JPH0754298B2 - 屈折率変化測定方法 - Google Patents
屈折率変化測定方法Info
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- JPH0754298B2 JPH0754298B2 JP20967886A JP20967886A JPH0754298B2 JP H0754298 B2 JPH0754298 B2 JP H0754298B2 JP 20967886 A JP20967886 A JP 20967886A JP 20967886 A JP20967886 A JP 20967886A JP H0754298 B2 JPH0754298 B2 JP H0754298B2
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は光を用いた計測法に係り、特に電界，磁界，電
流，電圧，応力および温度などの物理量を物質に加えた
ときに生じる物質の屈折率変化を光学的手段により精密
に測定する屈折率変化測定方法に関するものである。
流，電圧，応力および温度などの物理量を物質に加えた
ときに生じる物質の屈折率変化を光学的手段により精密
に測定する屈折率変化測定方法に関するものである。
［従来の技術］ 従来、この種の光学計測法としては、例えば、K.Takiza
waによってJournal of the Optical Sociery of Americ
a,Vol.72,NO.6,June,1982）,P.809/811に示されている
ように、反射光干渉法がある。
waによってJournal of the Optical Sociery of Americ
a,Vol.72,NO.6,June,1982）,P.809/811に示されている
ように、反射光干渉法がある。
この方法では、第４図に示すように、計測すべき物質10
0に対して直流電源101から直流バイアス電圧Viおよび正
弦波信号発生器102から正弦波電圧Vsin ptを同時に加え
る。外部光源103からは、かかる電圧印加状態の下でレ
ーザ光を入射させる。この物質100中を反射せずに直接
透過する光と、その端面で反射を繰り返した後に透過す
る光との干渉信号を受光器104で検出する。その検出信
号を帯域ろ波器105に通して正弦波電圧の基本波成分sin
ptを選択する。帯域ろ波器105の出力をオシロスコープ
106に供給する。107は被測定物質100の両端電圧を測定
する電圧計である。
0に対して直流電源101から直流バイアス電圧Viおよび正
弦波信号発生器102から正弦波電圧Vsin ptを同時に加え
る。外部光源103からは、かかる電圧印加状態の下でレ
ーザ光を入射させる。この物質100中を反射せずに直接
透過する光と、その端面で反射を繰り返した後に透過す
る光との干渉信号を受光器104で検出する。その検出信
号を帯域ろ波器105に通して正弦波電圧の基本波成分sin
ptを選択する。帯域ろ波器105の出力をオシロスコープ
106に供給する。107は被測定物質100の両端電圧を測定
する電圧計である。
ここで、直流電源101による直流バイアス電圧Viを調整
して帯域ろ波器105の出力が最小になる値より物質の屈
折率を求める。この方法の測定原理を以下に説明し、そ
の問題点を明らかにする。
して帯域ろ波器105の出力が最小になる値より物質の屈
折率を求める。この方法の測定原理を以下に説明し、そ
の問題点を明らかにする。
第４図に示すように、パワー反射率Ｒを持つ物質100の
端面に外部光源103からレーザー光を垂直に入射する
と、この物質100内で反射せずに直接透過する光の電界
は、 Asin（ωｔ＋αVsin pt＋φ） で与えられる。ここで、Ａは透過光の振幅、ωは光の角
周波数、αVsin ptは交流電圧により生じる屈折率変化
がもたらす位相変化、φは交流電圧に依存しない静的位
相であり、αVsin ptおよびφは結晶を１回通過すると
きに与えられる大きさである。αは屈折率変化に比例す
る係数であり、αを測定することにより物質の屈折率変
化を求めることができる。
端面に外部光源103からレーザー光を垂直に入射する
と、この物質100内で反射せずに直接透過する光の電界
は、 Asin（ωｔ＋αVsin pt＋φ） で与えられる。ここで、Ａは透過光の振幅、ωは光の角
周波数、αVsin ptは交流電圧により生じる屈折率変化
