(57)【要約】【課題】光学共振器の共振周波数を連続的に途切れなく変化させて掃引することができ、fceoを光学素子の構成により制御可能な光学共振器の共振周波数の掃引方法を提供する。【解決手段】光の多光束干渉を、共振周波数を決定する原理とする光学共振器において、その内部の光路上に、幾何学的位相シフタを有し、その幾何学的位相シフタを用いて前記光学共振器内の光路長を連続的に変化させる。幾何学的位相シフタは、光路に沿って1/4波長板、1/2波長板、1/4波長板が配置され、1/2波長板は、各1/4波長板に対して、相対的な角度を、光軸に垂直な面内で変更可能な構造を有していてもよい。また、幾何学的位相シフタは、2枚の1/4波長板が光路に沿って配置され、その一方が他方に対して、光軸に垂直な面内で相対的な角度を変更可能な構造を有していてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の多光束干渉を、共振周波数を決定する原理とする光学共振器において、その内部の光路上に幾何学的位相シフタを有し、前記幾何学的位相シフタを用いて前記光学共振器内の光路長を連続的に変化させることを特徴とする光学共振器の共振周波数の掃引方法。
【請求項２】
前記幾何学的位相シフタは、光路に沿って1/4波長板、1/2波長板、1/4波長板が配置され、前記1/2波長板は、各1/4波長板に対して、相対的な角度を、光軸に垂直な面内で変更可能な構造を有することを特徴とする請求項１記載の光学共振器の共振周波数の掃引方法。
【請求項３】
前記光学共振器は、前記1/2波長板を回転させることで、回転に応じて前記共振周波数が変化することを特徴とする請求項２記載の光学共振器の共振周波数の掃引方法。
【請求項４】
前記幾何学的位相シフタは、2枚の1/4波長板が光路に沿って配置され、その一方が他方に対して、光軸に垂直な面内で相対的な角度を変更可能な構造を有することを特徴とする請求項１記載の光学共振器の共振周波数の掃引方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学共振器の共振周波数の掃引方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファブリペロー共振器をはじめとする光学共振器は、内部に共振する波長の光のみを選択的に閉じ込めることから、レーザー装置、分光分析装置、周波数標準機、光コムなど基礎科学にとどまらず、通信技術をはじめとした現代社会の基盤技術の根幹を成している。共振器内の実行的な光路長を変えることでその共振周波数は変えることができ、レーザーの波長制御手法の基本原理にもなっている。そのための最も簡単な方法は、共振器を構成する鏡の位置をピエゾ素子等でメカニカルに変える方法である。その他の共振周波数を変える方法には、電気光学効果を用いる方法、共振器内のガス圧を制御する方法など提案されている。連続的な掃引には共振器長を連続的に伸長もしくは短縮させる必要があるが、それに伴い共振周波数間隔も必然的に変化する。これは、周波数軸上で等間隔に並ぶ共振周波数をスペクトルの「ものさし」として利用する際、長さの単位が変わることを意味しており、精密な計測にはその補正が必要である。
【０００３】
特に光コムは、周波数の「ものさし」を提供する手法として、高精度な分光技術や時間標準の配信技術にも用いられている。光コムは、ある単一の周波数を持った光（搬送波という）から、周波数軸上の上下に、櫛刃状に等間隔に離れた多数の共鳴周波数をもつ。時間軸上では、周期的なパルスとして出力される。その周波数軸上で等間隔に並んだ周波数間隔は、パルスの繰り返し周波数に対応し、frepと呼ばれている。また、スペクトル全体を見ると、各共鳴周波数は強度の分布を持ち、それらは包絡線として結ぶことができる。搬送波の周波数と包絡線中心周波数は一般には一致せず、その違いはキャリアエンベロープオフセット周波数fceoと呼ばれる。frepおよびfceoを用いると、光コムの共鳴周波数は、f=n×frep+fceoとして表される。ここで、nは正整数である（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】南川丈夫 著、「光コムを用いた精密計測と顕微イメージングへの応用」、ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、平成３０年６月１０日、第３７巻、第６号、p.130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の、ピエゾ素子で鏡の位置を調整し共振器長を調整する方法による共振周波数の変化方法では、鏡の移動量に限界があることから、連続的に掃引できる周波数範囲は限定的であるという課題があった。また、その他の手法においても、物理量を単調変化させることから、いずれも共振周波数を連続的に掃引する範囲には限界があるという課題があった。
