JPH08304172A - 偏波無依存光検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、入射光を蛍光体で蛍光に変換し
て、この蛍光を光電変換することで、入射光線の偏向状
態に依存しない光パワー検出装置を実現する。 【構成】 入射光線９０を受けて、蛍光変換素子１０中
で蛍光体に当たって励起を起こし、平均寿命τ時間後に
励起状態から基底状態に落ちるときに蛍光発光２１する
蛍光変換素子１０を設け、蛍光変換素子１０からの蛍光
発光２１を受光素子５１で光電変換した電気信号を入射
光の光パワーとして検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、未知の入射光線の光
パワー検出装置において、入射光線の偏向状態に依存し
ないで光電変換する光パワー検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光電変換するフォトダイオード
等の光電変換用受光素子は、受光面の結晶方向による偏
向依存特性を有している。また、受光面からの反射光を
避ける為に、受光素子と入射光線との関係を垂直配置と
せず、ある角度θで入射させる光学配置の場合には受光
素子の容器封止ガラス面によっても偏向依存性が生じ
る。これらの為、未知の入射光線の偏向依存性を解消し
て測定する為には、何らかの解消手段を設ける必要があ
る。

【０００３】図５は、入射光を散乱させることで未知の
偏向状態を解消する光パワー測定装置の一構成例であ
る。構成は、光コネクタ８０と、散乱セラミックス４２
と、受光素子５１と、増幅表示部７０とで成る。

【０００４】被測定光源１００は、光コネクタ８０に接
続され、光コネクタの開放端面から空間光として散乱セ
ラミックス４２に出射する。散乱セラミックス４２は、
光の波長オーダーの粒子４３を隙を持たせて焼き固めた
セラミックスであって、未知の入射光線がこの中を散乱
しながら通過していくことにより、散乱セラミックス４
２の出射端では、ランダムな散乱光として出力される。
この結果、この散乱光を受光素子５１で光電変換する
と、偏向の依存性が解消された電気信号として得られる
為、偏向状態に依存しない光電変換装置を実現できる。

【０００５】増幅表示部７０のＩＶ変換器７１では、前
記受光素子５１からの電流入力を電圧信号に変換し、ア
ンプ７２で増幅し、ＡＤ変換器７４でデジタル信号に量
子化した後、光パワー演算部７６で光パワーに換算した
後表示部７８で光パワーのレベルをデジタル表示してい
る。

【０００６】ところで、散乱セラミックス４２の厚み
は、偏向の依存性が解消できる程度に充分に散乱させる
為に、かなりの厚みが必要である。この為、入射光に対
する出射光は、１／１０〜１／１００程度もの大きな通
過ロスを生じてしまうという難点がある。この為、低レ
ベルの光パワー測定の場合には、ＳＮ比の影響で測定確
度が悪化するという利用上の難点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記説明のように、散
乱セラミックス４２では、充分に散乱させる為に散乱セ
ラミックス４２の厚みが厚くなる為に、大きな通過ロス
を伴う為、低いレベルの光パワーは測定困難になり、測
定可能範囲が狭くなったり、あるいは低いレベルの光パ
ワー測定時にはＳＮ比が悪くなり測定確度が悪化すると
いう難点がある。

【０００８】そこで、本発明が解決しようとする課題
は、入射光を蛍光体で蛍光に変換して、この蛍光を光電
変換することで、入射光線の偏向状態に依存しない光パ
ワー検出装置を実現することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決する為の手段】第１図は、本発明による第
１の解決手段を示している。上記課題を解決するため
に、本発明の構成では、入射光線９０を受けて、蛍光変
換素子１０中で蛍光体に当たって励起を起こし、平均寿
命τ時間後に励起状態から基底状態に落ちるときに蛍光
発光２１する蛍光変換素子１０を設け、蛍光変換素子１
０からの蛍光発光２１を受光素子５１で光電変換した電
気信号を入射光の光パワーとして検出する構成手段にす
る。これにより、入射光を蛍光体で蛍光に変換すること
で未知の偏向状態に依存しない光電変換する光パワー検
出装置を実現する。