がもたらす位相変化、φは交流電圧に依存しない静的位
相であり、αVsin ptおよびφは結晶を１回通過すると
きに与えられる大きさである。αは屈折率変化に比例す
る係数であり、αを測定することにより物質の屈折率変
化を求めることができる。
結晶端面で反射を繰り返した後に透過する光の電界は、
光が物質100中を往復する回数により異なる値をもつ。
例えば、1.5往復した後に透過する光は、光の強度反射
率（例えば迅内順平著「光学概論II」p.30,朝倉書店）
をＲとすると、 ARsin［ωｔ＋３（αVsin pt＋φ）］ 2.5往復した後に透過する光は、 AR2sin［ωｔ＋５（αVsin pt＋φ）］ 一般に 回往復した後に透過する光は ARmsin［ωｔ＋（2m＋１）（αVsink pt＋φ）］ となる。これら（ｍ＋１）本の光ビームの干渉信号Ｉは
次式で与えられる。
光が物質100中を往復する回数により異なる値をもつ。
例えば、1.5往復した後に透過する光は、光の強度反射
率（例えば迅内順平著「光学概論II」p.30,朝倉書店）
をＲとすると、 ARsin［ωｔ＋３（αVsin pt＋φ）］ 2.5往復した後に透過する光は、 AR2sin［ωｔ＋５（αVsin pt＋φ）］ 一般に 回往復した後に透過する光は ARmsin［ωｔ＋（2m＋１）（αVsink pt＋φ）］ となる。これら（ｍ＋１）本の光ビームの干渉信号Ｉは
次式で与えられる。
ところで、受光器104の応答周波数は、通常、1GHz以下
であり、一方、光の角周波数は1014Hz以上であるから、
ωや２ωを含む周波数成分を除いた信号が次に示す受光
器出力Idとなる。
であり、一方、光の角周波数は1014Hz以上であるから、
ωや２ωを含む周波数成分を除いた信号が次に示す受光
器出力Idとなる。
ここで、Jvはｖ次のベッセル関数である。
帯域ろ波器105により正弦波電圧と同じ周波数成分sin p
tを選択すると、その出力Imは、 で与えられる。ここで、仮に、ｍ＝１の場合、すなわち
1.5往復した光と直接透過光との干渉のみを考えると、I
m＝I1は I1＝−2A2Rsin（２φ）J1（２αＶ）sin pt （４） となる。ここで、I1＝０、すなわちJ1（２αＶ）＝０と
なるように正弦波電圧の振幅Ｖを調整すると、Ｖとαと
の関係、すなわち印加電圧と物質の屈折率変化との関係
を明らかにすることができる。
tを選択すると、その出力Imは、 で与えられる。ここで、仮に、ｍ＝１の場合、すなわち
1.5往復した光と直接透過光との干渉のみを考えると、I
m＝I1は I1＝−2A2Rsin（２φ）J1（２αＶ）sin pt （４） となる。ここで、I1＝０、すなわちJ1（２αＶ）＝０と
なるように正弦波電圧の振幅Ｖを調整すると、Ｖとαと
の関係、すなわち印加電圧と物質の屈折率変化との関係
を明らかにすることができる。
［発明が解決しようとする問題点］ しかし、一般にはｍ＞１の多重反射光も干渉信号に含ま
れるので、測定精度は劣化する。例えば、ｍ＝３の場合
には、 I3＝−2A2Rsin pt［（１＋R2＋R4）sin（２φ）J1（２
αＶ）＋（Ｒ＋3）sin（４φ）J1（４αＶ）＋R2sin
（６φ）J1（６αＶ）］ （５） となり、第２項，第３項が顕れる。特に、第３項は、静
的位相をφ＝π/4になるよう直流電圧Viを調整して第２
項をＯにしても消えないため、この測定方法のもつ本質
的な誤差になる。
れるので、測定精度は劣化する。例えば、ｍ＝３の場合
には、 I3＝−2A2Rsin pt［（１＋R2＋R4）sin（２φ）J1（２
αＶ）＋（Ｒ＋3）sin（４φ）J1（４αＶ）＋R2sin
（６φ）J1（６αＶ）］ （５） となり、第２項，第３項が顕れる。特に、第３項は、静
的位相をφ＝π/4になるよう直流電圧Viを調整して第２
項をＯにしても消えないため、この測定方法のもつ本質
的な誤差になる。
ｍ＝３の場合の幾つかの結晶の反射率Ｒと誤差との関係
を第５図に示す。
を第５図に示す。
実際には、さらに高次の奇数項も誤差に含まれるため、
化合物半導体のように屈折率の大きな結晶では測定精度
は大幅に低下する。
化合物半導体のように屈折率の大きな結晶では測定精度
は大幅に低下する。
この測定法の他の問題点としては、直流バイアス電圧を
印加することにある。前述のように、この方法では、φ
＝π/4に調整して偶数項を０にして誤差を小さくする必
要があるが、物質100の周囲の温度変動や光ビームが物
