JPH07181205A - 光応用測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 磁気光学効果を利用して、磁界または電流を
高精度に測定可能な、優れた光応用測定装置を提供す
る。 【構成】 ２波長光源２１から２波長の光を発する。周
波数ωの参照光は参照光路１１を通過する。周波数ω＋
Δωの測定光は測定光路１２に入射し、λ／４板２４ａ
によって円偏光に変換された後、磁気光学媒質１を透過
し、磁界の強さに応じてファラデー回転する。ファラデ
ー回転した測定光は、λ／４板２４ｂによって再び直線
偏光に変換され、ビームコンバイナ９によって参照光路
１１を通過した参照光と重ね合わされ、偏光子３を透過
してヘテロダイン干渉光として光検出器５に入射する。
検出信号を位相変化検出回路２２に入力し、位相変化量
を検出することにより、磁界または電流に応じた測定光
路の光路長の変化を計測する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁気光学効果を利用し
て磁界や電流などの物理的変量を測定する光応用測定装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光応用測定装置は、磁気光学効
果の一つである磁気誘導複屈折効果（光が磁性体を透過
するときに現れる複屈折現象）を利用して、磁界や電流
などの物理的変量を測定する装置である。以下には、こ
のような光応用測定装置として、代表的な２つの例を示
す。

【０００３】まず、図５は、ファラデー効果を利用した
光応用測定装置であり、磁気光学媒質１と、光源２、偏
光子３、偏光ビームスプリッタ４、２つの光検出器５
ａ，５ｂ、および偏波面回転角検出回路６から構成され
ている。ここで、ファラデー効果とは、直線偏光の光波
が、磁界中に配置した磁気光学媒質内を透過する際に、
左右の円偏光に対する屈折率が異なるために偏光面が磁
界の強さに比例した角度だけ回転する現象である。

【０００４】すなわち、この装置を使用して磁界または
電流などの物理的変量を測定する場合には、まず、光源
２から発した光を偏光子３によって直線偏光に変換し、
磁界中に配置された磁気光学媒質１を透過させてファラ
デー回転させる。次に、この磁気光学媒質１から出射し
た直線偏光を、偏光ビームスプリッタ４により、直交す
る２つの偏光成分（ｘ成分とｙ成分）に分離し、このｘ
成分とｙ成分の直線偏光を２つの光検出器５ａ，５ｂに
それぞれ入射して電気信号に変換する。最終的に、偏波
面回転角検出回路６において、ｘ成分とｙ成分の電気信
号からこの２つの成分の測定光強度比を求めて偏波面の
回転角を検出し、この回転角から磁界または電流を求め
る。

【０００５】次に、図６は、干渉法を利用した光応用測
定装置であり、ファラデー効果を示す磁気光学媒質１
と、コヒーレント光源７、ビームスプリッタ８、ビーム
コンバイナ９、光検出器５、および位相差検出回路１０
から構成されている。この装置においては、磁界によっ
て光の屈折率が変化することを利用している。

【０００６】すなわち、この装置を使用して磁界または
電流などの物理的変量を測定する場合には、まず、コヒ
ーレント光源７から発した光をビームスプリッタ８によ
り分割して、磁界中を通らない参照光路１１と、磁界中
に配置された磁気光学媒質１を通る測定光路１２とをそ
れぞれ通過させる。この場合、参照光路１１と測定光路
１２との光路長差は、磁界の強さに比例して変化する。
そして、このように参照光路１１および測定光路１２を
通過した２光波をビームコンバイナ９で干渉させ、電気
信号に変換する。最終的に、位相差検出回路１０によっ
て、この干渉光の電気信号から測定光強度を求めて位相
差を検出し、磁界または電流を求める。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述したよ
うな従来の光応用測定装置には、次のような問題があ
る。すなわち、第１に、いずれの方法も、光強度を計測
し、その変化に基づいて磁界または電流の変化を求める
方法であるが、磁界または電流の変化が測定光強度の変
化に線形依存していないため、光強度に基づく磁界また
は電流の計算が複雑である。第２に、前述のような磁界
または電流の測定光強度との非線形関係から、特に、一
定の範囲の光強度においては、磁界または電流の変化と
の関係が把握し難いため、測定精度が低下する。第３
に、直接計測する物理的変量が光強度であるため、光源
やその他の原因による光強度変動の影響が直接誤差とし
て現れ、測定精度が低下する。

