JPH0198973A - 電圧検出装置 - 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、光変調器を用いてピコ秒オータの時量分解能
で電圧を検出する電圧検出装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、光変調器を用いて電圧を検出する装置か知られて
いる。

第５図は米国特許箱４，４４６，４２５号に開示されて
いるこの種の従来の電圧検出装置の概略構成図である。

第５図の電圧検出装置では、パルス光源５０から１２０
フ工ムト秒程度の短光パルスを繰返し出力し、この短光
パルスをチョッパ５１．可変遅延器５２を介し被測定物
５３１例えば光電スイッチに入力させる一方、光変調器
４０に入射させている。光変調器４０は、偏光子５５．
ポッケルスセル５４１位相補償器５６．検光子５７で構
成され、入射した短光パルスが被測定物５３からの電圧
により変調される現象を利用し、電圧波形を光強度の形
で取出すようになっている。より詳しくは短光パルスに
同期して被測定物５３がら出力される検出されるべき電
圧を光変調器４０のポッケルスセル５４に加える一方、
ポッケルスセル５４にはパルス光源５０からの短光パル
スのうち偏光子５５によって抽出された所定の偏光成分
のものを入射させる。ポッケルスセル５４には、電圧の
印加で屈折率が変化するＬｉＮｂＯ３゜ＬｉＴａ、０３
などの電気光学材料が用いられている。電気光学材料の
上記性質によって、ポッケルスセル５４に入射した短光
パルスは、被測定物５３からの電圧により偏光状態が変
化し変調されて出射光として出射し、位相補償器５６を
介して検光子５７に入射する。検光子５７では、位相補
償器５６からの出射光から直交する２つの偏光成分を抽
出し、それぞれ変調された光強度信号を光変調器４０か
らの出力として光検出器５８．５９に入射させるように
なっている。光検出器５８゜５つでは、各偏光成分の光
強度を検出し、差動増幅器６０で光検出器５８．５９か
らの出力信号を差動増幅し、ロックインアンプ６１．平
均器６２を介し検出結果をデイスプレィ６３に表示する
ようになっている。

なお、可変遅延器５２は、被測定物５３からの電圧発生
タイミングを徐々に遅延させて電圧波形のサンプリング
点を定めるためのものである。またロックインアンプ６
１は、チョッパ５１に同期したタイミングで差動増幅器
６０からの出力を取出しノイズ成分を取除き、平均器６
２はロックインアンプ６１の出力を平均化するようにな
っている。

このような構成の電圧検出装置では、光検出器５８．５
９に応答速度の遅い検出器を用いており、あるサンプリ
ング点においてサンプリングした検光子５７からの出射
光の光強度信号は、光検出器５８．５９において１０ナ
ノ秒程度に広がる。このために、被測定物５３からの電
圧の繰返し周期は１０ナノ秒以上に設定されなければな
らない。

いよ第６図に示すように、被測定物５３からの電圧波形
か例えば１００ピコ秒の広がりをもつときに、これを１
ピコ秒の時間分解能で検出する場合には、可変遅延器５
２をサンプリング点Ｓ１に初期設定し、サンプリング点
Ｓ１における光強度をサンプリングし、これを１０ナノ
秒程度の繰返一　　４　− し周期で繰返し求め平均器６２で平均をとる。次いて可
変遅延器５２を操作してサンプリング点をサンプリング
点Ｓ１から１ピコ秒ずれた次のサンプリング点Ｓ２に移
動し、このサンプリング点Ｓ２における光強度を同様に
して求める。このようにして可変遅延器５２を１００回
操作して、１００個のサンプリング点Ｓ１乃至５１ｏｏ
をとり、各サンプリング点Ｓ　乃至５１ｏｏにおける光
強度を繰返し求め各々平均をとって電圧波形をサンプリ
ング検出する。各すンプリング点Ｓ１乃至５１ｏｏにお
ける光強度信号は１０ナノ秒程度に広かっているが、サ
ンプリングタイミングが１ピコ秒づつすれているので、
電圧波形を１ピコ秒の分解能で検出することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このように従来の電圧検出装置では、１００ピコ秒の広
がりをもつ電圧波形を１ピコの分解能で検出するために
可変遅延器５２を１００回操作しなければならず短時間
で検出を完了させることができないという問題があった
。また１ピコ秒の遅延に可変遅延器５２を例えば０．３
＋ｎｍ移動させねばならないとすると、１００回の操作
で可変遅延器５２の移動量は３０ｍｍと非常に大きくな
り、可変遅延器５２を小型かつ簡肋な構造のものにする
には限界があるという問題があった。