質100中を通過することにより生じる光損傷（西原浩，
春名正光，栖原敏明共著「光集積回路」オーム社P..16
3）などにより静的位相を一定に保持するのが困難な物
質も多く、この場合には誤差は大きくなる。
印加することにある。前述のように、この方法では、φ
＝π/4に調整して偶数項を０にして誤差を小さくする必
要があるが、物質100の周囲の温度変動や光ビームが物
質100中を通過することにより生じる光損傷（西原浩，
春名正光，栖原敏明共著「光集積回路」オーム社P..16
3）などにより静的位相を一定に保持するのが困難な物
質も多く、この場合には誤差は大きくなる。
さらに、この方法では、帯域ろ波器105で基本波成分を
検出しているが、光検出信号の基本波成分には雑音が含
まれやすいという問題がある。例えば、チャンネル光導
波路（前述の「光集積回路」P.31参照）では、電界を加
えると導波路の屈折率が変化するほか、導波光の位置が
ゆらいだり、導波路の閉じ込めが弱くなって導波光の一
部が基板に放射される現象が起きやすい。多くの場合、
これらの現象は基本波周波数と同じ繰り返し周波数を持
つため、極めて大きな誤差を生じる。
検出しているが、光検出信号の基本波成分には雑音が含
まれやすいという問題がある。例えば、チャンネル光導
波路（前述の「光集積回路」P.31参照）では、電界を加
えると導波路の屈折率が変化するほか、導波光の位置が
ゆらいだり、導波路の閉じ込めが弱くなって導波光の一
部が基板に放射される現象が起きやすい。多くの場合、
これらの現象は基本波周波数と同じ繰り返し周波数を持
つため、極めて大きな誤差を生じる。
そこで、本発明の目的は、上述した３つの問題点を解決
し、前記物理両と物質の屈折率変化との関係を高精度で
測定し、以てその物質の屈折率変化を測定する方法を提
供することにある。
し、前記物理両と物質の屈折率変化との関係を高精度で
測定し、以てその物質の屈折率変化を測定する方法を提
供することにある。
［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明に係る測定方
法は、正弦波状に変化する第１物理量と、直線状に変化
し、かつ零クロスをもつ周期関数で表わされる第２物理
量とを同時に被測定物質に印加し、前記第２物理量の繰
り返し周波数を前記第１物理量の周波数よりも小さくし
た状態で、前記被測定物質中を反射せずに直接に透過す
る光と、前記被測定物質の端面で反射を繰り返した後に
透過する光との合成光出力を得、前記合成光出力を受光
器に導入することにより第１電気信号に変換し、前記第
１電気信号に含まれる特定の高調波成分の一つを選択し
て測定し、前記第２物理量に対応した第２電気信号を
得、前記第１電気信号に含まれる前記高調波成分が零に
なる時の、少なくとも２つの前記第２電気信号の値を検
出し、該２つの前記第２電気信号の値に差に基づいて、
前記被測定物質の屈折率差により生じる光の位相変化量
を測定し、これにより、前記被測定物質の屈折率変化を
測定するものである。
法は、正弦波状に変化する第１物理量と、直線状に変化
し、かつ零クロスをもつ周期関数で表わされる第２物理
量とを同時に被測定物質に印加し、前記第２物理量の繰
り返し周波数を前記第１物理量の周波数よりも小さくし
た状態で、前記被測定物質中を反射せずに直接に透過す
る光と、前記被測定物質の端面で反射を繰り返した後に
透過する光との合成光出力を得、前記合成光出力を受光
器に導入することにより第１電気信号に変換し、前記第
１電気信号に含まれる特定の高調波成分の一つを選択し
て測定し、前記第２物理量に対応した第２電気信号を
得、前記第１電気信号に含まれる前記高調波成分が零に
なる時の、少なくとも２つの前記第２電気信号の値を検
出し、該２つの前記第２電気信号の値に差に基づいて、
前記被測定物質の屈折率差により生じる光の位相変化量
を測定し、これにより、前記被測定物質の屈折率変化を
測定するものである。
［作用］ 従来の測定法では、屈折率変化の測定誤差は屈折率の大
きな物質では少なくとも１％以上あったのに対して、本
発明においては、正弦波信号と三角波信号の周波数比を
大きくすることにより、この誤差を極めて小さくするこ
とができる。例えば第１電気信号の第３高調波成分を選
択し、この高調波成分の周波数と第２電気信号の繰り返
し周波数との比を105:1にすれば、誤差は約３×10-6以
下にすることができる。
