JP6243322B2 - Mechanical vibrator measuring device and mechanical vibrator control device - Google Patents
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Description
本発明は、光周波数コムの繰り返し周波数可変性を利用して機械振動子の測定および制御を行う機械振動子測定装置および機械振動子制御装置に関する。 The present invention relates to a mechanical vibrator measuring apparatus and a mechanical vibrator control apparatus that perform measurement and control of a mechanical vibrator using the repetition frequency variability of an optical frequency comb.
近年、高感度センサー（非特許文献１）や機械演算デバイス（非特許文献２）、量子効果の観測（非特許文献３）などに向け、微小機械振動子の研究が精力的に行われている。機械振動子は、半導体加工技術によって作製されたデバイスであり、小さい質量と高いＱ値が特徴である（非特許文献４）。 In recent years, research on micromechanical vibrators has been vigorously conducted for high-sensitivity sensors (Non-Patent Document 1), machine computing devices (Non-Patent Document 2), and observation of quantum effects (Non-Patent Document 3). . The mechanical vibrator is a device manufactured by a semiconductor processing technique, and is characterized by a small mass and a high Q value (Non-Patent Document 4).
機械振動子の励振は、電気的・光学的に行われる。電気的手法では、振動子に形成した電極に電気信号を加えることで振動を誘起するため、機械振動子の振動特性には必然的に電極の質量による影響を受ける。これに対し、パルスレーザーを用いた光学的な手法では、ポンプ光を機械振動子に照射して機械振動子を励振させ、ポンプ光照射から時刻ｔだけ経過した後にプローブ光を照射し、プローブ光の反射光強度を測定する。この方法では、励振に電極が不要なため、機械振動子本来のＱ値測定が可能である。 The mechanical vibrator is excited electrically and optically. In the electrical method, vibration is induced by applying an electrical signal to the electrode formed on the vibrator, and therefore the vibration characteristics of the mechanical vibrator are inevitably influenced by the mass of the electrode. On the other hand, in the optical method using a pulse laser, the pump light is irradiated to the mechanical vibrator to excite the mechanical vibrator, and the probe light is irradiated after time t has elapsed from the pump light irradiation. Measure the reflected light intensity. In this method, since no electrode is required for excitation, the original Q value of the mechanical vibrator can be measured.
このような光学的な手法を利用して、これまで励振特性を測定することはもちろん、外界の温度で決まるようなブラウン運動による機械振動子揺らぎを抑える(cooling)研究が精力的に行われてきた（非特許文献５）。 Up to now, not only has it been possible to measure the excitation characteristics by using such an optical method, but also vigorous research has been conducted on cooling mechanical oscillator fluctuations due to Brownian motion as determined by the external temperature. (Non-Patent Document 5).
機械振動子を特徴づけるパラメータとして、ｎ次の共振周波数ｆn、Ｑ値（quality factor）などがある。Ｑ値は、振動の状態を表す無次元数である。Ｑ値が低いと機械振動子系の散逸エネルギーが大きくなり、振動がすぐに減少する性質がある。反対に、Ｑ値が高いと一旦振動が開始されると振動が長く続く。例として、図８の（ａ）に示すように、Ｑ値がＱ＝１０の場合およびＱ＝１００の場合を図８の（ａ）および（ｂ）に示す。Ｑ値が小さい場合には、実時間上での振動の観測によりＱ値を求めることができる。しかしながら、図８の（ｂ）に示すように、Ｑ値が大きくなると振動子振幅はほとんど変化がないため、この方法でＱ値を求めることは難しい。 Parameters that characterize the mechanical vibrator include an nth-order resonance frequency f n , a Q value (quality factor), and the like. The Q value is a dimensionless number that represents the state of vibration. When the Q value is low, the dissipated energy of the mechanical vibrator system becomes large, and the vibration is immediately reduced. On the contrary, if the Q value is high, once the vibration is started, the vibration continues for a long time. As an example, as shown in FIG. 8A, the case where the Q value is Q = 10 and the case where Q = 100 are shown in FIGS. 8A and 8B. When the Q value is small, the Q value can be obtained by observing vibration in real time. However, as shown in FIG. 8B, when the Q value increases, the vibrator amplitude hardly changes, and it is difficult to obtain the Q value by this method.
Ｑ値のもう１つの定義は、周波数領域における共振スペクトルで定義される。共振スペクトルは、共振周波数ｆn付近の周波数でポンプ光を照射し、このときの振動の大きさを周波数の関数としてプロットすると得られる。図８の（ｃ）に示すように、得られた共振スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）をΔｆnとすると、Ｑ＝ｆn／Δｆnで与えられる。 Another definition of the Q value is defined by the resonance spectrum in the frequency domain. The resonance spectrum is obtained by irradiating pump light at a frequency near the resonance frequency f n and plotting the magnitude of vibration at this time as a function of frequency. As shown in FIG. 8C, when the full width at half maximum (FWHM) of the obtained resonance spectrum is Δf n , Q = f n / Δf n is given.
一般的に、振動子の場合にはＱ値が高い方が望ましいが、逆にＱ値が高いほど応答がわるくなり、起動時間が長くなるという面もある。正確なＱ値測定は、機械振動子の設計や製作の精度を知る上で重要である。 In general, in the case of a vibrator, a higher Q value is desirable, but conversely, the higher the Q value, the worse the response and the longer the startup time. Accurate Q value measurement is important for knowing the accuracy of mechanical vibrator design and fabrication.
機械振動子の実時間における機械振動子を測定するための方法の１つは、ポンプ・プローブ法である。この方法では、図９に示すように、レーザー９０１，合分波器９０２，ミラー９０３，ミラー９０４，合分波器９０５，ディレーステージ９０６を備える光源装置を用いる。この光源装置では、繰り返し周波数が機械振動子９０７の共振周波数のパルスレーザー９０１を出射したレーザー光の中で、合分波器９０２を透過し、ミラー９０３，ミラー９０４を反射し、合分波器９０５を透過したポンプ光９１１と、合分波器９０２を反射し、ディレーステージ９０６を通過して合分波器９０５を反射したプローブ光９１２とを、機械振動子９０７に照射する。 One method for measuring the mechanical oscillator in real time of the mechanical oscillator is the pump-probe method. In this method, as shown in FIG. 9, a light source device including a laser 901, a multiplexer / demultiplexer 902, a mirror 903, a mirror 904, a multiplexer / demultiplexer 905, and a delay stage 906 is used. In this light source device, among the laser light emitted from the pulse laser 901 having a repetition frequency of the resonance frequency of the mechanical vibrator 907, the laser beam is transmitted through the multiplexer / demultiplexer 902, reflected from the mirror 903, and the mirror 904. The mechanical vibrator 907 is irradiated with the pump light 911 that has passed through 905 and the probe light 912 that has been reflected by the multiplexer / demultiplexer 902, passed through the delay stage 906, and reflected by the multiplexer / demultiplexer 905.
ポンプ光９１１を機械振動子９０７に照射して機械振動子９０７を励振し、時刻ｔだけ経過した後に、プローブ光９１２を機械振動子９０７に照射し、この結果得られる反射光強度から機械振動子９０７の振動状態を測定する。この実験系では、ディレーステージ９０６を動かすことで、ポンプ光９１１とプローブ光９１２の時間間隔ｔを変え、プローブ光９１２の反射光強度を測定する。時間間隔ｔを変えて測定したデータは、図８の（ａ）または（ｂ）のように変化する。 The mechanical vibrator 907 is irradiated with the pump light 911 to excite the mechanical vibrator 907, and after a lapse of time t, the probe light 912 is irradiated onto the mechanical vibrator 907, and the mechanical vibrator is determined from the resulting reflected light intensity. The vibration state of 907 is measured. In this experimental system, by moving the delay stage 906, the time interval t between the pump light 911 and the probe light 912 is changed, and the reflected light intensity of the probe light 912 is measured. Data measured by changing the time interval t changes as shown in (a) or (b) of FIG.
しかしながら、上述したポンプ・プローブ法では、時間間隔ｔを形成するためにディレーステージ９０６を動かすことになるが、ディレーステージ９０６を動かすと、プローブ光９１２のビーム位置がずれる。例えば、時刻差を０から１ｎｓ（＝１×１０-9ｓ）まで動かす場合には、ディレーステージ９０６を（３．０×１０8）×（１×１０-9）／２＝０．１５ｍ動かさなければならない。このようにディレーステージ９０６を０．１５ｍ動かすと、プローブ光９１２とポンプ光９１１との空間的重なりが変化する。 However, in the above-described pump-probe method, the delay stage 906 is moved to form the time interval t. However, when the delay stage 906 is moved, the beam position of the probe light 912 is shifted. For example, when the time difference is moved from 0 to 1 ns (= 1 × 10 −9 s), the delay stage 906 is moved (3.0 × 10 8 ) × (1 × 10 −9 ) /2=0.15 m. There must be. When the delay stage 906 is thus moved by 0.15 m, the spatial overlap between the probe light 912 and the pump light 911 changes.
さらに、時刻差が１０ｎｓとなると、ディレーステージ９０６を１．５ｍ動かさなければならないが、距離が長くなるにつれて、プローブ光９１２のビーム位置とポンプ光９１１のビーム位置とをずらさずに動かすことは実験的に困難である。従って、ポンプ・プローブ法では、ディレーステージ９０６を動かしたときにプローブ光９１２のビーム位置がずれない程度のダイナミクスを調べるのには向いているが、１０〜１００ｎｓ程度のダイナミクスを調べるのには向いていない。 Further, when the time difference becomes 10 ns, the delay stage 906 must be moved by 1.5 m. However, as the distance becomes longer, it is an experiment to move the beam position of the probe light 912 and the beam position of the pump light 911 without shifting. Is difficult. Therefore, the pump-probe method is suitable for investigating the dynamics at which the beam position of the probe light 912 does not shift when the delay stage 906 is moved, but is suitable for examining the dynamics of about 10 to 100 ns. Not.
上述したポンプ・プローブ法では測りづらいダイナミクスを調べるのに有効な方法として、ＡＳＯＰＳ（asynchronous optical sampling）がある。これは、繰り返し周波数のわずかに異なる２台のモードロックレーザーを用意し（繰り返しはそれぞれｆrepとｆrep＋Δｆrep)、繰り返しｆrep＋Δｆrepのレーザーをポンプ光、繰り返しｆrepのレーザーをプローブ光とする。例えば、ｆrep＝９９９．９９ＭＨｚ、Δｆrep＝０．０１ＭＨｚのときの実時間におけるポンプ・プローブ光の様子を図１０に示す（非特許文献６）。 As an effective method for examining the dynamics that are difficult to measure in the above-described pump-probe method, there is ASOPS (asynchronous optical sampling). This is just two mode-locked laser that is different for the prepared (each iteration f rep and f rep + Delta] f rep) of the repetition frequency, the pump light laser repetition f rep + Delta] f rep, the probe light laser repetition f rep And For example, FIG. 10 shows pump / probe light in real time when f rep = 999.99 MHz and Δf rep = 0.01 MHz (Non-patent Document 6).
