(57)【要約】【課題】極めて低い電力の電磁信号を高い感度で検出するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】信号を受信する受信機アセンブリを含む。この信号は、試料電界と試料偏光を有する試料成分を有するとともに、参照電界と前記試料偏光からオフセットされた参照偏光を有する参照成分を有する。前記受信機アセンブリは、前記信号を偏光測定的に処理して前記試料電界と前記参照電界との差に比例する差電界を生成する検光子を含む。前記信号を偏光測定差分処理することにより、前記検光子は差信号を受信機におけるコモンモード信号の大きさを低減する。受信機アセンブリは前記差電界を測定する電界検出器を含み、前記コモンモード振幅の低減により前記電界検出器の雑音等価電力が減少する。本発明の一つの利点は、大きな電界中の小さな変化を測定する際の電界検出器の雑音等価電力の低減にある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料電界と試料偏光を有する試料成分を有するとともに、参照電界と前記試料偏光からオフセットされた参照偏光を有する参照成分を有する信号を受信する受信機アセンブリを具え、該受信機アセンブリが、
前記信号を偏光測定的に処理する検光子であって、前記信号を偏光測定差分処理して前記試料電界と前記参照電界との差に比例する差電界を生成することができ、該偏光測定差分処理により前記試料電界と参照電荷のコモンモード振幅の大きさを低減するする検光子と、
前記差電界を測定する電界検出器とを具え、前記コモンモード振幅の低減により前記電界検出器の雑音等価電力を減少させることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記検光子は、更に、前記信号を偏光測定加算処理して前記試料電界と前記参照電界との和に比例する和電界を生成することができ、且つ
前記受信機アセンブリは、更に、
前記和電界に基づいて和電力を測定する電力検出器と、
前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて電力比を計算するプロセッサとを具える、
ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項３】
ソースビームから第１および第２ビームを生成するビームスプリッタと、
試料媒体とベース媒体とを含み、前記第１ビームを受信し、試料電界を有する試料信号を出力する試料セルと、
ベース媒体を含み、前記第２ビームを受信し、参照電界を有する参照信号を出力する参照セルとを更に具え、前記試料信号と前記参照信号は偏光オフセットを有し、
前記試料信号と前記参照信号を前記試料成分と参照成分を有する前記信号に合成する偏光ビームスプリッタを更に具えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記検光子は、更に、前記信号を偏光測定加算処理して前記試料電界と前記参照電界との和に比例する和電界を生成することができ、且つ
前記受信機アセンブリは、更に、
前記和電界に基づいて和電力を測定する電力検出器と、
前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて電力比を計算するプロセッサとを具える、
ことを特徴とする請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記プロセッサが、前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて前記試料の透過率を表す前記試料信号と前記参照信号の電力比を計算することができることを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記ソースビームが一つの送信周波数を有し、当該システムが、
前記ソースビームを周波数レンジ内の複数の周波数を走査して発生する送信機を更に具え、
前記ビームスプリッタ、前記試料セル、前記参照セル、前記変更ビームスプリッタ、前記検光子、前記電界検出器、前記電力検出器、および前記プロセッサが、第１および第２ビームを生成し、試料信号および参照信号を出力し、前記試料信号と前記参照信号を合成し、前記差電界を測定し、前記和電力を測定し、各送信周波数ごとに電力比を計算して試料の透過率を表す各送信周波数における電力比を得ることを特徴とする請求項４記載のシステム。
【請求項７】