きな物質では少なくとも１％以上あったのに対して、本
発明においては、正弦波信号と三角波信号の周波数比を
大きくすることにより、この誤差を極めて小さくするこ
とができる。例えば第１電気信号の第３高調波成分を選
択し、この高調波成分の周波数と第２電気信号の繰り返
し周波数との比を105:1にすれば、誤差は約３×10-6以
下にすることができる。
従来の測定法では、物質周囲の温度変動や物質中を光が
通過するときに生じる光損傷により屈折率が大きく変動
することに起因して測定誤差が大きかった。そこで、物
質の温度を一定に保つための恒温設備や光損傷の軽減を
図るべく、微弱光を物質に入射しているが、その場合に
は、高感度かつ低雑音の光検出装置を必要とするなどの
問題があった。一方、本発明では、正弦波および三角波
信号で周期的に屈折率を変えることにより、温度変動や
光損傷など周波数の極めて低い屈折率変動を避けて測定
することができるので、上記設備や装置を必要としな
い。
通過するときに生じる光損傷により屈折率が大きく変動
することに起因して測定誤差が大きかった。そこで、物
質の温度を一定に保つための恒温設備や光損傷の軽減を
図るべく、微弱光を物質に入射しているが、その場合に
は、高感度かつ低雑音の光検出装置を必要とするなどの
問題があった。一方、本発明では、正弦波および三角波
信号で周期的に屈折率を変えることにより、温度変動や
光損傷など周波数の極めて低い屈折率変動を避けて測定
することができるので、上記設備や装置を必要としな
い。
また、外部から信号を加えたときに物質自信が発熱する
場合、従来の方法では外部信号に伴う屈折率変化を正確
に知ることはできなかったが、本発明では、正弦波信号
および三角波信号の周波数を高くして物質の温度変化が
追従できないようにすることにより、発熱の影響を避け
て測定することができる。
場合、従来の方法では外部信号に伴う屈折率変化を正確
に知ることはできなかったが、本発明では、正弦波信号
および三角波信号の周波数を高くして物質の温度変化が
追従できないようにすることにより、発熱の影響を避け
て測定することができる。
［実施例］ 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。
本発明による屈折率変化測定法の一実施例の構成を第１
図に示す。
図に示す。
第１図を参照するに、１は基板２上に形成されたチャン
ネル光導波路、３および３′は基板２上においてチャン
ネル光導波路１の両側に配置された電極、４は電極３に
接続された正弦波信号発生器、５は電極３′に接続され
た三角波信号発生器、６は外部光源10からの光を集光し
てチャンネル光導波路１に入射させる集光レンズ、６′
はチャンネル光導波路１からの出力光を集光して受光器
７に導く集光レンズ、８は受光器７からの出力を供給さ
れる帯域ろ波器であり、その帯域ろ波出力をオシロスコ
ープ９に導く。
ネル光導波路、３および３′は基板２上においてチャン
ネル光導波路１の両側に配置された電極、４は電極３に
接続された正弦波信号発生器、５は電極３′に接続され
た三角波信号発生器、６は外部光源10からの光を集光し
てチャンネル光導波路１に入射させる集光レンズ、６′
はチャンネル光導波路１からの出力光を集光して受光器
７に導く集光レンズ、８は受光器７からの出力を供給さ
れる帯域ろ波器であり、その帯域ろ波出力をオシロスコ
ープ９に導く。
本実施例では、正弦波状に変化する第１物理量として周
波数Ｐの電圧Vsin ptを用い、直線状に変化し、かつ零
クロスをもつ周期関数で表わされる第２物理量としては
三角波状に変化する電圧Vtを用いている。
波数Ｐの電圧Vsin ptを用い、直線状に変化し、かつ零
クロスをもつ周期関数で表わされる第２物理量としては
三角波状に変化する電圧Vtを用いている。
この実施例では、外部光源10からの光を光導波路１に導
き、この光導波路１内で反射せずに直接透過する光と、
導波路１内で反射を繰り返した後に透過する光との干渉
信号を受光器７で検出する。その光検出信号の第３次高
調波成分のみを帯域ろ波器８で検出し、オシロスコープ
９のＹ軸入力端子に導き、かつ三角波信号発生器５から
の三角波電圧の一部をオシロスコープ９のＸ軸入力端子
に入力して、リサージュ図形を表示する。
き、この光導波路１内で反射せずに直接透過する光と、
導波路１内で反射を繰り返した後に透過する光との干渉
