JP2006138862A - Laser vibrometer - Google Patents

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Kenju Otsuka
建樹 大塚
Masao Ogaki
正雄 大垣
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Electron & Photon Laboratory Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser vibrometer attaining an actual time vibration measurement of a measuring object without adjustment, having ultra-high sensitivity, without the need for a device for extracting vibration signals, such as an optical interferometer. <P>SOLUTION: The laser vibrometer consists of a laser oscillator, a frequency shifter which passes a part of an output light emitted from the laser oscillator, that is the frequency shifter which a frequency shift quantity of a single round trip of a part of the output light coincides with a laser specific relaxation vibration frequency and is made to resonate. The laser vibrometer is equipped with a photodetector, a frequency-modulated wave demodulator and a signal processing device which makes a part of the output light passing through the frequency shifter to be incident on the object to be measured and to make the return light feed back from the object to be measured to the laser oscillator via the light frequency shifter and to process the laser output which is frequency-modulated in resonance fashion and with improved light sensitivity induced by the interference between the returned light and the output light. The vibration state of the measuring object is thus measured in actual time. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光干渉計及び超高感度検波器を使用することなく、被測定物の振動を実時間で、かつ極めて高い感度で測定することのできる、簡便・小型なレーザ振動計に関する。 The present invention relates to a simple and compact laser vibrometer that can measure the vibration of an object to be measured in real time and with extremely high sensitivity without using an optical interferometer and an ultrasensitive detector.

従来のレーザ振動計は、基本的に、図1のようにレーザ発振器から出力されるレーザ光を被測定物に入射させ、該被測定物の振動に応じてドップラーシフトした散乱光と前記レーザ出力光をマイケルソン干渉計などの光干渉計を用いて干渉させ、干渉縞の時間変化やビート信号を測定することにより、被測定物の振動を計測する方法が採られている。 A conventional laser vibrometer basically makes a laser beam output from a laser oscillator incident on a device under test as shown in FIG. 1, and performs a Doppler-shifted scattered light and the laser output according to the vibration of the device under test. A method of measuring the vibration of an object to be measured by causing light to interfere with each other using an optical interferometer such as a Michelson interferometer and measuring a time change of an interference fringe or a beat signal is employed.

しかしながら、このタイプのレーザ振動計では、レーザ出力光と極微弱な散乱光との波面を整合させるために、高精度・高安定に調整できる光干渉計が不可欠であり、また、超高感度の光検出器とヘテロダイン検波器を必要とするため、振動計として大型で、極めて高価なものになるという問題点がある。
(K.Otsuka,IEEE J.Quantum Electron.QE−15,655(1979))
However, in this type of laser vibrometer, an optical interferometer that can be adjusted with high accuracy and high stability is indispensable in order to match the wave fronts of the laser output light and the extremely weak scattered light. Since a photodetector and a heterodyne detector are required, there is a problem that the vibration meter is large and extremely expensive.
(K. Otsuka, IEEE J. Quantum Electron. QE-15, 655 (1979)).

本発明の課題は、上記の光干渉計など振動信号を抽出する装置を一切必要とせずに、被測定物の実時間振動計測を無調整且つ超高感度で達成することのできるレーザ振動計を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a laser vibrometer that can achieve real-time vibration measurement of an object to be measured with no adjustment and ultra-high sensitivity without requiring any device for extracting a vibration signal such as the above optical interferometer. It is to provide.

上記課題は、本発明のレーザ振動計により解決することができる。すなわち、レーザ発振器から出射する出力光の一部を光周波数シフターを通過させた後、被測定物に入射させ、被測定物からの戻り光と前記出力光との干渉により誘起されるレーザ出力の変調波形を、光検出器、周波数変調波復調器および信号処理装置で処理することにより、被測定物の振動を計測するレーザ振動計である。 The above problems can be solved by the laser vibrometer of the present invention. That is, after a part of the output light emitted from the laser oscillator passes through the optical frequency shifter, it is made incident on the object to be measured, and the laser output induced by the interference between the return light from the object to be measured and the output light. This is a laser vibrometer that measures the vibration of the device under test by processing the modulated waveform with a photodetector, a frequency modulated wave demodulator, and a signal processing device.

