JPH11257914A

JPH11257914A - バルグ試料における光学的性質の測定のための干渉計

Info

Publication number: JPH11257914A
Application number: JP36390298A
Authority: JP
Inventors: Angelo Barberis; アンジェロ・バルベリス; Stefano Caselli; ステファノ・カセッリ; Silvia Maria Pietralunga; シルヴィア・マリア・ピエトラルンガ; Mario Martinelli; マリオ・マルティネリ
Original assignee: Pirelli Cavi e Sistemi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 1999-09-24
Also published as: CA2257034A1; AR014068A1; BR9805806A; DE69817131T2; DE69817131D1; NZ333526A; AU9812198A

Abstract

(57)【要約】【目的】バルグ試料の光学的性質を測定するための方
法及び装置が提供される。この装置の２つのアーム、即
ち、その両方がレーザ光を導通するためにオプチカルフ
ァイバを含む参照アームと測定アームにプローブレーザ
が供給される。【構成】測定アームは試験される試料を取り付けるた
めの自由空間領域を含んでいる。プローブビームは自由
空間中の試料に至る。試料は又、第二ポンプレーザか
ら、オプチカルファイバを通してでなく、自由空間に光
を受ける。試料とポンプレーザとの相互作用により試料
の光学的性質が影響を受ける。【効果】この光学的性質の変化は、測定アームと参照
アームからの出力信号を比較することにより検出するこ
とが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は干渉計に関し、検討中の
物質の試料における光学的性質の光学的に誘導された変
化、例えば、一時的に分解された光学的非線形性を測定
するのに有用な干渉計を意図している。より詳細には、
本発明は、参照経路における光学的案内及び測定アーム
（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｒｍ）における光学的案
内と自由空間伝播（ｆｒｅｅｓｐａｃｅｐｒｏｐａ
ｇａｔｉｏｎ）との組み合わせを用いるハイブリッド干
渉計を意図している。

【０００２】

【従来の技術】非線形物質の高速応用における役割、例
えば、光学スイッチング、増幅、制限及び周波数変換
が、非線形パラメータを特徴付ける効率的な方法の必要
性のために形成されている。これらのパラメータの多く
は物質の屈折率の分析によって特徴付けることが出来
る。特に、半導体物質は、電子的非線形性、自由キャリ
ヤ効果、及び熱的非線形性に因って、数次元のマグニチ
ュード（ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）に及び得る応答時間に伴
い広範囲の非線形効果を示す。他の物質は、例えば、光
学的相互作用或いは環境要因に因り経時変化し且つその
物質の屈折率も変化せしめる特性も示し得る。

【０００３】２つ以上の非線形機構が存在すると、多く
の技術はこれらを区別することが出来ないので、光学的
非線形性の解釈が複雑になり得る。光学的物質の非線形
的屈折率に関する定量的情報は全ての光学的デバイス、
例えば、視覚光学的スイッチの開発にとって必要不可欠
である。斯かる測定に対して幾つかの技術が提案されて
おり、これらの技術の大部分は、ポンプとプローブ技術
を用いる直接的干渉的測定に基づいている。

【０００４】一つの技術は、「ファイバマッハゼンダー
干渉計を用いる共振範囲における非線形的屈折率測定」
（「応用光学」、第３５版、第９号、１９９６年３月９
日、１４８５−１４８８頁）に記載されているように、
一時的干渉縞を分析して非線形的屈折率を得ることにあ
る。この技術は参照経路と測定アームの両方におけるフ
ァイバ光案内を用いる。各アームには、各アームの光学
的長さを変化せしめるために、光ファイバを細かく捩り
巻いたグレーデットインデックスロッドレンズ対（ｏｐ
ｔｉｃａｌｄｆｉｂｅｒｐｉｇａｔａｉｌｅｄｇ
ｒａｄｅｄｉｎｄｅｘｒｏａｄ−ｌｅｎｎｓｐａ
ｉｒ）に基づいた調節可能遅延ユニット（ＡＤ）も含ま
れている。

【０００５】本発明者は、測定経路における光案内と測
定試料との間に干渉を形成する困難さの故に、この技術
を用いてバルグ試料（ｂｕｌｋｓａｍｐｌｅ）特性
の測定を行うことが困難であることを見出した。しばし
ば、試料に対して接続光案内を設置すると、その電気的
特性にある程度のずれが生じる結果をもたらすことがあ
り得る。加うるに、試料の中には、光学的光案内に直結
できないものもある。

【０００６】更に、この技術によると、ポンプパルスが
干渉計アームに含まれる光ファイバを伝播する。本発明
者は、この現象により、測定に供給可能な最大ポンプ力
が限定されることを観察している。

