キャビティリングダウン分光に向けた
光スイッチング機構の開発
岩國研究室

橘川 太一
数から分子の吸収定数 α を求める。

1背景・目的キャビティリングダウン分光法 (CRDS) は、高反射率ミラーで構成される共振器を用いた分
図 1 分子を封入した共振器

光法で、分子の吸収測定に用いられる。遷移強度が弱い遷移の観測に適し、また吸収強度が小リングダウン信号の時定数 τ0 は、透過光のさい微量ガス検出にも用いられる。

強度が 1/e になるまでの時間でCRDS により精度の高い分光データを得るには、信号ノイズ比 (S/N) の高いリングダウン

τ0 =信号を取得する必要がある。これまで本研究室

Lc(1 − R)(1)と表される。ここで、L は共振器長、R は反射での研究では反射率 99.996 %のミラーを用い率、c は光速度である。本実験で使用した共振てファブリー・ペロー共振器を開発してきた。

器は R = 99.996 %, L = 10 cm でτ0 = 約 4.2 µs

その際は PZT で共振器長を掃引することで共となる。

振器の透過光信号を得ていたが、PZT ドライ

共振器内に分子を封入した場合の時定数 τ はバーのノイズによりリングダウン信号の信号ノイズ比 (S/N) が低下することが確認された。

τ=

そこで本研究では、PZT 掃引せずに、AOM でLc(1 − R + αL)(2)と表される。共振器内の分子の吸収の大きさに共振器に入射するレーザーを ON/OFF してリングダウン信号を取得するシステムの開発を目

よって時定数 τ は異なるため分子封入前後の指した。

時定数 τ の変化量から、入射したレーザーの周波数における分子の吸収定数 α が求められる。

2 キャビティリングダウン分
光法

共振器に入射するレーザー光の周波数を変化させてその都度 τ を測定することで吸収スペクトルが得られる。

キャビティリングダウン分光法 (CRDS) は、分子を封入した共振器にレーザー光を入射し、3十分に時間が経った後に光を OFF にする。こ本研究の実験系のとき図 1 の右図に示すように共振器の透過光
本研究で用いた光学系を図 2 に示す。ECLDの強度が指数関数的に減衰するので、その時定から出射した光は AOM に入射し、その 1 次
1回折光はモードマッチングレンズやアイリス、は ON になり、スイッチの RFIN に印加されたλ/2 板を通る。その後、偏光ビームスプリッ

RF 信号が RF2 から出力される。5V のときはタを透過して共振器に入射し、その透過光をOFF で RF 信号がブロックされる。

PD1 で検出する。また、共振器で反射した光はλ/4 板を 2 回通ることで横偏光から縦偏光に変わり、偏光ビームスプリッタで反射されてPD2 で検出する。図 2 の右図は PD1,PD2 それぞれで検出される透過光と反射光を示す。

図3スイッチの応答評価セットアップ

スイッチの応答評価の結果を図 4 に示す。スイッチに印加する矩形波が 0 V から 5 V に切り替わってから RF 信号の出力が 0 V になるまで
図2

光共振器の光学系とその受光器の検出信号の時間から応答時間は 30 ns とわかった。

図 2 の右図は共振器の片方のミラーについている PZT に振幅 1 V、周波数 5 Hz の三角波信号を印加して共振器長を掃引した。透過光についてピーク 1 本に着目し、共振器長をゆっくり掃引した場合と掃引しない場合とで S/N を比較したところ、PZT を共振器長に掃引した場合よりもしなかった場合の方がノイズが少なかった。これは PZT ドライバに起因する雑音が原因と推測される。そこで PZT 掃引せずにCRD 信号を得る方法として AOM でレーザー
図 4 スイッチ応答評価の結果を ON/OFF するシステムの開発を目指した。
本研究ではまず AOM スイッチングに必要な素次に AOM の応答を評価した。図 5 は実験子の応答評価を行った。

