(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長可変レーザ光源と、
第２の波長可変レーザ光源と、
波長固定レーザ光源と、
前記第１の波長可変レーザ光源からの光と前記波長固定レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する第１のフォトミキサと、
前記第１の波長可変レーザ光源からの光と前記第２の波長可変レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する第２のフォトミキサと、
前記第１のフォトミキサからの電磁波を照射された被測定物を経た電磁波と前記第２のフォトミキサからの電磁波とを混合する手段と、
前記混合された電磁波から前記波長固定レーザ光源からの光の周波数と前記第２の波長可変レーザ光源からの光の周波数の差に等しい周波数を有する電磁波である中間周波信号を抽出する受信用ミキサと、
前記第１の波長可変レーザ光源からの光の波長が一定の期間において前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を、該波長が予め定められた複数の波長のそれぞれに等しくなる期間が離散的になるように、変化させる手段と、
前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長の離散的な変化に伴い前記中間周波信号が有することとなる複数の周波数について当該中間周波信号から当該各周波数の成分を分離して抽出する手段と、
を備えることを特徴とする分光システム。
【請求項２】
前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を変化させる手段は、
前記複数の波長のそれぞれに対応する周波数に等しくなる期間が離散的になるように変化する周波数を有する参照信号を出力する参照信号発生器と、
前記波長固定レーザ光源からの光と前記第２の波長可変レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する手段と、
前記参照信号の周波数と当該電磁波の周波数との差を検出し当該差がなくなるように前記第２の波長可変レーザ光源を制御する手段と
を備えることを特徴とする請求項１記載の分光システム。
【請求項３】
請求項１記載の分光システムの制御方法であって、
前記第１の波長可変レーザ光源からの光の波長が一定の期間において前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を、該波長が前記複数の波長のそれぞれに等しくなる期間が離散的になるように、変化させることを特徴とする分光システムの制御方法。
【請求項４】
請求項１記載の分光システムの制御方法であって、
前記第１のフォトミキサからの電磁波が前記受信用ミキサに到達するまでの到達時間の２倍の周期で前記第１の波長可変レーザ光源からの光の前記一定の波長の値を切り替えることを特徴とする分光システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分光システムおよびその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ミリ波やテラヘルツ波である電磁波の透過スペクトルまたは反射スペクトルを測定する分光システムとして、例えば図５に示すような装置がある（非特許文献１参照）。
【０００３】
このシステムでは、２台の波長可変光源２１、２２から発生する波長λ１（周波数＝Ｃ／λ１、ｃ：光速）、λ２（周波数＝ｃ／λ２）の光を合波分波器２３で一旦合波後、２つに分波させ、その一方を送信部２４、他方を受信部２５に導入する。
【０００４】
図６は、送信部２４に導入される光信号のスペクトルを示す図である。波長の異なる２つの光が合波されたことにより、その周波数差の唸りが生じている。送信部２４は光伝導スイッチと電磁波放射用アンテナで構成されており、波長の異なる２つの光信号が入力されると、唸り周波数ｃ（１／λ１―１／λ２）に対応する電磁波（ミリ波やテラヘルツ波）を発する。送信部２４で発生したミリ波やテラヘルツ波は、この例では、被測定物Ｓを透過し、受信部２５に導入される。
【０００５】
受信部２５は光伝導スイッチと電磁波受信用アンテナで形成されており、図６で示される光信号が入射された状態で、電磁波受信用アンテナにミリ波やテラヘルツ波の電磁波が到来すると、その強度に比例した光電流が流れる。波長可変光源２１、２２の波長を掃引した時に、受信部２５で検出される光電流強度の変化は、受信部２５に到来するミリ波やテラヘルツ波の各周波数における電磁波の強度を表す。これは被測定物Ｓに対するミリ波・テラヘルツ波電磁波の透過または反射スペクトルである。