JP2015092184A - 半導体レーザと増幅器とに基づくコヒーレントライダーシステム - Google Patents

半導体レーザと増幅器とに基づくコヒーレントライダーシステム Download PDF

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Abstract

【課題】半導体レーザと増幅器とに基づくコヒーレントライダーシステムを提供する。【解決手段】半導体光源と関連手法に基づく小型で信頼性があり低価格の、遠隔地の風速、粒子濃度及び／又は温度の測定のためのコヒーレントライダー（ＬＩＤＡＲ：ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ、光による検知と測距）システムに関する。測定体積内の粒子１５への照射のために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームの放射用の半導体レーザ１と、参照ビーム生成のための参照ビーム生成器と、測定ビームにより発光させられた測定体積内の粒子から放射された光と参照ビーム９の混合による検出信号生成のための検出器１１と、検出信号に基づいて粒子速度に対応する速度信号を生成させる信号処理装置１６と、からなるコヒーレントライダーシステムである。【選択図】図３

Description

この発明は、全ての半導体光源及び関連手法に基づく、風速、粒子濃度及び／又は温度
の遠隔計測のための、小型で信頼性があり低価格のコヒーレントライダー（ＬＩＤＡＲ：
Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ（光による検出及び測距））
システムに関する。
コヒーレントライダーシステムは、遠隔地の視線風速測定のための魅力的なシステムで
ある。その基本原理は、コヒーレントレーザー光を照射されたエアロゾル（煙霧質）から
後方散乱された光のドップラーシフトに関する。エアロゾルの運動が空気の流れとよく似
たものであると仮定したとき、測定されたドップラー周波数は、それに比例する風速の計
算のために用いられる。
水滴や埃などのようなエアロゾルだけでなく、単一粒子もドップラーシフトした後方散
乱信号を提供する。
連続波（ＣＷ）を用いたコヒーレントライダーは、探査する実体積を制限するレーザの
集光特性に依存する。探査体積の幅は集光領域（すなわち、共焦点領域）内のレーザビー
ムの直径によって制限される。探査体積のビーム軸方向の長さは集光レーザビームのレイ
リー長によってほぼ制限される。ＣＷライダーシステムから１００ｍの距離で集光された
ＣＷライダーに対し、探査体積の幅は通常１ｃｍのオーダーであり、探査体積の長さは１
０ｍのオーダーであるが、これらは波長と集光の光学特性（すなわち、望遠鏡）に依存す
る。パルス系に対しては、探査体積の幅はＣＷ ライダーと同じであるが、探査体積の長
さは放射パルスの空間的な長さによって与えられる。
コヒーレントライダーの基本原理は、３５年以上昔にまで遡る（例えば、"Signal-to-N
oiseRelationships for Coaxial Systems that Heterodyne Backscatter from the Atmo
sphere",Applied Optics, Vol.10, No. 7, July 1971, C.M. Sonnenschein and F.A.Hor
rigan参照）。その応用については、例えば大気物理学において、以前から科学的な関心
がもたれてきた。しかしながら、今日、ライダーは実用的な工業的利用にますます関連を
もつようになってきている。一例として、風力タービンの制御があげられる。高効率への
需要により、設置された風力タービン当たりの電力量を高めるべく、風力タービン産業は
過去数十年にわたって絶えずタービンの翼幅を増大させてきた。しかしながら、翼幅の増
大は、強風、特に乱流によってかかる機械的負荷の著しい増大につながる。何十メートル
もの逆風下での風速測定を目的とした、小型で頑丈で安価なコヒーレントライダー装置は
、風力タービンの最適化と保護を可能にする。風速の実測と、風が実際に風力タービンに
到達した時間との間の時間遅延は、例えば、タービン翼のピッチを変えることにより、タ
ービン翼にかかる負荷を保護するために利用される。もう一つの例として、航空機の着陸
によって発生する渦の検出がある。航空機の着陸（離陸）の頻度は、主に前の航空機によ
って発生した渦流からの危険が生じないようにとるべき安全マージンによって決定される
。渦検出のためにコヒーレントライダーを用いることによって、この安全間隔が最小化さ
れ、その結果、交通量の増加と、それによる空港容量の増大が可能となる。
ライダーの普及を阻害する要因として、価格、消費電力、サイズ、耐久性があげられる
。現在市販のライダーシステムはおおよそ20万米ドルである。この価格水準が、ライダー
システムが様々な用途に活用されるのを妨げている。例えば、沖合の風力タービンパーク
のような遠隔地でライダーシステムを使用しても、動作のための消費電力が低いだけでな
く、長期間ほとんど又は全くメンテナンスを要さない。
例えば、"Single-Particlelaser Doppler anemometry at 1.55μm", Applied Optics,
Vol. 40,No.6, by Michael Harris, Guy N. Peterson et. al.は、風力測定のためのＣ
Ｗ ライダーシステムを開示している。視線速度成分は、風と同じ速度で浮遊していると
考えられている大気中の微小粒子からの後方散乱光の周波数シフトの測定により決定され
る。この周波数シフトはヘテロダイン検波により手軽に測定される。ヘテロダイン検波に
おいては、受光した後方散乱光を参照局部発振器ビームと混合し、その結果生じるビート
