JP2017198536A - Wavelength controller and difference absorption lidar device - Google Patents

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涼太 児島
勝治 今城
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勝治 今城
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俊平 亀山
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wavelength controller which realizes a precise and stable wavelength lock even when the absorption coefficient of an optical absorption medium is small.SOLUTION: A wavelength controller 10 includes: an optical coupler 12 forming a loop optical path; an optical absorption cell 13; and an optical divider 14. A photodetector 15 detects a branch light output from the optical divider 14 and outputs a detection signal DS. A wavelength estimation unit 40 samples the attenuation waveform of the detection signal DS, and estimates the current wavelength of a laser light pulse based on the sampled attenuation waveform. A control signal generator 46 generates a feedback control signal reducing the difference between the estimated current wavelength and a target wavelength.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、レーザ光の波長を制御する技術に関し、特に、ライダ(LIDAR:LIght Detection And Ranging)装置で使用されるレーザ光の波長を制御する技術に関する。   The present invention relates to a technique for controlling the wavelength of laser light, and more particularly, to a technique for controlling the wavelength of laser light used in a lidar (LIDAR: Light Detection And Ranging) apparatus.

ライダ装置は、計測対象となるターゲットにレーザ光を照射してそのターゲットで反射した散乱光を観測し、その観測結果を基に当該ターゲットに関する物理情報(たとえば、濃度、温度、距離または速度)を取得する手段として広く使用されている。この種のライダ装置の一種として、気体などの分子または原子の濃度測定を行う差分吸収ライダ(DIAL:DIfferential Absorption Lidar)装置が知られている。差分吸収ライダ装置は、基本的に、ターゲットである分子の光吸収量が大きい波長のレーザ光と、そのターゲットの光吸収量が小さい波長のレーザ光とを使用し、これらレーザ光の波長にそれぞれ対応する散乱光の受信強度比に基づいて当該ターゲットの濃度を計測することができる。   The lidar device irradiates the target to be measured with laser light, observes the scattered light reflected by the target, and based on the observation results, obtains physical information (for example, concentration, temperature, distance or speed) about the target. Widely used as a means of obtaining. As a kind of this kind of lidar apparatus, a differential absorption lidar (DIAL: Differential Absorption Lidar) apparatus that measures the concentration of molecules such as gas or atoms is known. The differential absorption lidar device basically uses a laser beam having a wavelength where the light absorption amount of the target molecule is large and a laser beam having a wavelength where the light absorption amount of the target is small. The concentration of the target can be measured based on the reception intensity ratio of the corresponding scattered light.

このような差分吸収ライダ装置では、ターゲットの濃度を高精度に算出するためには、前述の2種類のレーザ光の波長のうち少なくとも一方を特定の波長と一致させる(すなわち、特定の波長にロックする)回路構成が必要である。特に、ターゲットの光吸収量が大きい方の波長のレーザ光については、このレーザ光の波長を、ターゲットの光の吸収線の中心波長に精度良くロックすることが望ましい。波長ロック回路を有する差分吸収ライダ装置は、たとえば、特許文献1(特開2007−248126号公報)に開示されている。   In such a differential absorption lidar apparatus, in order to calculate the target concentration with high accuracy, at least one of the two types of laser light wavelengths described above is matched with a specific wavelength (that is, locked to a specific wavelength). Circuit configuration is required. In particular, for a laser beam having a wavelength with a larger amount of light absorption by the target, it is desirable to accurately lock the wavelength of the laser beam to the center wavelength of the absorption line of the target light. A differential absorption lidar apparatus having a wavelength lock circuit is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-248126.