上記のレーザ振動計において、被測定物からの戻り光は、レーザ発振器の発振軸方向に無調整で帰還される。この帰還光は、光周波数シフターによる1パス当たりの周波数シフト量の2倍の周波数をキャリア周波数fとして、被測定物受光面の振動に伴うドップラー効果による周波数変調を受けている。この帰還光のコヒーレント電界成分は、レーザ発振器から出射した発振出力光電界と干渉する。その結果、発振出力光電界の周波数と周波数変調された帰還光電界の差の周波数で干渉縞の明部と暗部が交互にレーザ出力鏡に現れる。従って、出力鏡の透過率、すなわちレーザ発振器の損失が上記差の周波数で等価的に変調され、レーザ出力はfをキャリア周波数とする周波数変調波の形の強度変調を受けることになる(K.Otsuka,IEEE J.Quantum Electron.QE−15,655(1979))。 In the laser vibrometer, the return light from the object to be measured is fed back without adjustment in the direction of the oscillation axis of the laser oscillator. The feedback light is twice the frequency shift amount per one pass due to optical frequency shifter as the carrier frequency f c, is subjected to frequency modulation by the Doppler effect associated with the vibration of the object-receiving surface. The coherent electric field component of this feedback light interferes with the oscillation output light electric field emitted from the laser oscillator. As a result, bright portions and dark portions of interference fringes alternately appear in the laser output mirror at the frequency of the difference between the frequency of the oscillation output optical electric field and the frequency-modulated feedback optical field. Therefore, the transmittance of the output mirror, that is, the loss of the laser oscillator is equivalently modulated at the above difference frequency, and the laser output is subjected to intensity modulation in the form of a frequency-modulated wave having fc as the carrier frequency (K Otsuka, IEEE J. Quantum Electron. QE-15, 655 (1979)).

この変調された発振光を光検出器で検出して電気信号に変換し、この電気信号を周波数変調波復調器で検波し、振動振幅を信号処理装置で実時間で表示・記録する。振動振幅A(t)は、レーザの発振波長をλ、周波数fのキャリア波と変調波の位相差をΔφ(t)とすると、
(t)=λΔφ(t)
で与えられる。従って、通常のFM受信機と同様に、周波数変調波復調器で位相差を検出することにより、振動振幅変化Av(t)を実時間にて測定することができる。
The modulated oscillation light is detected by a photodetector and converted into an electrical signal, the electrical signal is detected by a frequency modulation wave demodulator, and the vibration amplitude is displayed and recorded in real time by a signal processing device. The vibration amplitude A v (t) is the oscillation wavelength of the laser lambda, when the phase difference between the carrier wave and the modulation wave frequency f c and [Delta] [phi (t),
A v (t) = λΔφ (t)
Given in. Therefore, the vibration amplitude change Av (t) can be measured in real time by detecting the phase difference with the frequency modulation wave demodulator, as in the case of a normal FM receiver.

ここで、従来、自己光混合変調がレーザの飽和効果などレーザの非線形性に基づくものとする間違った理解があることを指摘しておきたい。レーザは、符号に依らず差周波数で変調を受けるため、光周波数シフターによる周波数オフセットの付与は、振動振幅、振動方向の検出に不可欠な要素である。光周波数シフターを用いない場合、変位を求めるには、変調信号の最大値あるいは最小値の交番回数を電子カウンタなどで計数する必要があり、自己光混合変調効果の特徴を奏することができず、実時間計測は達成されない。 Here, it should be pointed out that there is a misunderstanding that the self-mixing modulation is based on the nonlinearity of the laser such as the saturation effect of the laser. Since the laser is modulated at the difference frequency regardless of the sign, the application of the frequency offset by the optical frequency shifter is an indispensable element for detecting the vibration amplitude and the vibration direction. When the optical frequency shifter is not used, in order to obtain the displacement, it is necessary to count the number of alternating modulation signal maximum values or minimum values with an electronic counter or the like, and the self-light mixing modulation effect cannot be achieved, Real-time measurement is not achieved.

本発明の一実施形態によるレーザ振動計によれば、極少光強度帰還率でナノメータ領域の振動を簡便且つ実時間で計測することができる。特に、従来の光干渉計を基本としたレーザ振動計とは異なり、レーザ出力の変調度は、光強度帰還率のみで決定され、レーザ出力パワーに全く依存しないので、小型低出力レーザを用いてレーザ振動計を構成できる効果がある。 According to the laser vibrometer according to an embodiment of the present invention, vibration in the nanometer region can be measured easily and in real time with an extremely low light intensity feedback rate. In particular, unlike a laser vibrometer based on a conventional optical interferometer, the modulation degree of the laser output is determined only by the light intensity feedback rate, and does not depend on the laser output power at all. There is an effect that a laser vibrometer can be configured.

