WO2004013590A1 - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

光検出装置１は、真空容器１０内に配置された光電面３０及び電子増倍部５０を含む。これらにより光電子増倍管が構成される。光検出装置１は、光信号Ｌが流れる光ファイバ２０を備え、光電面３０が光ファイバ２０の端面２７上に形成されている。

Description

明細書

光検出装置

技術分野

【0 0 0 1】 本発明は、 例えば、 光電子増倍管のような光学部品を含む光検出 装置に関する。

背景技術

【0 0 0 2】 図 3は、 従来の光検出装置の模式図である。 従来の光検出装置は 、 光電子増倍管 8 0及び結像系 9 0を含む。 光電子増倍管 8 0は、 管状をした真 空容器 8 1内に、 真空容器 8 1の一方の端面から他方の端面に向かって順に、 電 極 8 3 a、 光電面 8 5、 アパーチャ電極 8 3 b、 収束電極 8 3 c、 電子増倍部 8 7、 読み出し電極 8 3 dが配置された構造をしている。 結像系 9 0は、 互いに対 向して配置されたレンズ系 9 1、 9 3と、 レンズ系 9 1とレンズ系 9 3との間に 配置された波長選択フィルタ 9 5と、 レンズ系 9 3の位置を微調整する調整部 9 7と、 を含む。 波長選択フィルタ 9 5により光信号 Lのうち必要となる波長成分 が選択される。

【0 0 0 3】 光源 Sからの光信号 Lは、 結像系 9 0により光電面 8 5に結像さ れる。 調整部 9 7を用いてレンズ系 9 3の位置を微調整することにより、 結像の 調整がなされる。 この結像により光電面 8 5内の電子が励起され真空中に光電子 が放出される （外部光電効果)。放出された光電子のうちアパーチャ電極 8 3 の 開口部 8 2を通過した光電子が収束電極 8 3 cによつて電子増倍部 8 7に収束さ れる。 電子增倍部 8 7において二次電子放出が繰り返えされることにより電流増 幅される。 これが出力信号として読み出し電極 8 3 dを介して読み出される。

【0 0 0 4】 さて、 上記光検出装置において、 光電面 8 5に入射する光信号 L の強度が極度に小さい場合、 計測における信号 雑音の比は熱雑音の影響を強く 受ける。 つまり、 熱雑音が大きくなると計測における信号/雑音の比が悪くなる のである。 従って、 熱雑音を低減することが重要である。 熱雑音は、 光電面 8 5 の温度を低下させたりすることや、 光電面 8 5の面積を小さくすることにより、 低減することができる。 従来は、 ペルチェ冷却器 8 9を光電面 8 5の近傍に配置 することにより光電面 8 5の温度を低下させたり、 アパーチャ電極 8 3 bにより 光電面 8 5の有効面積を低減させたりしている。 アパーチャ電極 8 3 bの開口部 8 2の開口面積に相当する面積が光電面 8 5の有効面積となる。

発明の開示

【0 0 0 5】 従来の光検出装置は、 アパーチャ電極 8 3 bの開口部 8 2を通過 した光電子が電子増倍部 8 7に収束される。 光電面 8 5から放出された光電子を 効率的に利用するためには、 開口部 8 2を通過する光電子を多くしなければなら ず、 そのために、 結像系 9 0及び調整部 9 7が必要となる。 また、 アパーチャ電 極 8 3 bを設けることにより、 光電面 8 5とアパーチャ電極 8 3 bにより形成さ れる電場が原因でレンズ効果が発生する。 この捕正のため収束電極 8 3 cが必要 となる。 このように、 従来の光検出装置は結像系 9 0、 調整部 9 7、 収束電極 8 3 c等を備えなければならず、 これらが装置の小型化の妨げとなっていた。 【0 0 0 6】 本発明の目的は、 熱雑音を低下させつつ、 小型化が可能な光検出 装置を提供することである。

【0 0 0 7】 本発明に係る光検出装置は、 光の出射面となる端面を有する光フ ァイノ と、 端面上に形成され端面から出射される光を基にして光電子を放出する 光電子放出部と、 を含む。

【0 0 0 8】 本発明によれば、 光ファイバの端面上に光電子放出部 （例えば光 電面） が形成されているので、 光電子放出部に光を結像させるための結像系や結 像系のレンズを微調整する調整部が不要となる。 また、 同じ理由によりァパーチ ャ電極が不要となるので、 光電子放出部とアパーチャ電極により形成される電場 が原因となるレンズ効果が発生することはない。 よって、 本発明によればレンズ 効果を捕正するための収束電極を配置しなくてもよい。 また、 光ファイバの端面 上に光電子放出部が形成されているので光電子放出部の小型化が可能となる。 以 上の理由により本発明によれば、 光検出装置の小型化が可能となる。