【０００６】
特に光コムにおいては、非特許文献１に記載のような従来の光学共振器では、frepは共振器内の光路長によって変化させることができたが、fceoは光コムの励起レーザー強度により制御する必要があり、共振器を構成する素子だけでは独立に決定することはできないという課題があった。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、光学共振器の共振周波数を連続的に途切れなく変化させて掃引することができ、fceoを光学素子の構成により制御可能な光学共振器の共振周波数の掃引方法を提供することを目的とする。これにより、光学共振器の共振周波数を原理としたレーザーシステムや光コムなどに新たな波長掃引の自由度を提供することができる。また、逆に、共振周波数を精度よく読み取ることで、回転角度を連続量として読み取ることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学共振器の共振周波数の掃引方法は、光の多光束干渉を、共振周波数を決定する原理とする光学共振器において、その内部の光路上に幾何学的位相シフタを有し、前記幾何学的位相シフタを用いて前記光学共振器内の光路長を連続的に変化させることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光学共振器の共振周波数の掃引方法で、前記幾何学的位相シフタは、光路に沿って1/4波長板、1/2波長板、1/4波長板が配置され、前記1/2波長板は、各1/4波長板に対して、相対的な角度を、光軸に垂直な面内で変更可能な構造を有していてもよい。
【００１０】
この場合、前記光学共振器は、前記1/2波長板を回転させることで、回転に応じて前記共振周波数が変化してもよい。
【００１１】
また、本発明に係る光学共振器の共振周波数の掃引方法で、前記幾何学的位相シフタは、2枚の1/4波長板が光路に沿って配置され、その一方が他方に対して、光軸に垂直な面内で相対的な角度を変更可能な構造を有していてもよい。
【００１２】
本発明は、共振周波数を新たに掃引する方法として、幾何学的位相シフタを、共振器内を通る光路中に挿入する。幾何学的位相シフタとは、それを構成する光学素子の回転を通じて入射した光が出射後に受ける Pancharatnam-Berry位相を制御するための光学系である。そのためには幾何学的位相シフタへ入射時の光は、偏光している必要がある。幾何学的位相シフタにより作用を受けた光の位相は、光学素子の回転角に応じてシフトする。共振器内で閉じ込められた光が、共振器内の幾何学的位相シフタの外側において、幾何学的位相シフタから受ける影響が主に位相だけであり、偏光状態が変わらない地点がある場合、光にとって共振器の光路長が、かかる位相シフト分だけ変わったように見える。かかる光学素子の回転に対するシフト量は、幾何学的位相シフタの構成によって異なるが、１回転すると位相シフト量は２πの整数倍になる。この時受ける位相シフトにより、共振器の持ついずれの共振周波数も連続的に変化するが、かかる光学素子１回転後には、それぞれがずれる形で元の状態に戻る。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、幾何学的位相シフタを構成する光学素子を連続的に回転させることにより、光学共振器の共振周波数を連続的に途切れなく変化させて掃引することができ、fceoを光学素子の構成により制御可能な光学共振器の共振周波数の掃引方法を提供することができる。幾何学的位相シフタを構成する光学素子の回転角の決定は、既存の角度掃引技術、決定技術が応用可能であり、従来の共振周波数の決定方法に比べると恒久的な共振周波数の制御、掃引が可能である。
【００１４】
また、逆に共振周波数を何らかの方法でモニターすることができれば、そこから角度を精度よく読み取ることも可能である。
【００１５】
共振器内に適切に利得媒質を配置することでレーザー共振器となり、その発振波長は共振器の持つ共振周波数に対応する。本発明により、幾何学的位相シフタをその共振器内にさらに挿入することで、レーザーの発振波長を、幾何学的位相シフタを構成する光学素子の回転角により制御することができる。これにより、かかる光学素子の角度掃引の安定性と波長の可変性の両方を性能として有するレーザー発振器の動作原理とすることができる。
【００１６】
また、本発明により、光コムを構成する共振器内に幾何学的位相シフタを導入することで、全体の共鳴周波数を一様にシフトさせることが可能となる。これは、従来、励起レーザーの強度により制御していたfceoが、光学素子の構成により制御可能になることであり、原理的にfceoの制御に伴う励起パワーの変動を抑制できることを意味しており、より安定度の高い光コムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態の光学共振器の共振周波数の掃引方法の、光学共振器の使用状態を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態の光学共振器の共振周波数の掃引方法の、別構成の光学共振器の使用状態を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態の光学共振器の共振周波数の掃引方法の、ファブリペロー共振器内に幾何学的位相シフタを配置した構成を示す側面図である。