ポンプ光の繰り返しがプローブ光の繰り返しに比べてわずかに大きいため、ポンプ光とプローブ光の時刻差が時々刻々とずれる。ポンプ光は１／（ｆrep＋Δｆrep）＝１ｎｓ間隔で機械振動子に照射され、ポンプ光とプローブ光の時刻は毎回１／ｆrep−１／（ｆrep＋Δｆrep）＝１０ｆｓ（＝１０×１０-15ｓ）ずつずれる。ポンプ光とプローブ光が揃っているときを時刻０とすると、時刻５０μｓ（＝５０×１０-6ｓ）のときにポンプ光が２つのプローブ光の間に位置し、時刻１００μｓ（＝１／Δｆrep）でポンプ光とプローブ光が時間軸上で一致する。この一致する間において、プローブ光の反射光強度を所定間隔で測定することで、機械振動子の測定を行う。 Since the repetition of the pump light is slightly larger than the repetition of the probe light, the time difference between the pump light and the probe light is shifted every moment. The pump light is irradiated to the mechanical vibrator at intervals of 1 / (f rep + Δf rep ) = 1 ns, and the times of the pump light and the probe light are 1 / f rep −1 / (f rep + Δf rep ) = 10 fs (= 10 × 10 -15 s). When the time when the pump light and the probe light are aligned is time 0, the pump light is located between the two probe lights at the time 50 μs (= 50 × 10 −6 s), and the time 100 μs (= 1 / Δf In (rep ), the pump light and the probe light coincide on the time axis. During the coincidence, the mechanical vibrator is measured by measuring the reflected light intensity of the probe light at predetermined intervals.
この方法の利点は、ポンプ・プローブの時間差を変えるのにディレーステージを必要としないため、ビーム位置は常に固定される点にある。また、１００μｓ（＝１／Δｆrep）の間でポンプ・プローブ測定ができるため、短い積算時間でＳＮ比の高いプローブ光強度変化が取れる点にある。２台のレーザーはどこかの時間で一致することから、これらの同期を取る必要はなく、その意味で「asynchronous(日本語で「非同期な」)optical sampling」と呼ばれている。 The advantage of this method is that the beam position is always fixed because no delay stage is required to change the time difference between the pump and probe. Further, since the pump-probe measurement can be performed within 100 μs (= 1 / Δf rep ), the probe light intensity change with a high SN ratio can be obtained in a short integration time. Since the two lasers coincide at some time, there is no need to synchronize them, and in that sense it is called "asynchronous" (in Japanese, "asynchronous") optical sampling.
しかしながら、上述した技術では、レーザーの繰り返し周波数ｆrepを機械振動子の共振周波数ｆnに合わせることが難しいという問題がある。前述のように、機械振動子のＱ値が高い場合には、Ｑ値測定に共振周波数ｆn付近の共振スペクトルを調べる必要があるが、通常のモードロックレーザーの繰り返し周波数の可動範囲は数ＭＨｚ程度であるため、繰り返し周波数ｆrepを共振周波数ｆnに合わせることは難しい。 However, the above-described technique has a problem that it is difficult to match the laser repetition frequency f rep with the resonance frequency f n of the mechanical vibrator. As described above, when the Q value of the mechanical vibrator is high, it is necessary to examine the resonance spectrum near the resonance frequency f n for the Q value measurement, but the movable range of the repetition frequency of a normal mode-locked laser is several MHz. Therefore, it is difficult to match the repetition frequency f rep to the resonance frequency f n .
モードロックレーザーのｆrepを９９８から１００２ＭＨｚまで振ったときの機械振動子の振幅の大きさを測定し、この大きさからＱ値を求めた例もある（非特許文献７）。しかしながら、機械振動子の設計がレーザーの繰り返し周波数にあうようにしなければならず、機械振動子の固有振動数がひとたび変わると、Ｑ値測定や振動の実時間測定を得ることができない。これらのように、従来の光学的な手法では、様々な共振周波数の機械共振器を共振させることが容易ではないという問題があった。 There is also an example in which the magnitude of the amplitude of the mechanical vibrator is measured when the f rep of the mode-locked laser is swung from 998 to 1002 MHz, and the Q value is obtained from this magnitude (Non-patent Document 7). However, the design of the mechanical vibrator must match the repetition frequency of the laser, and once the natural frequency of the mechanical vibrator changes, the Q value measurement and the real time measurement of vibration cannot be obtained. As described above, the conventional optical method has a problem that it is not easy to resonate mechanical resonators having various resonance frequencies.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光学的な手法により、様々な共振周波数の機械共振器を共振させることができるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to resonate mechanical resonators having various resonance frequencies by an optical method.
本発明に係る機械振動子制御装置は、連続したレーザー光である光源光と、所望とする周波数の信号を生成する周波数発振手段と周波数発振手段で生成された信号を用いて光源光を位相変調して光パルス列を生成する位相変調手段と、位相変調手段で生成された光パルス列の強度を周波数発振手段で生成された信号を用いて変調してポンプ光を生成する強度変調手段と、ポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段とを備える。 The mechanical vibrator control device according to the present invention uses light source light that is continuous laser light, frequency oscillation means that generates a signal of a desired frequency, and phase modulation of the light source light using the signal generated by the frequency oscillation means. Phase modulating means for generating an optical pulse train, intensity modulating means for generating pump light by modulating the intensity of the optical pulse train generated by the phase modulating means using the signal generated by the frequency oscillating means, and pump light A light irradiating means for irradiating a set portion of the mechanical vibrator intended for.
上記機械振動子制御装置において、周波数発振手段が生成する周波数の信号の位相を制御する位相制御手段を備えるようにすればよい。 The mechanical vibrator control device may be provided with phase control means for controlling the phase of the frequency signal generated by the frequency oscillation means.
上記機械振動子制御装置において、連続したレーザー光であるプローブ光生成用のプローブ光源光と、周波数発振手段とは異なり、設定されただけ値小さな周波数の信号を生成するプローブ光用周波数発振手段と、プローブ光用周波数発振手段で生成された信号を用いてプローブ光源光を位相変調して光パルス列を生成するプローブ光用位相変調手段と、プローブ光用位相変調手段で生成された光パルス列の強度をプローブ光用周波数発振手段で生成された信号を用いて変調してプローブ光を生成するプローブ光用強度変調手段と、プローブ光およびポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、機械振動子を反射したプローブ光の反射光の強度を測定する光強度測定手段とを備え、光強度測定手段の測定結果は、所望とする周波数の制御にフィードバックされるようにしてもよい。 In the mechanical vibrator control device, the probe light source light for generating the probe light, which is continuous laser light, and the frequency oscillating means for the probe light that generates a signal having a frequency that is smaller by a set value than the frequency oscillating means, The phase modulation means for the probe light that generates the optical pulse train by phase-modulating the probe light source light using the signal generated by the frequency oscillation means for the probe light, and the intensity of the optical pulse train generated by the phase modulation means for the probe light The probe light intensity modulating means for generating the probe light by modulating the signal generated by the probe light frequency oscillating means, and the set point of the mechanical vibrator for the probe light and the pump light are irradiated. Measurement result of the light intensity measuring means, and a light intensity measuring means for measuring the intensity of the reflected light of the probe light reflected from the mechanical vibrator. , It may be fed back to control the frequency of a desired.
上記機械振動子制御装置において、連続したレーザー光を発生するレーザーを備え、レーザーより出力されたレーザー光を分岐して光源光およびプローブ光源光を生成するようにすればよい。 The mechanical vibrator control device may include a laser that generates continuous laser light, and may divide the laser light output from the laser to generate light source light and probe light source light.
また、強度変調手段で生成された第１偏光状態のポンプ光の偏光を９０°回転させて第２偏光状態とする偏光板と、偏光板を通過したポンプ光と、プローブ光用強度変調手段で生成された第１偏光状態のプローブ光とを合波して合波光とする合波手段と、合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、合波光が機械振動子を反射した反射光より第１偏光状態のプローブ光を取り出す偏光分離手段と、偏光分離手段で取り出されたプローブ光の強度を測定する光強度測定手段とを備えるようにしてもよい。 In addition, the polarization light of the pump light in the first polarization state generated by the intensity modulation means is rotated by 90 ° to obtain the second polarization state, the pump light that has passed through the polarization plate, and the intensity modulation means for probe light. A combining unit that combines the generated probe light in the first polarization state to generate a combined light, a light irradiation unit that irradiates a set portion of a mechanical vibrator for the combined light, and a combined light You may make it provide the polarization separation means which takes out the probe light of a 1st polarization state from the reflected light which reflected the mechanical vibrator, and the light intensity measurement means which measures the intensity | strength of the probe light taken out by the polarization separation means.
また、光源光となる第１波長の連続した第１レーザー光を発生する第１レーザーと、プローブ光源光となり、第１レーザー光とは異なる波長の連続した第２レーザー光を発生する第２レーザーと、プローブ光用強度変調手段で生成したプローブ光と、強度変調手段で生成したポンプ光とを合波して合波光とする合波手段と、合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、合波光が機械振動子を反射した反射光より第１波長のプローブ光を取り出す波長分離手段と、波長分離手段で取り出されたプローブ光の強度を測定する光強度測定手段とを備えるようにしてもよい。 Also, a first laser that generates first continuous laser light having a first wavelength as light source light, and a second laser that generates continuous second laser light having a wavelength different from that of the first laser light as probe light source light. And a combining means for combining the probe light generated by the intensity modulating means for probe light and the pump light generated by the intensity modulating means to be combined light, and a mechanical vibrator for the combined light are set. Light irradiation means for irradiating the spot, wavelength separation means for extracting the probe light of the first wavelength from the reflected light of the combined light reflected from the mechanical vibrator, and light for measuring the intensity of the probe light extracted by the wavelength separation means You may make it provide an intensity | strength measurement means.