この例では、合波分波器２３で波長λ１、λ２の波長を波長計２６、２７で測定し、波長可変光源２１、２２の掃引時の波長精度を高めている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】“Tunable CW Terahertz source with High-Precision Frequency Control,”A. J. Deninger, T. Goubel, D. Schoenherr, A. Roggenbuck, F. Kison, and P. Meissner, The Joint 33nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 16th International Conference on Terahertz Electronics, T4B3.1418.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図５に示すような装置においては、電磁波の多重反射が問題となることがある。例えば、被測定物Ｓで反射した一部の電磁波は、送信部２４に戻り、そこで再び反射され、もう一度被測定物Ｓに向かう。また、被測定物Ｓを透過して受信部２５に到達した電磁波の一部は、受信部２５で反射され、被測定物Ｓに戻り、そこで再び反射され、もう一度受信部２５に向かう。いずれの場合にしても、光伝導スイッチで電気信号に変換される電磁波は、単純に送信部２４から発せられ受信部２５に直接到達した信号だけではなく、被測定物Ｓと送信部２４を何回か往復した信号、受信部２５と被測定物Ｓを何回か往復した信号、などの重ね合わせである。この場合、反射物の間隔が電磁波の波長の1／2の整数倍のとき、受信部２５に到達する電磁波の強度が強くなるという効果が生じるため、本来測定されるべき、被測定物Ｓに対する電磁波の透過特性が正確に測定できなくなってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、反射しないで受信される信号と反射してから受信される信号を分離できる分光システムおよびその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、第１の本発明は、第１の波長可変レーザ光源と、第２の波長可変レーザ光源と、波長固定レーザ光源と、前記第１の波長可変レーザ光源からの光と前記波長固定レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する第１のフォトミキサと、前記第１の波長可変レーザ光源からの光と前記第２の波長可変レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する第２のフォトミキサと、前記第１のフォトミキサからの電磁波を照射された被測定物を経た電磁波と前記第２のフォトミキサからの電磁波とを混合する手段と、前記混合された電磁波から前記波長固定レーザ光源からの光の周波数と前記第２の波長可変レーザ光源からの光の周波数の差に等しい周波数を有する電磁波である中間周波信号を抽出する受信用ミキサと、前記第１の波長可変レーザ光源からの光の波長が一定の期間において前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を、該波長が予め定められた複数の波長のそれぞれに等しくなる期間が離散的になるように、変化させる手段と、前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長の離散的な変化に伴い前記中間周波信号が有することとなる複数の周波数について当該中間周波信号から当該各周波数の成分を分離して抽出する手段と、を備えることを特徴とする分光システムをもって解決手段とする。
【００１０】
例えば、前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を変化させる手段は、前記複数の波長のそれぞれに対応する周波数に等しくなる期間が離散的になるように変化する周波数を有する参照信号を出力する参照信号発生器と、前記波長固定レーザ光源からの光と前記第２の波長可変レーザ光源からの光を合波することにより得られる光ビート信号を電磁波に変換する手段と、前記参照信号の周波数と当該電磁波の周波数との差を検出し当該差がなくなるように前記第２の波長可変レーザ光源を制御する手段とを備える。
【００１１】
第２の本発明は、第１の本発明に係る分光システムの制御方法であって、前記第１の波長可変レーザ光源からの光の波長が一定の期間において前記第２の波長可変レーザ光源からの光の波長を、該波長が前記複数の波長のそれぞれに等しくなる期間が離散的になるように、変化させることを特徴とする分光システムの制御方法をもって解決手段とする。
【００１２】
第３の本発明は、第１の本発明に係る分光システムの制御方法であって、前記第１のフォトミキサからの電磁波が前記受信用ミキサに到達するまでの到達時間の２倍の周期で前記第１の波長可変レーザ光源からの光の前記一定の波長の値を切り替えることを特徴とする分光システムの制御方法をもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、反射しないで受信される信号と反射してから受信される信号を分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施の形態に係る分光システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、波長可変レーザ光源１０１の波長の変化を示す図、図２（ｂ）は、参照信号発生器１０８からの参照信号の周波数の変化を示す図、図２（ｃ）は、波長可変レーザ光源１０３の波長の変化を示す図、図２（ｄ）は、受信用ミキサ１１５に到達する電磁波の周波数の変化を示す図である。