周期から風速が推定される。レーザは１．５５μｍの波長で動作する半導体レーザ光源を
備え、ＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ）内のエルビウムドープ光ファイバ増幅器により約１Wまで増幅される。主発振器は拡
張共振器Ｉｎ／Ｐレーザであり、その線幅は遅延自己ヘテロダイン方式により約２０ｋＨ
ｚと測定されている。
商用のＣＷコヒーレントライダー製品も市場に出回っている（例えば、ＱｉｎｅｔｉQ
）。このシステムはダイオード励起光ファイバリング共振器を用いており、さらに１．５
５μｍに適したビームを得るため、ダイオード励起エルビウムドープ光ファイバ増幅器を
用いている。
「ヘテロダイン検波」は、光干渉法に関連してしばしば用いられる用語であるが、参照
ビーム（局所発振器）が、変調すなわちターゲットによる散乱、を受ける前の信号ビーム
と同じ光源から得られるものであることを示すために、この開示にわたって、「ホモダイ
ン検波」の用語を用いる。
上記で論じたように、新たな産業上の利用を生み出す安価で頑丈なコヒーレントライダ
ーシステムの需要がある。
現在、コヒーレントライダーシステムで最も効果で複雑な部品はレーザアセンブリであ
る。エアロゾルの後方散乱係数が極めて低い（１０-12のオーダー）ため、高品質、高出
力のコヒーレント光源に大きく依存する微細な検出スキームが必要とされている。レーザ
アセンブリからのＣＷ出力は検出された十分な後方散乱光を得るため、１Ｗのオーダーで
なくてはならない。ホモダイン検波技術は第１に、光源のコヒーレント長が原則、探査体
積までの距離の２倍、例えば、標準的な風力タービンの利用ならば２００ｍ、であること
を要する。これは、約２００ＴＨｚの中心周波数と比較すると、ほんの数百ｋＨｚのレー
ザスペクトルの半値半幅（ＦＷＨＭ：Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ Ｈａｌｆ Ｍａｘｍｕｍ）
に相当する。第２に、二次検出器から最大ビート信号を確実に生成するため、レーザビー
ムの空間的コヒーレンスは理想的なガウシアンビームの空間的コヒーレンスに近いもので
なくてはならない。ビート信号は参照信号と、後方散乱されかつドップラーシフトした信
号との間の周波数差と関連がある。最後に、レーザの相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔ
ｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）は検出器でのビート信号よりも低くなければ
ならない。これらの特性は全て、例えば、"Coherent Doppler Lidar for Measurements o
f WindFields", Proceedings of the IEEE, Vol.77, No.3, MARCH 1989, Robert T.Menz
ies andR.Michael Hardety, or, in Master Oscillators followed by a Power Amplifi
er (MOPA)に開示されているような、高価で大きなＣＯ2レーザにのみ見いだされる。
主発振器は、通常、外部共振器内のファイバレーザ又はダイオードレーザであり、電力
増幅器は高出力ダイオードによって励起されるエルビウムドープ光ファイバである。ＭＯ
ＰＡシステムは高価で大きく非集積光学系を用いているため複雑である。
したがって、安価で頑丈な集積半導体レーザアセンブリに基づくコヒーレントライダー
システムの需要がある。
この発明の第１の観点によれば、上述の及び他の目的は、測定体積内の対象への照射の
ために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームを放射し、参照ビームを生成し、参
照ビームと、測定ビームを照射した測定体積内の対象から放射された光とを混合し対象の
速度に対応する速度信号を生成する工程を備え、前記測定ビームを放射する工程は、半導
体レーザを準備して測定ビームを放射することを備える、対象によって散乱された光に基
づく速度決定法によって満たされる。
この発明の第２の観点によれば、上述の及び他の目的は、測定体積内の対象への照射の
ために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームを放射する半導体レーザと、参照ビ
ーム生成のための参照ビーム生成器と、参照ビームと、測定ビームを照射した測定体積内
の対象から放射された光との混合により検出信号を生成する検出器と、から構成されるコ
ヒーレントライダーシステムによって満たされる。
好ましくは、コヒーレントライダーシステムは信号処理部、例えば、検出信号に基づく
対象の速度に相当する速度信号を生成させる信号処理部を含む。
対象は、対象に入射する光と相互作用し、対象から光が放射可能なものならば、どんな
物体であってもよい。測定体積内の対象は、例えば水滴や埃などのエアロゾル（煙霧質）
、粒子、分子、原子、測定体積の幅よりも大きな物体表面、などであってもよい。
この開示にわたって、「粒子」とは、エアロゾル（煙霧質）、分子、原子等を含む。
信号処理部は、測定体積内の温度の決定のために構成されていてもよい。例えば、信号
処理部は、検出信号に基づく測定体積内の温度に相当する温度信号を生成するように構成
されていてもよい。
信号処理部は、検出信号に基づく対象の速度に相当する速度信号の生成に代えて又は速
度信号の生成と組み合わせて、検出信号に基づく測定体積内の粒子濃度に相当する濃度信
号を生成するように構成されていてもよい。
この発明の実施形態の一例において、信号処理部は測定体積内の粒子濃度の決定のため
に構成されていてもよい。
測定体積から後方散乱信号のドップラーシフトの測定は粒子速度の決定に用いられる。
ドップラーシフトした後方散乱信号の振幅は、測定体積内の粒子濃度の決定に用いられる
