JPH07122595B2 - 音響・光学的分散フイルタ及び２つ以上の波長の分離方法 - Google Patents
音響・光学的分散フイルタ及び２つ以上の波長の分離方法Info
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- JPH07122595B2 JPH07122595B2 JP60242594A JP24259485A JPH07122595B2 JP H07122595 B2 JPH07122595 B2 JP H07122595B2 JP 60242594 A JP60242594 A JP 60242594A JP 24259485 A JP24259485 A JP 24259485A JP H07122595 B2 JPH07122595 B2 JP H07122595B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/1256—Generating the spectrum; Monochromators using acousto-optic tunable filter
-
- G—PHYSICS
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/116—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on acousto-optical elements, e.g. using variable diffraction by sound or like mechanical waves using an optically anisotropic medium, wherein the incident and the diffracted light waves have different polarizations, e.g. acousto-optic tunable filter [AOTF]
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Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、２つ以上の光波長を同時にモニタする方法及
びこの方法を実施するための装置、特に一定の励振周波
数で複数の波長を同時にモニタすることのできる、電子
的に調節可能な分光装置である音響・光学的分散フィル
タに（AODLF）に係わる。本発明はほぼ１オクターブの
光レンジを有し、その中心はRFを変えることにより選択
される。赤外部におけるAODLFの分解能は数千程度であ
り、これも電子的に調節できる。本発明の方法及び装置
は、例えば短い光パルスの検出及び分析に特に有用であ
る。
びこの方法を実施するための装置、特に一定の励振周波
数で複数の波長を同時にモニタすることのできる、電子
的に調節可能な分光装置である音響・光学的分散フィル
タに（AODLF）に係わる。本発明はほぼ１オクターブの
光レンジを有し、その中心はRFを変えることにより選択
される。赤外部におけるAODLFの分解能は数千程度であ
り、これも電子的に調節できる。本発明の方法及び装置
は、例えば短い光パルスの検出及び分析に特に有用であ
る。
（従来の技術） 広い帯域幅にわたって光をソリッドステート装置で迅速
に分析する有用な手段としての音響・光学的同調フィル
タ（AOTF）はすでに古くから知られている。AOTFの主な
利点はスペクトル分解能にすぐれた広い開口角を有し、
可視域にも赤外域にも利用できることにある。しかし、
AOTFは本来シングルチャンネル装置である。即ち、典型
的には数十マイクロ秒程度の時間ずれで複数の波長分解
成分にランダムアクセスできるが、一度には唯１つの波
長分解成分しか通せないのが固有な動作モードである。
このランダムアクセス時間は音響波が光学的開口を横切
る移動時間だけにより制限される。即ち、フィルタリン
グされた光を単一の検出素子に入射させ、印加RFの出力
を線形時間掃引することによってスペクトル走査を行な
う。上記AOTFの典型的な応用は1982年２月２日付けの、
特許査定を受けた米国特許第4,490,845号“An Automat
ed Acousto−Optic Infrared Analyzer（自動式音響・光学赤外線アナライ
ザ）”に詳述されている。このようなスペクトル走査は
入射光がRFレンジの全掃引時間にわたって光の組成がほ
ぼ一定であるCWまたは極めて緩慢に変化する光信号であ
る場合には満足すべき成果を示すが、光パルス信号であ
る場合その光パルスの瞬間に光学的開口に適正な音響同
調周波数が存在しない限り検出されないため事が複雑に
なる。従って、到来時間が不明の既知光学波長を検出し
たければ、AOTFを正確にその音響同調周波数のRFで絶え
ず励振しなければならない。この操作は若干数の光波長
に同時に適用できるが、その場合、各光波長に対応する
音響同調周波数を同時にAOTFに作用させねばならない。
この場合、どの波長が検出されたかを確認するためには
数個のパルスにわたって周波数を低下させるという方法
を取らねばならない。デューティサイクルを小さくする
と、その結果として検出の確率が低くなる。このような
種々の問題点に鑑み、波長分解成分のすべてを同時に受
信できるように、多重チャンネル式の音響・光学的方法
を検討することが望まれる。
に分析する有用な手段としての音響・光学的同調フィル