信号を受光器７で検出する。その光検出信号の第３次高
調波成分のみを帯域ろ波器８で検出し、オシロスコープ
９のＹ軸入力端子に導き、かつ三角波信号発生器５から
の三角波電圧の一部をオシロスコープ９のＸ軸入力端子
に入力して、リサージュ図形を表示する。
このとき、三角波の繰り返し周波数は正弦波の周波数に
比べて極端に小さくしておく。ここで、リサージュ図形
の任意の節と節との間の三角波電圧Vtを検出することに
より、電圧と屈折率変化との関係を高精度で求めること
ができる。
比べて極端に小さくしておく。ここで、リサージュ図形
の任意の節と節との間の三角波電圧Vtを検出することに
より、電圧と屈折率変化との関係を高精度で求めること
ができる。
次に、この関係について、簡単な解析結果を用いて詳述
する。
する。
受光器７の出力信号は、前記反射光干渉法と同じく、
（２）式で与えられる。この信号を帯域ろ波器８に入力
し、ここで３次の高調波成分のみを選択すると、帯域ろ
波器８の出力信号Imは、 と表される。ここで、φ（Vt）は三角波電圧Vtに基く屈
折率変化がもたらす位相変化であり、 φ（Vt）＝φｏ＋αＶ （８） で与えられる。ただし、φｏは光が導波路１を１回通過
するときの電圧に依存しない静的位相である。
（２）式で与えられる。この信号を帯域ろ波器８に入力
し、ここで３次の高調波成分のみを選択すると、帯域ろ
波器８の出力信号Imは、 と表される。ここで、φ（Vt）は三角波電圧Vtに基く屈
折率変化がもたらす位相変化であり、 φ（Vt）＝φｏ＋αＶ （８） で与えられる。ただし、φｏは光が導波路１を１回通過
するときの電圧に依存しない静的位相である。
ここで、Im＝０は、φ（Vt）＝0,±π/2,±π，±３π/
2,…で与えられる。従って、sin［2rφ（Vt）］＝sin
［2rφ（Vt′）］＝０を満足するVtとVt′との間にIm＝
０となる節がａ個含まれる場合、 α＝（ａ−１）π/2|Vt−Vt′｜ （７） となり、印加電圧｜Vt−Vt′｜と屈折率変化との関係を
求めることができる。
2,…で与えられる。従って、sin［2rφ（Vt）］＝sin
［2rφ（Vt′）］＝０を満足するVtとVt′との間にIm＝
０となる節がａ個含まれる場合、 α＝（ａ−１）π/2|Vt−Vt′｜ （７） となり、印加電圧｜Vt−Vt′｜と屈折率変化との関係を
求めることができる。
この測定方法の場合の誤差は、光検出信号の高調波成分
の周波数と三角波信号の繰り返し周波数との比で与えら
れる。この実施例では、第３高調波成分を検出している
から、いま仮に、正弦波信号の周波数を1MHz,三角波信
号を10Hzとすると、誤差は、約３×10-6となり、極めて
高い精度で屈折率変化を測定することが可能である。
の周波数と三角波信号の繰り返し周波数との比で与えら
れる。この実施例では、第３高調波成分を検出している
から、いま仮に、正弦波信号の周波数を1MHz,三角波信
号を10Hzとすると、誤差は、約３×10-6となり、極めて
高い精度で屈折率変化を測定することが可能である。
次に、この方法でニオブ酸リチウム（LiNbO3）結晶の電
圧による屈折率変化を実際に測定した例を示す。
圧による屈折率変化を実際に測定した例を示す。
第２図は、LiNbO3結晶２上に形成したチャンネル光導波
路１（導波路幅４μｍ、深さ２μm,長さ15mm）の両側に
長さ10mm,幅50μm,電極間隔20μｍの平行平板電極３お
よび３′を設け、これら電極に10KHzの正弦波電圧と20H
zの三角波電圧を印加してオシロスコープ９にリサージ
ュ図形を表示した結果を示すものである。第２図におい
て、縦軸は30KHzの第３高調波成分を示し、横軸は三角
波電圧を示す。
路１（導波路幅４μｍ、深さ２μm,長さ15mm）の両側に
長さ10mm,幅50μm,電極間隔20μｍの平行平板電極３お
よび３′を設け、これら電極に10KHzの正弦波電圧と20H
zの三角波電圧を印加してオシロスコープ９にリサージ
ュ図形を表示した結果を示すものである。第２図におい
て、縦軸は30KHzの第３高調波成分を示し、横軸は三角
波電圧を示す。
この測定例が示すように、本発明によれば、Im＝０とな
る節が極めて明瞭であるため、測定精度は非常に高い。
る節が極めて明瞭であるため、測定精度は非常に高い。
本発明による屈折率変化測定法の他の実施例を第３図に
示す。この実施例では、被測定物質として半導体レーザ