【図４】本発明の実施の形態の光学共振器の共振周波数の掃引方法の、ファブリペロー共振器内に別構成の幾何学的位相シフタを配置した構成を示す側面図である。
【図５】（ａ）図３に示す幾何学的位相シフタの1/2波長板を３６０度回転させたときの、回転角度と単色光の透過率との関係を示すグラフ、（ｂ）図４に示す幾何学的位相シフタの、一方の1/4波長板を３６０度回転させたときの、回転角度と単色光の透過率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施形態を、図１、図２に示す。図１では、光学共振器100内の光路上に、幾何学的位相シフタ101を配置する。幾何学的位相シフタを配置しない共振器は、通常の光学共振器と同じである。共振器内に外部から光を入力したとき、共振器の共振周波数に応じて出力スペクトルが変化するが、幾何学的位相シフタの掃引周波数に応じて、共振周波数を、共振器が本質的に持つ共振周波数からシフトさせることができる。別の実施形態として、図２を示す。図２では、共振器内に利得媒質105を含むレーザー共振器である。この場合、レーザーの発振周波数を、幾何学的位相シフタの掃引により変化させることができる。
【００１９】
幾何学的位相シフタをファブリペロー共振器へと挿入し、光が透過する例を、図３、図４に示す。これらの類推から、そのほかの共振器、測定方法の組み合わせも、本発明が容易に構築できる。図３では、光源401からの光を、向かい合う鏡402（直径25.4 mm）、鏡404（直径25.4 mm）で構成されたファブリペロー共振器へと入射している。鏡の間隔は、155 mmである。その内部の光路上に、幾何学的位相シフタ403を配置する。幾何学的位相シフタ403は、1/4波長板405(直径12.5 mm)、1/2波長板406(直径12.5 mm)、1/4波長板407(直径12.5 mm)から構成される。いずれの波長板もアクロマート仕様であり、各面は反射防止コーティングをしてある。
【００２０】
1/4波長板405と1/2波長板406、1/2波長板406と1/4波長板407の配置間隔は、いずれも25 mmである。各波長板において、光軸に垂直な面内で直交する２方向を選んだとき、各方向の偏光成分の光の相対的な位相が、入射時に比べて、出射時に1/4波長板の場合は９０度、1/2波長板の場合は１８０度進んでいる方向をファスト軸、それに対して垂直な方向で遅れている方向をスロー軸と呼ぶ。1/4波長板405のファスト軸が光軸に垂直なある方向ｘ方向に、1/4波長板407のファスト軸がx方向と光軸に垂直なｙ軸方向に向いており、光源401の偏光方向がx軸からy軸に向かって４５度傾いた直線偏光を向いており、1/2波長板406のファスト軸がx軸から傾きθだけy軸方向に傾いている場合、鏡402を透過した入射光が、幾何学的位相シフタ403にて受ける位相変化は2θとなる。θの回転のために、回転ステージにて幾何学的位相シフタ403を保持する。その後、鏡404で反射した光は、再び幾何学的位相シフタ403を透過し、更に２θの位相変化を受ける。これにより、共振器内を光が一往復するごとに、４θの位相変化を受けることになる。結果として透過光のスペクトルＴは、式(1)、式(2)になる。
【００２１】
【数１】
2020021871.tif 000003
δ=2kd+4θ                (2)
【００２２】
ただし、Rは鏡402,404の反射率であり、kは光源の波数であり、dは鏡402,404間の光路長のうち、1/4波長板405、1/2波長板406、1/4波長板407の位相遅延以外の長さである。θの項を除いて、よく知られているファブリペロー共振器の透過スペクトルの式と一致する。この共振器の共振の条件は、nを正整数としてδ=2πnで与えられるから、共振条件を、角度θを変えることで自由にシフトさせることができる。また、1/2波長板406を光軸の周り１回転させた場合、共振条件を４回満たす。この様子を、図５（ａ）に示す。図５は、反射率Rを７０％としたときの透過率の回転角θ依存性を示しており、図５（ａ）に示すように、４つの共振ピークが確認できる。また、この場合、各共振周波数は、1/2波長板406を、例えば90度回転させると、0.968 GHzシフトする。なお、鏡404透過時の光の偏光方向は、鏡402入射時の偏光方向に対し直交している。
【００２３】