特開2007−248126号公報(たとえば、図1及び段落0017〜0024)JP 2007-248126 A (for example, FIG. 1 and paragraphs 0017 to 0024)

上記したレーザ光の波長をロックする方法としては、たとえば、位相変調されたレーザ光を、ターゲットと同種の光吸収媒体(たとえば、炭酸ガスなどの基準ガス)が封入された光吸収セルに透過させ、その透過レーザ光の検出強度を基にフィードバック制御用の誤差信号を生成し、更にこの誤差信号を用いてレーザ光源の出力波長を制御する方法が考えられる。しかしながら、当該波長に対する光吸収媒体の吸収線強度が小さいと、当該波長に対する光吸収媒体の光の吸収係数が小さいので、高精度な誤差信号を得ることが難しい。この場合、高い精度で安定した波長ロックを実現することができないという課題がある。   As a method of locking the wavelength of the laser beam described above, for example, the phase-modulated laser beam is transmitted through a light absorption cell in which a light absorption medium of the same type as the target (for example, a reference gas such as carbon dioxide gas) is sealed. A method of generating an error signal for feedback control based on the detected intensity of the transmitted laser light and further controlling the output wavelength of the laser light source using this error signal is conceivable. However, if the absorption line intensity of the light absorbing medium with respect to the wavelength is small, it is difficult to obtain a highly accurate error signal because the light absorption coefficient of the light absorbing medium with respect to the wavelength is small. In this case, there is a problem that a stable wavelength lock cannot be realized with high accuracy.

上記に鑑みて本発明の目的は、光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる波長制御器及び差分吸収ライダ装置を提供する点にある。   In view of the above, an object of the present invention is to provide a wavelength controller and a differential absorption lidar apparatus that can realize stable wavelength locking with high accuracy even when the absorption coefficient of the light absorption medium is small.

本発明の一態様による波長制御器は、一連のレーザ光パルスが入力される光入力端を有し、該光入力端に入力された各レーザ光パルスを減衰させる光吸収媒体を含む光吸収セルと、前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第1の分岐光と第2の分岐光とに分割する光分岐器と、前記第2の分岐光を前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、前記第1の分岐光を電気信号に変換して出力する光検出器と、前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記レーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする。   A wavelength controller according to an aspect of the present invention has a light input terminal to which a series of laser light pulses are input, and includes a light absorption medium that attenuates each laser light pulse input to the light input terminal. An optical branching device that divides the transmitted light pulse output from the light absorption cell into a first branched light and a second branched light, and the second branched light from the light input terminal to the light absorption cell. An optical coupler to be input to the optical detector, a photodetector that converts the first branched light into an electrical signal and outputs the signal, an attenuation waveform of the output signal of the photodetector is sampled, and the sampled attenuation waveform is used as a basis. A wavelength estimation unit that estimates a current wavelength of the laser light pulse, and a control signal generation unit that generates a feedback control signal that reduces a difference between the estimated current wavelength and a target wavelength, A light absorption cell, the optical branching device and It said optical coupler is characterized in that it constitutes a loop optical path for multiple times cycles through each laser beam pulse input to the optical input end.

本発明の他の態様による差分吸収ライダ装置は、一連のレーザ光パルスを外部のターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光し、その受光結果を基に当該ターゲットの濃度を算出する差分吸収ライダ部と、前記一連のレーザ光パルスを入力とする前記波長制御器とを備え、前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする。   The differential absorption lidar apparatus according to another aspect of the present invention irradiates a series of laser light pulses toward an external target, receives scattered light reflected by the target, and determines the concentration of the target based on the light reception result. A differential absorption lidar unit to be calculated; and the wavelength controller to which the series of laser light pulses are input. The differential absorption lidar unit is configured to perform the series according to a feedback control signal generated by the wavelength controller. The wavelength of the laser light pulse is made to coincide with the target wavelength.

本発明によれば、ループ光路におけるレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいて、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。その推定された現在の波長を用いてフィードバック制御信号が生成されるため、光吸収媒体の光の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。   According to the present invention, the current wavelength of the laser light pulse can be estimated with high accuracy based on the attenuation waveform generated by the circulation of the laser light pulse in the loop optical path. Since the feedback control signal is generated using the estimated current wavelength, stable wavelength locking can be realized with high accuracy even when the light absorption coefficient of the light absorbing medium is small.

