JPS61169822A - 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う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、何れか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：１ＭＨｚ）を検出するには、例えば、直交偏
波型光周波数シフタの出射光ビームを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線端数（干渉縞の位相
情報）の測定分解能を高め、かつこれを自動測定するた
めに光ヘテロダイン検波法が利用されている。この光ヘ
テロダイン検波法は、ラジオのヘテロダイン受信と同様
、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ｒイオンガスレーザ１（波
長：６４７、ｉｎｌ、光周波数ｆｏ＝４６３．６７Ｈｚ
　）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４２ＭＨ
ｚ　）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から、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４２ＨＨ
２だけ光信号の周波数をシフトし、光周波数はｆ、）　
＋４２ＭＨｚ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４２ＭＨｚに対して本例ではＩ　ＭＨｚだけ高
い４３ＭＨｚ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ｆ６＋４３ＨＨ２となる。

次に、この回折光１６は、ミラー１７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　
ｏ　＋　４２’ＨＨ７）のＰ偏光と光周波数（ｔ’ｏ　
＋４３ＨＨ２）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Ｉ　ＭＨｚ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、光路上に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、その厚さ精度はサ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偏光ビームと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置調整にずれ
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フタ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。

〔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０次光ビーム及び
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０次光ビームを検出して
電気信号を出力する光検出器と、前記光検出器より電気
信号を受けて、その電気信号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ックであり、第２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偏光ビーム及びＳ偏光ビームをそ
れぞれ入射して０次光ビーム及び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、２本の前記０次光ビームを
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
波数シックである。

〔実施例〕

第１図は本発明による直交偏波型光周波数シフタの実施
例を示す構成図であり、同図において、１９はＨｅ−Ｍ
ｅガスレーザ（波長；　　６３２．８ｊｍ、光周波数ｆ
　、　＝　４７４．ＩＴＨ２）　、２０及び２５はそれ
ぞれ第１偏光ビームスプリッタ及び第２偏光ビームスプ
リッタ２１及び２１はそれぞれ第１音響光学素子（中心
周波数；　８０ＨＨ２）及び第２音響光学素子（中心周
波数；　８１ＭＨｚ　）　、２２及び２８はそれぞれ第
１音響光学素子２１及び第２音響光学素子２７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２９
は光検出器としてのホトダイオードとその駆動回路、２
４及び２６はそれぞれミラー、３０は制御回路、そして
３１はトランスジューサ２２及び２８に高周波信号（８
０ＨＨ２及び８１ｔ４Ｈｚ　）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−Ｍｅガスレ
ーザ１９から出射されたレーザ光３２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
偏光分離機能を有する第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３３を透過し、Ｓ偏
光のレーザ光ビーム３４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ｌ１ｊ（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２５も同様な構造を有する。次に、Ｐ偏光のレーザ
光ビーム３３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（ＨＯＹＡＩＩ製：
　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　（Ｌｉｍｂ　Ｏｓ　３６°Ｙ板からな
る圧電板の両生表面に電極を付着形成したもの。共振周
波数：　８０ＭＨｚ　）を設置して構成され、駆動回路
３１から高周波信号（８０ＨＨ２）をトランスジューサ
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３３は、直進する０次光３５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３６とに分
れて送出する。この回折光３６は音響光学素子２１の中
心周波数８０Ｈ１ｌｚだけ光信号の周波数をシフトし、
光周波数はｆ１＋　８０ＨＨ２となる。次に、この回折
光３６はミラー２４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。０次光３５は光検出器２３に入
射してその光量が検出される。

一方、Ｓ偏光のレーザ光ビーム３４は、ミラー２６によ
り反射され、第２音響光学素子２７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。この第２音
響光学素子２７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２８を備え、
これに駆動回路３１から高周波信号（８１ＨＨ２’）が
供給されている。ここでも、入射したレーザ光ビーム３
４は、直進する０次光３１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３８に分れて送出する。

０次光３７は光検出器２９に入射して、その光量が検出
される。回折光３８は第２音響光学素子２７の中心周波
数８１８１１２だけ光信号をシフトし、光周波数はｆ　
１＋　８１ＭＨｚ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２５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２５はＰ偏光とＳ偏光の結合機能を
有することから、その出射光ビーム３９の成分は、前述
した回折光３６のＰ偏光（光周波数：ｆ、＋８０ＭＨｚ
　）と回折光３８のＳ偏光（光周波数：ｆｌ＋８１ＭＨ
ｚ　）を同一光路上に有し、相互の周波数差が１ＭＨｚ
となる２本の光ビームが得られる。

次に、前述したＯ次光３５及び３６はそれぞれ光検出器
２３と２９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（電圧）は、差動増
幅器を内蔵した制御回路３０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３１のトランスジュ
ーサ２２．２８の高周波信号に加えられＣ１変調される
。

