JPH036450B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、分光あるいは光学的濾光のために特
により多く使うことのできるフアブリ・ペローの
干渉計に関するものである。 従来のフアブリ・ペロー干渉計は、板間に厳密
に制御された厚みをもつ空隙を形成する高い反射
係数をもつ２つの並列の半透明板でできている。
反射光線は、無限遠点において、あるいはレンズ
の焦点面内で干渉する一連の発射線を供給する。
干渉縞とは暗い背景上にできる明るい輪のことで
ある。特に、中心部は板厚と波長比の一連の値に
対応して明るくなる。たとえば、スプリング上に
ねじで作用を加える手段によつて厚みを変化させ
ると、任意に干渉状態を変化させることができ
る。 この型式の干渉計には、特に半透明板とその厚
みの調整に関する非常に厳密な設定が要求され
る。従来使用されている機械的調整手段と全寸法
にかかわる問題に対する技術的考慮のために、空
隙の厚みが制限され、従つて結果的に波長の分解
能に制約がある。さらに、その厚みは急速には変
化することができない。 本発明は、比較的簡単な構造で簡単に使用でき
る、設定の不要なフアブリ・ペロー干渉計に関す
る。この発明によれば、空中伝播するかわりに、
光は単一モードの光フアイバ内を誘導される。既
存の技術で単一モードの光フアイバを極く低い線
損失とすることができるので、干渉計線の細密さ
を減少しつつ、導入される損失なしに、もし必要
ならば、かなりの長さ（数キロメートルに至るま
で可能）の伝送路をそなえることができる。従来
の干渉計の半透明板を置き替えるには、フアイバ
端に反射層を付着し、その端部付近にギヤツプを
生成することを含む異なつた方法をほどこす。配
列上に問題はない。走査は、フアイバ中の光によ
つてとられる光学的通路を、物理学的パラメー
タ、たとえば、機械的応力、弾性光学的・磁気光
学的・電気光学的および類似の効果による屈折率
変化、熱膨張、その他のようなものを使つて変え
ることによつて得られる。光学共振形周波数計は
急速に同調できる。本発明の実施態様の１つによ
れば、フアイバを円筒状の心棒に巻き付けて全体
の寸法を非常に小さくするようにできる。 このようにして、本発明は、前述の光学共振器
を定義している２つの反射器と、２つの反射器間
の光学的通路を変化させることができる手段とか
らなり、共振器が単一モード光フアイバによつて
構成されている同調式光学共振形干渉計に関す
る。 図１は本発明による干渉計の概要図である。光
源２からの光学的放射Ｅが単一モード光フアイバ
１に導かれる。 反射器４と５は、図示のように、フアイバ端
か、あるいは、その端部付近のいずれかにつくら
れる。フアイバ中の伝播する光学的放射は、必然
的に２つの反射器の間で多重反射を行なう。反射
器５で伝送される波の重なりは放射Ｓを形成し、
それは焦点レンズ１０によつて任意選択的に焦点
を合わされ、両軸を合致したレンズ１０とフアイ
バ１の軸上に中心を合わされた検光器３によつて
集光される。フアイバ１の端部は磨かれていて、
そのフアイバ軸に対し垂直な平面を形成してお
り、そのフアイバが単一モードのタイプなので、
各反射器によつて反射される放射は必然的にフア
イバ中を伝播して、他端にまで伝播される。各反
射器は、その反射係数Ｒと呼吸係数Ａにより、伝
送係数Ｔが１−Ｒ−Ａとなることにより特徴づけ
られる。 従来のフアブリ・ペロー干渉計に関すると同じ
ように、他のもう１つの波と干渉する波の重なり
が原因で放射Ｓとなる。同一方向の２つの継続波
間の位相のずれ、つまり、２つの反射器間のフア
イバ内の往復する行程は2βlに等しい。ここで、
βは伝播定数で、ｌは２つの反射器間のフアイバ
の長さである。ｋが真空中における伝播定数とし