【０００７】もう１つの技術は、「三次非線形光学感受
性の時分解絶対干渉的測定」（「ジャーナルオブザ
オプチカルソサイエティオブアメリカＢ）、
第１１版、第６号、１９９４年６月、９９５−９９９
頁）に開示されている。この技術は、この論文の図１に
示されているように、光学信号の自由空間伝播を用いて
バルグ物質の非線形的光学的特性を測定する。マッハゼ
ンダー干渉計はこれら２つのビーム（プローブと参照）
の振幅と位相を比較する。試料はプローブアームに配置
され、強い一直線上のポンプパルスと相互に作用する。
ポンプパルスとプローブパルスの間の時間遅延τによっ
て抽出干渉の基礎が与えられる。

【０００８】本発明者は、上記の技術が、光が自由空間
を完全に伝播する光学的測定系を用いることに関係する
不都合を有していることを見出している。特に、バルク
状であり、且つ、全ての光学的成分の慎重な整合が必要
となり、これにより、この技術は使用が困難になる。

【０００９】非線形的特性の測定の他の論述は、「複雑
な非線形的感受性の決定のための１０^-5秒時分解干渉測
定」（オプチクスレター、第１６版、第２１号、１９
９１年１１月１日、１６８３−１６８５頁）と「ＣｄＳ
_xＳｅ_1-x添加ガラスの非線形的屈折率ｎ_xの干渉測定」
（アプライドフィジクスレター、第４８版、第１８
号、１９８６年５月５日、１１８４−１１８６頁）に見
られる。

【００１０】米国特許第５、２６８、７３９号には、流体
の速度を測定するためのレーザ装置が開示されている。
開示されたシステムにおいては、レーザ光が流体が流れ
るパイプに供給される。この流体中の粒子が光と干渉す
る。この流体の速度はこの干渉から計算される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本出願者は、その測定
アームにおいて光案内と自由空間光経路の組み合わせを
有するハイブリッド干渉計を用いることにより、測定装
置に光案内を用いることの有益な特性の利点を生かしな
がら、試料の光学的性質を試料に光案内を取り付ける必
要がなく測定出来ることを見出している。この装置によ
り、検討中の試料の非線形的光学的性質の試験が単純化
される。

【００１２】より詳細には、本発明者は、光案内経路か
ら構成される参照アームと光案内経路と試験中の試料が
定位され且つ試料に対するポンプビームの結合が自由空
間において実行される自由空間の組み合わせから構成さ
れる測定アームを有するハイブリッド干渉計を開発し
た。

【００１３】

【課題を解決するための手段】第一の特徴によると、本
発明は、干渉計において、プローブビーム源として用い
られる第一光源、上記光源からの光信号を出力検出器に
案内するための１つ以上の光学的案内から構成される参
照アーム（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｒｍ）、上記プロー
ブビームが試験中の試料を通して案内されるように、複
数の光学的案内、レンズ系、及び上記試料を取り付ける
ための自由空間から構成される測定アーム、上記自由空
間における上記試料に供給されるポンプビーム源として
用いられる第二光源、及び上記参照アームから受信され
た信号を上記測定アームから受信された信号と比較する
手段により上記試料の光学的性質における変化を検出す
るための光検出器を含むことを特徴とする干渉計に関す
る。

【００１４】好ましい実施例において、これらの光学的
案内は単モード光ファイバである。上記の測定又は参照
アームの１つに沿って、偏光制御装置が含まれることが
好ましい。或いは、これらの光学的案内は偏光維持光フ
ァイバであり得る。

【００１５】この干渉計は、上記参照アームから受信さ
れた信号及び上記測定アームから受信された信号を干渉
信号に組み合わせるための且つ上記干渉信号を上記光検
出器に結合するためのカップラを含むことが好ましい。

【００１６】好ましい実施例によると、プローブビーム
及びポンプビームは試料中で一直線上であり、干渉計は
ポンプビームを試料に反射するための且つプローブビー
ムを透過するための選択的反射器を自由空間領域に含
む。

【００１７】上記の選択的反射器の可能な実施例はダイ
クロックミラー或いは偏光子である。

【００１８】上記自由空間領域には、プローブビームを
伝送するための且つポンプビームが光学的案内に侵入し
ないように防止するための選択的透過デバイスが含まれ
ることが好ましい。この選択的透過デバイスの可能な実
施例はダイクロックミラー或いは偏光子である。

