特許 6243322 機械振動子測定装置および機械振動子制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6243322

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】機械振動子測定装置および機械振動子制御装置

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20171127BHJP

【ＦＩ】

   G01H9/00 Z

   G01H9/00 C

【請求項の数】10

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2014-255924(P2014-255924)

(22)【出願日】2014年12月18日

(65)【公開番号】特開2016-114576(P2016-114576A)

(43)【公開日】2016年6月23日

【審査請求日】2016年12月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(72)【発明者】

【氏名】日達 研一

(72)【発明者】

【氏名】石澤 淳

(72)【発明者】

【氏名】後藤 秀樹

【審査官】 山口 剛

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２６１９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１６２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−２７４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１５８４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３１０９６８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｈ １／００ − １７／００

Ｇ０２Ｂ ６／００

Ｈ０３Ｈ ９／００ − ９／７６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
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。

【請求項2】

請求項１記載の機械振動子制御装置において、
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。

【請求項3】

請求項１または２記載の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、
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。

【請求項4】

請求項３記載の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、
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。

【請求項5】

請求項４記載の機械振動子制御装置において、
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。

【請求項6】

請求項３記載の機械振動子制御装置において、
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。

【請求項7】

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、
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。

【請求項8】

請求項７記載の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、
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。

【請求項9】

請求項８記載の機械振動子測定装置において、
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。

【請求項10】

請求項７記載の機械振動子測定装置において、
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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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）。

【0003】

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。

【0004】

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）。

【0005】

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ｆ_n、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。

【0006】

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ｆ_n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Δｆ_nとすると、Ｑ＝ｆ_n／Δｆ_nで与えられる。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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ｆ_repとｆ_rep＋Δｆ_rep)、繰り返しｆ_rep＋Δｆ_repのレーザーをポンプ光、繰り返しｆ_repのレーザーをプローブ光とする。例えば、ｆ_rep＝９９９．９９ＭＨｚ、Δｆ_rep＝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）。

【0013】

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／（ｆ_rep＋Δｆ_rep）＝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／ｆ_rep−１／（ｆ_rep＋Δｆ_rep）＝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／Δｆ_rep）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。

【0014】

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／Δｆ_rep）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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】A. N. Cleland and M. L. Roukes, "Ananometre-scale mechanical electrometer", Nature, vol.392, pp.160-162,1998.

【非特許文献2】I. Mahboob and H. Yamaguchi, "Bit storage and bit flip operations in an electromechanical oscillator", Nature anotechnology, vol.3, pp.275-279,2008.

【非特許文献3】A. D. O'Connell et al., "Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonator", Nature, vol.464, pp.687-703,2010.

【非特許文献4】http://www.brl.ntt.co.jp/j/activities/file/report11/report15.html

【非特許文献5】C. H. Metzger and K. Karrai, "Cavity cooling of a microlever", Nature, vol.432, pp.1002-1005,2004.

【非特許文献6】A. Bartels et al., "Ultrafast time-domain spectroscopy based on high-speed asynchronous optical sampling", Review of Scientific Instrument, vol.78, 035107, 2007.

【非特許文献7】A. Bruchhausen et al., "Subharmonic Resonant Optical Excitation of Confined Acoustic Modes in a Free-Standing Semiconductor Membrane at GHz Frequencies with a High-Repetition-Rate Femtosecond Laser", Physical Review Letters, vol.106, 077401, 2011.

【非特許文献8】T. Kobayashi et al., "Optical Pulse Compression Using High-Frequency Electrooptic Phase Modulation", IEEE Journal of quantum electronics, vol.24, no.2, pp.382-387, 1988.

【非特許文献9】A. Ishizawa eｔ al., "Octave-spanning frequency comb generated by 250 fs pulse train emitted from 25 GHz externally phase-modulated laser diode for carrier-envelope-offset-locking", Electronics Letters, vol.46, no.19, 1343, 2010.

【非特許文献10】T. Otsuji et al., "10.80-Gb/s Highly Extinctive Electrooptic Pulse Pattern Generation", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.2, no.3, pp.643-649,1996.

