JP2000338037A - 光ヘテロダイン検出するキャビティリングダウンシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ショットノイズ限界に近づけるようにキャビ
ティリングダウンシステムの検出感度を改善する。 【解決手段】 減衰率１／τで減衰するリングダウン波
Ｅ_ＲＤを光ヘテロダイン検出するキャビティリングダウ
ンシステム１０であって、レーザ光源と、その光線から
局所振動周波数の局所振動波Ｅ_ＬＯと信号周波数の信号
波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}とを生起する光学装置と、局所振動波
および信号波を受信するリングダウンキャビティ１２
と、局所振動波およびリングダウン波を信号周波数で発
するリングダウン段階を開始するために信号波を中断す
る切替手段２４と、周波数差δνに関連するヘテロダイ
ン周波数の干渉信号を生起するために、局所振動波をリ
ングダウン波と重ね合わせる光結合手段３０と、干渉信
号を受けて第２の減衰率１／２τのヘテロダイン信号Ｉ
_Ｈを生起する光検出器４２とを具備するシステム１０を
提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、分光方法の分野
に関し、さらに詳細には、光ヘテロダイン検出によりリ
ングダウン率を決定するためのキャビティリングダウン
システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の分光方法の感度は、約１万分の１
（１：１０^４）〜１０万分の１（１：１０^５）が限界で
あった。この感度の限界は、吸収信号におけるノイズに
変換される光源の強度の不安定性によって生じていた。
従来の分光方法における一般的な情報については、例え
ば、Dereniak and Crowe, Optical Radiation Detector
s, John Wiley & Sons, New York, 1984 および Demtro
der. Laser Spectroscopy, Springer, Berlin, 1996に
示されている。O'Keefe and Deaconによって、Rev. Sc
i. Instrum. 59(12):2544-2551(1988)の記事に最初に説
明された、キャビティリングダウン分光方法（ＣＲＤ
Ｓ）は、１０００万分の１（１：１０^７）〜１０億分の
１（１：１０^９）、または、それ以上の感度で、吸収測
定を行うことができる。ＣＲＤＳの一般的な情報につい
ては、Lehmannによる米国特許第５５２８０４０号明細
書、並びに、Romanini and LehmannによるJ. Chem. Phy
s. 102(2): 633-642(1995)の記事、Meijer 他のChem. P
hys. Lett. 217(1-2):112-116(1994)、Zalicki 他の Ap
p. Phys. Lett. 67(1):144-146(1995) 、Jongma 他の R
ev. Sci. Instrum. 66(4):2821-2828(1995)、および Za
licki および Zare のJ. Chem. Phys. 102(7): 2708-27
17 (1995)を参照のこと。

【０００３】ＣＲＤＳシステムでは、サンプル（吸収材
料）は、高精度の安定した光共振器またはリングダウン
キャビティ内に配置される。リングダウンキャビティ内
に入射した光は、前後に多数回循環して周期的な空間変
動を有する定常波を確立する。リングダウンキャビティ
から出る光は、キャビティ内の光の強度に比例してい
る。

【０００４】リングダウンキャビティ内に蓄積された放
射エネルギは、時間とともに減少（リングダウン）す
る。空のキャビティでは、蓄積されたエネルギは、ミラ
ーの反射率、ミラー間の距離およびキャビティ内の光の
速度のみに依存するリングダウン率に基づいて指数関数
的に減衰する。サンプルが共振器の内部に配置されてい
る場合には、リングダウンは加速され、好適な条件下で
は、キャビティ内エネルギは、ほぼ完全に指数関数的に
減衰する。サンプルの吸収スペクトルは、リングダウン
率１／τの逆数、または、減衰係数τを、入射光の波長
λに対してプロットすることにより得られる。

【０００５】従来の分光技術に比べると、ＣＲＤＳは、
リングダウン率１／τが入射光の強度に依存しないの
で、非常に高い検出感度を達成することができる。言い
換えると、入射光の強度の変動は、リングダウンキャビ
ティ内のリングダウン率に関係せず、それによって、Ｃ
ＲＤＳの測定値に直接影響を与えない。理論的には、Ｃ
ＲＤＳが、光線を構成する光子の量子的性質のために光
線に固有のショットノイズによってのみ制限されるので
あれば、達成可能な感度は、５０ｃｍの長さのキャビテ
ィ、線幅１０ｋＨｚを有する１０ｍＷの連続波（ＣＷ）
レーザ、および５０ｐｐｍの損失を有するミラーを有す
るＣＲＤＳシステムに対しては、１０^{−１ ４}ｃｍ^−１Ｈ
ｚ^−１／２の範囲内である。

【０００６】他の従来の方法と比較した、技術水準にお
けるＣＲＤＳの実際の性能を表１に示す。

【０００７】

【表１】

【０００８】Ｐ形ＣＲＤＳにおいて、感度を制限する実
際の要因は、３つの主なカテゴリーに分類することがで
きる。第１のカテゴリーは、Ｐ形ＣＲＤＳ装置が光学的
ノイズによって制限されるということである。このノイ
ズは、リングダウンキャビティの制限された光スループ
ットに起因しており、該光スループットは、レーザおよ
びキャビティ線幅の比率に依存している。言い換える
と、この問題は、レーザ源とリングダウンキャビティと
の間の結合中に生じる強度の変動に関連している。線幅
比における一定の変化は、検出器における信号対雑音比
（Ｓ／Ｎ比）に影響を与え、それによってノイズを生起
する。

【０００９】第２のカテゴリーは、ＣＲＤＳが、レーザ
光線の波形の品質によって制限されるということであ
る。理想的には、単一モード、すなわち基本ＴＥＭ_００
モードのみがリングダウンキャビティ内において励起さ
れる。高次モードの励起は、リングダウンキャビティを
出るリングダウン信号ビームに正弦波変調を印加する多
モード励起条件を生ずる。これにより、遅い検出器が減
衰信号上に重ね合わせられたノイズ帯域を登録する。言
い換えると、各モードは、リングダウンキャビティ内に
おいて、若干異なる光学的な損失を有するので、変調ま
たはモードビーティングにより、若干異なる減衰係数τ
をそれぞれ有する指数関数的に減衰する信号ビームの重
ね合わせが行われる。したがって、１つの特定モード、
すなわち、基本モードに対して減衰係数τを決定する試
みは困難になる。

【００１０】第３のカテゴリーは、多くのパルスレーザ
システムの繰り返し速度が、１００Ｈｚに制限されてお
り、そのために、感度を改善するための広範囲にわたる
平均を行うことができないということである。さらに、
パルスレーザは大型かつ高価であり、したがって、Ｐ形
ＣＲＤＳの商品化は現実的ではない。