【００１９】干渉計は、干渉計をその直角位相状態に維
持するための圧電制御器を含むフィードバック回路を有
し得る。又、干渉計は、上記参照アーム或いは測定アー
ムの１つに沿って送られる信号の位相を周期的に変調す
るための手段を有し得る。

【００２０】第二の特徴によると、本発明は、試料の光
学的性質を測定するための方法において、プローブレー
ザビームを発生するステップ、上記プローブビームのあ
る部分を第一光ファイバに且つ上記プローブビームの別
の部分を第二光ファイバに伝播するステップ、上記試料
を上記第二ファイバに沿った自由空間領域に取り付ける
ステップ、自由空間における上記試料にポンプビームを
照射するステップ、及び上記第一ファイバと第二ファイ
バの出力を比較して上記試料の光学的性質を決定するス
テップを含むことを特徴とする方法に関する。

【００２１】検出された光学的性質は、屈折率及び／又
は試料の吸収率であり得る。

【００２２】上記の比較するステップは、上記第一及び
第二ファイバの出力を干渉信号に合成すること及び干渉
信号強度を測定することを含み得る。この方法は、干渉
信号に対して直角位相状態を維持するために状態第一及
び第二ファイバの一方の長さをフィードバック回路によ
って制御するステップを含み得る。

【００２３】この方法は、上記第一及び第二ファイバの
一方に沿って送られる信号の位相を周期的に変調するス
テップを含み得る。

【００２４】第三の特徴によると、本発明は、試料の光
学的性質に影響する環境条件の変化を測定する方法にお
いて、プローブレーザビームを発生するステップ、上記
プローブビームの一部分を第一光ファイバに且つ上記プ
ローブビームの別の部分を第二光ファイバに伝播するス
テップ、上記試料を上記第二ファイバに沿った自由空間
領域に取り付けるステップ、自由空間における上記試料
にポンプビームを照射するステップ、上記第一ファイバ
と第二ファイバの出力を比較して上記試料の光学的性質
を決定するステップ、及び上記試料の光学的性質の変化
に基づいて環境条件の変化を決定するステップを含むこ
とを特徴とする方法。

【００２５】

【実施例】好ましい実施例の説明ここで図１について説明すると、試験中の試料の光学的
性質を測定するのに用いられるハイブリッド干渉計が与
えられている。測定を実行するために２つの入力が用い
られている。第一の入力はプローブビームであり、これ
は、１つの実施例によると、約１.５５μｍの波長を有
し得る。このビームは、狭い帯域を有する半導体レーザ
ダイオード１０（ニューフォーカスモデル６２６２）に
よって発生する。第二入力、即ちポンプビームは、本明
細書に記載されている。このプローブビームはステップ
型単モード光ファイバ１２（ＦＯＳモデルＳＭ−Ｒ）に
結合されている。５０／５０ファイバカップラ１４（ゴ
ールドモデル２３６２４６）は参照アーム１３と測定ア
ーム１５の間のレーザ源からプローブビームを分離す
る。カップラ１４の残りの入力は屈折率整合成端１６に
おいて成端しており、これにより背面反射を最小限す
る。

【００２６】この干渉計には、ステップ型以外の任意の
公知の型式の光ファイバを用いることが出来る。しかし
ながら、この光ファイバは、多重モードファイバにおけ
る異なったモードの異なった伝播時間に因る干渉計出力
の位相ノイズを最小限にするために、プローブビーム波
長において単モードであることが好ましい。

【００２７】参照アームのファイバ２１は、干渉計のた
めに直角位相の状態（その最大感度の点）に維持するた
めに、フィードバックループに挿入されている圧電セラ
ミックディスク１８（ベルニトロン、φ＝２ｃｍ，０．
５ｃｍ厚、Ｖ_π＝１００Ｖ）の回りに巻かれている。こ
のフィードバックループは、光検出器４６及び圧電駆動
器（又は圧電制御器）４８を含む。

【００２８】測定アームにおいて、光ファイバ２０は試
料定位において中断している。プローブビームはレンズ
２２によってファイバ２０から視準化（ｃｏｌｌｉｍａ
ｔｅ）され、試験中の試料２４に入り、そこから出た
後、レンズ２８によってファイバ２６の中に収束されて
入る。

【００２９】レンズ２２の前の測定アーム１５のファイ
バ２０に沿って、単モード光ファイバのコイルから構成
されている公知の型式の光ファイバ偏光制御器４１が挿
入されて、試料におけるプローブビームの偏光を制御す
ることが好ましい。

