JPS61169821A - 直交偏波型光周波数シフタ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、音響光学素子（ブラックセル）内の進行超音
波の波面で入射レーザ光を回折し、ドツプラー効果によ
りレーザ光の周波数をシフトする効果を利用して、検出
したい光信号に対して一定の周波数差を有する光を発生
する装置に関する。

特に、成る光周波数を有するレーザ光を光周波数の僅か
に異なる互いに直交した２つの直線偏波成分を有するレ
ーザ光に変換する装置に関し、この装置を直交偏波型光
周波数シーフタという。ここで、直交した２つの直線偏
波成分のうち、何れが一方を検出したい光信号とし、他
方を局部発振出力の光信号として利用する。なお、光周
波数差（例；ＩＨＨ７）を検出するには、例えば、直交
偏波型光周波数シックの出射光ビームを４５°の偏光子
に透過させて、光検出器を通して行われる。

最近、光の性質を利用して高精度、非接触の光応用計測
が注目され、光波の干渉における縞端数（干渉縞の位相
情報）の測定分解能を高め、かつこれを自［１定するた
めに光ヘテロダイン検波法が利用されている。この光ヘ
テロゲイン検波法は、ラジオのヘテロゲイン受信と同様
、検出したい信号に局部発振出力信号を混合して差の周
波数を有する中間波信号（ビート信号）を発生して、信
号処理を行う方法である。電気通信では局部発振出力信
号を得るために、完全に独立した発振器を使用するが、
光波干渉測定の場合には、中間波信号の周波数がゆらぎ
のない程度に安定した独立の光発振器を製作することは
困難である。そのため、検出したい光信号に対して一定
の周波数差を有するレーザ光を発生させ、参照用の光路
を通して受信端に送り、これを局部発振出力信号として
利用する。

〔従来の技術〕

従来、直交偏波型光周波数シフタとして、第２図に示す
ような構成のものがあり、に「イオンガスレーザ１（波
長；　　６４７．１ｎｍ、光周波数ｔ’ｏ＝４６３．６
１Ｈ７）から出射されたレーザ光２は紙面に対して垂直
な電界成分を有する直線偏光（Ｓ偏光）を出射して、ハ
ーフミラ−３により２本の光ビーム、すなわち透過光ビ
ーム４と反射光ビーム５に分離される。透過光ビーム４
は、音響光学素子６にブラック条件に適合する角度θＢ
　（ブラック角）で入射する。この音響光学素子６は、
駆動回路７からの高周波信号（例えば、中心周波数４２
ＨＩＩｚ　）により、トランスジューサ８を励振して、
この媒体本体内に超音波信号を伝搬していることがら、
前述した透過光ビーム４は媒体本体内に入射後、直進す
る０次光と前記超音波信号の波面に対して角度θＢで回
折する回折光９に分れて送出し、ここでは回折光９を利
用する。この回折光９は音響光学素子６の中心周波数４
２ＨＮｌだけ光信号の周波数をシフトし、光周波数はｆ
Ｑ　＋４２ＨＨ１となる。

次に、この回折光９は、ミラー１０により反射され、光
学軸が光ビームの進行方向（光軸）のまわりに４５°回
転して設置された１７２波長板１１を透過する。

この透過光ビーム１２は紙面に対して平行な電界成分を
有する直線偏光（Ｐ偏光）となり、偏光ビームスプリッ
タ１３を透過する。

一方、ハーフミラ−３による反射光ビーム５は、音響光
学素子１４に、前述した音響光学素子６の作用と同様、
ブラック条件に適合する角度θＢで入射して、送出する
０次光と回折光１６のうち、後者の回折光１６を利用す
る。なお、駆動回路７からトランスジューサ１５に供給
される高周波信号の中心周波数は、音響光学素子６の中
心周波数４２）ＩＨ２に対して本例では１ＨＩＩＺだけ
高い４３Ｈ１ｌｚにしていることから、この回折光１６
は音響光学素子１４の中心周波数４３ＭＨｚだけ光信号
の周波数をシフトし、光周波数はｆ　Ｏ＋　４３１４Ｈ
ｚとなる。次に、この回折光１６は、ミラー１１により
反射され、前述した偏光ビームスプリッタ１３に入射す
る。この入射回折光１６は元々Ｓ偏光であることから、
この偏光ビームスプリッタ１３で反射される。

