JPH0194686A

JPH0194686A - 偏光反射特性を利用した開放共鳴器

Info

Publication number: JPH0194686A
Application number: JP62251469A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Matsui; 敏明松井; Kenichi Araki; 賢一荒木
Original assignee: YUUSEISHIYOU TSUSHIN SOGO KENKYUSHO; Communications Research Laboratory
Current assignee: YUUSEISHIYOU TSUSHIN SOGO KENKYUSHO; National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 1987-10-07
Filing date: 1987-10-07
Publication date: 1989-04-13
Also published as: JPH0480552B2; US5012212A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】理想的な損失のない共鳴器では、いったん共振器内に入
った電磁波は、いつまでも振動を続けそのエネルギーは
共振器内に蓄積保存させる。しかし現実の共振器には損
失が伴うため共振器内の電磁波エネ′ルギーは時間の経
過とともに減少する。

共振器から散逸する電力は、そのとき共振器に蓄えられ
ているエネルギーに比例するので、一般に共振器を評価
するため電磁波周波数と共振器中のエネルギーの積を、
そのとき共振器から散逸する電力で除した値を、共振器
の良さの指数ＣＱ（直）と呼ぶ。外部から電磁波の電力
を供給し共振器内部にエネルギーを蓄える場合、共振器
内部のエネルギー蓄積は、それに比例して増加する共振
器からの散逸電力が外部から供給される電磁波の電力に
等しくなった時に飽和し一定値に達する。したがって損
失の小さい共振器はど相対的に大きなエネルギーの蓄積
が可能で、その共振器の良さの指数（Ｑｆ直）は大きな
値となる。共振器の損失が制御できれば共振特性を必要
なＱ値に設定できることになる。

本発明は、光共振器の技術をマイクロ波以゛上の周波数
の電波に応用した開放共鳴器の構成法とその応用例に関
するものである。直線偏波に対し強い選択的反引特性を
持つ反射鏡の反引率が入射波の偏波面と反射鏡の偏光軸
とのなす角度に強く依存し、その角度を調整することで
実効的な反！）ｉｊ率の変化が得られ共振器の損失が制
御できることを利用し、対向させた１絹の偏光反引特性
を持つ反射鏡により共振器を構成し必要な共振特性を得
る方法である。この方法を用いれば従来不可能であった
高Ｑ値の共振器のＱ値を微調整可能とするほか、各種の
目的に応じて共振器のＱ値を広い範囲で連続的に微調整
できる大きな特徴がある。

以下図面に従って本発明を説明する。

第１図は通常の平行平面鏡型開放共鳴器の構成を示し、
第２図は同様に球面反ＩＪ′ｊ鏡型開放共鳴器の構成を
示しており、共に半透過性の鏡面による結合方式である
。第３図は結合孔型開放共鳴器の例を示す。第４図は導
波管結合型開放共鳴器の構成例を示している。第５図は
半透過性反射鏡の例を示す。第６図は平行線状導体面の
偏光反射透過特性を図式的に示している。第７図は本発
明の原理を示すもので、対向する偏光反射鏡のもつ偏波
方向に角度差を与えた場合の双方の鏡面での反射の様子
を示している。第８図は共振器モードの励振に伴う変換
損失の結合方法による違いを比較しており、本発明によ
る高Ｑ値の共振器の構成例を示している。

１・・・入射平面波、２・・・透過平面波、３・・・半
透過性平面鏡、１１・・・入射ビーム、５・・・透過ビ
ーム、６・・・半透過性平面鏡剖鏡、７・・・入射ビー
ム、８・・・透過ビーム、９・・・球面反射鏡、１０・
・・結合孔、１１・・・入射波、１２・・・透過波、１
３・・・結合孔、１４・・・球面反射鏡、１５・・・平
面反射鏡、１６・・・金属薄膜の半透過性を用いた反引
鏡面、１７・・・格子状金属メツシュを用いた反引鏡面
、１８・・・多孔性の金属反劇鏡面、１９・・・平行線
状導体面、２０・・・平行線状導体に平行な偏波面を持
つ入射波、２１・・・同反射波、２２・・・同透過波、
２３・・・平行線状導体に直交する偏波面を持つ入射波
、２４・・・同反射波、２５・・・同透過波、２６・・
・入射側１扇光反躬鏡、２７・・・２６に対向する偏光
反射鏡、２８・・・２６の平行線状導体の方向、２９・
・・２７の平行線状導体の方向、３０・・・２６と２７
の間の角度差、３１・・・偏波面が２８に一致した入射
波、３２・・・共振時に通過する偏波面が２９に一致す
る透過波、３３・・・２７で反射し２６に向かう２日に
平行な偏波成分、３４・・・２７における３３の反射の
際に共振器外にもれ出す２９に直交する偏波成分、３５
・・・２Ｇで反引し２７に向かう２日に平行な偏波成分
、３６・・・２６における３５の反引の際に２６を通過
し共振器外にもれ出す２日に直交する偏波成分、３７・
・・半透過性球面反射鏡による開放共鳴器、３日・・・
共鳴器内ビームに相似させた励振用入射ビーム、３９・
・・共鳴器内ビームの形、４０・・・微小結合孔を持つ
球面反射鏡による高いＱ値の開放共鳴器、４１・・・細
く集光された入射ビーム、４２・・・鏡面にあけられた
微小結合孔、４３−・・微小結合孔部分で回折され大き
な立体角内に分散する共鳴器内への結合波、４４・・・
共鳴器内の共振モードに有効に変換され得るる成分、４
５・・・鏡面中央部に偏光反ＩＪ鏡面を持つ球面反射鏡
、４６・・・偏光反゛躬鏡面部分に集光された人別ビー
ム、４７・・・偏光反射鏡面部分、４日・・・結合波の
共鳴器内への広がり、４９・・・共鳴器内の共振モード
に有効に変換され得る立体角成分である。