タ（AOTF）はすでに古くから知られている。AOTFの主な
利点はスペクトル分解能にすぐれた広い開口角を有し、
可視域にも赤外域にも利用できることにある。しかし、
AOTFは本来シングルチャンネル装置である。即ち、典型
的には数十マイクロ秒程度の時間ずれで複数の波長分解
成分にランダムアクセスできるが、一度には唯１つの波
長分解成分しか通せないのが固有な動作モードである。
このランダムアクセス時間は音響波が光学的開口を横切
る移動時間だけにより制限される。即ち、フィルタリン
グされた光を単一の検出素子に入射させ、印加RFの出力
を線形時間掃引することによってスペクトル走査を行な
う。上記AOTFの典型的な応用は1982年２月２日付けの、
特許査定を受けた米国特許第4,490,845号“An Automat
ed Acousto−Optic Infrared Analyzer（自動式音響・光学赤外線アナライ
ザ）”に詳述されている。このようなスペクトル走査は
入射光がRFレンジの全掃引時間にわたって光の組成がほ
ぼ一定であるCWまたは極めて緩慢に変化する光信号であ
る場合には満足すべき成果を示すが、光パルス信号であ
る場合その光パルスの瞬間に光学的開口に適正な音響同
調周波数が存在しない限り検出されないため事が複雑に
なる。従って、到来時間が不明の既知光学波長を検出し
たければ、AOTFを正確にその音響同調周波数のRFで絶え
ず励振しなければならない。この操作は若干数の光波長
に同時に適用できるが、その場合、各光波長に対応する
音響同調周波数を同時にAOTFに作用させねばならない。
この場合、どの波長が検出されたかを確認するためには
数個のパルスにわたって周波数を低下させるという方法
を取らねばならない。デューティサイクルを小さくする
と、その結果として検出の確率が低くなる。このような
種々の問題点に鑑み、波長分解成分のすべてを同時に受
信できるように、多重チャンネル式の音響・光学的方法
を検討することが望まれる。
（発明が解決しようとする課題） そこで、本発明の目的は一定の励振周波数で複数の波長
を同時にモニタできる電子的に調節可能な分光装置であ
る音響・光学的分散フィルタ及びこのような音響・光学
的装置を操作して上記成果を得る方法を提案することに
ある。
を同時にモニタできる電子的に調節可能な分光装置であ
る音響・光学的分散フィルタ及びこのような音響・光学
的装置を操作して上記成果を得る方法を提案することに
ある。
AODLFは機能的には固定格子と極めて似ているが、ある
用途に有益ないくつかの重要な相違点ある。２つの主要
な相違点として、AODLFが同調可能であることと、複屈
折作用を行なうことがある。光学的に等方性（回折光の
偏光に変化がない）である従来の格子は回折光をひとつ
の次数だけに集中させるため、プレイジング（blazin
g）処理しなければならないが、AODLFはその複屈折性に
よりひとつの次数だけを発生させる。固定格子は等方性
であるから、ブレイズ（blaze）を含む開口はAODLFの開
口よりも狭く、その分だけ光レンジも制限される。固定
格子の光学的帯域中心を大きく変化させるには入射角を
機械的に変化させる必要があるが、 AODLFの帯域中心は入射角を変化させなくてもRFを変化
させるだけで変化させることができる。即ち、本発明の
AODLFの特徴は格子定数を電子的に同調できることであ
り、これにより、例えばスペクトル範囲を大きく変化さ
せると言うように動作の自由度を大きくとることができ
る。電子的に同調できるから、微分分光分析を行なうた
めに光学信号を周波数変調することは容易であり、これ
によりS/N比を一定信号のS/N比に比較して改善すること
ができる。
用途に有益ないくつかの重要な相違点ある。２つの主要
な相違点として、AODLFが同調可能であることと、複屈
折作用を行なうことがある。光学的に等方性（回折光の
偏光に変化がない）である従来の格子は回折光をひとつ
の次数だけに集中させるため、プレイジング（blazin
g）処理しなければならないが、AODLFはその複屈折性に
よりひとつの次数だけを発生させる。固定格子は等方性
であるから、ブレイズ（blaze）を含む開口はAODLFの開
口よりも狭く、その分だけ光レンジも制限される。固定
格子の光学的帯域中心を大きく変化させるには入射角を
機械的に変化させる必要があるが、 AODLFの帯域中心は入射角を変化させなくてもRFを変化
させるだけで変化させることができる。即ち、本発明の
AODLFの特徴は格子定数を電子的に同調できることであ
り、これにより、例えばスペクトル範囲を大きく変化さ
せると言うように動作の自由度を大きくとることができ
る。電子的に同調できるから、微分分光分析を行なうた
めに光学信号を周波数変調することは容易であり、これ
によりS/N比を一定信号のS/N比に比較して改善すること
ができる。
走査及び偏向に利用されるような最も簡単なAO・Bragg
回折を利用することによって、原理的には、光スペクト
ル分析を行なうことができることが知られている。しか
し、この極めて簡単なアプローチには厳しい制約があ
る。理想的にはこのような装置は次のように動作するで
あろう。即ち、分析すべき光が全スペクトル範囲にわた
って変化しない一定角度で、かつ適当な開口でセルに入
射し、確実に検出されるように、かつ最大感度となる10
0％に近い効率で音響・光学セルが一定のCW・RFで励振
され、各波長分解成分が異なる回折角でセルから出て、