【図３】図３（ａ）は、受信用ミキサ１１５に到達する電磁波の周波数の変化を示す図、図３（ｂ）は、受信用ミキサ１１５から出力される中間周波信号の周波数の変化を示す図である。
【図４】各狭帯域フィルタ１１８の透過特性を示す図である。
【図５】従来の分光システムの構成を示すブロック図である。
【図６】送信部２４に導入される光信号のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る分光システムの構成を示すブロック図である
分光システムは、ミリ波やテラヘルツ波の電磁波の透過スペクトルを測定するものである。
【００１７】
図中１０１は波長掃引可能な波長可変レーザ光源、１０２は波長固定レーザ光源、１０３は波長可変レーザ光源１０１と波長固定レーザ光源１０２とは別の波長で発振している発振波長の微調整が可能な波長可変レーザ光源、１０４は波長可変レーザ光源１０１からの光と波長固定レーザ光源１０２の光の合波、波長可変レーザ光源１０１からの光と波長可変レーザ光源１０３からの光の合波、波長固定レーザ光源１０２と波長可変レーザ光源１０３からの光の合波を行う光合分波回路、１０５は波長可変レーザ光源１０１からの光と波長固定レーザ光源１０２からの光の合波により得られる光ビート信号をビート周波数に一致する周波数を有する電磁波に変換して放射するためのフォトミキサ、１０６は波長可変レーザ光源１０１からの光と波長可変レーザ光源１０３からの光の合波により得られる光ビート信号をビート周波数に一致する周波数を有する電磁波に変換して放射するためのフォトミキサ、１０７は波長固定レーザ光源１０２と波長可変レーザ光源１０３からの光の合波により得られる光ビート信号をビート周波数に一致する電気信号に変換するためのフォトダイオード、１０８は波長可変レーザ光源１０３の発振波長を微調整するための参照信号を与えるための参照信号発生器、１０９はフォトダイオード１０７からの電気信号と参照信号発生器１０８からの参照信号を混合するためのミキサ、１１０はフォトダイオード１０７と参照信号発生器１０８からの参照信号の周波数差を検出し、波長可変レーザ光源１０３の発振波長を微調整するための制御信号を出力するための周波数差検出回路、１１１はフォトミキサ１０５から放射される、被測定物の特性評価に用いる電磁波を平行ビームにコリメートするためのコリメート鏡、１１２は被測定物（透過特性が評価される物質）、１１３はフォトミキサ１０６から放射される電磁波（この電磁波は、ヘテロダイン受信器を励起する局部発振信号として用いられる）を平行ビームにコリメートするためのコリメート鏡、１１４は被測定物１１２の特性評価に用いる電磁波とヘテロダイン受信器を励起する局部発振信号として用いられる電磁波を混合するためのハーフミラー、１１５は被測定物１１２を透過してきた電磁波の強度を測定するための受信用ミキサ、１１６は被測定物１１２の特性評価に用いる電磁波とヘテロダイン受信器を励起する局部発振信号として用いられる電磁波を受信用ミキサ１１５に導入するためのコリメート鏡、１１７は受信用ミキサ１１５により中間周波信号に変換された信号の強度を増幅するための受信用増幅器、１１８は狭帯域フィルタ（各狭帯域フィルタの透過特性は互いに異なっている）、１１９は検波器、１２０はＡＤ（アナログディジタル）変換器、１２１は制御装置である。
【００１８】
狭帯域フィルタ１１８、検波器１１９、ＡＤ変換器１２０を囲む点線は、このブロックがそれぞれ異なる周波数をもつ信号の強度を測定するための信号強度検出回路であることを示している。
【００１９】
波長固定レーザ光源１０２、波長可変レーザ光源１０３には、例えば、半導体単一モードレーザが用いられる。
【００２０】
フォトミキサ１０５からは、波長可変レーザ光源１０１からの光の周波数と波長固定レーザ光源１０２からの光の周波数の差に等しい周波数を有する電磁波が出力される。
【００２１】
フォトミキサ１０６からは、波長可変レーザ光源１０１からの光の周波数と波長可変レーザ光源１０３からの光の周波数の差に等しい周波数を有する電磁波が出力される。
【００２２】
（分光システムの動作）
波長可変レーザ光源１０１、波長可変レーザ光源１０３は当初は、消光状態であり、一方、波長固定レーザ光源１０２は発光しており、その光の波長はλＦＬＳ１に固定されている。波長λＦＬＳ１は、例えば、１．５４７９３４０μｍである。
【００２３】
この状態で、制御装置１２１は、波長可変レーザ光源１０１に制御信号を送信し、図２（ａ）に示すように、波長可変レーザ光源１０１からの光の波長を時間的に変化させる。
【００２４】
波長可変レーザ光源１０１は、例えば、外部共振器型のレーザを用い、この場合、外部共振器を構成しているミラーや回折格子をモーターなどにより回転や移動させることにより、波長可変レーザ光源１０１からの光の波長を高速で掃引させることができる。また、波長可変レーザ光源１０１は、外部共振器を用いるため、光の波長を広範囲で掃引させることができる。
【００２５】
