JP5546789B2 - 統合デュアルレーザモジュールを備えた、テラヘルツ周波数領域分光計 - Google Patents

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、マイクロ波、ミリメートル波、及びサブミリメートル波分光システムと構成部材とに関し、より詳細には、テラヘルツ分光のために有用であるホモダイン送受信機において用いるための、統合デュアルレーザモジュールに関する。

２．関連技術の説明
テラヘルツデバイス、及びシステムは、一般的には３００ＧＨｚと３テラヘルツ（３ＴＨｚ）との間の電磁気エネルギー、又は１００から１０００ミクロン（０．１から１．０ミリメートル）の波長を生成し、そして検出するということについて言及するものである。それらはまた、又はサブミリメートル又は遠赤外領域の電磁スペクトルとも呼ばれる。テラヘルツエネルギーは、例えば、短パルスレーザ、ヘテロダインレーザ、電子ダイオード乗算器、自由電子レーザ、及びＢＷＯ等を用いて生成することが可能である。

テラヘルツシステムにおける１つの重要な応用とはＴＨｚ分光であり、より詳細には時間領域分光として理解されるものである。そのようなシステムにおいては、モードロックレーザからの一連のフェムト秒パルスが適当な半導体材料にフォーカスされ、ＴＨｚ放射を生み出す。その放射は、分析されるべき目標体又は検体へと向けられるのであり、そして検出器ないしは検出器アレーを用いて、その目的物を通って伝播した、又は目的物から反射された信号を収集する。そのような測定は、パルスの時間シーケンスを収集することによって時間領域でなされるので、信号をフーリエ変換により処理して、周波数領域のスペクトル情報を復元しなければならない。

しかしながら、時間領域から周波数領域へのフーリエ変換は、周波数分解能、及び、特定の周波数ウインドウを見るという能力に制限を課すものである。

上述の時間領域分光計に加えて、周波数領域のシステムもまた、知られている（非特許文献１）。特許文献１においては、テラヘルツ分光計システムの先行技術が記述されている。

米国特許第７，２９１，８３５号 米国特許第７，１２６，０７８号

Verghese et al, "Generation and detection of coherent terahertz waves using two photomixers", Appl. Phys. Lett., vol.73, no.26, pp.3824-3826, Dec.28, 1998.

発明の特徴
手短に、そして一般的用語で述べるならば、本発明は、
レーザモジュールであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置された、第１レーザビームを発生させるための第１レーザアセンブリと、
前記ハウジング内に配置された、第２レーザビームを発生させるための第２レーザアセンブリと、
前記第１及び第２ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、前記ビームを第３及び第４の光ビームへと合成するための、第１ビームスプリッタと、
前記第３ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、第５及び第６光ビームを生み出す、第２ビームスプリッタと、
前記第４ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、第７及び第８光ビームを生み出すための、第３ビームスプリッタと、
前記第５ビームの経路中の、前記ハウジング内の、前記第５ビームが該ハウジングから脱出することを可能とするための、第１ウインドウと、
前記第７ビームの経路中の、前記ハウジング内の、前記第７ビームが前記第５ビームに対して正しい角度で該ハウジングから脱出することを可能とするための、第２ウインドウと、
を含む、レーザモジュール、
を提供する。

別の態様において、本発明は、マルチ光周波数複合光ビーム内における光周波数ソースの、各々の波長（光周波数）を決定するための方法であって、
第１レーザに第１低周波トーンを当てる段階と、
第２レーザに、前記第１トーンとは異なる第２低周波トーンを当てる段階と、
前記第１及び第２レーザからのビームを合成する段階と、
前記合成されたビームを、第６及び第８の合成された光ビームへと***させる段階と、
第１スペクトル応答を有する第１フォトダイオードを用いて、前記第８ビームの出力を検出する段階と、
第２スペクトル応答を有する第２フォトダイオードを用いて、定義された透過プロファイルを有する光フィルタを前記第６ビームが通過した後に、該第６ビームの出力を検出する段階と、
前記第１及び第２フォトダイオードの各々の出力を比較し、前記第１及び第２レーザの波長を計算する段階と、
による方法を提供する。