本発明の一実施形態によるレーザ振動計によれば、レーザ発振器からの出力光を光ファイバーを介して被測定物に入射させるので、生体内部などレーザ光を直接入射することのできない場合や、遠距離にある被測定物の測定に対応させることのできる帰還光学系を構成することができる。とくに、コヒーレンス長の長い固体レーザにおいては1キロメートル程度離れた被測定物のリモートセンシングも可能である。 According to the laser vibrometer according to one embodiment of the present invention, the output light from the laser oscillator is incident on the object to be measured via the optical fiber. It is possible to configure a feedback optical system that can correspond to the measurement of the object to be measured. In particular, in a solid-state laser having a long coherence length, remote sensing of an object to be measured about 1 km away is possible.

本発明の一実施形態によるレーザ振動計によれば、レーザ発振器からの出力光を複数に分割し、それぞれ異なる被測定物に入射させ、複数の被測定物の振動を計測する帰還光学系を具備させることとしたので、光路切り替えにより、単一のレーザで複数の被測定物の振動をほぼ同時に計測することができる。また、光変調器などによる光路の高速切り替えを採用することにより、同一振動体の異なる場所への入射により、3次元物体の振動振幅、振動方向の実時間計測という優れた効果も奏することができる。 According to the laser vibrometer according to one embodiment of the present invention, the output light from the laser oscillator is divided into a plurality of parts, each of which is incident on different objects to be measured, and provided with a feedback optical system that measures the vibrations of the objects to be measured. Therefore, vibrations of a plurality of objects to be measured can be measured almost simultaneously with a single laser by switching the optical path. In addition, by adopting high-speed switching of the optical path by an optical modulator or the like, it is possible to achieve an excellent effect of real-time measurement of vibration amplitude and vibration direction of a three-dimensional object due to incidence of the same vibrator on different places. .

本発明の一実施形態によるレーザ振動計によれば、レーザ固有の緩和振動周波数に光周波数シフターでの周波数シフト量を共鳴させることとしたので、光感度の更なる増強というすぐれた効果を奏することができる。この効果は、光干渉計を使用する従来のレーザ振動計では実現できないものである。 According to the laser vibrometer according to the embodiment of the present invention, since the frequency shift amount in the optical frequency shifter is made to resonate with the relaxation oscillation frequency unique to the laser, an excellent effect of further enhancing the photosensitivity can be obtained. Can do. This effect cannot be realized by a conventional laser vibrometer using an optical interferometer.

以上により、微調整可能な高安定化光干渉計や超高感度の信号処理系を一切必要とせずに、多数の被測定物や3次元被測定物の振動を実時間で簡便且つ超高光感度で測定することのできる小型・安価なレーザ振動計を提供することができる。 As described above, vibration of a large number of objects to be measured and three-dimensional objects can be easily and ultra-highly sensitive in real time without requiring any highly-stabilized optical interferometer or ultra-high sensitivity signal processing system. It is possible to provide a small and inexpensive laser vibrometer that can be measured by the above method.

本発明の振動計は、地震微弱振動の振幅・方向の同時計測、乱流流体の計測、被測定物のスキャンによる表面形状計測など多岐にわたる光計測分野に適用することができる。 The vibrometer of the present invention can be applied to a wide variety of optical measurement fields such as simultaneous measurement of the amplitude and direction of weak earthquake vibrations, measurement of turbulent fluid, and surface shape measurement by scanning an object to be measured.

第1の実施形態は、上記のレーザ振動計において、レーザ発振器からの出力光を光ファイバーを介して被測定物に入射させるというものである。これにより、レーザ光を被測定物に直接入射させることができない場合にも円滑に対応することができる。 In the first embodiment, in the laser vibrometer described above, output light from a laser oscillator is incident on an object to be measured via an optical fiber. Accordingly, it is possible to smoothly cope with the case where the laser beam cannot be directly incident on the object to be measured.

第2の実施形態は、上記のレーザ振動計において、レーザ発振器からの出力光を多数に分岐し、それぞれを異なる被測定物や3次元被測定物の異なる場所に入射させ、多数の被測定物や3次元被測定物からの多数の戻り光を前記レーザ発振器に帰還させるというものである。 In the second embodiment, in the above-described laser vibrometer, the output light from the laser oscillator is branched into a large number of pieces, and each of them is incident on different places of different objects to be measured or three-dimensional objects to be measured. In addition, a large number of return lights from the three-dimensional object to be measured are fed back to the laser oscillator.

第3の実施形態は、上記のレーザ振動計において、光周波数シフターでの周波数シフト量をレーザ固有の緩和振動周波数に一致させ、共鳴させるというものである。これにより光感度の更なる向上を達成することができる。 The third embodiment is such that in the laser vibrometer described above, the frequency shift amount in the optical frequency shifter is made to coincide with the relaxation oscillation frequency inherent to the laser and resonated. Thereby, the further improvement of a photosensitivity can be achieved.

