JPS5892902A - 光屈折鏡を持つマイケルソン干渉計 - 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】 本発明はマイケルソン干渉針の原理に基づいて構成した
干渉針に関する。マイケルソン干渉針は、一般に、単色
放射線源、鏡によって終端した２つの測定アームに供給
する、例えば半透明板の如く光学ビームスプリンタ一手
段、及び２つの測定アームに沿って往復運動をした放射
線を光学スプリッタ一手段を介して重ね合せるように配
置された放射線検出器から成る。このような装置は、測
定アームに沿う光学放射線の伝播に影響するような多数
の物理量を測定することが可能である。これらの物理量
のあるものは、測定アームの各々における光学放射線の
伝播方向がどのようなものであろうと、同一の伝達遅延
を発生させる相反効果を生じさせる。他の物理量は光学
放射線の伝播の関数として異なったように伝達遅延に影
響する非相反効果に導く０通常考えられる非相反効果は
ファラデイー効果及び相対論的慣性効果である。ファラ
デイー効果は、磁界が好ましい電子スピン配向を生じさ
せるような材料媒質から測定アームが成るとき、生じる
。この効果を用いることによって、干渉針で電流の測定
に適用できるものである。この場合１、測定アームは、
各端で励振される光学繊維の如き導波管中の光学放射線
を循環することによって軸に結ぶことができる。このこ
とは、鏡をなくすことができ且つ干渉針は環状干渉針と
なる。

環状干渉針で用いられる相対論的慣性効果はサグナック
効果と呼ばれ、そのとき干渉針はジャイロメータと呼ば
れる。

相反効果は空間または材料媒質の対称性の破壊とは関連
がない、これらの相反効果は、測定アームが機械的、光
学的または熱的応力の源であるとき観察される。

マイケルソン干渉針が特定の物理量を測定するために用
いられるとき、一般に、干渉針は測定を誤まらせるかも
しれない他の物理量に対しても感応する。

相反効果の場合、測定アームの端に従来通り嵌合した鏡
は測定アームを実際の２倍に表し、このことは非相反効
果を測定しようと望む際には主要な欠点となる。

さらに、共役波頭の形態で入射波頭を反射することがで
きる光屈折媒質の使用に基づく光学反射系は周知である
。普通の鏡は、光が実際の対象物からくるように光を反
射し、鏡を照射する対象物とは一致しない。しかし、光
屈折媒質は共役位相を有する波頭を反射でき、対象放射
線からできた放射線と異種同形の対象放射線に戻る。相
反効果の場合に、この相互作用的反射は、もしそれらの
効果が放射線の往復路中に変化されず、光屈折媒質がこ
れらの効果の変化に適応できるならば、そのような効果
に無感応であることを保証する。しかしながら、相反効
果を打消す能力は非相反効果の干渉測定に対して不利に
なるものでなく、環状干渉針に対して従来から占められ
ていた分野にマイケルソン干渉針の使用に対する新しい
可能性を与えるものである。

本発明は、光屈折鏡を持つマイケルソン干渉針において
、単色放射線源と、反射体で終端した２つの測定アーム
に放射線の第１及び第２部分を分配する光学ビームスプ
リッタ−と、及び前記ア−ムに沿って往復した放射線の
第１及び第２部分を光学スプリンタ−を介して重ね合せ
るように集めるように配置した光検出器と、を有し、第
１及び第２放射線部分が光屈折媒質内で交叉し、反射体
が垂直入射の下で光屈折媒質を横切った放射線の第１部
分を反射するように配置されていることを特徴とする干
渉針に関するものである。

次ぎに本発明を添付図面を参照して説明する。

第１図は、従来の鏡の代わりに光屈折性反射体を用いて
マイケルソン干渉針とは異なる２つのアームを有する干
渉針を示す。

従来のマイケルソン干渉針と共通に、図示の干渉針は、
例えば、平らな半反射板によって構成された光学スプリ
ンタ−２の方向にビーム１１を放出する単色放射源１を
有する。スプリッター２に入る入射放射線１１は第１の
透過部分１２及び第２の反射部分１４に分割される。