て、各波長λによりフアイバの有効屈折率：ｎ＝
β／ｋを定義できるが、これは屈折率に近似してお り、光学的通路はＬ＝ｎ×ｌとなる。 検光器３は、中心における干渉の次数： Ｐ＝2L／λが整数である時、強度のピークを検出 する。これは、干渉が建設的である、つまり、位
相のずれが2πの倍数であることを意味する。 ここで与えられた主な結果は、以後の全てのフ
アブリ・ペロー干渉計にとつて共通である。 図２は、光の強度Ｉにおける変化量を干渉の次
数Ｐの関数として示している。 Ｐのｋ−１，ｋ，ｋ＋１と継続する全値に対応
して、強度が最大I_pとなる中央において、３つの
強度ピークP_k-1，P_k，P_k+1をこの図からみること
ができる。 各ピークの巾d_pは、強度がI_p／２に減ずるに応じ て、反射係数Ｒに従属する。すなわち、

【式】 また、干渉系のコントラスト：I_p／I_nも、Ｒに従 属する。すなわち、I_p／I_n＝4R／（１＋Ｒ）² このようにして、次のとおりとなる： Ｒ＝50％に対して、d_p0.25およびI_p／I_n９； Ｒ＝90％に対し、d_p1/30およびI_p／I_n＝400；Ｒ＝ 98％に対し、d_p1/150 およびI_nはI_pに比して実質上無視できる。 図２に基づいて、光の強度Ｉの変化曲線を、光
学的通路Ｌのそれぞれの異なつた値に対し、波長
λの関数としてあらわすことができる。 図３には、与えられたＬ値に対応して曲線C₁
を実線で、Ｌ＋ΔL値に対応して曲線C₂を破線で
示している。 ２つの継続するピーク間の波長変化に等しい自
由スペクトル・ギヤツプD〓はλ／Ｐに等しい。 干渉の次数Ｐは光学的通路Ｉにともなつて増加
し、一方、スペクトル・ギヤツプは減少する。 本発明では、非常に大きなＬの値を使う一方、
後述する方法によつて大きな相対変量ΔL／Ｌをうる ことを可能にしている。 これらの相対変量は、ピークの相対波長変量を
次のように決定する： 各次数に対し、Δλ／λ＝ΔL／Ｌ 平均波長＝1μｍに対する屈折率ｎ＝1.5の光フ
アイバについて説明すると、ｌ＝10cmに対し、Ｐ
＝３×10⁵、Ｄ＝1.8×10^-3nm；および、ｌ＝100
ｍに対し、Ｐ＝３×10⁸、Ｄ＝1.8×10^-6nmを得
る。 ピークの巾d_p、つまり分解能ｄもまたフアイバ
長が増加すると減少する。 反射係数Ｒ＝95％に対し、ｌ＝10cmでｄ＝３×
10^-5nm、および、ｌ＝100ｍでｄ＝３×10^-8nm
である。 干渉計の選択性は、使用するフアイバの長さが
増すにつれて改善されるけれども、可能な長さの
値を制限するもう１つの要因もある。 この要因は、フアイバの長さに比例する吸収損
失である。 このようにして、光フアイバは、伝播される放
射の波長によつて変化する線形吸収係数によつて
特徴づけられる。 既知のフアイバ製造方法で、与えられた波長に
対する線形係数を非常に低い値に至らせることが
可能である。 この係数は前出の波長から遠く離れるにつれて
増大する。 0.5dBまでのフアイバ中の往復行程に対する吸
収損失は受け入れられるとは典型的に認められる
ことである。この値を越えたところに、対照的に
大きな減少がある。たとえば、波長850nmに対し
て2dB／Kmに等しい損失をもつたフアイバは、
波長500nmに対して概略30から50dB／Kmの損失
を、また、波長約450nmで概略100dB／Kmの損失
をもつ。 もしこのフアイバが450〜900nmの代表的範囲
で、たとえば分光（計測）分野への適用のため
に、使うものとした場合、その波長は、往復行程
に対してと、450nmとに対して0.5dBの損失とな
る１ｍを越えてはいけない。 けれども、このフアイバを光フアイバの吸収最
小の近辺の範囲（たとえば、シリカ・フアイバに