【００３０】試料に非線形的現象を誘導するポンプ光ビ
ームが、１０６０ｎｍにおいて１０ｎｓパルスを発生す
るＱスイッチＮｄ:ＹＡＧレーザ３０（ニューウエーブ
リサーチ社）から発生し、プローブビームに一直線的で
あり、重なっており且つ逆伝播する試験中の試料を伝播
する。プローブ及びポンプ光ビームは、それぞれ、１０
０μｍと４００μｍの１／ｅ²半径を有する空間的にガ
ウスである。

【００３１】試験中の試料はプローブビーム波長に対し
て透明である任意の材料であり得る。特に、この試料
は、例えば、ポンプとプローブ波長において低減衰を有
する壁を有するセルに封入された、固体、又は液体或い
は気体であり得る。

【００３２】干渉計の測定アームは、１５５０ｎｍを透
過し且つ１０６０ｎｍを反射する２つのダイクロックミ
ラー３２及び３４（ＥＫＳＭＡ）を含んでいる。ダイク
ロックミラー３４はポンプビームが光ファイバに侵入し
且つプローブビーム源と光検出器に到達しないように防
止し、ダイクロックミラー３２はレーザ１０及びレーザ
３０からのビームが試験中の試料に重なるようにし、ま
た、レーザ３０からのビームの一部分を出力３８におけ
るオシロスコープ３６のトリガ信号として抽出する働き
をする。

【００３３】この測定アームは又、２つのレンズ２２及
び２８を含む。レンズ２２は０.２５ピッチグレーテッ
ド型レンズ（ＳＥＬＦＯＣ）であり、ファイバ２０の出
力における光学ビームをミラー３４を通して視準して試
験試料２４に当てる。レンズ２８は焦点距離ｆ＝８ｍｍ
の両凸ＢＫ７レンズであり、試料２４を出たプローブビ
ームを絞ってファイバ２６に焦点する。第二５０／５０
ファイバカップラ４２（Ｅ-ＴＥＫ）は、プローブビー
ム位相のポンプビームによって変調された部分とプロー
ブビームの参照アームを通って伝送された部分との間に
干渉を形成する。単モード光ファイバのコイルから構成
された公知の型式の光ファイバ偏光制御器４０がレンズ
２８とファイバカップラ３８との間の測定アームに挿入
されており、これにより参照ビームと測定ビームの偏光
を整合し、斯くして、干渉の縞の可視性を最大にする。

【００３４】カップラ４２の２つの出力は、強度変調信
号を読み出す２つの光検出器４４及び４６に至る。これ
により、参照経路と測定光学経路との間の位相差が変換
される。フォトダイオード４４（ニューフォーカスモデ
ル１６１１−１ＧＨｚ帯域）からの信号は脱位相信号の
時分解測定のためにオシロスコープ３６によって監視さ
れる。フォトダイオード４４の代わりに任意のフォトダ
イオードを用いることが出来る。ただし、このフォトダ
イオードはプローブビーム波長に応答し且つポンプビー
ムパルス期間に且つ試験中の試料において検出される光
学的現象の時間規模に対応する帯域を有することが条件
である。検出される信号が非常に速い時間規模、例え
ば、ピコ秒或いは準ピコ秒の範囲の規模を有する場合、
オシロスコープ３６は閃光カメラに置き換えられる。フ
ォトダイオード４６（ニューフォーカスモデル１８１１
−１２５ＭＨｚ帯域）は圧電駆動器４８を制御して干渉
計をその直角位相点において継続作動せしめる入力信号
をフィードバックループに供給する。フォトダイオード
４６の代わりに任意のフォトダイオードを用いることが
出来る。ただし、このフォトダイオードは、少なくとも
追跡される干渉計ノイズ（振動、熱ドリフト、環境ノイ
ズ等）の帯域より大きいマグニチュード程度の帯域を有
することが条件である。図示の実施例においては、圧電
制御器は、単極活性積分器で形成された単純な電子回路
を含んでいる。その電極周波数は２０ｋＨｚであり、そ
のゼロ周波数における開ループ利得は２５０に等しい。
この圧電制御器は更に、その電極周波数が５ｋＨｚに設
定されており且つその可変利得が５０に設定されてい
る、高電圧増幅器、例えば、バーレイモデルＰＺ-７０
を含む。

【００３５】図１のデバイスによってなされるＸＰＭ
（交差位相変調）測定の一例が図６に与えられており、
この図６は、プローブ及びポンプビームが上記のように
異なった波長を有している、ＺｎＳ試料に対しての時間
（５ｎｓ／区分）に対する干渉計出力強度（任意ユニッ
ト）のオシロスコーププロットを示している。非共振
（ｒｅｓｏｎａｎｔ）非線形性が観察されており、この
試料の係数ｎ₂＝３.５６・１０^-19ｍ²／Ｗが測定結果か
ら計算された。