。したがって、この発明は、例えば、埃、濃度などの粒子測定のために用いられてもよい
。信号処理部のようなシステムは、例えば、警報、高レベル、中レベル、低レベルなどの
状態を表示する、状態信号を送るように構成されていてもよい。
粒子の流れがない場合、すなわち、粒子速度がゼロの場合又はとても小さい場合、ドッ
プラーシフトした信号はゼロになり、検出過程から生じる他の直流信号のため、その振幅
を抽出するのは困難となる。これを克服する一つの方法は、測定ビーム及び／又は参照ビ
ームを周波数シフトするシステムにおいて、例えば、音響光学変調器のような周波数シフ
ト素子を備えることである。そうすることによって、周波数バイアスが、周波数変換素子
によって生じる周波数シフトに相当する受光信号に加えられる。粒子流が低い又は粒子流
がない特別な場合において、ドップラーシフトしていない信号の振幅は周波数シフト素子
によって与えられた周波数成分の振幅として表示される。
この発明の第３の観点によれば、上述および他の目的は、測定体積内の粒子への照射の
ために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームを放射し、参照ビームを生成し、参
照ビームと、測定ビームとを照射した測定体積内の粒子から放射された光とを混合し、粒
子濃度に対応する濃度信号を生成する工程を備え、前記測定ビームを放射する工程は、半
導体レーザを準備して測定ビームを放射することを備える粒子によって散乱された光に基
づく粒子濃度決定法、によって満たされる。
検出器による検出信号出力は、測定体積内の対象の運動によって生成するドップラーシ
フトに対応する、参照ビームと対象から放射された光との差周波を含む。検出信号のパワ
ースペクトルのピークは、ＬＩＤＡＲシステムの視線方向に沿った対象の平均速度の情報
を提供する一方、スペクトル分布の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、速度分布についての情報を
提供する。例えば、空気中に浮遊するエアロゾルや追い風の動きに基づく風速測定におい
て、乱気流の情報がそれによって引き出される。
測定体積内に存在する媒質が気体の場合、レイリー散乱が探査される。レイリー散乱は
励起光ビームと気体分子間の弾性相互作用から生じる。その場合、ドップラースペクトル
幅は気体温度に対応する。それゆえ、気体温度は長距離で測定可能である。エアロゾルか
らの背景散乱信号と比べ、レイリー散乱信号の強度はより小さく、特定の気体成分と励起
波長（レイリー散乱は波長の４乗に反比例する）に強く依存する。興味深い特別な気体成
分は酸素、窒素、二酸化炭素、そして窒素酸化物である。
半導体レーザは、高出力ビーム発光のため外部共振器型垂直面発光レーザ（ＶＥＣＳＥ
Ｌ）であってもよい。ＶＥＣＳＥＬにおいて、電磁放射はダイオード素子の表面および接
合面と垂直に放射される。半導体チップまたは装置は、ゲインチップとも呼ばれるが、単
一の半導体ブラッグ反射鏡と、通常いくつかの量子井戸（ＱＷ：Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌ
ｌ）を有する活性層（利得層）を備えていてもよい。装置は全体の厚さがほんの数μmで
あってもよい。レーザ共振器は外部鏡を備えていてもよい。ＶＥＣＳＥＬの大きな横断面
積は基本モード動作を促進し、高ビーム品質をつくりだす。ビームの横径は４００ミクロ
ンオーダーである。さらに出力ビームは、簡素な撮像特性をつくり出すわずかな量の非点
収差をもった回転対称性を有していてもよい。
電磁空洞内のレーザ媒質は光学的に励起されるものであってもよい。光学励起によって
、広い活性領域の一様な励起が容易にできる。光学励起光源は、例えば広帯域高輝度発光
端面ダイオードまたはレーザバーであってもよい。ダイオードバーで励起したとき、何十
Wもの出力が得られる。外部共振器を利用すれば、回折限界の出力の提供が容易になる。
この発明の実施形態において、半導体レーザはテーパ型レーザであってもよい。先細の
構造をもったテーパ型半導体レーザは、大面積の出力面（例えば、約２５０μｍの幅）に
おいて高出力を提供する。また、テーパ型レーザの細い端部（例えば、約３μｍの幅）に
おいて、リッジ導波路が単一モードの空間フィルタ特性を形成するため、高ビーム特性を
提供する。
コヒーレントライダーシステムは、さらに半導体レーザによって放射されるビーム増幅
のため、半導体テーパ型パワー増幅器を備えていてもよい。例えば、半導体ＭＯＰＡ型の
半導体レーザと増幅器などがある。
この発明によれば、低価格、小型で頑丈な低電力消費のコヒーレントライダーシステム
は全て半導体レーザアセンブリ（例えばテーパ型ダイオードレーザ形状に基づいたもの）
を用いることにより実現されている。
この発明の実施形態の一例において、同じ基板上に形成される半導体主発振器を備えた
MOPA型アセンブリと半導体テーパ型パワー増幅器は、低電力の産業上の利用に適した、安
価で頑丈な解決策を構成する。
この発明の実施形態の一例において、８００ｎｍの波長領域と比較して、電子から光子
への変換効率が低い１．５μｍの波長においてさえも、約１Ｗの電力がテーパ型半導体ア
センブリによって供給されている。１．５μｍ又はそれ以上の波長は、ライダーの実用化
において重要である。なぜなら、光学スペクトルのうち１．５μｍは、目に安全な範囲に
あるからである。動作中のレーザ安全要件は、目に安全な波長において容易に満たされる
。
さらに、テーパ型半導体レーザアセンブリの時間的コヒーレンス性、すなわち、コヒー
レンス長は、コヒーレントライダーの用途に十分である。このコヒーレンス特性はドップ
ラーシフトした背景散乱信号の抽出のために用いられるホモダイン検波に不可欠である。
さらに、回折限界ガウシアンビームと比較したとき、テーパ型半導体装置の空間的コヒ