また、本発明に係る機械振動子測定装置は、連続したレーザー光である第１光源光と、基準となる第１周波数の信号を生成する第１周波数発振手段と、第１周波数発振手段で生成された第１周波数の信号を用いて第１光源光を位相変調し、第１周波数の光パルス列を生成する第１位相変調手段と、第１位相変調手段で生成された光パルス列の強度を第１周波数の信号を用いて変調してプローブ光を生成する第１強度変調手段と、連続したレーザー光である第２光源光と、第１周波数より、設定された値だけ大きな周波数の第２周波数の信号を生成する第２周波数発振手段と、第２周波数発振手段で生成された第２周波数の信号を用いて第２光源光を位相変調し、第２周波数の光パルス列を生成する第２位相変調手段と、第２位相変調手段で生成された光パルス列の強度を第２周波数の信号を用いて変調してポンプ光を生成する第２強度変調手段と、プローブ光およびポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、機械振動子を反射したプローブ光の反射光の強度を測定する光強度測定手段とを備える。 Further, the mechanical vibrator measuring apparatus according to the present invention is generated by the first light source light that is continuous laser light, the first frequency oscillating means for generating a reference first frequency signal, and the first frequency oscillating means. The first light source light is phase-modulated using the first frequency signal thus generated to generate an optical pulse train of the first frequency, and the intensity of the optical pulse train generated by the first phase modulation means is A first intensity modulation means that modulates using a signal of one frequency to generate a probe light; a second light source light that is a continuous laser beam; and a second frequency that is larger than the first frequency by a set value. The second frequency oscillating means for generating the second signal, and the second phase for modulating the phase of the second light source light using the second frequency signal generated by the second frequency oscillating means to generate an optical pulse train of the second frequency Generated by the modulation means and the second phase modulation means. A second intensity modulating unit that modulates the intensity of the optical pulse train using a signal of the second frequency to generate pump light, and a set point of the mechanical vibrator that targets the probe light and the pump light. A light irradiating means; and a light intensity measuring means for measuring the intensity of the reflected light of the probe light reflected from the mechanical vibrator.
上記機械振動子測定装置において、連続したレーザー光を発生するレーザーを備え、 レーザーより出力されたレーザー光を分岐して第１光源光および第２光源光を生成すればよい。 The mechanical vibrator measuring device may include a laser that generates a continuous laser beam, and the laser beam output from the laser may be branched to generate the first light source light and the second light source light.
上記機械振動子測定装置において、第２強度変調手段で生成された第１偏光状態のポンプ光の偏光を９０°回転させて第２偏光状態とする偏光板と、偏光板を通過したポンプ光と、第２強度変調手段で生成された第１偏光状態のプローブ光とを合波して合波光とする合波手段と、合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、合波光が機械振動子を反射した反射光より第１偏光状態のプローブ光を取り出す偏光分離手段と、偏光分離手段で取り出されたプローブ光の強度を測定する光強度測定手段とを備えるようにしてもよい。 In the mechanical vibrator measuring apparatus, a polarizing plate which rotates the polarization of the pump light in the first polarization state generated by the second intensity modulation means by 90 ° to be in the second polarization state, and the pump light which has passed through the polarizing plate, , Light for irradiating a set portion of a mechanical vibrator that targets the combined light, and a combining means that combines the probe light in the first polarization state generated by the second intensity modulation means to be combined light Irradiation means, polarization separation means for extracting probe light in the first polarization state from reflected light of the combined light reflected by the mechanical vibrator, and light intensity measurement means for measuring the intensity of the probe light extracted by the polarization separation means You may make it prepare.
また、第１光源光となる第１波長の連続した第１レーザー光を発生する第１レーザーと、第２光源光となり、第１レーザー光とは異なる第２波長の連続した第２レーザー光を発生する第２レーザーと、第１強度変調手段で生成したプローブ光と、第２強度変調手段で生成したポンプ光とを合波して合波光とする合波手段と、合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、合波光が機械振動子を反射した反射光より第１波長のプローブ光を取り出す波長分離手段と、波長分離手段で取り出されたプローブ光の強度を測定する光強度測定手段とを備えるようにしてもよい。 In addition, a first laser that generates a first laser beam having a first wavelength as a first light source light, and a second laser beam that has a second wavelength different from the first laser beam and serves as a second light source light. A combining means for combining the generated second laser, the probe light generated by the first intensity modulating means, and the pump light generated by the second intensity modulating means to be combined light, and the combined light as a target Light irradiation means for irradiating a set portion of the mechanical vibrator, wavelength separation means for extracting the probe light of the first wavelength from the reflected light of the combined light reflected from the mechanical vibrator, and probe light extracted by the wavelength separation means And a light intensity measuring means for measuring the intensity of the light.
以上説明したことにより、本発明によれば、光学的な手法により、様々な共振周波数の機械振動子の特性測定が、容易に実施できるようになる。また、様々な共振周波数の機械共振器を共振させることができるようになる。これにより、様々や共振周波数の機械振動子の動作制御が、容易に実現できるようになる。 As described above, according to the present invention, it is possible to easily measure characteristics of mechanical vibrators having various resonance frequencies by an optical method. Further, it becomes possible to resonate mechanical resonators having various resonance frequencies. Thereby, the operation control of the mechanical vibrators having various resonance frequencies can be easily realized.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
はじめに、本発明の概念について説明する。本発明では、図１に示すように、プローブ用位相／強度変調レーザー１０１およびポンプ用位相／強度変調レーザー１０２を用いる。プローブ用位相／強度変調レーザー１０１より生成されたプローブ光と、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２より生成されたポンプ光とを、レンズなどから構成された光照射部１０３により、対象とする機械振動子１０４の設定された箇所に照射する。また、機械振動子１０４を反射したプローブ光の反射光の強度を、フォトディティクター（ＰＤ）１０５およびデジタイザー１０６などを備える光強度測定手段で測定する。また、位相制御部１０７により、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２より生成されるポンプ光の位相を制御する。 First, the concept of the present invention will be described. In the present invention, as shown in FIG. 1, a probe phase / intensity modulation laser 101 and a pump phase / intensity modulation laser 102 are used. The target mechanical vibration of the probe light generated from the probe phase / intensity modulation laser 101 and the pump light generated from the pump phase / intensity modulation laser 102 by the light irradiation unit 103 including a lens or the like. The set point of the child 104 is irradiated. Further, the intensity of the reflected light of the probe light reflected from the mechanical vibrator 104 is measured by a light intensity measuring means including a photo detector (PD) 105 and a digitizer 106. The phase control unit 107 controls the phase of the pump light generated from the pump phase / intensity modulation laser 102.
位相/強度変調レーザーは、外部のマイクロ波発振器（周波数発振手段）などより得られた周波数ｆrepの信号を用い、狭線幅ＣＷ（Continuous Wave）レーザー光の位相/強度を周波数ｆrepで変調することで、繰り返し周波数ｆrepのパルス列を生成する（非特許文献８，９，１０）。この位相/強度変調レーザーの繰り返し周波数ｆrepの可変範囲は、位相変調器・強度変調器の変調範囲で決まり、広い範囲に設定可能である。 The phase / intensity modulation laser uses a signal of frequency f rep obtained from an external microwave oscillator (frequency oscillation means), etc., and modulates the phase / intensity of narrow line width CW (Continuous Wave) laser light with frequency f rep . Thus, a pulse train having a repetition frequency f rep is generated (Non-Patent Documents 8, 9, and 10). The variable range of the repetition frequency f rep of the phase / intensity modulation laser is determined by the modulation range of the phase modulator / intensity modulator and can be set to a wide range.
位相／強度変調レーザーは、狭線幅の連続したレーザー光である光源光を発生するレーザーダイオードと、位相変調器と、強度変調器とで構成される（非特許文献８，９）。外部からのマイクロ波発信器より得られる周波数ｆrepの電圧を、位相変調器および強度変調器に印加することで、レーザーダイオードから発生するレーザー光の位相・強度を制御し、レーザーダイオードの中心周波数（ｆ0＝ω0／２π）から整数倍のｆrep離れたところにサイドバンドを作る。これにより、図２の（ａ）に示すような、等しい周波数間隔ｆrepで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体である光周波数コムが生成できる。この光周波数コムは、図２の（ｂ）に示すように、「光搬送波包絡線」に示すような時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ（繰り返し周波数がｆrepの）パルス電場となるため、機械振動子測定のためのポンプ光およびプローブ光として利用できる。 The phase / intensity modulated laser is composed of a laser diode that generates light source light that is continuous laser light having a narrow line width, a phase modulator, and an intensity modulator (Non-Patent Documents 8 and 9). By applying a voltage f rep voltage obtained from an external microwave transmitter to the phase modulator and intensity modulator, the phase and intensity of the laser light generated from the laser diode are controlled, and the center frequency of the laser diode is controlled. A side band is formed at a position separated by an integral multiple of f rep from (f 0 = ω 0 / 2π). As a result, an optical frequency comb that is an aggregate of a large number of modes (line spectra) arranged in a comb shape at equal frequency intervals f rep can be generated as shown in FIG. As shown in FIG. 2B, the optical frequency combs are pulse electric fields arranged at the same time interval T (repetition frequency is f rep ) on the time axis as shown in “optical carrier envelope”. It can be used as pump light and probe light for measuring mechanical vibrators.
プローブ用位相／強度変調レーザー１０１では、レーザーダイオードより発生するレーザー光の位相および強度を、周波数ｆrepで変調することで、繰り返し周波数ｆrepの光コムを生成し、これをプローブ光とする。また、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２では、レーザーダイオードより発生するレーザー光の位相および強度を周波数ｆrep＋Δｆrepで変調させることで、繰り返し周波数ｆrep＋Δｆrepの光コムを生成し、これをポンプ光とする。 The probe phase / intensity modulation laser 101 modulates the phase and intensity of the laser light generated from the laser diode with the frequency f rep , thereby generating an optical comb having the repetition frequency f rep , which is used as the probe light. The pump phase / intensity modulation laser 102 modulates the phase and intensity of the laser light generated from the laser diode with the frequency f rep + Δf rep to generate an optical comb having a repetition frequency f rep + Δf rep. Use pump light.
次に、位相変調器および強度変調器について説明する。位相変調器により光の位相を周波数ｆrepで振動させたときの光の電場は、非特許文献８より、ベッセル関数Ｊq（ｘ）を用いて以下の式（１）として表すことができる。 Next, a phase modulator and an intensity modulator will be described. From Non-Patent Document 8, the electric field of light when the phase of light is oscillated with the frequency f rep by the phase modulator can be expressed as the following equation (1) using the Bessel function J q (x).
式（１）において、ｑは整数である。これは、レーザーダイオードより発生するレーザー光の中心周波数ｆ0（＝ω0／２π）から周波数qｆrepだけ離れた光の電場が、Ｅ0Ｊq（Δθ）であることを示していて、全体として光コムを形成している。 In Formula (1), q is an integer. This indicates that the electric field of the light separated by the frequency qf rep from the center frequency f 0 (= ω 0 / 2π) of the laser light generated from the laser diode is E 0 J q (Δθ). As an optical comb.
