JP2007114141A - レーザ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定可能な距離が長く、かつ、小型であって長寿命のレーザ測定装置を提供する。
【解決手段】ＶＣＳＥＬ１１と、これが発するレーザビームの線幅を狭窄化する外部共振器とを備えた光源部１０とする。この外部共振器は、光ファイバーの両端付近に回折格子であるグレーティング１４が配置されたファイバーグレーティング型の共振器である。これにより、レーザビームの線幅を細くでき、測定可能な距離を長くできるとともに、小型かつ長寿命にできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光の干渉を利用して被測定物の移動量や振動等の物理量を測定するレーザ測定装置に関するものである。

従来、このようなレーザ測定装置では、被測定物に照射するレーザを出射する光源部としては、例えばＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザが用いられていた。
これに対して、より小型で長寿命、かつ、低価格化を図るために、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity-Surface Emitting Laser：垂直キャビティ面発光レーザ）等のＬＤ（Laser Diode：半導体レーザ）を用いることが提案されている（特許文献１）。
しかし、ＬＤから出射されるレーザビームは、その線幅が非常に広く、これを測定装置に使用するには、可干渉距離が短くなってしまい、測定可能な距離が短くなってしまうという問題があった。
特開２０００−６５９３１号公報

本発明の課題は、測定可能な距離が長く、かつ、小型であって長寿命のレーザ測定装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施例に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、レーザビームを出射する光源部（１０，２０）と、前記レーザビームを被測定物（Ｔ）に照射するとともに、前記被測定物からの反射ビームと前記被測定物に照射されていない参照ビームとを受光部（６）に導く光学系（１，２，３，４）と、を備えたレーザ測定装置において、前記光源部は、半導体レーザ素子（１１）と、前記半導体レーザ素子が発するレーザビームの線幅を狭窄化する外部共振器（１３，１４，２３）と、を有し、前記外部共振器は、光ファイバー（１３，２３）の両端付近に回折格子（１４）が配置されたファイバーグレーティング型の共振器、又は、光ファイバー（１３，２３）の両端付近に反射面（１４）が配置された共振器であること、を特徴とするレーザ測定装置である。
請求項２の発明は、請求項１に記載のレーザ測定装置において、前記光源部（１０，２０）は、５００〜７００ｎｍの波長のレーザビームを出射すること、を特徴とするレーザ測定装置である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のレーザ測定装置において、前記光源部（１０，２０）から出射されるレーザビームの線幅は、１ＭＨｚ以下であること、を特徴とするレーザ測定装置である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ測定装置において、前記光ファイバー（１３，２３）の長さは、１〜２０ｍであること、を特徴とするレーザ測定装置である。
請求項５の発明は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ測定装置において、前記光ファイバー（２３）の少なくとも一部を伸縮させる伸縮機構（２５，２６，２７）を有すること、を特徴とするレーザ測定装置である。

本発明によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）光源部は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子が発するレーザビームの線幅を狭窄化する外部共振器と、を有し、外部共振器は、光ファイバーの両端付近に回折格子が配置されたファイバーグレーティング型の共振器、又は、光ファイバーの両端付近に反射面が配置された共振器であるので、測定可能な距離が長く、かつ、小型であって長寿命のレーザ測定装置とできる。
（２）光源部は、５００〜７００ｎｍの波長のレーザビームを出射するので、レーザビームを目視によって確認可能であり、使いやすくできる。
（３）光源部から出射されるレーザビームの線幅は、１ＭＨｚ以下であるので、可干渉距離が長くなり、測定可能な距離を長くできる。
（４）光ファイバーの長さは、１〜２０ｍであるので、光源部から出射されるレーザビームの線幅を１ＭＨｚ以下に調整しやすくなる。
（５）光ファイバーの少なくとも一部を伸縮させる伸縮機構を有するので、レーザビームの波長を調節できる。

測定可能な距離が長く、かつ、小型のレーザ測定装置とするという目的を、光源部に半導体レーザ素子と、これが発するレーザビームの線幅を狭窄化する外部共振器とを設けることにより実現した。

図１は、本発明によるレーザ測定装置の実施例１を示す図である。
実施例１のレーザ測定装置は、プリズム１，２，３、ミラー４、ＡＯＭ５、受光素子６、光源部１０等を備え、非測定物Ｔの微小な振動を測定する装置である。
プリズム１，２，３は、レーザビームの一部を透過し、一部を反射して偏向させるビームスプリッタである。
ミラー４は、レーザビームの進行方向を偏向させる。
ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator）５は、レーザビームに一定の周波数シフトを与える音響光学変調器である。
受光素子６は、後述する反射ビーム及び参照ビームを受光する受光部である。
光源部１０は、被測定物に照射するレーザビームを出射する部分である。光源部１０の詳細については、後述する。

本実施例におけるレーザ測定装置は、一定の周波数（波長）をもつ光波を移動物体（被測定物）に照射すると、物体のもつ速度に応じて周波数が変化するドップラシフト現象を利用している。物体の移動速度とドップラシフトの間には比例関係が成立する。このためドップラシフトによる周波数変化分がわかれば物体のもつ移動速度が算出できる。ただし、振動を測定する場合には、測定の対象が正・負の速度ベクトルを持つ振動現象であるため、レーザ光源から射出されたレーザビームをそのまま使用しただけでは正・負の符号判定の点で問題が発生する。このため、本実施例では、ＡＯＭ（音響光学変調器）と呼ばれる素子を利用した光ヘテロダイン方式を採用している。