ーレンスは完全とはいえないが、レーザアセンブリ放射はライダーシステムの用途には十
分な品質を有する。参照ビームを空間フィルタすれば、参照ビームの非ガウス的な空間成
分を除去又は減らすことができるが、空間フィルタしなければ、検出信号の信号対雑音比
（ＳＮ比：ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）の減少につながる。実施形態
の一例において、空間フィルタはフーリエ面上で実行される。フーリエ面上ではガウシア
ン部分は容易に空間的に分離できる。
この発明の実施形態の一例において、レーザアセンブリへのフィードバック信号は、ラ
イダーシステムの動作時に検出器から直接提供される。レーザアセンブリが単一周波数状
態で動作していないとき、コヒーレンス長は著しく変わる。その結果、ライダードップラ
ー信号が消失する。例えば、レーザアセンブリの温度又は電流に同調することによって単
一周波数動作が回復し、また測定ドップラー信号を最大化することによって最適化もされ
る。レーザアセンブリのコヒーレンス長は、小さな設定の変化に対してさえも非常に敏感
であることに注目すべきである。別の実施形態においては、検出器からの雑音信号は、レ
ーザ性能の検出に利用される。レーザアセンブリの雑音はライダー信号が減少するとき著
しく増加することが観測されている。ライダー信号の減少は、レーザアセンブリの多重モ
ード動作によって引き起こされると考えられている。レーザパラメータ（例えば、電流や
温度）の微調整により、ライダー信号は増加又は再最適化される。単一モードの優先周波
数から多重モード動作へ変化すると、レーザアセンブリの直流電力レベルの変化が生じる
ため、直流検出信号は制御目的にも使用される。それゆえ、検出器からの直流信号を検出
すれば、制御信号が抽出される。実施形態のさらに他の一例において、レーザアセンブリ
はレーザ周波数の安定化のために能動的にも受動的にも外部共振器と同期する。
多くの異なるコヒーレントライダーシステムがこの発明によって実現される。例えば、
コヒーレントバイスタティックライダーがあげられる。
この発明の上述及び他の特徴、有利な効果は、添付図に例示された実施形態の詳細な説
明によって、当業者に明らかとなる。
例えば、本発明は、以下を提供する。
（項目１）
測定体積内の粒子への照射のために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビーム放射
用の半導体レーザと、
参照ビーム生成のための参照ビーム生成器と、
参照ビームと、測定ビームを照射した測定体積内の対象から放射された光との混合による
検出信号生成のための検出器と、
検出信号に基づいて対象の速度に相当する速度信号を生成させる信号処理部と、を備える
コヒーレントライダーシステム。
（項目２）
上記信号処理部は、さらに風速決定のために構成されている項目１記載のコヒーレン
トライダーシステム。
（項目３）
上記信号処理部は、さらに測定体積内の乱流決定のために構成されている項目１又は
２記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目４）
上記信号処理部は、さらに測定体積内の温度決定のために構成されている項目１ない
し３のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目５）
上記信号処理部は、検出信号に基づく測定体積内の粒子濃度に相当する濃度信号を生成
するように構成されている項目１ないし４のいずれか１つに記載のコヒーレントライダ
ーシステム。
（項目６）
上記信号処理部は、測定体積内の粒子濃度の決定のために構成されている項目１ない
し５のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目７）
半導体レーザとライダーシステムの光出力間の測定ビームの導波のための光ファイバを
さらに備える項目１ないし６のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目８）
上記半導体レーザは、テーパ型半導体レーザである項目１ないし７のいずれか１つに
記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目９）
半導体レーザによって放射されたビーム増幅のための半導体テーパ型電力増幅器をさら
に備える項目１ないし８のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１０）
上記半導体レーザは、ＭＯＰＡ型半導体レーザである項目9記載のコヒーレントライ
ダーシステム。
（項目１１）
上記ＭＯＰＡ型半導体レーザは、分布型フィードバック主発振器と半導体テーパ型電力
増幅器を備える半導体チップから構成される項目１０記載のコヒーレントライダーシス
テム。
（項目１２）
上記参照ビーム生成器は、半導体レーザによって放射されたビームを、参照ビームと測
定体積に向けられる測定ビームに分割するためのビームスプリッタである項目１ないし
１１のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１３）
上記参照ビーム生成器は、参照ビームと測定ビームを放射するために構成された半導体
レーザである項目１ないし１１のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム
。
（項目１４）
参照ビームの非ガウシアン型空間成分を減らすための空間フィルタをさらに備える請求
項１ないし１１のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１５）
参照ビームの伝播経路に位置するフーリエレンズをさらに備え、空間フィルタが参照ビ
ームの非ガウシアン空間成分の減少のためフーリエレンズのフーリエ面内に位置している