このままでもパルス電場が生成するが、強度変調器によりアップチャープ部分を取り除くことよって、パルス波形に出てくるＤＣ成分を取り除くことができる（非特許文献９，１０）。 Although the pulse electric field is generated as it is, the DC component appearing in the pulse waveform can be removed by removing the up-chirp portion by the intensity modulator (Non-Patent Documents 9 and 10).
上述したように、位相変調器と強度変調器と用いることにより、繰り返し周波数ｆrepの光コムが生成できる。さらに余計なウイングを取り除くために光学フィルターなどを用いることもある（非特許文献１０）。 As described above, an optical comb having a repetition frequency f rep can be generated by using the phase modulator and the intensity modulator. Further, an optical filter or the like may be used to remove extra wings (Non-patent Document 10).
上述したように生成できる光コムの周波数ｆrepを、機械振動子の共振周波数ｆn付近に持っていくことができれば、機械振動子を共振させることができる。 If the frequency f rep of the optical comb that can be generated as described above can be brought near the resonance frequency f n of the mechanical vibrator, the mechanical vibrator can be resonated.
上述した構成により、まず、機械振動子の特性評価が実施できるようになる。機械振動子のｎ次モード共振周波数ｆnと、共振周波数ｆn付近の共振スペクトルを求めることにより、実時間振動情報のみでは測定が困難な機械振動子に対しても、Ｑ値測定が行える。 With the above-described configuration, first, it becomes possible to evaluate the characteristics of the mechanical vibrator. By obtaining the n-order mode resonance frequency f n of the mechanical vibrator and the resonance spectrum in the vicinity of the resonance frequency f n , the Q value can be measured even for a mechanical vibrator that is difficult to measure using only real-time vibration information.
また、機械振動子の振動状態を所望とする状態に制御できるようになる。機械振動子の位相制御、および振動のＯＮ・ＯＦＦ制御が行える。 In addition, the vibration state of the mechanical vibrator can be controlled to a desired state. Phase control of mechanical vibrators and vibration ON / OFF control can be performed.
まず、特性評価について説明する。プローブ用位相／強度変調レーザー１０１より生成するプローブ光の繰り返し周波数をｆrepとし、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２より生成するポンプ光の繰り返し周波数をｆrep＋Δｆrepとする。ＰＤ１０５では、プローブ光の反射光強度のみを検出する。また、ＰＤ１０５で光電変換された信号より、デジタイザー１０６で電圧を読みだす。プローブ光の反射光強度は、機械振動子１０４の共振条件にあえば強く振動するが、これ以外の条件ではほとんど振動しない。 First, characteristic evaluation will be described. The repetition frequency of the probe light generated from the probe phase / intensity modulation laser 101 is f rep, and the repetition frequency of the pump light generated from the pump phase / intensity modulation laser 102 is f rep + Δf rep . The PD 105 detects only the reflected light intensity of the probe light. Also, the voltage is read by the digitizer 106 from the signal photoelectrically converted by the PD 105. The reflected light intensity of the probe light vibrates strongly under the resonance condition of the mechanical vibrator 104, but hardly vibrates under other conditions.
上述した測定状態で、外部のマイクロ波発振器による周波数ｆrepを順次変化させていきながら、プローブ光反射光強度を測定する。機械振動子１０４の共振周波数ｆnにあうまで周波数ｆrepを変化させることができれば、機械振動子１０４のｎ次の固有振動数に対する共振スペクトルを得ることができ、これにより、機械振動子１０４のＱ値を決定することができる。 In the measurement state described above, the probe light reflected light intensity is measured while sequentially changing the frequency f rep by the external microwave oscillator. If the frequency f rep can be changed until the resonance frequency f n of the mechanical vibrator 104 is met , a resonance spectrum for the n-th natural frequency of the mechanical vibrator 104 can be obtained. The Q value can be determined.
対象とする機械振動子１０４の共振周波数ｆnに、ｆrepを合わせるもう１つの方法は、光コムであるプローブ光およびポンプ光より、所定の間隔でコムを間引くことで、繰り返し周波数をｆrep／ｎ（ｎは自然数）に落とす方法がある。この方法を光ゲートと呼んでいる。位相／変調レーザーの繰り返し周波数が低い場合には、単純に低い周波数を位相・強度変調器に印加するよりも、光ゲートを用いる方が、ポンプ光およびプローブ光の短パルス発生ができる。これにより、広い周波数範囲で様々な機械振動子の共振周波数の共振スペクトルを求めることが可能である。 Another method for adjusting f rep to the resonance frequency f n of the target mechanical vibrator 104 is to thin out the comb at a predetermined interval from the probe light and pump light, which are optical combs, so that the repetition frequency is set to f rep. There is a method of reducing to / n (n is a natural number). This method is called an optical gate. When the repetition frequency of the phase / modulated laser is low, it is possible to generate short pulses of pump light and probe light by using an optical gate rather than simply applying a low frequency to the phase / intensity modulator. Thereby, it is possible to obtain resonance spectra of resonance frequencies of various mechanical vibrators in a wide frequency range.
また、ポンプ光とプローブ光とを、個別の光路で機械振動子に照射するようにしてもよいが、これらを合波して同一の光路（同軸）で機械振動子に照射することも可能である。例えば、プローブ光の偏光状態とポンプ光の偏光状態とを互いに９０°異なる状態で合波して機械振動子に照射し、反射光より一方の偏光状態を取り出すことで、プローブ光を取り出すようにすればよい。また、プローブ光の波長をポンプ光の波長とは異なる状態で合波して機械振動子に照射し、反射光より一方の波長を取り出すことで、プローブ光を取り出すようにすればよい。 In addition, the pump light and the probe light may be irradiated to the mechanical vibrator through separate optical paths, but it is also possible to combine them and irradiate the mechanical vibrator through the same optical path (coaxial). is there. For example, the probe light and the polarization state of the pump light are combined at 90 degrees different from each other, irradiated to the mechanical vibrator, and one of the polarization states is extracted from the reflected light so that the probe light is extracted. do it. Further, the probe light may be extracted by combining the wavelength of the probe light different from the wavelength of the pump light, irradiating the mechanical vibrator, and extracting one wavelength from the reflected light.
次に、この測定方法の時間分解能について述べる。この測定でどれくらいの時間分解能が必要であるのかについては、どのくらいの振動成分を取りだすのかによる。フーリエ変換によりパルス幅１００ｆｓで５ＴＨｚ、パルス幅１ｐｓで５００ＧＨｚまでの振動成分を抽出することが可能である。時間分解能を決めるのは、パルスレーザーのパルス幅とタイミング・ジッターによる。パルス幅は、光周波数コムの波長軸上での広がり方に依存し、どのくらい広がるのかは位相変調の深さに依存する。パルス幅ｔと位相変調深さΔθ、繰り返し周波数ｆrepとの関係式は「τ〜０．７／（２Δθｆrep）・・・（２）」で表される（非特許文献８）。なお、位相変調の深さΔθは式（１）にも現れている。 Next, the time resolution of this measurement method will be described. How much time resolution is required for this measurement depends on how much vibration component is extracted. It is possible to extract vibration components up to 5 THz with a pulse width of 100 fs and up to 500 GHz with a pulse width of 1 ps by Fourier transform. The time resolution is determined by the pulse width and timing jitter of the pulse laser. The pulse width depends on how the optical frequency comb spreads on the wavelength axis, and how much the pulse width depends on the phase modulation depth. The relational expression between the pulse width t, the phase modulation depth Δθ, and the repetition frequency f rep is expressed by “τ˜0.7 / (2Δθf rep ) (2)” (Non-patent Document 8). The phase modulation depth Δθ also appears in the equation (1).
例えば、繰り返し周波数をｆrep＝１ＧＨｚとすると、Δθ＝１０００πのときのパルス幅ｔは１００ｆｓ、Δθ＝１００πのときのパルス幅ｔは１ｐｓである。また、繰り返し周波数ｆrep＝１０ＧＨｚなどと速くした後に、光ゲートなどによって時間軸上で１０本に１本だけコムを取り出すことによって、パルス幅を狭くする方法もある。この場合、Δθ＝１００πのときのパルス幅ｔは１００ｆｓ、Δθ＝１０πのときのパルス幅ｔは１ｐｓである。これにより、変調深さがそれほど大きくない位相変調器に対してもパルス幅の狭い光コムを生成することが可能である。 For example, if the repetition frequency is f rep = 1 GHz, the pulse width t when Δθ = 1000π is 100 fs, and the pulse width t when Δθ = 100π is 1 ps. There is also a method of narrowing the pulse width by increasing the repetition frequency f rep = 10 GHz or the like and then extracting only one comb out of 10 on the time axis by an optical gate or the like. In this case, the pulse width t when Δθ = 100π is 100 fs, and the pulse width t when Δθ = 10π is 1 ps. As a result, it is possible to generate an optical comb having a narrow pulse width even for a phase modulator whose modulation depth is not so large.
時間分解能を決めるもう１つの要因は、レーザーのタイミング・ジッターである。タイミング・ジッターとは、時間領域において単一周期で繰り返される理想波形に対する実際の波形のずれを表す。タイミング・ジッターの指標の１つであるＲＭＳジッターは、パルスレーザーの位相ノイズを測定することによって決まる。図３に位相ノイズ測定例を示す。ここでは、計算を簡単にするため、位相ノイズを１０ｋＨｚから２ＧＨｚまで−１５０ｄＢｃで一様に広がっているものと仮定している。 Another factor that determines time resolution is laser timing jitter. Timing jitter represents a deviation of an actual waveform from an ideal waveform repeated in a single period in the time domain. RMS jitter, which is one of the indicators of timing jitter, is determined by measuring the phase noise of a pulse laser. FIG. 3 shows an example of phase noise measurement. Here, in order to simplify the calculation, it is assumed that the phase noise spreads uniformly from −10 dB to 2 GHz at −150 dBc.
発生させた光周波数コムの位相ノイズが、−１５０ｄＢｃ／Ｈｚで１０ｋＨｚから２ＧＨｚまで広がっていたとする。このときの積分した位相ノイズＡは、−５７ｄＢｃ（＝−１５０ｄＢｃ＋１０ｌｏｇ10［２０００×１０6−０．０１×１０6］）である（非特許文献１１）。 It is assumed that the phase noise of the generated optical frequency comb spreads from 10 kHz to 2 GHz at −150 dBc / Hz. The integrated phase noise A at this time is −57 dBc (= −150 dBc + 10 log 10 [2000 × 10 6 −0.01 × 10 6 ]) (Non-patent Document 11).