一般に、音響光学素子のトランスジー１−１ノに印加さ
れる高周波信号と、０次光及び１次回折光の各光強度と
の関係は、高周波信号の電力を零から成る範囲内まで増
加すると、０次光の光強度が単調に減少し、１次回折光
の光強度が単調に増加し、互いに途中の電力において光
強度曲線が交叉する特性を有する。本発明では、第１音
響光学素子から出射されるＰ偏光の０次光ビーム３５と
、第２音響光学素子から出射されるＳ偏光の０次光ビー
ム３１とをモニターとしてそれぞれ光検出器２３と２９
にして検出して、それぞれの光強度を電気信号（電圧）
に変換したうえで、電気信号差（電圧差）を零、すなわ
ち、０次光ビーム３５と３７の各光強度を等しくするよ
うに制御して、１次回折光であるＰ偏光ビーム３６とＳ
偏光ビーム３８の各光強度を互いに等しくしている。例
えば、０次光ビーム３５（Ｐ偏光）の光強度が０次光ビ
ーム３１（Ｓ偏光）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分だけ増大して、０次光ビーム３５
（Ｐ偏光）の光強度を減少させ（その結果、１次回折光
ビーム３６（Ｐ偏光）の光強度を増大させ）、０次光ビ
ーム３５（Ｐ偏光）と０次光ビーム３１（Ｓ偏光）の各
光強度を互いに等しくする（その結果、１次回折光ビー
ム３６（Ｐ偏光）と３８（Ｓ偏光）の各光強度を等しく
する。）。また逆に、０次光ビーム３７（Ｓ偏光）の光
強度が０次光ビーム３５（Ｐ偏光）のそれに対して増大
した場合、第２音響光学素子２１のトランスジューサ２
８への高周波信号の電力を制御信号分だけ増大して、０
次光ビーム３７（Ｓ偏光）の光強度を減少させ（その結
果、１次回折光ビーム３８（Ｓ偏光）の光強度を増大さ
せ）、０次光ビーム３５（Ｐ偏光）と０次光ビーム３１
（Ｓ偏光）の各光強度を互いに等しくする。以上の事例
は、一方の０次光の光強度が増大した場合に、その一方
の０次光の光強度を減少させる手段であるが、他方の０
次光の光強度を増大させる手段もまた有効である。例え
ば、０次光ビーム３５（Ｐ偏光）の光強度が０次光ビー
ム３７（Ｓ偏光）のそれに対して増大した場合、第２音
響光学素子２７のトランスジューサ２８への高周波信号
電力をＩＩＪＷＪ信号分だけ減少させて、０次光ビーム
３７（Ｓ偏光）の光強度を増大させればよい。

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３９は、その成分であるＰ偏光（光周波数；
　ｆ　、　＋８１８Ｈ２）とＳ偏光（光周波数：ｆ　＋
　＋８１８Ｈ２）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．ＩＨＨ２）に対して任意に選定される
（例；　６０Ｈ１ＩＺ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。例えば、第１音
響光学素子２１のみを使用した場合、第２偏光ビームス
プリッタ２５には、Ｐ偏光の回折光３６とＳ偏光３４の
各ビームが入射し、モニターとしてＰ偏光の０次光ビー
ム３５が検出される。この場合も、０次光ビーム３５の
光強度を光検出器２３により電気信号に変換して、その
電気信号に応じた制御信号が加えられた高周波信号を第
１音響光学素子のトランスジューサに供給して制御する
。例えば、回折光ビーム３６（Ｐ偏光）の光強度がＳ偏
光ビーム３４のそれに対して増大した場合の制御は、前
述した実施例に記述したように、第１音響光学素子２１
のトランスジューサ２２への高周波信号電力を制御信号
分だけ減少させて、この０次光ビーム３５の光強度を増
大させて、回折光３６（Ｐ偏光）の光強度を減少させ、
Ｓ偏光ビーム４０の光強度と等しくさせればよい。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Ｏジ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。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（例二エネルギ透過率：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：１．２５　）のような低屈折率
物質層（Ｌ層）、前記Ｈ層、銀薄膜層、前記Ｈ層、前記
り層及び前記Ｈ層を順次積層して形成される。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、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フタを実現で
きる。しかも、出射光のＰ偏光とＳＷＡ先の各成分を常
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から（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図は従来の直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、２２．２８・・・
トランスジューサ、２３．２９・・・光検出器、２５・
・・第２偏光ビームスプリッタ、２１・・・第２音響光
学素子、３０・・・制御回路、３１・・・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０次光ビーム及び回折光ビームを
   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０次光ビームを検出して電気信号を出力
   する光検出器と、前記光検出器より電気信号を受けて、
   その電気信号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０次光ビーム及び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、２本の前記０次光ビームをそ
   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。