システムの焦点面に配列した検出素子列が光を空間的に
分析することを可能にし、作用調節のために機械的動作
を必要としないようにスペクトル範囲及び分解能の電子
的制御が可能であるべきである。
回折を利用することによって、原理的には、光スペクト
ル分析を行なうことができることが知られている。しか
し、この極めて簡単なアプローチには厳しい制約があ
る。理想的にはこのような装置は次のように動作するで
あろう。即ち、分析すべき光が全スペクトル範囲にわた
って変化しない一定角度で、かつ適当な開口でセルに入
射し、確実に検出されるように、かつ最大感度となる10
0％に近い効率で音響・光学セルが一定のCW・RFで励振
され、各波長分解成分が異なる回折角でセルから出て、
システムの焦点面に配列した検出素子列が光を空間的に
分析することを可能にし、作用調節のために機械的動作
を必要としないようにスペクトル範囲及び分解能の電子
的制御が可能であるべきである。
低周波またはRaman・Nathモードの回折の最も簡単な形
においては、光波長λ、音響波長Λ＝v/f及び干渉長ｌ
の間の関係が 4lλ／Λ２≡Ｑ《１ （１） を満たさねばならない。ただし、ｖは音響波速度、ｆは
その周波数である。この条件が満たされるなら、音響波
伝播方向と直交する入射光の場合、光は sinθＢ＝ｎλ／Λ＝ｎλf/v （２） に従ってBragg角θＢで回折して多数の正及び負の次数
ｎを生じる。セルの分解能は光学的開口Ｌ内の音響波長
の数Ｎによって簡単に求められるから、 Ｎ＝L/Λ＝Lf/v （３） であり、開口角Ａは音響波の回折広がりによって与えら
れる。
においては、光波長λ、音響波長Λ＝v/f及び干渉長ｌ
の間の関係が 4lλ／Λ２≡Ｑ《１ （１） を満たさねばならない。ただし、ｖは音響波速度、ｆは
その周波数である。この条件が満たされるなら、音響波
伝播方向と直交する入射光の場合、光は sinθＢ＝ｎλ／Λ＝ｎλf/v （２） に従ってBragg角θＢで回折して多数の正及び負の次数
ｎを生じる。セルの分解能は光学的開口Ｌ内の音響波長
の数Ｎによって簡単に求められるから、 Ｎ＝L/Λ＝Lf/v （３） であり、開口角Ａは音響波の回折広がりによって与えら
れる。
Ａ＝Λ/l＝λ/lsinθＢ （４） 例えば５μｍの光波長で２種類の好ましい赤外線物質Tl
3ASS3（TAS）及びHg2Cl2についていくつかの特性を容易
に評価することができる。条件Ｑ＜１を満たすため、TA
Sについてはｌ＝1cm,Hg2Cl2についてはｌ＝0.5cmとする
一方、RFを前者については2.3MHz、後者については1.1M
Hzとする。このような低い周波数においては、音響減衰
が制約要因とはならず、光学的開口結晶サイズを例えば
5cmに制限することができる。この場合、分解成分数はT
ASについては110、Hg2Cl2については158となる。これら
の特性を表Ｉに要約した。
3ASS3（TAS）及びHg2Cl2についていくつかの特性を容易
に評価することができる。条件Ｑ＜１を満たすため、TA
Sについてはｌ＝1cm,Hg2Cl2についてはｌ＝0.5cmとする
一方、RFを前者については2.3MHz、後者については1.1M
Hzとする。このような低い周波数においては、音響減衰
が制約要因とはならず、光学的開口結晶サイズを例えば
5cmに制限することができる。この場合、分解成分数はT
ASについては110、Hg2Cl2については158となる。これら
の特性を表Ｉに要約した。
光学スペクトル分析にRaman・Nath回折をこのように利
用することについてはいくつかの厳しい制約がある。第
１に、干渉長ｌは小さくなければならないから、長い赤
外線波長の場合、高い効率は望めない。即ち、波長の自
乗に比例してRF出力は高くなければならず、これらの好
ましい物質をもってしても、上記のｌ値では充分でな
く、その上、回折光が＋１以外の次数に浪費されるた
め、単字数における検出効率が高くなり得ないからであ
る。第２に、多くの回折次数が存在するから、第１次と
第２次の間にオーバラップが起こらないようにするため
には光学的帯域幅が１オクターブに制限されざるを得な
い。第３に、Bragg角は開口よりも小さいから、入力光
が高度の平行光線束でなければならない。
用することについてはいくつかの厳しい制約がある。第
１に、干渉長ｌは小さくなければならないから、長い赤
外線波長の場合、高い効率は望めない。即ち、波長の自
乗に比例してRF出力は高くなければならず、これらの好
ましい物質をもってしても、上記のｌ値では充分でな
く、その上、回折光が＋１以外の次数に浪費されるた
め、単字数における検出効率が高くなり得ないからであ
る。第２に、多くの回折次数が存在するから、第１次と
第２次の間にオーバラップが起こらないようにするため
には光学的帯域幅が１オクターブに制限されざるを得な
い。第３に、Bragg角は開口よりも小さいから、入力光
が高度の平行光線束でなければならない。
このような問題点を回避するため、パラメータＱ》１が
必要条件となるBragg回折モードの利用を試みてはどう
かと考えるむきがあるかも知れないが、このアプローチ
から生じる問題点を明らかにするため、同じｌ値に対し
てRFを10倍に増大させると仮定する。Braggモードで動
作させる場合、分析すべき光をBragg角で音響波に入射
させる必要があるため、入射光角が光波長と共に変化し
なければならない。入射光角が固定しようとすれば、ス
ペクトル範囲が開口によって制限される。このような関