このようにして、前述したＰ偏光の透過光ビーム１２と
Ｓ偏光の回折光１６が偏光ビームスプリッタ１３をそれ
ぞれ透過し、反射することから、この偏光ビームスプリ
ッタ１３の出射光ビームは、成分として光周波数（ｆ　
６　＋　４２Ｍ１ｌｚ　）のＰ偏光と光周波数（ｆ　ｏ
　＋　４３ＨＨ７）のＳ偏光を同一光路上に有する。そ
して、相互の周波数差が１Ｈ１ｌＺとなる２本の光ビー
ムが得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の直交偏波型光周波数シフタは、光路ｔに１７２波
長板１１を挿入する必要がある。この１７２波長板は石
英などの複屈折性を有する材料を所定の厚さに研摩して
製作されるが、その厚さ粘度はりブミクロンオーダを要
することから、その製作は非常に難しい。更に、複屈折
性は温度により影響を受けて変化することから、複屈折
性の温度変化による極性が互いに逆の２枚の石英板を貼
り合わせるなどの温度補償手段が必要であった。それ故
、１７２波長板は実用上、使用可能なものに製作した場
合、非常に高価になってしまう問題点があった。

また、従来の直交偏波型光周波シフタは、その出射光１
８の成分であるＰ（ｉ光ビームとＳ偏光ビームの各光強
度を等しくしたい場合、音響光学素子６．１４のトラン
スジューサ駆動回路７の高周波信号の電力を調整して、
音響光学素子６．１４の回折効率を変化させることによ
り、出射光１８のＰ偏光ビームとＳ偏光ビームの各強度
を光検出器により検出しながら調整していた。しかしな
がら、振動などの外乱により光学系部品の位Ｎ講整にず
れが生じて、Ｐ偏光ビームとＳ偏光ビームの各光強度が
異なってしまった場合には、その都度上記調整が必要と
なり、この直交偏波型光周波数シフタを連続して使用す
ることができなかった。

本発明の第１の目的は、上記したような問題点を有する
１７２波長板を使用することなく、直交偏波型光周波数
シフタを提供することである。本発明の第２の目的は、
出射されるレーザ光ビームの互いに直交する２つの直線
偏波の光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）の各強度を常に等しくする
ような直交偏波型光周波数シックを提供することである
。そして、本発明の第３の目的は、従来品では入射レー
ザ光がＳ偏光に限定されていたが、Ｐ偏光及びＳ偏光の
各成分を有する入射レーザ光を使用することのできる直
交偏波型光周波数シフタを提供することである。

Ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明は、上記目的を達成させるためになされたもので
あり、第１の発明は、Ｐ偏光及びＳ偏光の各成分を有す
るレーザ光を入射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞれ分離
して出射する第１偏光ビームスプリッタと、前記第１偏
光ビームスプリッタより出射するＰ偏光及びＳ偏光の各
ビームのうち一方のビームを入射して回折光ビームを出
射する音響光学素子と、他方のビーム及び前記回折光ビ
ームを入射してＰ偏光及びＳ偏光の合成光ビームを出射
する第２偏光ビームスプリッタ又は無偏光ビームスプリ
ッタと、前記合成光ビームを入射して透過合成光及び反
射合成光の各ビームに、偏光状態を実質的に一定に保っ
て、分離して出射する無偏光ビームスプリッタと、前記
反射合成光ビームを入射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞ
れ分離して出射する第３偏光ビームスプリッタと、前記
第３偏光ビームスプリッタより出射するＰ偏光ビーム及
びＳ偏光ビームをそれぞれ検出してそれぞれ電気信号を
出力する光検出器と、前記光検出器よりそれぞれ電気信
号を受けて、その電気信号差に応じた制御信号を出力す
る制御回路と、前記制御回路より制御信号を受けて、そ
の制御信号が加えられた高周波信号を前記音響光学素子
のｌ−ランスジューサに供給する駆動回路を具備するこ
とを特徴とする直交偏波型光周波数シックであり、第２
の発明は、Ｐ偏光及びＳ偏光の各成分を打するし−ザ光
を入射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞれ分離して出射す
る第１（ｉｉｉ光ビームスプリッタと、前記第１偏光ビ
ームスプリッタより出射するＰ偏光ビーム及びＳ偏光ビ
ームをそれぞれ入射して回折光ビームをそれぞれ出射す
る第１音響光学素子及び第２音響光学素子と、２本の前
記回折光ビームを入射してＰ偏光及びＳ偏光の合成光ビ
ームを出射する第２偏光ビームスプリッタ又は無偏光ビ
ームスプリッタと、前記合成光ビームを入射して透過合
成光及び反射合成光の各ビームに、偏光状態を実質的に
一定に保って、分離して出射する無偏光ビームスプリッ
タと、前記反射合成光ビームを入射してＰ偏光及びＳ偏
光にそれぞれ分離して出射する第３偏光ビームスプリッ
タと、前記第３Ｉ光ビームスプリッタより出射するＰ偏
光ビーム及びＳ偏光ビームをそれぞれ検出してそれぞれ
電気信号を出力する光検出器と、前記光検出器よりそれ
ぞれ電気信号を受けて、その電気信号差に応じた制御信
号を出力する制御回路と、前記制御回路より制御信号を
受けて、その制御信号が加えられたａ周波信号を前記第
１音響光学素子及び前記第２音響光学素子のそれぞれの
トランスジューサに供給する駆動回路を具備することを
特徴とする直交偏波型光周波数シフタである。

〔実施例〕

第１図は本発明による直交偏波型光周波数シックの実施
例を示す構成図であり、同図において、１９はＨｅ　−
Ｈｅガスレーザ（波長；　　６３２．８ｏｍ、光周波数
ｆ、　＝　４７４．１丁Ｈｚ　＞　、２０．２７及び２
９はそれぞれＩｔ偏光ビームスプリッタ、第２偏光ビー
ムスプリッタ及び第３偏光ビームスプリッタ、２１及び
２５はそれぞれ第１音響光学素子（中心周波数＝８０１
４Ｈｚ　）及び第２音響光学素子（中心周波数；８１Ｍ
Ｈｚ　）　、　２２及び２６はそれぞれ第１音響光学素
子２１及び第２音響光学素子２５の各音響光学媒体に設
置されたトランスジューサ、２３及び２４はそれぞれミ
ラー、２８は無偏光ビームスプリッタ、３ｏ及び３１は
光検出器としてのホトダイオードとその駆動回路、３２
は制御回路、そして３３はトランスジューサ２２及び２
６に高周波信号（８０ＭＨｚ及び８１ＭＨｚ　）を供給
する駆動回路である。