前記受信機アセンブリの前記電界検出器はヘテロダイン受信機を具えることを特徴とする請求項１記載のシステム。
【請求項８】
試料電界と試料偏光を有する試料成分を有するとともに、参照電界と前記試料偏光からオフセットされた参照偏光を有する参照成分を有する信号を受信するステップと、
前記信号を偏光測定的に処理するステップであって、前記信号を偏光測定差分処理して前記試料電界と前記参照電界との差に比例する差電界を生成し、該偏光測定差分処理により前記試料電界と参照電荷のコモンモード振幅の大きさを低減するするステップと、
前記差電界を電界検出器で測定するステップとを具え、前記コモンモード振幅の低減により前記電界検出器の雑音等価電力を減少させることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記偏光測定処理ステップは、更に、前記信号を加算処理して前記試料電界と前記参照電界との和に比例する和電界を生成し、且つ
前記当該方法は、更に、
前記和電界に基づいて和電力を電力検出器で測定するステップと、
前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて電力比を計算するステップとを具える、
ことを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ソースビームから第１および第２ビームを生成するステップと、
前記第１ビームを試料媒体とベース媒体とを含む試料セルに伝搬させ、試料電界を有する試料信号を発生させるステップと、
前記第２ビームをベース媒体を含む参照セルに伝搬させ、参照電界を有する参照信号を発生させるステップとを更に具え、前記試料信号と前記参照信号が偏光オフセットを有し、
前記試料信号と前記参照信号を前記試料成分と参照成分を有する前記信号に合成するステップを更に具えることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記偏光測定処理ステップは、更に、前記信号を加算処理して前記試料電界と前記参照電界との和に比例する和電界を生成し、且つ
当該方法は、更に、
前記和電界に基づいて和電力を電力検出器で測定するステップと、
前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて電力比を計算するステップとを具える、
ことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記差電界を測定するステップは、前記差電界をヘテロダイン受信機を具える電界検出器で測定することを特徴とする請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁信号の電力を検出する方法、特に２つの異なる透過媒体を経て伝搬される電磁信号の電力の比を検出する方法に関する。本発明の方法によれば大きく改善された感度で電磁界のスペクトロスコピーが可能となり、微量の吸収電力の検出が向上する。本発明は、特にテラヘルツ領域の電磁スペクトルにおいて、差分測定アプリケーションのために大きなコモンモード電界振幅を減少させることによって電界差のヘテロダイン検出の感度を向上させる。
【背景技術】
【０００２】
多くの場合、電磁放射信号は例えばスペクトロスコピー、屈折率測定などで検出するのが望ましい。通常、このような放射は電力検出器により検出することができ、その出力電圧は入力パワー(ワット)に比例する。このような電力検出器は、例えばサーミスタボロメータ、サーモパイル検出器、シリコンダイオード光子検出器などを含む。他の技術では、電界検出システムによって入力アンテナの周囲領域内の電界強度(ボルト/メートル)に比例する出力電圧を発生させることにより電磁放射を検出する。これらのシステムの例には、例えば慣例の無線受信機、テレビジョン受信機、レーダ受信機などがある。電界検出システムはヘテロダイン検出に好適であり、電力検出器より著しく低い雑音等価電力を示すのが代表的であり、従って低電力ビームの受信に適する。それにもかかわらず、種々の場合に、このような慣例の電界検出システムにより可能な最大感度に対して挑戦が続けられ、限界を超えている。
【０００３】