係を表IIに要約する。
必要条件となるBragg回折モードの利用を試みてはどう
かと考えるむきがあるかも知れないが、このアプローチ
から生じる問題点を明らかにするため、同じｌ値に対し
てRFを10倍に増大させると仮定する。Braggモードで動
作させる場合、分析すべき光をBragg角で音響波に入射
させる必要があるため、入射光角が光波長と共に変化し
なければならない。入射光角が固定しようとすれば、ス
ペクトル範囲が開口によって制限される。このような関
係を表IIに要約する。
表IIから明らかなように、開口が小さいためスペクトル
範囲が極めて狭いという点でこのアプローチは満足なア
プローチとはいえない。光波長の変化に従ってセルを機
械的に回転させBragg角に合わせることによって範囲を
広げることはできるが、この場合、装置はもはや純粋に
電子的とはいえない。
範囲が極めて狭いという点でこのアプローチは満足なア
プローチとはいえない。光波長の変化に従ってセルを機
械的に回転させBragg角に合わせることによって範囲を
広げることはできるが、この場合、装置はもはや純粋に
電子的とはいえない。
公知の音響・光学的同調フィルタ （AOTF）はトランスジューサ・プレートと、トランスジ
ューサから発生する音響波が伝播する透明な光学的媒体
とから成る。トランスジューサとしては、多くの場合、
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）または石英 （SiO2）のような圧電結晶の薄板が使用される。光学媒
体は例えばセレン化タリウム砒素（Tl3AsSe3）のように
結晶性で、しかも適当な対称性を具えるものでなければ
ならない。トランスジューサは音響的に高品質の結合手
段を介して光学媒体に作動的に結合されている。AOTFの
動作については、SPIE第82巻、第106ページ（1976年）
に掲載されたJ.D.Feichtner外の論文“Tunable Accust
o−Optic Filters and Their Application Spectr
oscopy（同調可能な音響・光学フィルタと分光分析への
応用）”に詳述されており、その内容は参照して本願明
細書に引用する。
ューサから発生する音響波が伝播する透明な光学的媒体
とから成る。トランスジューサとしては、多くの場合、
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）または石英 （SiO2）のような圧電結晶の薄板が使用される。光学媒
体は例えばセレン化タリウム砒素（Tl3AsSe3）のように
結晶性で、しかも適当な対称性を具えるものでなければ
ならない。トランスジューサは音響的に高品質の結合手
段を介して光学媒体に作動的に結合されている。AOTFの
動作については、SPIE第82巻、第106ページ（1976年）
に掲載されたJ.D.Feichtner外の論文“Tunable Accust
o−Optic Filters and Their Application Spectr
oscopy（同調可能な音響・光学フィルタと分光分析への
応用）”に詳述されており、その内容は参照して本願明
細書に引用する。
本発明は、光の２つ以上の波長を同時にモニタする方法
であって、光学的入力面、光学的出力面及び一対の対向
側面を有し、一方の対向側面に音響波を入射させるため
の手段を音響的に結合した光学的に複屈折性の結晶体の
前記光学的入力面に、分析すべき光をその全スペクトル
範囲に亘り１つの偏光で且つ実質的に鉛直に入射させる
ことにより前記結晶体を通過させ、結晶体に所定の一定
周波数の音響波を入射させることにより、音響波との相
互作用の結果結晶体から出る入射光の各波長分解成分の
回折角に差が生じるようにするステップより成り、前記
結晶体の光学的入力面と前記対向側面とが成す所定の角
度は、音響波の前記所定の一定周波数において、入射光
波長が変化すると入射ブラッグ角に最小値が現れるが回
折ブラッグ角は入射光波長と共に実質的に直線的に増加
するように選択されていることを特徴とする光の２つ以
上の波長を同時にモニタする方法を提供する。
であって、光学的入力面、光学的出力面及び一対の対向
側面を有し、一方の対向側面に音響波を入射させるため
の手段を音響的に結合した光学的に複屈折性の結晶体の
前記光学的入力面に、分析すべき光をその全スペクトル
範囲に亘り１つの偏光で且つ実質的に鉛直に入射させる
ことにより前記結晶体を通過させ、結晶体に所定の一定
周波数の音響波を入射させることにより、音響波との相
互作用の結果結晶体から出る入射光の各波長分解成分の
回折角に差が生じるようにするステップより成り、前記
結晶体の光学的入力面と前記対向側面とが成す所定の角
度は、音響波の前記所定の一定周波数において、入射光
波長が変化すると入射ブラッグ角に最小値が現れるが回
折ブラッグ角は入射光波長と共に実質的に直線的に増加
するように選択されていることを特徴とする光の２つ以
上の波長を同時にモニタする方法を提供する。
本発明の上記及その他の特徴と長所は添付図面に基づく
以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
上述した等方性を持つ構成に課せられる制約は結晶の複
屈折性を利用する異方性 Bragg回折モードを採用することでいずれもかなり克服
することができる。このモードでは、入射光が（常光線
でも異常光線でも）必ず偏光し、回折光は直角に偏光す
