JPS62178221A - 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】 し産業上の利用分野〕 本発明は１例えば光ヘテロダイン検波法による光応用計
測に用いられる光周波数シフタに関する。

〔従来の技術〕

近年、光の性質を利用して高精度、非接触の計測を行な
う光応用計測が注目されているが、その場合、光干渉稿
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
多く利用されている。

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
、中間波信号（ビート信号）を発生して信号処理を行な
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のであるが、
光波干渉測定の場合には、中間波信号の周波数にゆらぎ
が生じない程度に安定した独立の発振器を裏作すること
が困難である。そのため、検出したい光信号に対し一定
の周波数差を有するレーザ光を作成し、これを参照用の
光路を通して受信端に送って局部発振出力信号として用
いる。

第３図に、従来このような目的に用いられている直交側
波形周波数シフタの構成を示す。Ｋｒイオンガスレーザ
１（波長λｏ＝６４７．１ｎｍ＋光周波数ｆ　ｏ　＝　
４６３．６　ＴＨｚ　）から紙面に対して垂直な電界成
分を有する直線偏光（Ｓ偏光）として出射されたレーザ
光２は、ハーフミラ−３により透過光ビーム４と反射光
ビーム５とに分離される。このうち透過光ビーム４は、
音響光学素子６にブラッグ角（θ、）で入射する。音響
光学素子６は、水晶発振器を内蔵した駆動回路７の高周
波信号（例えば発振周波数４２ＭＨｚ）によりトランス
ジューサ８が駆動され、媒体中に超音波信号を伝搬して
いることから、透過光ビーム４は、直進する０次光と上
記超音波の波面に対して角度θ、で回折する回折光とに
分れる。ここでは、１次回折光９のみを利用する（０次
光は図示しない）が、この回折光９は、音響光学素子６
の中心周波数だけもとの光信号の周波数ｆｏをシフトし
たものとなる。次いで１回折光９はミラー１０により反
射され、さらに光ビームの進行方向のまわりに４５°回
転させて配置された１／２波長板１１を透過し１紙面に
平行な電界成分を有する直線偏光（Ｐ偏光）の透過光ビ
ーム１２となって偏光ビームスプリッタ１３を透過する
。

他方１反射光ビーム５は、音響光学素子１４にブラッグ
角で入射するが、水晶発振器を内蔵した駆動回路１５か
らトランスジューサ１６に供給される高周波信号の発振
周波数（例えば４３ＭＨｚ）が音響光学素子６の中心周
波数に対し差（ＩＭＨｚ）をもたせであることから、１
次回折光１７の周波数シフト量と回折光９のシフト量と
の間には差が生じる。次に、回折光１７はミー）−１８
により反射された後、ビームスプリッタ１３で反射され
る。

この結果、ビームスシリツタ１３の出射光ビーム１９と
して一定の周波数差を有するＰ偏光とＳ偏光とが互いに
直交して同一光路上で合成された元ビームが得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の周波数シフタは、上述したように各音響光学素子
６，１４を、それぞれ別の水晶発振器を使って独立に作
成した高周波信号を供給して駆動している。その丸め１
例えば個々の水晶発振器の周波数安定度を１０〜４０℃
の温度変化に対して±５ｐｐｍであるとすると、出射光
ビーム１９のビート周波数としては、上述した例でいえ
ば（４３Ｘ１０６±２１５（Ｈｚ））−（４２Ｘ　１０
６干２１０　ＣＨｌ　））＝ＩＸ１０±４２５（Ｈｚ　
）（複合同順）となシ、±５ｐｐｍの安定度の水晶発振
器を用いても、ＩＭＨｚのビート周波数については±４
２５Ｈｚの安定性しか得られない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光周波数シフタは、光周波数の異なる２つの直
線偏光からなる出射光を２分割する手段と、分割した一
方の２つの五組偏光成分を合成する偏光子と、その出力
光を検出する光検出器と、得られたビーム信号と基準用
水晶発振器の発振出力との周波数差に応じた制御信号を
一方の音響光学素子の駆動信号として出力する制御回路
とを有している。

〔作用〕

他方の音響光学素子の周波数が変動した場合、所定の周
波数のビット信号が得られるように、制御回路が一方の
音響光学素子の駆動信号の周波数を変化させる。

〔実施例〕

第１図は本発明を第３図と同様の直交偏波形光周波数シ
フタに適用した場合の一実施例を示す構成図である。第
３図に示した従来例と異なる点は、無偏光ビームスグリ
ツタ２０、偏光子２１、光検出器２２が加わり、また音
響光学素子１４を駆動する駆動回路１５が、基準用の水
晶発振器２３１、制御回路２３２および増幅器２３３か
らなる駆動回路２３に置き換えられている点である。