本発明に係る実施の形態1である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the differential absorption lidar apparatus which is Embodiment 1 which concerns on this invention. 波長に対する光吸収量分布の一例を概略的に示すグラフである。It is a graph which shows roughly an example of light absorption amount distribution to a wavelength. 図1に示した信号処理部の構成を概略的に示す機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram schematically illustrating a configuration of a signal processing unit illustrated in FIG. 1. 実施の形態1の強度変調器に入力されるレーザ光パルスの波形の例を示す図である。6 is a diagram illustrating an example of a waveform of a laser light pulse input to the intensity modulator according to the first embodiment. FIG. 短パルス化されたレーザ光パルスの波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the waveform of the laser beam pulse shortened. 図6A及び図6Bは、検出信号の減衰波形の例を概略的に示すグラフである。6A and 6B are graphs schematically showing examples of attenuation waveforms of detection signals. 実施の形態1におけるフィッティング部で得られた減衰曲線の3つの例を示すグラフである。6 is a graph showing three examples of attenuation curves obtained by the fitting unit in the first embodiment. オン波長とオフ波長とにそれぞれ対応する減衰曲線の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the attenuation | damping curve corresponding to an ON wavelength and an OFF wavelength, respectively. 減衰曲線の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of an attenuation curve. 飽和領域を有する減衰曲線の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the attenuation | damping curve which has a saturation area | region. 飽和領域を有する減衰曲線の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the attenuation | damping curve which has a saturation area | region. 実施の形態1における波長制御器の第1変形例の構成の一部を概略的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing a part of a configuration of a first modification of the wavelength controller in the first embodiment. 実施の形態1における波長制御器の第2変形例の構成の一部を概略的に示す図である。6 is a diagram schematically showing a part of a configuration of a second modification of the wavelength controller in Embodiment 1. FIG. 本発明に係る実施の形態2である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the differential absorption lidar apparatus which is Embodiment 2 which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態3である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the differential absorption lidar apparatus which is Embodiment 3 which concerns on this invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。   Hereinafter, various embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the component to which the same code | symbol was attached | subjected in the whole drawing shall have the same structure and the same function.

実施の形態1.
図1は、本発明に係る実施の形態1である差分吸収ライダ装置1の概略構成を示す図である。図1に示されるように、差分吸収ライダ装置1は、一連のレーザ光パルスを外部空間におけるターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光する差分吸収ライダ部20と、当該一連のレーザ光パルスの波長を目標波長に一致させるフィードバック制御(以下「波長ロック」ともいう。)を実行する波長制御器10とを備えて構成されている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a differential absorption lidar apparatus 1 according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the differential absorption lidar apparatus 1 includes a differential absorption lidar unit 20 that irradiates a series of laser light pulses toward a target in an external space and receives scattered light reflected by the target, and the series. And a wavelength controller 10 for performing feedback control (hereinafter also referred to as “wavelength lock”) for matching the wavelength of the laser light pulse with the target wavelength.