【0 0 0 9】 また、 上記の通り光電子放出部の小型化が可能となるので、 熱雑 音を低減することができる。 よって、 本発明によれば、 計測における信号 Z雑音 の比を良好にすることが可能となる。

【0 0 1 0】 本発明において、 光ファイバはコア部を含み、 端面の少なくとも 一部はコア部を含み、 光電子放出部は端面のコア部上にのみ形成されている構造 にすることが好適である。 これによれば、 光電子放出部をさらに小型化すること ができるので、 熱雑音を低減することができ、 計測における信号 Z雑音の比を良 好にすることが可能となる。

【0 0 1 1】 本発明において、 コア部に波長選択用の回折格子が形成されてい る構造にすることが好適である。 本発明において、 光ファイバからの光漏れを防 ぐために、 光ファイバの表面に配置された遮光性皮膜を含む構造にすることが好 適である。 本発明において、 光ファイバは光の入射面となる他の端面を含み、 光 検出装置は他の端面に取付けられた光ファイバコネクタを含む構造にすることが 好適である。 本発明において、 光電子放出部の温度を低下させるための冷却部を 含む構造にすることが好適である。

図面の簡単な説明

【0 0 1 2】 図 1は、 本実施形態に係る光検出装置の一例の断面模式図である 【0 0 1 3】 図 2は、 本実施形態に係る光検出装置の他の例の断面模式図であ る。

【0 0 1 4】 図 3は、 従来の光検出装置の椟式図である。

発明を実施するための最良の形態

【0 0 1 5】 本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。図 1は、 本実施形態に係る光検出装置の一例の断面模式図である。 光検出装置 1は、 内部 が真空にされたガラス管からなる真空容器 1 0と、 コア部 2 1及びコア部 2 1の 周囲に形成されたクラッド層 2 3を含む光ファイバ 2 0と、 を備える。

【0 0 1 6】 真空容器 1 0は一方の端面 1 1と他方の端面 1 3を有する。 光フ アイバ 2 0の端部 2 5は、 端面 1 1から真空容器 1 0内に挿入され、 固定されて いる。 端部 2 5には光ファイバ 2 0の端面 2 7がある。 コア部 2 1を伝播した光 源からの光信号 Lは、 端面 2 7から出射される。 端面 2 7上のうちコア部 2 1の 部分上には、 金属が吸着しやすいように表面をナノメートル程度で荒らして蒸着 した下地金属層 3 2と、 光電子放出部の一例である光電面 3 0とが積層されてい る。 光電面 3 0により外部光電効果が生じる。 つまり、 端面 2 7から出射された 光信号 Lが光電面 3 0に入射することにより、 光電面 3 0から真空容器 1 0中に 光電子が放出される。 光電面 3 0を端面 2 7上に形成する方法として、 例えば、 以下の方法がある。 まず、 端面 2 7上に金属層を蒸着する。 この金属層をフォト リソグラフィとエッチングを用いてパターニングすることにより、 端面 2 7上の うちコア部 2 1の部分上にのみこの金属層を残す。これが下地金属層 3 2となる。 そして、 下地金属層 3 2上に光電面の材料を選択的に蒸着することにより、 端面 2 7上に光電面 3 0が形成される。

【0 0 1 7】 真空容器 1 0内には、 光電面 3 0に下地金属層 3 2を介して電気 的に接続されている電極 4 0が配置され、 また光電面 3 0と所定距離を設けて向 かい合うように電子増倍部 5 0が配置されている。 電子增倍部 5 0としては公知 の電子増倍部が用いることができる。電子増倍部 5 0の構造や材料は様々であり、 これらにより光検出装置 1の電流増倍率、 時間応答特性等が異なるので、 光検出 装置 1の使用目的に応じて、 電子増倍部 5 0の構造や材料を選択する。 真空容器 1 0内であって、 端面 1 3と電子増倍部 5 0との間には読み出し電極 6 0が配置 されており、読み出し電極 6 0の一部は端面 1 3を介して外部に引出されている。 真空容器 1 0、 光電面 3 0及び電子增倍部 5 0により光電子増倍管が構成されて いる。

【0 0 1 8】 ここで、 光検出装置 1の動作を説明する。 光ファイバ 2 0のコア 部 2 1を伝播してきた光信号 Lは光ファイバ 2 0の端面 2 7を介して光電面 3 0 に入射する。 これにより光電面 3 0内の電子を励起し真空中に光電子を放出する