る。異方性モードは信号処理用の広帯域スキャナに広く
利用されており、その最も代表的な例が二酸化テリリウ
ム・スキャナである。このモードの重要な特徴は（結晶
の屈折率、音響速度、及び光波長に応じた）一定のRF値
において、周波数が変化する過程で最小入射Bragg角が
現われるが、回折Bragg角は周波数に比例して増大する
ことにある。このモードを光の分光分析に利用すると周
波数を一定に維持すれば光波長についても同様の関係が
成り立つことがわかる。異方性Bragg入射角及び回折角
に関して下記の式が公知である。
屈折性を利用する異方性 Bragg回折モードを採用することでいずれもかなり克服
することができる。このモードでは、入射光が（常光線
でも異常光線でも）必ず偏光し、回折光は直角に偏光す
る。異方性モードは信号処理用の広帯域スキャナに広く
利用されており、その最も代表的な例が二酸化テリリウ
ム・スキャナである。このモードの重要な特徴は（結晶
の屈折率、音響速度、及び光波長に応じた）一定のRF値
において、周波数が変化する過程で最小入射Bragg角が
現われるが、回折Bragg角は周波数に比例して増大する
ことにある。このモードを光の分光分析に利用すると周
波数を一定に維持すれば光波長についても同様の関係が
成り立つことがわかる。異方性Bragg入射角及び回折角
に関して下記の式が公知である。
及び ただし、ni及びndは入射及び回折光に対応する屈折率、
θｉ及びθｄは第３図に示すように、音響波の波面に関
して測定した値である。光波長に対してθｉを微分する
と、 この式から明らかなように、光波長が変化する過程で最
小θｉ値が現われる。最小θｉ値が現われる波長は式 に従ってRFの値を選択することで選択することができ
る。この最小θｉ値の付近で作動することの意義は光波
長が変化する過程においてこの最小値の近傍ではθｉの
誤差がほとんど問題にならないことである。しかし、回
折角は波長にほぼ比例して変化する。上記式から見られ
る他の重要な特徴は中心波長を電子的に同調できること
であり、光学的帯域中心（即ち、最小θｉの位置）は式
（８）に基づいてRFによって決定される。また、式
（５）から明らかなように、RF値及び光波長中心が式
（８）に従って変化してもθｉ値は変化しない。即ち、
光アナライザの帯域中心を電子的に変化させることがで
き、θｉを変化させるために機械的調節は不要である。
波長が変化しても屈折率の変化は小さいから、波長の違
いによる変化は無視できる程度でしかない。
θｉ及びθｄは第３図に示すように、音響波の波面に関
して測定した値である。光波長に対してθｉを微分する
と、 この式から明らかなように、光波長が変化する過程で最
小θｉ値が現われる。最小θｉ値が現われる波長は式 に従ってRFの値を選択することで選択することができ
る。この最小θｉ値の付近で作動することの意義は光波
長が変化する過程においてこの最小値の近傍ではθｉの
誤差がほとんど問題にならないことである。しかし、回
折角は波長にほぼ比例して変化する。上記式から見られ
る他の重要な特徴は中心波長を電子的に同調できること
であり、光学的帯域中心（即ち、最小θｉの位置）は式
（８）に基づいてRFによって決定される。また、式
（５）から明らかなように、RF値及び光波長中心が式
（８）に従って変化してもθｉ値は変化しない。即ち、
光アナライザの帯域中心を電子的に変化させることがで
き、θｉを変化させるために機械的調節は不要である。
波長が変化しても屈折率の変化は小さいから、波長の違
いによる変化は無視できる程度でしかない。
この概念を量的に説明するため、数値例としてTAS及びH
g2Cl2を利用することができる。典型的な場合として、
アナライザの中心波長を５μｍとし、光学的開口サイズ
を2cmとする。RF計算値はTASではｆ＝231MHz,Hg2Cl2で
はｆ＝110.6MHzである。この２つの物質について波長に
対する入射角及び回折角を第１図及び第２図にグラフで
示した。TASの場合、3.4μｍ〜7.2μｍの波長範囲で光
入射角は20゜であり２゜のばらつきがある。回折角は18
゜にわたって変化し、Hg2Cl2の場合光入射角は45゜であ
り、3.5μｍ〜7.6μｍの間で２゜変化する間、回折光の
角度は32゜にわたって変化する。装置の分解能は光学的
開口内の音響波長の数で簡単に与えられ、光学的開口窓
を2cmとすれば、TASではＮ＝4400、Hg2Cl2ではＮ＝6300
となる。この値は非共線的なAOTFを利用して赤外線波長
で達成される分解能よりもはるかに大きい。入射及び回
折光の角度が大きく、入射及び回折光線が光学面と直交
するように光学面をカットしなければらない。このよう
な角度となるように面をカットした結晶を第３図に略示
し、 AODLF特性を表IIIに要約する。
g2Cl2を利用することができる。典型的な場合として、
アナライザの中心波長を５μｍとし、光学的開口サイズ
を2cmとする。RF計算値はTASではｆ＝231MHz,Hg2Cl2で
はｆ＝110.6MHzである。この２つの物質について波長に
対する入射角及び回折角を第１図及び第２図にグラフで
示した。TASの場合、3.4μｍ〜7.2μｍの波長範囲で光
入射角は20゜であり２゜のばらつきがある。回折角は18
゜にわたって変化し、Hg2Cl2の場合光入射角は45゜であ
り、3.5μｍ〜7.6μｍの間で２゜変化する間、回折光の
角度は32゜にわたって変化する。装置の分解能は光学的
開口内の音響波長の数で簡単に与えられ、光学的開口窓