上記構成において、ビート信号の周波数安定性は、次の
ようにして得られる。

先に述べたように、光周波数１０＝４６３．７ＴＨｚの
Ｋｒイオンガスレーザ１から出射されたレーザ光（Ｓ偏
光）２は、ハーフミラ−３により透過光ビーム４と反射
光ビーム５とに分離され、それぞれ音響光学素子６．１
４に入射する。

ここで、音響光学素子６．１４はテルライトガラス（Ｈ
ＯＹＡ（株）製ＡＯＴ−５）からなる音響光学媒体の側
面に、ＬｉＮｂ０１３６ＯＹ板からなる圧電板の両生表
面に電極を付着形成して構成されたトランスジューサ８
，１６を配設したもので、それぞれ４２ＭＨｚ、４３Ｍ
Ｈｚの共振周波数を有する。

そこで、上記共振周波数の高周波信号をそれぞれトラン
スジューサ８．１６に印加して音響光学素子６，１４０
各媒体内に超音波信号を伝搬させ、前述した透過光ビー
ム４と反射光ビーム５のそれぞれの光周波数が周波数シ
フトされた１次回折光９．１７が得られ、それぞれミ？
−１０，１８で反射される。そして、一方の１次回折光
９は、１／２波長板１１によりＰ偏光のレーザ光１２と
なって偏光ビームスプリッタ１３を透過し、他方の１次
回折光１７は偏光ビームスプリッタ１３で反射される。

なお、ここで偏光ビームスプリッタ１３は。

全体形状が立方体で、１つの三角柱状のガラス基体の正
方形の側面に誘電体多層膜、すなわち硫化亜鉛（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）のような低屈折率物質の層（
Ｌ層）とを交互に複数（本実施例では２３層）積層した
ものを付着形成し、もう一つの三角柱状のガラス基体の
正方形の側面を接合することによって構成したものであ
る。

光周波数ｆ。＋２１ＨｚのＰ偏光と、光周波数ｆｏ＋４
３ＭＨｚのＳ偏光とを同一光路上に有する偏光ビームス
プリッタ１３の出射光ビーム１９は、無偏光ビームスシ
リツタ２０に入射して、その偏光状態を変えることなく
２つの光ビームに分離てれる。

無偏光ビームスプリッタ２０は、偏光ビームスグリツタ
１３と同様に全体形状が立方体で、１つの三角柱状のガ
ラス基体の正方形の側面に後記する多層膜を付着形成し
、もう１つの三角柱状のガラス基板の正方形の側面を接
合することによって形成したものである。多層膜は、入
射光の偏光状態にかかわらず、エネルギ透過率およびエ
ネルギ反射率がほぼ等しくなるようにしたもの（例えば
エネルギ透過率が４７％、エネルギ反射率が４６ｑｂ＞
であシ、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）、Ｈ層、銀薄膜
層、Ｈ層、Ｌ層およびＨ層を順次積層して形成される。

このような無偏光ビームスグリツタ２０により分離され
た２つの光ビームのうち、透過光ビーム２４は、そのま
まこの直交偏波形光周波数シックの出射光として利用さ
れる。

他方１反射光ビーム２５は、方位角４５″の第２偏光ビ
ームスグリツタ２１によりＰ偏光成分とＳ偏光成分が合
２成されたレーザ光２６となり、光検出器２２により電
気信号（ビート信号）に変換され、制御回路２３２に供
給される。このビート信号の周波数は、上記Ｐ偏光とＳ
偏光の各光周波数の差（ＩＭＨｚ）である。

制御回路２３２には、水晶発振器２３１からの電気信号
も供給される。水晶発振器２３１は、発振周波数がＩＭ
Ｈｚで、１０〜４０℃の温度範囲で±５ｐｐｍの周波数
安定度を有している。制御回路２３２は、これら両人力
信号の周波数差に応じた制御信号を出力する。この制御
信号は増幅器２３３により増幅されて、出力の高周波信
号がトランスジューサ１６に加えられる。光検出器２２
から出力されるビート信号の周波数がＩＭＨｚであり、
このビート信号と水晶発振器２３１０発振出力との周波
数差が零であるときは、制御回路２６は４３ＭＨｚの制
御信号を出力する。すなわち、音響光学素子６の中心周
波数が４２ＭＨｚであるのに対し、音響光学素子１４の
中心周波数が４３ＭＨｚである点は、第３図における場
合と全く同様である。