別の態様において、本発明は、目標体を分析し、識別し、又は撮像するための装置であって、
第１及び第２レーザを備えた統合レーザモジュールと、
前記第１及び第２レーザの差周波数であるＣＷ周波数をもたらす、第５ビームからの光ビームにより作動される、第１ＰＣＳ、を含む、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを超える周波数範囲内の一定波（ＣＷ）放射ソースと、
上記信号を実質的に同時に前記目標体へとフォーカスさせるための、又は前記目標体を通過させるための、アンテナまたはＲＦレンズのような指向手段と、
前記目標体を透過した、または前記目標体から反射されたスペクトル情報を取得するための検出器と、
を用いる装置を提供する。
レーザモジュールからの第７ビームは、検出器ＰＣＳへと結ばれている。第７ビームの光差周波数と、検出器ＰＣＳにおける透過ＴＨｚ出力とを混合させることにより、目標体の何らかの特徴を表す電気信号が発生する。

本発明におけるこれらの、及び他の特徴、そして利点は、以下に続く詳細な説明を添付の図面と併せて検討し、参照することにより、よりよく理解され、そしてより完全に認められることであろう。

図１Ａは、先行技術において公知であるような、検体からの反射を用いる周波数領域テラヘルツ分光計のブロック図である。 図１Ｂは、先行技術において公知であるような、検体を通っての透過を用いる周波数領域テラヘルツ分光計のブロック図である。 図２は、本発明に従うデュアルレーザモジュールのブロック図である。 図３は、本発明に従うテラヘルツ分光計のブロック図である。 図４は、図２のレーザモジュールにおける２つのレーザの出力を示す光周波数スペクトルを描いたグラフである。 図５は、各々のレーザに別個の識別トーンが当てられた後の、レーザモジュールにおける２つのレーザからの出力ビームの複合光周波数スペクトルを描く、単純化されたグラフである。 図６は、本発明に従うレーザモジュールにおいて用いられる光フィルタのフィルタプロファイルのグラフである。 図７は、本発明の分光計による目標体走査の結果を描いたグラフであり、達成可能な分解能を示している。

好ましい実施形態の詳細な説明
本発明の詳細を、その典型的態様や実施形態を含め、ここに説明する。図面及び以下の説明を参照すると、同様の参照番号は、同様の、あるいは機能的に類似した要素を識別するために用いられており、典型的実施形態の主要な特徴を高度に単純化された図形的手法で描くことを意図されたものである。
さらに、図面は実際の実施形態におけるあらゆる特徴や、あるいは描写される要素の相対的寸法を描写するよう意図されたものではないのであり、そして縮尺どおりに描かれてはいない。

周波数領域技法においては、ＥｒＧａ：ＧａＡｓ ＰＣＳにおける２つの単独周波数ダイオードレーザの合成出力をフォトミキシング（ｐｈｏｔｏｍｉｘｉｎｇ）することを通じて、ＣＷ ＴＨｚ放射を作り出す。レーザの一方の（あるいは両方の）波長は、ＴＨｚ出力周波数を変えるべく調整される。今までの、フォトミキシングの分光への適用では、その大部分において、ＰＣＳからのＴＨｚ出力ビームが高感度広帯域熱検出器（例えば、液体Ｈｅボロメータ、あるいはＧｏｌａｙセル）へと結ばれており、インコヒーレントであって位相感度が低い、全般的な信号処理を行う。ＴＨｚ信号がその上にも入射するような検出器ＰＣＳにおけるダイオードレーザからの同一の光放射を混合することにより、コヒーレント（ホモダイン）検出を室温下で成し遂げることが可能である。これにより、インコヒーレントな技法よりも高い感度が得られ、またインコヒーレントな技法よりもデータ取得が速くなり、位相情報が保存される。

時間領域技法と比較しての、コヒーレントな周波数領域技法による恩恵のうちの幾つかは、次のようなものである。（１）移動する部分がない（すなわち、機械的に走査する遅延線がない）ということ，（２）より高い周波数分解能，（３）調節可能な分解能で、興味ある特定周波数領域を選択的に走査することが可能であること。また、パルスシステムとは異なり、ＣＷフォトミキシングの結果として全てのＴＨｚ出力が単独のＴＨｚ周波数に集中するのであり、故に、その周波数におけるスペクトル密度と信号対雑音比とが改善される。しかしながら以前は、デュアルレーザの構築と制御とに関連した課題、すなわち、２つのレーザビームのモードマッチングと相互のコリメーション（ｃｏ−ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）、及びそれらの異なる周波数の正確な制御という課題のために、実用的な周波数領域分光計を実現することは困難であった。