通常用いられている光共振器の例を第１．２．３図で、
またミリ波帯の導波管結合型共振器について第４図を用
いて説明する。第１図は平行平面鏡から成る開放共鳴器
の例であり人別平面波１の電力の１部は半透過性の平行
平面鏡３の間に入り繰り返し反射により重畳される。入
射波の周波数が平面鏡間隔で決まる共振周波数に一致す
るとき内部のエネルギーは最も効率よく蓄積される。そ
のとき繰り返し艮躬波との干渉の結果、人別波１による
開放共鳴器の励振効率は最大となり、共鳴器内の蓄積エ
ネルギーは最大となる。その結果透過平面波１２の電力
も最大となる。有限なビーム径の開放共鳴器の場合、共
鳴器の軸に直交する方向へのエネルギーの散逸すなわち
回折損失が問題となるが従来第２〜４図のような球面反
射鏡を絹み合せる方式により解決されている。第２図は
半透過性球面反射鏡６で構成される半透過性球面反射鏡
型開放共鳴器であり、入射ビーム４は半透過性球面鏡面
を通して結合し、共振周波数に一致するとき透過ビーム
５の電力は最大となる。第３図は、人別ビーム７の電力
を球面反射鏡９に開けた結合孔ＩＯを通して結合させる
型の開放共鳴器であり透過ビーム８の電力は共振時に最
大となる。

第４図は、ミリ波帯の導波管結合型開放共鳴器の例であ
る。導波管からの人別ミリ波１１は、球面反射鏡１４の
結合孔１３を通して共鳴器内に入り対向する球面反射鏡
１４又は平面反射鏡１５で反射され軸方向にそった成分
は反射鏡間を繰り返し反射し重畳される。

以上の第１〜４図に示した従来型の開放共鳴器の方式で
は、共鳴器の損失を制御し望むＣ１の共鳴器を実現する
のは非常に困難であり、特に高いＱ値の共鳴器の結合強
度の調整は不可能であった。

高いＱ値の共鳴器を実現するためには共鳴器の損失を掻
く微小量に設定するため、微弱な結合強度の条件下で制
御する必要がある。第１．２図の様な半透過性反射鏡の
場合、第５図の例に示した反射鏡の反射率を高い反射率
の条件のもとて微調整することが要求され、また第３．
４図の様に結合孔による場合その微小な結合孔の寸法を
高精度に変化させ調整することが要求される。しかし、
いずれの場合も加工精度や仕上げ方法による不確定さが
高周波電界分布に大きく影響するため現実には偶黙性に
支配され微妙な制御は事実上不可能であった。

本発明では、平行線状導体からなる反射鏡面が強い選択
的反射特性を持ち、その実効的な反射率が人別波の偏波
方向と反射鏡の偏光方向とのなす角度ここ依存しその角
度を調整することで反射率の微調整が可能となることを
利用している。平行線状導体からなる反射鏡面の偏光反
射透過特性を図式的に示したのが第６図である。平行線
状導体１９が十分低い表面抵抗特性を持つなら、１９０
線状導体方向に平行な偏波面を持つ人別波２０に対し線
状導体方向の高周波電流が流れ１９の反射面は、均一で
なめらかな高い導電率の金属面のように高い反射率を示
す。したがって透過波２２の振幅は２０及び２１の振幅
に比べ非常に小さい。−方、１９の線状導体方向に直交
する偏波面を持つ人別波２３に対し導体表面上には高周
波電流が誘起されず反別波２４の振幅は極めて小さくな
る。