対して、850nm、1.3μｍ、1.55μｍ）使うことと
すると、たとえば濾光分野への応用に対して、ず
つと大きな波長を使うことができる。 最小の吸収に対応する波長は、フアイバの構成
に依存する。 各分野への適用を考える時、使用上の波長の範
囲、最小のコントラストを定義する許容される吸
収、分解能とスペクトル・ギヤツプ間で妥協をな
さねばならない。 フアイバの各端で光波を反射するために、異な
つた方法を用いることができる。 第１の方法は、フアイバ軸に対して平面が垂直
となるような方法で、あらかじめ磨いてある端部
に適切な層を付着することによつて構成する。 このタイプの適用に知られた材料には、誘電体
材料のMgF₂，TiO₂，SiO₂がある。 付着は単層の付着を形成してもよいが、通常は
多層の付着とし、その厚みと屈折率は伝播させる
波長とそのフアイバの屈折率との関数として計算
される。 それから、反射係数Ｒと吸収係数Ａを波長の関
数として決定することができる。 最大のエネルギー効率を得るには、吸収ができ
るだけ低いことが望ましい。 放射Ｅの波長のスペクトルが狭い適用の場合に
は、放射ＥとＳ間のエネルギー効率を最適化する
層の構成を決定することが可能である。 しかし、放射波長のスペクトルが広い場合に
は、反射と吸収係数が波長の関数として少量変化
する広い帯状の層を使うことが望ましいだろう。 誘電体層の吸収はフアイバ内の吸収に追加され
るので、バンド巾と吸収係数の間に妥協点をみつ
けるように考慮を払わなければならない。波長に
ともなうエネルギー効率の変化を補償するには、
補正が必要とされるかも知れない。 この補正は、検光器３の出力に結合した電子的
手段によつて実現できる。 このタイプの反射器の変形は、金属層で構成さ
れ、それは付着が非常に簡単であるが、誘電体層
よりも大きな吸収があり、最適化できない。 もう１つのタイプの反射器を、フアイバ端に切
れ目を設けることによつて構成できる。 これを実現する簡単なやり方は、２つの磨きあ
げた端部に、たとえばAsGaレーザで構成された
光源２と、たとえばシリコン・フオトダイオード
で構成された検光器３をそれぞれ直結することに
よつて構成される。 フアイバを構成している材料間、たとえばガラ
スと砒化ガリウム、あるいはシリコン、の性質の
相異によつて、光エネルギーの部分のギヤツプと
反射が引きおこされる。 反射係数は最適化されないが、ある適用には十
分であろうし、吸収はない。 また、フアイバ端の付近での急激な厚みの減少
によつて十分な反射を生じさせることが可能であ
るので、フアイバの次数が離散的となる。 又端部に屈折格子を生成することも可能であ
り、さらにフアイバの全長にわたつて分布する格
子を生成して分布共振器を構成することも可能で
ある。格子は溝付心棒の周囲にフアイバを巻きつ
けることにより得られる。 フアイバがピンとはられるような方法で巻き付
けがおこなわれれば、円筒状の心棒の全長にわた
つて一定間隔あるいは周期的に付けられた溝によ
つて、全フアイバ長にわたつて一定間隔あるいは
周期的に変化する応力を生成する。 格子のピツチとその長さは反射ピークの波長と
その巾を決定する。 光学的通路を変えることができる物理現象のう
ち、弾性光学的効果を用いることが可能である。 図４にこの使用を説明している本発明の実施態
様が示してある。 フアイバ１が圧電気セラミツク材でできた円筒
チユーブ７のまわりに巻きつけられている。 円筒の内外面にそれぞれ付着されている２つの
電極に結合されている電圧発生器８から供給され
る電圧Ｖによつて、セラミツク材内に応力を発生
させることができる。 非圧縮性のプラスチツク材で内部９を満たすこ
とによつて、このチユーブの外径だけが変化する
ことを確実に実施することができる。 セラミツク材の膨張は、長さと巻き付けている