特にスペクトロスコピーの場合には、例えば炭素菌刺激バシラスサブチリス（ＢＧ）のような化学および生物物質のためのデータは挑戦的高感度での広い周波数範囲に亘るスペクトル測定を必要とする。代表的には、測定データは慣例のフーリエ変換スペクトロスコピー（ＦＴＳ）装置で測定するのに十分な高濃度に調整された高密度のＢＧ胞子から取り出される。これらの濃度では、共振を試料内の胞子の密度により減衰させることができる。よく認識されるように、低密度エアゾル形態の試料の測定は代表的なシナリオでは細菌戦争物質（ＢＷＡ）の良好な特性を提供することができる。しかし、このような試料の測定は今日のラボラトリスペクトロメータでは得られないスペクトメータ感度を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、低濃度試料で吸収される極めて低い電力の電磁信号を現在入手可能なシステムおよび方法の感度より高い感度で検出するシステムおよび方法を設計することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した背景に鑑み、本発明の実施例はスペクトロスコピーに適用し得るような改良された電磁信号の電力を検出するシステムおよび方法を提供する。本発明の実施例によれば、ヘテロダイン検出システムの性能を悪化させる大きなコモンモード信号を抑圧または除去することによって、電磁信号の電力を改善された雑音特性、従って増大した感度で検出することができる。この場合には、電力の代わりに信号の電界を検出することができ、電力は電界から計算可能である。
【０００６】
本発明の一つの態様では、信号を受信する受信機アセンブリを含むシステムを提供する。この信号は、試料電界と試料偏光を有する試料成分を有するとともに、参照電界と前記試料偏光からオフセットされた参照偏光を有する参照成分を有する。前記受信機アセンブリは、前記信号を偏光測定的に処理して前記試料電界と前記参照電界との差に比例する差電界を生成する検光子を含む。前記信号を偏光測定差分処理することにより、前記検光子は受信検出器におけるコモンモード振幅の大きさを低減する。受信機アセンブリは前記差電界を測定する電界検出器（例えばヘテロダイン受信機）も含み、前記コモンモード振幅の低減により前記電界検出器の感度が増大する。
【０００７】
前記検光子は、更に、前記信号を加算処理して前記試料電界と前記参照電界との和に比例する和電界を生成することができる。これに応じて、前記受信機アセンブリは、更に、前記和電界に基づいて和電力を測定する電力検出器を含むことができる。この場合、プロセッサにより前記測定された差電界と前記測定された和電界とに基づいて電力比を計算することができる。
【０００８】
後の説明から明らかになるように、前記信号は複数の異なるチャネルの何れかで受信することができる。例えば、スペクトロスコピーの場合には、システムは、テラヘルツの電磁スペクトル領域内の周波数を有するようなソースビームから第１および第２ビームを生成するビームスプリッタを含む。試料媒体とベース媒体とを含む試料セルが第１ビームを受信し、試料電界を有する試料信号を出力する。同様に、ベース媒体を含む参照セルが第２ビームを受信し、参照電界を有する参照信号を出力する。
【０００９】
この場合には、プロセッサが更に前記測定された差電界と前記測定された和電界との電力比に基づいて試料媒体の吸収スペクトルを計算することができる。この電力比は試料の吸収スペクトルを表す。特に、本発明のシステムは周波数レンジ内の複数の周波数を走査して前記ソースビームを送信する送信機を含むことができる。各送信周波数ごとに、前記ビームスプリッタ、前記試料セル、前記参照セル、前記変更ビームスプリッタ、前記検光子、前記電界検出器、前記電力検出器、および前記プロセッサが、第１および第２ビームを生成し、試料信号および参照信号を出力し、前記試料信号と前記参照信号を合成し、前記差電界を測定し、前記和電力を測定し、各送信周波数ごとに電力比を計算する。各送信周波数における電力比は試料の透過率を表す。従って、プロセッサは透過率および関連する周波数に基づいて試料媒体に対する測定吸収シグネチャを決定することができ、その後にそくていさレーザターゲット吸収シグネチャに基づいて試料媒体を識別することができる
【００１０】
従って、本発明の実施例は信号を電界差分処理する改良された信号および方法を提供する。本発明の実施例によれば、受信機アセンブリは高感度電界検出器を含む。試料電界と参照電界との差に対して検出および増幅処理を行なう。この点に関し、本発明の実施例のシステムは、試料電界と参照電界との差をとることによって、大きなコモンモード（平均）電界成分を除去し、これにより受信機の利得が増大し、従って特に後置受信増幅器の電圧雑音が主な雑音源として動作するときに優れた雑音性能をもたらす。本発明の実施例のシステムおよび方法は従来の電界検出技術の雑音性能を改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明を本発明の好適実施例を示す図面を参照して以下にもっと詳細に説明する。しかし、本発明は多くの異なる形態に具体化することができ、ここに説明する実施例に限定されず、これらの実施例は、本発明の開示を詳細且つ完全なものとし、本発明の範囲を当業者に十分に示すために示されている。全図を通して同一の符合は同一の素子を示す。