セットアップを示す。ここで図 2 の PD2 で検4 リングダウン信号取得のシス
テム開発

出される共振器の反射光を用いた。
AOM の応答評価の結果を図 6 に示す。PD2

図 3 はスイッチの応答時間評価の実験セットで検出される信号が 0 V から増加し始めてからアップを示す。スイッチの TTL ポートに振幅7 割に達するまでの時間から応答時間は 0.3 µs

5 V の矩形波の信号を入力すると、0 V のときとわかった。
2

図5AOM 応答評価セットアップ

図7

非反転型コンパレータ回路

R2V+
Ra + R2(3)R1 (R3 + RL )R1 + R3 + RL

(4)

VTH1 =となる。ここで図 6 AOM の応答評価の結果

Ra =以上より、スイッチおよび AOM の応答時間である。

はリングダウン時間 τ0 = 4.2 µs より十分短い

出 力 電 圧 が Low の と き の 閾 値 VTH2 は、ため CRDS に適用できる。

R2 , R3 の並列合成抵抗を Rb としたとき Rb とCRDS のためには AOM のスイッチングをリR1 からなる分圧回路の電圧なのでングダウン信号と連動させる必要がある。そこ
で、共振器の透過がある一定レベル以上になっ

VTH1 =

たらレーザー光を OFF にし、ある一定レベル

RbV+Rb + R1(5)R2 R3R2 + R3(6)となる。ここで以下になったら再びレーザー光を ON にするよ
うにコンパレータ回路による制御方法を導入

Rb =した。
コンパレータ回路とは、+ 端子と − 端子にである。

それぞれ入力した 2 つの電圧を比較してその大式 (3),(5) より R1 〜R3 , RL で閾値が決まる。

小によって異なる電圧を出力する回路である。

図 8 は R2 を変化させて閾値を計算した結果

図 7 に非反転型コンパレータ回路を示す。+ 端を示す。本研究では R2 を 51 kΩ に設定したた子に入力される電圧が閾値となり、− 端子に入め、立ち下がりと立ち上がりの閾値はそれぞれ力される電圧が閾値を下回ると V+ が、上回る3 V,2 V となる。と V− (0V) が出力される。

開発したコンパレータ回路の動作確認を行っ

出 力 電 圧 が High の と き の 閾 値 VTH1 は、た。図 9 はセットアップを示す。シンセサイザ

R1 , R3 , RL の合成抵抗を Ra としたとき Ra とから正弦波をコンパレータに入力し、コンパR2 からなる分圧回路の電圧なのでレータの出力信号をオシロスコープで観測し3その立ち下がり部分の拡大図である。応答時間
は 0.5 µs となり、リングダウン時間 τ0 = 4.2 µsより十分短いため分光実験に適用できる。

図8

閾値変化の計算結果た。図 10 はオシロスコープで観測した信号を示す。図 8 で設計した通りに 2 V と 3 V でコンパレータの出力が切り替わっていることがわ

図 12スイッチ機構全体の動作確認

図 13スイッチ機構全体の応答評価かる。

図9

コンパレータ動作確認セットアップ

5まとめと今後の展望
本研究では AOM をスイッチで ON/OFF し

図 10 コンパレータ動作確認結果てリングダウン信号を取得する機構の開発を目以上で動作確認した素子を組み合わせて、ス指した。この機構では光の ON/OFF が共振器イッチ機構全体として動作確認および応答評の時定数より十分早い必要があるため、各素子価を行った。図 11 はそのスイッチ機構全体のの応答時間を測定した。AOM とスイッチの応セットアップを示す。

答時間がリングダウン時間より十分短いことから CRDS に適用できることが示された。また、コンパレータは入力信号に応じて正しく動作することを確認した。
今後は、コンパレータ回路をリングダウン信号で動作させることでスイッチング機構を完

図 11スイッチ機構全体のセットアップ成させる。そして、リングダウン信号を読み取り、時定数 τ を自動で計算するプログラムを完AOM の応答評価と同様に共振器の反射光で成させ、共振器内に分子を封入して CRDS を動作確認を行った結果を図 12 示す。動作確認行う。

にあたりコンパレータの閾値を約 250 mV と約650 mV にしたため、スイッチ機構は正しく動作していることが確認できた。また、図 13 は4