図１Ａと図１Ｂとは、先行技術において知られている周波数領域テラヘルツ分光計を描いている。米国特許出願第１１／６６９，６８５において説明されている先行技術の分光計は、図１Ａのブロック図において描写されており、それは検体からの反射を用いるものである。一方図１Ｂは、検体を通っての透過を用いる、類似した先行技術の分光計を描いている。

図１Ａ及び図１Ｂは、野外に持ち運んで使用するために適した、ハウジング２００内に配置された分光計を示している。水晶振動子２０１は１ＫＨｚのパルスを作り出す。そのパルスは２つのアップコンバータ２０２及び２０３をドライブし、その出力はモードロックレーザ２０４及び２０５のペアに加えられる。アップコンバータ２０２の出力は１００ＭＨｚであり、アップコンバータ２０３の出力は１００．００２５ＭＨｚである。モードロックレーザは、カリフォルニア州サニーベールのＣａｌｍｅｒ Ｏｐｔｃｏｍ Ｉｎｃ．による７８０ｎｍレーザであることが好ましい。レーザ２０４の出力は、１００ＭＨｚ，２００ＭＨｚ，３００ＭＨｚ，…１０００ＧＨｚ，１０００．１００ＧＨｚ，等を中心とする、等間隔パルスのコムである。レーザ２０５の出力は、１００．００２５ＭＨｚ，２００．００５ＭＨｚ，３００．００７５ＭＨｚ，…１０００．００２５ＧＨｚ，１０００．１２５００２５ＧＨｚ，等の、等間隔パルスのコムである。レーザ２０４及び２０５を、波長ロックされたレーザ２０６によってドライブしてよい。波長ロックされたレーザ２０６の出力はビームスプリッタ２０７へと加えられ、分離したビームを作り出す。分離したビームは、レーザ２０４と２０５とにそれぞれ加えられる。

レーザ２０４の出力２０８は光増幅器２０９によって増幅され、ビームはその後、レンズ２１０へと当てられる。レンズ２１０は、ＰＣＳ２１１の表面上、１０ミクロンのスポットにビームをフォーカスさせる。ＰＣＳ半導体デバイス表面へと向けられた光パルスの周波数コムは、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを超える周波数範囲内のテラヘルツ放射を作り出す。テラヘルツ周波数コムスペクトルは、基本周波数ｆ₁と、基本モードロック周波数の整数倍であるような調和成分のシリーズ２ｆ₁，３ｆ₁，…ｎｆ₁，…とを有する。

ＰＣＳデバイス２１１から発せられるテラヘルツ放射はコリメートされ、好ましくは直径約１センチメートルの半球形状構造であるような、シリコンレンズ２１３によって収集される。テフロン（登録商標）からなる他の要素（取り付けられたユニット２１２として一般的に表現されている。）、あるいは追加レンズを、レンズ２１３の下流に配置し、ＲＦビームを出力ＴＨｚパルス２１４へとコリメートすることができる。また、シリコンレンズ２１３の代わりに、あるいはそれに加えて、ビーム成形ミラーを用いることも可能である。

識別されるべき目標体、又は目的物２１５は、いくらかの放射を吸収し、透過させ、また戻りＴＨｚパルス２１９によって示されるとおり、放射の一部をソース又はユーザの方向へと反射して戻す。図１Ａは反射された放射を利用する先行技術の実施形態を描写しており、一方で図１Ｂは透過された放射を利用する。