【００１１】Ｐ形ＣＲＤＳの第１の問題を解決するため
に、ＣＷ形ＣＲＤＳは、レーザの線幅とリングダウンキ
ャビティの線幅との間に高い重ね合わせを達成すること
により、光学的なノイズを制限するために、外部変調を
有する狭い線幅のＣＷレーザを使用している。モードビ
ーティングの第２の問題は、ＣＷレーザ光線波形を光学
的にフィルタリングすることにより、ほぼ純粋なＴＥＭ
_００に制限される。第３の問題は、１ｋＨｚを越え、１
０ｋＨｚまでの繰り返し速度を使用し、平均演算を可能
とすることにより解決される。

【００１２】Ｐ形ＣＲＤＳに関連する問題を解決するた
めにＣＷ形ＣＲＤＳシステムに導入された上記改善は、
実時間でのスペクトル走査を行う能力をいくつかの点に
おいて改善した。さらに、現在装備されているような直
接検出を有するＣＷ形ＣＲＤＳは、いかに最初に大きく
ても常にゼロまで減衰し、したがって、常に検出器ノイ
ズが消滅する減衰信号のために、真のショットノイズ限
界に到達することはできない。現在までのところ、Ｐ形
ＣＲＤＳおよびＣＷ形ＣＲＤＳに対して得られた最も高
い感度は、理論的なショットノイズ限界に近いものでは
ない。これまで報告されているＰ形ＣＲＤＳのための最
良の装置は、約８×１０^−１０ｃｍ^−１Ｈｚ^−１／２の
感度を有している。ＣＷ形ＣＲＤＳに対して得られた最
良の結果は、１０ｍＷのレーザを使用して、８×１０
^−１３ｃｍ^−１Ｈｚ^−１／２の範囲にある。これらの数
値は、理論的な限界に遠く及ばないものである。実際
に、ショットノイズ制限されたＣＷ形ＣＲＤＳシステム
において、期待される感度は約１×１０^−１４ｃｍ^−１
Ｈｚ^−１／２、すなわち、現在の技術水準よりもほぼ２
桁良好な値である。

【００１３】ＳＮＲに関して、リングダウン減衰信号
は、結局、一定の電力レベルに対して発生する光子数の
変動によって制限される。１ｍＷの電力レベルに対し
て、ショットノイズ制限されたＳＮＲは１．８×１
０^６：１である一方、１μＷに対しては、ＳＮＲは５．
６×１０^４：１である。これらの数値は、現在の技術水
準のＣＲＤＳでは達成できないものである。

【００１４】より高い信号感度を達成し、かつ、ノイズ
源を処理するために、ヘテロダイニングのような方法に
よる他の分光技術がある。しかしながら、現存するヘテ
ロダイニングの適応例は、指数関数的に減衰する波形を
測定するには、良好に設計されているとは言えない。特
に、これらの技術は、ＣＲＤＳにおける信号検出に対し
ては良好に作用しない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、この発明
の主な目的は、リングダウン波の光ヘテロダイン検出の
ために設計されたキャビティリングダウンシステムを提
供することである。特に、この発明の目的は、光へテロ
ダイン検出によってショットノイズ限界に近づけるよう
にキャビティリングダウンシステムの検出感度を改善す
ることである。

【００１６】この発明の他の目的は、ヘテロダイン検出
を、実行容易な方法で連続波ＣＲＤＳに適合させること
である。さらに、この発明の他の目的は、光ヘテロダイ
ン検出システムと、ＣＲＤＳにおいて用いられる他のノ
イズ低減方法との互換性を保証することである。上述し
た目的および利点、並びに、この発明のヘテロダイン検
出システムによって達成される他の多くの改良を以下に
説明する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的および利
点は、リングダウン波Ｅ_ＲＤの光へテロダイン検出によ
りキャビティリングダウン分光（ＣＲＤＳ）を遂行する
キャビティリングダウンシステムによって達成される。
リングダウン波Ｅ_ＲＤの減衰またはリングダウンは、第
１の減衰率１／τで行われる。ここで、τは減衰係数で
ある。リングダウンシステムは、光線を供給するための
光源、好ましくは、レーザを具備している。一組の光学
装置が光線を受け、その光線から、局所振動周波数ν
_ＬＯにおいて局所振動波Ｅ_ＬＯを生起する。この一組の
光学装置は、前記光線から、信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}
を有する信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}をも生起する。

【００１８】リングダウンシステムは、局所振動波Ｅ
_ＬＯおよび信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}の経路に配置されたリ
ングダウンキャビティを具備している。２つの波は、適
当な入力カプラ、すなわち、ミラーを介してリングダウ
ンキャビティ内に入射される。リングダウンキャビティ
は、その吸収を測定すべきサンプルを収容している。

【００１９】リングダウン測定を行うために、スイッチ
ング手段、例えば、音響光学的変調器および電気光学的
変調器または他の偏向装置が、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}を
中断するために用いられる。信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}が、
一旦中断されると、リングダウンキャビティはリングダ
ウン段階に入り、その間、指数関数的に減衰するリング
ダウン波Ｅ_ＲＤがそこから発せられる。

【００２０】リングダウンキャビティは、リングダウン
波Ｅ_ＲＤを出射すると同時に、局所振動波Ｅ_ＬＯをも伝
達しまたは反射する。リングダウンキャビティを出るこ
れら２つの波は、光結合装置によって遮られ、干渉信号
を生成するように重ね合わせられる。この干渉信号は、
その周波数成分の中に、局所振動周波数と信号周波数と
の周波数差δνに関連するヘテロダイン周波数を含んで
いる（δν＝｜ν_ＬＯ−ν_{ＳＩＧＮＡＬ}）。周波数差δ
νは装置に依存して、任意の好適な値をとることができ
る。一実施形態では、周波数差δνは、リングダウンキ
ャビティの自由スペクトル範囲に等しく設定されてい
る。

【００２１】好ましい実施形態において、一組の光学装
置は、局所振動波Ｅ_ＬＯに第１の偏光、リングダウン波
Ｅ_ＲＤに第１の偏光とは異なる、例えば、第１の偏光に
対して直交する第２の偏光を与える偏光素子を有してい
る。この場合の結合装置は、これらの偏光を回転させる
複屈折波プレートのような偏光回転子と、２つの回転し
た偏光を重ね合わせるビームスプリッタとを含んでい
る。これに代えて、適当な角度に向けられた偏光ビーム
スプリッタが、それ自体で２つの波を重ね合わせるため
に使用されてもよい。

【００２２】好ましい実施形態は、光源としての連続波
（ＣＷ）レーザ、および、レーザに対してリングダウン
キャビティをロックするロッキング機構を使用する。第
１の偏光を伴う局所的な振動波Ｅ_ＬＯは、キャビティに
対するレーザのロックを達成するために、ロッキング機
構によって使用される。また、システムが、リング共振
器をリングダウンキャビティとして使用することも好ま
しい。