次に、本例の作用について詳述する。Ｈｅ　−Ｈｅガス
レーザ１９から出射されたレーザ光３４は、紙面上光軸
に対して４５°の方位を有する直線偏波光であり、これ
が偏光弁ａＳ能を有する第１偏光ビームスプリッタ２０
に入射して、Ｐ偏光のレーザ光ビーム３５を透過し、Ｓ
偏光のレーザ光ビーム３６を反射して、２本の光ビーム
に分離する。この第１偏光ビームスプリッタ２０は、全
体形状は立方体であって、２つの三角柱形状のガラス基
体の底面（正方形）を互いに誘電体多層膜を介して接合
したものであり、その誘電体多層膜は硫化亜鉛（屈折率
；２．２９　）のような高屈折率物質の層（Ｈ層）とク
リオライト（屈折率；　　１．２５　）のような低屈折
率の層（Ｌ層）とを交互に複数（本例；２３層）積層し
たものである。なお、後述する第２偏光ビームスプリッ
タ２７及び第３偏光ビームスプリッタ２９も同様な構造
を有する。次に、Ｐ偏光のレーザ光ビーム３５は第１音
響光学素子２１の超音波信号の波面に対してブラック角
θＢをなして入射する。この音響光学素子２１は、テル
ライトガラス（ＨＯＹｌｔｌ製二ＡＯＴ−５）からなる
音響光学媒体の側面に、トランスジューサ２２　（Ｌｉ
ｍｂ　０３３６”　Ｙ板からなるＲ−電板の両生表面に
電極を付着形成したもの。共振周波数：　８ｏＭＨｚ　
）を設置して構成され、駆動回路３３から高周波信号（
８０ＨＨ７）をＩ〜クランジ１−サ２２に供給して励振
させ、音響光学素子２１の媒体内に超音波信号を伝搬さ
せている。その結果、入射したレーザ光ビーム３５は、
直進する０次光と前記超音波信号の波面に対して角度θ
Ｂで回折する回折光３７とに分れて送出し、ここでは回
折光３７を利用する。この回折光３７は音響光学素子２
１の中心周波数８０ＭＨｚだけ光信号の周波数をシフト
し、光周波数はｆ　、　＋　８０８）１ｚとなる。次に
、この回折光３１はミラー２３により反射され、結合機
能を有する第２偏光ビームスプリッタに入射し、Ｐ偏光
であることからそのま）透過する。

一方、Ｓ偏光のレーザ光ビーム３６は、ミラー２４によ
り反射され、第２音響光学素子２５の超音波信号の波面
に対してブラック角θＢをなして入射ずる。この第２音
響光学素子２５は第１音響光学素子２１と基本的に同一
構造であり、媒体側面にトランスジューサ２６を備え、
これに駆動回路３３から高周波信号（８１）４Ｈ２）が
供給されている。ここでも。

入射したレーザ光ビーム３６は、直進する０次光と前記
超音波信号の波面に対して角度θＢで回折する回折光３
８に分れて送出し、回折光３８を利用する。

この回折光３８も音響光学素子２５の中心周波数８１Ｍ
Ｈｚだけ光信号をシフトし、光周波数はｆ１＋８１ＨＨ
７となる。そして、この回折光３８も前述した第２偏光
ビームスプリッタ２７に入射し、Ｓ偏光であることから
、反射して送出される。この時、第２偏光ビームスプリ
ッタ２７の出射光ビーム３９の成分は、前述した回折光
３７のｐＨｉ光（光周波数；ｆ１＋８０ＭＨｚ　）と回
折光３８のＳ偏光（光周波数；ｆ１＋８１ＭＨｚ　）を
同一光路上に有し、相互の周波数差が１ＨＨ２となる２
本の光ビームが得られる。

次に、このように合成された光ビーム３９は、無偏光ビ
ームスプリッタ２８に入射して、偏光状態を変化させる
ことなく２つの光ビームに分解されて送出する。この無
偏光ビームスプリッタは、全体形状が立方体であって、
１つの三角柱形状のガラス基体の底面（正方形）に後記
する多層膜を付着形成し、もう１つの三角柱形状のガラ
ス基体の底面（正方形）を接合形成したものであり、こ
の多層膜は入射光の偏光状態にか）わらず、Ｐ偏光とＳ
偏光のエネルギ透過率が等しく、かつＰ偏光とＳ偏光の
エネルギ反射率が等しくしたもの（例：エネルギ透過率
；４７％、エネルギ反射率；４６％）であり、具体的に
は硫化亜鉛（屈折率：　　２．２９　＞のような高屈折
率物質層（Ｈ層）、クリオライト（屈折率：　　１．２
５　）のような低屈折率物質層（Ｌ層）、前記Ｈ層、銀
薄膜層、前記ト（層、前記り層及び前記ＨＭを順次積層
して形成される。