シフトされたモードロックレーザ２０５の出力はビーム２１６によって表されており、ビーム２１６はレンズ２１７へと向けられる。レンズ２１７は、スパイラルアームが逆方向であるということを除けばＰＣＳ２１１と同様のデザインを有するようなＰＣＳ２１８の表面上、１０ミクロンスポットにビームをフォーカスさせる。これが検出器として振舞う。受信側においては、戻り信号２１９とビーム２１６とがＬＴＧ ＧａＡｓ ＰＣＳ検出器２１８において合成され、ヘテロダイン信号を生じさせる。これは、戻り信号における、瞬間的なマルチスペクトルヘテロダインダウン変換として説明することができる。この周波数差は最小で２．５ＫＨｚから最大で２．５ＫＨｚのＮ倍（ここにおけるＮは、ロックされたモードの数である。）まで変化する。Ｎの値には典型的に、Ｎ＝１，０００からＮ＝２０，０００までの幅がある。レーザ利得媒質の光帯域幅が極端に広いため、モードロックレーザが１０００ＧＨｚ超に亘って数百のロックされたモードを有するということは珍しくない。したがって、本発明に従う技法を用いて、この広い周波数範囲に亘って強度変調信号を発生させることが可能である。ＬＴＧ ＧａＡｓ検出器２１８の電気出力は電子的ＲＦ信号の形をとるのであり、分光計について言うならば、その信号は、データを分析するためにユニット２００における総称的にラベルが付されたブロック２２１内で処理され、それにより目的物、ないしはその組成に関する特徴（例えば、目標体又は目的物に含まれる化合物の正体や、材料構造）が識別される。

図１Ｂの実施形態において、構成部品は図１Ａの実施形態におけるものと同様であるので、図１Ａ中の各々の構成部品についての上記説明を繰り返すことは不要である。図１Ｂの実施形態においては、テラヘルツ放射２１４が検出器ＰＣＳ２３０によって受信されるよりも前に検体２１５を透過させるべく、検出器ＰＣＳ２３０が検体２１５とは反対の側に配置されるよう、検出器ＰＣＳ２３０の位置が設定されている。ＰＣＳ検出器におけるもう一つの差異は、ＰＣＳ２３０におけるスパイラルアームの方向が、ＰＣＳ２１１のそれと同じ方向を向いているということである。

本発明におけるデュアルレーザモジュールと分光計とは、それぞれ図２及び図３のブロック図において描かれている。本発明により提供されるコヒーレントな周波数領域ＴＨｚ分光計の鍵となる構成部品は、高度に統合されたデュアル半導体レーザモジュール１００である。

図３において描かれている分光計においては、ソースヘッド３０１と検出器ヘッド３０２とを適切に配置することにより、目標体又は目的物における反射を用いることも、又はそれらを通っての透過を用いることもできるのであり、さらには目標体の正体又は組成を決定するために、及び／又は、ユーザが直ちに情報を利用できるよう、結果の印刷又は表示を行うために、プロセッサ及び他の電子機器を組み込んでもよい。

図２は、図３の分光計中にサブアセンブリとして組み込むために適した光学部品を内蔵するハウジング１００を描いている。レーザ１０５及び１０６は、さまざまなベンダーから入手可能である（例えば、ドイツ・ベルリンのＥａｇｌｅｙａｒｄ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＧｍｂＨ等）、所望の波長範囲に亘る単一縦モードと単一空間モードとでの動作を備えた、２つの７８３ｎｍ分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザであることが好ましい。本発明においては、例えばＥｍｃｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な、１以上の外部空洞チューナブル半導体レーザを利用することも可能であろう。また、２以上のＤＦＢ又はＤＢＲレーザを、半導体導波管結合器部品を備えた共通の半導体基板上で加工して、両方のレーザ周波数を含む単独の光出力を作り出すことも可能であることに留意すべきである。レーザ１０５及び１０６の出力の光スペクトルが図４中に描かれており、そこにおいては、これら狭線幅レーザのデュアル周波数出力が描写されている。この具体的な実施形態において、１つのレーザの出力は７８３ｍｍへと調節され、他方のレーザの出力は７８４ｍｍへと調整されている。レーザビームにおける非常に正確性の程度が高い相互コリメーションと、レーザにおける非常に正確な周波数制御と、デジタル信号処理を介したレーザ出力の監視とを備え、テラヘルツ分光計においてレーザ出力ビーム周波数に亘り更に正確な制御を達成するような、そして２５０ＭＨｚより小さい分解能を達成するような、適正なダイオードレーザパッケージを提供することは、本発明の鍵となる態様である。