共振周波数が連続的に掃引できる理由について、図3のファブリペロー共振器を例に述べる。まず、ファブリペロー共振器が共振を起こす条件は、上記式（１）においてsin2δの項が最小になるときである。ここで、従来の幾何学的位相シフタを含まないファブリペロー共振器の場合、δ=2kdである。sinが周期関数であることから波数k(=ω/c、ωは各周波数、ｃは光速度)が変わると、スペクトル上で周期的に共振条件を満たす。これにより、ファブリペロー共振器について、スペクトル上で等間隔に共振周波数が現れる。このδは共振器内を往復するときに光が受ける位相に対応する。
【００２４】
次に、幾何学的位相シフタ403を入れた場合であるが、１枚目の1/4波長板405で、光は直線偏光から円偏光になり、1/2波長板406で、逆回りの円偏光になり、最後の1/4波長板407で、直線偏光に戻る。ここで、1/2波長板406を回転させることで、光の位相が変わる。これは、円偏光の位相が見る人の座標系が回転すると変わって見えることに対応する。共振器内で往復するときに受ける位相がθによって変わるので、δがその分影響を受け、上記式（２）となる。このことから、θによって連続的に共振条件を掃引できるようになる。
【００２５】
図4に、幾何学的位相シフタのもう一つの構成を示す。光軸に垂直なある方向をx方向とし、x方向と光軸にそれぞれ垂直な方向をy方向とする。この場合、幾何学的位相シフタ408は、ファスト軸をx方向に向けた1/4波長板405（直径12.5 mm）と、ファスト軸をx方向から、y方向に向けて角度θ回転させて配置した1/4波長板409（直径12.5 mm）とからなり、鏡402（直径25.4 mm）と鏡404（直径25.4 mm）とからなるファブリペロー共振器内の光路上に配置されている。いずれの波長板もアクロマート仕様であり、各面は反射防止コーティングをしてある。θの回転のために、回転ステージにて1/4波長板409を保持する。鏡402と鏡404の配置間隔は155 mmであり、1/4波長板405と1/4波長板409の配置間隔は50 mmである。
【００２６】
光源401からの光の偏光は、光軸と垂直なｘｙ面内で、ｘ軸からy軸方向に45度傾いた方向に向いた直線偏光とする。その場合、鏡402を透過した光が幾何学的位相シフタ408を透過した後、回転角θに応じてθの位相変化を受ける。共振器内に閉じ込められる光は、鏡404で反射後、さらに幾何学的位相シフタ408を通ることから、さらにθの位相変化を受ける。このことから、共振器内に閉じ込められた光は、１往復する中で幾何学的位相シフタにより、計2θの位相変化を余分に受ける。結果として、透過スペクトルＴは、式（１）のように表されるが、この場合δは、式(3)となる。
δ=2kd+2θ                  (3)
【００２７】
このことから、この場合でも、共振周波数は回転角θにより変化させることができる。この時の透過率の角度依存性の計算値を、図5（ｂ）に示す。これをみると、θの1回転に対して、2本の共振ピークが見られる。また、この場合、各共振周波数は、1/4波長板409を、例えば90度回転させると、0.484 GHzシフトする。なお、鏡404透過時の光の偏光方向は、x軸からy軸方向に向けてθ-π/4だけ傾いた方向に偏光している点も、図3の配置とは異なる。
【００２８】
本発明に対する様々な修正は、上述の説明および添付の図面から、当該技術に通常の知識を有する者には容易なことであろう。従って、本発明は、別記の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、ファブリペロー干渉計をはじめとする光学共振器の共振周波数の掃引の自由度を高い精度で与えるものである。光学共振器は、レーザー発振器の基礎技術であり、その発振周波数の精度を原理として利用する、あらゆる分野の産業において有用な発明と言える。たとえば、周波数可変レーザー光源は、通信技術、分析科学にて用いられている。
【００３０】
また、現在、回転角を読み取る主な手法として、ロータリーエンコーダが使われている。ただし、角度読み取りのために離散的にしか角度を知ることができないため、共振周波数の読み取り技術を別途用意した場合、波長板の回転角を共振周波数という連続量で読み取ることができるので、本発明は連続量として角度を知ることができ、高精度な角度調整が必要な技術に応用できる可能性がある。
【符号の説明】
【００３１】
１００  光学共振器
１０１  幾何学的位相シフタ
１０２  外部光源
１０３  入力
１０４  出力
１０５  利得媒質
４０１  光源
４０２  鏡
４０３  幾何学的位相シフタ
４０４  鏡
４０５  1/4波長板
４０６  1/2波長板
４０７  1/4波長板
４０８  幾何学的位相シフタ
４０９  1/4波長板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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