差分吸収ライダ部20は、計測対象となるターゲット(たとえば、炭酸ガス、オゾンまたは水蒸気などの気体分子)の光吸収量が小さい波長λoff(以下「オフ波長λoff」ともいう。)のレーザ光をターゲットに向けて照射し、そのターゲットの光吸収量が大きい波長λon(以下「オン波長λon」ともいう。)のレーザ光をターゲットに向けて照射する。図2は、波長に対する光吸収量分布の一例を概略的に示すグラフである。図2に示される光吸収量分布は、オン波長λonで極大ピークを形成する。これに対し、オフ波長λoffでの光吸収量はほとんど無い。差分吸収ライダ部20は、ターゲットによる光吸収量がオン波長λonとオフ波長λoffとの間で異なる現象を利用して、当該ターゲットの濃度を測定することができる。 The differential absorption lidar unit 20 is a laser beam having a wavelength λ off (hereinafter also referred to as “off wavelength λ off ”) in which a light absorption amount of a target to be measured (for example, a gas molecule such as carbon dioxide, ozone, or water vapor) is small. Is irradiated toward the target, and the target is irradiated with laser light having a wavelength λ on (hereinafter, also referred to as “on wavelength λ on ”) having a large light absorption amount of the target. FIG. 2 is a graph schematically showing an example of the light absorption amount distribution with respect to the wavelength. The light absorption amount distribution shown in FIG. 2 forms a maximum peak at the ON wavelength λ on . On the other hand, there is almost no light absorption at the off-wavelength λ off . The differential absorption lidar unit 20 can measure the concentration of the target by utilizing a phenomenon in which the light absorption amount by the target is different between the on wavelength λ on and the off wavelength λ off .

図1に示されるように、差分吸収ライダ部20は、オフ波長λoffの連続波レーザ光を光導波路G1に出力する第1レーザ光源21Aと、この第1レーザ光源21Aを駆動する光源駆動部22Aと、オン波長λonの連続波レーザ光を光導波路G2に出力する第2レーザ光源21Bと、この第2レーザ光源21Bを駆動する光源駆動部22Bとを備えている。光源駆動部22Bは、波長制御器10から供給された波長制御信号CTRに応じて第2レーザ光源21Bの出力波長λonを所定の目標波長Λonに一致させる(言い換えれば、出力波長λonを目標波長Λonにロックする)機能をも有している。目標波長Λonは、予め観測された吸収線の中心波長に設定されている。この機能により、第2レーザ光源21Bの出力波長λonを目標波長Λonに同調させることが可能となる。第1レーザ光源21A及び第2レーザ光源21Bとしては、それぞれ、たとえば単一モードで連続発振可能な半導体レーザダイオードを含む光源を使用すればよい。以下、連続波(Continuous Wave)レーザ光を「CWレーザ光」と呼ぶこととする。 As shown in FIG. 1, the differential absorption lidar unit 20 includes a first laser light source 21A that outputs continuous wave laser light having an off wavelength λ off to the optical waveguide G1, and a light source driving unit that drives the first laser light source 21A. 22A, a second laser light source 21B that outputs continuous wave laser light having an on wavelength λ on to the optical waveguide G2, and a light source driving unit 22B that drives the second laser light source 21B. The light source driver 22B matches the output wavelength λ on of the second laser light source 21B with a predetermined target wavelength Λ on according to the wavelength control signal CTR supplied from the wavelength controller 10 (in other words, the output wavelength λ on It also has a function of locking to the target wavelength Λ on . The target wavelength Λ on is set to the center wavelength of the absorption line observed in advance. With this function, the output wavelength λ on of the second laser light source 21B can be tuned to the target wavelength Λ on . As the first laser light source 21A and the second laser light source 21B, for example, light sources including semiconductor laser diodes capable of continuous oscillation in a single mode may be used. Hereinafter, the continuous wave laser light is referred to as “CW laser light”.

図1に示される差分吸収ライダ部20は、更に、光スイッチ23、光分岐器24、光変調器25、光分岐器26、光増幅器27、光サーキュレータ28、送受信光学系29、光合波器31、バランスドレシーバ32、A/D変換器(ADC)33及び信号処理部34を備えている。   1 further includes an optical switch 23, an optical branching device 24, an optical modulator 25, an optical branching device 26, an optical amplifier 27, an optical circulator 28, a transmission / reception optical system 29, and an optical multiplexer 31. A balanced receiver 32, an A / D converter (ADC) 33, and a signal processing unit 34.