【００２３】干渉信号を受ける光検出器が、局所振動波
Ｅ_ＬＯとリングダウン波Ｅ_ＲＤとの最大重複点に配置さ
れていることが好ましい。光検出器は、干渉信号のヘテ
ロダイン成分に対応するヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを生成す
る。ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈは、第２の減衰率１／２τを
有している。局所振動波Ｅ_ＬＯの強度をより高く設定す
ることが望ましく、初期強度、すなわち、リングダウン
波Ｅ_ＲＤの指数関数的な減衰の開始時におけるピーク強
度よりもずっと高いことが好ましい。こうすることによ
り、ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを最大にすることができる。

【００２４】この発明のシステムは、局所振動波Ｅ_ＬＯ
とリングダウン波Ｅ_ＲＤとの間の相対的な位相を調節す
るための位相調節機構をも備えている。さらに、システ
ムは、これらの波の間の周波数差δνを調節するための
周波数調節手段をも有している。

【００２５】他の態様において、システムは、信号波Ｅ
_{ＳＩＧＮＡＬ}の信号周波数ν_{ＳＩＧ ＮＡＬ}を変更するた
めの変調器を使用する。信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}の変
更は、この態様においてリングダウン段階を開始する。
さらに他の態様においては、リングダウン段階ではなく
て、キャビティリングアップ中の干渉信号を測定するた
めに、ロックされたシステムが使用される。

【００２６】

【発明の実施の形態】光へテロダインシステムのさらな
る詳細については、添付図面を参照した以下の説明に記
載されている。図１は、光へテロダイン検出のためのキ
ャビティリングダウンシステムの概略図である。図２
は、光へテロダイン検出のための他のキャビティリング
ダウンシステムの概略図である。図３は、この発明に係
るシステムの好ましい実施形態を示す概略図である。図
４は、この発明に係るシステムの他の実施形態を示す概
略図である。図５は、この発明に係るシステムのさらに
他の実施形態を示す概略図である。図６は、従来技術の
ヘテロダイン検出に対して、この発明に係る光へテロダ
イン検出の性能を比較したグラフである。図７は、この
発明により得られた吸収スペクトルを示すグラフであ
る。

【００２７】図１および図２は、この発明に係る２つの
形式のキャビティリングダウンシステムを示す概略図で
ある。これらの一般的な形式のシステムにより、キャビ
ティリングダウン分光（ＣＲＤＳ）における光へテロダ
イン検出の基礎が説明され、以下に提供される好ましい
実施形態および他の実施形態を理解するために有用であ
る。

【００２８】図１は、入力カプラ１４と出力カプラ１６
とを有するリングダウンキャビティ１２を備えたキャビ
ティリングダウンシステム１０を示している。この場合
において、キャビティ１２は、気体サンプル（図示略）
の吸収を測定するための、気密ハウジング１８内に封入
された直線キャビティである。高い感度の測定を保証す
るために、キャビティ１２は高フィネスのキャビティで
ある。例えば、キャビティ１２は１０００〜１００００
００のフィネス値を有している。

【００２９】部材２０，２２からなる光学装置は、局所
振動波Ｅ_ＬＯおよび信号波Ｅ_{ＳＩＧ ＮＡＬ}をそれぞれ発
生する。局所振動波Ｅ_ＬＯは局所振動周波数ν_ＬＯを有
し、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}は信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}
を有している。局所振動周波数ν_ＬＯと信号周波数ν
_{ＳＩＧＮＡＬ}との間には、周波数差δνが存在する。

【００３０】局所振動波Ｅ_ＬＯおよび信号波Ｅ
_{ＳＩＧＮＡＬ}は、入力カプラ１４を通してリングダウン
キャビティ１２内に結合される。周波数
ν_{ＳＩＧＮＡＬ}，ν_ＬＯは、リングダウンキャビティ１
２内において両方が同時に共振するように選択されてい
る。システム１０は、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}の経路上に
配置されたスイッチング要素２４、例えば、音響光学的
または電気光学的変調器を有している。スイッチング要
素２４は、リングダウン測定をキャビティ１２内で行う
ために十分な光が蓄積されたときに、信号波Ｅ
_{ＳＩＧＮＡＬ}を中断するために使用される。

【００３１】リングダウン測定中に、キャビティ１２
は、リングダウン段階にあり、リングダウン波Ｅ_ＲＤが
出力カプラ１６を通して発せられる。局所振動波Ｅ_ＬＯ
は、リングダウン段階中は中断されず、リングダウン段
階中を通じて、出力カプラ１６を介して発せられる。

【００３２】位相変調器２６（破線で示されている）
が、出力カプラ１６の後段のリングダウン波Ｅ_ＲＤの経
路上に配置されていてもよい。周波数調節ユニットまた
は変調器２８が、局所振動波Ｅ_ＬＯの経路における出力
カプラ１６の後段に配置されている。これらは、当業者
に周知の標準的な装置である。それらの目的は、局所振
動波Ｅ_ＬＯとリングダウン波Ｅ_ＲＤとの間の相対位相お
よび周波数差δνを調節することである。当業者であれ
ば、変調器２６，２８の位置を交換してもよいことがわ
かる。実際に、必要により、相対位相および周波数差δ
νを調節するために、別々の位相および周波数変調器が
各波に対して使用されてもよい。周波数差δνをゼロ、
または、ほぼゼロに維持し、リングダウン波Ｅ_ＲＤおよ
び局所振動波Ｅ_ＬＯの位相を制御することも可能であ
る。

【００３３】光線結合光学装置３０が、局所振動波Ｅ
_ＬＯおよびリングダウン波Ｅ_ＲＤを受けて、それらを重
ね合わせるために変調器２６，２８の後段に配置されて
いる。特に、波Ｅ_ＬＯ，Ｅ_ＲＤは波頭３２，２４を有し
かつ直交する偏光３６，３８を有している。光学装置３
０は波頭３２，３４を重ね合わせ、かつ、これらの波Ｅ
_ＬＯ，Ｅ_ＲＤの偏光間の重ね合わせを達成するために、
一方または両方を回転し、それによって干渉信号４０を
生成するように設計されている。波Ｅ_ＬＯ，Ｅ_{Ｒ Ｄ}の良
好な重ね合わせが達成されることが、この発明に係るヘ
テロダイン検出のために非常に重要である。この場合に
おいて、光学装置３０は、偏光３８および偏光３６を干
渉波または信号４０の中間状態に放出する。

【００３４】光検出器４２、例えば、フォトダイオード
またはこれと等価な装置が、干渉信号４０の経路上に配
置されている。光検出器４２の正確な位置は、波
Ｅ_ＬＯ，Ｅ _ＲＤの間の最大重複点にあるべきである。光
検出器４２の機能は、干渉信号４０に比例する電気信
号、例えば、電流を生成することである。光検出器４２
からの電流を増幅および処理するために必要な増幅器お
よび追加の電子素子は、当業者に公知であるので、ここ
では省略する。ヘテロダイン検出回路４４が干渉信号４
０に対応する電気信号を受けるために光検出器４２に接
続されている。