【０００８】本発明は、上記のような従来技術の欠点を
解消するために提案されたものであり、その目的は、磁
気光学効果を利用して、磁界または電流を高精度に測定
可能な、優れた光応用測定装置を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上の目的を
達成するために、磁気光学効果を利用して、対象とする
対象物理的変量（磁界または電流）を測定する光応用測
定装置として、特に、ヘテロダイン干渉法を用いて対象
物理的変量（磁界または電流）に応じた光路長の変化を
計測する装置を提案するものである。

【００１０】まず、請求項１に記載の装置は、２波長光
源、参照光路、測定光路、光検出手段、および位相変化
検出手段を有する。このうち、２波長光源は、異なる２
つの波長の光を発する手段である。参照光路は、２波長
光源から発せられた第１の波長の光が、対象物理的変量
（磁界または電流）による光路長の変化を生じることな
く通過するように構成される。測定光路は、磁気光学媒
質を含み、２波長光源から発せられた第２の波長の光が
この磁気光学媒質内を透過するように構成される。光検
出手段は、参照光路を通過した参照光と測定光路の磁気
光学媒質を透過した測定光という２光波の干渉光を光電
変換してビート信号を得る手段である。位相変化検出手
段は、光検出手段で得られたビート信号の位相変化を検
出することにより、対象物理的変量（磁界または電流）
による光路長の変化を計測する手段である。

【００１１】また、請求項２に記載の装置は、請求項１
の装置の構成に加えて、測定光路が、磁気光学媒質内を
往復する光路を含むことを特徴としている。

【００１２】一方、請求項３に記載の装置は、２波長光
源、２つの光路、光検出手段、および位相変化検出手段
を有する。このうち、２波長光源は、異なる２つの波長
の光を発する手段である。２つの光路は、磁気光学媒質
を含み、２波長光源から発せられた２つの波長の光がこ
の磁気光学媒質内を双方向にそれぞれ透過するように構
成される。光検出手段は、２つの光路を通過した２光波
の干渉光を光電変換してビート信号を得る手段である。
位相変化検出手段は、光検出手段で得られたビート信号
の位相変化を検出することにより、対象物理的変量（磁
界または電流）による光路長の変化を計測する手段であ
る。

【００１３】

【作用】以上のような構成を有する本発明によれば、次
のような作用が得られる。

【００１４】まず、請求項１に記載の装置において、２
波長光源から２つの波長の光が発せられると、第１の波
長の光は、磁界または電流による光路長の変化のない参
照光路を通過して参照光となり、第２の波長の光は、測
定光路の磁気光学媒質を透過して測定光となる。この場
合、測定光路の光路長は、磁界または電流に応じて変化
する。続いて、光検出手段により、このような参照光と
測定光という２光波の干渉光を光電変換してビート信号
を得た後、位相変化検出手段によって、ビート信号の位
相変化を検出することにより、磁界または電流による測
定光路の光路長の変化を計測することができる。

【００１５】このように、請求項１の装置において、磁
界または電流に応じた測定光路の光路長の変化は、ヘテ
ロダイン干渉法によって、ビート信号の位相変化として
計測される。この場合、磁界または電流の変化は、ビー
ト信号の位相変化に比例（線形依存）するため、光強度
を測定する従来装置に比べて、特別な計算処理を行う必
要がなくなるとともに、磁界または電流の変化の測定精
度が向上する。そしてまた、この装置の測定精度は、２
波長光源の波長安定度のみに依存し、２波長光源やその
他の原因による光強度変動の影響をほとんど受けないた
め、この点からも測定精度が向上する。

【００１６】また、請求項２に記載の装置においては、
請求項１の装置の作用に加えて、さらに、次のような作
用が得られる。すなわち、測定光が磁気光学媒質内を往
復することにより、磁界または電流以外の旋光の影響に
よる位相変化を相殺することができるため、測定精度が
さらに向上する。

【００１７】一方、請求項３に記載の装置において、２
波長光源から２つの波長の光が発せられると、この２つ
の波長の光は、磁気光学媒質内を双方向に透過する。続
いて、光検出手段により、このように磁気光学媒質内を
双方向に透過した２光波の干渉光を光電変換してビート
信号を得た後、位相変化検出手段によって、ビート信号
の位相変化を検出することにより、磁界または電流によ
る測定光路の光路長の変化を計測することができる。