ー11を用いている。ここで、外部光源10は、 hc/Eg＞λ h :プランクの定数 c :光速 λ :光の波長 Eg:半導体レーザー活性層のバンドギャップ を満足する波長λの光を発光し、半導体レーザー（LD）
の電流注入によるレーザー発振に影響を与えないことが
必要である。外部光源10からの光のLD直接透過光とLD内
多重反射光との干渉信号のほかに、正弦波信号および三
角波信号の変調されたLD光が受光器７に同時に入射する
のを避けるために、受光器７の前方にLD光をしゃ断し、
外部光源からの光のみを通過する波長フィルター12を設
け、かつ、帯域ろ波器８において正弦波信号の３倍の周
波数成分のみを検出すれば、LDの屈折率変化の測定に必
要な外部光の干渉信号のみを取り出すことができる。
示す。この実施例では、被測定物質として半導体レーザ
ー11を用いている。ここで、外部光源10は、 hc/Eg＞λ h :プランクの定数 c :光速 λ :光の波長 Eg:半導体レーザー活性層のバンドギャップ を満足する波長λの光を発光し、半導体レーザー（LD）
の電流注入によるレーザー発振に影響を与えないことが
必要である。外部光源10からの光のLD直接透過光とLD内
多重反射光との干渉信号のほかに、正弦波信号および三
角波信号の変調されたLD光が受光器７に同時に入射する
のを避けるために、受光器７の前方にLD光をしゃ断し、
外部光源からの光のみを通過する波長フィルター12を設
け、かつ、帯域ろ波器８において正弦波信号の３倍の周
波数成分のみを検出すれば、LDの屈折率変化の測定に必
要な外部光の干渉信号のみを取り出すことができる。
従来の反射光干渉法では、LDへの電流注入による温度上
昇の影響を避けることができないので、電流注入時の活
性層の屈折率変化を知ることはできなかったが、本発明
では、三角波信号の繰り返し周波数を前例よりも高くし
てLDの温度変化が追従できないようにすれば、温度変動
にかかわりなく活性層の屈折率変化を測定することが可
能である。
昇の影響を避けることができないので、電流注入時の活
性層の屈折率変化を知ることはできなかったが、本発明
では、三角波信号の繰り返し周波数を前例よりも高くし
てLDの温度変化が追従できないようにすれば、温度変動
にかかわりなく活性層の屈折率変化を測定することが可
能である。
以上、２つの本発明実施例では、光導波路の屈折率変化
を測定する方法を述べたが、光の閉じ込め効果のないバ
ルク材料の場合についても、本発明によれば屈折率変化
を容易に測定することができる。
を測定する方法を述べたが、光の閉じ込め効果のないバ
ルク材料の場合についても、本発明によれば屈折率変化
を容易に測定することができる。
さらにまた、光検出信号の第３高調波成分のみならず、
基本波成分以外の奇数次高調波成分の一つを検出するこ
とにより、高精度の測定を行うことができる。
基本波成分以外の奇数次高調波成分の一つを検出するこ
とにより、高精度の測定を行うことができる。
さらに加えて、本発明では上述した第２物理量として、
三角波状に変化する場合のみならず、鋸歯状波状に変化
する場合でもよく、要は、リニアに変化し、しかもその
変化が周期的であり、かつ零クロスをもつものであれば
よい。
三角波状に変化する場合のみならず、鋸歯状波状に変化
する場合でもよく、要は、リニアに変化し、しかもその
変化が周期的であり、かつ零クロスをもつものであれば
よい。
また、上述したリサージュ図形を形成するにあたって
は、オシロスコープのみならず、Ｘ−Ｙプロッターなど
２次元の図形表示装置を用いることもできる。さらにま
た、入射光としてレーザー光のみならずキセノンランプ
光など、インコヒーレント光の一部のスペクトルを利用
して測定することもできる。
は、オシロスコープのみならず、Ｘ−Ｙプロッターなど
２次元の図形表示装置を用いることもできる。さらにま
た、入射光としてレーザー光のみならずキセノンランプ
光など、インコヒーレント光の一部のスペクトルを利用
して測定することもできる。
なお、上記実施例では、電圧や電流に対する屈折率変化
を求めたが、本発明はこのような場合にのみ限られるも
のではなく、物質によっては磁界，音波，応力，温度な
どの物理量に対する屈折率変化を測定することも可能で
ある。
を求めたが、本発明はこのような場合にのみ限られるも
のではなく、物質によっては磁界，音波，応力，温度な
どの物理量に対する屈折率変化を測定することも可能で
ある。