項目１４記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１６）
上記空間フィルタは、検出器のサイズに適合したサイズの開口部を備える項目１４又
は１５記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１７）
参照ビームと対象から放射された光とを結合させるビーム結合器をさらに備える項目
１ないし１６のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目１８）
上記測定ビームは、ｐ偏光であり、上記ビームスプリッタと上記ビーム結合器が、
半導体レーザからのｐ偏光の光を透過し、ｓ偏光の光を反射するようコーティングされた
ブリュースター窓を備える一つの素子であって、
測定ビーム生成のためｐ偏光を円偏光に変換し、ブリュースター窓による反射のため粒子
からの円偏光をs偏光に変換する１／４波長複屈折光学板と、
上記ビームスプリッタが測定ビームの一部を反射して参照光を生成し、１／４波長板を介
して参照ビームを戻して検出器へ反射する反射器を備える項目１４記載のコヒーレント
ライダーシステム。
（項目１９）
上記半導体レーザは、レーザ出力の最適化のため検出器からの信号に応答して動作する
項目１ないし１８のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目２０）
上記半導体レーザは、測定ビームを整形する単一モード光ファイバを有するビーム整形
装置を備える項目１ないし１９のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム
。
（項目２１）
上記ビーム整形装置は、集光レンズ、ピンホール、コリメータレンズを備える項目２
０に記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目２２）
測定ビーム又は参照ビームの周波数シフトのための周波数シフト素子を備える項目１
ないし２１のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステム。
（項目２３）
項目１ないし２２のいずれか１つに記載のコヒーレントライダーシステムを備える風
力タービン。
（項目２４）
項目１ないし２２のいずれか1つに記載のコヒーレントライダーシステムを備える帆
船。
（項目２５）
測定体積内の粒子への照射のために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームを放
射し、
参照ビームを生成し、
参照ビームと、測定ビームを照射した測定体積内の対象から放射された光とを混合し、粒
子速度に対応する速度信号を生成する工程を備え、
上記測定ビームを放射する工程は、半導体レーザを準備して測定ビームを放射することを
備える
粒子によって散乱された光に基づく速度決定法。
（項目２６）
上記参照ビームを生成する工程は、半導体レーザによって放射されたビームを、参照ビ
ームと測定体積へ向けられる測定ビームに分割する工程を備える項目２５に記載の方法
。
（項目２７）
上記参照ビームを生成する工程は、参照ビームと測定ビームとを放射するように構成さ
れる半導体レーザを準備する項目２５記載の方法。
（項目２８）
測定体積内の温度に相当する温度信号を生成するため、参照ビームと、測定ビームとの
照射により測定体積内の粒子から放射された光とを混合する工程をさらに備える項目２
５ないし２７のいずれか１つに記載の方法。
（項目２９）
参照ビームと、測定ビームとの照射により測定体積内の粒子から放射された光とを混合
し、測定体積内の粒子濃度に相当する濃度信号を生成する工程をさらに備える項目２５
ないし２７のいずれか１つに記載の方法。
（項目３０）
参照ビームの非ガウシアン空間成分を減らすため、参照ビームを空間的にフィルタする
工程をさらに備える項目２５ないし２９のいずれか１つに記載の方法。
（項目３１）
測定ビームを整形する単一モード光ファイバを準備することによって、ビーム整形する
工程をさらに備える項目２５ないし２９のいずれか１つに記載の方法。
（項目３２）
決定された速度信号に応答して風力タービンのタービン翼のピッチを調節する工程をさ
らに備える項目２５ないし３１のいずれか１つに記載の方法。
（項目３３）
決定された速度信号に応答して帆船の帆の位置を調節する工程をさらに備える項目２
５ないし３１のいずれか１つに記載の方法。
（項目３４）
測定体積内の粒子への照射のために、測定体積へ向けられた電磁放射の測定ビームを放
射し、
参照ビームを生成し、
参照ビームと、測定ビームを照射した測定体積内の対象から放射された光とを混合して粒
子濃度に対応する濃度信号を生成する工程を備え、
上記測定ビームを放射する工程は、半導体レーザを準備して測定ビームを放射することを
備える、
粒子によって散乱された光に基づく粒子濃度決定法。
（項目３５）
上記参照ビームを生成する工程は、半導体レーザによって放射されたビームを、参照ビ
ームと測定体積へ向けられる測定ビームに分割する工程を備える項目３４に記載の方法
。
（項目３６）
上記参照ビームを生成する工程は、参照ビームと、測定ビームとを放射するように構成
される半導体レーザを準備する項目３４記載の方法。
（項目３７）
参照ビームの非ガウシアン空間成分を減らすため、参照ビームを空間的にフィルタする
工程をさらに備える項目３４ないし３６のいずれか１つに記載の方法。
（項目３８）
測定ビームを整形する単一モード光ファイバを準備することによって、ビーム整形する
工程をさらに備える項目３４ないし３６のいずれか１つに記載の方法。
（項目３９）
決定された濃度信号に応答して状態信号を放射する工程をさらに備える項目３２ない
し３６のいずれか１つに記載の方法。