【００１２】
図１および図２には、本発明の一実施例に基づく光信号ビームを受信し処理する受信機センブリ１０および方法が示されている。図に示されているように、アセンブリ１０は、ブロック３０に示されているように、光ビーム１４からなる信号を受信する検光子１２を含む。光ビーム１４は試料電界Ｅsおよび第１偏光を有する第１成分（即ち試料成分）を有する。更に、ビーム１４は参照電界ＥRと第１偏光からオフセットされた第２偏光を有する第２成分(即ち参照成分)を有する。例えば、一実施例では、試料成分と参照成分は直角にオフセットされた偏光を有し、図１の差込み図に示されているように試料成分は０°偏光を有し、参照成分は９０°偏光を有する。
【００１３】
検光子１２は信号１４の試料電界成分と参照電界成分との間の偏光オフセット角の半分の角度に回転されている。従って、それぞれ０°および９０°偏光である試料および参照電界成分を含む信号に対して、検光子は試料および参照電界成分偏光面に対して４５°の位置に回転されている。検光子は、図２のブロック３２に示されているように、信号を少なくとも部分的に偏光測定的に処理して、和電界および差電界を発生することができる。特に、検光子は信号を２つの部分、和信号１６と差信号１８とに分割する。上記の例の場合には、検光子は信号を４５°偏光を有する和光信号と１３５°偏光を有する差光信号とに分割することができる。検光子１２は信号を和および差信号１６および１８に分割するが、和信号は試料および参照電界成分の電界の和に比例する電界Ｅy（即ちＥy＝(1/√２)(Ｅs＋ＥR)）を有する。これに反し、差信号は試料および参照電界成分の電界の差に比例する電界Ｅx（即ちＥx＝(1/√２)(Ｅs−ＥR)）を有する。
【００１４】
検光子１２の後段で、和信号１６は第１収束レンズ２０ａに伝搬し、該レンズで収束された和信号が第１受信機２２ａによりピックアップまたは受信される。同様に、差信号１８は第１収束レンズ２０ｂに伝搬し、該レンズで収束された差信号が第２受信機２２ｂによりピックアップまたは受信される。第１および第２受信機は、図２のブロック３２に示されているように、それぞれ和信号および差信号の電界和Ｅyおよび電界差Ｅxを表す測定値を得る。明らかなように、第１受信機は、例えばボロメータのような電力検出器、フォトミクサ(ヘテロダイン受信機)のような電界検出器などを含む種々のタイプの受信機を何れかを具えることができる。当業者に明らかなように、信号電力が電力検出器の雑音フロアより十分に高いとき、このような信号の受信には電力検出器で十分である。従って、一つの有利な実施例では、第１受信機は電力検出器を具えるものとする。このような場合には、第１受信機がボロメータを具えるとき、ボロメータは和信号パワーにより生じた放射変化の結果として変化する電気抵抗値を有するトランスデューサ素子を含むものとする。電気抵抗値の変化を検出することにより、ボロメータは放射電力又は電界和Ｅyの二乗の測定値を得る。
【００１５】
他方、第２受信機２２ｂはフォトミクサ(ヘテロダイン受信機)のような電界検出器を具え、その一例が特に図３に示されている。当業者に明らかなように、ヘテロダインフォトミクサ受信機のような電界検出器は典型的には室温の電力検出器より著しく低い雑音等価電力を示し、従って低電力ビームの受信に良好である。この点に関し、電界差Ｅxの形成により受信機への入力端において大きなコモンモード(平均)電界成分が有効に除去されるため、第２受信機に対して最大の理論的利得を達成でき、特に後置受信機増幅器の電圧雑音が主雑音源として動作するとき、優れた雑音性能を提供する。
【００１６】