透過部分１２はレンズ４によって第１の光学導波管６の
入口Ａに焦点が結ばれ、導波管はこの放射線部分を・出
口Ｂで再放出するン 反射部分１４は鏡３によってレンズ５に向けられ、レン
ズ５は第２の光学導波管７の入口Ｃに放射線１５の焦点
を合せる。導波管７の端りは発散ビームを放射し、この
発散ビームは導波管６の端Ｂによって放射した発散ビー
ムと出合う、従来のマイケルソン干渉針の場合には、２
つの放射線部分を板２に反射してビーム１３中で重ね合
せを保証するために、端Ｂ及びＤを金属化することが可
能である。

これらの２つの放射線部分の干渉は光検出器ｌＯで検出
され、ひかり検出器は干渉しまの通過を表わす信号Ｓ　
（Ｔ）を供給する。したがって、干渉針の２つの測定ア
ームは、一方の素子４．６及び他方の素子３．５．７か
ら成る。

本発明によると、第１図の干渉計は、光屈折媒質８及び
２つの測定アーム内を循環した放射線部分をＢからＡに
及びＤからＣに反射するための凹状球面鏡９を用いる。

凹状球面鏡９は、端Ｂからの球面波頭が垂直入射の下で
反射して端Ｂに焦点が結ばれるように、媒質（，８を横
切って端Ｂからの球面波口を受けるように配列されてい
る。媒質８の存在を除いたら、導波管６のこの反射性端
は従来の性質を有するものである。

導波管７の反射性端に関しては、光屈折媒質８は鏡９及
び端Ｂからポンピング放射線と共働し、端りによって放
出された放射−の共役位相を有し且つ同時に収れんする
放射線を端りに戻す。

光屈折性媒質は、酸化ビスマス・シリコン（ＢＳＯ）酸
化ビスマス・ゲルマニューム（ＢＧＯ＞　、チタン酸バ
リウムＢａＴｔＯｓおよびニオビウム酸カリウムＫＮｂ
Ｏ，の結晶であることができる。

光屈折性媒質は、入射光子がチャージキャリヤを形成す
るような光励起自在の媒質であり、チャージキャリヤは
、照明が光領域と交互に変わる暗領域を有するとき、材
質中に拡散できる。この媒質は、また電気光学性でもあ
り、内部電界によって形成される屈折率変化を観察でき
、そのことはチャージキャリヤの移動から生じる。これ
らの特性に基づいて、信号ビーム及びポンピングビーム
の干渉を光屈折媒質に持たらすことによって光屈折媒質
を光学的に条件付けることがてきる。干渉じまパターン
は、ボンピングビームを回折することによって共役信号
ビームを発生させることができるインデックスラインを
発生する。このことは、媒質を通過するボンピングビー
ムが逆戻しを保証する鏡によって媒質に反射されるとき
、４波式干渉計方法にしたがって形成される。

第１図は、端Ｂから出て光屈折媒質８を横切る放射線が
垂直入射の下で鏡９の反射表面に達し、この鏡が媒質８
を横切った放射線を端Ｂに戻すことを示している。この
放射線は光屈折媒質８のボンピングビームと考えること
ができる。

導波管７の端りからの放射線は、したがって信号ビーム
を構成し、この信号ビームは光屈折媒質８内でボンピン
グビームと干渉する。この干渉は光屈折媒質の屈折特性
を空間的に変調し、インデックスライン系の形成に導き
、インデックスライン系は信号ビーム中に含まれる放射
線の構造体の動的ホログラムであると考えることができ
る。球面鏡９に対する垂直反射後、光屈折媒質８を横切
るポンピング放射線を受けとることによって、動的ホロ
グラムは導波管７の端りに向かって、端りから出た放射
線の共役再生を回折する。もし光屈折媒質の方向に端り
から出る放射線が進行電磁波であるならば、共役再生は
位相ずれの符号が変わった異種同形の波頭を有する後退
電磁波であり、後者は、基準としてボンピングビームの
位相基準を取ることによって評価されうる。− 前述のことに基づいて、光屈折媒質８のラインパターン
は干渉針の第２測定アームの端りに対して反射鏡として
働らく。この反射機能は、もし鏡９によるボンピング放
射線の反射が波頭の形状を保持するならば、信号ビーム
に特殊な条件を与えない。このように、単−七−ド゛導
波管６が選ばれ、放射線源ｌは適当なコヒーレントの長
さを有する放射線を供給することができなければならな
い。