本実施例では、ＡＯＭ５により一定の周波数シフトを与えられたレーザビームが参照光として使用され、被測定物Ｔからの反射光と受光素子６上で光干渉を起こす。このとき、反射光は、被測定物Ｔの振動によるドップラシフトを受けているので、この干渉光のビート周波数は、ＡＯＭ５によるシフト周波数を中心とするＦＭ変調波となる。これを受光素子６で電気信号に変換しＦＭ復調することにより、被測定物Ｔの振動速度に比例した電圧信号が得られ、正・負（＋／−）の符号を持った速度信号として不図示の変換器から出力される。

図２は、実施例１における光源部１０の構成を説明する図である。
光源部１０は、ＶＣＳＥＬ１１、光学系１２、光ファイバー１３、グレーティング１４等を有している。
ＶＣＳＥＬ１１は、垂直キャビティ面発光レーザであって、５００〜７００ｎｍの可視光領域の波長のレーザビームを出射する。
光学系１２は、ＶＣＳＥＬ１１が出射したレーザビームを集光して光ファイバー１３へ導くレンズである。
光ファイバー１３は、長さが２０ｍであり、その両端付近にグレーティング１４が配置され、ファブリペロー型の外部共振器を形成している。なお、光ファイバー１３の長さは、１〜２０ｍの範囲が望ましい。この外部共振器に入射したレーザビームは、グレーティング１４の間で反射を繰り返した後に出射することにより、線幅が１ＭＨｚ以下に狭窄化される。これは、ファイバーグレーティングの特定の周波数に、ＶＣＳＥＬ１１の発振するレーザビームの周波数が引き込まれる効果（＝モードプディング）によるものである。

なお、光ファイバー１３とグレーティング１４とを組み合わせた外部共振器の特性は、光速をＣ、光ファイバーの長さをＬ、出射されるレーザビームの線幅をΔω、グレーティングの反射率をＲ、共振器の性能の指標フィネスをＦとしたときに、以下の式により決まる。

本実施例によれば、光ファイバー１３とグレーティング１４とを組み合わせたファブリペロー型の外部共振器を設けたので、ＬＤを用いた場合であっても、線幅が細くなり、測定可能な距離が長く、かつ、小型であって長寿命なレーザ測定装置とできる。また、一般にＬＤは、安価であることから、レーザ測定装置をより安価にできる。

図３は、本発明によるレーザ測定装置の実施例２の光源部２０の構成を説明する図である。
実施例２は、実施例１の光源部１０を光源部２０に置き換えた例である。したがって、光源部２０についてのみ説明を行うものとする。
実施例２の光源部２０は、ＶＣＳＥＬ１１、光学系１２、グレーティング１４、光ファイバー２３、ファイバー支持台２５，２６、ＰＺＴ２７等を有している。
ＶＣＳＥＬ１１、光学系１２、グレーティング１４は、実施例１と同様な構成であるので、詳しい説明は省略する。

光ファイバー２３は、長さが１ｍであり、実施例１の光ファイバー１３と同様にその両端付近にグレーティング１４が配置され、ファブリペロー型の外部共振器を形成している。また、光ファイバー２３は、ファイバー支持台２５，２６にその両端を支持されている。
ファイバー支持台２５，２６は、不図示のガイド機構により移動可能な方向が光ファイバー２３の長手方向となるようにガイドされている。

ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）２７は、電圧を加えると伸縮する圧電体である。ＰＺＴ２７は、その両端にファイバー支持台２５，２６が固定されている。ＰＺＴ２７に電圧を加えることにより、ファイバー支持台２５，２６の間隔が変化し、それに伴い光ファイバー２３の長さも伸縮する。
本実施例によれば、このような伸縮機構を設けたので、ＰＺＴ２７に加える電圧を制御することにより、光ファイバー２３の長さを制御できる。実施例１において説明した式（１），（２）から分かるように、光ファイバー２３の長さを変えることによって、光源部２０から出射するレーザビームの線幅を任意に変更可能となる。

（変形例）
以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の均等の範囲内である。
各実施例において、レーザ測定装置は、非測定物Ｔの微小な振動を測定する装置である例を示したが、これに限らず、例えば、変位を測定する装置であってもよい。

本発明によるレーザ測定装置の実施例１を示す図である。 実施例１における光源部１０の構成を説明する図である。 本発明によるレーザ測定装置の実施例２の光源部２０の構成を説明する図である。

符号の説明

１，２，３ プリズム
４ ミラー
５ ＡＯＭ
６ 受光素子
１０，２０ 光源部
１１ ＶＣＳＥＬ
１２ 光学系
１３，２３ 光ファイバー
１４ グレーティング
２５，２６ ファイバー支持台
２７ ＰＺＴ

Claims (5)

1. レーザビームを出射する光源部と、
   前記レーザビームを被測定物に照射するとともに、前記被測定物からの反射ビームと前記被測定物に照射されていない参照ビームとを受光部に導く光学系と、
   を備えたレーザ測定装置において、
   前記光源部は、半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子が発するレーザビームの線幅を狭窄化する外部共振器と、
   を有し、
   前記外部共振器は、光ファイバーの両端付近に回折格子が配置されたファイバーグレーティング型の共振器、又は、光ファイバーの両端付近に反射面が配置された共振器であること、
   を特徴とするレーザ測定装置。
2. 請求項１に記載のレーザ測定装置において、
   前記光源部は、５００〜７００ｎｍの波長のレーザビームを出射すること、
   を特徴とするレーザ測定装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のレーザ測定装置において、
   前記光源部から出射されるレーザビームの線幅は、１ＭＨｚ以下であること、
   を特徴とするレーザ測定装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ測定装置において、
   前記光ファイバーの長さは、１〜２０ｍであること、
   を特徴とするレーザ測定装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ測定装置において、
   前記光ファイバーの少なくとも一部を伸縮させる伸縮機構を有すること、
   を特徴とするレーザ測定装置。
   

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