図３に示すように、電界検出器を具える第２受信機２２ｂ、特にフォトミクサ受信機は高速光導体を含むことができる。フォトミクサ受信機では、受信周波数(例えばω)の差信号１８は周波数ωLOの局部発振光ビームと組み合わされてフォトミクサに収束される。フォトミクサ受信機は次いで中間差周波数(例えばω−ωLO)の電流又は電圧信号を発生し、発生される信号は差ビームにより発生される放射変化の結果として変化する。発生信号の変化を検出することによって、フォトミクサ受信機は放射即ち電界差Ｅxの測定値を得る。このようなフォトミクサ受信機の詳しい情報については、米国特許第６，３４８，６８３号、名称「Quasi-Optical Transceiver Having an Antenna with Time Varying Voltage」、公開２００２年２月１９日、を参照されたい。
【００１７】
本発明の実施例の利点を更に説明するために、雑音等価電力はフォトミクサ受信機の変換損失に基づいて評価することができ、次式で表せるものと考える。
【数１】
2006284586.tif 000003
ここに、Ｐiは入力電力を表し、ηciはミクサ変換損失を表し、Ｖo２／Ｒo２はミクサ中間周波数（ＩＦ）電力を表す。また、ミクサＩＦ電圧Ｖoは雑音電圧Ｖnとフォトミクサアンテナ電力結合効率に関する変数Ｋ（Ｋ＝Ｒo×ηci）の項で表すことができるものと考える。特に、ミクサＩＦ電圧Ｖoは次式で表せる。
【数２】
2006284586.tif 000004
【００１８】
式(１)および（２）に基づいて、総合雑音等価入力電力は総合等価信号電力Ｐsigと、総合等価雑音電力Ｐnoiseの項で次のように計算することができる。
【数３】
2006284586.tif 000005
【００１９】
式(３)の項を並べ替えると、総合等価雑音電力は次のように表すことができる。
【数４】
2006284586.tif 000006
【００２０】
式（４）から明らかなように、総合等価雑音電力は、入力信号電力と電気雑音電力との比の平方根に比例する過剰雑音の付加項を有する反射電子雑音電力である。図４に示すように、雑音等価電力も信号対雑音比（ＳＮＲ）と同様に入力信号電力または平均信号電力に比例する。従って、電界差（即ちＥx）を用いることによって第２受信機２２ｂで受信される平均信号電力を低減すると、受信機アセンブリも同様に第２受信機の雑音等価電力を低減する。
【００２１】
図１に戻り説明すると、第１受信機２２ａに続いて、測定和電力（Σ２）は、必ずしも必要ないが、第１スケーリングファクタＫ1を有する第１増幅器２４ａに供給することができる。同様に、測定電界差（ΔＥ）は、必ずしも必要ないが、第２スケーリングファクタＫ2を有する第２増幅器２４ｂに供給することができる。その後、増幅された測定電界和および差はプロセッサ２６により受信され、このプロセッサが多数の目的のうちの一つ以上の目的のために電界和および差を記憶及び／又は処理することができる。この点に関し、プロセッサ２６は本発明の種々の実施例に従って動作し得る複数の種々処理装置の何れかを具えることができ、例えばパーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、サーバコンピュータ、ワークステーションコンピュータ等を含むことができる。
【００２２】
一般に、プロセッサ２６は、図２のブロック３６に示すように、和電力(即ちＥy２＝(Ｅs＋ＥR)２)および電界差(即ちＥx＝Ｅs−ＥR)を測定することにより、測定和電力および電界差に基づいて信号１４の試料および参照成分Ｅs，ＥRと関連する電力比を計算することができる。この点に関し、試料成分Ｐsの電力と参照成分Ｐrの電力との比は理論的に次のように表せる。
【数５】
2006284586.tif 000007
ここに、ΔＥ＝Ｅs−ＥRである。
【００２３】
この式を更に簡単にするために、（以下に説明するようにスペクトロスコピーにおける微量の吸収の場合のように）電力比が１に近づく際は、電界和は次のように近似できる。
【数６】
2006284586.tif 000008
【００２４】
式(５)と(６)を合成すると、プロセッサは電力比を電界和および差の項で次のように近似することができる。
【数７】
2006284586.tif 000009
【００２５】
これから明らかなように、試料および参照成分の電力比は電界和と電界差に基づいて容易に計算することができ、これは、スペクトロスコピーにおいて、試料および参照成分のほぼ等しい電界ベクトルに基づいて電力比の小さな偏差を計算する場合より良好な微量信号感度をもたらす。
【００２６】