【００３６】図７は、ＣｄＴｅ:ｌｎ試料についてなさ
れた測定に関する別の試験結果を示す。上記と同じ試験
デバイスと条件による時間（１００ｎｓ／区分）に対す
る干渉計出力強度（任意ユニット）のオシロスコーププ
ロットが試験中の試料における共振（ｒｅｓｏｎａｎ
ｔ）非線形性を示している。試験測定結果に基づいて、
光発生されたキャリヤの寿命はτ＝１８０ｎｓとして決
定され、一方、光発生されたキャリヤ当たりの屈折率変
化はσ_f＝−１.２・１０^-27ｍ³として決定された。

【００３７】開示された実施例は逆に伝播する（ｃｉｏ
ｕｎｔｅｒｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）ポンプビームと
プローブビームを有する。ミラー３４及び３２の位置を
交換することによって、ポンプビームとプローブビーム
を共伝播（ｃｏｐｒｏｐａｇａｔｅ）させることも可能
である。共伝播ポンプ及びプローブ構成は、下記に述べ
られる実施例によっても実施され得る。しかしながら、
ダイクロックミラーを通して光検出器４４に漏洩する残
存ポンプの結合を最小限にし、且つこの結合の飽和を帽
子するためには、逆伝播構成が好ましい。

【００３８】別の可能性は、プローブ及びポンプが非直
線的であることである。例えば、試験中の試料は、側面
からポンピングすることも出来、或いは、一般的には、
ポンプとプローブビームは、試料内で非ゼロ角度を形成
することも出来る。試料の光学的性質の与えられた変化
を達成するのに必要なポンプ力は、この場合、一直線的
構成におけるよりも有意に大きくすることが出来る。

【００３９】このアーキテクチュアに関する他の変形を
本発明の範囲及び目的から逸脱することなく達成し得
る。例えば、オプチカルファイバにおける透過率に匹敵
する任意の光波長をプローブビームに対して選択するこ
とが出来る。試験中の試料はこの光波長を十分に透過し
なければならない。位相ノイズを最小限にするために、
プローブビーム波長は、上記のように、干渉計に含まれ
ているオプチカルファイバ、オプチカルファイバカップ
ラ及び他のオプチカルファイバ成分（例えば、偏光制御
器）における単モード伝播を可能にする程度であること
が好ましい。

【００４０】線幅と干渉距離に関するプローブビーム源
１０の選択は干渉計の効果的な不平衡化、即ち、参照ア
ームと測定アームとの間の光学的距離の差に依存する。
正しい作動の条件は不平衡化がレーザ源の干渉距離より
小さいか或いはこれに等しいことである。一旦この条件
が満足されると、プローブ源１０に対して選択されるレ
ーザには何も制限が課せられない。プローブ源１０はＣ
Ｗ出力を供給し得るか、或いは、変調された、或いは、
パルス状の、或いはチョッピングされた出力を供給し得
る。

【００４１】ポンプ源３０は、連続又は可変出力電力を
有する、任意の源、即ち、問題の任意の波長において発
光する自由空間として選択され得る。ポンプビームは試
験中の試料と相互作用し且つ干渉計構造の限定された部
分、即ち、測定アームにおけるミラー３２及び３４のみ
に相互作用し、一方、全ての導波経路を含む干渉計の残
りの部分は比較的低力のプローブビームにのみ従属す
る。従って、干渉計は比較的高いピーク電力の非常に短
いパルスを供給するポンプ源にも用いることが出来る。
特に、ナノ秒、ピコ秒或いは準ピコ秒範囲のパルスを発
生するＱスイッチ又はモードロックレーザ源、又は時間
圧縮（ｔｉｍｅ−ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ）レーザパルス
源をポンプ源として用いることにより対応する時間規模
における試験中の試料の過渡非線形的挙動を測定するこ
とが出来る。

【００４２】プローブ源１０とポンプ源３０のどちらか
或いはその両方共、偏光依存光学的現象の測定を可能に
するために、偏光放射線を発光することが出来るか或い
は偏光子がその後に続くことが出来る。

【００４３】別の実施例では、干渉計はヘテロダイン式
にすることが出来る。ヘテロダイン式にすることによっ
て、試験中の試料の屈折率と光吸収率（それぞれ複屈折
率の実成分と虚成分）の両方の光学的に誘導された変動
の独立した且つ同時の測定が可能になる。これは特に、
光吸収率の変化に関連する光学的に誘導された共振非線
形的現象を測定するのに有用である。ヘテロダイン化
は、干渉計アームの一方に沿って周期的位相変調を重畳
することにより且つ光検出器４６の出力の信号を公知の
技術に従って復調することにより達成される。位相変調
は、圧電セラミックディスク１８に周期的信号を供給す
ることにより或いは位相変調器を干渉計アームの一方
に、即ち、参照アームに沿って接続することにより達成
され得る。位相変調は、干渉計出力に対応の正弦変調を
達成するためにのこ歯形となるのが好ましい。