【００１０】第２図は、本発明による第２の解決手段を
示している。上記課題を解決するために、本発明の構成
では、回転駆動手段３２で回転状態の蛍光変換素子１１
の背面側から多量のポンピング光源３４を照射して蛍光
変換素子１１内を十分な励起レベルe2状態に基底レベル
を持ち上げるポンピング光源３４を設け、励起するバン
ドギャップの基底状態が前記ポンピング光源３４により
励起レベルe2に持ち上げられた状態にある蛍光変換素子
１１中に、入射光線９０の光子が蛍光体に当たって励起
を起こし、平均寿命τ時間後に励起状態から基底状態に
落ちるときに蛍光発光２１する蛍光変換素子１１を設
け、蛍光変換素子１１からの蛍光発光２１を受光素子５
１で光電変換した電気信号を入射光の光パワーとして検
出する構成手段にする。これにより、入射光線９０単独
ではルミネッセンス現象を示さない長波長の入射光の場
合において、未知の偏向状態に依存しない光電変換する
光パワー検出装置を実現できる。

【００１１】第３図は、本発明による第３の解決手段を
示している。上記課題を解決するために、本発明の構成
では、ポンピング光源３４を間欠的に反射して蛍光変換
素子１２に照射させ、蛍光変換素子１２からの蛍光発光
２１出力を回転反射板１４の通過孔１５を通過させて受
光素子５１に与える回転反射板１４を設け、蛍光変換素
子１２の後部に配置した回転状態の回転反射板１４によ
り多量のポンピング光源３４を間欠的に反射させて蛍光
変換素子１２背面に照射して蛍光変換素子１２内を十分
な励起レベルe2状態に基底レベルを持ち上げるポンピン
グ光源３４を設け、励起するバンドギャップの基底状態
が前記ポンピング光源３４により励起レベルe2に持ち上
げられた状態にある蛍光変換素子１２中に、入射光線９
０の光子が蛍光体に当たって励起を起こし、平均寿命τ
時間後に励起状態から基底状態に落ちるときに蛍光発光
２１する蛍光変換素子１２を設け、蛍光変換素子１２か
ら回転反射板１４の通過孔１５を通過してきた蛍光発光
２１を受光素子５１で光電変換した電気信号を入射光の
光パワーとして検出する構成手段にする。この場合も、
入射光線９０単独ではルミネッセンス現象を示さない長
波長の入射光の場合において、未知の偏向状態に依存し
ない光電変換する光パワー検出装置を実現できる。

【００１２】

【作用】第１の例では、入射光線９０がこの蛍光変換素
子１０内の通過において、光子が蛍光体に当たって励起
を起こし、平均寿命τ時間後に励起状態から基底状態に
落ちるときに別の長波長で発光２１するが、この蛍光発
光までの平均寿命τ時間は離散的に発生し、発光方向も
各方向に分散した発光２１を示す。これにより、入射光
の偏向状態に依存しない蛍光発光に変換して受光素子５
１に供給する作用が得られる。

【００１３】第２の被測定入射光線の波長領域ではルミ
ネッセンス現象（励起作用）を示さない低エネルギーレ
ベルの光子、即ち長波長の入射光の場合では、回転駆動
手段３２により定回転する蛍光変換素子１１の背面側か
ら多量のポンピング光源３４を照射することで蛍光変換
素子１１内は十分な励起レベルe2状態に基底レベルが持
ち上げる役割を持つ。この状態の蛍光体内で被測定入射
光線９０が入射すると容易に励起状態に遷移して蛍光出
力可能となる。この蛍光発光も離散的な蛍光発生を示す
から、入射光の偏向状態に依存しない蛍光発光として受
光素子５１に供給する作用が得られる。

【００１４】第３の被測定入射光線についても、波長領
域ではルミネッセンス現象を示さない長波長の入射光の
場合であり、回転反射板１４によりポンピング光源３４
を間欠的に背面に照射することで蛍光変換素子１１内は
十分な励起レベルe2状態に基底レベルを持ち上げる役割
があり、この状態の蛍光体内を、被測定入射光線９０が
入射すると容易に励起状態に遷移して蛍光出力可能とな
る。この蛍光発光も離散的な蛍光発生を示すから、入射
光の偏向状態に依存しない蛍光発光として受光素子５１
に与える作用が得られる。

【００１５】

【実施例】第１の例として、図１に示すように、蛍光変
換素子により入射光を蛍光に変換してから光電変換する
ことで入射光の偏向状態を解消する光パワー測定装置の
一構成例である。構成は、光コネクタ８０と、蛍光変換
素子１０と、受光素子５１と、増幅表示部７０とで成
る。光コネクタ８０や受光素子５１や増幅表示部７０は
従来と同様である。被測定光源１００は、光コネクタ８
０に接続され、光コネクタの開放端面から空間光として
蛍光変換素子１０に出射する。

【００１６】蛍光変換素子１０は、測定する入力波長範
囲でルミネッセンス（luminescence）現象を示す蛍光材
料を使用して形成する。また、この厚みは、入射光線９
０が通過して出射端で殆ど消滅する程度の厚みを持たせ
る。