１つの実施形態において、レーザダイオードチップ１０５及び１０６は、独立したペルチェ熱電冷却器（ＴＥＣｓ）１０３及び１０４上に搭載される。レーザの中心波長は、普通２５℃において７８３ｍｍであるが、しかしながらこの波長は、およそ０．１ｎｍ ｐｅｒ ℃という調整係数をもって温度で調節されうる。したがって、動作において−１０℃から４０℃までの温度範囲があれば、それにより、およそ５ｎｍの周波数範囲が生じることとなる。説明のみを目的として、２５℃における中心波長がそれぞれ７８２ｎｍと７８４ｎｍとになるようＤＦＢレーザを選択した場合には、各々のレーザチップにおける−１０℃から＋４０℃までの温度調整範囲により、０Ｈｚから３．４ＴＨｚのオフセット周波数範囲に対応して、０ｎｍからおよそ７ｎｍのオフセット波長の発生が許容されることとなるであろう。ＴＥＣｓ制御表面上の熱質量（ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｓｓ）は、迅速な周波数調整を許すような最小値に維持される。ＤＢＲレーザダイオードチップの場合、各々のレーザのブラッグ反射区域が電子的に調整され、レーザ周波数を変える。より幅広い温度の周遊を採用するか、又はＤＢＲレーザを用いることにより、より幅広いオフセット周波数範囲をとることも可能となる。各々のレーザからの出力は、サブミクロンの調整能力を有する精密レンズマウント上に搭載された非球面レンズを用いてコリメートされる（例えば、特許文献２を参照）。レーザ出力は、そのレーザ内へのフィードバックを防ぐために、光アイソレータを通過させられる。出力ビームの経路１０７及び１０８中には、５０／５０ビームスプリッタＢＳ１が置かれており、２つのビームを、お互いに直角をなしている第１及び第２複合ビーム１０９及び１１６へと相互コリメートするために用いられる。フォトミキシング生成物を発生させるためにビームの重なりが最適化されるよう、レンズとビームスプリッタＢＳ１とは慎重に調整される。

本発明において、出力ビーム１０９は第２ビームスプリッタＢＳ２へと結ばれる第１経路に沿って方向付けられるのであり、そして第２ビーム１１６は、経路に沿って方向付けられ、第３ビームスプリッタＢＳ３へと結ばれる。レーザから下流の、及びユニット１００全体に亘る光伝播経路は、自由空間であってもよいし、又は、適切な単一モード偏光保持光ファイバ（ＰＭＦ）であってもよい。光ファイバ構造の場合、ビームスプリッタは適正な光導波管カプラによって置き換えられるであろう。基本的なトポロジーが図２と図３とに描かれており、そこにおいては、さまざまな光経路をより容易に図解するべく、自由空間での光学実装が用いられている。

第２ビームスプリッタＢＳ２は、また、お互いに直角をなす第１ビーム１１１及び第２ビーム１１３を作り出す。第２ビーム１１３はフィルタ１１４へと当てられ、その後に第１フォトダイオード１１５へと当てられる。フォトダイオード１１５の出力は、引き続き説明するとおり、複合ビーム１０９の出力をサンプリングし、測定するために用いられる。第１ビーム１１１は、モジュール１００内のウインドウ１１２へと向けられる。

第３ビームスプリッタＢＳ３は、また、お互いに直角をなす第１及び第２ビームを作り出す。第１ビーム１１７は、第２フォトダイオード１２０へと当てられる。フォトダイオード１２０の出力は、引き続き説明するとおり、複合ビーム１１６の出力をサンプリングし、測定するために用いられる。第２ビーム１１８は、モジュール１１０内のウインドウ１１９へと向けられる。

図３は、デュアルレーザモジュール１００の分光計への統合を描いた、高度に単純化されたブロック図である。詳細には、この図は、低周波４１６ｋＨｚトーンを用いてレーザ１０５をドライブ及び変調するべく当該レーザ１０５へと結ばれた第１電流源４０１と、レーザ１０６に結ばれて第２低周波４３０ｋＨｚトーンで当該レーザ１０６を変調する第２電流源４０２と、を描いている。複合光信号に関連してそのようなトーンを用いることを、続いて論じる。他のトーン周波数を都合よく選択することが可能である。