【００４４】干渉計を分光的に可変なポンプビームで用
いるために、干渉計の測定アームに少しの修正を加える
ことが出来る。一つの可能性は、ポンプビームとプロー
ブビームにそれぞれ垂直偏光と水平偏光と与えること且
つダイクロックミラーＭ１及びＭ２を２つの線形シート
偏光子或いは、例えば２つの偏光ビームスプリッタに置
き換えることにより、ビーム結合のための波長の代わり
に偏光を用いることである。この場合、ポンプビームは
偏光されていることが好ましい。本実施例では、ポンプ
ビーム波長は、プローブ波長に実質的に等しくなるよう
に（縮退の場合）だけでなくプローブ波長と異なるよう
に（非縮退の場合）選択することが出来る。

【００４５】図２に示されているように偏光維持ファイ
バカップラがカップラ１４及び４２に用いられ且つ参照
アームと測定アームが両方共、偏光維持（高複屈折）単
モードオプチカルファイバ、例えばＰＡＮＤＡ^TM型のオ
プチカルファイバから形成されている場合、前記の実施
例のデバイスにおける偏光制御器の必要性を無くすこと
が可能である。

【００４６】図３に示されているように、本発明のもう
１つの実施例はフォトダイオード６０及び６２並びに差
動増幅器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌａｍｐｌｉｆｉ
ｅｒ）５２を含む差動検出装置の付加を含んでいる。フ
ォトダイオード６０及び６２は両方共、ポンプビーム期
間に且つ試験中の試料において検出される光学的現象の
時間規模に対応する帯域を有することが好ましい。差動
増幅器５２はトランスインピーダンス増幅器であり且つ
フォトダイオード６０及び６２から光学的に発生した電
流の差動増幅を実行することが好ましい。フォトダイオ
ード６０及び６２並びに増幅器５２は独立した接続的ブ
ロック（例えば、差動電圧増幅器がその後に続くトラン
スインピーダンス前置増幅器の前に置かれるフォトダイ
オード）を構成するか、或いは２つのフォトダイオード
及びトランスインピーダンス差動増幅器を含む単段によ
って機能的に達成され得る。差動増幅器５２からの差動
出力信号（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｏｕｔｐｕｔ
ｓｉｇｎａｌ）によって、フィードバックループ圧電制
御器４８及び、干渉計信号の一時的な挙動を記録するの
に用いられるオシロスコープ３６が両方共駆動される。

【００４７】図４は、本発明の更に別の実施例を示して
いる。図４は、図３の全ての素子に光学チョッパ５４を
加えたものを含んでおり、この光学チョッパはポンプビ
ームの光学変調器に置き換えることも出来る。この光学
チョッパ５４はロックイン検出系５６に接続されてお
り、このロックイン検出系５６は高速デジタルオシロス
コープ３６に信号を供給するのに用いられる。

【００４８】最後に、図５は、マイケルソンアーキテク
チュア型デバイスを用いてハイブリッド光案内／自由空
間測定概念を応用する方法を示している。図５では、レ
ーザ源７６はプローブビームとして用いられている。こ
れは約１.５μｍの波長において発光する連続波レーザ
であり得るが、単モード伝播に用いられるオプチカルフ
ァイバに調和する限り、任意の波長を採用することが出
来る。デバイスの参照アーム７２及び測定アーム７４を
構成する高複屈折オプチカルファイバの固有軸（ｅｉｇ
ｅｎａｘｅｓ）の１つとして配向しているプローブビ
ームの光には偏光の線形的状態が必要となる。プローブ
ビーム源７６の出力と３ｄＢ単モード偏光維持ファイバ
カップラ８２の一方の端部との間には光学断路器８０が
配設されており、カップラ８２は他の２つの端部を干渉
計の参照アーム７２と測定アーム７４に接続せしめてい
る。参照アーム７２はミラー８６に終端しているオプチ
カルファイバを有している。ミラー８６は、例えば、公
知の技術に従って、ファイバ端をミラー面にすることに
より作成することが出来る。カップラ８２の第四端部は
干渉計脱位相を読み出すのに好適な光検出器８４に接続
されている。この光検出器出力は圧電セラミックディス
ク１８を駆動する圧電制御器４８に至る。前記の実施例
のところで述べたように、干渉計のヘテロダイン化は公
知の手段によって行うことが出来る。