ＲＭＳジッター（RMS Phase Jitter）は、次の式（３）で定義される。 The RMS jitter (RMS Phase Jitter) is defined by the following equation (3).
例えば、ｆrepを１ＧＨｚとするとＲＭＳジッターは、３１８ｆｓである。 For example, if f rep is 1 GHz, the RMS jitter is 318 fs.
次に、機械振動子の振動状態の制御について説明する。機械振動子の振動振幅および位相制御、また、振動のオンオフが制御できる。まず、振動振幅は、ポンプ光の光強度を変えれば良いだけで、自明である。 Next, control of the vibration state of the mechanical vibrator will be described. The vibration amplitude and phase of the mechanical vibrator can be controlled, and the vibration on / off can be controlled. First, the vibration amplitude is obvious only by changing the light intensity of the pump light.
以下では、位相制御およびオンオフについて説明する。これらの制御は、機械振動子１０４の共振周波数付近で、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２にかける正弦波ｆrepの位相を、位相制御部１０７によりある時刻で変えることで実施可能である。なお、機械振動子１０４の制御の場合、プローブ用位相／強度変調レーザー１０１、ＰＤ１０５、デジタイザー１０６などの測定系はなくてもよい。ただし、これら測定系を用い、測定結果を位相制御部１０７にフィードバックして制御を実施してもよい。一方、前述した測定の場合、位相制御部１０７はなくてもよい。 Hereinafter, phase control and on / off will be described. These controls can be performed by changing the phase of the sine wave f rep applied to the pump phase / intensity modulation laser 102 at a certain time around the resonance frequency of the mechanical vibrator 104. In the case of controlling the mechanical vibrator 104, there may be no measurement system such as the probe phase / intensity modulation laser 101, the PD 105, and the digitizer 106. However, control may be performed by using these measurement systems and feeding back the measurement results to the phase control unit 107. On the other hand, in the case of the measurement described above, the phase control unit 107 may not be provided.
まず、振動の位相制御は、振動ＯＮの状態から、図４の（ａ）に示すように、照射するポンプ光の位相をφだけずらす。これを実現するためには、例えば位相制御部１０７を用い、ポンプ用位相／強度変調レーザー１０２の位相変調器および強度変調器に印加する電圧（マイクロ波）の周波数の位相を、ある時刻ｔ0でφだけずらす。言い換えると、マイクロ波波形をＡｃｏｓ（ωｔ）（ｔ＜ｔ0）からＡｃｏｓ（ωｔ＋φ）（ｔ＞ｔ0）とする。これにより、機械振動子１０４の振幅は１度減衰し、再度増幅するが、最終的には一定強度で位相がφだけずれた振動状態に移る。このように、ｆrepの位相を変えることで、機械振動子１０４の位相制御が可能となる。 First, in the vibration phase control, as shown in FIG. 4A, the phase of the pump light to be irradiated is shifted by φ from the vibration ON state. In order to realize this, for example, using the phase control unit 107, the phase of the pump phase / intensity modulation laser 102 and the phase of the frequency of the voltage (microwave) applied to the intensity modulator are set at a certain time t 0. Shift by φ. In other words, the microwave waveform is changed from Acos (ωt) (t <t 0 ) to Acos (ωt + φ) (t> t 0 ). As a result, the amplitude of the mechanical vibrator 104 is attenuated once and amplified again, but finally, the vibration state is shifted to a vibration state in which the phase is shifted by φ with a constant intensity. As described above, the phase of the mechanical vibrator 104 can be controlled by changing the phase of f rep .
次に、オンオフ制御について、図４の（ｂ）を用いて説明する。まず、振動ＯＮの状態から照射するポンプ光の位相をある時刻ｔ0からｔ1でπだけずらす。これを実現するためには、マイクロ波波形をＡｃｏｓ（ωｔ）（ｔ＜ｔ0）の状態からＡｃｏｓ（ωｔ＋π）（ｔ0＜ｔ＜ｔ1）の状態とする。これにより、機械振動子１０４には時刻ｔ0までの強制振動とは反対方向の力が加わり、機械振動子１０４の振幅が落ちる。振幅がゼロ付近になる時刻ｔ1で、機械振動子１０４の励振をやめると、振動ＯＦＦの状態が実現できる。 Next, on / off control will be described with reference to FIG. First, the phase of the pump light irradiated from the vibration ON state is shifted by π from a certain time t 0 to t 1 . In order to realize this, the microwave waveform is changed from the state of Acos (ωt) (t <t 0 ) to the state of Acos (ωt + π) (t 0 <t <t 1 ). As a result, a force in the direction opposite to the forced vibration up to time t 0 is applied to the mechanical vibrator 104, and the amplitude of the mechanical vibrator 104 decreases. When the excitation of the mechanical vibrator 104 is stopped at time t 1 when the amplitude is close to zero, a vibration OFF state can be realized.
さらに、振幅がゼロ付近になったところで、小さい振幅の振動をしばらく与えることもできる。これを実現するためには、マイクロ波波形をＢｃｏｓ（ωｔ＋π）（ｔ1＜ｔ＜ｔ2）とする。これにより、振動振幅をさらに速く抑えることができる。このようなオンオフ制御は、機械振動子１０４の自然減衰による励振ＯＦＦに比べると、格段に速く振動を止めることができる。 Furthermore, when the amplitude becomes close to zero, vibration with a small amplitude can be given for a while. In order to realize this, the microwave waveform is set to Bcos (ωt + π) (t 1 <t <t 2 ). Thereby, the vibration amplitude can be suppressed even faster. Such on / off control can stop vibration much faster than the excitation OFF due to natural damping of the mechanical vibrator 104.
次に、機械振動子の制御について、機械振動子の運動シミュレーションを実施した結果について説明する。以下では、図５に示すように、質量ｍの機械振動子５０１に、バネ５０２およびダンパー５０３が接続された系としてシミュレーションを実施した。この系の運動方程式は、機械振動子５０１の中心位置からの変位をｘ、固有振動数をω0、外力Ｆ（ｔ）＝ｍｆ（ｔ）として、以下の式（４）として示すことができる。 Next, a result of performing a motion simulation of the mechanical vibrator will be described regarding the control of the mechanical vibrator. In the following, as shown in FIG. 5, the simulation was performed as a system in which a spring 502 and a damper 503 were connected to a mechanical vibrator 501 having a mass m. The equation of motion of this system can be expressed as the following equation (4), where x is the displacement from the center position of the mechanical vibrator 501, the natural frequency is ω 0 , and the external force F (t) = mf (t). .
ω0＝２π×１０9、Ｑ＝５０とし、初期条件ｘ（０）＝０，ｖ（０）＝０で、ｆ（ｔ）を機械振動子の位相制御およびＯＦＦ制御の各々の場合で与えたときの、時刻ｔにおける変位ｘ（ｔ）を４次のＲｕｎｇｅ−Ｋｕｔｔａ法で計算した。 ω 0 = 2π × 10 9 , Q = 50, initial condition x (0) = 0, v (0) = 0, and f (t) is given in each case of phase control and OFF control of the mechanical vibrator The displacement x (t) at time t was calculated by the fourth-order Runge-Kutta method.
位相制御においては、時刻０から２００ｎｓまで共振周波数と同じ周期でポンプ光を照射し、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、時刻２００から４００ｎｓまでポンプ光の周期を半周期ずらしたとき［１］と、ずらさなかったとき［２］の機械振動子変位ｘを計算し、両者を比較した。図７の（ａ）は、時刻０から４００ｎｓまでの機械振動子変位を表す。図７の（ａ）に示すように、ｔ＝２００ｎｓでポンプ光の周期をπずらすと、振動子振幅強度は、［１］で示す時刻２１０ｎｓまで減少してゼロになり、再び増加して定常状態に落ち着く。 In the phase control, the pump light is irradiated with the same period as the resonance frequency from time 0 to 200 ns, and the period of the pump light is shifted by a half period from time 200 to 400 ns, as shown in FIGS. The mechanical vibrator displacement x was calculated for [1] when it was measured and [2] when it was not shifted, and the two were compared. (A) of FIG. 7 represents the mechanical vibrator displacement from time 0 to 400 ns. As shown in FIG. 7A, when the period of the pump light is shifted by π at t = 200 ns, the vibrator amplitude intensity decreases to time 210 ns shown in [1], becomes zero, increases again, and becomes steady. Settle down.
また、時刻３００から３１０ｎｓまでの機械振動子変位を図７の（ｂ）に示す。図７の（ｂ）において、［１］と［２］との比較より、ポンプ光の周期をπずらすと、変位が逆転していることがわかる。同様にポンプ光のタイミングをφだけずらすと、位相がずらした量だけシフトする。これらのことより、ポンプ光のタイミングを変えることにより位相シフトが実現できることがわかる。 Further, the mechanical vibrator displacement from the time 300 to 310 ns is shown in FIG. In FIG. 7B, it can be seen from the comparison between [1] and [2] that the displacement is reversed when the period of the pump light is shifted by π. Similarly, if the timing of the pump light is shifted by φ, the phase is shifted by an amount shifted. From these, it can be seen that the phase shift can be realized by changing the timing of the pump light.
ＯＦＦ制御においては、時刻０から２００ｎｓまで共振周波数と同じ周期でポンプ光を当て、図７の（ｃ）に示すように、時刻２００ｎｓからポンプ光を切ったとき［３］と、時刻２００から２１０ｎｓまでポンプ光の周期を半周期ずらしたとき［４］と、時刻２００から２１０ｎｓまでポンプ光の周期を半周期ずらし、時刻２１０から２１８ｎｓまでポンプ光の周期を半周期ずらしてパワーを１／１０にしたとき［５］の機械振動子変位ｘを計算し、これらを比較した。 In the OFF control, the pump light is applied at the same period as the resonance frequency from time 0 to 200 ns, and as shown in FIG. 7C, when the pump light is turned off from time 200 ns [3] and from time 200 to 210 ns. [4], the pump light cycle is shifted by a half cycle from time 200 to 210 ns, and the pump light cycle is shifted by a half cycle from time 210 to 218 ns to reduce the power to 1/10. Then, the mechanical oscillator displacement x of [5] was calculated and compared.
ポンプ光を切った場合［３］に比べて、ポンプ光の周期を半周期ずらした場合［４］、およびポンプ光の周期を半周期ずらしてパワーを減らした場合［５］の方が振動の減衰が速くなることがわかる。これらのことは、機械振動子の振幅が０になるまで、ポンプ光の周期を半周期ずらすことが効果的であることを意味している。 When the pump light is turned off [3], the pump light cycle is shifted by half a cycle [4], and when the pump light cycle is shifted by a half cycle and the power is reduced [5] It turns out that attenuation becomes quick. These means that it is effective to shift the period of the pump light by half a period until the amplitude of the mechanical vibrator becomes zero.