放射線源ｌは、例えば、ヘリウム−ネオンレーザ−また
は単一モード半導体レーザーである。干渉発振モードを
なくすためのモードフィルターを用いることも可能であ
り、このために、光学スプリンタ−２は、単一モード導
波管を持つ集積光学回路の形状のとき有効である。

反射鏡が干渉計の２つの測定アームの＃Ｂ及びＤからの
放射線の光学屈折媒質８中の相互作用から生ずる動的ホ
ロ２゛ラムによって構成されるとき、多数の結果が得ら
れる。これらの結果の１つは、第２の干渉針アームが不
利益なしに多重モード光学繊維７から成ることができる
ことである。他の結果は干渉針の測定アームで生じる往
復及び非往復結果を考慮し且゛っもし通用できるならば
動的ボログラムを達成するときを考慮することによって
理解できる。

作動モードの記載を明瞭にするために、最初に干渉計の
第２アームにだけ影響を与える相反及び非相反効果の干
渉しま変位による検知について勉強し、その後第１測定
アームの場合に何が起るかについて考えよう。

相反効果がＣ及びＤ間で位相ずれΔφを発生すると仮定
すると、同じ位相ずれが第２測定アームに沿う帰路中に
Ｄ及びＣ間・でも生ずる。この場合、光屈折媒質の反射
効果は端りに伝達される共役位相−△φを持つ信号ビー
ムに導く。第２の干渉針のアーム中の放射線の往路及び
復路に対する相反効果によって生じる位相ずれの代数和
は確立した作動モード中に干渉しま変位を生じさせない
。干渉針は相反効果に対して無感応であり、一方従来の
鏡の場合には、２Δφに比例する干渉しまの変化が存在
した。相反効果に対する無感応性は、もし相反効果が往
路及び復路の間で変化があるばあい（実際には極めて迅
速な変化である）、不完全なものである。しかしながら
、光屈折媒質を適応する能力は、敏感に動的ホログラム
に引き継がれる相反効果の遅い変化に導き、一方もっと
も早い変化は遅延に導き、その結果としてこの種の変化
は干渉しまの変化によって識別される。光屈折材料の性
質、ラインの間隔、放射強度及び外部電界の存在に作用
することによって、動的ホロク゛ラムを確立をする時間
を計測する時定数を決めることが可能である。このこと
は、相反効果の選択的検出の目的でバイパスフィルター
の特性を干渉針に属させることを可能にする。

Ｃ及びＤの間の非相反効果が位相ずれ△θを発生すると
仮定すると、Ｄ及びＣ間で発生した位相ずれは一へ〇で
ある。非相反効果が両者の場合同一振幅を有する（実際
、通常そうではあるが）と仮定する。光屈折媒質８が共
役位相ずれ一△θを発生すると、第２測定アーム中の往
路及び復路は位相ずれ一２△θを導き、この位相ずれは
干渉しまの変位を発生する。もし、従来の鏡で生るなら
ば、非相反効果は干渉しまの変位を発生させない。

したがって、第１図の干渉針はファラデイー効果を介し
て電流を測定するまたは相対論的効果によって旋回速度
を測定するのに用いることができる。

この種の用途において、導電体が導波管６及び７の少な
くとも１つに巻かれるが、または導波管９少ナクトも１
つが、環状干渉針の場合に、マンドレルのまわりに巻か
れる。