ソースヘッド３０１及び検出器ヘッド３０２と併せて、第２ビーム１１８の経路中にある反射素子４０３も描かれている。

第２ビームスプリッタＢＳ２の出力ビーム１１１は、ウインドウ１１２を通ってハウジング１００を脱出する。この「第１ビーム」１１１は、適切な位置にあるソースヘッド３０１中のウインドウ３０３へと当てられ、それからソースヘッド３０１中のレンズ３０４と当てられる。レンズ３０４は、ＰＣＳ３０５の表面上、直径がおよそ１０ミクロンのスポットにビームをフォーカスさせる。ＰＣＳ半導体デバイス表面へと向けられた光周波数信号は、レーザ１０５及び１０６間のオフセット周波数に対応して、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを超える周波数範囲内で、ＰＣＳ３０５からのテラヘルツ放射を作り出す。

ＰＣＳデバイス３０５から放出されたテラヘルツ放射はコリメートされ、ソースヘッド３０１に搭載されたシリコンレンズ３０６によって収集される。レンズ３０６は、直径がおよそ１センチメートルの半球形状構造であることが好ましい。テフロン（登録商標）からなる追加レンズ（示されていない）をレンズ３０６の下流に配置し、ＲＦビームを出力ＴＨｚビームへとコリメートすることができる。シリコンレンズの代わりに、あるいはそれに加えて、ビーム成形ミラーを用いることも可能である。

識別されるべき目標体、又は目的物は、いくらかの放射を吸収し、透過させ、また図１Ａあるいは図１Ｂにおける検出器への戻りＴＨｚビームによって示されるようなやり方で、放射の一部をソース又はユーザの方向へと反射して戻すであろう。

上に述べたとおり、第２ビーム１１６は、第３ビームスプリッタＢＳ３へと結ばれる。ビームスプリッタＢＳ３からの第２ビーム１１８は、ウインドウ１１９を通ってモジュール１００を脱出し、続いて検出器ヘッド３０２へと向けられる。第２ビーム１１８は検出器ヘッド３０２内のウインドウ３０７へと当てられ、その後、レンズ３０８へと当てられる。レンズ３０８は、ＰＣＳ３０９の表面上、直径およそ１０ミクロンのスポットにビームをフォーカスさせる。シリコンレンズ３１０は、透過された、あるいは目標体から反射された放射を収集し、その放射は、その後、図１Ａ及び図１Ｂにおいて描かれたシステムと同様のやり方でＰＣＳ３０９により検出され、そしてＰＣＳ３０９に繋がれたプロセッサ４０５によって処理される。

テラヘルツ周波数領域分光計は、高度に小型化された構成において２つのＥｒＡｓ：ＧａＡｓ ＰＣＳを用いて、全て固体の構成部品を利用し、移動する部分は用いずに実装される。そのシステムにおいては、高分解能波長弁別器を備えた、２つの７８３ｍｍＤＦＢレーザダイオードの単独パッケージ統合が利用される。デジタル信号処理電子機器により正確な周波数制御がもたらされ、ＴＨｚ信号周波数においておよそ２００ＭＨｚの精度が得られることとなる。１００ＧＨｚから１．８５ＴＨｚまで連続的に周波数をスイープして、５００ＭＨｚよりも優れた分解能であることが実証された。コヒーレント検出感度は従来の理論的予測値とよく一致するということが示され、そして、空気中１フィートの経路長を通るとき、１００ＧＨｚにおいて９０ｄＢ／Ｈｚであり、そして１ＴＨｚにおいては６０ｄＢ／Ｈｚであるような、信号対雑音比が得られた。分光計の周波数分解能とダイナミックレンジとは、大気圧において固相、及び気相であるような爆発物、化学物質、生体物質、の分析を伴う応用にとって適切なものである。

本発明における別の特徴は、異なった周波数の２つの光ビームソースを有する複合レーザビームにおける、それぞれのレーザ波長を決定するための方法と装置とを提供することである。本発明が意図する分光応用には大変な正確性が要求されるのであり、レーザモジュール１００から放出される第１ビームにおける各々のソース１０５及び１０６の波長を決定することは、そのような方法の１つの適用例である。