この発明の実施形態の一例を示す図である。 半導体外部共振器ダイオードレーザを示す図である。 この発明の実施形態の他の例を示す図である。 ピンホールを備えるこの発明の実施形態の一例を示す図である。 フィードバックシステムを備えるこの発明の実施形態の一例を示す図である。 この発明の実施形態のさらに他の例を示す図である。 くさび形フィードバック素子を付加した図６の実施形態を示す図である。 この発明の実施形態のさらに他の例を示す図である。 MOPA型半導体のパワースペクトルを示すグラフである。 図６の実施形態において測定されたドップラー周波数を示すグラフである。
前記図面は、明確のため概略化及び単純化されている。これらの図面は、この発明の理
解に不可欠な詳細を示すものであるが、他の詳細は省略されている。また、図面全体にお
いて、符号は同一の又は対応する部分に用いられる。
以下、前記図面に基づき、この発明の例となる実施形態を示し、より詳細に説明する。
ただし、この発明は、ここに示した実施形態に限られるものでなく、異なる形態で実施さ
れてもよい。これらの実施形態はむしろ、この開示が徹底され完全なものとするためのも
のであり、当業者に発明の概念を完全に伝えるために提供されるものである。
図１は、この発明に基づくコヒーレントライダーの実施形態の好ましい一例を示す図で
ある。半導体レーザ１は、高い空間特性及びスペクトル特性をもつコヒーレントビーム４
を放射する。半導体レーザは電極２７により供給される電流によって励起される。
良い空間特性、すなわちガウシアンビーム形は、半導体レーザ共振器１の横寸法を小さ
く（通常、５分の１ミクロンのオーダー）保つことによって得られる。ビーム４の出力を
増大させるために共振器の横寸法を増大する場合、ビーム４は多重モードになって、コヒ
ーレントライダーに不可欠な特性である空間特性が悪くなる。電極２７に電流が絶え間な
く流れると、レーザ１内での強度増加によってレーザは破壊される。それゆえ、単一横モ
ードダイオードレーザは通常２００ｍＷの出力に制限される。出力をさらに増大するため
に、テーパ型パワー増幅器２２が追加されている。電極２６からこの装置への電流が供給
される。テーパ型ゲイン構造を出力ビーム４の広がり角にフィットするように設計するこ
とによって、レーザ１のビーム特性を十分維持しつつ出力ビーム４を著しく増幅できる。
通常、測定ビーム１４は、回折限界ガウシアンビームの１．３倍から２倍である。レーザ
ビーム４のテーパ型増幅器の伝播とともに増幅器の横寸法が広がり、光強度が低く保たれ
るため、光強度は安全なレベルに保たれる。導波路の横寸法が一定（５分の１ミクロン）
であるのに対し、出力面でのテーパ型増幅器は２００分の１ミクロンの幅の出力開口をも
つ。増幅後、レーザからのビーム４の出力は、１Ｗのオーダーであり、コヒーレントライ
ダー用途に適している。
例示された実施形態のレーザ１の半導体レーザ構造に、周波数選択素子２８ａ及び２９
ｂをさらに組み込むことにより、レーザの縦モード数を１つに減らすことができる。図１
に示すように、周波数素子は分布回折格子であってもよい。また、例えば、エタロンであ
ってもよい。レーザ１の線幅（ＦＷＨＭ）は、約１０００ＧＨｚから１ｋｍのオーダーの
コヒーレンス長に相当する１００ｋＨｚまで、著しく減少する。このコヒーレンス長は、
コヒーレントライダー用途に適している。図１に示された実施形態において、回折格子２
８ａ及び２８ｂはレーザ１の鏡としての機能も果たす。回折格子２８ａを適切に設計すれ
ば、参照ビーム２３も生成させられる。このビーム２３は検出器１１へ向けられている。
それゆえ、例示された実施形態において、レーザ１は参照ビーム２３も生成させる。
この開示において、例示された光源はＭＯＰＡ型半導体を示す。半導体レーザ１は主発
振器ＭＯＰＡ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を備え、テーパ型半導体増幅器２
２はパワー増幅器（ＰＡ：Ｐｏｗｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を備える。レーザ１とテー
パ増幅器２２はともに、集積レーザアセンブリを形成するため、同じ基板２１上に実装さ
れる。基板を備える実装されたレーザアセンブリは４×６×８ｍｍのオーダーである。レ
ーザアセンブリは大型半導体ウエハー技術を用いて製造される。
測定ビーム１４は、結像光学系２０を用いて測定体積１５に集光される。結像光学系２
０はガリレオ式又はケプラー式望遠鏡であってもよい。測定体積１５内の（動く）対象が
測定ビーム１４を照射されると、対象は少量の光２４をコヒーレントライダー検出器１１
に照射する。対象がエアロゾルならば、１Ｗの測定ビーム１４を照射されたとき、後方反
射又は散乱光は１ｐＷのオーダーである。
後方反射光２４は結像光学系２０、テーパ型増幅器２２およびレーザ１を伝播する。レ
ーザ１は単一の横空間モードのみを通す導波路であるため、後方反射ビームは空間的にフ
ィルタされる。空間的にフィルタされたビーム２５は光学検出器１１によって参照ビーム
２３と混合され、測定光が生成する。後方反射ビームも、増幅器２２及びレーザ１の通過
中に増幅される。測定信号は、測定ビーム１４と後方反射ビーム２４との差周波に相当す
るスペクトル成分を含む。この差周波数は、コヒーレントライダーに対して測定体積１５
内を動く対象のドップラー周波数に相当する。信号処理部によって測定信号を処理するこ
とによって、対応する対象速度が算出される。
例示された実施形態において、２つの空間的にフィルタされたビーム２３と２４が検出
器で混合される。これによって、完全な回折限界にないレーザアセンブリによって生成す
るビームの他の空間的成分が空間フィルタによって減少され又は取り除かれ、検出信号内
の不必要な干渉と雑音が減少するため、ＳＮ比が改善される。
図２は、オートダイン検波方式で動作する半導体レーザ光源に関する発明の実施形態の