本発明は、電圧波形の検出を短時間で完了させることが
できて、操作性を著しく向上させることの可能な電圧検
出装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、光パルスを出力するパルス光源と、パルス光
源からの光パルスによりパルス列を発生し光変調手段に
入射させるパルス列発生手段と、検出されるべき電圧波
形により前記光変調手段において変調されたパルス列の
各光パルスの光強度を検出する光検出手段とを備えてい
ることを特徴とする電圧検出装置によって、上記従来技
術の問題点を改善するものである。

〔作用〕

本発明では、パルス光源からの光パルスに基づきパルス
列発生手段でパルス列を発生する。パルス列は光変調手
段に入射し、パルス列を構成する各光パルスに対応した
複数のサンプリング点で光変調手段に加わる電圧波形を
同時にサンプリングする。換言すれば光変調手段に加わ
る電圧波形によってパルス列の各光パルスを変調し、こ
の各光パルスの光強度が複数のサンプリング点での電圧
波形のサンプリング結果となる。このようにして変調さ
れたパルス列の各光パルスの光強度は、光検出手段に入
力し、そこで複数のサンプリング結果として一度に検出
される。なお電圧波形またはパルス列を例えば可変遅延
手段により時間的にすらすことにより、上記複数のサン
プリング点をずらし、これによってサンプリング点をよ
り細かく。

より多くのサンプリング点での検出結果を得ることもで
きる。この場合、可変遅延手段による時間遅延量は、パ
ルス列の各光パルス間の時間間隔で良いので可変遅延手
段の移動量を少なくし、そのｉｐ造を小型化かつ簡単化
できる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成図
である。第１図において第５図と対応する箇所には同じ
符号を付す。

本実施例の電圧検出装置は、光パルスを出力するパルス
光源１０と、パルス光源１０からの光パルスから等間隔
のパルス列を発生するパルス列発生装置１１と、パルス
列によりサンプリングされた複数のサンプリング点にお
ける光強度信号を出力する光変調器４０と、複数のサン
プリング点での光強度信号を検出する光検出器１２と、
光検出器１２からの検出結果に対し所定の処理を施すコ
ンピュータ１３とを有している。

複数のサンプリング点は被測定物５３からの電圧を可変
遅延器１４により遅延することにより徐々にずらされる
。また光検出器１２のトリガ信号は、トリガ用光検出器
１５により作成される。なおパルス列発生装置１４は、
例えば光学的エタロ＝　９− 一　　８　− ンで作られている。

このような構成の電圧検出装置では、パルス光源１０か
ら出力される１つの光パルスをハーフミラ−１６で分岐
し、一方をハーフミラ−１７に、他方をトリガ用光検出
器１５に加える。ハーフミラ−１７に入射した光パルス
は、ミラー１８を介しパルス列発生装置１１に加わる一
方、可変遅延器１４を介して被測定物５３に加わる。

１つの光パルスが加わると、パルス列発生装置１１から
は、第２図（ａ）に示すように例えば１０個の光パルス
のパルス列が発生し光変調器４０に加わる。また被測定
物５３からは、第２図（ｂ）に示すような検出されるべ
き電圧が発生する。なおパルス列の各光パルス間の間隔
は１０ピコ秒、電圧波形の広がりは１００ピコ秒である
とする。

光変調器４０では、１０個のパルス列により１０個のサ
ンプリング点で電圧波形を光強度の形でサンプリング抽
出し、光検出器１２に加える。

光検出器１２では１０個のサンプリング点で抽出された
光強度信号をトリガ用光検出器１５からの＝　　１０　
− トリガ信号に同期させて第２図（Ｃ）に示すように順次
に検出し、コンピュータ１３に送る。

なお、パルス列の各光パルスに対応した光強度信号を互
いに分離して検出するために、光検出器１２の時間分解
能はパルス列の各パルス間の間隔以下でなければならな
い。パルス間の間隔を１０ピコ秒にすると、光検出器１
２としては１０ピコ秒以下の高時間分解能をもつ高速光
検出器例えばサンプリング型光オッシロスコープを用い
る必要がある。

