JPS61175620A - 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、Ｋｒイオンガスレーザ１（波
長：　　６４７．１ｎｌｌ、光周波数ｆｏ＝４６３．６
１Ｈ２）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
ＨＨ２’）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４２
ＭＨｚだけ光信号の周波数をシフトし、光周波数はｆ　
ｏ　＋　４２８１１２となる。

次に、この回折光９は、ミラー１ｏ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１／２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が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４２ＨＨ１に対して本例では１Ｍ＋１２だけ高
い４３１４Ｈｚ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４３８Ｈ２だり光信号の
周波数をシフトし、光周波数はｆｏ＋４３８Ｈ２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　＋　４２８８２　）のＰ偏光と光周波数（ｆ　ｏ
　＋　４３８Ｈ２）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１ＨＨ２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１／２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。

更にまた、従来の直交偏波型光周波数シフタは、独立し
た２個の音響光学素子を使用していることから、光学系
部品の個数が多くなって、その先軸調整が煩雑であり、
更に個々の音響光学素子の性能にバラツキが生じやすい
問題点があった。

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、特に音響光学素子の
光軸調整を容易にし、かつその性能のバラツキを除去す
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、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
ぞれ入射して互いに光周波数の異なる回折光ビームをそ
れぞれ出射する２チャンネル音費光学素子と、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第２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、分離して出射する第１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ＰＱ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２チャンネル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フタの実施
例を示す構成図であり、同図において、１９はＨｅ−Ｈ
ｅガスレーザ（波長；　　６３２．８ｎｌｌ、光周波数
ｆ“、　＝　４７４．ＩＴＨｚ　）　、２０．２５及び
２９はそれぞれ第１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は
２チャンネル音響光学素子（中心周波数：　８０ＨＩＩ
Ｚ及び８１ＭＨｚ　）　、２２及び２１はそれぞれ２チ
ャンネル音響光学素子２１の音響光学媒体２３に設置さ
れたトランスジューサ、２４及び２６はそれぞれミラー
、２８は第１無偏光ビームスプリッタ、３０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、モして３３はトランスジューサ２２及び２
７に高周波信号（８０ＭＨｚ及び８１８Ｈ２）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３４は、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ＦｆＡ（Ｈｆｆ）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２チ
ャンネル音響光学素子２１のトランスジューサ２２から
発する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２チャンネル音響光学素子２１は、テ
ルライトガラス（ＨＯＹＡ（ｔ［：ＡＯＴ−５）からな
る音響光学媒体２３の側面に、２枚のトランスジューサ
２２．２７（何れもＬｉｍｂ　０３３６゜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。それぞれ
の共振周波数は８０ＨＨ２及び８１ＨＨ２である。）を
設置して構成され、トランスジューサ２２については駆
動回路３３から高周波信号（８０ＨＨ２）を受けて励振
させ、音響光学媒体２３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θＢで回
折する１次回折光３１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はトランスジューサ
２２下における音響光学素子２１の中心周波数８０８Ｈ
２だけ光信号の周波数をシフトし、光周波数はｆ、　十
８０ＨＨ２とな−る。次に、この回折光３７はミラー２
４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２５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２６によ
り反射され、２チャンネル音響光学素子２１のトランス
ジューサ２１から発する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。トランスジューサ２７は
、駆動回路３３から高周波信号（８１ＭｌＩＺ　）を受
けて励振させ、媒体２３内に超音波信号を伝搬させる。

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１次回折光３８に分れて送出し、回折光３８を利用す
る。この回折光３８もトランスジューサ２７下における
音響光学素子２１の中心周波数８１８Ｈ２だけ光信号を
シフトし、光周波数はｆ、　＋８１８Ｈ２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３７のＰ偏光（光周
波数；　ｆ、　＋８１８Ｈ２）と回折光３８のＳ偏光（
光周波数：　ｆ、　＋８１８Ｈ２）を同一光路上に有し
、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。

次に、このように合成された光ビーム３９は、第１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つの光ビームに分離されて送出する。こ
の第１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Ｗｉ　（ＨＪｉ）　、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。

そして、この第１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
波数シフタ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（電圧）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からトランスジ
ューサ２２．２７へ供給される高周波信号に加えられて
、変調される。

一般に、音響光学素子のトランスジューサに印加される
高周波信号と、１次回折光の光強度との関係は、高周波
信号の電力を零から成る範囲内まで増加すると、１次回
折光の光強度が単調に増加する特性を有する。本発明で
は、２チャンネル音響光学素子２１のうち、トランスジ
ューサ２２下の媒体２３から出射されるＰ偏光の１次回
折光ビーム３７と、トランスジューサ２７下の媒体２３
から出射されるＳ偏光の１次回折光ビーム３８とにそれ
ぞれ対応するＰ偏光ビーム４２とＳ偏光ビーム４３とを
、第２偏光ビームスプリッタ２５、第１無偏光ビームス
プリッタ２８及び第３偏光ビームスプリッタ２９を通し
て、モニターとしてそれぞれ光検出器３０と３１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）を零にするように制
御して、１次回折光であるＰ偏光ビーム３１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、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
ビーム３７の光強度が増大した場合には、２チャンネル
音響光学素子２１のトランスジューサ２７への高周波信
号の電力を制御信号分だけ増大して、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４２とＳ
偏光ビーム４３の各光強度を等しくする。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、２チャンネル音響光学素子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、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
度を等しくする。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４３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、２チャン
ネル音響光学素子２１のトランスジューサ２２への高周
波信号を制御信号分だけ減少させて、回折光３７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、　＋８１８Ｈ２）とＳ偏光（光周波数：ｔ’、　
＋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、２ヂヤンネル音響光学素
子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；　６０ＭＨｚ及び６０．１）４Ｈｚ　）　、そ
して、中間波信号の周波数と２チャンネル音響光学素子
の中心周波数差とが等しいので、各チＶンネルの音響光
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。

また、第１、第２及び第３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
て出射する第１無偏光ビームスプリッタと同様な無偏光
ビームスプリッタ（第２無偏光ビームスプリッタという
。）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、色素
レーザ及び固体レーザなどでもよい。またミラーについ
ては全反射プリズムでもよい。

〔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
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、１７２波長板の不用と２チャンネル音響光学
素子の使用により、光学系部品の個数を従来品と対比し
て２個少なくしていることから、光軸調整を容易にする
ことができ、音響光学素子の性能バラツキも一掃するこ
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・・・レーザ光源、２０・・・第１偏光ビームスプ
リッタ、２１・・・２チャンネル音響光学素子、２２、
２７・・・トランスジューサ、２５・・・第２偏光ビー
ムスプリッタ、２８・・・第１無偏光ビームスプリッタ
、２９・・・第３無偏光ビームスプリッタ、３０．３１
・・・光検出器、３２・・・制御回路、３３・・・駆動
回路 ３２：劉彎ｒＢ絡 ３３：鰻−ｒｉ＋島 第２図

Claims (1)

【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偏光ビーム及びＳ偏光ビームをそれ
   ぞれ入射して互いに光周波数の異なる回折光ビームをそ
   れぞれ出射する２チャンネル音響光学素子と、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第２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、分離して出射する第１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２チャンネル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。