【００３５】作動中に、システム１０は、最初に、キャ
ビティ１２内に光を蓄積するのに十分な時間にわたって
稼働される。言い換えると、波Ｅ_ＬＯ，Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}
は、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}がキャビティ１２内で十分な
強度に蓄積されるまでキャビティ１２内に結合される。
その後、スイッチング要素２４が、リングダウン段階を
開始するために、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}を遮断し、また
は、中断する。

【００３６】リングダウン段階中には、システム１０の
ヘテロダイン検出が有効になる。当業者であれば、ヘテ
ロダイン検出が光蓄積段階中に遮断またはゲートで制御
され、または、適宜有効にされてもよいことがわかる。
ゲーティング機能を達成するための好適な電子装置は、
当業者に公知である。

【００３７】検出中は、干渉信号４０が光検出器４２に
衝突する位置における、リングダウン波Ｅ_ＲＤと局所振
動波Ｅ_ＬＯとの良好な空間的かつ偏光の重ね合わせが重
要である。局所振動波Ｅ_ＬＯとリングダウン波Ｅ_ＲＤと
の間の周波数差をδνとすれば、干渉信号４０によって
光検出器４２内に生起される電流は、波Ｅ_ＬＯ，Ｅ_{Ｒ Ｄ}
の全フィールド振幅の絶対値の２乗に比例し、以下のよ
うに３項に分けることができる。

【００３８】

【数１】

【００３９】右辺の第３の電場項は、干渉信号４０内に
含まれている光ヘテロダインフィールドを表している。
干渉信号４０内に含まれている光ヘテロダインフィール
ドのヘテロダイン周波数は、周波数差δνに依存してい
る。Φは、局所振動波Ｅ_ＬＯとリングダウン波Ｅ_ＲＤと
の間の光路長差に依存する位相差である。

【００４０】上記式からのこの３つの電場は、以下のよ
うに、対応する電流成分を光検出器４２内に生起する。 Ｉ_Ｄ∝Ｉ_ＲＤ＋Ｉ_ＬＯ＋｜Ｉ_Ｈ０｜ｃｏｓ（２πδνｔ
＋Φ）

【００４１】電流成分Ｉ_ＲＤ，Ｉ_ＬＯは、リングダウン
電流および局所振動電流である。これらは、波Ｅ_ＲＤ，
Ｅ_ＬＯによってそれぞれ生起される。第３の電流成分
は、光ヘテロダインフィールドに対応するヘテロダイン
電流Ｉ_Ｈである。

【００４２】従来技術の、直接電流検出ＣＲＤＳまたは
ホモダイン検出ＣＲＤＳにおいては、ヘテロダイン電流
Ｉ_Ｈは存在せず、減衰率１／τはＥ_ＲＤに比例する電
流、すなわち、Ｉ_ＲＤから決定された。言い換えると、
直接検出方法は、時間とともに指数関数的に減衰し、 Ｉ_ＲＤ（ｔ）＝ｅ^−１／τ と表されるリングダウン電流Ｉ_ＲＤを測定する。

【００４３】Ｉ_ＲＤは、一般には、かなりの増幅を必要
とする非常に低い電流であり、したがって、従来技術の
システムは、かなりの電子ノイズに晒される。従来技術
の部分で述べたような光ノイズ源を、有効に抑制したと
しても、リングダウン電流Ｉ _ＲＤの検出および増幅に関
連する電子ノイズが減衰率１／τの感度の高い測定に対
して障壁となる。

【００４４】この発明は、Ｉ_ＲＤではなくＩ_Ｈを測定す
ることにより測定感度を改善する。さらに詳細には、こ
の発明によれば、局所振動波Ｅ_ＬＯの強度が、指数関数
的に減衰するリングダウン波Ｅ_ＲＤの初期強度よりもか
なり高く設定されている。これにより、光検出器４２に
よって生起されたヘテロダイン電流Ｉ_Ｈの初期振幅Ｉ
_Ｈ０が、検出感度を改善するために最大化されることを
保証する。波Ｅ_ＬＯの強度は、ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈの
初期振幅が、

【数２】 であるように調節されることが好ましい。

【００４５】これらの条件下において、時間の関数とし
てのヘテロダイン電流Ｉ_Ｈは、ｔ＜０またはリングダウ
ン段階の開始前は、

【数３】 ｔ＞０またはリングダウン段階中には、

【数４】 と表すことができる。

【００４６】位相変調器２６が位相差Φを補償するため
に使用されることが好ましい。例えば、位相差Φは、ゼ
ロまたはπの整数倍に等しく設定される。これらの条件
下において、位相差Φは、この式からなくすことができ
る。

【００４７】したがって、干渉信号４０は、周波数差δ
νに依存するヘテロダイン周波数を有するヘテロダイン
電流Ｉ_Ｈを生起する。ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈの指数関数
的減衰は、リングダウン波Ｅ_ＲＤの減衰率１／τではな
くて、第２の減衰率１／２τによって支配される。その
結果、ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈは、リングダウン電流Ｉ
_ＲＤよりも２倍遅く減衰し、したがって、ヘテロダイン
検出回路４４による減衰率１／τのより感度の高い測定
が許容される。特に、回路４４は、最初により遅く減衰
する第２の減衰率１／２τを測定し、その後、その値か
ら、直接第１の減衰率１／τまたはリングダウン波Ｅ
_ＲＤの減衰率を直接計算することにより決定する。これ
らの計算を行うための電子装置は、アナログまたはディ
ジタル回路を含んでいてもよい。実際には、アナログ回
路の方が、指数関数的に減衰する信号を計算するのには
好ましい。より詳しくは、T.G. Spence 他の"Approachi
ng theshot-Noise Limit for Large Signals in Cavity
Ring-Down Spectroscopy Using Analog Detection ele
ctronics", Journal of Optical Society of America,F
ebruary 1999を参照のこと。

【００４８】キャビティ１２の内部に配置された気体サ
ンプルの吸収は、従来において知られているように、減
衰率１／τから決定される。したがって、より精度の高
い減衰率１／τの決定により、気体サンプルの吸収をよ
り高い精度で決定することができる。

【００４９】キャビティ１２は、高フィネスキャビティ
であるので、該キャビティ１２から出射される波
Ｅ_ＬＯ，Ｅ_ＲＤは、両方とも品質の高いものである。こ
のことは、これら２つの波が、結合器３０に向かうそれ
らの経路に沿って正確に方向付けられ、かつ、それらの
周波数ν_ＬＯ，ν_{ＳＩＧＮＡＬ}は、高フィネスキャビテ
ィ１２の周知のフィルタリング効果によって非常に正確
であることを意味している。これらの条件下では、光検
出器４２および回路４４の電子パラメータが、周知の電
子工学の原理に従って最適化されるときには、ヘテロダ
イン電流Ｉ_Ｈの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）は、Ｅ_ＲＤ波
内に存在する量子ノイズのショットノイズ限界に近づく
ことになる。特に、光検出器４２および回路４４のノイ
ズ電力は低くなければならず、局所振動電流Ｉ_ＬＯのシ
ョットノイズは最小化されなければならない。