繰返し生起する被測定物５３からの電圧（例えば、繰返
し周期＝１０ナノ秒）に対し、複数のサンプリング点で
繰返してサンプリング抽出した光強度信号は、コンピュ
ータ１３内で各サンプリング点ごとに統計処理（例えば
加算処理、平均化処理）がなされ、第２図（ｄ）に示す
ように１０ピコ秒の時間間隔の１０個のサンプリング点
における光強度データを同時に得ることができる。次に
可変遅延器１４を調節し、ハーフミラ−１７から被測定
物に加わる短光パルスのタイミングを僅かに、例えば１
ピコ秒ずらす。

これにより被測定物５３からの電圧波形は、第２図（ｅ
）に示すように第２図（ｂ）に示すものに比べ１ピコ秒
遅れたものとなり、第２図ｆａ）のパルス列でサンプリ
ングされる１０個のサンプリング点も１ピコ秒ずれるこ
とになる。この状態で上述したと同様にして光検出器１
２とコンピュータ１３とにより次の１０個のサンプリン
グ点における光強度データを同時に得ることができる。

このようにして可変遅延器１４を１０回操作して１０個
のサンプリング点を１ピコ秒づつ１０ピコ秒までずらす
ことにより、１つの電圧波形すなわち光強度波形に対し
て互いに異なる１００個のサンプリング点におけるサン
プリング抽出を行なうことができる。

第５図に示す従来の電圧検出装置と比較すると、本実施
例の装置では、同時に１０個のサンプリング点での検出
を行なうので検出時間を１／１０にすることができ、ま
た可変遅延器１４の移動量は、１／１０となり、１ピコ
秒の遅延に０，３鴎の移動を必要とすると、全体の移動
量は３　ｍｍとなる。

なお第１図の装置では、光パルスのパルス幅と可変遅延
器１４の１回の移動量とが装置全体の時間分解能を決め
るので（光検出器１２の時間分解能はパルス列の間隔の
みを決定する。）、１ピコ秒の時間分解能を得るには、
パルス幅を１ピコ秒にする必要がある。

上述の実施例では、光検出器１２として時間分解能１０
ピコ秒程度のサンプリング型光オッシロスコープを用い
て、１０ピコ秒の時間間隔の複数のサンプリング点につ
き同時にサンプリングする場合を例にとって説明したが
、光検出器１２としてさらに時間分解能の高いストリー
クカメラ（時間分解能２ピコ秒）を用いる場合には、パ
ルス光源１０としてはサブピコ秒のレーザを使用し、ま
たパルス列の間隔を例えば２．５ピコ秒にすることがで
きる。これによりストリークカメラでは、第３図（ａ）
に示すように２．５ピコ秒間隔の複数のサンプリング点
で抽出された光強度信号がストリーク（ｉＦＧとして得
られる。このストリーク像ＦＧは、単なる輝点てしかな
いが、ストリークカメラ用に開発された高性能画像処理
解析装置（テンポラルアナライザ）によってストリーク
像を解析すると、第３図（ｂ）に示したような出力波形
を得ることができて、この出力波形を第１図に示したと
同様にコンピュータ１３に送り統計処理を施して電圧波
形を検出することができる。

このようにパルス列の各光パルス間の間隔を短かく設定
できる場合には、あるいはサンプリング点が粗くても良
いような場合には、可変遅延器１４は必ずしも必要でな
く、電圧波形をずらすことなく、全てのサンプリング点
でのサンプリングを１回で同時に行なうことができるう また、検出されるべき電圧波形の広がりががなり大きく
、数ナノ秒のオーダのものである場合には、光検出器１
２としてゲート付光電子増信管を用いても良い。

例えば、パルス光源からパルス幅が１０ピコ秒の光パル
スが出力され、パルス列発生装置１１から第４図［ａ）
に示すように１ナノ秒の時間間隔でパルス列が出力され
るようにして、第４図（ｂ）に示すような１０ナノ秒の
広がりをもつ電圧波形を測定すると、ゲート付光電子増
倍管の出力は第４図（Ｃ）に示すようになる。ゲート付
光電子増倍管のこの出力を通常のオッシロスコープある
いはデジタルオッシロスコープに入力して取込ませ、コ
ンピュータ１３により処理する。装置全体の時間分解能
は前述のように、光パルスのパルス幅と、可変遅延器１
２の１回の移動量すなわち１回の遅延時間とで決まり、
光検出器１２の時間分解能にはよらないので、可変遅延
器１２を例えば３關づつ移動させ複数のサンプリング点
を１０ピコ秒づつすらすと、１０ピコ秒の時間分解能で
電圧波形を検出できる。パルス列の間隔は１ナノ秒であ
るので、電圧波形全体を検出するのに可変遅延器１２を
１００回移動させれば良く、全体の移動量は３０ｃＩ１
１となる。第５図に示すようなパルス列を用いない従来
の電圧検出装置では、全体の移動量は３００ａｎとなる
ので、移動量を１／１０に低減できて装置を小型化する
ことができる。さらに検出時間を１／１０に短縮できる
。