【００４９】測定アーム７４には、視準化レンズ２２、
平面シート偏光子３４及び３２並びにミラー７８を含む
自由空間部分が配設されている。偏光子３４及び３２は
偏光ビームスプリッタに置き換えることが出来る。偏光
子３４及び３２との間の自由空間領域には試験中の試料
を置くことが出来る。ポンプビームのためのレーザ源で
あるレーザ７０も置くことが出来る。これは通常、パル
スモードで作動する。１つの例では、レーザ７０は１.
０６４μｍの波長において発光する１０ナノ秒のパルス
を有するＱスイッチＦＷＨＭである。しかしながら、こ
のポンプビームは、測定される現象に関連する如何なる
波長においても作動でき、且つ、変調されるか或いはモ
ードロックされるかＱスイッチされ得る。この構成の残
りの詳細及び作動原理は他の実施例の前記の説明に基づ
くと当業者には明白であると信じられるため、ここでは
繰り返さないことにする。

【００５０】本出願者は、ハイブリッド光案内／自由空
間干渉計のマッハゼンダーアーキテクチュアが、マイケ
ルソンアーキテクチュアに対して、少なくとも、ノイズ
がより少なく且つ不要の反射に因る或いはダイクロック
ミラー又は偏光子の非理想的挙動に因るポンプビームの
放射の結合から測定中の光検出器を更によく保護出来る
という点で、利点を有することを見いだしている。

【００５１】当業者は又、光案内からの光ビームを試験
中の試料上に焦点を絞るのに且つ試験中の試料からの光
ビームを光ビーム上に焦点を絞るのに用いられるレンズ
を光学ビームをそれぞれ視準化するのに効果的な任意の
光学系に置き換えることが出来ることを了解しよう。加
うるに、マッハゼンダー構成とマイケルソン構成の両方
に対しては、複屈折ファイバ或いは低複屈折単モードフ
ァイバのどちらかを用いることが出来る。直接或いは差
動検出のどちらかを用いることが出来、ダイクロックミ
ラー或いは偏光子のどちらかを用いることが出来る。

【００５２】上記の説明は主に干渉計自体の構成に焦点
を当ててきたが、本発明は試験中の物体の物理的環境の
任意の変化を測定するための装置の一部として用いるこ
とも出来る。例えば、試験試料が温度のわずかな変化に
応じて変化する屈折率を有する場合、上記のデバイスは
温度変化の正確な検出器として用いることが出来る。同
様に、上記の発明を用いて、試験物質の屈折率の変化を
生じ得る他の環境条件を監視することが出来る。

【００５３】上記から明かなように、本発明の範囲及び
精神から逸脱することなく干渉計の構造を変えるために
なされる幾つかの設計を選択出来る。これは上記に述べ
た通りであり且つ以下の請求の範囲に述べる通りであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、マッハゼンダー構成に作成されたハイ
ブリッド干渉計を示す。