【００５０】図２は、キャビティリングダウンシステム
５０の他の実施形態を示す概略図である。図１と同じ構
成部材には、同一符号を付している。システム５０は、
キャビティ１２を通して伝達されたのではなく、リング
ダウンキャビティ１２から反射された波Ｅ_ＬＯ，Ｅ_ＲＤ
を重ね合わせる点でシステム１０とは相違している。リ
ングダウン段階を開始するために、システム５０は、波
Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}の信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}を、それ以
上キャビティ１２内に入射することのないようにシフト
する周波数変調器５２を使用する。他のすべての点で
は、システム５０は、重ね合わせた波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯか
らヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを得ることにより、システム１
０と同様に作動する。

【００５１】図３は、上述した一般原理によって光ヘテ
ロダイン検出を行うためのキャビティリングダウンシス
テム１００の好ましい実施形態を示している、システム
１００は、３つのミラー１０４，１０６，１０８間に構
成された高フィネスのリングダウンキャビティ１０２を
有している。キャビティ１０２は、気体の吸収を測定す
るように設計される場合には容器の内部に配置されてい
てもよく、または、不揮発性のサンプル、例えば、薄膜
を測定するように設計される場合には、容器を有してい
なくてもよい。

【００５２】ミラー１０４は、入力カプラとして機能す
る平平ミラー、ミラー１０８は出力カプラとして機能す
る平平ミラーである。ミラー１０６は凹面ミラーであ
る。リングダウンキャビティ１１０は、ＣＲＤＳを実施
するためのキャビティとして最も好ましい形式のリング
共振器構造を有している。

【００５３】目的の波長範囲にわたって同調可能な高品
質、低線幅レーザであることが好ましいポンプレーザ１
１０が光線１１２を供給する。特に、ポンプレーザ１１
０は、リングダウンキャビティ１０２内に配置された吸
収性サンプル１１４の、目的の吸収ピークを含むように
選択された波長範囲を有する励起された光線１１２を生
起する。例えば、レーザ１１０は、出力３００ｍＷ、１
０６４．４４ｎｍ〜１０６４．５８ｎｍの同調可能な範
囲を有するＮｄ：ＹＡＧレーザである。この波長範囲に
より、１０６４ｎｍにおけるＣＯ_２遷移の吸収スペクト
ルを調査することができる。もちろん、これは、実証の
ために使用された例としての範囲である。

【００５４】偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の前段に
配される半波長板１１６が、光線１１２の経路上に配置
されている。光線１１２は、リングダウンキャビティ１
０２に対してＳ偏光Ｅ_ＳとＰ偏光Ｅ_Ｐとを含んでいる。
偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐは、相互に直交し、それらの相対的強度
は、半波長板１１６によって調節され得る。光線１１２
の偏光Ｅ_Ｓは、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}として使用され、
偏光Ｅ_Ｐは局所振動波Ｅ_ＬＯの機能を果たす。

【００５５】ＰＢＳ１１８は、偏光Ｅ_Ｓを偏光Ｅ_Ｐから
分離する。偏光Ｅ_Ｐは位相変調器（ＰＭ）１２０を通過
させられる一方、偏光Ｅ_Ｓは、ミラー１２２で反射した
後に、音響光学変調器（ＡＯＭ）１２４を通過させられ
る。この好ましい実施形態において、ＡＯＭ１２４は２
つの機能を果たす。第１の機能は、両偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐが
同時にリングダウンキャビティ１０２内において共振す
ることを可能とするために、偏光Ｅ_Ｓを周波数シフトす
ることである。言い換えると、ＡＯＭは偏光Ｅ _Ｐ，Ｅ_Ｓ
間の周波数差δνを調節する。周波数差δνは、キャビ
ティ１０２の自由スペクトル範囲に等しくあるべきであ
る。第２に、ＡＯＭ１２４は、偏光Ｅ_Ｓのオン・オフを
切り替えるためにも使用される。すなわち、ＡＯＭ１２
４は、キャビティ１０２のリングダウン段階を開始する
ために、必要な時刻に偏光Ｅ_Ｓを終了させるために使用
される。

【００５６】ＰＭ１２０は、レーザ１１０をキャビティ
１０２にロックすることを可能にするために、リングダ
ウンキャビティ１０２からのフィードバックを生成す
る。これは、R. Drever 他により、Applied Physics B,
1983, b31, pg. 1997に記載されたドレバー技術に従っ
て行われる。

【００５７】偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐは、両方とも、大まかにレ
ンズによって示されるモード整合光学装置１２６，１２
８を通過し、偏光Ｅ_Ｓがミラー１３２によって反射され
た後に、ＰＢＳ１３０によって光線１１２として再結合
される。モード整合光学装置１２６，１２８は、再結合
された光線１１２のモードの純度を保証する。理想的に
は、再結合された光線１１２は、ＴＥＭ_００モードであ
り、したがって、モードビーティングおよび関連する光
学的なノイズ源を消滅させる。

【００５８】光線１１２は、入力カプラ１０４を介して
リングダウンキャビティ１０２内に入射される。偏光Ｅ
_Ｓは、吸収測定のために使用され、偏光Ｅ_Ｐはレーザ１
１０をキャビティ１０２にロックするため、および、局
所振動波Ｅ_ＬＯとして使用される。キャビティ１０２は
リング共振器であるので、キャビティ１０２によって反
射された偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓは、元の光線１１２の経路を後
戻りしない。したがって、ポンプ光線１１２の一部がレ
ーザ１１０に反射されて戻ることに関連した周知のフィ
ードバックの問題は回避される。その代わり、キャビテ
ィ１０２で反射された偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓは、光線１１２に
対して一定角度で入力カプラを通過し、偏光Ｅ_ＰはＰＢ
Ｓ１３４によって偏光Ｅ_Ｓから分離される。

【００５９】反射された偏光Ｅ_Ｐは、光検出器またはフ
ォトダイオード１３６によって検出され、調節信号に変
換される。該フォトダイオード１３６からの調節信号
は、必要に応じて、増幅器（図示略）によって増幅さ
れ、ロッキングサーボ１３８に供給される。該ロッキン
グサーボ１３８は、レーザ１１０をキャビティ１０２に
対してロックするために、調節信号を使用する。

