JPH0219702A - 光学帰還アイソレータ - 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 〔弁葉上の利用分野〕 本発明はレーザ干渉計と共に使用する光学帰還アイソレ
ータに関する。

〔従来技術およびその問題点〕

レーザおよびレーザ干渉計に影響を与え光学帰還の問題
は少なくとも２０年来知られており、例えば１９８１年
１１月発行のＡｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ。

ｖｏｌ、　２０．　Ｎｏ、２１のＰ、３７１１から３７
１４のＮ、　Ｂｒｏｗｎによる論文に記され、説明され
ている。レーザ干渉計光学装置の構成およびこれら光学
装置間の距離により、レーザの内部の空洞（キャビティ
）から発生するレーザ光が再指向されてレーザ空洞に再
び入るようになると、光学的帰還が発生し得る。このよ
うな帰還は元のレーザ・ビームの性質、例えばその強さ
、その周波数、およびその位相などに有害な影響を及ぼ
す。光学装置間の距離が比較的長い場合、例えば５０フ
イート（１フイートは３０．４８ｃｍ　）以上のときは
、レーザ光ビームの自然発散や大気の屈折率の変化によ
り生ずるわずかなビームの再指向のため、この間顕が深
刻になることも多い。

成る干渉計システムの光学帰還を、送出ビームの径路を
そのまま後戻りするする反射を抑制して穏和するのに、
ある種の偏光分離が提案されている。しかしながら、こ
の方法は、送出ビームと戻りビームとを相殺させる変形
マイケルソン干渉計のようなレーザ干渉計に利用するに
は不適当である。Ｂｒｏｗｎの論文はこのような幾つか
の方法を示しており、他の形式のレーザ干渉計を使用す
る場合の方法はＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａ
ｌ　ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅ　Ｉｎｓｔｒ
ｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　　（Ｊ、Ｐｈｙｓ、Ｂ、Ｓｃｉ
。

Ｉｎｓｔｒｕｍ　）　ｖｏｌ、１１．１９７８のＰ、Ｐ
、１９〜２１のＣ，Ｎ、　Ｍａｎ等による論文に記述さ
れている。これらの方法はすべて、変形マイケルソン干
渉計のようなレーザ干渉計に適用することはできない。

何故ならば、これら干渉計は戻りビーム全体を阻止する
からである。

光学帰還を発生させ得る二つの主な機構は、（１）回折
、および、（２）大気によるビーム偏移（偏向）。

これらは二つとも干渉計光学装置の典型的構成には、レ
ーザ空洞から出て必ずではないがしばしば受光器に向か
って反対方向に進行する戻りレーザ・ビームと密接し且
つ平行な送出レーザ・ビームが頻繁存在するという事実
から生ずる。このような光学的構成では、回折が光学帰
還が次のように起こり得る。これら平行ビームが進行す
る距離が充分であれば、回折による戻りレーザ光の自然
発散が戻りレーザ・ビームの直径を、送出ビームを部分
的にまたは全く取囲む点まで大きくすることがあり得る
。これが起こると、送出ビームと充分に一直線を成す戻
りビームの部分が、レーザ空洞に再び入るまで、送出ビ
ームの経路に沿って進行することができる。この再び入
る光の強さおよび一直線の状態が充分であるとき、この
光はレーザ空洞内部の電磁界と干渉する。この状態が光
学帰還として知られている。この結果、上述のように、
送出レーザ・ビームの性質が劣化する。

同じ光学的構成で、大気によるビーム偏移が次のように
光学帰還を発生する。送出または戻りのレーザ・ビーム
が横切る領域で屈折率の変動が起こると、ビームが一時
的に角（ａｎｇｕ　ｆａｒ　ｌｙ）偏移することがある
。たとえば、このような屈折率の変動は空気の乱れ、温
度勾配、圧力勾配、湿度勾配、化学薬品の蒸気の濃縮、
またはこれら効果の組合せの結果、空気中で日常生ずる
ことがある。戻りレーザ・ビームがその予定の径路から
充分偏移すると、その強さの幾分かが、レーザ空洞に再
び入り、光学帰還を発生することがある。ビームの径路
が長くなればなるほど空洞へ再び入るのに必要な角（ａ
ｎｇｕｌａｒ）偏移は小さくなる。また、戻りビームの
直径は上述の発散により距離と共に大きくなるが、この
直径が大きくなればなるほど、空洞へ再び入るのに必要
な角偏移は小さくなる。その結果、光学装置間の距離が
比較的大きいと、問題は厳しくなる。