光スイッチ23は、信号処理部34から供給される切替制御信号SWに応じて、光導波路G1から入力されたオフ波長λoffのレーザ光と、光導波路G2から入力されたオン波長λonのレーザ光との間を切り替えて光分岐器24に出力する。光分岐器24は、光スイッチ23から入力されたCWレーザ光を2つの分岐レーザ光に分割し、一方の分岐レーザ光を光導波路G3に出力し、他方の分岐レーザ光を光導波路G4に出力する。 The optical switch 23 responds to the switching control signal SW supplied from the signal processing unit 34, and the off-wavelength λ off laser light input from the optical waveguide G1 and the on-wavelength λ on laser input from the optical waveguide G2. The light is switched to and output to the optical branching device 24. The optical splitter 24 splits the CW laser light input from the optical switch 23 into two branched laser beams, outputs one branched laser beam to the optical waveguide G3, and outputs the other branched laser beam to the optical waveguide G4. To do.

光変調器25は、光導波路G3から入力された分岐レーザ光を周波数シフトし、次に、その周波数シフトされた分岐レーザ光にパルス変調を施して一連のレーザ光パルスを生成して出力する。レーザ光パルスのパルス幅は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内となるように制御される。このような光変調器25は、たとえば、音響光学変調素子(AOM:Acousto−Optic Modulator)を用いて構成可能であるが、これに限定されるものではない。   The optical modulator 25 shifts the frequency of the branched laser beam input from the optical waveguide G3, and then performs pulse modulation on the branched laser beam shifted in frequency to generate and output a series of laser beam pulses. The pulse width of the laser light pulse is controlled to be in the range of several hundred nanoseconds to several thousand nanoseconds, for example. Such an optical modulator 25 can be configured using, for example, an acousto-optic modulator (AOM: Acoustic-Optic Modulator), but is not limited thereto.

光分岐器26は、光変調器25から出力されたレーザ光パルスを2分割して光導波路G5,G6に出力する。光導波路G5に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器10に入力される。一方、光導波路G6に出力されたレーザ光パルスは、光増幅器27で増幅された後に、送受信光分離部をなす光サーキュレータ28を介して送受信光学系29に供給される。光増幅器27は、たとえば、EDFA(Erbium Doped optical Fiber Amplifier)などの光ファイバ増幅器を用いて構成可能である。送受信光学系29は、光サーキュレータ28から光導波路G7を介して入力されたレーザ光パルスを、所定の光強度、ビームサイズ及びビーム形状を有するように成形して外部空間内のターゲットに照射する。送受信光学系29は、たとえば光学望遠鏡により構成可能である。   The optical branching unit 26 divides the laser light pulse output from the optical modulator 25 into two and outputs it to the optical waveguides G5 and G6. The laser light pulse output to the optical waveguide G5 is input to the wavelength controller 10. On the other hand, the laser light pulse output to the optical waveguide G6 is amplified by the optical amplifier 27 and then supplied to the transmission / reception optical system 29 via the optical circulator 28 forming the transmission / reception light separation unit. The optical amplifier 27 can be configured using, for example, an optical fiber amplifier such as an EDFA (Erbium Doped Optical Fiber Amplifier). The transmission / reception optical system 29 shapes the laser light pulse input from the optical circulator 28 through the optical waveguide G7 so as to have a predetermined light intensity, beam size, and beam shape, and irradiates the target in the external space. The transmission / reception optical system 29 can be configured by, for example, an optical telescope.

ターゲットで反射した散乱光は、送受信光学系29で受信される。光サーキュレータ28は、送受信光学系29から入力された受信光を光導波路G8に出力する。光合波器31は、光導波路G4から入力されたCWレーザ光と、光導波路G8から入力された受信光とを合波して合波光信号を生成し、この合波光信号をバランスドレシーバ32に出力する。   The scattered light reflected by the target is received by the transmission / reception optical system 29. The optical circulator 28 outputs the received light input from the transmission / reception optical system 29 to the optical waveguide G8. The optical multiplexer 31 combines the CW laser light input from the optical waveguide G4 and the received light input from the optical waveguide G8 to generate a combined optical signal, and this combined optical signal is sent to the balanced receiver 32. Output.