波長λＴＬＳ１、λＴＬＳ２、λＴＬＳ３は、例えば、それぞれ１．５５０００００μｍ、１．５５０００８０μｍ、１．５５００１６０μｍである。
【００２６】
波長可変レーザ光源１０１は、波長λＴＬＳ１でΔｔだけ発光したあと、Δｔだけ消光し、次にλＴＬＳ２でΔｔだけ発光し、Δｔだけ消光する、というパターンを繰り返しながら波長が掃引される。Δｔは、フォトミキサ１０５から放射された電磁波が受信用ミキサ１１５に到達するまでの時間の長さである。つまり、制御装置１２１は、波長可変レーザ光源１０１からの光の波長の値をΔｔの２倍の周期で切り替える。
【００２７】
また、制御装置１２１は、参照信号発生器１０８に制御信号を送信し、図２（ｂ）に示すように、参照信号の周波数を変化させる。
【００２８】
参照信号の周波数は、１つのパターンを有し、これをΔｔの時間が経過するごとに繰り返す。また、１つのパターンの中において、参照信号の周波数は、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４のそれぞれに等しくなる期間が離散的になるように変化する。参照信号の周波数は、例えば、ステップ状に変化する。周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は、例えば、それぞれ１５０ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、４５０ＭＨｚ、６００ＭＨｚである。
【００２９】
このような参照信号が出力されると、波長可変レーザ光源１０３からの光の波長は、図２（ｃ）に示すように時間的に変化する。波長λＦＬＳ２１、λＦＬＳ２２、λＦＬＳ２３、λＦＬＳ２４は、例えば、それぞれ１．５４７９３２８μｍ、１．５４７９３１６μｍ、１．５４７９３０４μｍ、１．５４７９２９２μｍである。
【００３０】
つまり、フォトダイオード１０７は、波長固定レーザ光源１０２からの光の周波数と波長可変レーザ光源１０３からの光の周波数の差に等しい周波数を有する電磁波を出力し、そして、ミキサ１０９は、フォトダイオード１０７からの電磁波の周波数と参照信号の周波数の差に等しい周波数を有する信号を出力し、周波数差検出回路１１０は、この信号の周波数がゼロになるように、波長可変レーザ光源１０３を制御するからである。
【００３１】
この制御において、周波数差検出回路１１０は、例えば、波長可変レーザ光源１０３の注入電流量やデバイスの温度を変える。
【００３２】
なお、波長固定レーザ光源１０２からの光の周波数と、波長可変レーザ光源１０３からの光の周波数を高い精度（１０桁かそれ以上）で測定し、これら周波数の差が、参照信号の周波数に代わる目標値に一致するように、波長可変レーザ光源１０３を制御してもよい。この場合、フォトダイオード１０７、参照信号発生器１０８、ミキサ１０９、周波数差検出回路１１０は不要である。
【００３３】
波長可変レーザ光源１０３からの光の波長が、図２（ｃ）に示すように変化した場合、受信用ミキサ１１５では、図２（ｄ）に示すように、波長可変レーザ光源１０１の点灯からΔｔだけ遅れて周波数ｃ（１／λＴＬＳ１―１／λＦＬＳ１）の電磁波が到達し、更に波長可変レーザ光源１０１の点灯から３Δｔだけ遅れて周波数ｃ（１／λＴＬＳ２―１／λＦＬＳ１）の電磁波が到達し、波長可変レーザ光源１０１の点灯から５Δｔだけ遅れて周波数ｃ（１／λＴＬＳ３―１／λＦＬＳ１）の電磁波が到達する、というパターンを繰り返しながら受信する電磁波の周波数が変化していく。ｃは光速である。
【００３４】
ここで、図３（ａ）のように受信用ミキサ１１５に到着した周波数ｃ（１／λＴＬＳ１―１／λＦＬＳ１）の電磁波について考えると、受信用ミキサ１１５に到着し始めた時の信号は、最短コースを通って受信用ミキサ１１５に到着していることになるから、信号としては、直接波であるといえる。また、それよりも時間的に遅れた信号については、反射などして、長い経路を通ってきた信号と、フォトミキサ１０５から遅れて出てきた信号の重ね合わせとなるから、直接波と間接波の重ね合わせと考えられる。
【００３５】
つまり、電磁波の多重反射があった場合、直接受信された電磁波に比べて、反射波は、長い経路を伝播することになる。そのため反射波（間接波）は、直接波よりも時間的に遅れて受信用ミキサ１１５に到達することになる。
【００３６】
前述のように、本実施の形態では、参照信号発生器１０８からの参照信号の周波数をΔｔのなかでｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４と変化させ、これにより波長可変レーザ光源１０３のからの光の波長をλＦＬＳ２１、λＦＬＳ２２、λＦＬＳ２３、λＦＬＳ２４と変化させる。
【００３７】
すると、図３（ｂ）のように受信用ミキサ１１５から出力される中間周波信号の周波数は、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２１）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２２）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２３）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２４）と時々刻々変化することになる。