【図２】図２は、上記干渉計の別の実施例を示す。

【図３】図３は、上記干渉計の別の実施例を示す。

【図４】図４は、上記干渉計の別の実施例を示す。

【図５】図５は、マイケルソン構成に作成されたハイブ
リッド干渉計を示す。

【図６】図６は、図１の干渉計によってＺｎＳの試料に
対してなされた測定の結果を示す。

【図７】図７は、図１の干渉計によってＣｄＴｅ：ｌｎ
の試料に対してなされた測定の結果を示す。

【符号の説明】

１５測定アーム、２０、２１、２６光ファイ
バ、２２、２８レンズ、３２、３４ダイクロ
ックミラー、３６オシロスコープ、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 591011856 ＰｉｒｅｌｌｉＣａｖｉｅＳｉｓｔｅｍｉＳ．ｐ．Ａ (72)発明者ステファノ・カセッリイタリア共和国モデーナ，41053 マラネーロ，ヴィアーレ・ヴィットリオ・ヴェネト 29 (72)発明者シルヴィア・マリア・ピエトラルンガイタリア共和国ミラノ， 20060 カッシーナ・デペッキ，ヴィア・マルコーニ５ (72)発明者マリオ・マルティネリイタリア共和国ミラノ，20097 スド・ドナート・ミラネーゼ，ヴィア・アガディール 16ビ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】干渉計において、プローブビーム源として用いられる第一光源、上記第一光源からの光信号を出力検出器に案内するため
の１つ又はそれ以上の光学的案内から構成される参照ア
ーム、上記プローブビームが試験中の試料を通して案内される
ように、複数の光学的案内、レンズ、及び上記試験中の
試料を取り付けるための自由空間領域から構成される測
定アーム、上記自由空間領域中の上記試料に与えられるポンプビー
ムの源として用いられる第二光源、及び上記参照アーム
から受信される信号を上記測定アームから受信される信
号と比較する手段によって上記試料の光学的性質の変化
を検出するための光検出器を含むことを特徴とする干渉
計。
【請求項２】上記光学的案内が単モードオプチカルファ
イバであることを特徴とする請求項１の干渉計。
【請求項３】上記測定アーム又は参照アームの一方に沿
って偏光制御器も含むことを特徴とする請求項２の干渉
計。
【請求項４】上記光学的案内が偏光維持オプチカルファ
イバであることを特徴とする請求項１の干渉計。
【請求項５】上記参照アームから受信された信号と上記
測定アームから受信された信号を干渉信号に合成するた
めの且つ上記干渉信号を上記光検出器に結合するための
カップラも含むことを特徴とする請求項１の干渉計。
【請求項６】上記プローブビーム及びポンプビームが上
記試料と直線的であることを特徴とする請求項１の干渉
計。
【請求項７】上記ポンプビームを上記試料に反射するた
めの且つ上記プローブビームを透過するための選択的反
射器を上記自由空間領域に含むことを特徴とする請求項
６の干渉計。
【請求項８】上記選択的反射器がダイクロックミラーで
あることを特徴とする請求項７の干渉計。
【請求項９】上記選択的反射器が偏光子であることを特
徴とする請求項７の干渉計。
【請求項１０】上記プローブビームを透過するための且
つ上記ポンプビームが上記光学的案内に侵入しないよう
に防止するための選択的透過デバイスを上記自由空間領
域に含むことを特徴とする請求項７の干渉計。
【請求項１１】上記選択的透過デバイスがダイクロック
ミラーであることを特徴とする請求項１０の干渉計。
【請求項１２】上記選択的透過デバイスが偏光子である
ことを特徴とする請求項１０の干渉計。
【請求項１３】上記干渉計をその直角位相状態に維持す
るための圧電制御器を含むフィードバック回路も含むこ
とを特徴とする請求項１の干渉計。
【請求項１４】上記参照アーム或いは測定アームの一方
に沿って上記信号の位相を周期的に変調するための手段
も含むことを特徴とする請求項１の干渉計。
【請求項１５】試料の光学的性質を測定する方法におい
て、プローブレーザビームを発生するステップ、上記プローブビームの一部分を第一オプチカルファイバ
に且つ上記プローブビームの別の部分を第二オプチカル
ファイバに伝播するステップ、上記試料を上記第二ファイバに沿った自由空間領域に取
り付けるステップ、自由空間における上記試料にポンプビームを照射するス
テップ、及び上記第一及び第二ファイバの出力を比較し
て上記試料の光学的性質を決定するステップを含むこと
を特徴とする方法。
【請求項１６】検出された一つの光学的性質が屈折率で
あることを特徴とする請求項１５の試料の光学的性質を
測定する方法。
【請求項１７】検出された一つの光学的性質が吸収率で
あることを特徴とする請求項１５の試料の光学的性質を
測定する方法。
【請求項１８】上記比較ステップが上記第一及び第二フ
ァイバの出力を干渉信号に合成すること及び上記干渉信
号強度を測定することを含むことを特徴とする請求項１
５の試料の光学的性質を測定する方法。
【請求項１９】上記干渉信号の直角位相状態を維持する
ために上記第一及び第二ファイバの一方の長さをフィー
ドバック回路によって制御するステップを含むことを特
徴とする請求項１８の試料の光学的性質を測定する方
法。
【請求項２０】上記第一及び第二ファイバの一方に沿っ
て信号の位相を周期的に変調するステップを含むことを
特徴とする請求項１５の試料の光学的性質を測定する方
法。
【請求項２１】試料の光学的性質に影響する環境条件の
変化を測定する方法において、プローブレーザビーム
を発生するステップ、上記プローブビームの一部分を第一光ファイバに且つ上
記プローブビームの別の部分を第二光ファイバに伝播す
るステップ、上記試料を上記第二ファイバに沿った自由空間領域に取
り付けるステップ、自由空間における上記試料にポンプビームを照射するス
テップ、上記第一ファイバと第二ファイバの出力を比較して上記
試料の光学的性質を決定するステップ、及び上記試料の
光学的性質の変化に基づいて環境条件の変化を決定する
ステップを含むことを特徴とする方法。