光学帰還の結果、レーザ空洞から出力するビームが変調
され、出力レーザ・ビームに周波数および強さの変動が
生ずる。これら変動により干渉計測定システムに誤差が
生ずれば、測定が全く止まるかまたはエラー・メツセー
ジが発生されることがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は適切な向きに進んでいる戻りビームがレ
ーザ空洞に到達］２て放射レーザ光ビームに影響を与え
ろことのないようにして光学帰還を防止するとともに、
戻りビームを干渉計を使用している実際の測定に使用で
きるようにすることである。

本発明の他の目的は、測定を行うのに必要な戻りビーム
の部分、例えば、受光器に到達させたい部分の光学的性
質を実質上劣化させずに戻りビー１、による光学帰還を
防止することである。このような光学的性質には、これ
に限定されないが、強さ、周波数、および位相がある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光学帰還アイソレータは、ある偏光の向きの直
線偏光レーザ・ビームを供給する偏光用ビームスプリッ
タと、レーザ・ビームをビームスプリッタに再指向し円
偏光の光の左右像を反転する逆反射体とを備えた干渉計
光学装置の偏光効果に関連して動作する。

光学帰還アイソレータは一対の四分の一５Ｌ遅延体（リ
ターダ）を備えている。

第一の遅延体は、偏光用ビームスプリッタ手段と逆反射
体手段との間の、逆出レーザ・ビームの径路に、その高
速軸を入射ビームの偏光平面に対して＋４５°または、
−４５°にして、挿入されている。これにより送出ビー
ムの直線偏光が一定の左右像の円偏光に変換される。戻
りビームは今度は、逆反射手段で生じた左右像の反転の
ため、送出ビームと比較して左右像が反転した円偏光と
なる。

戻りの光が第一の遅延体を通過して戻るような配置にな
っている場合には、その偏光は送出ビームの向きに直角
な向きを有する直線偏光になる。この光が偏光用ビーム
スブリフタ手段に到達すると、この戻り光は送出ビーム
源の方へは透過されず、他の成る方向に反射される。し
たがって、戻りビームのこの部分はレーザ空洞に到達せ
ず、光学帰還が防止される。

第２の遅延体は、やはり偏光用ビームスプリッタ手段と
逆反射手段との間の戻りレーザ・ビームの径路に、その
高速軸を第一の遅延体の高速軸に直角にして、挿入され
ている。この結果、戻りビームの偏光は送出ビームの元
の向きで直線偏光に変換される。戻りビームのこの部分
は送出ビームのどの部分とも同軸ではないから光学帰還
を生ずることができないことに注目する必要がある。こ
の戻り光が偏光用ビームスプリッタ手段に到達すると、
元の径路を、すなわち、受光器まで、遅延体が全く存在
しない場合と丁度同じ径路を、たどることになる。した
がって、本発明のアイソレータは戻りビームのこの部分
をその光学的性質が実質上影響を受けないようにしてお
く。

本発明出は、第一の遅延体および第２の遅延体はその形
状が相互に適合しており、（１）送出光ビーム全体が第
一の遅延体だけを通過し、（２）戻り光ビームの部分が
受光器に対して第２の遅延体だけを通過して戻り、（３
）の戻り光ビームの不要部分が、これはレーザ空洞に到
達しないように光学的に分離されるが、第一の遅延体だ
けを通過して戻るような配置になっている。一般に、第
一および第２共 の遅延体が隣接し、且つ秦面であれば、必要条件（１）
に適合するほとんどの構成が必要条件（３）を自動的に
満たすことになる。多く構成において、遅延体対の最適
位置はビームスプリッタ手段逆反射手段との間にありな
がら、レーザ空洞に可能なかぎり近接している。

〔実施例〕

第一図は上述の光学帰還の問題を持っている従来例に係
る変形マイケルソン・レーザ・システムの図である。干
渉計システムは発生レーザ空洞におよび受光器を備えた
レーザ・ヘッド１１を具備している。レーザ・ビーム１
４は出口開口１５を通して放射され、偏光用ビームスプ
リッタ１６に入る。このビームスプリッタ１６はレーザ
・ビーム１４を一つの直線偏光を有する送出測定ビーム
１７およびそれに直角な直線偏光を有する基準ビーム１
８に分離する。送出ビーム１７は逆反射され、同じ直線
偏光の戻りビーム２０として現れる。レーザ・ヘッド１
１かト フィー宇のときは送出ビーム１７および戻りビーム２０
が、回折のため、距離と共に拡がる、すなわち発散する
。これを簡単のため戻りビーム２０を形成レーザ・ヘッ
ド１１の前面に到達する。戻りビーム２０の一部は受光
器開口２１に入り、上述のように受光器１３に到達する
。しかし、戻りビーム２０の他の部分は出口開口１５に
再び入り、レーザ空洞１１に再び入る。それ故光学帰還
が発生する。このように、第一図は従来技術および間頴
点を示している。