【００１７】入射光線がこの蛍光変換素子１０内を通過
途中において、入射した光子は、蛍光体に当たって励起
を起こし、この励起状態の励起エネルギーは、蛍光材料
による平均寿命τ時間後に励起状態から基底状態に落ち
るときに別の長波長で発光２１して消滅する。この蛍光
発光までの平均寿命τ時間は離散的に発生し、発光方向
も各方向に分散した発光２１となる。この結果、入射光
の偏向状態に依存しない蛍光発光となる。

【００１８】受光素子５１は、蛍光変換素子１０の背面
側に設けてあって、前記蛍光発光の中で、蛍光変換素子
１０背面から出射した一部分の蛍光２２を受けて受光素
子５１で光電変換する。以後、従来と同様に、受光素子
５１からの電気信号を受けて増幅表示部７０で光パワー
として表示する。

【００１９】第２の例として、被測定光源１００の波長
が長波長領域の場合であって、単に蛍光変換素子に当て
ただけでは蛍光が発生しない長波長の光パワー検出装置
である。光子のエネルギーレベルは、波長の逆数に比例
したエネルギーレベルを持っている。この為、長波長に
なる程エネルギーレベルが低い。その為、同じ蛍光変換
素子を用いても長波長の光子では励起する為のバンドギ
ャップ幅を越えることが出来ず励起を生じない。そこ
で、外部から基底状態を持ち上げる多量のポンピング光
を蛍光変換素子に印加させて、低エネルギーレベルの長
波長でも励起できるようにした光パワーを測定検出装置
の場合である。

【００２０】図４に励起エネルギーと発光の原理図を示
す。励起状態に持ち上げるには、外部からバンドギャッ
プ以上の光子エネルギーを有する光子の入力が必要であ
る。ところが、前述のように、長波長では光子エネルギ
ーレベルが低い為、バンドギャップ以下のエネルギーレ
ベルと仮定する。ここへ外部から、基底状態e1を励起レ
ベルe2に持ち上げる多量のポンピング光λhを与えて蛍
光変換素子内を励起レベルe2状態に所望時間以上保持さ
せる。この状態にしておいて外部から長波長の低エネル
ギーレベルの光子λ0が当たると必要なエネルギーレベ
ルはA−e2で良いから容易に励起状態に遷移されること
となる。この原理を利用して長波長の場合においても蛍
光発光させて光パワー検出装置を実現する例である。

【００２１】図２は、回転する蛍光変換素子の背面から
多量のポンピング光を注入して基底状態を持ち上げる構
成の光パワー測定装置の例である。構成は、光コネクタ
８０と、蛍光変換素子１１と、回転駆動手段３２と、ポ
ンピング光源３４と、受光素子５１と、増幅表示部７０
とで成る。光コネクタ８０や受光素子５１や増幅表示部
７０は従来と同様である。

【００２２】被測定光源１００は、光コネクタ８０に接
続され、光コネクタの開放端面から空間光として回転す
る蛍光変換素子１１に出射する。

【００２３】蛍光変換素子１１は、回転駆動手段３２に
より定回転している円盤状の蛍光体であって、測定する
入力波長範囲ではルミネッセンス現象を示さない長波長
の入射光の場合である。この蛍光変換素子１１の厚み
は、入射光線９０が通過して出射端で消滅する程度の厚
みを持たせておく。また、入射光線９０は、一点に照射
する。

【００２４】ポンピング光源３４は、蛍光変換素子１１
の背面側から多量のポンピング光線を照射する。ポンピ
ング光の波長は、ポンピング光単独では励起しない程度
のエネルギーレベルe2とし、かつ持ち上げた励起レベル
e2によって被測定光線である入射光線９０が励起状態に
容易に達する程度のポンピング波長λhを使用する。こ
のポンピング光源３４の照射位置は、入射光線９０が蛍
光変換素子１１内の蛍光体に当たる位置周辺で十分な量
の励起レベル状態を与えるように照射する。無論、ポン
ピング光源３４を受けて蛍光変換素子１１が回転してい
き、入射光線９０が蛍光体に当たる時間以上まで周辺で
励起レベル状態が消滅しない蛍光体を使用する。

【００２５】十分な励起レベル状態にある蛍光変換素子
１１内へ、入射光線９０が入射されると、光子が蛍光体
に当たって励起状態に遷移し、蛍光材料による平均寿命
τ時間後に励起状態から基底状態に落ちるときに発光し
て消滅する。この発光は、蛍光変換素子１１が回転して
いる為に、蛍光変換素子１１の円周状に分散して発光出
力する。この蛍光についても同様に離散的に発生する結
果、入射光の偏向状態に依存しない蛍光発光が得られ
る。