さて、今は、第１測定アームに通用される相反または非
相反効果の干渉計的検出を考える問題がある。

第２図は、第１図の本質的要素を概略的に示し、第１測
定アームにおいて、仮相的光源１００が位相変位による
相反効果の現われを△φで表示し且つ位相変位による非
相反効果の現れを八〇で表示している。

実際の矢印は相反効果の結果として得られる位相変位と
関連する放射線循環を表す。点線の矢印は非相反効果に
対する同種の情報を与える。

相反効果に関して板２から始めると、ポンピング波が位
相ずれ△φで媒質８に達し、この位相ずれは復路中に相
反効果がそれを２倍にするまで保持される。光屈折媒質
内の相互作用は位相ずれ△φを集積し、しかし、共役信
号放射線の発生中ポンピング波の位相ずれΔφが点線に
よって第２図中に表されたインデックスパターンの位相
ずれΔφに加えられる。その結果、２つの測定アームに
よって板２に戻された放射エネルギーは、干渉しまが検
出器１０によって検出されないように、同一の位相ずれ
２△φを受ける。

非相反効果の場合、位相ずれ八〇及び２△θは光屈折媒
質８の位置で同一の関係に従うが、第１測定アームから
くる、板２によって戻りに集められた放射線の位相ずれ
はない、このようにして、検出器１０は２八〇に比例す
る干渉しまの変位を検出する０重ね合せ効果の原理によ
って、一般の場合は前述のことと同じになる。

第３図は、第１図で採用した形状を有する光屈折媒質の
作用を示す。第１測定アームの端Ｂに集められた波頭Σ
ｐのポンピング波は第２測定アームの端りからの波頭Σ
０の信号波と干渉する。したがって、インデックスライ
ン１６は媒質８中に生じる。中心Ｂの鏡９によって反射
したポンピング波は波頭Σｉを有し、この波頭は端Ｂに
向かって軸線Ｘに沿って上昇する。この波はライン１６
で回折され、信号波の共役再生を起こす、この再生は共
役波頭Σ０を有することを特徴とし、波頭は第１ ２測定アームの端りに向かって集まる。

第４図に示す配列は、光屈折媒質８と端Ｂ及びＤとの間
にコリメータリンズ１７及び１８を有する。

光屈折媒質８は２つの垂直な軸線Ｘ及びＹに直角な小面
を有する。この配列は、比較的密な干渉しまパターン１
９を得ることができ、干渉しまパターンにおいて、干渉
しまは軸線光屈折鏡及びＹの二等分線の一つに垂直な面
にしたがって分布される。

この場合、鏡９は平らであり、第２測定アームの端に対
して通路を与える必要はない。干渉しまパターン１９に
よって誘起されたインデックスライン格子２０は作用領
域の全体にわたって同一であり、このことは均質な動的
応答を得ることを可能にする。媒質８の２つの隣接する
小面による放射線の接近はおおくの点で有利である。

明らかに、本発明は測定アーム中に導波管を有する干渉
針の場合に限定されるものではない。第５図は本発明の
干渉針の構造上の変形を示し、ポンピング放射線を運ぶ
第１測定アームが鏡３を組込んでいるものである。信号
放射線を運ぶ第２測定アームは、光屈折媒質ｓ中で角度
αの下でポンピングビーム及び信号ビームの交叉を得る
のに用いられる鏡２１及び２２を組込んでいる。ボンピ
ングビームの帰路は鋺２３によって保証されている。透
明セル２８の形状の相反効果発生素子が第２測定アー人
中に導入され且つこの素子には加圧空気源に連結したチ
ューブ２９が設けられており、加圧空気の値は変動でき
るものである。チャージキャリヤの変動を加速するため
に、電極２５及び２６が光屈折媒質８０２つの対向する
小面上に配置され電気極、性発生器２７に連結されてい
る０点線で示す従来の゛　鏡Ｍ１及びＭユは従来のマイ
ケルソン干渉針の構造を示し、本発明の基礎を示すもの
である。