本発明の実施例の利点を更に説明するために、本発明の有利な実施例であるスペクトロメータシステムおよび方法を示す図５、図６および図７につき説明する。しかし、図示され以下に説明されるスペクトロメータシステムおよび方法は本発明の有利な実施例の一つのタイプを例示しているにすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。この点に関し、スペクトロメータシステムおよび方法のいくつかの実施例を示し、以下に説明するが、電磁信号の電力を検出する他のタイプのシステムおよび方法も本発明を容易に採用することができる。また、本発明のシステムおよび方法は、主として、特に電磁スペクトルのTHｚ(またはｍｍＷ)領域における生体物質を検出するスペクトルシグネチャ分析と関連して説明する。しかし、本発明の実施例のシステムおよび方法は生体物質を検出する分野内でも外でも、および電磁スペクトルのＴＨｚ領域内でも外でも、種々の他の用途と関連して使用することができる。
【００２７】
図５および図６に示すように、本発明の一実施例のスペクトロメータシステム４０は所定の周波数のコヒーレント光(電磁波)のビームを送信する送信機４２を含む。送信機４２は当業者に既知の多数の種々の送信機の任意のものを具えることができる。一つの有利な実施例では、例えば、送信機４２は光ヘテロダイン(フォト)ミクサ送信機(即ちフォトミクサ送信機)を具える。この場合には、送信機はω1およびω2のオフセット周波数を有する２つのレーザ源でポンピングされる高速光導電性ダイオード(即ちフォトミクサ)を含む。この場合クロスギャップ吸収の固有の二次特性がダイオードに含まれる光電流に差（即ち送信）周波数（即ちω1−ω2）を生成する。スパイラルアンテナ、ダイポールアンテナまたはスロットアンテナのようなアンテナの駆動点にフォトミクサを位置させることにより、差周波数電流は差周波数光子に変換される。その結果は単一（準ガウス）スパイラルモードに含まれる高度に同調可能な連続波（ＣＷ）の高度コヒーレント光のソースとなる。このような送信機についての詳しい情報は前記の米国特許明細書を参照されたい。
【００２８】
従って、一実施例の方法は、図7のブロック８０に示すように、送信周波数を選択し、次いで送信機４２から該周波数の光ビーム（即ちソースビーム）を送信する。送信周波数は種々の方法で選択できる。しかし、以下に説明するように、試料を測定した吸収シグネチャに基づいて検出するために、送信周波数は吸収シグネチャが決定される周波数範囲内に選択するのが代表的である。この場合には、フォトミクサ送信機において、フォトミクサを固定周波数ω2のレーザ源と調整可能周波数ω1のレーザ源とでポンピングし、調整可能周波数ω1を選択することにより差（送信）周波数（即ちω1−ω2）を選択することができる。
【００２９】
送信機４２からの光ビームはコリメータレンズ４４を通過して４５°偏光を有する平行光ビーム４６を発生する。次いで、偏光ビームは第１偏光ビームスプリッタ４８に入る。図７のブロック８２に示すように、第１偏光ビームスプリッタ４８は光ビームを２つの部分、９０°の偏光オフセットを有する第１光ビーム５０と第２光ビーム５２とに分割する。例えば、第１偏光ビームスプリッタは０°偏光を有する第１光ビームと９０°偏光を有する第２光ビームとに分割する。図７のブロック８４に示すように、第１光ビームは第１偏光ビームスプリッタから、分析すべき試料媒体(例えば化学または生体物質)と周囲空気のようなベース媒体を含む試料セル５４を通過する。他方、第２光ビームは、例えば第１反射器５８を経て、ベース媒体を含む参照セル５６を通過する。明らかなように、試料およびベース媒体は第１および第２光ビーム５０，５２が少なくとも部分的に透過性である多数の種々の形態の何れかにすることができる。例えば、試料およびベース媒体は固体、液体、気体、プラズマまたはエアゾールとすることができる。特に、種々の有利な実施例では、周囲空気のベース媒体はエアゾールの形態にするが、化学物質の試料は気体の形態に、生体物質の試料はエアゾールの形態にする。
【００３０】
第１光ビーム５０が試料セル５４を通過するとき、試料セル内の試料とベース媒体が第１ビームの少なくとも一部分、特に第１ビームの電界の少なくとも一部分を吸収する。次いで第１光ビームの残存（非吸収）部分５０’（即ち試料信号）が試料セルから試料電界Ｅsで射出する。同様に、第２光ビーム５２が参照料セル５６を通過するとき、参照セル内のベース媒体が第１ビームの少なくとも一部分、特に第２ビームの電界の少なくとも一部分を吸収する。次いで第２光ビームの残存（非吸収）部分５２’（即ち試料信号）が参照セルから参照電界ＥRで射出する。両通路において、試料および参照信号の偏光は一般にそれぞれのセルを通過した第１および第２ビームから不変である。上記の例では、試料信号は０°偏光を有し、参照信号は９０°偏光を有することができる。
