JPH0480552B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 理想的な損失のない共鳴器では、いつたん共振
器内に入つた電磁波は、いつ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（Ｑ値）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
等しくなつた時に飽和し一定値に達する。したが
つて損失の小さい共振器ほ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
（Ｑ値）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
い選択的反射特性を持つ反射鏡の反射率が入射波
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射率
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組の偏光反射特性を持つ反
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
つた高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。

以下図面に従つ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図は同様に球面反射鏡型開放共鳴器
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、４……入射ビーム、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
用いた反射鏡面、１７……格子状金属メツシユを
用いた反射鏡面、１８……多孔性の金属反射鏡
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……入射側偏光反射
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
９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……２６で反射し２７に向かう２
８に平行な偏波成分、３６……２６における３５
の反射の際に２６を通過し共振器外にもれ出す２
８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、３８……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、４５……鏡面中央部に偏光反射
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、４８……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入射平面波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
のとき繰り返し反射波との干渉の結果、入射波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晩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組
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、入射ビーム７の電力を球面反射鏡９に開けた
結合孔１０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。導波管からの入射ミリ波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つ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Ｑ値の共
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つ
た。

高いＱ値の共鳴器を実現するためには共鳴器の
損失を極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で微調
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制度や仕上げ方法による不確
定さが高周波電解分布に大きく影響するため現実
には偶然性に支配され微妙な制御は事実上不可能
であつた。

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
が入射波の偏波方向と反射鏡の偏光方向とのなす
角度に依存してその過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、１９の
線状導体方向に平行な偏波面を持つ入射波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。したがつて透過波２２の
振幅は２０及び２１の振幅に比べ非常に小さい。
一方、１９の線状導体方向に直交する偏波面を持
つ入射波２３に対し導体表面上には高周波電流が
誘起されず反射波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２
５の振幅は入射波２３の振幅に非常に近い。この
様な鋭い偏光反射特性は、実際には極めて低い表
面抵抗の平行線上導体を波長に比較し十分小さい
周期で配置した反射鏡によつて実現できる。

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２８と２７の線状
導体方向２９の間に小さな角度差３０が与えられ
ている場合である。入射波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２８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
散晩成分３４となる。鏡面２６に達した２９方向
の偏波３３は、２８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、２８に直交す
る成分は２６を通過し共振器外への散晩成分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。
したがつ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、反射鏡２６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振波
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射率を微調
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向による
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３８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
を受け大きな立体角４３内に分散される。共振器
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値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４
５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
り比較的大きな係合部分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。偏光反射面４
７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４８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値の共
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鏡型開放共鳴器
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
Ｑ値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
透過性を用いた反射鏡面、１７……格子状金属メ
ツシユを用いた反射鏡面、１８……多孔性の金属
反射鏡面、１９……平行線状導体からなる反射鏡
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、２
６……入射側偏光反射鏡、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２
８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２９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……２６で
反射し２７に向かう２８に平行な偏波成分、３６
……２６における３５の反射の際に２６を通過し
共振器外にもれ出す２８に直交する偏波成分、３
７……半透過性球面反射鏡による開放共鳴器、３
８……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、４
２……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成分、４５……鏡面
中央部に偏光反射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、４
７……偏光反射鏡面部分、４８……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。

Claims (1)

1. 【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
   小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
   アブリペロー波長計。 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炉波器。