(外部光電効果)。光電子は電子増倍部 5 0に入射する。電子増倍部 5 0において 二次電子放出が繰り返えされることにより電流増倍された光電子は、 読み出し電 極 6 0に送られる。

【0 0 1 9】 光検出装置 1によれば、光信号 Lが流れる光ファイバ 2 0を備え、 かつ光電面 3 0が光ファイバ 2 0の端面 2 7上に形成されている。 このため、 結 像系、 収束電極等が不要となり、 装置の小型化が可能となる。 また、 光伝播と光 電子変換を高効率にすることが可能となる。

【0 0 2 0】 また、 光検出装置 1によれば、 光電面 3 0が端面 2 7のコア部 2 1上にのみ形成されているので、 光電面の小型化を図ることができる。 よって、 熱雑音を極限まで低減することが可能となるので、 計測における信号 Z雑音の比 を良好にすることできる。 なお、 光電面 3 0は端面 2 7のコア部 2 1上及びクラ ッド層 2 3上に形成されていてもよい。

【0 0 2 1】 上記の効果について数値を用いて具体的に説明する。 光検出装置 1によれば、 例えば、 コア部 2 1の径が 1 2 5 μ πιのマルチモードファイバを用 いた場合、 直径 5 mmの光電面 （通常の大きさの光電面） と比較して、 光電面 3 0は面積比で 1 6 0 0分の 1になる。 また、例えば、光電面が GaAsであり光電面 の冷却部を備えた従来のタイプにおいて、 光電面の雑音レベルが 1 0 0 c p s程 度となる。 光検出装置 1によれば、 熱雑音が 0 . 0 6 3 c p sとなる。

【0 0 2 2】 次に、本実施形態に係る光検出装置の他の例を説明する。図 2は、 この光検出装置 3の断面模式図である。 光検出装置 3については、 図 1に示す光 検出装置 1との相違点を説明する。 光検出装置 3を構成する要素のうち光検出装 置 1の構成要素と同一のものについては同一符号を付すことにより説明を省略す る。

【0 0 2 3】 光ファイバ 2 0のコア部 2 1の一部に回折格子 2 9が形成されて いる。 これにより、 光信号のうち測定したい波長成分のみを選択することが可能 となる。 また、 光ファイバ 2 0の周囲には遮光用皮膜 2 2が形成されている。 こ れにより光ファイバ 2 0内の光信号が外部に漏れるのを防ぐことが可能となる。 光ファイバ 2 0の端部 2 5と反対側の端部 2 4には、 F C型の光ファイバコネク タ 7 0が取付けられている。 なお、 光電面 3 0は端面 2 7のコア部 2 1上にのみ 形成されているが、 端面 2 7のコア部 2 1上及ぴクラッド層 2 3上に形成されて いてもよい。

【0 0 2 4】 真空容器 1 0内であって端面 1 1及び光電面 3 0の近傍には、 ぺ ルチェ冷却器 1 3が配置されている。 ペルチヱ冷却器 1 3には貫通孔があり、 そ こに光ファイバ 2 0の端部 2 5が通されている。 ペルチェ冷却器 1 3により光電 面 3 0が冷却される。 これにより、 熱雑音を低減することができる。 なお、 光検 出装置 3の動作及び効果は光検出装置 1と同様である。

Claims

請求の範囲

1 . 光の出射面となる端面を有する光ファイバと、

前記端面上に形成され、 前記端面から出射される光を基にして光電子を放出する 光電子放出部と、

を含む光検出装置。

2 . 前記光ファイバはコア部を含み、

前記端面の少なくとも一部は前記コア部を含み、

前記光電子放出部は前記端面の前記コア部上にのみ形成されている、 請求項 1記 載の光検出装置。

3 . 前記コア部に波長選択用の回折格子が形成されている、 請求項 1又は 2 記載の光検出装置。

4 . 前記光ファイバからの光漏れを防ぐために、 前記光ファイバの表面に配 置された遮光性皮膜を含む、 請求項 1〜 3のいずれかに記載の光検出装置。

5 . 前記光ファイバは光の入射面となる他の端面を含み、

前記光検出装置は前記他の端面に取付けられた光ファィバコネクタを含む、 請求 項 1 ~ 4のいずれかに記載の光検出装置。

6 . 前記光電子放出部の温度を低下させるための冷却部を含む、 請求項 1〜 5のいずれかに記載の光検出装置。

7 . 前記端面と前記光電子放出部との間に金属層が位置する、 請求項 1〜6 のいずれかに記載の光検出装置。