【００３８】
各狭帯域フィルタ１１８は、図４に示すように、それぞれ周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２１）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２２）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２３）、ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２４）を中心とした透過帯域を有するように予め設定される。
【００３９】
よって、中間周波信号の周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２１）の成分は、その周波数を含む透過帯域を有する信号強度検出回路でのみで検出される。中間周波信号の周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２２）の成分は、その周波数を含む透過帯域を有する信号強度検出回路でのみで検出される。中間周波信号の周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２３）の成分は、その周波数を含む透過帯域を有する信号強度検出回路でのみで検出される。中間周波信号の周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２４）の成分は、その周波数を含む透過帯域を有する信号強度検出回路でのみで検出される。つまり、受信用ミキサ１１５に到達する信号の強度を到達時刻別に測定できる。
【００４０】
各ＡＤ変換器１２０は、各検波器１１９の出力をディジタルのデータに変換する。制御装置１２１は、データをそのデータが出力された時間のデータとして記録する。これにより、受信用ミキサ１１５で受信された信号を４つの信号に分離でき、つまり、受信された信号を周波数ｃ（１／λＦＬＳ１―１／λＦＬＳ２１）をもつ直接波のみからなる信号、と、その他の信号（直接波と間接波が混在した信号）に分離できる。
【００４１】
仮に、このような受信用ミキサ１１５で受信した電磁波を到来時間別に検出する機能がない場合、遅れてくる反射波を切る分けることができない。しかし、本実施の形態では、波長λＦＬＳ２の変化に対応するように、複数ある信号強度検出回路のうち、アクティブなのはいつも一つで、それが時々刻々と変化する、そのため、直接波より遅れて受信用ミキサ１１５に到達する反射波を切り分けることが可能になる。つまりは、反射波の影響を受けない、言い換えれば、多重反射の影響を受けない被測定物に対するミリ波・テラヘルツ波電磁波の透過または反射スペクトルを測定する分光システムが実現できる。
【００４２】
制御装置１２１にて記録されるデータは、フォトミキサ１０５からの電磁波が被測定物１１２を透過して、多重反射せずに受信用ミキサ１１５で直接検出される電磁波の強度の周波数依存を表す関数である。この関数は、本実施の形態に係る分光システム自体の持つ周波数特性と、被測定物１１２が持つ電磁波の透過特性の積である。
【００４３】
また、被測定物１１２を設置しない状態で、制御装置１２１にて記録されるデータは、分光システム自体の持つ周波数特性を表す。したがって、予め、被測定物１１２を設置しないで測定しておいたデータで、被測定物１１２を設置した状態で測定したデータを除することで、被測定物１１２が持つ電磁波の透過特性を示すデータを得ることができる。
【００４４】
なお、本実施の形態では、時間により離散的に変化する周波数ごとの透過特性を有する信号強度検出回路を複数用いたが、周波数の変化にあわせて透過特性を離散的に変化させることが可能な同一の信号強度検出回路を用いてもよい。
【００４５】
また、本実施の形態では、４つの周波数ｆ１〜ｆ４を用いたが、周波数の数は、２以上であれば、任意である。よって、信号強度検出回路も周波数の数に応じて設ければよい。
【００４６】
また、本実施の形態では、被測定物１１２の透過特性を求めるのに分光システムを用いたが、これを被測定物１１２の反射特性を求めるのに用いてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１０１、１０３…波長可変レーザ光源
１０２…波長固定レーザ光源
１０４…光合分波回路
１０５、１０６…フォトミキサ
１０７…フォトダイオード
１０８…参照信号発生器
１０９…ミキサ
１１０…周波数差検出回路
１１１、１１３、１１６…コリメート鏡
１１２…被測定物
１１４…ハーフミラー
１１５…受信用ミキサ
１１７…受信用増幅器
１１８…狭帯域フィルタ
１１９…検波器
１２０…ＡＤ変換器
１２１…制御装置
【図１】
0005300923.tif 000002
【図２】
0005300923.tif 000003
【図３】
0005300923.tif 000004
【図４】
0005300923.tif 000005
【図５】
0005300923.tif 000006
【図６】
0005300923.tif 000007