次に、機械振動子測定装置について実施例を用いてより詳細に説明する。 Next, the mechanical vibrator measuring apparatus will be described in more detail using examples.
［実施例１］
はじめに、実施例１について、図７Ａを用いて説明する。図７Ａは、実施例１における機械振動子測定装置の構成を示す構成図である。この機械振動子測定装置は、光源７０１，第１周波数発振器７０２，第１位相変調器７０３，第１強度変調器７０４，第２周波数発振器７０５，第２位相変調器７０６，第２強度変調器７０７，光照射機構７０８，フォトディティクター（ＰＤ）７０９，およびデジタイザー７１０を備える。
[Example 1]
First, Example 1 will be described with reference to FIG. 7A. FIG. 7A is a configuration diagram illustrating a configuration of the mechanical vibrator measuring apparatus according to the first embodiment. This mechanical vibrator measuring apparatus includes a light source 701, a first frequency oscillator 702, a first phase modulator 703, a first intensity modulator 704, a second frequency oscillator 705, a second phase modulator 706, and a second intensity modulator 707. , A light irradiation mechanism 708, a photo detector (PD) 709, and a digitizer 710.
光源７０１は、連続したレーザー光である光源光を生成する。光源７０１より生成された光源光は、ビームスプリッタ７１１を直進し、第１光源光として第１位相変調器７０３に入射する。第１周波数発振器７０２は、基準となる第１周波数（ｆrep）の信号を生成する。第１位相変調器７０３は、第１周波数発振器７０２で生成された第１周波数の信号を用いて第１光源光を位相変調し、第１周波数の光パルス列を生成する。第１強度変調器７０４は、第１位相変調器７０３で生成された光パルス列の強度を第１周波数の信号を用いて変調してプローブ光を生成する。 The light source 701 generates light source light that is continuous laser light. The light source light generated from the light source 701 travels straight through the beam splitter 711 and enters the first phase modulator 703 as the first light source light. The first frequency oscillator 702 generates a signal having a reference first frequency (f rep ). The first phase modulator 703 phase-modulates the first light source light using the first frequency signal generated by the first frequency oscillator 702 to generate an optical pulse train having the first frequency. The first intensity modulator 704 modulates the intensity of the optical pulse train generated by the first phase modulator 703 using the first frequency signal to generate probe light.
また、光源７０１より生成された第１光源光は、ビームスプリッタ７１１で分岐され、ミラー７１２で反射し、連続したレーザー光である第２光源光として第２位相変調器７０６に入射する。第２周波数発振器７０５は、上記第１周波数より、設定された値（Δｆrep）だけ大きな周波数（ｆrep＋Δｆrep）の第２周波数の信号を生成する。第２位相変調器７０６は、第２周波数発振器７０５で生成された第２周波数の信号を用いて第２光源光を位相変調し、第２周波数の光パルス列を生成する。第２強度変調器７０７は、第２位相変調器７０６で生成された光パルス列の強度を第２周波数の信号を用いて変調してポンプ光を生成する。 The first light source light generated from the light source 701 is branched by the beam splitter 711, reflected by the mirror 712, and enters the second phase modulator 706 as the second light source light that is continuous laser light. The second frequency oscillator 705 generates a second frequency signal having a frequency (f rep + Δf rep ) that is larger than the first frequency by a set value (Δf rep ). The second phase modulator 706 uses the second frequency signal generated by the second frequency oscillator 705 to phase modulate the second light source light to generate a second frequency optical pulse train. The second intensity modulator 707 modulates the intensity of the optical pulse train generated by the second phase modulator 706 using the second frequency signal to generate pump light.
以上のようにして生成されたプローブ光およびポンプ光は、レンズなどから構成された光照射機構７０８により、対象とする機械振動子７５１の設定された箇所に照射される。また、照射されて機械振動子７５１を反射したポンプ光の反射光の強度が、ＰＤ７０９で検出され、ＰＤ７０９で光電変換された信号より、デジタイザー７１０で電圧を読みだす。 The probe light and the pump light generated as described above are irradiated to a set position of the target mechanical vibrator 751 by a light irradiation mechanism 708 including a lens or the like. Further, the intensity of the reflected light of the pump light irradiated and reflected from the mechanical vibrator 751 is detected by the PD 709, and the voltage is read by the digitizer 710 from the signal photoelectrically converted by the PD 709.
第１周波数発振器７０２が生成する信号の第１周波数および第２周波数発振器７０５が生成する信号の第２周波数を順次変化させ、デジタイザー７１０で読み出される電圧の変化を観察する。機械振動子７５１の共振周波数にあうまで、ｆrepを変化させて第１周波数および第２周波数を変化させることで、読み出される電圧変化により、機械振動子７５１のｎ次の固有振動数に対する共振スペクトルを得ることができ、これにより、機械振動子７５１のＱ値を決定することができる。 The first frequency of the signal generated by the first frequency oscillator 702 and the second frequency of the signal generated by the second frequency oscillator 705 are sequentially changed, and a change in voltage read by the digitizer 710 is observed. By changing f rep and changing the first frequency and the second frequency until the resonance frequency of the mechanical vibrator 751 is met, the resonance spectrum of the mechanical vibrator 751 with respect to the n-th natural frequency is changed due to the change in voltage read. Thus, the Q value of the mechanical vibrator 751 can be determined.
［実施例２］
次に、実施例２について、図７Ｂを用いて説明する。図７Ｂは、実施例２における機械振動子測定装置の構成を示す構成図である。この機械振動子測定装置は、光源７０１，第１周波数発振器７０２，第１位相変調器７０３，第１強度変調器７０４，第２周波数発振器７０５，第２位相変調器７０６，第２強度変調器７０７，光照射機構７０８，フォトディティクター（ＰＤ）７０９，およびデジタイザー７１０を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
[Example 2]
Next, Example 2 will be described with reference to FIG. 7B. FIG. 7B is a configuration diagram illustrating a configuration of the mechanical vibrator measuring apparatus according to the second embodiment. This mechanical vibrator measuring apparatus includes a light source 701, a first frequency oscillator 702, a first phase modulator 703, a first intensity modulator 704, a second frequency oscillator 705, a second phase modulator 706, and a second intensity modulator 707. , A light irradiation mechanism 708, a photo detector (PD) 709, and a digitizer 710. These configurations are the same as those in the first embodiment.
実施例２では、ポンプ光とプローブ光とを同じ光路（同軸）で機械振動子７５１に照射するために、偏光ビームスプリッタ７１３，ミラー７１４，偏光板７１５，偏光ビームスプリッタ７１６を備える。 In the second embodiment, a polarizing beam splitter 713, a mirror 714, a polarizing plate 715, and a polarizing beam splitter 716 are provided to irradiate the mechanical vibrator 751 with the pump light and the probe light through the same optical path (coaxial).
実施例２において、第１強度変調器７０４で生成された第１偏光状態（例えばＰ波）のプローブ光は、偏光ビームスプリッタ７１３を直進する。一方、第２強度変調器７０７で生成された第１偏光状態のポンプ光は、ミラー７１４を反射して偏光板７１５により偏光を９０°回転させられて第２偏光状態（例えばＳ波）とされ、偏光ビームスプリッタ７１３でプローブ光に合波される。 In the second embodiment, the probe light in the first polarization state (for example, P wave) generated by the first intensity modulator 704 travels straight through the polarization beam splitter 713. On the other hand, the pump light in the first polarization state generated by the second intensity modulator 707 is reflected by the mirror 714 and rotated by 90 ° by the polarizing plate 715 to be in the second polarization state (for example, S wave). The beam is combined with the probe light by the polarization beam splitter 713.
以上のようにして合波された互いに偏光状態が異なるプローブ光およびポンプ光は、光照射機構７０８により、対象とする機械振動子７５１の設定された箇所に照射される。このようにして照射されて機械振動子７５１を反射したプローブ光およびポンプ光は、偏光ビームスプリッタ７１６により、分波される。偏光ビームスプリッタ７１６では、第１偏光状態の光が直進し、第２偏光状態の光が分岐される。また、偏光ビームスプリッタ７１６を直進した光が、ＰＤ７０９で検出される。従って、第１偏光状態のプローブ光が、偏光ビームスプリッタ７１６を直進してＰＤ７０９で検出される。このようにしてＰＤ７０９で光電変換された信号より、デジタイザー７１０で電圧が読みだされる。 The probe light and the pump light having different polarization states combined as described above are irradiated to a set position of the target mechanical vibrator 751 by the light irradiation mechanism 708. The probe light and the pump light that are irradiated in this way and reflected from the mechanical vibrator 751 are demultiplexed by the polarization beam splitter 716. In the polarization beam splitter 716, the light in the first polarization state travels straight, and the light in the second polarization state is branched. Further, light that travels straight through the polarization beam splitter 716 is detected by the PD 709. Accordingly, the probe light in the first polarization state travels straight through the polarization beam splitter 716 and is detected by the PD 709. The voltage is read out by the digitizer 710 from the signal photoelectrically converted by the PD 709 in this way.
実施例２においても、第１周波数発振器７０２が生成する信号の第１周波数および第２周波数発振器７０５が生成する信号の第２周波数を順次変化させ、デジタイザー７１０で読み出される電圧の変化を観察する。機械振動子７５１の共振周波数にあうまで第２周波数を変化させることで、読み出される電圧変化により、機械振動子７５１のｎ次の固有振動数に対する共振スペクトルを得ることができ、これにより、機械振動子７５１のＱ値を決定することができる。 Also in the second embodiment, the first frequency of the signal generated by the first frequency oscillator 702 and the second frequency of the signal generated by the second frequency oscillator 705 are sequentially changed, and the change in the voltage read by the digitizer 710 is observed. By changing the second frequency until the resonance frequency of the mechanical vibrator 751 is met, a resonance spectrum with respect to the n-th natural frequency of the mechanical vibrator 751 can be obtained by the voltage change that is read out. The Q value of the child 751 can be determined.
前述した実施例１の構成では、ポンプ光とプローブ光とを、異なる光路で機械振動子７５１に照射するため、機械振動子７５１が微小になるほど、反射したプローブ光のみを取り出すことが困難になる。これに対し、実施例２のように、ポンプ光とプローブ光とを合波して同じ光路で機械振動子７５１に照射し、同じ光路で反射した合波光よりプローブ光のみを取り出すようにすることで、より微小な機械振動子７５１に対応させることが容易となる。 In the configuration of the first embodiment described above, the pump light and the probe light are irradiated to the mechanical vibrator 751 through different optical paths. Therefore, the smaller the mechanical vibrator 751 is, the more difficult it is to extract only the reflected probe light. . On the other hand, as in the second embodiment, the pump light and the probe light are combined and irradiated to the mechanical vibrator 751 through the same optical path, and only the probe light is extracted from the combined light reflected through the same optical path. Thus, it becomes easy to correspond to a finer mechanical vibrator 751.