［発明の効果］ 以上から明らかなように、本発明は、従来の反射光干渉
法と比べて、次のような効果を有する。
法と比べて、次のような効果を有する。
（１）従来の測定法では、屈折率変化の測定誤差は屈折
率の大きな物質では少なくとも１％以上であったのに対
して、本発明においては、正弦波信号と三角波信号の周
波数比を大きくすることにより、この誤差を極めて小さ
くすることができる。例えば上記周波数比を105:1に
し、正弦信号の３倍の周波数をもつ高調波成分を検出す
れば、誤差は約３×10-6以下にすることができる。
率の大きな物質では少なくとも１％以上であったのに対
して、本発明においては、正弦波信号と三角波信号の周
波数比を大きくすることにより、この誤差を極めて小さ
くすることができる。例えば上記周波数比を105:1に
し、正弦信号の３倍の周波数をもつ高調波成分を検出す
れば、誤差は約３×10-6以下にすることができる。
（２）従来の測定法では、物質周囲の温度変動や物質中
を光が通過するときに生じる光損傷により屈折率が大き
く変動することに起因して測定誤差が大きかった。そこ
で、物質の温度を一定に保つための恒温設備や光損傷の
軽減を図るべく、微弱光を物質に入射しているが、その
場合には、高感度かつ低雑音の光検出装置を必要とする
などの問題があった。一方、本発明では、正弦波および
三角波信号で周期的に屈折率を変えることにより、温度
変動や光損傷など周波数の極めて低い屈折率変動を避け
て測定することができるので、上記設備や装置を必要と
しない。
を光が通過するときに生じる光損傷により屈折率が大き
く変動することに起因して測定誤差が大きかった。そこ
で、物質の温度を一定に保つための恒温設備や光損傷の
軽減を図るべく、微弱光を物質に入射しているが、その
場合には、高感度かつ低雑音の光検出装置を必要とする
などの問題があった。一方、本発明では、正弦波および
三角波信号で周期的に屈折率を変えることにより、温度
変動や光損傷など周波数の極めて低い屈折率変動を避け
て測定することができるので、上記設備や装置を必要と
しない。
（３）半導体レーザーへの電流注入の例が示すように、
外部から信号を加えたときに物質自身が発熱する場合、
従来の方法では外部信号に伴う屈折率変化を正確に知る
ことはできなかった。一方、本発明では、正弦波信号お
よび三角波信号の周波数を高くして物質の温度変化が追
従できないようにすることにより、発熱の影響を避けて
測定することができる。
外部から信号を加えたときに物質自身が発熱する場合、
従来の方法では外部信号に伴う屈折率変化を正確に知る
ことはできなかった。一方、本発明では、正弦波信号お
よび三角波信号の周波数を高くして物質の温度変化が追
従できないようにすることにより、発熱の影響を避けて
測定することができる。
第１図は本発明の屈折率変化測定法の一実施例を示す構
成図、 第２図は本発明の屈折率変化測定法によるリサージュ図
形の様子を示す図、 第３図は本発明の屈折率変化測定法の他の実施例を示す
構成図、 第４図は従来の屈折率変化測定法である反射光干渉法の
一例を示す構成図、 第５図は反射光干渉法におけるｍ＝３の場合の測定誤差
と幾つかの物質の屈折率との関係の説明図である。 １……チャンネル光導波路、２……基板、3,3′……電
極、４……正弦波信号発生器、５……三角波信号発生
器、6,6′……レンズ、７……受光器、８……帯域ろ波
器、９……オシロスコープ、10……外部光源、11……半
導体レーザー、12……波長フィルター、100……被測定
物質、101……直流電源、102……正弦波信号発生器、10
3……外部光源、104……受光部、105……帯域ろ波器、1
06……オシロスコープ、107……電圧計。
成図、 第２図は本発明の屈折率変化測定法によるリサージュ図
形の様子を示す図、 第３図は本発明の屈折率変化測定法の他の実施例を示す
構成図、 第４図は従来の屈折率変化測定法である反射光干渉法の
一例を示す構成図、 第５図は反射光干渉法におけるｍ＝３の場合の測定誤差
と幾つかの物質の屈折率との関係の説明図である。 １……チャンネル光導波路、２……基板、3,3′……電
極、４……正弦波信号発生器、５……三角波信号発生
器、6,6′……レンズ、７……受光器、８……帯域ろ波
器、９……オシロスコープ、10……外部光源、11……半
導体レーザー、12……波長フィルター、100……被測定
物質、101……直流電源、102……正弦波信号発生器、10