を2cmとすれば、TASではＮ＝4400、Hg2Cl2ではＮ＝6300
となる。この値は非共線的なAOTFを利用して赤外線波長
で達成される分解能よりもはるかに大きい。入射及び回
折光の角度が大きく、入射及び回折光線が光学面と直交
するように光学面をカットしなければらない。このよう
な角度となるように面をカットした結晶を第３図に略示
し、 AODLF特性を表IIIに要約する。
第１図及び第２図に例示した２種類の構成ではおそらく
この装置に典型的と考えられるように、スペクトル帯域
幅が約１オクターブである。多重周波数動作で帯域幅を
広げる方法が考えられる。例えば、110.6MHzのRFでHg2C
l2セルを励振させて５μｍの帯域中心を、また61.4MHz
のRFで励振させて９μｍの帯域中心を得るとする。スペ
クトル範囲３μｍ〜12μm,帯域幅約２オクターブとした
両者のBragg角を第４図に示した。このように構成した
場合に起こる問題として、それぞれの回折角に対応して
２つの光波長が存在するから、両者を区別するため、な
んらかのコード化方式を使用しなければならなくなる。
最も簡単なものは２つの周波数間の時分割方式である
が、これを採用した場合、検出確率が低下する。ほかに
も種々のコード構成が考えられ、これらは今後の検討を
必要とする。
この装置に典型的と考えられるように、スペクトル帯域
幅が約１オクターブである。多重周波数動作で帯域幅を
広げる方法が考えられる。例えば、110.6MHzのRFでHg2C
l2セルを励振させて５μｍの帯域中心を、また61.4MHz
のRFで励振させて９μｍの帯域中心を得るとする。スペ
クトル範囲３μｍ〜12μm,帯域幅約２オクターブとした
両者のBragg角を第４図に示した。このように構成した
場合に起こる問題として、それぞれの回折角に対応して
２つの光波長が存在するから、両者を区別するため、な
んらかのコード化方式を使用しなければならなくなる。
最も簡単なものは２つの周波数間の時分割方式である
が、これを採用した場合、検出確率が低下する。ほかに
も種々のコード構成が考えられ、これらは今後の検討を
必要とする。
AODLFを利用する代表的なスペクトラム・アナライザを
第５図に略示した。このアナライザは入力側及び出力偏
光器、収束レンズ、及び測定値を提供する光検出素子を
含む。
第５図に略示した。このアナライザは入力側及び出力偏
光器、収束レンズ、及び測定値を提供する光検出素子を
含む。
２次元検出素子列を組込むことにより、１つの次元が線
走査像の空間的情報を含み、もう１つの次元がスペクト
ル情報を含むスペクトル分析を行うことができる。衛星
を利用した情報処理システムに応用されるAODLFの別の
能力として、微分モード動作によって、高い非コヒーレ
ント・バックグラウンドノイズの存在化において同期検
波のS/N比を求めることができる。これはAODLFに加えら
れるRFに極めて小さい周波数変調を加えることによって
達成される。検出素子信号のそれぞれをFMの基本波及び
第１調波におい位相ロックすることによって、各分解成
分の第１及び第２スペクトル導函数を観察する。AOTFに
対する重要な利点は全スペクトル範囲を連続的にモニタ
できることである。
走査像の空間的情報を含み、もう１つの次元がスペクト
ル情報を含むスペクトル分析を行うことができる。衛星
を利用した情報処理システムに応用されるAODLFの別の
能力として、微分モード動作によって、高い非コヒーレ
ント・バックグラウンドノイズの存在化において同期検
波のS/N比を求めることができる。これはAODLFに加えら
れるRFに極めて小さい周波数変調を加えることによって
達成される。検出素子信号のそれぞれをFMの基本波及び
第１調波におい位相ロックすることによって、各分解成
分の第１及び第２スペクトル導函数を観察する。AOTFに
対する重要な利点は全スペクトル範囲を連続的にモニタ
できることである。
AODLFを微分モードで作動することで、この装置が機械
的に有用な別の特徴を具えていることが明らかになる。
セルを励振させるCW波にFMを加えると、直ちに音響周波
数帯Δｆが光学的開口に現われる。従って、それぞれの
角度分解成分の波長純度が劣化し、各成分の波長広がり
式（８）の微分によって求められる。
的に有用な別の特徴を具えていることが明らかになる。
セルを励振させるCW波にFMを加えると、直ちに音響周波
数帯Δｆが光学的開口に現われる。従って、それぞれの
角度分解成分の波長純度が劣化し、各成分の波長広がり
式（８）の微分によって求められる。
分解能の低下はこの“FM広がり”分解能と最大CW分解能
δλ＝λv/Lfによって表わすことができる。
δλ＝λv/Lfによって表わすことができる。
CW分解能が大きければ（即ち、Ｌが大きければ）、所与
のFMの広がりに対応する分解能の低下も大きくなること
はいうまでもない。表IIIに示したパラメータを利用し
て典型例を評価すると、TASの場合、分解能低下比は、 Hg2Cl2の場合には、 即ち、RFに加えるFMの振幅を変化させることにより、光
検出素子列からの直接信号に見られるように、AODLFの
分解能を低下させることができる。当然のことながら、
高い分解能でFMの基本波及び第１調波に同時に微分信号
が観察されることはいうまでもない。
のFMの広がりに対応する分解能の低下も大きくなること
はいうまでもない。表IIIに示したパラメータを利用し