【００６０】実際に、サーボ１３８は、接続配線１４０
を介して前記調節信号の高周波部分を第１のアクチュエ
ータ、例えば、圧電アクチュエータ（ＰＺＴ）１４２に
送信する。該ＰＺＴ１４２は、ミラー１０６を矢印Ａで
示された方向に移動させ、それによって、キャビティ１
０２の長さを調節する。この調節は、高周波外乱、例え
ば、ｋＨｚ範囲の外乱に対して行われる。この実施形態
では、単一のゲイン周波数、すなわち、高周波調節のた
めの中央周波数は、６０ｋＨｚに設定された。低周波調
節信号は、極長波および低周波に分割され、極長波は、
１Ｈｚに単一のゲインを有し、低周波は、１００Ｈｚに
単一のゲインを有している。極長波調節信号は、接続配
線１４４を通してレーザ１１０の温度制御装置（図示
略）に供給される。温度制御装置は、レーザ１１０の温
度を調節し、それによって、光線１１２の波長を調節す
る。低周波調節信号は、キャビティ１０２の長さを調節
するために、接続配線１４０を介してＰＺＴ１４２に送
られる。

【００６１】当業者であれば、このレーザ１１０をキャ
ビティ１０２に対してロックする方法が多くの方法で変
更可能であることを理解するだろう。また、当業者に公
知の他のロック技術を利用してもよい。しかしながら、
レーザ１１０が十分な精度でキャビティ１０２に対して
ロックされることが、キャビティ１０２を通した光の高
度かつ安定した光学的スループットを保証するというこ
とが重要である。言い換えると、ロッキングによって、
レーザ１１０とキャビティ１０２との間の結合中に生起
される強度の変動の問題を解決することができ、したが
って、従来技術の部分で述べた結合関連ノイズを消滅さ
せることができる。さらに、ロックは、十分に長い期
間、すなわち、サンプル１１４の少なくとも一回の走査
の期間にわたって安定であるべきである。

【００６２】走査ユニット１４６は、同調可能な範囲に
わたって光線の波長を同調するために、レーザ１１０に
接続されている。もちろん、ＰＺＴ１４２によってキャ
ビティ１０２の長さを変化させることも、キャビティ１
０２内の共振波長を変更するために用いることができ、
それによって、波長の同調または走査を達成することが
できる。しかしながら、一般には、高速走査（例えば、
数１００ＭＨｚ／ｓの範囲）は、走査ユニット１４６に
よって最も効率的に行われる。当業者であれば、与えら
れた状況において、最も実行可能な走査方法を認識しか
つ実行するであろう。

【００６３】キャビティ１０２内に、一旦十分な光が蓄
積されたならば、ＡＯＭ１２４は偏光Ｅ_Ｓの経路を遮る
ように切り替えられる。これにより、キャビティ１０２
内に蓄積された変更Ｅ_Ｓは、リングダウンしていく。特
に、リングダウン波Ｅ_ＲＤおよび局所振動波Ｅ_ＬＯに対
応する偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐを両方含むリングダウン光線１４
８が、リングダウン段階中にキャビティ１０２から発せ
られる。

【００６４】リングダウン光線１４８の経路に配置され
た複屈折プレート１５０およびＰＢＳ１５４は、光学的
結合器として機能する。光学的結合器の機能は、偏光Ｅ
_Ｓ，Ｅ_Ｐまたは波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯの積に比例する振幅を
有する放射を生成するために、偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐ、また
は、波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯを回転することである。例えば、
プレート１５０は、偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_ＰまたはＥ_ＲＤ，Ｅ
_ＬＯを４５°だけ回転する。ミラー１５２は、回転した
波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯをＰＢＳ１５４に反射し、該ＰＢＳ１
５４は各波の５０％を光検出器１５６に反射する。この
ようにして、波Ｅ_{Ｒ Ｄ}，Ｅ_ＬＯが干渉信号１５８に重ね
合わせられる。

【００６５】光検出器１５６の位置において、波
Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯの重ね合わせを最大にするために、光検
出器１５６の位置を調節してもよい。また、ＰＭ１２０
およびＡＯＭ１２４を、波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯの波頭の正確
な重ね合わせを達成するように調節してもよい。ＰＭ１
２０は波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯ間の位相差Φを消滅させるよう
に機能することが好ましい。ＡＯＭ１２４は、周波数差
δνを微調節するために使用される。すべての要素の最
適な設定は、光検出器１５６によって生起されたヘテロ
ダイン電流Ｉ_Ｈを監視することにより決定することがで
きる。

【００６６】ヘテロダイン検出回路１６０は、ヘテロダ
イン電流Ｉ_Ｈを受けて、該ヘテロダイン電流Ｉ_Ｈから、
上述したような第２の減衰率１／２τを決定する。トラ
ンスインピーダンス増幅器（図示略）が、光検出器１５
６によって生起された電流Ｉ _Ｈを検出回路１６０に供給
する前に増幅するために使用されることが好ましい。

【００６７】光検出器１５６は、波Ｅ_ＲＤ，Ｅ_ＬＯの重
ね合わせの結果生じたすべての光の半分のみを含む干渉
信号１５８を捕らえる。他の半分は、ＰＢＳ１５４を介
して第２の干渉信号１６２の形態で伝達される。破線で
示されているように、第２の検出器１６４が、第２の干
渉信号１６２を捕らえ、第２のヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを
生成するために設けられていてもよい。２つのヘテロダ
イン電流は、２倍大きい電流信号を得るために、ヘテロ
ダイン検出回路１６０において加え合わせられてもよ
い。この種の（光検出器１５６，１６４を使用する）二
重検出器ヘテロダイン検出技術は、より強いヘテロダイ
ン電流Ｉ_Ｈを生起するが、追加のノイズを発生する傾向
がある。当業者であれば、システム１００を二重検出器
モードで作動させるときには、注意深いバランスが必要
であることを理解するだろう。

【００６８】単一の光検出器１５６を使用するシステム
１００の性能は、図６，７のグラフによって示されてい
る。図６は、直接またはホモダイン検出およびヘテロダ
イン検出に対する２５６回のリングダウン減衰のグラフ
を比較している。ヘテロダイン検出のグラフに対する時
間の尺度は、減衰時間を等しくするために半分にされて
いる。挿入図は、ヘテロダイン検出に対する信号パワー
レベルを示している。システム１００は、直接検出に対
して、３１ｄＢまでのＳＮＲの増加を達成している。当
業者であれば、電子装置をさらに改良することにより、
真のショットノイズ制限された感度にシステム１００を
到達させることができることを理解するだろう。この条
件下で、サンプル１１４の吸収係数を測定可能な感度お
よび精度は、キャビティ１０２の長さ、ミラー１０４，
１０６，１０８の反射率およびレーザ１１０のレーザノ
イズ統計のみに依存することになる。最新の技術（ミラ
ーの反射率９９．９９９％、数１００μＷの範囲の最大
キャビティスループット）によれば、この発明に係るヘ
テロダイン検出を使用した吸収感度は、１回の減衰測定
に対して、約Δα＝１０^−１３ｃｍ^−１の吸収感度およ
び精度をもたらすことができる。そのような吸収感度に
よれば、典型的なＩＲ吸収特徴における光線１１２の内
部に数千個の分子を検出することが可能である。