［実施例３］
次に、実施例３について、図７Ｃを用いて説明する。図７Ｃは、実施例３における機械振動子測定装置の構成を示す構成図である。この機械振動子測定装置は、光源（第１レーザー）７０１，第１周波数発振器７０２，第１位相変調器７０３，第１強度変調器７０４，第２周波数発振器７０５，第２位相変調器７０６，第２強度変調器７０７，光照射機構７０８，フォトディティクター（ＰＤ）７０９，およびデジタイザー７１０を備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。
[Example 3]
Next, Example 3 will be described with reference to FIG. 7C. FIG. 7C is a configuration diagram illustrating the configuration of the mechanical vibrator measuring device according to the third embodiment. This mechanical vibrator measuring apparatus includes a light source (first laser) 701, a first frequency oscillator 702, a first phase modulator 703, a first intensity modulator 704, a second frequency oscillator 705, a second phase modulator 706, and a second phase modulator 706. A two-intensity modulator 707, a light irradiation mechanism 708, a photo detector (PD) 709, and a digitizer 710 are provided. These configurations are the same as those in the first embodiment.
実施例３では、ポンプ光とプローブ光とを同じ光路（同軸）で機械振動子７５１に照射するために、光源（第２レーザー）７１７，ビームスプリッタ７１８，ミラー７１９，光学フィルター（波長分離手段）７２０を備える。光源７１７は、光源７０１が発生する第１波長の第１レーザー光とは、波長が異なる第２波長の連続した第２レーザー光を発生する。また、光学フィルター７２０は、第１波長の光を透過し、第２波長の光を反射する。 In the third embodiment, in order to irradiate the mechanical vibrator 751 with the pump light and the probe light along the same optical path (coaxial), a light source (second laser) 717, a beam splitter 718, a mirror 719, an optical filter (wavelength separation means). 720. The light source 717 generates a continuous second laser beam having a second wavelength different from the first laser beam having the first wavelength generated by the light source 701. The optical filter 720 transmits the first wavelength light and reflects the second wavelength light.
実施例３では、光源７０１より生成された光源光を第１光源として用い、第１位相変調器７０３に入射させ、第１周波数発振器７０２で生成された第１周波数の信号を用いて第１光源光を位相変調して第１周波数の光パルス列を生成し、第１強度変調器７０４で、光パルス列の強度を第１周波数の信号を用いて変調してプローブ光を生成する。このプローブ光は、第１波長となる。 In the third embodiment, the light source light generated from the light source 701 is used as the first light source, is incident on the first phase modulator 703, and the first light source is generated using the first frequency signal generated by the first frequency oscillator 702. The light is phase-modulated to generate a first frequency optical pulse train, and the first intensity modulator 704 modulates the intensity of the optical pulse train using the first frequency signal to generate probe light. This probe light has the first wavelength.
一方、光源７１７より生成された光源光を第２光源光として用い、第２位相変調器７０６に入射させ、第２周波数発振器７０５で生成された第２周波数の信号を用いて第２光源光を位相変調して第２周波数の光パルス列を生成し、第２強度変調器７０７で、光パルス列の強度を第２周波数の信号を用いて変調してポンプ光を生成する。このポンプ光は、第２波長となる。 On the other hand, the light source light generated from the light source 717 is used as the second light source light, is incident on the second phase modulator 706, and the second light source light is generated using the second frequency signal generated by the second frequency oscillator 705. The phase modulation is performed to generate a second frequency optical pulse train, and the second intensity modulator 707 modulates the intensity of the optical pulse train using the second frequency signal to generate pump light. This pump light has the second wavelength.
実施例３において、第１強度変調器７０４で生成された第１波長のプローブ光は、ビームスプリッタ７１８を直進する。一方、第２強度変調器７０７で生成された第２波長のポンプ光は、ミラー７１９を反射し、ビームスプリッタ７１８でプローブ光に合波される。 In the third embodiment, the first wavelength probe light generated by the first intensity modulator 704 travels straight through the beam splitter 718. On the other hand, the pump light of the second wavelength generated by the second intensity modulator 707 is reflected by the mirror 719 and combined with the probe light by the beam splitter 718.
以上のようにして合波された互いに異なる波長のプローブ光およびポンプ光は、光照射機構７０８により、対象とする機械振動子７５１の設定された箇所に照射される。このようにして照射されて機械振動子７５１を反射したプローブ光およびポンプ光のうち、第１波長のプローブ光が光学フィルター７２０を透過する。第２波長のポンプ光は、光学フィルター７２０で反射される。また、光学フィルター７２０を透過した光が、ＰＤ７０９で検出される。従って、第１波長のプローブ光が、光学フィルター７２０を透過してＰＤ７０９で検出される。このようにしてＰＤ７０９で光電変換された信号より、デジタイザー７１０で電圧が読みだされる。 The probe light and the pump light having different wavelengths combined as described above are irradiated to the set position of the target mechanical vibrator 751 by the light irradiation mechanism 708. Of the probe light and the pump light that have been irradiated in this way and reflected from the mechanical vibrator 751, the probe light having the first wavelength passes through the optical filter 720. The pump light having the second wavelength is reflected by the optical filter 720. Further, the light transmitted through the optical filter 720 is detected by the PD 709. Accordingly, the probe light having the first wavelength passes through the optical filter 720 and is detected by the PD 709. The voltage is read out by the digitizer 710 from the signal photoelectrically converted by the PD 709 in this way.
実施例３においても、第１周波数発振器７０２が生成する信号の第１周波数および第２周波数発振器７０５が生成する信号の第２周波数を順次変化させ、デジタイザー７１０で読み出される電圧の変化を観察する。機械振動子７５１の共振周波数にあうまで第２周波数を変化させることで、読み出される電圧変化により、機械振動子７５１のｎ次の固有振動数に対する共振スペクトルを得ることができ、これにより、機械振動子７５１のＱ値を決定することができる。 Also in the third embodiment, the first frequency of the signal generated by the first frequency oscillator 702 and the second frequency of the signal generated by the second frequency oscillator 705 are sequentially changed, and the change in the voltage read by the digitizer 710 is observed. By changing the second frequency until the resonance frequency of the mechanical vibrator 751 is met, a resonance spectrum with respect to the n-th natural frequency of the mechanical vibrator 751 can be obtained by the voltage change that is read out. The Q value of the child 751 can be determined.
以上に説明したように、実施例３においても、ポンプ光とプローブ光とを合波して同じ光路で機械振動子７５１に照射し、同じ光路で反射した合波光よりプローブ光のみを取り出すようにしたので、より微小な機械振動子７５１に対応させることが容易となる。 As described above, also in the third embodiment, the pump light and the probe light are combined, irradiated to the mechanical vibrator 751 through the same optical path, and only the probe light is extracted from the combined light reflected through the same optical path. Therefore, it becomes easy to correspond to a smaller mechanical vibrator 751.
以上に説明したように、本発明では、連続したレーザー光である光源光を、位相変調手段により、周波数発振手段で生成された信号を用いて位相変調して光パルス列を生成し、強度変調手段によりこの光パルス列の強度を周波数発振手段で生成された信号を用いて変調してポンプ光やプローブ光を生成するようにしたので、光学的な手法により、様々な共振周波数の機械共振器を共振させることができる。 As described above, in the present invention, the light source light, which is continuous laser light, is phase-modulated by the phase modulation means using the signal generated by the frequency oscillation means to generate an optical pulse train, and the intensity modulation means As a result, the intensity of this optical pulse train is modulated using the signal generated by the frequency oscillation means to generate pump light and probe light, so that mechanical resonators with various resonance frequencies can be resonated using optical techniques. Can be made.
これにより、様々や共振周波数の機械振動子の動作制御が、容易に実現できるようになる。また、様々な共振周波数の機械振動子の特性測定が容易に実施できるようになる。 Thereby, the operation control of the mechanical vibrators having various resonance frequencies can be easily realized. Also, it becomes possible to easily measure the characteristics of mechanical vibrators having various resonance frequencies.
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
例えば、実施例で示した機械振動子測定装置の構成において、第２周波数発振器７０５が生成する周波数がｆrep＋Δｆrepの信号の周期（位相）をずらす制御により、機械振動子７５１の位相制御やオンオフ制御が可能である。また、実施例の構成によれば、このような制御に対し、第１周波数発振器７０２，第１位相変調器７０３，第１強度変調器７０４によるプローブ光を用いた機械振動子の測定結果をフィードバックすることができる。 For example, in the configuration of the mechanical vibrator measuring apparatus shown in the embodiment, the phase control of the mechanical vibrator 751 can be performed by controlling to shift the period (phase) of the signal whose frequency generated by the second frequency oscillator 705 is f rep + Δf rep. On-off control is possible. Further, according to the configuration of the embodiment, for such control, the measurement result of the mechanical vibrator using the probe light by the first frequency oscillator 702, the first phase modulator 703, and the first intensity modulator 704 is fed back. can do.
また、実施例で示した構成に限るものではなく、機械振動子の大きさにより、光源，位相変調器，強度変調器の数などを適宜に徹底すればよい。また、実施例２の構成と実施例３の構成とを組み合わせるようにしてもよい。 Further, the configuration is not limited to that shown in the embodiment, and the number of light sources, phase modulators, intensity modulators, and the like may be appropriately determined depending on the size of the mechanical vibrator. Further, the configuration of the second embodiment and the configuration of the third embodiment may be combined.
１０１…プローブ用位相／強度変調レーザー、１０２…ポンプ用位相／強度変調レーザー、１０３…光照射部、１０４…機械振動子、１０５…フォトディティクター（ＰＤ）、１０６…デジタイザー、１０７…位相制御部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Phase / intensity modulation laser for probe, 102 ... Phase / intensity modulation laser for pump, 103 ... Light irradiation part, 104 ... Mechanical vibrator, 105 ... Photo-detector (PD), 106 ... Digitizer, 107 ... Phase control part .