3……外部光源、104……受光部、105……帯域ろ波器、1
06……オシロスコープ、107……電圧計。
Claims (4)
- 【請求項１】正弦波状に変化する第１物理量と、直線状
に変化し、かつ零クロスをもつ周期関数で表わされる第
２物理量とを同時に被測定物質に印加し、 前記第２物理量の繰り返し周波数を前記第１物理量の周
波数よりも小さくした状態で、前記被測定物質中を反射
せずに直接に透過する光と、前記被測定物質の端面で反
射を繰り返した後に透過する光との合成光出力を得、 前記合成光出力を受光器に導入することにより第１電気
信号に変換し、 前記第１電気信号に含まれる特定の高調波成分の一つを
選択して測定し、 前記第２物理量に対応した第２電気信号を得、 前記第１電気信号に含まれる前記高調波成分が零になる
時の、少なくとも２つの前記第２電気信号の値を検出
し、 該２つの前記第２電気信号の値の差に基づいて、前記被
測定物質の屈折率差により生じる光の位相変化量を測定
し、 これにより、前記被測定物質の屈折率変化を測定するこ
とを特徴とする屈折率変化測定方法。 - 【請求項２】前記第１電気信号に含まれる選択された高
調波成分と、前記第２電気信号とに基づいてリサージュ
図形を形成し、 該選択された高調波成分が零になる時の該リサージュ図
形において、少なくとも２つの任意の節と節との間の第
２電気信号の値の差を検出し、 該第２電気信号の値の差に基づいて規定される前記被測
定物質の屈折率差により、光の位相変化量を測定し、 前記被測定物質の屈折率変化を求めることを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の屈折率変化測定方法。 - 【請求項３】前記第１および第２物理量は電界，磁界，
電流，電圧，音波，応力および温度のいずれかであるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
の屈折率変化測定方法。 - 【請求項４】前記第２物理量は三角波状に変化すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項，第２項または第３
項記載の屈折率変化測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20967886A JPH0754298B2 (ja) | 1986-09-08 | 1986-09-08 | 屈折率変化測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20967886A JPH0754298B2 (ja) | 1986-09-08 | 1986-09-08 | 屈折率変化測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6365342A JPS6365342A (ja) | 1988-03-23 |
| JPH0754298B2 true JPH0754298B2 (ja) | 1995-06-07 |
Family
ID=16576801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20967886A Expired - Lifetime JPH0754298B2 (ja) | 1986-09-08 | 1986-09-08 | 屈折率変化測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0754298B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2823421B2 (ja) * | 1992-02-27 | 1998-11-11 | 株式会社オハラ | 屈折率の温度係数測定装置 |
-
1986
- 1986-09-08 JP JP20967886A patent/JPH0754298B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．７２〔６〕（１９８２）（米）Ｐ．８０９〜８１１ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6365342A (ja) | 1988-03-23 |
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