.

図7は、レンズを用いた別の誘電分光センサの測定系を示す図である。図7の例では、シリコンを材料とするATRプリズム55上にサンプルセルを配置し、サンプルセルで反射した反射信号の振幅、位相を測定する。放射器16から放射されたテラヘルツ波は、レンズ51、ATRプリズム55を通過し、固定治具54に保持された誘電率測定用セル53のサンプルセルで反射する。サンプルセルは、窓板52で誘電率測定用セル53に封止される。サンプルセルで反射したテラヘルツ波は、ATRプリズム55、レンズ51を通過し、検出器17で受信される。   FIG. 7 is a diagram showing a measurement system of another dielectric spectroscopic sensor using a lens. In the example of FIG. 7, a sample cell is arranged on the ATR prism 55 made of silicon, and the amplitude and phase of the reflected signal reflected by the sample cell are measured. The terahertz wave radiated from the radiator 16 passes through the lens 51 and the ATR prism 55 and is reflected by the sample cell of the dielectric constant measurement cell 53 held by the fixing jig 54. The sample cell is sealed in the dielectric constant measurement cell 53 by the window plate 52. The terahertz wave reflected by the sample cell passes through the ATR prism 55 and the lens 51 and is received by the detector 17.

11…レーザ
12…スプリッタ
13A〜13D…位相変調器
14…発振器
15…カプラ
16…放射器
17…検出器
18…ロックインアンプ
19…モニタ
21…光アンプ
22…振幅変調器
31…多段位相変調器
32A,32B…スプリッタ
33A,33B…カプラ
34…位相変調器
41A〜41D…放物面鏡
51…レンズ
52…窓板
53…誘電率測定用セル
54…固定治具
55…ATRプリズム
100…サンプル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Laser 12 ... Splitter 13A-13D ... Phase modulator 14 ... Oscillator 15 ... Coupler 16 ... Radiator 17 ... Detector 18 ... Lock-in amplifier 19 ... Monitor 21 ... Optical amplifier 22 ... Amplitude modulator 31 ... Multistage phase modulator 32A, 32B ... Splitter 33A, 33B ... Coupler 34 ... Phase modulator 41A-41D ... Parabolic mirror 51 ... Lens 52 ... Window plate 53 ... Cell for measuring dielectric constant 54 ... Fixing jig 55 ... ATR prism 100 ... Sample

Claims (3)

所定の周波数の光を出力する光源と、
前記光を2つに分岐するスプリッタと、
前記スプリッタで分岐した光の一方を位相変調して周波数を偏移させる位相変調手段と、
前記位相変調手段で位相変調した光と前記スプリッタで分岐した他方の光とを合波するカプラと、
前記カプラで合波された光を光電変換して電磁波を発生し、被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信して当該電磁波の振幅を測定する測定手段と、を有し、
前記測定手段は、合波された光を所定の周波数で振幅変調する振幅変調器と、振幅変調された光を光電変換して電磁波を発生する放射器と、前記被測定対象物を透過又は反射した前記電磁波を受信し、包絡線検波により前記所定の周波数の電気信号を出力する検出器とを有することを特徴とする誘電分光装置。
A light source that outputs light of a predetermined frequency;
A splitter for splitting the light into two;
Phase modulation means for phase-modulating one of the lights branched by the splitter and shifting the frequency;
A coupler that combines the light phase-modulated by the phase modulation means and the other light branched by the splitter;
Measurement means for photoelectrically converting the light combined by the coupler to generate an electromagnetic wave, receiving the electromagnetic wave transmitted or reflected by the object to be measured, and measuring the amplitude of the electromagnetic wave ;
The measurement means includes an amplitude modulator that amplitude-modulates the combined light at a predetermined frequency, a radiator that photoelectrically converts the amplitude-modulated light to generate an electromagnetic wave, and transmits or reflects the object to be measured. And a detector that receives the electromagnetic wave and outputs an electric signal of the predetermined frequency by envelope detection .
前記位相変調手段は、複数の位相変調器を多段に接続したことを特徴とする請求項1に記載の誘電分光装置。 The dielectric spectroscopic apparatus according to claim 1, wherein the phase modulation unit includes a plurality of phase modulators connected in multiple stages. 前記スプリッタで分岐した光の他方を位相変調して周波数を逆方向に偏移させる第2の位相変調手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の誘電分光装置。 3. The dielectric spectroscopic apparatus according to claim 1, further comprising: a second phase modulation unit configured to phase-modulate the other of the lights branched by the splitter and shift a frequency in a reverse direction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4468842B2 (en) * 2005-03-03 2010-05-26 日本電信電話株式会社 Electromagnetic wave generating element
JP2012226256A (en) * 2011-04-22 2012-11-15 Mitsubishi Electric Corp High frequency oscillator
JP5713501B2 (en) * 2011-08-01 2015-05-07 日本電信電話株式会社 Homodyne detection system electromagnetic spectrum measurement system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111623866A (en) * 2020-04-23 2020-09-04 山西大学 Device and method for measuring vibration mode of nano optical fiber
CN111623866B (en) * 2020-04-23 2021-05-14 山西大学 Device and method for measuring vibration mode of nano optical fiber

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