そして、この無偏光ビームスプリッタ２８により分離さ
れた２つの光ビームのうち、透過光ビーム４０は前述し
た出射光ビーム３９と同一であり、直交偏波型光周波数
シックの出射光として利用され、反射光ビーム４１はモ
ニターとして第３偏光ビームスプリッタ２９に入射され
て、再びＰ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４３とに分離
し、それぞれの光ビームの強度は光検出器３０と３１に
て検出されて、それぞれ電気信号に変換される。そして
、それぞれの電気信号（Ｎ圧）は、差動増幅器を内蔵し
た制御回路３２に供給されて、ここで、電圧差に応じた
制御信号を出力する。この制御信号は、前述した駆動回
路３３のトランスジューサ２２．２６の高周波信号に加
えられて、変調される。

そして、Ｐ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４３の光強度
に差が生じて、例えば、Ｐ偏光ビーム４２の光強度がＳ
偏光ビーム４３のそれに対して増大した場合、すなわち
Ｐ偏光の回折光ピ〜ム３７の光強度が増大した場合には
、第２音響光学素子２５のトランスジューサ２６への高
周波信号の電力を制御信号弁だけ増大して、Ｓ偏光の回
折光ビーム３８の光強度を増大させて、Ｐ偏光ビーム４
２とＳ偏光ビーム４３の各光強度を等しくさせる。また
逆にＳ偏光ビーム４３の光強度がＰ偏光ビーム４２のそ
れに対して増大した場合、第１音響光学素子２１のトラ
ンスジューサ２２への高周波信号の電力を制御信号弁だ
け増大して、Ｐ偏光の回折光ビーム３７の光強度を増大
させて、Ｐ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４３の各光強
度を高くさせる。以上の事例は、一方の光強度が増大し
た場合に、他方の光強度を同時に増大する手段であるが
、一方の光強度が増大した場合に、その一方の光強度を
減少させる手段もまた有効である。例えば、Ｐ偏光ビー
ム４２の光強度がＳ偏光ビームのそれに対して増大した
場合に、その光強度を自動制御するには、第１音響光学
素子２１のトランスジューサ２２への高周波信号を制御
信号弁だけ減少させて、回折光３１の光強度を減少させ
ればよい。

その結果、直交偏波型光周波数シフタから出射される透
過光ビーム４０は、その成分であるＰ偏光（光周波数：
　ｆ、　＋８０ＨＨ２）とＳ偏光（光周波数；ｆ、　＋
８１１４Ｈ７）の各光強度を常に等しく制御することが
できる。

