JPS61175621A - 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］へ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ｑ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：ＩＨＨ２）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
へ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８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；　　６４７．１ｎｎ＋、光周波数ｆｏ−４６３，６
ＴＨｚ　）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θ
Ｂ　（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４
２１（１１ｚ　）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４２８Ｈ７だ【ノ光信号の周波数をシフトし、光周波
数はｆ（、＋４２ＨＩｌｚ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
学索子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４２８Ｈ７に対して本例ではＩ　ＮＩＩＺ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ｔ’ｏ　＋４３）ＩＨ２
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、反射することがら、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　
、）　＋　４２Ｈｔｌｚ　）のＰ偏光と光周波数（ｆ　
ｏ　＋　４３Ｈｔｌｚ　）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１８ＩＩＺとなる２本の
光ビームが得られる。

〔発明が解決しようとづる問題点〕

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８８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ック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ックを提供するこ
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偏光の各成分を右するレーザ光を入
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
ッタより出射づる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ＰＧ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１ｌｅ−
Ｎｅガスレーザ（波長；　　６３２．８ｒｖ、光周波数
ｆ、　＝　４７４．ＩＴＨ７）　、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は２チャンネル音響光学素子（中心周波数
；　８０ＭＩＩＺ及び８１Ｈ１ｌＺ　）　、２２及び２
８はそれぞれ２ヂＶンネル音響光学素子２１のｆｆ　’
ｌ光学媒体２７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、２４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（８０Ｈ１ｌｚ及び８１ＨＨ２）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３２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３３を透過し、ＳＱ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層（Ｈｌｉ４）とク
リオライト（屈折率；　　１．２５　）のような低屈折
率の層（１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
学索子２１は、テルライトガラス（ＩＩＯＹＡ＠製；＾
０１−！＋　）からなる音響光学媒体２７の側面に、２
枚のトランスジューサ２２．２８（何れもＬｉｍｂ　０
３３６°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８０Ｈｌｌｚ及
び８１Ｈ１ｌｚ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３１から高周波信号
（８０Ｈ１ｌｚ　）を受けて励振させ、音響光学媒体２
１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１次回折光
３６とに分れて送出する。この回折光３６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１８
０１４＋１２だけ光信号の周波数をシフトし、光周波数
はｆ　１　＋　８０ＭＨｚとなる。次に、この回折光３
６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２５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に入射してその光けが検出さ
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、２チ１７ンネル音響光学素子２１のトラン
スジューサ２８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２８
は、駆動回路３１から高周波信号（８１８Ｈ２）を受け
て励振させ、媒体２７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３４は、直進する０次
光３７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に分れて送出する。Ｏ次光３７は光
検出器２９に入射して、その、光間が検出される。回折
光３８はトランスジューサ２８下における音響光学索子
２１の中心周波数８Ｈ４）１２だけ光信号をシフトし、
光周波数はｆ　、　＋　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３
９の成分は、前述した回折光３６のＰ偏光（光周波数；
　ｆ　＋＋８０ＨＩＩＺ　）と回折光３８（７）　Ｓ偏
光（光周波数；　ｔ’、　＋８１ＭＨｚ　）を同一光路
上に有し、相互の周波数差が１ＨＩＩＺ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３１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３ｏに供給されて、ここで、電
圧差に応じたｆＩＩ１１１！ｌ信号を出力する。

この制御信号は、前述した駆動回路３１がらトランスジ
ューサ２２．２８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、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、２チャンネ
ル音費光学素子２１のうち、トランスジューサ２２下の
媒体２７から出射されるＰ偏光の０次光ビーム３５と、
トランスジューサ２８下の媒体２１から出射されるＳ偏
光の０次光ビーム３７とをモニターとしてそれぞれ光検
出器２３と２９にわで検出して、それぞれの光強度を電
気信号く電圧）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３７（Ｓ偏光）のそれに対して増大
した場合、２チャンネル音響光学索子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（プ増
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（＋）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、２チャンネル音
響光学素子２１のトランスジューサ２８への光周波信号
の電力を制御信号弁だけ増大して、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３７（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（ＳＧ光
）のそれに対して増大した場合、２チレンネル音響光学
素子２１のトランスジューサ２８への高周波信号電力を
ｉ！Ｊ　ＩＩｌ信号分だｔノ減少させて、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　、　＋８０ＨＩＩＺ　）とＳ偏光（光周波数；ｆ
、　＋８１ＭＨｚ　）の各光強度を常に等しく制ｔＩｌ
することができる。

本発明は以上の実施例の他に、２チトンネル音響光学素
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．ＩＨＩＩｚ　）に対して任意に選定さ
れる（例；　６０ＭＨｚ及び６０．１）１１１２　＞。

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椛成してもよ
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、かっＰ偏光とＳ偏光のエネルニ
１゛反射率が等しくしたもの（例：エネルギ透過率：４
層％、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
（ト１層）、クリオライト（屈折率；　　１．２５　）
のような低屈折率物質層（１層）、前記１１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。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１／２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
−４皐１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５（ｌａ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１シンネル音費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４揺することができる。

【図面の簡単な説明】

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０次光ビーム及び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
   。