ここで１例えば音響光学素子６の中心周波数がその駆動
回路７内の水晶発振器の温度特性により最大５ｐｐｍ変
動し、４２ＭＨｚから４２Ｍ’Ｈｚ　−２１０Ｈｚに減
少した場合、光検出器２２が出力するビート信号の周波
数はＩ　ＭＨｚからＩＭＨｚ　＋２１０Ｈｚに増大し、
水晶発振器２３１の周波数ＩＭＨ２との間に十２１０Ｈ
ｚの周波数差が生ずる。このとき、制御回路２３２は、
その出力する制御信号の周波数を４３ＭＨｚ−２１０Ｈ
ｚ　とする。その結果、偏光ビームスグリツタ１３の出
射光ビーム１９のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光周波数は
それぞれｆ。＋４２ＭＨｚ−２１０Ｈｚとｆｏ＋４３Ｍ
Ｈｚ　　２１０Ｈｚ　となり、ビート周波数はＩＭＨｚ
となる。

逆に、音響光学素子６の中心周波数が４２ＭＨｚから４
２ＭＨｚ＋２１０Ｈｚ　に増大した場合には、光検出器
２２が出力するビート信号の周波数はＩＭＨｚからＩＭ
Ｈｚ−２１０Ｈｚに減少し、水晶発振器２３１の発振出
力との周波数差が一２１０Ｈｚとなる。その結果、制御
回路２３２が出力する制御信号の周波数は４３ＭＨｚ　
＋２１０Ｈｚとなることから、偏光ビームスプリッタ１
３の出射光ビーム１９のＰ偏光成分とＳ偏光成分の光周
波数はそれぞれｆ、　＋４２ＭＨｚ＋２１０Ｈｚとｆ（
、＋４３ＭＨｚ　＋２１０Ｈｚとなり、ビート周波数は
やは、！ｌ）ＩＭＨｚとなる。

このようにして、この直交偏光形光周波数シフタの出力
としての、無偏光ビームスグリツタ２０の透過光ビーム
２４のＰ偏光成分とＳ偏光成分相互の周波数差は常にＩ
ＭＨｚに保持され、その安定性は基準となる水晶発振器
２３１の安定性（±５ｐｐｍ　）のみによって決まる。

換言すれば第３図に示したものにおいてはビート周波数
ＩＭＨｚ自体にて 対ｌ、′ｔｈ４２５　Ｈｚの変動幅であったものが、±
５Ｈｚの変動幅に抑えることができる。

なお、中間波信号の周波数および２つの音響光学素子６
，１４の中心周波数は上述した例に限定されるものでは
なく、水晶発振器２３１の周波数および音響光学素子６
の駆動回路７の水晶発振器の周波数を変えることにより
、それぞれ所望の値を任意に選定することができる。ま
た、制御回路２３２０制御信号により音響光学素子６の
方を駆動するように構成してもよいことはいうまでもな
い。

第２図は本発明の他の実施例を示す直交偏波形光周波数
シフタの構成図である。同図において。

３１はＨｅ　−Ｎ　ｅガスレーザ（波長λ１＝６３２．
８ｎｍ、光周波数７１＝４７４．１ＴＨｚ）、３２．３
３は偏光ビームスプリッタ１３と同様の構造を有する偏
光ビームスシリツタ、３４．３５は音響光学素子６゜１
４と同様の構造を有する（ただし中心周波数はそれぞれ
８０ＭＨｚおよび８１ＭＨｚ）音響光学素子、３６．３
７はこれらのトランスジューサ、３８゜３９はトランス
ジューサ３６．３７に高周波信号を供給する駆動回路、
４０．４１はミラー１０゜１８と同様のミラー、４２は
無偏光ビームスプリッタ２０と同様の無偏光ビームスプ
リッタ、４３は偏光ビームスプリッタ２１と同様の偏光
ビームスグリツタ、４４は光検出器２２と同様の光検出
器である。

一駆動回路３９は、ＩＭＨｚの基準用水晶発振器３９１
、制御回路３９２および増幅器３９３からなυ。

中心周波数が８１ＭＨｚである点を除いて駆動回路２３
と同様である。

上記構成において、レーザ３１から出射されたレーザ光
４５は１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、偏光ビームスプリッタ３２によりＰ偏
光のレーザ光ビーム４６と。