フアイバの屈折率に変化をもたらし、光学的通路
Ｌを変化させる効果をもつ。 電圧Ｖが２，３ボルトの場合、数次の干渉計を
走査することが可能である。つまり、波長の数倍
にあたるＬの変化を実現できる。 光源２（つまり、ダイオード・レーザ）からの
放射Ｅは、フアイバ中に最大エネルギーを導入す
るために使われているレンズ６のような従来の手
段によつて、フアイバ内に焦点を合わせられる。 フオトダイオード３は、レンズ１０によつて焦
点を合わされたあと放射Ｓを集めるが、共振ピー
クに対応したパルスによつて構成される電気信号
V_sを供給する。 交流電圧Ｖは、走査のために使われる。 線形の応答を得るために、フアイバをきつちり
と巻き上げることによつてあらかじめ応力を加え
ておくか、あるいは直流電圧を交流制御電圧上に
重ね合わせる必要があろう。 走査振動数は、従来のフアブリ・ペロー干渉計
のそれよりもはるかに高くすることができる。 振動数の値を、セラミツク材の共振振動数、典
型的には、概略200kHz、に近く好都合に選ぶこ
とが可能である。 しかし、非常に長いフアイバの場合には、振動
数制限を配慮することがフアイバ中の放射の伝播
時間の理由で必要である。 フアイバ中に“安定した”操作状態をもたらす
ために、走査間隔あるいは周期がフアイバ中の約
10往復の通過時間を十分に超えることが望まし
い。 典型的には、波長1μｍの放射の往復の通過時
間は、50ｍのフアイバに対し0.5μ_sである。 このように、走査時間は振動数200kHzに対応
して、十分5μ_sを超えることが望ましい。 もつと長いフアイバを使う場合には、振動数は
もつと低くなければならない。 けれども、20〜40cmの長さのフアイバの場合に
は、200kHzあるいはもつと高い振動数としても
何ら不都合な結果をともなわないということがい
える。 フアイバの巻き付けは、かなりの長さとなる
が、全寸法を小さくすることができる。 だが、心棒の直径は、放射による光エネルギー
損失を防ぎ、みかけのフアイバ損失を増加するに
十分でなければならない。典型的には、それは
２，３センチ・メートルでよい。 あるフアイバのタイプでは、意味を持つ損失の
発生を起さずに、２mmまで直径をさげて使うこと
が可能である。 小型の装置を入手し、各種部品の相対的な位置
ぎめを保証するためには、フアイバ端を剛体板１
３、たとえばガラス、の中に埋込んである端末据
付け１１と１２に配置することができる。 光学素子２，３，６，１０の位置ぎめは、板１
３を照準としておこなわれる。 図４に示す装置は、特に応力生成の方法に関し
て、多数の構成的変形が考えられる。 圧縮材でできた円筒チユーブにフアイバを巻き
上げることによつて、チユーブ内に圧縮流体を循
還させて応力を生起することができる。 また、磁気ひずみ材料でできた心棒上に作用す
る磁場を制御手段として使うことも可能である。 また、応力は、心棒上に作用する張力を片向け
ることによつても得ることができる。 光学的通路の変化は、平らなコイル上にフアイ
バを巻いて、コイルを超音波の進行方向に対し所
定の角度となるように超音波セルの中に浸しても
達成できる。 これらの波の振動数は、その間隔あるいは周期
がフアイバ中の通過時間をずつと超えるような方
法で選択されなければならない。 弾性光学的効果以外の物理学的効果が、光学的
通路における変化を生起することができる。 特に興味のある効果は磁気光学的効果であつ
て、その使用例が図５に示されている。 図５中の装置は、図４中のそれに非常に類似し
ている。 フアイバ１は非圧縮性の材料、たとえばシリカ
でできている円筒チユーブ７に巻き付けてある。 回転磁界Ｈ→は、電流源１５からの電流ｉが通過
する導体１４によつて生起される。 フアイバの任意点における磁界Ｈ→は、光の伝播