【００１８】したがって、この請求項３の装置において
も、請求項１の装置と同様に、磁界または電流に応じた
測定光路の光路長の変化は、ヘテロダイン干渉法によっ
て、ビート信号の位相変化として計測されるため、前述
したように、光強度に基づく従来方法に比べて、特別な
計算処理を行う必要がなくなるとともに、磁界または電
流の変化の測定精度が向上する。その上、この装置にお
いては、磁気光学媒質内を双方向に透過した２光波の干
渉光の位相変化を検出することにより、磁界または電流
以外の影響による位相変化を相殺することができるた
め、測定精度がさらに向上する。

【００１９】

【実施例】以下には、本発明による複数の実施例を図１
〜４を参照して説明する。なお、図５および図６に示し
た従来例と同一部分には、同一の符号を付し、説明は省
略する。

【００２０】（１）第１実施例 図１は、請求項１に記載の光応用測定装置の一実施例を
示す原理図である。この装置は、図１に示すように、２
波長光源２１、参照光路１１、磁界中に配置された磁気
光学媒質１を含む測定光路１２、光検出器５、および位
相変化検出回路２２から構成されており、それぞれ、本
発明の２波長光源、参照光路、測定光路、光検出手段、
および移送変化検出手段に相当する。

【００２１】図２は、図１の光応用測定装置の具体的な
構成を示す構成図である。この装置において、２波長光
源２１は、単一波長のコヒーレント光源７と光周波数シ
フタ２３によって構成されている。また、光周波数シフ
タ２３の出射側には、２波長の光を分離して参照光路１
１と測定光路１２を形成する偏光ビームスプリッタ４が
配置されている。そして、測定光路１２の磁気光学媒質
１の入射側と出射側には、λ／４板２４ａ，２４ｂがそ
れぞれ配置されており、出射側のλ／４板２４ｂの光路
前方には、参照光路１１と測定光路１２を通過した光を
干渉させるビームコンバイナ９が設けられている。さら
に、このビームコンバイナ９と光検出器５の間には、偏
光子３と光検出器５が順次配置され、光検出器５で得ら
れたビート信号が位相変化検出回路２２に入力されるよ
うに構成されている。

【００２２】そして、この装置を使用して磁界または電
流を測定する場合には、まず、２波長光源２１から、周
波数ωとω＋Δωという２つの波長の光を発する。より
詳細には、コヒーレント光源７から単一波長の光を発
し、光周波数シフタ２３によって周波数ωとω＋Δωと
いう互いに直交する２波長の光に分離する。そして、こ
の２波長の光を、偏光ビームスプリッタ４によって分離
し、参照光および測定光として参照光路１１と測定光路
１２にそれぞれ入射する。

【００２３】この後、周波数ωの参照光は、磁界や電流
に影響されることなく参照光路１１を通過する。また、
周波数ω＋Δωの測定光は、測定光路１２に入射し、磁
気光学媒質１を透過する。ここで、磁気光学媒質１は、
磁界または電流によって円偏光に対する光路長が変化す
るため、測定光路１２に入射した測定光は、まずλ／４
板２４ａによって直線偏光から円偏光に変換され、この
円偏光が、磁気光学媒質１を透過し、磁界の強さに応じ
てファラデー回転する。

【００２４】そして、このようにファラデー回転した測
定光は、λ／４板２４ｂによって再び円偏光から直線偏
光に変換され、ビームコンバイナ９によって参照光路１
１を通過した参照光と重ね合わされ、偏光子３を透過し
てヘテロダイン干渉光として光検出器５に入射する。こ
の場合、検出光は２波長の差周波Δωのビート光であ
り、正弦波のビート信号として検出される。このビート
信号の正弦波の位相は、磁気光学媒質１内の光路長が磁
界または電流によって変化した場合に、磁界の強さまた
は電流の大きさに応じて変化する。そのため、この検出
信号を位相変化検出回路２２に入力し、この位相変化検
出回路２２によって位相変化量を検出することにより、
磁界または電流に応じた測定光路の光路長の変化を計測
することができる。