Ｓ偏光のレーザ光ビーム４７とに分離され、それぞれ音
響光学素子３４．３５に入射する。そこで、周波数シフ
トを受けて、光周波数がｆ、＋２０Ｈｚの１次回折光４
８と光周波数がｆ　＋　十８１　ＭＨｚの１次回折光４
９が得られる。このうち、１次回折光４８はＰ偏光であ
ることから偏光ビームスプリッタ３３を透過し、他方１
次回折光４９はＳ偏光であることから当該偏光ビームス
プリッタ３３で反射され、このようにして光周波数ｆＩ
＋８０ＭＨｚのＰ偏光と光周波数／　！＋８１　ＭＨｚ
のＳ偏光とを同一光路上に有する出射光ビーム５０が得
られる。

その後、無偏光ビームスデリック４２により分離された
透過光ビーム５１が、この光周波数シフタの出射光とし
て利用される。他方、反射光ビーム５２は、偏光ビーム
スグリツタ４３によりＰ偏光成分とＳ偏光成分とが合成
されたレーザ光５３と逢った後、光検出器４４により電
気信号（ビート信号）に変換され、水晶発振器３９１の
出力信号との周波数差に応じた制御信号を制御回路３９
２が出力することにより上記ビート信号の周波数がきわ
めて安定に保持されることは第１図の実施例の場合と同
様である。

本実施例は、第１図の実施例に比較し、製作が難しくま
た温度の影響を受けやすい１／２波長板１１を不要とし
た利点を有する。

ここで、中間波信号の周波数および２つの音響光学素子
の中心周波数が上述した例に限定されるものではなく、
任意に設定可能であること、また制御回路３９２の制御
信号により音響光学素子３５の方を駆動してもよいこと
は第１図の実施例の場合と同様である。

なお、上述した各実施例においては、音響光学素子６　
（３４）　、　１４　（３５）　　の各媒体を別個に設
けたが、これらの媒体を共通にして、１個の媒体の１側
面上にトランスジューサ８　（３６）　、　１６　（３
７）を並設してなる２個分の音響光学素子にしてもよい
。また、偏光ビームスプリッタ１３，３２．３３は、ウ
オラトンプリズムおよびロションプリズムなどにより構
成してもよい。さらに、光損失が許容できる場合には、
偏光ビームスグリツタ１３゜３３の代りに無偏光ビーム
スプリッタ２０．４２と同様の構成の無偏光ビームスグ
リツタを用いてもよい。

また、無偏光ビームスプリッタ２０．４２の代りに、単
なるハーフミラ−を用いてもよい。

なお、レーザについては、上述したようなガスレーザの
他にも、Ｐ偏光成分およびＳ偏光成分を有する半導体レ
ーザ、色素レーザまたは固体レーザなどを用いても上述
したと同様の効果を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ビート信号の周
波数を検出し、それが基準となる水晶発振器の周波数と
常に一定の関係を保持するように一方の音響光学素子の
駆動周波数を制御する制御回路を設けたことにより、ビ
ート信号の周波数安定性を上記基準となる水晶発振器の
安定性と同等まで高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２図は本発
明の他の実施例を示す構成図、第３図は従来例を示す構
成図である。 １．３１・・・・レーザ、６．１４，３４．３５・・・
・音響光学素子、１９．５０・・・・出射光ビーム、２
０．４２・・・・無偏光ビームスシリツタ、２１．４３
・・・・偏光ビームスプリッタ、２２．４４・・・・光
検出器、２３．３９・・・・駆動回路、２３１　、３９
１・・・・水晶発振器、２３２　、３９２・・・・制御
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光を２本の光ビームに分離し、各光ビームをそれ
   ぞれの音響光学素子により周波数シフトして得られる光
   周波数の異なる２つの直線偏光を同一光路上に出射する
   光周波数シフタにおいて、上記２つの直線偏光からなる
   出射光を２分割する手段と、分割した一方の２つの直線
   偏光を合成する偏光子と、この偏光子の出力光を検出す
   る光検出器と、この光検出器で得られた上記２つの直線
   偏光のビート信号の周波数を基準用水晶発振器の周波数
   と比較して周波数差に応じた制御信号を出力する制御回
   路とを備え、上記制御信号により音響光学素子の一方を
   駆動するようにしたことを特徴とする光周波数シフタ。