本発明は以上の実施例の他に、第１及び第２の音響光学
系の各中心周波数について、所望する中間波信号の周波
数（例；　　０．ＩＨＨｚ　＞に対して任意に選定され
る（例；　６０ＨＩＩＺ及び６０．１Ｈ１ｌＺ　）。そ
して、中間波信号の周波数と第１及び第２の音響光学素
子の中心周波数差とが等しいので、音響光学素子の中心
周波数は個々の目的に応じて選定すればよい。実施例で
は２個の音響光学素子２１及び２５を使用したが、何れ
か１個のみを使用して、その音響光学素子の中心周波数
を中間波信号の周波数に設定してもよい。第１及び第２
の偏光ビームスプリッタはウォラストンプリズム及びロ
ションプリズムなどで構成してもよいし、更に、第２偏
光ビームスプリッタは、光損失が許容できる場合には偏
光状態を実質的に一定に保って出射する無偏光ビームス
プリッタでもよい。レーザ光についてはガスレーザの他
に、Ｐ偏光及びＳ偏光の各成分を有する半導体レーザζ
色素レーザ及び、固体レーザなどでもよい。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば、従来品の必須な光学部品
であった１７２波長板を不用にしたことから、温度依存
性を除去して、かつ比較的安価な偏光ビームスプリッタ
とミラーを使用して直交偏波型光周波数シックを実現で
きる。しかも、：、Ｉｆ　ＯＪ光のＰ偏光とＳ偏光の各
成分を常に等しくすることができる。更にまた、入射レ
ーザ光ビームの成分について、Ｐ偏光とＳ偏光の各成分
を少なくとも有しているものならばよいことがら（各成
分の光強度は問わない）、利用分野を広げることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による直交偏波型光周波数シフタの実施
例を示す構成図、第２図は従来の自交偏波型光周波数シ
フタ構成図である。 １９・・・レーザ光、２０・・・第１偏光ビームスプリ
ッタ、２１・・・第１音響光学素子、２２．２６・・・
トランスジューサ、２５・・・第２音響光学素子、２７
・・・第２偏光ビームスプリッタ、２８・・・無偏光ビ
ームスプリッタ、２９・・・第３偏光ビームスプリッタ
、３０．３１・・・光検出器、３２・・・副部回路、３
３・・・駆動回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｐ偏光及びＳ偏光の各成分を有するレーザ光を入
   射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞれ分離して出射する第
   １偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光ビームスプリ
   ッタより出射するＰ偏光及びＳ偏光の各ビームのうち一
   方のビームを入射して回折光ビームを出射する音響光学
   素子と、他方のビーム及び前記回折光ビームを入射して
   Ｐ偏光及びＳ偏光の合成光ビームを出射する第２偏光ビ
   ームスプリッタ又は無偏光ビームスプリッタと、前記合
   成光ビームを入射して透過合成光及び反射合成光の各ビ
   ームに、偏光状態を実質的に一定に保つて、分離して出
   射する無偏光ビームスプリッタと、前記反射合成光ビー
   ムを入射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞれ分離して出射
   する第３偏光ビームスプリッタと、前記第３偏光ビーム
   スプリッタより出射するＰ偏光ビーム及びＳ偏光ビーム
   をそれぞれ検出してそれぞれ電気信号を出力する光検出
   器と、前記光検出器よりそれぞれ電気信号を受けて、そ
   の電気信号差に応じた制御信号を出力する制御回路と、
   前記制御回路より制御信号を受けて、その制御信号が加
   えられた高周波信号を前記音響光学素子のトランスジュ
   ーサに供給する駆動回路を具備することを特徴とする直
   交偏波型光周波数シフタ。
2. （２）Ｐ偏光及びＳ偏光の各成分を有するレーザ光を入
   射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞれ分離して出射する第
   １偏光ビームスプリッタと、前記第１偏光ビームスプリ
   ッタより出射するＰ偏光ビーム及びＳ偏光ビームをそれ
   ぞれ入射して回折光ビームをそれぞれ出射する第１音響
   光学素子及び第２音響光学素子と、２本の前記回折光ビ
   ームを入射してＰ偏光及びＳ偏光の合成光ビームを出射
   する第２偏光ビームスプリッタ又は無偏光ビームスプリ
   ッタと、前記合成光ビームを入射して透過合成光及び反
   射合成光の各ビームに、偏光状態を実質的に一定に保っ
   て、分離して出射する無偏光ビームスプリッタと、前記
   反射合成光ビームを入射してＰ偏光及びＳ偏光にそれぞ
   れ分離して出射する第３偏光ビームスプリッタと、前記
   第３偏光ビームスプリッタより出射するＰ偏光ビーム及
   びＳ偏光ビームをそれぞれ検出してそれぞれ電気信号を
   出力する光検出器と、前記光検出器よりそれぞれ電気信
   号を受けて、その電気信号差に応じた制御信号を出力す
   る制御回路と、前記制御回路より制御信号を受けて、そ
   の制御信号が加えられた高周波信号を前記第１音響光学
   素子及び前記第２音響光学素子のそれぞれのトランスジ
   ューサに供給する駆動回路を具備することを特徴とする
   直交偏波型光周波数シフタ。