【００２５】このように、本実施例において、磁界また
は電流に応じて測定光路の光路長の変化は、ヘテロダイ
ン干渉法によって、ビート信号の位相変化として計測さ
れる。この場合、磁界または電流の変化は、ビート信号
の位相変化に比例（線形依存）するため、位相変化に比
例する変量として容易に得られる。その結果、磁界また
は電流の変化が線形依存していない光強度を直接測定し
ていた従来装置に比べて、特別な計算処理を行う必要が
なくなる。これに関連して、磁界または電流の変化との
関係が把握し難いような一定の範囲も存在しないため、
磁界または電流の変化の測定精度が向上するという効果
も得られる。そしてまた、この装置の測定精度は、２波
長光源２１の波長安定度のみに依存し、２波長光源２１
やその他の原因による光強度変動の影響をほとんど受け
ないため、この点からも測定精度が向上する。したがっ
て、本実施例においては、磁界または電流を高精度に測
定可能な、優れた光応用測定装置を提供することができ
る。

【００２６】（２）第２実施例 図３は、請求項２に記載の光応用測定装置の一実施例を
示す構成図である。この装置において、２波長光源２１
は、前記第１実施例と同様に、単一波長のコヒーレント
光源７と光周波数シフタ２３によって構成されている。
また、光周波数シフタ２３の出射側には、２波長の光を
分離して参照光路１１と測定光路１２を形成する偏光ビ
ームスプリッタ４が配置されている。そして、測定光路
１２には、λ／４板２４ａ、磁気光学媒質１、および反
射鏡２５ａが順次配置されており、偏光ビームスプリッ
タ４からの測定光が、λ／４板２４ａと磁気光学媒質１
を介して反射鏡２５ａに達する往路と、この反射鏡２５
ａで反射して、磁気光学媒質１とλ／４板２４ａを介し
て偏光ビームスプリッタ４に戻る復路とからなる往復の
光路が形成されている。同様に、参照光路１１側につい
ても、λ／４板２４ｂおよび反射鏡２５ｂが順次配置さ
れており、往復の光路が形成されている。なお、この部
分以外については、前記第１実施例と同様に構成されて
いる。

【００２７】このように構成された本実施例の装置にお
いて、偏光ビームスプリッタ４からの測定光は、まず、
λ／４板２４ａによって直線偏光から円偏光に変換さ
れ、この円偏光が、磁気光学媒質１を透過し、磁界の強
さに応じてファラデー回転する。そして、このようにフ
ァラデー回転した測定光は、反射鏡２５ａで反射した
後、再び磁気光学媒質１を透過し、磁界の強さに応じて
ファラデー回転する。この後、測定光は、λ／４板２４
ａによって再び円偏光から直線偏光に変換され、偏光ビ
ームスプリッタ４に戻される。一方、偏光ビームスプリ
ッタ４からの参照光は、まず、λ／４板２４ｂによって
直線偏光から円偏光に変換され、反射鏡２５ｂで反射し
た後、λ／４板２４ｂによって再び円偏光から直線偏光
に変換され、偏光ビームスプリッタ４に戻され、測定光
と重ね合わされる。なお、この後の処理は、前述した第
１実施例と同様である。

【００２８】このように、本実施例においては、測定光
が、磁気光学媒質１内を往復するため、磁界または電流
以外の旋光の影響による位相変化を相殺することができ
る。したがって、前記第１実施例に比べて、誤差をさら
に低減し、磁界または電流の変化の測定精度をさらに向
上することができる。

【００２９】（３）第３実施例 図４は、請求項３に記載の光応用測定装置の一実施例を
示す構成図である。この装置において、２波長光源２１
は、前記第１、第２実施例と同様に、単一波長のコヒー
レント光源７と光周波数シフタ２３によって構成されて
いる。また、光周波数シフタ２３の出射側には、ビーム
スプリッタ８と偏光ビームスプリッタ４が順次配置され
ている。偏光ビームスプリッタ４は、２波長の光を分離
して、２つのλ／４板２４ａ，２４ｂにそれぞれ入射さ
せ、左回り光路と右回り光路を形成している。すなわ
ち、この偏光ビームスプリッタ４と２つのλ／４板２４
ａ，２４ｂ、および磁気光学媒質１によって一つのルー
プ状の光路が形成されており、磁気光学媒質１を双方向
に透過する２つの光路が形成されている。なお、この部
分以外については、前記第１、第２実施例と同様に構成
されている。

【００３０】このように構成された本実施例の装置にお
いて、偏光ビームスプリッタ４からの２つの波長の光
は、λ／４板２４ａとλ／４板２４ｂにそれぞれ入射
し、磁気光学媒質１内を双方向に透過した後、反対側の
λ／４板２４ｂとλ／４板２４ａを介して、再び偏光ビ
ームスプリッタ４に戻り、重ね合わされる。なお、この
後の処理は、前述した第１、第２実施例と同様である。