【非特許文献11】W. Kester, "Converting Oscillator Phase Noise to Time Jitter", Analog Devices MT-008 tutorial, 2009.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

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ｆ_repを機械振動子の共振周波数ｆ_n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ｆ_n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ｆ_repを共振周波数ｆ_nに合わせることは難しい。

【0017】

モードロックレーザーのｆ_rep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。

【0018】

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。

【課題を解決するための手段】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【発明の効果】

【0029】

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。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】図１は、本発明の実施の形態における機械振動子測定装置および機械振動子制御装置の構成を示す構成図である。

【図2】図２は、光周波数コムの周波数軸上における線スペクトルの状態を示す説明図（ａ）、および光周波数コムにおける光搬送波について示す説明図（ｂ）である。

【図3】図３は、光周波数コムの位相ノイズの測定結果例を示した特性図である。

【図4】図４は、機械振動子制御に対する位相制御（ａ）およびオンオフ制御（ｂ）における照射するポンプ光の状態を説明するための説明図である。

【図5】図５は、機械振動子振動をシミュレーションするための力学系を模式的に示した構成図である。

【図6】図６は、時刻２００ｎｓで位相シフトが０の場合［１］およびπの場合［２］における機械振動子の変位を時刻０から４００ｎｓまで計算した説明図（ａ）、（ａ）における変位を時刻３００から３１０ｎｓまで計算した結果を示す特性図（ｂ）、および機械振動子を止めるために、時刻２００ｎｓで自然減衰させた場合［３］、１段の逆パルスをかけた場合［４］、２段の逆パルスをかけた場合［５］の機械振動子の変位を計算した結果を示す特性図（ｃ）である。

【図7A】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。

【図7B】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。

【図7C】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。

【図8】図８は、機械振動子の実時間による振動とＱ値の定義を説明する説明図（ａ），（ｂ）、および機械振動子の共振スペクトルを模式的に示した説明図（ｃ）である。

【図9】図９は、ポンプ・プローブ法を実施するための装置の構成を示す構成図である。

【図10】図１０は、実時間上におけるＡＳＯＰＳによるポンプ光（繰り返し周波数ｆ_rep＋Δｆ_rep）およびプローブ光（繰り返し周波数ｆ_rep）の状態を説明するための説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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ｆ_rep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ｆ_repで変調することで、繰り返し周波数ｆ_rep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ｆ_rep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。

【0034】

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ｆ_rep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ｆ_rep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ｆ_rep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ｆ_rep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。

【0035】

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ｆ_repで変調することで、繰り返し周波数ｆ_rep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ｆ_rep＋Δｆ_repで変調させることで、繰り返し周波数ｆ_rep＋Δｆ_repの光コムを生成し、これをポンプ光とする。

【0036】

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ｆ_rep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Ｊ_q（ｘ）を用いて以下の式（１）として表すことができる。

【0037】

【数1】

【0038】

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qｆ_repだけ離れた光の電場が、Ｅ₀Ｊ_q（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。

【0039】

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）。

【0040】

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ｆ_rep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）。

【0041】

上述したように生成できる光コムの周波数ｆ_repを、機械振動子の共振周波数ｆ_n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。

【0042】

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ｆ_nと、共振周波数ｆ_n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。

【0043】

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。

【0044】

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ｆ_rep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ｆ_rep＋Δｆ_rep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。

【0045】

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ｆ_rep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ｆ_nにあうまで周波数ｆ_rep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。

【0046】

対象とする機械振動子１０４の共振周波数ｆ_nに、ｆ_rep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ｆ_rep／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。

【0047】

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。

【0048】

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ｆ_repとの関係式は「τ〜０．７／（２Δθｆ_rep）・・・（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。

【0049】

例えば、繰り返し周波数をｆ_rep＝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ｆ_rep＝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。

【0050】

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。

【0051】

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）。

【0052】

ＲＭＳジッター（RMS Phase Jitter）は、次の式（３）で定義される。

【0053】

【数2】

【0054】

例えば、ｆ_repを１ＧＨｚとするとＲＭＳジッターは、３１８ｆｓである。

【0055】

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。

【0056】

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ｆ_rep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。

【0057】

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、ｆ_rep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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

【数3】

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

［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。

【0069】

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（ｆ_rep）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。

【0070】

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（Δｆ_rep）だけ大きな周波数（ｆ_rep＋Δｆ_rep）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。

【0071】

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。

【0072】

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、ｆ_rep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。

【0073】

［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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

［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。

【0080】

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。

【0081】

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。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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。

【0088】

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。

【0089】

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。

【0090】

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ｆ_rep＋Δｆ_rep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。

【0091】

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。

【符号の説明】

【0092】

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。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】