なお上述の実施例において複数のサンプリング点をずら
すのに、被測定物５３からの電圧波形を可変遅延器１４
により時間的にすらしていたが、例えばパルス列発生装
置１１と光変調器４０との間に可変遅延器を設け、パル
ス列を時間的にずらすようにしても良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、光変調手段に
より変調されたパルス列の各光パルスの光強度を同時に
検出するようにしているので、電圧波形を複数のサンプ
リング点で同時にサンプリング抽出することができて、
検出時間を著しく短縮できるとともに操作性を著しく向
上させることができる。なお、より細かなサンプリング
を望む場合には、検出されるべき電圧波形またはパルス
列を可変遅延器により時間的に徐々にずらさなければな
らないが、この場合でも全体の時間遅延量は少なくて済
み、可変遅延器を小型でかつ簡単な構造のものにするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧検出装置の一実施例の構成図
、第２図（ａ）はパルス列を示す図、第２図（ｂ）は検
出されるべき電圧波形を示す図、第２図［Ｃ）は光検出
器で検出された光強度信号を示す図、第２図（ｄ）はコ
ンピュータ処理された光強度データを示す図、第２図（
ｅ）は第２図（ｂ）に示す電圧波形を１ピコ秒ずらした
状態を示す図、第３図（ａ）はストリーク像を示す図、
第３図（ｂ）は第３図（ａ）のストリーク像をテンポラ
ルアナライザにより解析した結果を示す図、第４図（ａ
）は１ナノ秒の時間間隔のパルス列を示す図、第４図（
ｂ）は１０ナノ秒の広がりをもつ電圧波形を示す図、第
４図（Ｃ）はゲート付光電子増倍管の出力信号を示す図
、第５図は従来の電圧検出装置の構成図、第６図は電圧
波形をサンプリングする状態を示す図である。 １０・・・パルス光源、１１・・・パルス列発生装置、
１２・・・光検出器、１３・・・コンピュータ、１４・
・・可変遅延器、１５・・・トリ力用光検出器、４０・
・・光変調器、５３・・・被測定物特許出願人　　　浜
松ホトニクス株式会社代理人　　弁理士　　植　　本　
雅　　泊手続補正書（自船 特許庁長官　小　川　　邦　夫　　殿 １　事件の表示 昭和６２年特許願第２５７５０８号 電圧検出装置 代表者　　書　馬　輝　夫 ７　補正の内容 （１）明細書第１６頁第７行目と第８行目との間に、「
また可変遅延器は、電動のものであっても良いしあるい
は光パルスをステップ的に遅延させるガラス板であって
も良い。光路中に例えば屈折率１．５のガラス板を入れ
る場合、ガラス板の厚さが０．６ｍ＋であるならば光パ
ルスを１ピコ秒遅延させることができる。ガラス板の厚
さを異なるものにしたり、ガラス板を複数枚重ねたりす
ることで任意の遅延を作り出すことができる。なおガラ
ス板には無反射コートが施されている必要がある。」を
挿入する。 （２）第５図を別紙のとおり補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）光パルスを出力するパルス光源と、パルス光源から
   の光パルスによりパルス列を発生し光変調手段に入射さ
   せるパルス列発生手段と、検出されるべき電圧波形によ
   り前記光変調手段において変調されたパルス列の各光パ
   ルスの光強度を検出する光検出手段とを備えていること
   を特徴とする電圧検出装置。 ２）前記パルス列の各光パルス間の時間間隔は、前記光
   検出手段の時間分解能よりも大きいことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ３）前記電圧波形または前記パルス列は、時間的にずら
   されるようになっていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の電圧検出装置。 ４）前記電圧波形または前記パルス列の最大の時間遅延
   量は、パルス列の各パルス間の時間間隔で定められるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出
   装置。 ５）前記光検出手段は、高速光検出器であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装置。 ６）前記高速光検出器は、サンプリング型光オッシロス
   コープであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の電圧検出装置。 ７）前記高速光検出器は、ストリークカメラであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検出装
   置。 ８）前記高速光検出器は、ゲート付光電子増倍管である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電圧検
   出装置。