【００２６】受光素子５１は、前記蛍光変換素子１１の
背面に設けてあって、前記蛍光変換素子１１で円周状に
分散発光している一部分の蛍光２２を受けて光電変換す
る。以後は、従来と同様に、この電気信号を受けて増幅
表示部７０で光パワーとして表示する。これらによっ
て、長波長域の光線の場合でも、ポンピング光源３４を
印加することで、蛍光発光し、入射光の偏向状態に依存
しない光パワー測定を実現可能にしている。

【００２７】第３の例として、第２の例と同様に被測定
光源１００の波長が長波長領域の場合である。ポンピン
グ光は間欠的に印加して基底状態を励起レベルe2に持ち
上げた状態にして、長波長の入射光線でも励起し蛍光発
光できるようにする。本構造は、第２の例で円周状に分
散発光出力の一部分を光電変換で受ける為ロスを生じて
いた。これを低減した装置構成にした例である。

【００２８】、図３は、回転する反射板を利用して蛍光
変換素子の背面から多量のポンピング光を間欠的に印加
して基底状態を持ち上げる構成とした光パワー測定装置
の例である。構成は、光コネクタ８０と、蛍光変換素子
１２と、回転駆動手段３３と、ポンピング光源３４と、
回転反射板１４と、受光素子５１と、増幅表示部７０と
で成る。光コネクタ８０や受光素子５１や増幅表示部７
０は従来と同様である。

【００２９】被測定光源１００は、光コネクタ８０に接
続され、光コネクタの開放端面から空間光として蛍光変
換素子１２に出射する。

【００３０】回転反射板１４は、ポンピング光源３４を
間欠的に反射させ、かつ蛍光発光出力を受光素子５１側
へ通過させる構造を有している。この反射板は、回転駆
動手段３３により定回転状態にある。ポンピング光源３
４はこの回転反射板１４に斜めから入射してこの反射板
で反射して蛍光変換素子１２背面側に照射する。このと
き、反射板上には複数の通過孔１５が設けてある為、ポ
ンピング光源３４の反射は間欠的反射光となる。他方、
この通過孔１５は、受光素子５１が蛍光発光した蛍光２
２光線を間欠的に受光素子５１側へ通過させる為の孔で
ある。

【００３１】蛍光変換素子１２は、測定する入力波長範
囲ではルミネッセンス現象を示さない蛍光体で形成され
ている。この背面側から多量に照射された間欠的なポン
ピング光源３４を受けて、蛍光体内部では十分な励起レ
ベル状態に持ち上がった状態にある。この状態で、入射
光線９０が蛍光体内に入射すると、光子が蛍光体に当た
って励起状態に遷移し、平均寿命τ時間後に励起状態か
ら基底状態に落ちるときに発光する。この発光は離散的
発光であり、入射光の偏向状態に依存しない蛍光発光出
力が得られる。

【００３２】受光素子５１は、回転反射板１４の後ろに
配置してあって、前記蛍光変換素子１２で蛍光発光が回
転する通過孔１５を通過してきた蛍光２２を受けて、光
電変換する。以後、増幅表示部７０では、従来と同様に
増幅して光パワーとして表示する。このように、長波長
域の光線の場合でも、ポンピング光源３４を印加するこ
とで蛍光発光し、入射光の偏向状態に依存しない光パワ
ー測定を実現する。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、下記に記載されるような効果を奏する。第
１の例では、入射光線９０がこの蛍光変換素子１０中の
通過において、蛍光体に当たって励起を起こし、平均寿
命τ時間後に励起状態から基底状態に落ちるときに別の
長波長で発光２１するが、この蛍光発光までの平均寿命
τ時間は離散的に発生し、発光方向も各方向に分散した
発光２１を示す。この結果、入射光の偏向状態に依存し
ない蛍光発光として受光素子５１で光電変換でき、偏向
状態に依存しない光パワー検出装置を実現可能になる。

【００３４】第２の被測定入射光線の波長領域ではルミ
ネッセンス現象を示さない長波長の入射光の場合では、
回転駆動手段３２により定回転する蛍光変換素子１１の
背面側から多量のポンピング光源３４を照射することで
蛍光変換素子１１内は十分な励起レベルe2状態に基底レ
ベルが持ち上げる効果があり、この状態の蛍光体内を、
被測定入射光線９０の入射により励起状態に容易に達し
て蛍光出力可能となる。この蛍光発光も離散的に発生
し、受光素子５１で光電変換することで、偏向状態に依
存しない光パワー検出装置を実現できる。