第２図は、本発明の原理を利用１−で所要の戻りビーム
に損害を与えることなく光学帰還を抑制する変形マイケ
ルソン・レーザ干渉計システムの、同様な図である。第
２図の光学的構成は、二つの四分の一５Ｌ遅延体２６お
よび２７から成る光学帰還アイソレータ２５を追加され
ていることだけが第一図のものと異なる。

四分の一波長遅延体は入射直線偏光を、入射偏光の向き
が適切なとき、所定の左右像の透過円偏光に変換する。

このような遅延体は、やはり入射円偏光をその偏光の向
きが遅延体の向きで決まる透過した直線偏光に変換する
という意味で、可逆（レシプロカル）装置である。慣習
的使用法によれば、遅延体の方向は遅延体の「高速軸（
、ｆａｓｔａｘｉｓ）　Ｊに関して、または直角な「低
速軸（ｓｌｏｗ　ａｘｉｓ　）　」に関して指定するこ
とができる。

送出ビーム１７がビームスプリッタ１６から出るとき、
送出ビーム１７は一定の直線偏光、たとえば直線偏光に
なっている。このビーム１７は、その高速軸が入射偏光
に対して＋４５°または一４５°である第１の四分の一
浪遅延体２６を通過し、一定の円偏光、たとえば左手系
のビーム２８として現われる。

次にビーム２８は逆反射体１９に入る。逆反射体１９は
円偏光の左右像を、反射するとき反転させる。戻りビー
ム２９は、円偏光であるが、今度は反対の左右像、たと
えば、右手系となっている。戻りビーム２９の一部は第
１の遅延体２６を通過して戻り、送出ビーム１７とは逆
の向きの直線偏光となる。ビーム２９のこの部分はビー
ムスプリッタ１６により、透過される代りに反射され、
無害なビーム３０として現われる。レーザ光はもはやレ
ーザ空洞１２に再び入ることはできない。これにより光
学帰還が防止される。ビーム２９の他の部分はその高速
軸が第１の遅延体２６の高速軸に直角な第２の四分の一
波遅延体２７を通過し、送出ビーム１７の元の偏光を持
つ直線偏光となる。ビーム２９のこの部分は次にビーム
スプリッタ１６を直接通過し、次に受光器開口２１を通
り、最後に実質上損害無く受光器１３に到達する。

光学帰還アイソレータ２５の、レーザ光をレーザ空洞１
２に再び入れないようにする能力は、第３図と第４図と
を比較することによりはっきりわかる。

両図とも、出口開口１５および受光器開口２１とともに
、レーザ・ヘッド１１の前面を示す図である。第３図に
おいて、陰線を施した円形区域３１は光学帰還アイソレ
ータを使用しないときレーザ・ヘッド１１に到達する戻
りレーザ・ビームを現わしている。

これは第１図の構成に対応する。第４図において、陰線
を施したほとんど半円形の区域３２は光学帰還アイソレ
ータを使用しないとき、レーザ・ヘッド１１に到達する
戻りレーザ光を表わす。これは第２の構成に対応する。

光学帰還アイソレータがレーザ空洞に再び入る光を効果
的に濾過し去るので、明らかに光学帰還は防止されてい
る。

光学帰還アイソレータ２５は第５図〜第９図に示すよう
に構成することができる。第５図は円形四分の一波遅延
板３３を示す。この遅延板は適切な厚さのマイカの薄板
から作ることができる。遅延体ざ３の高速軸は直径線３
４に対して４５°になっている。遅延体３３は直径線３
４に沿って半分に切断され、第６図に示すように、二つ
の半円形遅延３５および３６を形成している。第７図に
示すように、半円形遅延体の一つ３６は１８０°めくり
返されており、これによりその高速軸が他方の遅延体３
５の高速軸に直角になっている。これら二つの半円形遅
延体３５および３６は次に、実質上ウェッジ（Ｗｅｄｇ
ｅ）が無く光学セメント３９で固定されている一対の耐
反射皮膜窓３７および３８の間に永久的にはさむことが
できる、、最後に、要素３５．３６．３７．３８．３９
の組；Ｌ　ｔ：’られたはさみ込み了センブリを保護金
属ホルダ４１１ご設置する、二、とｂ＋できる。完成し
た光学帰還γイソレ＝−夕２５を第８図：ご侶面図で、
第９図に断面図で示す。