以下、本発明に係わるレーザ振動計の各実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。 Embodiments of the laser vibrometer according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

(第1実施例)
図2は、本発明の第1実施例のレーザ振動計を示す概略構成図である。このレーザ振動計1は、レーザ発振器2、ビームスプリッタ3、光周波数シフター4、集光レンズ5、被測定物6、光検出器7、周波数変調波復調器8、信号処理装置9から概略構成されている。光検出器7としては、例えばInGaAs(インジュウム・ガリウム・砒素)からなるフォトダイオード等が、また、信号処理装置9としてはディジタルオシロスコープ、ディジタル・フォスファ・オシロスコープ、スペクトル・アナライザーなどが好適に用いられる。
(First embodiment)
FIG. 2 is a schematic block diagram showing the laser vibrometer of the first embodiment of the present invention. The laser vibrometer 1 is schematically composed of a laser oscillator 2, a beam splitter 3, an optical frequency shifter 4, a condenser lens 5, a device under test 6, a photodetector 7, a frequency modulation wave demodulator 8, and a signal processing device 9. ing. For example, a photodiode made of InGaAs (indium gallium arsenide) or the like is suitably used as the photodetector 7, and a digital oscilloscope, a digital phosphor oscilloscope, a spectrum analyzer, or the like is suitably used as the signal processing device 9.

光周波数シフター4の構造の一例は図11に示す通りで、圧電媒質と超音波を伝搬させる音響光学効果を有する光学媒質から構成される。動作原理を以下に説明する。発振器により圧電媒質に周波数fsの超音波を発生させる。超音波が光学媒質中を伝搬すると、音響光学効果により超音波の波長λsの周期を持つ屈折率の粗密格子が音速で進行することとなり、レーザ入射波の波長をλとすると、ブラッグの条件:
2λsinθ=λ
が満たされるとき、図11に示すように、角度θ方向にレーザ光が回折される。ブラッグの条件は運動量保存則と等価である。また、図11の場合、レーザ入射波は超音波からエネルギーをもらい、回折光の周波数fは、入射波の周波数をfとして、エネルギー保存則により、
=f+f
となる。図11で超音波の進行方向が逆転した場合は、レーザ入射波が超音波にエネルギーを与え、回折光の周波数はエネルギー保存則により、
=f−f
となる。これらの現象はブリュリアン散乱と呼ばれ、この現象を用いた光周波数シフターが音響光学変調器である。
An example of the structure of the optical frequency shifter 4 is as shown in FIG. 11, and is composed of a piezoelectric medium and an optical medium having an acoustooptic effect for propagating ultrasonic waves. The operation principle will be described below. An ultrasonic wave having a frequency fs is generated in the piezoelectric medium by an oscillator. When an ultrasonic wave propagates through an optical medium, an acousto-optic effect causes a refractive index coarse / dense grating having a period of the ultrasonic wave wavelength λs to travel at the speed of sound. When the wavelength of a laser incident wave is λ, the Bragg condition:
s sin θ = λ
As shown in FIG. 11, the laser beam is diffracted in the angle θ direction. Bragg's condition is equivalent to the momentum conservation law. In the case of FIG. 11, the laser incident wave obtains energy from the ultrasonic wave, and the frequency f d of the diffracted light is f, where the frequency of the incident wave is f.
f d = f + f s
It becomes. When the traveling direction of the ultrasonic wave is reversed in FIG. 11, the laser incident wave gives energy to the ultrasonic wave, and the frequency of the diffracted light is determined by the energy conservation law.
f d = f−f s
It becomes. These phenomena are called Brulian scattering, and an optical frequency shifter using this phenomenon is an acousto-optic modulator.

なお、このレーザ振動計1においては、集光レンズ5は必ずしも必要ではない。また、ビームスプリッタ3を除き、レーザ発振器2の反対側から出射する出力光を光検出器で検出し、周波数変調波復調器8と信号処理装置9を用いて振動を計測する構成も当然含まれる。 In the laser vibrometer 1, the condenser lens 5 is not always necessary. In addition, a configuration in which output light emitted from the opposite side of the laser oscillator 2 except for the beam splitter 3 is detected by a photodetector and vibration is measured using the frequency modulation wave demodulator 8 and the signal processing device 9 is naturally included. .