方向に並行であり、従つて、フアラデー効果によ
つて屈折率に変化を引き起す。 これらの変化量は、両伝播方向に対して同一符
号である。 本発明の応用は、特に分光計測の分野における
光学共振形周波数計付きの従来のフアブリ・ペロ
ー干渉計の応用と同様である。 この干渉計は、広域スペクトルと合体してモノ
クロメータとして使うことができる。 濾光特性を改善するために、２つの干渉計を直
列につなぐことができる。 たとえばフアイバの寸法を縮小するというかた
ちで、フアイバ両端と第３に中央部位に反射器を
設けた単巻きフアイバを使つて簡単にこれをなし
とげることができる。 ２つのこのように形成されたフアイバ部の長さ
を適切に選定することによつて、ピーク間で異な
るスペクトル・ギヤツプを確保することができ
る。 干渉のピークは、各部位のピーク間で（ギヤツ
プが）合致した場合にのみ得られる。 このようにして、結果的にはスペクトル・ギヤ
ツプは増加するが、一方、別々に考慮した区間あ
るいは部位の各々を選択するのと同程度の選択
（可能）性は残される。 本発明による干渉計が非常に高い感度を持つの
で、たとえ低励起であつても、光学的通路を変更
することができる物理学的パラメータを計測する
分野にも応用を考えることができる。 こうして、フアイバが巻かれている心棒上に作
用している圧力、たとえば、心棒内部を循環する
流体の圧力、を測定するために、このような干渉
計を使うことが可能である。 これは適切な目盛定めが必要である。 さらに、光学的通路における変化をひきおこす
別々の原因が、測定対象の効果に重ならないよう
にすることが必要である。 本装置は温度変化にことさらに敏感であるが、
この欠点を未然に防ぐためには、自動調温装置に
よつて制御された被覆内にその装置を置くか、あ
るいは、熱プローブをその装置に装着することが
できる。この熱プローブは、たとえば、心棒が圧
電電荷されて起こる電圧による温度変化を補償す
る応力を測定するための圧力によつてひきおこさ
れる応力に重なるように、ループ内に挿入され
る。

【図面の簡単な説明】

図１は本発明による干渉計の概要図、図２と図
３は本発明の動作説明図、図４は本発明の実施態
様を示す図、図５は本発明の別の実施態様を示す
図である。 １……フアイバ、２……光源、３……検光器、
４，５……反射器、１０……レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２個の部分的に光の反射及び透過を行う反射
   透過手段と、 該反射透過手段の間にもうけられる単一モード
   光フアイバと、 共振器の光学長を変化させる手段とを有し、 前記単一モード光フアイバは圧電材による円筒
   の上に巻かれ、 該円筒の内表面及び外表面に、電圧源に結合す
   る電極がもうけられ、 前記円筒は実質的に非圧縮性の材料により満た
   され、 前記円筒を前記電圧源により変形させることに
   より共振器の光学長を変化させることを特徴とす
   る同調式光学共振器。 ２ 前記反射透過手段は光フアイバの端部の少な
   くとも一部で誘電体又は金属層を被覆されること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の同調式
   光学共振器。 ３ 前記反射透過手段はフアイバの端部近傍でフ
   アイバに設けられる格子であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の同調式光学共振器。 ４ 前記反射透過手段はフアイバの端部近傍にも
   うけられる切れ目であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の同調式光共振器。