当業者には第５図〜第９図に示した構造は二つの適切な
形状０）実用的遅延体を妥当な製造原価で提供する好ま
しい方法に過ぎないことが理解されるであろう１４やは
り実質上置等に働くこの構成から逸脱する莫大な代替案
が可能である。たとえば、マイカを使用することは唯一
の案ではない。石英のような他の遅延体材料も良く動作
す−る。また、窓を使用する二きも随意であり　、Ｉ−
いうのは窓は典型的には壊れや才いマイカを保護するた
約にのみ役立−）ヒへらて□”　、ｆ＞　ｌｙ　、、耐
反射被摸も同様に随意選択の改善であり、これらはガラ
ス窓を省略する場合（、−はマイカｉこ直接施すことが
できる。

更に、本発明に関連のある当業者には、構造の多数の変
更、本発明の広範に異なる実施例および用途が本発明の
精神および範囲を逸脱することなく念頭に浮かぶであ７
）う。ここに開示したものおよび説明は純粋に例示“で
あり、どんｔζ意味に↓３いても、これに限定し、よう
とするものではない。

（効　果〕 以上説明したように、本発明は、レーザ光源と、ある向
きの直線偏光の送出レーザビームをつ（る手段と、送出
レーザビームを再指向してレシーバに向かう戻りレーザ
ビームをつくるものであって円偏光の左右像を逆転させ
る再指向手段とを具備し、前記送出レーザビームと前記
戻りレーザ）：’−ムとが物理的に近く１つ実質的に平
行であることを特徴とする、し・−ザモ渉計に使用する
光学帰還アイソレータにおいて、 前記送出レーザビームの経路に置かれ且つ前記レーザ光
源に向かう前記戻りレーザビームの少なくとも一部を遮
る位置に置かれ、戻りレーザビー・ムが前記レーザ光源
に届くのを防ぐための手段と、前記戻りレーザビームの
経路に置かれ比つ前記送出レーザビームを遮らない位置
に置かれ、その前記戻りレーザビームが前記レシーバに
到達することを許す手段とを具備しているので、＋Ｎ前
記した目的を達成し得る光学帰還アイソレータを提供す
ることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来例に係り、戻りレーザビームの・部がレ
ーザ光源に帰還する状態を示している、レーザ干渉計シ
ステムの概要の図である。 第２図は、本発明の特徴をよく表したものであり、戻り
レーザビームがレーザ光源へ帰還することが防止される
と共に、障害なくレシーバに到達するようＩ、こしたレ
ーザビーム・システムの概要の図である。 第３図は、レーザ光源とレーザレジ・−バとを具Ｃ鑓す
るレーザヘッドの前面に、シリレーザビームがどのよう
に広がって到達し、出口開口１５を通っ゛Ｃレーザ光源
に再び入射されるかを示す図である。 第４図は１、本発明の実施例によって、第３図において
生じていたレーザ光源への光学帰還が防止されている状
態を示す図である。 第５図は７、高速軸を４５度で示した、マイカ製の四分
の一波遅延体の平面図である。 第６図は、第５図に示す四分の一波遅延体を１′分に切
ったものの平面図である。 第７図は、第６図に示す四分の一波遅延体の半分に切ら
れたものの一方をめくり返した状態を示す平面図である
。 第８図は、第７図に示す四分の一波遅延体を一対の保護
窓と保護金属ホルダとではさんだものを示す平面図であ
る。 第９図は第８図に示すものの断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ光源と、ある向きの直線偏光の送出レーザビーム
   をつくる手段と、送出レーザビームを再指向してレシー
   バに向かう戻りレーザビームをつくるものであって円偏
   光の左右像を逆転させる再指向手段とを具備し、前記送
   出レーザビームと前記戻りレーザビームとが物理的に近
   く且つ実質的に平行であることを特徴とする、レーザ干
   渉計に使用する光学帰還アイソレータにおいて、 前記送出レーザビームの経路に置かれ且つ前記レーザ光
   源に向かう前記戻りレーザビームの少なくとも一部を遮
   る位置に置かれ、その高速軸が前記送出レーザビームの
   偏光の向きに対して４５度の角度となっており、該戻り
   レーザビームが前記レーザ光源に届くのを防ぐための第
   １の四分の一波遅延体と、 前記戻りレーザビームの経路に置かれ且つ前記送出レー
   ザビームを遮らない位置に置かれ、その高速軸が前記第
   １の四分の一波遅延体の高速軸に対して直角になってお
   り、前記戻りレーザビームが前記レシーバに到達するこ
   とを許す第２の四分の一波遅延体と、 を具備することを特徴とする光学帰還アイソレータ。