【００６９】図７は、ＨＩＴＲＡＮ９６に発行された是
認されたデータと比較した、大気中に含まれる水蒸気の
スペクトルを示している。大気圧の水蒸気に対するシス
テム１００の感度は、約１ｐｐｍである。二乗平均ベー
スラインノイズは、２５６回の減衰測定に基づいて、Δ
α＝１０^−９ｃｍ^−１である。

【００７０】測定感度を増加させることに加えて、シス
テム１００は、容易に使用でき、他のノイズ低減方法を
も使用することができる。特に、システム１００は、レ
ーザのキャビティに対するロックおよびモード整形に利
点がある。これによりシステム１００は、実際のＣＲＤ
Ｓ装置に有効である。

【００７１】図４は、他のキャビティリングダウンシス
テム２００を示している。図３と対応する部分には同一
の符号を付している。好ましい実施形態において、シス
テム２００は、レーザ１１０から光線１１２を供給され
る。光線１１２は、スプリッタ１７０によって、信号波
Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}および振動波Ｅ_ＬＯとして機能する偏光
Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐに分割される。ＡＯＭ１３０および複屈折プ
レート１７２は、信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}および偏光
Ｅ_Ｓを調節するために使用される。

【００７２】偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓは、ＰＢＳ１３６によって
光線１１２に再結合される。光線１１２は、キャビティ
１０２内に入射される。反射した偏光Ｅ_Ｐは、上述した
好ましい実施形態と同様に、ＰＢＳ１３４、光検出器１
３６およびロッキングサーボ１３８によって、レーザ１
１０をキャビティ１０２にロックするために使用され
る。

【００７３】ＡＯＭ１３０は、キャビティ１０２のリン
グダウン段階を開始するために、偏光Ｅ_Ｓまたは信号波
Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}を遮る。リングダウン段階中にキャビテ
ィ１０２から発せられるリングダウン光線１４８は、直
交する偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓを含んでいる。システム２００
は、干渉信号１５８を生成するために偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓを
重ね合わせる結合器として、約４５°に方向付けられた
単一のＰＢＳ１７４を使用する。上記実施形態と同様
に、リングダウン光線１４８のすべての光の内の５０％
が、光検出器１５６に送られる干渉信号１５８内に含ま
れている。残りの光は、ＰＢＳ１７４によって第２の干
渉信号１６２に反射され、該第２の干渉信号１６２は、
ヘテロダイン検出のために使用されてもされなくてもよ
い（図示された実施形態では使用していない。）。

【００７４】他の実施形態に係るキャビティリングダウ
ンシステム３００が、図５に示されている。システム３
００は、上述したシステム１００に類似しているが、キ
ャビティ１０２によって伝達されるよりもむしろ反射さ
れた偏光Ｅ_Ｐ，Ｅ_Ｓが、リングダウン光線１４８として
使用される点において相違している。この実施形態にお
いて、リングダウン段階は、信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}とし
て機能する偏光Ｅ_Ｓの信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}を、波
Ｅ_Ｓがもはやキャビティ１０２内で共振しない値までシ
フトすることによって、ＡＯＭ１２４により開始される
ことが好ましい。

【００７５】複屈折プレート１８４およびＰＢＳ１８０
は、リングダウン光線１４８の偏光Ｅ_Ｓ，Ｅ_Ｐを重ねて
干渉信号１５８にするための結合器として機能する。第
２の干渉信号１８２はＰＢＳ１８０によって伝達され
る。偏光Ｅ_Ｐのみがロッキングサーボ１３８によって使
用されるので、偏光Ｅ_Ｓをその周波数に基づいて濾波す
るために、干渉信号１８２の経路にフィルタ１８６が配
置されている。このように、光検出器１３６は、偏光Ｅ
_Ｐのみを受信し、上述した実施形態における場合と同様
に、それを、レーザ１１０をキャビティ１０２にロック
するために使用する。

【００７６】上述した周波数ロックされたシステムのい
ずれも、ヘテロダイン技術によりリングアップ率を決定
するために使用される。リングアップ中の強度の変動の
ために、レーザのキャビティへのロック、または、リン
グダウンキャビティ内における光のスムーズなリングア
ップ他の任意の手段が必要である。測定の開始は、例え
ば、リングダウンが生じた後にＡＯＭが信号波Ｅ
_{ＳＩＧＮＡＬ}をオンにする時刻と一致させてもよい。

【００７７】リングアップの実施形態において、干渉信
号を生成する波は、リングアップ波Ｅ_ＲＵおよび局所振
動波Ｅ_ＬＯになる。もちろん、リングアップはＥ_ＲＵは
減衰率よりも増殖率１／τを示す。上述したように、干
渉信号を受信する光検出器が、局所振動波Ｅ_ＬＯとリン
グアップ波Ｅ_ＲＵとの間の最大の重ね合わせ点に配置さ
れている。光検出器は、干渉信号のヘテロダイン成分に
対応するヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを生起する。ヘテロダイ
ン電流Ｉ_Ｈは、第２の増殖率１／２τを有している。他
の部分では、ヘテロダイン検出技術は、リングダウンの
場合と同様に適用される。

【００７８】上述した実施形態を、この発明の範囲を逸
脱することなく多くの方法で変更可能であることは当業
者に明白である。例えば、リングダウン波および局所振
動波は、直交するが非線形の偏光を有していてもよい。
例えば、右円偏光および左円偏光を有していてもよい。
また、リングダウン波と局所振動波を重ねる光学装置
は、複屈折板および偏光ビームスプリッタを除く、他の
偏光回転要素を含んでいてもよい。例えば、他の実施形
態では、この目的のために、ファラデー回転子と半波長
板を使用することができることは、当業者に容易に理解
できることである。直交偏光を回転前に空間的に分離す
るために必要なウォークオフ要素のような追加の光学装
置、例えば、ファラデー回転子は当業者に周知である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 光へテロダイン検出のためのキャビティリン
グダウンシステムの概略図である。

【図２】 光へテロダイン検出のための他のキャビティ
リングダウンシステムの概略図である。

【図３】 この発明に係るキャビティリングダウンシス
テムの好ましい実施形態を示す概略図である。

【図４】 この発明に係るキャビティリングダウンシス
テムの他の実施形態を示す概略図である。

【図５】 この発明に係るキャビティリングダウンシス
テムのさらに他の実施形態を示す概略図である。

【図６】 従来技術のヘテロダイン検出に対して、この
発明に係る光へテロダイン検出の性能を比較したグラフ
である。

【図７】 この発明により得られた吸収スペクトルを示
すグラフである。

【符号の説明】

Ｅ_ＲＤ リングダウン波 Ｅ_ＬＯ 局所振動波 Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ} 信号波 １０，５０，１００，２００，３００ キャビティリン
グダウンシステム １２，１０２ リングダウンキャビティ ２４ スイッチング要素（切替手段） ２６，１２０ 位相変調器（位相調節手段） ２８，５２ 周波数変調器（周波数調節手段） ４２，１３６，１５６ 光検出器 １１０ レーザ（レーザ光源） １１６ 半波長板（偏光手段） １１８，１３０，１３４，１３６，１５４，１７４ 光
結合手段 １３８ ロッキングサーボ（ロック手段） １４２ 圧電アクチュエータ（ロック手段）