図3は、前記レーザ振動計1のより具体的な構成を示す構成図である。このレーザ振動計10は、レーザ発振器として半導体レーザ11で励起される、発振波長λ=1048nm、1mm厚のリチウム・ネオジム・テトラフォスフェイトレーザ(LiNdP12=LNPレーザ)12を用い、ビームスプリッタ3と光周波数シフター4との間に可変光減衰器13を挿入し、被測定物としてスピーカー14を用いた。光周波数シフターとしては、図11で説明したように、2台の音響光学変調器15、16を用い、それぞれの変調器に周波数f、fの電圧を印加し、レーザ入射波に対して互いに反対方向に超音波を伝搬させた。正負の周波数シフト量f、−fを調節して、往復の周波数シフト量:
=2(f−f
を設定した。信号処理装置9としては、スペクトラム・アナライザ、ディジタル・オシロスコープのいずれかを用いた。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a more specific configuration of the laser vibrometer 1. This laser vibrometer 10 uses a lithium neodymium tetraphosphate laser (LiNdP 4 O 12 = LNP laser) 12 having an oscillation wavelength λ = 1048 nm and a thickness of 1 mm, which is excited by a semiconductor laser 11 as a laser oscillator, and a beam splitter. A variable optical attenuator 13 was inserted between the optical frequency shifter 4 and the optical frequency shifter 4, and a speaker 14 was used as an object to be measured. As described with reference to FIG. 11, two acousto-optic modulators 15 and 16 are used as the optical frequency shifter. Voltages of frequencies f 1 and f 2 are applied to the respective modulators, and the laser incident wave is affected. Ultrasonic waves were propagated in opposite directions. By adjusting the positive and negative frequency shift amounts f 1 and −f 2 , the reciprocating frequency shift amount:
f c = 2 (f 1 -f 2)
It was set. As the signal processing device 9, either a spectrum analyzer or a digital oscilloscope was used.

図4は、スピーカー14に2Vの正弦波電圧を印加して該スピーカーを振動させたときのレーザ出力光の変調波形(同図(a))とそのパワースペクトル(同図(b))を示す。平均表面粗さ100μmのスピーカー粗面からレーザ発振器への光強度の帰還率は−100dBであった。パワースペクトルには
=2MHz
をキャリア周波数として周波数変調に特有の測帯波が形成されている。測帯波の周波数間隔から振動周波数f=22.6kHzが求まり、FM変調指数βの測定値から、振動振幅が
=λβ/2π=60nm
と求まる。
FIG. 4 shows a modulation waveform (FIG. (A)) and a power spectrum (FIG. (B)) of laser output light when a sine wave voltage of 2 V is applied to the speaker 14 to vibrate the speaker. . The feedback rate of the light intensity from the speaker rough surface with an average surface roughness of 100 μm to the laser oscillator was −100 dB. F c = 2MHz to the power spectrum
As a carrier frequency, a band to be measured specific to frequency modulation is formed. The vibration frequency f m = 22.6 kHz is obtained from the frequency interval of the measurement band, and the vibration amplitude is A v = λβ / 2π = 60 nm from the measured value of the FM modulation index β.
It is obtained.

図5は、光検出器7からの変調出力を周波数変調波復調器8で検波し、ディジタル・オシロスコープで計測した実時間の電圧と対応する振動波形を示す。異なる印加電圧について示したものである。 FIG. 5 shows the vibration waveform corresponding to the real-time voltage measured by the digital oscilloscope when the modulation output from the photodetector 7 is detected by the frequency modulation wave demodulator 8. The different applied voltages are shown.

これらの実験結果より動作原理が確認され、また、実時間でのナノメートル領域の振動計測が実証された。このレーザ振動計では、音声周波数帯域20Hz〜20kHzにおいて、0.08μm(マイクロメートル)〜0.8mm(ミリメートル)の範囲での振動振幅計測が達成された。対応する計測速度範囲は10μm(マイクロメートル)/秒〜10cm(センチメートル)/秒である。 These experimental results confirmed the operating principle and demonstrated vibration measurements in the nanometer range in real time. With this laser vibrometer, vibration amplitude measurement in the range of 0.08 μm (micrometer) to 0.8 mm (millimeter) was achieved in the audio frequency band of 20 Hz to 20 kHz. The corresponding measurement speed range is 10 μm (micrometer) / second to 10 cm (centimeter) / second.