一例を示す図である。オートダイン検波方式においては、測定体積１５内の対象からの後
方散乱光は半導体レーザに伝播し半導体レーザの出力を乱す。この出力の乱れは半導体レ
ーザの後部にて測定される。このように、例示された実施形態において、テーパ型半導体
レーザ２２は、回折光学素子２９間に形成された外部共振器と協同する。回折光学素子２
９としては、例えば、上記の出力の乱れの測定のために光２３の一部を検出器１１に向け
て反射し、光の残りの部分３３をテーパ型レーザ２２のコーティングされた出力端面３２
からなる外部共振器の他の反射体に向けて後方反射するよう構成されたホログラフィック
回折格子２９があげられる。テーパ型構造のため、テーパ型半導体レーザ２２は幅広い出
力面（例えば、幅約２５０μｍ）で高出力であり、テーパ型レーザ２２の細い端部３１（
例えば、約３μｍの幅）を有するリッジ導波管が単一モードの空間フィルタを形成するた
め、高ビーム特質である。光学レンズ３０は光３３を平行光にする。信号処理部は信号２
３の測定からドップラー周波数を抽出するよう設定されている。
図３は、単一モード半導体レーザ１を備えるこの発明の実施形態の一例を示す図である
。レーザ１の光学出力は光学レンズ３４によって平行光にされる。前記平行光の光出力４
は、ｐ偏光であり、ビームスプリッタ５によって一部透過される。ビームスプリッタ５は
、半導体レーザ１からｐ偏光の光を透過し、参照光９を形成するためｓ偏光を反射するよ
うにコーティングされたブリュースター窓を有する。すなわち、ビームスプリッタ５は参
照ビーム生成器としても機能する。１／４波長複屈折板（図示せず）が、透過したｐ偏光
を円偏光に変換し、測定ビーム１４を形成するためビームスプリッタ５の後方に配置され
ている。測定ビーム１４は、望遠鏡２０によって、対象（本事例においては、空中に浮遊
する粒子によって構成されている）を含む測定体積１５に集光する。粒子は、円偏光を後
方散乱し、後方散乱された光は、同じ望遠鏡２０によって受光される。望遠鏡２０は伝達
器としても用いられ、受光した円偏光は逆向きに伝播し、１／４波長板によってｓ偏光に
変換され、ブリュースター窓により反射され、検出器１１に伝播する。もう一つの１／４
波長板（図示せず）は、ビームスプリッタ５から反射されたｓ偏光を円偏光に変換し、反
射体８は反射ビーム９を反射してから、１／４波長板によって円偏光からｓ偏光に変換し
、ビームスプリッタ５を透過して検出器１１に至る。検出器１１は、参照ビーム９を粒子
からの後方散乱光と混合し、信号処理部１６は差周波、すなわちドップラー周波数を抽出
し、差周波を測定ビーム方向の粒子速度成分に変換する。粒子速度成分は、測定ビームの
方向の風速成分と同じであると考えられている。
このシステムの利点は何倍もある。例えば、単一の半導体レーザのみが、ドップラー信
号の検出に必要十分な光学出力を生成するために必要な場合があげられる。偏光ビームス
プリッタ５と１／４波長板（図示せず）の組み合わせは、参照ビーム９と受光信号ビーム
を検出器１１に向けるビーム結合器としても機能する。
図４は図３の実施形態に似た発明の実施形態の他の一例を示す図である。図４の実施形
態は図３の実施形態とピンホール３５を有する点で異なる。半導体レーザ１は、純粋なガ
ウシアンＴＥＭ００モードを出力光として生成しない。例示された実施形態におけるホモ
ダイン検波において、ビームのガウシアン部分のみがドップラー信号の検出に寄与する。
それゆえ、レーザ出力の空間フィルタが有用である。通常、レーザ光出力の空間フィルタ
は、空間フィルタとして光ファイバに光を集光させるか、又はレンズとピンホールを用い
ることによってなされる。例示された実施形態においては、透過した測定ビームの空間フ
ィルタは、本質的に望遠鏡２０によってなされる。望遠鏡２０の集光領域において、望遠
鏡は光学フーリエ変換素子として機能する。光学フーリエ変換素子は、レーザ出力のガウ
シアン部分によって測定体積を形成する。より高次の空間非ガウシアン周波数は、この中
心の測定体積の外に局在し、望遠鏡によって受光される光学信号に寄与しない。レーザ出
力から直接得られる参照ビーム９は、集束レンズ１０（図示せず）の焦点距離とピンホー
ル３５のサイズを整合させることにより部分的に空間フィルタされる。レンズ１０は、ピ
ンホール３５がレンズの焦点面に位置するとき、空間フーリエ変換レンズとして機能する
。ピンホール３５の領域を参照ビーム９のフーリエ変換の中心ガウシアン部分のサイズに
等しいように選ぶとき、ビーム９のこの部分のみが信号ビームと干渉し、検出されたドッ
プラー信号に寄与する。より高次周波数はピンホール３５の外部に来るため、検出されず
、検出処理を乱さない。
図５は、図３又は図４の実施形態に似た発明の実施形態の一例を示す図である。図５の
実施形態と図３又は図４の実施形態とは、半導体レーザアセンブリの制御パラメータを制
御するために、処理装置１６からの制御出力３６を有する点で異なる。半導体レーザアセ
ンブリ制御パラメータとして、供給電流、温度など、又は検出信号への応答など、ライダ
ーシステムの動作中の制御パラメータの組み合わせがあげられる。例えば、レーザアセン
ブリが単一周波数状態で動作していないとき、コヒーレンス長が著しく変わる結果、ライ
ダードップラー信号が消失する。この場合、例えば、レーザアセンブリ１の温度又は電流
を調整することによって、単一周波数動作が再確立され、また測定ドップラー信号の最大
化によって最適化もされる。レーザアセンブリのコヒーレンス長は、設定の小さな変化に
さえも敏感であることに注目すべきである。
図６は、単一モードの半導体レーザ１を備える発明の実施形態の一例を示す図である。
レーザ１の光出力は、レンズ２及び円柱レンズ３によって両方向に平行光に変換される。
平行光の光出力４は直線ＴＭ偏光であり、偏光ビームスプリッタ５によって完全に透過す
る。１／４波長板６は、透過した光出力を円偏光に変換する。１／４波長板は、レーザに