て典型例を評価すると、TASの場合、分解能低下比は、 Hg2Cl2の場合には、 即ち、RFに加えるFMの振幅を変化させることにより、光
検出素子列からの直接信号に見られるように、AODLFの
分解能を低下させることができる。当然のことながら、
高い分解能でFMの基本波及び第１調波に同時に微分信号
が観察されることはいうまでもない。
以上に述べたのは分析すべき光が、全スペクトル範囲に
わたって変化しない一定角度で、かつ適当に大きい開口
角でセルに入射する音響・光学的分散フィルタである。
また、この音響・光学セルは分析すべき光の成分が確実
に検知され、ほとんど100％の効率で最大感度を発揮す
るように一定RFで励振される。各波長分解成分は１つの
次元においてそれぞれ異なる回折角でセルを出る一方、
それぞれの角度分解成分は回折角に直角の、それぞれ異
なる屈折角でセルを出るから、２次元検出素子列をシス
テムの焦点面に配列することにより、光をスペクトル的
にも空間的にも分析できる。スペクトル範囲及び分解能
は電子的に制御できるから、動作調節のために機械的に
運動させる必要はない。
わたって変化しない一定角度で、かつ適当に大きい開口
角でセルに入射する音響・光学的分散フィルタである。
また、この音響・光学セルは分析すべき光の成分が確実
に検知され、ほとんど100％の効率で最大感度を発揮す
るように一定RFで励振される。各波長分解成分は１つの
次元においてそれぞれ異なる回折角でセルを出る一方、
それぞれの角度分解成分は回折角に直角の、それぞれ異
なる屈折角でセルを出るから、２次元検出素子列をシス
テムの焦点面に配列することにより、光をスペクトル的
にも空間的にも分析できる。スペクトル範囲及び分解能
は電子的に制御できるから、動作調節のために機械的に
運動させる必要はない。
第１図は231MHzの周波数で作動されるセレン化タリウム
砒素結晶AODLFにおける異方性Bragg角と波長の関係を示
すグラフ、第２図は110.6MHzの周波数で作動される塩化
水銀結晶AODLFにおける異方性Bragg角と波長との関係を
示すグラフ、第3A図及び第3B図はTAS結晶AODLF及び塩化
水銀結晶AODLFの構成をそれぞれ略示する構成図、第４
図は塩化水銀AODLFの２周波数動作におけるBragg角を示
すグラフ、第５図は本発明の電子的に調節可能な分光分
析システムを略示する構成図、第６図はTAS（セレン化
タリウム砒素）結晶AODLF及び塩化水銀AODLFにおける光
学的帯域中心同調関係を示すグラフである。
砒素結晶AODLFにおける異方性Bragg角と波長の関係を示
すグラフ、第２図は110.6MHzの周波数で作動される塩化
水銀結晶AODLFにおける異方性Bragg角と波長との関係を
示すグラフ、第3A図及び第3B図はTAS結晶AODLF及び塩化
水銀結晶AODLFの構成をそれぞれ略示する構成図、第４
図は塩化水銀AODLFの２周波数動作におけるBragg角を示
すグラフ、第５図は本発明の電子的に調節可能な分光分
析システムを略示する構成図、第６図はTAS（セレン化
タリウム砒素）結晶AODLF及び塩化水銀AODLFにおける光
学的帯域中心同調関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭50−23838（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−48943（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−33750（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−21429（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−51314（ＪＰ，Ａ)
Claims (12)
- 【請求項１】光の２つ以上の波長を同時にモニタする方
法であって、光学的入力面、光学的出力面及び一対の対
向側面を有し、一方の対向側面に音響波を入射させるた
めの手段を音響的に結合した光学的に複屈折性の結晶体
の前記光学的入力面に、分析すべき光をその全スペクト
ル範囲に亘り１つの偏光で且つ実質的に鉛直に入射させ
ることにより前記結晶体を通過させ、結晶体に所定の一
定周波数の音響波を入射させることにより、音響波との
相互作用の結果結晶体から出る入射光の各波長分解成分
の回折角に差が生じるようにするステップより成り、前
記結晶体の光学的入力面と前記対向側面とが成す所定の
角度は、音響波の前記所定の一定周波数において、入射
光波長が変化すると入射ブラッグ角に最小値が現れるが
回折ブラッグ角は入射光波長と共に実質的に直線的に増
加するように選択されていることを特徴とする光の２つ
以上の波長を同時にモニタする方法。 - 【請求項２】この結晶体は通過する光を近軸異方性ブラ
ック回折により回折することを特徴とする特許請求の範
囲第１項の方法。 - 【請求項３】結晶体から出る波長分解成分の回折角が異
なるため波長分解成分が実質的に空間的に分離され、ま
た空間的に分離された各波長分解成分を同時に検出する
ステップをさらに含むことを特徴とする特許請求の範囲
第１又は第２項に記載の方法。 - 【請求項４】対向側面が互いに平行であることを特徴と
する特許請求の範囲第１乃至３項に記載の方法。 - 【請求項５】分析すべき光が空間情報とスペクトル情報
を共に含み、空間的に分離された波長分解成分が結晶体
に関して配置された二次元検出器により検出されること