この振動計の顕著な特徴は、共振器厚1mmのマイクロチップ固体レーザを使用することにより、−100dBという極少の光強度帰還率εでナノメートル領域の振動計測を実時間で達成できる点にある。レーザの強度変調度Mは
K=τ/τ
(τ:蛍光寿命、τ:光子寿命)として
M∝Kε1/2
で表される。マイクロチップ固体レーザでは、共振器長に比例する光子寿命を蛍光寿命(100μs程度)に比べて5〜7桁短くできるため、驚異的な光感度を容易に実現することができる。また、Kを一定とすれば、レーザの強度変調度は光強度帰還率のみで決定され、レーザの出力パワーに全く依存しない。
A prominent feature of this vibrometer is that vibration measurement in the nanometer region can be achieved in real time with a minimum light intensity feedback factor ε of −100 dB by using a microchip solid-state laser with a resonator thickness of 1 mm. . The intensity modulation degree M of the laser is K = τ / τ p
(Τ: fluorescence lifetime, τ p : photon lifetime) M∝Kε 1/2
It is represented by In the microchip solid-state laser, the photon lifetime proportional to the resonator length can be shortened by 5 to 7 orders of magnitude compared to the fluorescence lifetime (about 100 μs), and thus it is possible to easily realize amazing light sensitivity. If K is constant, the intensity modulation degree of the laser is determined only by the light intensity feedback rate and does not depend on the output power of the laser at all.

また、レーザでの自己光混合変調を利用することにより実現される更なる際だった特徴は、光周波数シフターによる周波数シフト量をレーザ固有の緩和振動周波数に一致させて共鳴させることにより、光感度を更に飛躍的に向上させることが可能になることである。 A further distinctive feature realized by using self-light mixing modulation in the laser is that the optical frequency shifter resonates by matching the frequency shift amount by the optical frequency shifter with the relaxation oscillation frequency unique to the laser. It is possible to improve drastically further.

緩和振動周波数fは、
∝(P/Pth−1)1/2
(ここに、P:レーザの励起パワー、Pth:レーザの閾値励起パワー)
で与えられるので、レーザへの励起パワーを調節する機構を具備することにより、容易に共鳴効果をもたらすことができる。
The relaxation oscillation frequency f R is
f R ∝ (P / Pth-1) 1/2
(Where P: laser excitation power, Pth: laser threshold excitation power)
Therefore, by providing a mechanism for adjusting the excitation power to the laser, a resonance effect can be easily provided.

このように、緩和振動周波数fはレーザへの励起パワーを変化させることにより、光周波数シフト量(キャリア周波数)は超音波の周波数を変化させることにより、それぞれ独立に、かつ任意の値に調整できる。この特徴を利用して、後述する第2実施例の実験において、f=f=2MHzに調節することにより、20dBの光感度の増強が達成され、−120dBの光強度帰還率で、図4〜図5の実験結果が再現された。この場合、周波数変調の最大周波数偏移が緩和振動の共鳴幅に比べ十分小さいため、線形性を損なうことはない。同様の光感度増強効果は以下の全ての実施例においても実証された。従来のマイケルソン干渉計を基本とした振動計において用いられる光周波数シフターは、単に周波数オフセットを与えるだけであり、光感度の増強効果は原理的に発現しない。 As described above, the relaxation oscillation frequency f R is adjusted to an arbitrary value independently by changing the excitation power to the laser, and the optical frequency shift amount (carrier frequency) is changed by changing the frequency of the ultrasonic wave. it can. Using this feature, in the experiment of the second embodiment to be described later, by adjusting to f R = f c = 2 MHz, the enhancement of the light sensitivity of 20 dB is achieved, and the light intensity feedback rate of −120 dB is obtained. The experimental results of 4 to 5 were reproduced. In this case, since the maximum frequency shift of the frequency modulation is sufficiently smaller than the resonance width of the relaxation oscillation, the linearity is not impaired. Similar photosensitivity enhancement effects were demonstrated in all the following examples. An optical frequency shifter used in a conventional vibrometer based on a Michelson interferometer simply gives a frequency offset, and does not exhibit the effect of enhancing the optical sensitivity in principle.

(第2実施例)
図6は、本発明の第2実施例のレーザ振動計を応用した実時間音声再生装置17を示す構成図である。この音声再生装置17では、第1実施例の振動計において、スピーカー14にディジタル・ディスクプレーヤー18の出力を印加し、殆ど聞き取れない程度(音圧レベル<20dB SPL)の振幅で該スピーカーを振動させ、該スピーカーの振動信号を周波数変調波復調器8で検波し、他のスピーカー19から明瞭な音楽を実時間で再生することができた。共鳴効果を利用することにより、光強度帰還率−120dBで、電子カウンタや周波数分析器などの煩雑な装置を一切使用せずに、簡便な周波数変調波復調器のみにより実時間再生を達成した。図7は、音楽の音量が急激に変化した時のスピーカ表面の振動波形をとらえたものである。
(Second embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a real-time sound reproducing device 17 to which the laser vibrometer of the second embodiment of the present invention is applied. In the sound reproducing device 17, in the vibrometer of the first embodiment, the output of the digital disk player 18 is applied to the speaker 14, and the speaker is vibrated with an amplitude that is hardly audible (sound pressure level <20 dB SPL). The vibration signal of the speaker was detected by the frequency modulation wave demodulator 8, and clear music could be reproduced from the other speakers 19 in real time. By using the resonance effect, real-time reproduction was achieved only with a simple frequency modulation wave demodulator with a light intensity feedback rate of -120 dB and without using any complicated device such as an electronic counter or a frequency analyzer. FIG. 7 shows the vibration waveform on the speaker surface when the volume of music suddenly changes.