【００３１】
試料および参照セル５４，５６からの試料および参照信号５０’，５２’は、図７のブロック８６に示すように、偏光測定的に処理されて和電界および差電界を生成する。特に、試料および参照信号は第２ビームスプリッタ６０に入射する。図に示すように、試料信号は第２レフレクタ６２を経て第２偏光ビームスプリッタに入射する。第２偏光ビームスプリッタは、試料および参照信号を電界Ｅoutを有する再合成信号４６’に合成する。この点に関し、第１レフレクタ５８と第２レフレクタ６２を有する代表的な実施例では、第１偏光ビームスプリッタ４８から第２偏光ビームスプリッタ６０までの光路長を、第２偏光ビームスプリッタが試料および参照信号を同相で合成するように互いに等しく設定する。しかし、試料および参照信号の電界は９０°偏光オフセットを有するので、再合成信号Ｅoutの電界は第１偏光における第１電界成分と第２偏光における第２電界成分を含む。本例では、第１成分と第１偏光は試料シンボルの電界と偏光に対応し、第２成分と第２偏光は参照信号の電界と偏光に対応する。従って、例えば、再合成信号は０°偏光における試料電界成分Ｅsと９０°偏光における参照電界成分ＥRを含むことができる。
【００３２】
第２偏光ビームスプリッタ６０の後段で、再合成信号４６’は再合成信号を２つの部分、即ち和信号６６と差信号６８に分割する検光子６４に入射する。この検光子は再合成信号を４５°偏光を有する和信号と１３５°偏光を有する差信号に分割する。前述したように、和信号は試料および参照電界成分の電界の和に比例する電界Ｅy（即ちEy＝(1/√2)(Ｅs＋ＥR)）を有する。これに対し、差信号は試料および参照電界成分の電界の差Ｅx（即ち、Ex＝(1/√2)(Ｅs−ＥR)）を有する。従って、本発明の実施例によれば、検光子６４は試料および参照セル５４，５６からの試料および参照信号５０’，５２’の電界の電界和Ｅyおよび電界差Ｅxを発生する。前述したように且つ以下に説明するように、本発明は、このような電界差を発生させることによって、試料セル内の試料の吸収の測定値、従って吸収シグネチャを、低減した雑音フロア、従って増大した感度で検出することができる。
【００３３】
検光子６４の後段で、和信号６６は第１収束レンズ７０ａ(例えばレンズ２０ａ)に伝搬し、このレンズから収束された和信号が第1受信機７２ａ(例えば受信機２２ａ)によりピックアップ、または受信される。同様に、差信号６８は第1収束レンズ７０ｂ(例えばレンズ２０ｂ)に伝搬し、このレンズから収束された差信号が第２受信機７２ｂ(例えば受信機２２ｂ)によりピックアップ、または受信される。第１および第２受信機は、図7のブロック８８に示すように、電界和Ｅyを表す測定値および電界差Ｅxを表す測定値をそれぞれ得る。前述したように、一実施例の第１および第２受信機はそれぞれ電力検出器およびフォトミクサ受信機(ヘテロダイン受信機)である。この点に関し、電界差Ｅxから大きなコモンモード電界成分を除去することによって、フォトミクサ受信機は最大理論利得で動作可能となるので、特に後置受信増幅器の電圧雑音が主雑音源として動作するときに優れた雑音特性をもたらす。
【００３４】
前述したように、フォトミクサ受信機７２ｂでは、送信周波数(例えばω1−ω2)の差信号６８が周波数ωLOの局部発振ビームと合成された後にフォトミクサに収束される。フォトミクサ受信機はフォトミクサ送信機と同様に動作して中間差周波数（例えば、ω1−ω2−ωLO）の電流または電圧を発生し、発生される信号は差信号により発生される放射変化の結果として変化する。発生された信号の変化を検出することにより、フォトミクサ受信機は放射または電界差Ｅxの測定値を得る。
【００３５】
第１受信機７２ａの後段では、測定和電力（ΣE2）を第１スケーリング定数Ｋ1を有する第１増幅器７４ａ(例えば増幅器２４ａ)に供給することができるが、これは必ずしも必要ない。同様に、測定電界差を第２受信機７２ｂから第２スケーリング定数Ｋ2を有する第２増幅器７４ｂ(例えば増幅器２４ｂ)に供給することができるが、これは必ずしも必要ない。その後、増幅された測定された電解和と電界差はデータ収集プロセッサ７６(例えばプロセッサ２６)により受信される。プロセッサ２６と同様に、データ収集プロセッサ７６は、図７のブロック９０に示すように、測定された和電力と電界差に基づいて、非吸収試料信号５０’と非吸収参照信号５２’の電力比を算出することができる。この場合、第１および第２増幅器の後段で、データ収集プロセッサは、図５に示すように、第１受信機の出力としてＶD＝Ｋ1×ΣE2を受信するとともに、第２受信機の出力としてＶo＝Ｋ2×ΔＥを受信する。増幅器出力の受信後に、データ収集プロセッサは式（７）に基づいて試料チャネル内の試料の透過率を計算することができる。特に、式（７）の二次項を無視すれば、データ収集プロセッサは試料の透過率Ｔを次のように計算することができる。