により、１つの次元ではその空間情報が、また第２の次
元ではスペクトル情報が得られることを特徴とする特許
請求の範囲第１乃至４項に記載の方法。 - 【請求項６】入射させる音響波の周波数は、入射光の光
学的帯域中心を変化させるように前記所定の一定周波数
から別の異なる周波数へ同調可能であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項７】入射光から光の２つ以上の波長を同時に空
間的且つスペクトル的に分離する装置であって、入射光
を実質的に鉛直に入射させる光学的入力面、光学的出力
面、及び光学的入力面と所定の角度をなす一対の対向側
面を有する光学的に複屈曲性の結晶体と、光学的出力面
から出る各波長分解成分の回折角が異なるように結晶体
に所定の一定周波数の音響波を入射させるため一方の対
向側面に音響的に結合された手段とよりなり、光学的入
力面と対向側面とが成す前記所定の角度は、音響波の前
記所定の一定周波数において、入射光波長が変化すると
入射ブラッグ角に最小値が現れるが回折ブラッグ角は入
射光波長と共に実質的に直線的に増加するように選択さ
れていることを特徴とする装置。 - 【請求項８】この結晶体は入射光を近軸異方性ブラッグ
回折により回折させることを特徴とする特許請求の範囲
第７項に記載の装置。 - 【請求項９】この結晶体は波長分解成分を実質的に空間
的に分離し、空間的に分離された各波長分解成分を同時
に検出するため結晶体の光学的出力面に関し配置された
検出器手段を具備してなることを特徴とする特許請求の
範囲第７項または第８項に記載の装置。 - 【請求項１０】結晶体の前記対向側面は互いに平行であ
ることを特徴とする特許請求の範囲第７項乃至９項に記
載の装置。 - 【請求項１１】分析すべき光は空間情報及びスペクトル
情報を共に含み、前記検出器手段は１つの次元では空間
情報を、第２の次元ではスペクトル情報を検出するよう
に結晶体の光学的出力面に関し配置された二次元検出器
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第７項乃至10項
に記載の装置。 - 【請求項１２】前記音響波を入射させる手段は、入射光
の光学的帯域中心を変化させるべく入射させる音響波の
周波数を前記所定の一定周波数から別の異なる周波数へ
変化させるように電子的に同調可能であることを特徴と
する特許請求の範囲第12項に記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/666,416 US4639092A (en) | 1984-10-30 | 1984-10-30 | Acousto-optic dispersive light filter |
| US666416 | 1984-10-30 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61173122A JPS61173122A (ja) | 1986-08-04 |
| JPH07122595B2 true JPH07122595B2 (ja) | 1995-12-25 |
Family
ID=24674072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60242594A Expired - Fee Related JPH07122595B2 (ja) | 1984-10-30 | 1985-10-29 | 音響・光学的分散フイルタ及び２つ以上の波長の分離方法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4639092A (ja) |
| EP (1) | EP0180449A3 (ja) |
| JP (1) | JPH07122595B2 (ja) |
| CN (1) | CN1006826B (ja) |
| CA (1) | CA1241429A (ja) |
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| EP0286814A3 (de) * | 1987-03-31 | 1990-03-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Ansteuereinrichtung |
| US4767198A (en) * | 1987-06-24 | 1988-08-30 | Unisys Corporation | SAW/BAW Bragg cell |
| JP2564577B2 (ja) * | 1987-11-24 | 1996-12-18 | 日本電信電話株式会社 | 波長分割光スイッチ |
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| JPH04279827A (ja) * | 1990-12-26 | 1992-10-05 | Hamamatsu Photonics Kk | 固体ストリークカメラ |
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| JPH07106683A (ja) * | 1993-10-07 | 1995-04-21 | Nec Corp | 狭帯域化エキシマレーザ装置 |
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