フォトダイオード１１５及び１２０の電気出力は、ＤＣ信号（ＣＷレーザ出力を表している）と、そのＤＣ信号に重ねあわされた小さいＡＣ信号（低周波識別トーンを表している）とが一緒になった、複合出力であろう。複合信号は、２つの変調されたＤＣ信号、すなわち、変調されたレーザ１０５及び１０６のそれぞれからの信号より構成されるので、複合信号に適用される信号処理の目標は、元の２つの変調信号を復元し、それら各々の強度を正確に測定することである。変調トーンは、異なる区別可能な周波数であるので、２つの信号を分離するためにデジタルフィルタリング技術を用いることができる。

上述のとおり、特に、本発明において、第１低周波トーンを第１レーザ１０５へと当て、第１トーンとは異なる第２低周波トーンを第２レーザ１０６へと当てることにより、この方法を実行することが好ましい。

図２と図３とに関連して既に述べたとおり、それから複合ビーム１０９と１１６との経路中にビームスプリッタが配置され、第１及び第２複合光ビーム１１３及び１１７を作り出す。変調された複合ビームは、図５において描かれているスペクトルを有するであろう。

第１複合ビーム１１３の経路中には第１フォトダイオード１１５が配置され、第２複合ビーム１１７の経路中には第２フォトダイオード１２０が配置される。フォトダイオードは、さまざまな光周波数に対して、既知の異なった応答を有するよう、構成または調節される。この構成を実装するための１つの単純な方法は、多層薄膜光フィルタ１１４をその前に配置した、２つの同一なフォトダイオード（例えばフォトダイオード１１５）を用いることである。

図６は、本発明に従う統合モジュールにおいて実装されるような複合ビームからの２つの異なるレーザ各々の波長を決定するに際して用いることのできる、フィルタスペクトルプロファイルの図解である。この図において、フォトダイオード１１５及び１２０への出力は、波長の関数としてグラフ化される。４１６ｋＨｚと４３０ｋＨｚとの一意的な低周波トーンによって変調される２つのレーザ周波数が、グラフ上に位置づけられている。

周波数計測は、フォトミキシング分光法の重要な側面である。レーザ周波数を測定するために、第１ビームの２０％は、既定の波長プロファイルを有する光フィルタ１１４を通るよう結ばれ、その後、フォトダイオード１１５に入射する。第２ビーム１１６から同じ大きさの出力が結ばれ、フィルタリングされていないフォトダイオード１２０上に入射する。２つのＤＦＢレーザ１０５及び１０６は僅かに異なった周波数で電流変調されているので、単純な周波数感知検出技法を用いて、フィルタリングされた（１１５）及びフィルタリングされていない（１２０）フォトダイオード個々の出力レベルを区別することが可能である。別個のＴＥＣを用いて光フィルタを熱安定化することにより、１００ＭＨｚよりも優れた完全な周波数安定化を達成できる。最初の較正の後、これら２つのフォトダイオード上の相対的レーザ強度を比較することにより、それら各々の波長が、およそ１００ＭＨｚの範囲内で正確に示唆される。フォトミキシングの後、この測定値は、約２００ＭＨｚの精度でＴＨｚ周波数へと変換される。システムのスペクトル純度を測定するために、Ｂｕｒｌｅｉｇｈ ＷＡ−１５００波長計で測定されるとおり、レーザは光周波数について１０ＧＨｚ補正され、その後、高速フォトダイオードへとフォーカスされた。出力は、ＲＦスペクトルアナライザに記録された。フォトミキシング信号の半値線幅は２０ＭＨｚよりも下であり、ＤＦＢレーザの瞬間的線幅によって制限を受ける。