(第3実施例)
図8のレーザ振動計20は、本発明の第1実施例のレーザ振動計10において、被測定物6へのレーザ発振光の入射を光ファイバー21を介して行なったものである。振動計測結果は第1実施例のレーザ振動計と同等である。
(Third embodiment)
The laser vibrometer 20 shown in FIG. 8 is the laser vibrometer 10 according to the first embodiment of the present invention in which the laser oscillation light is incident on the DUT 6 via the optical fiber 21. The vibration measurement result is equivalent to the laser vibrometer of the first embodiment.

(第4実施例)
図9の音声再生装置は、本発明の第2実施例の音声再生装置17において、被測定物14へのレーザ発振光の照射を光ファイバー21を介して行なったものである。音声再生結果は第2実施例の音声再生装置と同等である。
(Fourth embodiment)
The sound reproducing apparatus of FIG. 9 is obtained by irradiating the device under test 14 with laser oscillation light via the optical fiber 21 in the sound reproducing apparatus 17 of the second embodiment of the present invention. The sound reproduction result is equivalent to that of the sound reproducing device of the second embodiment.

(第5実施例)
図10のレーザ振動計23は、本発明の第1実施例のレーザ振動計10において、レーザ発振器からの出力光を複数に分割し、それぞれ異なるスピーカー14に入射させ、光路を切り替えることにより、単一のレーザで複数のスピーカー14の振動を計測するものである。第1実施例のレーザ振動計10と同等の振動計測が個々のスピーカーについて実証された。また、第4実施例のごとく光ファイバーを用いても同様の結果が得られた。図10には3個のスピーカーを示しているが、より多数でも構わない。また、光変調器などによる光路の高速切り替えを採用することにより、多数の振動体のほぼ同時計測が可能である。さらに、同一振動体の異なる場所への入射により、航空機翼などに代表される3次元物体の異なる場所の振動振幅、振動方向の実時間計測というレーザ振動計10より優れた効果も奏することができる。
(5th Example)
The laser vibrometer 23 of FIG. 10 is the same as the laser vibrometer 10 of the first embodiment of the present invention, except that the output light from the laser oscillator is divided into a plurality of parts and incident on different speakers 14 to switch the optical path. The vibration of the plurality of speakers 14 is measured with one laser. Vibration measurement equivalent to that of the laser vibrometer 10 of the first embodiment was demonstrated for each speaker. Similar results were obtained even when an optical fiber was used as in the fourth example. FIG. 10 shows three speakers, but a larger number may be used. In addition, by employing high-speed switching of the optical path by an optical modulator or the like, it is possible to measure a large number of vibrating bodies almost simultaneously. Furthermore, the incidence of the same vibrator on different locations can also provide an effect superior to the laser vibrometer 10 in real time measurement of vibration amplitude and vibration direction of different locations of a three-dimensional object represented by an aircraft wing or the like. .

従来のレーザ振動計の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional laser vibrometer. 本発明の第1実施例としての、レーザ振動計を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the laser vibrometer as 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のレーザ振動計のより具体的な構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the more concrete structure of the laser vibrometer of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例のレーザ振動計において、(a)レーザ出力光の変調波形および(b)対応するパワースペクトルを測定した実験結果を示す図である。In the laser vibrometer of 1st Example of this invention, it is a figure which shows the experimental result which measured (a) the modulation waveform of laser output light, and (b) the corresponding power spectrum. 本発明の第1実施例のレーザ振動計を用いてスピーカーの振動波形を計測した実験結果を示す図である。It is a figure which shows the experimental result which measured the vibration waveform of the speaker using the laser vibrometer of 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例としての、音声再生装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the audio | voice reproduction apparatus as 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の音声再生装置でとらえたスピーカーの振動波形である。It is the vibration waveform of the speaker caught with the audio | voice reproduction apparatus of 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例としての、光ファイバーアクセス型レーザ振動計の構成図である。It is a block diagram of the optical fiber access type | mold laser vibrometer as 3rd Example of this invention. 本発明の第4実施例としての、光ファイバーアクセス型音声再生装置の構成図である。It is a block diagram of the optical fiber access type audio | voice reproduction apparatus as 4th Example of this invention. 本発明の第5実施例としての、複数の被測定物に対応したレーザ振動計の構成図であるIt is a block diagram of the laser vibrometer corresponding to a several to-be-measured object as 5th Example of this invention. 本発明に用いる光周波数シフターの構造の一例を、その作用と共に説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining an example of the structure of the optical frequency shifter used for this invention with the effect | action.