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｊ 9/04 Ｇ０１Ｊ 9/04 Ｇ０１Ｎ 21/21 Ｇ０１Ｎ 21/21 Ｚ 21/39 21/39 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｈ０１Ｓ 3/00 Ｆ // Ｇ０１Ｎ 21/03 Ｇ０１Ｎ 21/03 Ｂ (72)発明者 バーバラ エイ． パルデュス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94086 サニーベール， レイクサイド ドライブ 1249 2060号 (72)発明者 リチャード エヌ． ゼア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94305 スタンフォード， サンタ イネ ス ストリート 724

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の減衰率１／τで減衰するリングダ
   ウン波Ｅ_ＲＤを光ヘテロダイン検出するキャビティリン
   グダウンシステムであって、 ａ） 光線を供給するレーザ光源と、 ｂ） 前記光線から、局所振動周波数ν_ＬＯを有する局
   所振動波Ｅ_ＬＯと信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}を有する信
   号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}とを生起する一組の光学装置と、 ｃ） 前記局所振動波Ｅ_ＬＯおよび前記信号波Ｅ
   _{ＳＩＧＮＡＬ}を受信するリングダウンキャビティと、 ｄ） 該リングダウンキャビティが、前記局所振動波Ｅ
   _ＬＯおよび前記リングダウン波Ｅ_ＲＤを前記信号周波数
   ν_{ＳＩＧＮＡＬ}で発するリングダウン段階を開始するた
   めに、前記信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}を中断または変更する
   切替手段と、 ｅ） 前記局所振動周波数ν_ＬＯと前記信号周波数ν
   _{ＳＩＧＮＡＬ}との間の周波数差δνに関連するヘテロダ
   イン周波数を有する干渉信号を生起するために、前記局
   所振動波Ｅ_ＬＯを前記リングダウン波Ｅ_ＲＤと重ね合わ
   せる光結合手段と、 ｆ） 前記干渉信号を受信して、第２の減衰率１／２τ
   を有するヘテロダイン信号Ｉ_Ｈを生起する光検出器とを
   具備することを特徴とするキャビティリングダウンシス
   テム。
2. 【請求項２】 前記一組の光学装置が、前記局所振動波
   Ｅ_ＬＯに第１の偏光を与え、かつ、前記リングダウン波
   Ｅ_ＲＤに、前記第１の偏光とは異なる第２の偏光を与え
   る偏光手段を具備することを特徴とする請求項１記載の
   キャビティリングダウンシステム。
3. 【請求項３】 前記光結合手段が、偏光回転子、直線複
   屈折部材、円複屈折部材、ビームスプリッタおよび波長
   板からなるグループから選択された１以上の部材を具備
   し、 前記レーザ光源が連続波レーザであり、 前記局所振動波Ｅ_ＬＯを使用して前記連続波レーザに前
   記リングダウンキャビティをロックするロック手段をさ
   らに具備することを特徴とする請求項２記載のキャビテ
   ィリングダウンシステム。
4. 【請求項４】 前記周波数差δνが、前記リングダウン
   キャビティの異なるモード間の周波数差に等しいことを
   特徴とする請求項１記載のキャビティリングダウンシス
   テム。
5. 【請求項５】 前記周波数差δνが、前記リングダウン
   キャビティの同じモードの２つの偏光間の周波数差に等
   しいことを特徴とする請求項１記載のキャビティリング
   ダウンシステム。
6. 【請求項６】 前記局所振動波Ｅ_ＬＯと前記リングダウ
   ン波Ｅ_ＲＤとの間の位相を調節する位相調節手段をさら
   に具備することを特徴とする請求項１記載のキャビティ
   リングダウンシステム。
7. 【請求項７】 前記周波数差δνを調節する周波数調節
   手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の
   キャビティリングダウンシステム。
8. 【請求項８】 前記レーザ光源が連続波レーザであり、
   前記局所振動波Ｅ_ＬＯを使用して前記リングダウンキャ
   ビティを前記連続波レーザにロックするロック手段をさ
   らに具備することを特徴とする請求項１記載のキャビテ
   ィリングダウンシステム。
9. 【請求項９】 第１の成長率１／τで成長するリングア
   ップ波Ｅ_ＲＵを光ヘテロダイン検出するキャビティリン
   グダウンシステムであって、 ａ） 光線を供給する光源と、 ｂ） 前記光線から、局所振動周波数ν_ＬＯを有する局
   所振動波Ｅ_ＬＯと信号周波数ν_{ＳＩＧＮＡＬ}を有する信
   号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}とを生起する一組の光学装置と、 ｃ） 前記局所振動波Ｅ_ＬＯおよび前記信号波Ｅ
   _{ＳＩＧＮＡＬ}を受信するリングダウンキャビティと、 ｄ） 前記リングダウンキャビティが、前記信号周波数
   ν_{ＳＩＧＮＡＬ}で、前記局所振動波Ｅ_ＬＯおよび前記リ
   ングダウン波Ｅ_ＲＤを発するリングアップ段階を開始す
   るために、前記信号波Ｅ_{ＳＩＧＮＡＬ}をオンにし、また
   は、該信号波Ｅ _{ＳＩＧＮＡＬ}の信号周波数ν
   _{ＳＩＧＮＡＬ}を変更する切替手段と、 ｅ） 前記局所振動周波数ν_ＬＯと前記信号周波数ν
   _{ＳＩＧＮＡＬ}との間の周波数差δνに関連するヘテロダ
   イン周波数を有する干渉信号を生成するために、前記局
   所振動波Ｅ_ＬＯを前記リングアップ波Ｅ_ＲＵに重ね合わ
   せる光結合手段と、 ｆ） 前記干渉信号を受信して、第２の成長率１／２τ
   を有するヘテロダイン電流Ｉ_Ｈを生起する光検出器とを
   具備することを特徴とするキャビティリングダウンシス
   テム。
10. 【請求項１０】 前記一組の光学装置が、前記局所振動
    波Ｅ_ＬＯに第１の偏光を与え、前記リングアップ波Ｅ
    _ＲＵに、前記第１の偏光とは異なる第２の偏光を与える
    偏光手段を具備することを特徴とする請求項９記載のキ
    ャビティリングダウンシステム。