この条件では透過率はほぼ１に等しく透過波２５の振幅
は人別波２３の振幅に非常に近い。この様な鋭い偏光反
別特性は、実際には極めて低い表面抵抗の平行線状導体
を波長に比較し十分少さい周間で配置した反射鏡によっ
て実現できる。

偏光反射特性を持つ反射鏡を対向させ双方のもつ偏波方
向に角度差を与えた場合における双方の鏡面での反射に
ついて第７図で説明する。対向させた偏光反射鏡２６と
２７により共振器が構成されている。２６の線状導体方
向２Ｂと２７の線状導体方向２９０間に小さな角度差３
０が与えられている場合である。人別波３１の偏波方向
は２６の線状導体方向２８に一致させる。′３１の一部
は２６を通過し２７へ向かう、このときの偏波方向は２
日である。鏡面２７上では２９に平行な成分のみが反射
され２６へ向かう反射波３３となり、２９に直交する成
分は２７を通過し共振器外への散逸成分３４となる。鏡
面２６に達した２９方向の偏波３３は、２日に平行な成
分のみが反射され再び２７へ向う反射波３５となり、２
日に直交する成分は２６を通過し共振器外への散逸成分
３６となる。２６及び２７における反射ごとに、その偏
波面は２８と２９の方向の間で交互に変化する。

各鏡面での反射ごとの高周波電界の振幅は線状導体方向
の角度差がゼロであるときに比べ角度差３０の余弦に比
例して減少する。高周波電力の反射率はその角度差３０
の余弦の二乗で減少する。したがって高い反射率の偏光
反射鏡を対向させ共振器を構成した場合、反射ｆｊ１２
６と２７の間隔で決まる共振周波数が入射波３１の周波
数に一致するとき２６を介してわずかづつ結合する波は
次々に重ね合され共振器内には大きな高周゛波エネルギ
ーが蓄積される。このとき２７から外へ漏れ出す共厖波
の透過出力成分が３２である。

以上の原理から角度差３０を小さな角度範囲で変化させ
ることにより実効的な鏡面反ｒＪ′Ｊ＄を微調整するこ
とが可能であり共振器のＱ値を連続的に微調整すること
ができる。

高いＱ値の共振器を得るためには共振器と外部との結合
強度を極く微弱に設定することのほかに、共振器への励
振信号をいかに効率良く共振器モードへ変換できるかは
重要な問題である。共振器モードの励振に伴う変換損失
の結合方法による違いを第８図により説明する。

半透過性球面３７による開放共鳴器の場合、信号ビーム
３日を調整することにより共振器モード３９へ効率良く
変換することが可能である。一方、微小結合孔４２を持
つ球面反射鏡４０からなる開放共鳴器の場合、収束され
た入射ビーム４１は、微小結合孔４２を通過する際に強
い回折効果を受は大きな立体角４３内に分散される。共
孫器内に入り有効に蓄積されるのは小さな立体角４４内
の成分に限られ大部分の電力は開放共鳴器外へ逃げ出し
てしまう。この変換損失はそのまま共振器の透過損失に
加算されるため重大な問題点である。