Claims (10)
所望とする周波数の信号を生成する周波数発振手段と、
前記周波数発振手段で生成された信号を用いて前記光源光を位相変調して光パルス列を生成する位相変調手段と、
前記位相変調手段で生成された光パルス列の強度を前記周波数発振手段で生成された信号を用いて変調してポンプ光を生成する強度変調手段と、
前記ポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と
を備えることを特徴とする機械振動子制御装置。 Light source light that is continuous laser light;
A frequency oscillating means for generating a signal having a desired frequency;
Phase modulation means for phase-modulating the light source light using a signal generated by the frequency oscillation means to generate an optical pulse train;
Intensity modulating means for generating pump light by modulating the intensity of the optical pulse train generated by the phase modulating means using the signal generated by the frequency oscillating means;
And a light irradiating means for irradiating a set portion of the mechanical vibrator targeted for the pump light.
前記周波数発振手段が生成する周波数の信号の位相を制御する位相制御手段を備える
ことを特徴とする機械振動子制御装置。 The mechanical vibrator control device according to claim 1,
A mechanical vibrator control device comprising phase control means for controlling a phase of a frequency signal generated by the frequency oscillation means.
連続したレーザー光であるプローブ光生成用のプローブ光源光と、
前記周波数発振手段とは異なり、設定された値だけ小さな周波数の信号を生成するプローブ光用周波数発振手段と、
前記プローブ光用周波数発振手段で生成された信号を用いて前記プローブ光源光を位相変調して光パルス列を生成するプローブ光用位相変調手段と、
前記プローブ光用位相変調手段で生成された光パルス列の強度を前記プローブ光用周波数発振手段で生成された信号を用いて変調してプローブ光を生成するプローブ光用強度変調手段と、
前記プローブ光および前記ポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、
前記機械振動子を反射した前記プローブ光の反射光の強度を測定する光強度測定手段と
を備え、
前記光強度測定手段の測定結果は、所望とする前記周波数の制御にフィードバックされる
ことを特徴とする機械振動子制御装置。 In the mechanical vibrator control device according to claim 1 or 2,
Probe light source light for generating probe light that is continuous laser light, and
Unlike the frequency oscillating means, the probe light frequency oscillating means for generating a signal having a frequency smaller by a set value;
Phase modulation means for probe light that phase-modulates the probe light source light using a signal generated by the frequency oscillation means for probe light to generate an optical pulse train; and
Probe light intensity modulating means for generating probe light by modulating the intensity of the optical pulse train generated by the probe light phase modulating means using the signal generated by the probe light frequency oscillating means;
A light irradiating means for irradiating a set portion of a mechanical vibrator for the probe light and the pump light; and
A light intensity measuring means for measuring the intensity of the reflected light of the probe light reflected from the mechanical vibrator,
The measurement result of the light intensity measuring means is fed back to the desired control of the frequency.
連続したレーザー光を発生するレーザーを備え、
前記レーザーより出力されたレーザー光を分岐して前記光源光および前記プローブ光源光を生成する
ことを特徴とする機械振動子制御装置。 The mechanical vibrator control device according to claim 3, wherein
Equipped with a laser that generates continuous laser light,
A mechanical vibrator control device, wherein the laser light output from the laser is branched to generate the light source light and the probe light source light.
前記強度変調手段で生成された第１偏光状態のポンプ光の偏光を９０°回転させて第２偏光状態とする偏光板と、
前記偏光板を通過したポンプ光と、プローブ光用強度変調手段で生成された第１偏光状態のプローブ光とを合波して合波光とする合波手段と、
前記合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する前記光照射手段と、
前記合波光が前記機械振動子を反射した反射光より第１偏光状態の前記プローブ光を取り出す偏光分離手段と、
前記偏光分離手段で取り出された前記プローブ光の強度を測定する前記光強度測定手段と
を備えることを特徴とする機械振動子制御装置。 The mechanical vibrator control device according to claim 4, wherein
A polarizing plate that rotates the polarization of the pump light in the first polarization state generated by the intensity modulation means by 90 ° to be in the second polarization state;
A combining means for combining the pump light that has passed through the polarizing plate and the probe light in the first polarization state generated by the intensity modulating means for probe light into combined light;
The light irradiating means for irradiating the set portion of the mechanical vibrator for the combined light; and
Polarization separation means for extracting the probe light in the first polarization state from the reflected light from which the combined light is reflected from the mechanical vibrator;
And a light intensity measuring means for measuring the intensity of the probe light extracted by the polarization separating means.
前記光源光となる第１波長の連続した第１レーザー光を発生する第１レーザーと、
前記プローブ光源光となり、前記第１レーザー光とは異なる波長の連続した第２レーザー光を発生する第２レーザーと、
プローブ光用強度変調手段で生成した前記プローブ光と、強度変調手段で生成した前記ポンプ光とを合波して合波光とする合波手段と、
前記合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する前記光照射手段と、
前記合波光が前記機械振動子を反射した反射光より前記第１波長の前記プローブ光を取り出す波長分離手段と、
前記波長分離手段で取り出された前記プローブ光の強度を測定する前記光強度測定手段と
を備えることを特徴とする機械振動子制御装置。 The mechanical vibrator control device according to claim 3, wherein
A first laser that generates a continuous first laser beam having a first wavelength as the light source light;
A second laser that becomes the probe light source light and generates a continuous second laser light having a wavelength different from that of the first laser light;
A combining means for combining the probe light generated by the intensity modulating means for probe light and the pump light generated by the intensity modulating means to be combined light;
The light irradiating means for irradiating the set portion of the mechanical vibrator for the combined light; and
Wavelength separation means for extracting the probe light having the first wavelength from reflected light obtained by reflecting the combined light from the mechanical vibrator;
And a light intensity measuring means for measuring the intensity of the probe light extracted by the wavelength separating means.
基準となる第１周波数の信号を生成する第１周波数発振手段と、
前記第１周波数発振手段で生成された前記第１周波数の信号を用いて前記第１光源光を位相変調し、前記第１周波数の光パルス列を生成する第１位相変調手段と、
前記第１位相変調手段で生成された光パルス列の強度を前記第１周波数の信号を用いて変調してプローブ光を生成する第１強度変調手段と、
連続したレーザー光である第２光源光と、
前記第１周波数より、設定された値だけ大きな周波数の第２周波数の信号を生成する第２周波数発振手段と、
前記第２周波数発振手段で生成された前記第２周波数の信号を用いて前記第２光源光を位相変調し、前記第２周波数の光パルス列を生成する第２位相変調手段と、
前記第２位相変調手段で生成された光パルス列の強度を前記第２周波数の信号を用いて変調してポンプ光を生成する第２強度変調手段と、
前記プローブ光および前記ポンプ光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する光照射手段と、
前記機械振動子を反射した前記プローブ光の反射光の強度を測定する光強度測定手段と
を備えることを特徴とする機械振動子測定装置。 A first light source light which is a continuous laser light;
First frequency oscillating means for generating a signal having a reference first frequency;
First phase modulation means for phase-modulating the first light source light using the signal of the first frequency generated by the first frequency oscillation means to generate an optical pulse train of the first frequency;
First intensity modulation means for generating probe light by modulating the intensity of the optical pulse train generated by the first phase modulation means using the signal of the first frequency;
A second light source light which is a continuous laser light;
Second frequency oscillating means for generating a second frequency signal having a frequency larger than the first frequency by a set value;
Second phase modulation means for phase-modulating the second light source light using the signal of the second frequency generated by the second frequency oscillation means, and generating an optical pulse train of the second frequency;
Second intensity modulation means for generating pump light by modulating the intensity of the optical pulse train generated by the second phase modulation means using the signal of the second frequency;
A light irradiating means for irradiating a set portion of a mechanical vibrator for the probe light and the pump light; and
And a light intensity measuring means for measuring the intensity of the reflected light of the probe light reflected from the mechanical oscillator.
連続したレーザー光を発生するレーザーを備え、
前記レーザーより出力されたレーザー光を分岐して前記第１光源光および前記第２光源光を生成する
ことを特徴とする機械振動子測定装置。 In the mechanical vibrator measuring device according to claim 7,
Equipped with a laser that generates continuous laser light,
A mechanical vibrator measuring apparatus, wherein the laser light output from the laser is branched to generate the first light source light and the second light source light.
前記第２強度変調手段で生成された第１偏光状態のポンプ光の偏光を９０°回転させて第２偏光状態とする偏光板と、
前記偏光板を通過したポンプ光と、第２強度変調手段で生成された第１偏光状態のプローブ光とを合波して合波光とする合波手段と、
前記合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する前記光照射手段と、
前記合波光が前記機械振動子を反射した反射光より第１偏光状態の前記プローブ光を取り出す偏光分離手段と、
前記偏光分離手段で取り出された前記プローブ光の強度を測定する前記光強度測定手段と
を備えることを特徴とする機械振動子測定装置。 The mechanical vibrator measuring apparatus according to claim 8, wherein
A polarizing plate that rotates the polarized light of the pump light in the first polarization state generated by the second intensity modulation means by 90 ° to be in the second polarization state;
A multiplexing unit that combines the pump light that has passed through the polarizing plate and the probe light in the first polarization state generated by the second intensity modulation unit, into a combined beam;
The light irradiating means for irradiating the set portion of the mechanical vibrator for the combined light; and
Polarization separation means for extracting the probe light in the first polarization state from the reflected light from which the combined light is reflected from the mechanical vibrator;
The mechanical vibrator measuring apparatus comprising: the light intensity measuring means for measuring the intensity of the probe light extracted by the polarization separating means.
前記第１光源光となる第１波長の連続した第１レーザー光を発生する第１レーザーと、
前記第２光源光となり、前記第１レーザー光とは異なる第２波長の連続した第２レーザー光を発生する第２レーザーと、
第１強度変調手段で生成した前記プローブ光と、第２強度変調手段で生成した前記ポンプ光とを合波して合波光とする合波手段と、
前記合波光を対象とする機械振動子の設定された箇所に照射する前記光照射手段と、
前記合波光が前記機械振動子を反射した反射光より前記第１波長の前記プローブ光を取り出す波長分離手段と、
前記波長分離手段で取り出された前記プローブ光の強度を測定する前記光強度測定手段と
を備えることを特徴とする機械振動子測定装置。 In the mechanical vibrator measuring device according to claim 7,
A first laser that generates a continuous first laser beam having a first wavelength that serves as the first light source light;
A second laser that becomes the second light source light and generates a continuous second laser light having a second wavelength different from the first laser light;
A multiplexing unit that combines the probe light generated by the first intensity modulation unit and the pump light generated by the second intensity modulation unit into a combined light;
The light irradiating means for irradiating the set portion of the mechanical vibrator for the combined light; and
Wavelength separation means for extracting the probe light having the first wavelength from reflected light obtained by reflecting the combined light from the mechanical vibrator;
And a light intensity measuring means for measuring the intensity of the probe light extracted by the wavelength separating means.
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