【００３５】第３の被測定入射光線も、波長領域ではル
ミネッセンス現象を示さない長波長の入射光の場合であ
り、回転反射板１４によりポンピング光源３４を間欠的
に背面に照射することで蛍光変換素子１１内は十分な励
起レベルe2状態に基底レベルを持ち上げる効果があり、
この状態の蛍光体内を、被測定入射光線９０の入射によ
り励起状態に達して蛍光出力可能となる。この蛍光発光
も離散的に発生し、回転反射板１４の通過孔１５を通過
した蛍光２２を受光素子５１で光電変換することで、偏
向状態に依存しない光パワー検出装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、蛍光変換素子により入射光を蛍光に
変換して光電変換する偏向状態解消する光パワー測定装
置の一例である。

【図２】本発明の、回転する蛍光変換素子の背面から多
量のポンピング光を注入して基底状態を持ち上げて長波
長でも蛍光変換させて偏向状態解消する光パワー測定装
置の一例である。

【図３】本発明の、回転する反射板を利用して蛍光変換
素子の背面から多量のポンピング光を間欠的に印加して
基底状態を持ち上げて長波長でも蛍光変換させて偏向状
態解消する光パワー測定装置の一例である。

【図４】励起エネルギーと発光の原理図を説明する図で
ある。

【図５】従来の、入射光を散乱させて偏向状態を解消す
る光パワー測定装置の一構成例である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 未知の偏向状態の光パワーを電気信号に
   変換する光パワー検出装置において、 入射光線を受けて、蛍光変換素子中で光子が蛍光体に当
   たって励起を起こし、平均寿命τ時間後に励起状態から
   基底状態に落ちるときに蛍光発光する蛍光変換素子を設
   け、 蛍光変換素子からの蛍光発光を受けて、光電変換する受
   光素子（５１）を設け、 以上を具備していることを特徴とした偏波無依存光検出
   器。
2. 【請求項２】 入射光線単独ではルミネッセンス現象を
   示さない長波長の入射光の場合における未知の偏向状態
   の光パワーを電気信号に変換する光パワー検出装置にお
   いて、 蛍光変換素子を回転駆動する回転駆動手段（３２）を設
   け、 回転駆動手段（３２）で回転され、蛍光変換素子の背面
   側から多量のポンピング光源（３４）を照射して蛍光変
   換素子内を十分な励起レベル状態に基底レベルを持ち上
   げるポンピング光源（３４）を設け、 励起するバンドギャップの基底状態が前記ポンピング光
   源（３４）により励起レベルに持ち上げられた状態にあ
   る蛍光変換素子中で、入射光線の光子が蛍光体に当たっ
   て励起を起こし、平均寿命τ時間後に励起状態から基底
   状態に落ちるときに蛍光発光する蛍光変換素子（１１）
   を設け、 蛍光変換素子からの蛍光発光を受けて、光電変換する受
   光素子（５１）を設け、 以上を具備していることを特徴とした偏波無依存光検出
   器。
3. 【請求項３】 入射光線単独ではルミネッセンス現象を
   示さない長波長の入射光の場合における未知の偏向状態
   の光パワーを電気信号に変換する光パワー検出装置にお
   いて、 回転反射板（１４）を回転駆動する回転駆動手段（３
   ３）を設け、 回転駆動手段（３３）で回転され、ポンピング光源（３
   ４）を間欠的に反射して蛍光変換素子に照射させ、蛍光
   変換素子からの蛍光発光出力を回転反射板の通過孔を通
   過させて受光素子（５１）に与える回転反射板（１４）
   を設け、 蛍光変換素子の後部に配置した回転状態の回転反射板に
   より多量のポンピング光源（３４）を間欠的に反射させ
   て蛍光変換素子背面に照射して蛍光変換素子内を十分な
   励起レベル状態に基底レベルを持ち上げるポンピング光
   源（３４）を設け、 励起するバンドギャップの基底状態が前記ポンピング光
   源（３４）により励起レベルに持ち上げられた状態にあ
   る蛍光変換素子中で、入射光線の光子が蛍光体に当たっ
   て励起を起こし、平均寿命τ時間後に励起状態から基底
   状態に落ちるときに蛍光発光する蛍光変換素子（１２）
   を設け、 蛍光変換素子から回転反射板の通過孔を通過してきた蛍
   光発光を受けて、光電変換する受光素子（５１）を設
   け、 以上を具備していることを特徴とした偏波無依存光検出
   器。