達する後方反射を避けるべくわずかに傾けている。部分反射参照窓８の表面７は、レーザ
出力光の一部を後方に反射させるようコーティングされている。後方反射ビームは１／４
波長板を逆向きに通過し、直線ＴＥ偏光になる。このＴＥ偏光ビームは偏光ビームスプリ
ッタ５の表面によって完全反射され、参照ビーム９が生成する。参照ビームは、レンズ１
０によって検出器１１に集光される。レーザ光出力の主な割合は、円偏光として参照窓８
まで伝達され、望遠鏡１２及び１３によって拡大され、集光される。透過した測定ビーム
１４は測定体積１５（図示せず）上に結像する。望遠鏡の焦点距離はシステムの測定距離
を定める。測定体積１５内の粒子又はエアロゾルは、透過測定ビーム１４の伝播経路にそ
った方向の速度成分をもつ。測定体積から後方散乱及びドップラーシフトした信号ビーム
は、伝達部としても用いられるのと同じ望遠鏡（レンズ１３及び１２）によって受光され
、参照窓８を介して戻ってくる。さらに、１／４波長板６を介して、今度は光辛抱ビーム
の偏光状態をＴＥ偏光に変換する。偏光ビームスプリッタは受光した光学信号ビームを完
全反射し、参照ビーム９と同じ経路に導き、焦点レンズ１０によってともに検出器１１に
集光される。検出器の表面は、システムの光路上における反射光の伝播を避けるため、わ
ずかに傾けている。受光信号と参照ビームは、時間発展する光学干渉信号を検出器の表面
に形成し、受光信号のドップラー周波数のホモダイン検波を形成する。検出器１１からの
電気ドップラー信号は増幅され、信号処理部１６によってフーリエ分析される。
このシステムの利点は何倍もある。例えば、単一の半導体レーザのみが、ドップラー信
号の検出に必要十分な光学出力を生成するために必要な場合があげられる。偏光ビームス
プリッタ５と１／４波長板６（図示せず）の組み合わせは、参照ビーム９と受光信号ビー
ムから全ての光出力を検出器１１に向けるビーム導波器としても機能する。また、偏光ビ
ームスプリッタ５と１／４波長板６は、光出力がレーザ１へ戻るのを防ぐ光アイソレータ
としても機能する。半導体レーザ１は、光出力内に純粋なガウシアンＴＥＭ００モードを
生成しない。ここで提示されたホモダイン検波システムにおいて、ビームのガウシアン部
分のみが、ドップラー信号の検出に寄与する。それゆえ、レーザ光出力の空間フィルタが
必要となる。通常、レーザ光出力の空間フィルタは、空間フィルタとして光ファイバに光
を集光させるか、又はレンズとピンホールを用いることによりなされる。しかしながら、
レーザ光出力の空間フィルタは、本質的に次の方法によって構造に組み込まれる。すなわ
ち、望遠鏡（レンズ１２及び１３）の集光領域内の透過した測定ビームを見るとき、望遠
鏡は光学フーリエ変換素子として機能する。光学フーリエ変換素子は、レーザ出力のガウ
シアン部分によって測定体積を形成する。より高次の空間非ガウシアン周波数は、中心の
測定体積の外に局在し、望遠鏡によって受光される光学信号に寄与しない。レーザ出力か
ら直接得られる参照ビーム９は、集束レンズ１０（図示せず）の焦点距離と検出器１１の
領域のサイズとを整合させることにより部分的に空間フィルタされる。レンズ１０は、検
出器の領域がレンズの焦点面に位置するとき、空間フーリエ変換レンズとして機能する。
検出器の領域を参照ビームのフーリエ変換の中心ガウシアン部分のサイズに等しいように
選ぶとき、ビーム９のこの部分のみが信号ビームと干渉し、検出されたドップラー信号に
寄与する。より高次の周波数は検出器の外部に来るため、検出されず、検出処理を乱さな
い。
図７は、この発明に基づくコヒーレンスライダーシステムの実施形態の他の一例を示す
図である。その原理は、参照ビームがくさび型８の参照窓に置換する点で異なる以外は、
図６の場合と同じである。くさび型８の第１表面７は、レーザ光出力の一部を反射するよ
うコーティングされており、参照ビーム９を生成する。このシステムの利点は、参照窓の
第２表面からの反射を回避することである。それにより、光学参照ビームの実際の出力は
正確に制御可能となる。
図８は、この発明によるライダーシステムの実施形態のさらに他の一例を示す図である
。その原理は、参照ビームが望遠鏡内の第１のレンズ上の平面７によって分割される点で
異なる以外は、図７の場合と同じである。第１のレンズは、レーザ出力光の一部を反射す
るようコーティングされており、参照ビーム９を生成する。このシステムの利点は、より
少ない光学素子数により単純化されることである。しかしながら、このシステムの欠点は
、望遠鏡１２の大きなレンズを動かすことができなければ、望遠鏡が事前に配置された測
定距離に固定される点にある。
図９は、この発明の実施形態に用いられるＭＯＰＡ型半導体のパワースペクトルを示す
グラフである。約９００メートルのコヒーレンス長に相当する１００ｋＨｚの半値全幅を
有する。
図１０は、図６の実施形態で測定されたドップラー周波数スペクトルを示すグラフであ
る。ドップラー周波数は、ｘ軸に示される風速とｙ軸に示される信号出力に変換される。
測定ビームは低風速の日に、距離４０メートルで集光された。
開示された実施形態の各々は、光源から望遠鏡への測定ビームの伝播のため、第１の光
ファイバと、測定体積内の対象から放射された光の検出器への伝播のための第２の光ファ
イバを備えるように変更されていてもよく、それによって、望遠鏡の位置が光源と検出器
及び他のライダーシステムの構成要素から物理的に離れていてもよい。第１及び第２の光
ファイバは一つの光ファイバに結合していてもよい。さらに、例示された光学部品は、対
応するファイバ光学部品で代用してもよい。例えば、図３から８のビームスプリッタ５は
、光ファイバカプラで代用してもよい。

Claims (1)

  1. 明細書に記載の発明。

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