加えて、本発明において、ソースＰＣＳは、＋Ｖｃｈｏｐから−Ｖｃｈｏｐまでの強度を有する差分信号を用いて、ＤＣから数ＭＨｚの範囲内のベースバンド周波数において、電子的に刻まれる。刻み周波数へと調整されるロックイン強度を用いて検出ノイズ帯域幅を制限できるように、典型的には上述のコヒーレントなホモダイン検出と併せて刻みを行う。従来の光刻み技法において、ＰＣＳを照らしている光ビームは、当該技術分野において知られているセグメント化された羽型刻み器（ｖａｎｅ ｃｈｏｐｐｅｒ）を用いて刻まれる。発生したＴＨｚ電圧は、入射レーザ出力とＰＣＳ端部間に印加されたバイアス電圧との積に比例するので、差分信号を用いて電子的に刻むことにより、ＰＣＳからのピークＴＨｚ電圧強度は２倍にされ、これにより、所定レベルの光照射に対して発生するＴＨｚ信号出力は、光学的刻みに比較して４の因子で向上することとなる。これにより、光学的刻みを用いたコヒーレントな検出に比較して、本発明における信号対雑音比は典型的には６ｄＢ改善されることとなる。

図７は、大気水蒸気についての１７００ＧＨｚ走査（グラフＩ）と、固体障害物についての同様の走査（グラフＩＩ）を図解することにより、本発明の分光計による効果を示している。試験条件は、１フィートの経路長、１GHｚの分解能、そして１秒間の時定数というものであった。拡大挿入は、本発明に従った高分解能走査を描いており、低分解能走査において見られるよりも高い分解能での、変化の測定を示している。

要約すれば、本発明は、１００ＧＨｚから２ＴＨｚを超えるまでの連続的調整を備える、小型の、周波数領域テラヘルツコヒーレント分光計を提供する。この構成においては、高度に小型化された光の統合技法、電子的な差分刻み、そして室温でのコヒーレントなＴＨｚ検出が採用されている。その分光計は、標準大気圧において固相、及び気相の形態であるような爆発物、化学物質、生体物質、を迅速に識別するために有用であろうと見込まれる。この、半導体ダイオードレーザを採用する高度に統合された光学アセンブリは、移動する部分を用いてはおらず、本質的に丈夫であり、野外配置を可能とするような用途に、よく適している。併せて、このコヒーレント（ホモダイン）検出技法は、非常に速いデータ取得時間の下、より一般的な（インコヒーレントな）ＴＨｚフォトミキシング分光計中の液体Ｈｅボロメータが必要とするような低温冷却なしに、理論と一致する優れたＳＮＲを与える。

Claims (4)

1. レーザモジュールであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に配置された、第１レーザビームを発生させるための第１レーザを備えた第１レーザアセンブリと、
   前記ハウジング内に配置された、第２レーザビームを発生させるための第２レーザを備えた第２レーザアセンブリと、
   前記第１レーザに第１低周波トーンを当てるための第１トーン発生器と、
   前記第１低周波トーンと異なる第２低周波トーンを前記第２レーザに当てるための第２トーン発生器と、
   前記第１及び第２ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、前記ビームを第３及び第４の光ビームへと合成するための、ビームスプリッタと、
   前記第３光ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、第５及び第６光ビームを生み出す、第２ビームスプリッタと、
   前記第５光ビームの経路中の、前記ハウジング内の、前記第５光ビームが該ハウジングから脱出することを可能とするための、第１ウインドウと、
   前記第６光ビームの経路中の第１フォトダイオードと、
   前記第４光ビームの経路中の、前記ハウジング内に配置された、第７及び第８光ビームを生み出す、第３ビームスプリッタと、
   前記第７光ビームの経路中の、前記ハウジング内の、前記第７光ビームが該ハウジングから脱出することを可能とするための、第２ウインドウと、
   前記第８光ビームの経路中の第２フォトダイオードと、
   前記第１及び第２フォトダイオードのそれぞれの出力を比較し、前記第１及び第２レーザの波長を計算するためのプロセッサと
   を含む、レーザモジュール。
2. 前記第２レーザアセンブリは、
   前記第２レーザからの出力ビーム経路中のフォーカスレンズと、
   前記レンズから放出された出力ビーム経路中のアイソレータと、
   を更に含む、請求項１に記載のレーザモジュール。
3. 前記第６光ビームの経路中において、前記第１フォトダイオードの前に波長フィルタを更に備えた、請求項１に記載のレーザモジュール。
4. 前記第１及び第２レーザは、異なった周波数で電流変調された分布帰還型レーザである、請求項１に記載のレーザモジュール。

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