光検出器ｌＯにおける干渉しまのコントラストを゛改良
するために、極性分析器３１が板２と光検出器１０との
間に配置されている。板２及−び光屈折媒質８の間に配
置した偏光子３０は、媒質８の旋回力の関数とじての減
衰波を帰路において分析器３１に供給するために、光屈
折媒質８及び反射媒質２３の間に置かれた四分の一波長
２４と共働する。分析器３１はまただ円偏光を有する回
折した信号波を帰路に受けとる。分析器３１は最良の干
渉しまコントラストを得るように回動され、そのコント
ラストは光屈折媒質８の回折効率に依存するものである
。

チューブ２９に低周波数パルス化空気が供給されると、
光検出器ｌＯによって供給される信号５（ｔ）は変化し
ない、パルス周波数が増加すると、信号Ｓ　（ｔ）はパ
ルス化に著しく良く応答する。その理由は、動的ホログ
ラムの慣性が効果を有し、セル２８で発生された相反効
果の完全な補償に反対するようになるからである。この
バイパスフィルター特性は、遅い干渉によって邪魔され
ないで圧力の交流成分を検出することが望まれるとき、
有効である。このような場合は、具体的には、遅い変化
の静圧の存在の下で超音波放射を検出する際生じる。動
的ホログラムの慣性は非相反効果の検出においてローパ
スフィルター効果を有する。

光屈折媒質８が第５図中に鏡３及び２１から出る放射線
の交叉に位置決めされることを邪魔するものは何もない
、鏡２２は省略できるが、電極２６は、そのときは、透
明電極である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の干渉針の１！１実施例を示す図であ
る。 第２図は、第１図の概略図に関連する説明図である。 第３図及び第４図は第１図の装置の構成詳細図である。 第５図は、本発明の干渉針の他の実施例である。 ｌ：単色放射線源、　２：光学スプリンタ−１１１：ビ
ーム、　　　１２：透過部分、　１４：も 反射部分、　６．７：導波管、　３：鏡、　５：レンズ
、　８：光屈折媒質、　Ａ、Ｂ、ＣＳＤ、：端。 出願人　トムソンーセーエスエフ 代理人　弁理士　新居止音

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）光屈折鏡を持つマイケルソン干渉針において、単
   色放射線源と、反射体で終端した２つの測定アームに放
   射線の第１及び第２部分を分配する光学ビームスプリン
   ターと、及び前記アームに沿って往復した放射線の第１
   及び第２部分を光学スプリンタ−を介して重ね合せて集
   めるように配置した光検出器とを有し、第１及び第２放
   射線部分が光屈折媒質内で交叉し、反射体が垂直入射の
   下で光屈折媒質を横切った放射線の第１部分を反射する
   ように配置されていることを特徴とする干渉針。 （２）アームの少なくとも１つが単一モード導波管を有
   することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の干
   渉針。 （３）光屈折媒質中で相互作用する波の少な（とも１つ
   が球面波であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項のいずれかに記載の干渉計。 （４）光屈折媒質中で相互作用する波の少なくとも１つ
   は平面波であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の干渉針。 （５）電気的極性手段が光屈折媒質に関連することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の干渉計。 （６）反射体が球面鏡であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の干渉針。 （７）反射体が平面鏡であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の干渉針。 （８）測定アームの少なくとも１つが多段モード導波管
   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
   干渉針。 （９）測定アームの少なくとも１つが排相反効果を検出
   するように配列されていることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載の干渉針。 ａＩ排相反効果が測定アームの少なくとも１つの内にあ
   る材料媒質の存在に関連していることを特徴とする特許
   請求の範囲第、９項に記載の干渉針。 （１１）極性手段が測定アーム中に挿入され、４分の１
   波長板が光屈折媒質及び反射体の間に挿入されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の干渉針。 （１２）光屈折媒質として用いられる材料が酸化ビスマ
   ス−シリコン、酸化ビスマス−ゲルマニウム、チタン酸
   バリウム及びニオビウム酸カリウムを含む群から選ばれ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の干渉
   針。