【数８】
2006284586.tif 000010
【００３６】
増幅された出力ＶDおよびＶoは次のように和および差信号の電界を表す式に変換することができる。
【数９】
2006284586.tif 000011
【００３７】
式（９）を式（８）に代入すれば、試料の透過率Ｔは増幅出力ＶDおよびＶoの項で次式（１０）に従って表すことができる。
【数１０】
2006284586.tif 000012
ここに、Ｋ3＝４√Ｋ1/Ｋ2
【００３８】
スペクトロメータとして動作中、システム４０は、図7のブロック９２および９４に示すように、例えば送信機４２のフォトミクサを固定周波数ω1のレーザ源と複数の周波数を走査する調整可能周波数ω1のレーザ源とでポンピングすることによって周波数レンジ内の複数の送信周波数で順次動作する。周波数レンジ内の各送信周波数ごとに、従って異なる周波数を有する各光ビーム４６ごとに、データ収集プロセッサは試料チャネル内の試料の透過率Ｔを計算する。図7のブロック９６に示すように、得られる透過率Ｔおよび関連する透過周波数の収集データにより、試料セル５４および参照セル５６内のベース媒体に対して正規化された試料セル５４内の試料についての測定吸収シグネチャを決定する。
【００３９】
従って、本発明の実施例は改良された電磁信号の電力検出システムおよび方法を提供し、スペクトロスコピーと関連して適用することができる。デュアル、即ち試料および参照チャネルシステムは差信号を生成し、第２受信機（例えばフォトミクサ）において、除去されたコモンモード電力の平方根に反比例する検出器雑音フロアの低減をもたらす。この点に関し、例えば１ミリワットのコモンモード電力を１０マイクロワットの残留レベルまで除去すると、雑音等価透過が１０倍改善される。
【００４０】
以上の説明および図面を参照すれば本発明の多くの変形および他の実施例が当業者に考えられる。従って、本発明は開示した特定の実施例に限定されず、種々の変形例や他の実施例が本発明の範囲に含まれるものと理解されたい。また、特定の用語を使用したが、これらは一般的且つ説明的にのみ使用され、本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施例に基づく受信機アセンブリのブロック図である。
【図２】本発明の一実施例に基づく光信号ビームの受信処理方法の種々のステップを示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施例に基づくフォトミクサ受信機アセンブリのブロック図である。
【図４】本発明の一実施例における雑音等価電力および信号対雑音比（ＳＮＲ）をフォトミクサ受信機に対する平均入力電力の関数として示すグラフである。
【図５】本発明の一実施例に基づくスペクトロメータシステムのブロック図である。
【図６】図５のシステムの種々の段を伝搬する信号の偏光を示す図５のスペクトロメータシステムのブロック図である。
【図７】本発明の一実施例に基づく試料識別方法の種々のステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１０  受信機アセンブリ
１２  検光子
１４  光ビーム
１６  和信号
１８  差信号
２２ａ  第１受信機
２２ｂ  第２受信機
２６  プロセッサ
４４  送信機
４６  光ビーム
４８  第１偏光ビームスプリッタ
５０  第１ビーム
５２  第２ビーム
５４  試料セル
５６  参照セル
５０’試料信号
５２’参照信号
６０  第２偏光ビームスプリッタ
４６’再合成信号
６４  検光子
６６  和信号
６８  差信号
７２ａ  第１受信機
７２ｂ  第２受信機
７６  プロセッサ
【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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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
2006284586000001.pdf