次に本発明を高いＱ　（［の開放共鳴器に応用する場合
について例を用いて説明する。球面反射鏡４５は中央部
に共振器モード３９の鏡面上のビーム径より小さめの偏
光反射面４７を持つ球面鏡であり比較的大きな結合部寸
法を持ちながら十分微弱な結合強度の範囲で調整できる
。偏光反別面４７の平行線状導体と一致した偏波を持つ
励振信号４６は、その結合部となる偏光反射面４７の径
に合わせてビームで供給することで開放共鳴器内へ結合
した成分４日のうち共振器内モードに有効に変換され得
る成分４９の比率を、微小結合孔４２による場合に比べ
大幅に改善することができる。さらに双方の球面鏡の中
央部にもうけた偏光反射面の偏波方向を小さな角度差の
範囲で変化させることにより球面鏡の実効的反射率を極
めて微妙に調整できる。このことにより極めて高いＱ（
ａの共振器を構成し、周波数や測定系の条件に合せて共
鳴器のＱ値の微゛調整が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は最も基本的な平行平面額型開放共鳴器の構成を
示した。第２図は球面反射鏡型開放共鳴器の構成であり
、有限ビーム径の場合の回折損失の効果は大幅に改善さ
れる。第１．２図共に半透過性の鏡面による結合方式で
ある。第３図は結合孔型開放共鳴器の例を示し、第４図
では導波管結合型開放共鳴器の構成例を示した。第５図
は、半透過性反射鏡の例である。第６図は平行線状導体
からなる反射鏡面の偏光反射透過特性の図式的に示した
。第７図は本発明による偏光反射特性を利用した開放型
共鳴器の原理を示す図である。第８図は、共振器モード
の励振に伴う変換損失の結合方法による違いを比較して
おり、本発明による高Ｑｆａの共振器の構成例と、その
場合の利点について示した。１・・・入射平面波、２・・・透過平面波、３・・・半
透過性平面鏡、４・・・半透過性球面反射鏡、５・・・
透過ビーム、６・・・半透過性球面反射鏡、７・・・入
射ビーム、８・・・透過ビーム、９・・・球面反射鏡、
１０・・・結合孔、１１・・・入射波、１２・・・透過
波、１３・・・結合孔、１４・・・球面反射鏡、１５・
・・平面反射鏡、１６・・・金属薄膜の半透過性を用い
た反引鏡面、１７・・・格子状金属メツシュを用いた反
引鏡面、１８・・・多孔性の金属反引鏡面、１９・・・
平行線状導体からなる反引鏡面、２０・・・平行線状導
体に平行な（肩波面を持つ大利波、２１・・・同反剖波
、２２・・・同透過波、２３・・・平行線状導体に直交
する偏波面を持つ入射波、２４・・・同反引波、２５・
・・同透過波、２６・・・入射側（肩光反ｌ１ｉＪ＠、
２７・・・２６に対向する偏光反射鏡、２８・・・２６
の平行線状導体の方向、２９・・・２７の平行線状導体
の方向、３０・・・２６と２７の間の角度差、３１・・
・偏波面が２８に一致した人利波、３２・・・共振時に
通過する偏波面が２９に一致する透過波、３３・・・２
７で反引し２６に向かう２９に平行な偏波成分、３４・
・・２７における３３の反引の際に共振器外にもれ出す
２９に直交する偏波成分、３５・・・２６で反引し２７
に向かう２８に平行な偏波成分、３６・・・２６におけ
る３５の反引の際に２６を通過し共振器外にもれ出す２
日に直交する偏波成分、３７・・・半透過性球面反８＋
ｊ鏡による開放共鳴器、３日・・・共鳴器内ビームに相
似させた励振用大引ビーム、３９・・・共鳴器内ビーム
の形、４０・・・微小結合孔を持つ球面反射鏡による高
いＱ値の開放共鳴器、４１・・・細く集光された入射ビ
ーム、４２・・・鏡面にあけられた微小結合孔、４３・
・・微小結合部分で回折され大きな立体角内に分散する
共鳴器内への結合波、４４・・・共鳴器内の共振モード
に有効に変換され得る成分、４５・・・鏡面中央面に偏
光反引鏡面を持つ球面反射鏡、４６・・・偏光反射鏡面
部分に集光された入射ビーム、４７・・・偏光反射鏡面
部分、４日・・・結合波の共鳴器内への広がり、４９・
・・共鳴器内の共振モードに有効に変換され得る立体角
成分。特許出願人　郵政省電波研究所長第２図第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直線偏波に対し選択的反射特性を持つ反射鏡を対
向させ、両者間の反射波が繰り返し重畳されるように構
成し、双方の反射鏡の偏光方向の間に小さな角度差を与
え、その大きさを調整することで得られる各鏡面での実
効的反射率の変化を利用し共振のＱ値を連続的に変化し
調整できることを特徴とする偏光反射特性を利用した開
放共鳴器。
（２）高い反射率を持つ球面鏡を用いて構成される高Ｑ
値の開放共鳴器の結合部として球面鏡上の有効ビーム径
と等しいか又は小さい領域に強い偏光反射特性を持つ反
射鏡面を確保し、開放共鳴器中のモードに近い形のビー
ムで励振することで、微少な結合孔による結合方式に比
べ、結合部でのモード変換に伴う損失を大幅に改善でき
小さな透過損失特性を確保できるほか、双方の反射鏡の
中央部にもうけた偏光反射面の偏光方向の間に角度差を
与えることにより高いＱ値の共振器についても共振のＱ
値を微調整し設定できることを特徴とする偏光反射特性
を利用した開放共鳴器。
（３）偏波に対し選択的反射特性を持つ反射鏡を組み合
せることで得られる共振器のＱ値が調整可能なことを利
用し、波長による鏡面反射率の変化を補正でき最適な共
振のＱ値に設定できることで、反射鏡の変換なしに広範
囲な波長領域の電磁波の波長計測が可能であることを特
徴とする掃引型ファプリペロー波長計。
（４）偏波に対し選択的反射特性を持つ反射鏡を対向さ
せ、両者間の反射波が繰り返し重畳されるときの共振周
波数が反射鏡の間隔に依存し、共振の鋭さが双方の反射
鏡の偏光方向の角度差に依存し変化することを利用し、
共振周波数が可変でかつ周波数帯域幅が可変であること
を特徴とする開放共鳴器を用いた帯域ろ波器。