符号の説明Explanation of symbols

1、10、20、23…レーザ振動計
2…レーザ発振器
3…ビームスプリッタ
4…光周波数シフター
5…集光レンズ
6…被測定物(本発明外)
7…光検出器
8…周波数変調波復調器
9…信号処理装置
11…半導体レーザ
12…LNP固体レーザ
13…可変光減衰器
14、19…スピーカー
15、16…音響光学変換器
17、22…音声再生装置
18…ディジタル・ディスクプレーヤー
21…光ファイバー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 10, 20, 23 ... Laser vibrometer 2 ... Laser oscillator 3 ... Beam splitter 4 ... Optical frequency shifter 5 ... Condensing lens 6 ... To-be-measured object (outside this invention)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... Optical detector 8 ... Frequency modulation wave demodulator 9 ... Signal processing apparatus 11 ... Semiconductor laser 12 ... LNP solid state laser 13 ... Variable optical attenuator 14, 19 ... Speaker 15, 16 ... Acousto-optic converter 17, 22 ... Audio | voice Playback device 18 ... Digital disc player 21 ... Optical fiber

Claims (5)

レーザ発振器と、
前記レーザ発振器から出射する出力光の一部を通過させる周波数シフターであって、前記出力光の一部の一往復の周波数シフト量を前記レーザ固有の緩和振動周波数に一致させて共鳴させる周波数シフターと、
前記周波数シフターを通過した前記出力光の一部を被測定物に入射させ、前記被測定物からの戻り光を前記光周波数シフターを介して前記レーザ発振器に帰還させ、前記戻り光と前記出力光との干渉により誘起される光感度が向上し共鳴的に周波数変調されたレーザ出力を処理する光検出器、周波数変調波復調器及び信号処理装置と
を備えたレーザ振動計であって、
前記被測定物の振動状態を実時間にて計測することを特徴とするレーザ振動計。
A laser oscillator;
A frequency shifter that allows a part of the output light emitted from the laser oscillator to pass therethrough, and makes a frequency shift amount of one round trip of the part of the output light coincide with a relaxation oscillation frequency unique to the laser; ,
A part of the output light that has passed through the frequency shifter is incident on the object to be measured, and return light from the object to be measured is fed back to the laser oscillator via the optical frequency shifter, and the return light and the output light A laser vibrometer comprising a photodetector, a frequency-modulated wave demodulator, and a signal processing device that process a laser output that is resonantly frequency-modulated with improved photosensitivity induced by interference with
A laser vibrometer that measures the vibration state of the object to be measured in real time.
前記周波数シフターと前記被測定物との間に光ファイバーを設けることを特徴とする請求項1に記載のレーザ振動計。 The laser vibrometer according to claim 1, wherein an optical fiber is provided between the frequency shifter and the object to be measured. 前記レーザの励起パワーを変化させることにより前記レーザ固有の緩和振動周波数を変化させることを特徴とする請求項1又は2に記載のレーザ振動計。 3. The laser vibrometer according to claim 1, wherein a relaxation oscillation frequency unique to the laser is changed by changing an excitation power of the laser. 4. 前記周波数シフターに超音波を伝搬させることにより、前記周波数シフト量を変化させることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一に記載のレーザ振動計。 The laser vibrometer according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency shift amount is changed by propagating an ultrasonic wave to the frequency shifter. 前記レーザ発振器から出射する出力光を多数に分岐させ、それぞれを異なる複数の被測定物に入射させ、前記複数の被測定物からのそれぞれの戻り光を前記レーザ発振器に帰還させる光学系を具備することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一に記載のレーザ振動計。

An optical system is provided that branches the output light emitted from the laser oscillator into a large number, enters each of them into a plurality of different objects to be measured, and feeds back each return light from the plurality of objects to be measured to the laser oscillator. The laser vibrometer according to any one of claims 1 to 4, wherein

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