【００３１】このように、本実施例においては、磁気光
学媒質１内を双方向に透過した２光波の干渉光の位相変
化を検出するため、磁界または電流以外の影響による位
相変化を相殺することができる。したがって、前記第１
実施例に比べて、誤差をさらに低減し、磁界または電流
の変化の測定精度をさらに向上することができる。

【００３２】（４）他の実施例 なお、本発明は、前記各実施例に限定されるものではな
く、例えば、光源や各光路、光検出手段、位相変化検出
手段などの具体的な配置構成は自由に選択可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ヘテロダイン干渉法を用いて、磁界または電流を高精度
に測定可能な、優れた光応用測定装置を提供することが
できる。

【００３４】すなわち、請求項１の発明によれば、磁界
または電流の影響を受けない参照光路と磁気光学媒質を
含む測定光路とをそれぞれ通過した２つの波長の光を干
渉させ、その位相変化を検出することにより、測定精度
を向上することができる。

【００３５】また、請求項２の発明によれば、磁気光学
媒質内を往復した測定光を参照光と干渉させることによ
り、請求項１の発明の効果に加えて、磁界または電流以
外の旋光の影響を除去することができるため、誤差を低
減し、測定精度をさらに向上することができる。

【００３６】さらに、請求項３の発明によれば、磁気光
学媒質内を双方向に透過した２光波の干渉光の位相変化
を検出することにより、請求項１の発明の効果に加え
て、磁界または電流以外の影響を除去することができる
ため、誤差を低減し、測定精度をさらに向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光応用測定装置の第１実施例を示
す原理図。

【図２】図１の光応用測定装置の具体的な構成を示す構
成図。

【図３】本発明による光応用測定装置の第２実施例を示
す構成図。

【図４】本発明による光応用測定装置の第３実施例を示
す構成図。

【図５】ファラデー効果を利用した従来の光応用測定装
置の一例を示す構成図。

【図６】干渉法を利用した従来の光応用測定装置の一例
を示す構成図。

【符号の説明】

１…磁気光学媒質 ２…光源 ３…偏光子 ４…偏光ビームスプリッタ ５，５ａ，５ｂ…光検出器 ６…偏波面回転角検出回路 ７…コヒーレント光源 ８…ビームスプリッタ ９…ビームコンバイナ １０…位相差検出回路 １１…参照光路 １２…測定光路 ２１…２波長光源 ２２…位相変化検出回路 ２３…光周波数シフタ ２４ａ，２４ｂ…λ／４板 ２５ａ，２５ｂ…反射鏡

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気光学効果を利用して対象とする対象
   物理的変量を測定する光応用測定装置において、 異なる２つの波長の光を発する２波長光源と、 前記２波長光源から発せられた第１の波長の光が、前記
   対象物理的変量による光路長の変化を生じることなく通
   過するように構成された参照光路と、 磁気光学媒質を含み、前記２波長光源から発せられた第
   ２の波長の光がこの磁気光学媒質内を透過するように構
   成された測定光路と、 前記参照光路を通過した参照光と前記測定光路の磁気光
   学媒質を透過した測定光という２光波の干渉光を光電変
   換してビート信号を得る光検出手段と、 前記光検出手段で得られたビート信号の位相変化を検出
   することにより、前記対象物理的変量による光路長の変
   化を計測する位相変化検出手段とを備えたことを特徴と
   する光応用測定装置。
2. 【請求項２】 前記測定光路が、前記磁気光学媒質内を
   往復する光路を含むことを特徴とする請求項１記載の光
   応用測定装置。
3. 【請求項３】 磁気光学効果を利用して対象とする対象
   物理的変量を測定する光応用測定装置において、 異なる２つの波長の光を発する２波長光源と、 磁気光学媒質を含み、前記２波長光源から発せられた２
   つの波長の光がこの磁気光学媒質内を双方向にそれぞれ
   透過するように構成された２つの光路と、 前記２つの光路を通過した２光波の干渉光を光電変換し
   てビート信号を得る光検出手段と、 前記光検出手段で得られたビート信号の位相変化を検出
   することにより、前記対象物理的変量による光路長の変
   化を計測する位相変化検出手段とを備えたことを特徴と
   する光応用測定装置。