バランスドレシーバ32は、光ヘテロダイン検波器で構成されている。バランスドレシーバ32は、光合波器31から入力された合波光信号をヘテロダイン検波し、その検波結果を示すアナログ電気信号をA/D変換器33に供給する。A/D変換器33は、入力されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換し、信号処理部34に供給する。   The balanced receiver 32 is composed of an optical heterodyne detector. The balanced receiver 32 performs heterodyne detection on the combined optical signal input from the optical multiplexer 31 and supplies an analog electric signal indicating the detection result to the A / D converter 33. The A / D converter 33 converts the input analog electric signal into a digital signal and supplies it to the signal processing unit 34.

信号処理部34は、オン波長λonのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号と、オフ波長λoffのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号とに基づいて、当該ターゲットの濃度を算出することができる。濃度算出には、DIAL(DIfferential Absorption Lidar)による公知の濃度測定アルゴリズムを使用すればよい。また、信号処理部34は、光スイッチ23に対して切替制御信号SWを供給する制御機能をも有している。 The signal processing unit 34 receives a digital signal input according to the irradiation of the laser light pulse with the on wavelength λ on to the target and a digital signal input according to the irradiation of the laser light pulse with the off wavelength λ off. Based on the above, the concentration of the target can be calculated. For the concentration calculation, a known concentration measurement algorithm based on DIAL (Differential Absorption Lidar) may be used. The signal processing unit 34 also has a control function for supplying a switching control signal SW to the optical switch 23.

次に、波長制御器10の構成について説明する。図1に示されるように、波長制御器10は、強度変調器11、光結合器12、光吸収セル13、光分岐器14、光検出器15及び信号処理部16を含んで構成されている。図3は、図1に示した信号処理部16の概略構成を示す機能ブロック図である。   Next, the configuration of the wavelength controller 10 will be described. As shown in FIG. 1, the wavelength controller 10 includes an intensity modulator 11, an optical coupler 12, an optical absorption cell 13, an optical splitter 14, a photodetector 15, and a signal processing unit 16. . FIG. 3 is a functional block diagram showing a schematic configuration of the signal processing unit 16 shown in FIG.

強度変調器11は、光導波路G5から入力された一連のレーザ光パルスを短パルス化(すなわち、レーザ光パルスのパルス幅を短く)する機能を有する。図4は、強度変調器11に入力されるレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図4は、パルス周期T及びパルス幅Δτを有するレーザ光パルスの波形を概略的に示す図である。図5は、図4に示したレーザ光パルスを短パルス化して得られたレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図5に示されるレーザ光パルスは、パルス周期Tと、パルス幅Δτよりも短いパルス幅Δτとを有している。強度変調器11は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内のパルス幅Δτを有するレーザ光パルスを、数ナノ秒程度のパルス幅Δτを有するレーザ光パルスに変換することができる。強度変調器11は、たとえば公知のLN強度変調器を用いて構成可能である。 The intensity modulator 11 has a function of shortening a series of laser light pulses input from the optical waveguide G5 (that is, shortening the pulse width of the laser light pulses). FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the waveform of a laser light pulse input to the intensity modulator 11. FIG. 4 is a diagram schematically showing the waveform of a laser light pulse having a pulse period T and a pulse width Δτ 0 . FIG. 5 is a diagram showing an example of the waveform of the laser light pulse obtained by shortening the laser light pulse shown in FIG. The laser light pulse shown in FIG. 5 has a pulse period T and a pulse width Δτ shorter than the pulse width Δτ 0 . The intensity modulator 11 can convert, for example, a laser light pulse having a pulse width Δτ 0 within a range of several hundred nanoseconds to several thousand nanoseconds into a laser light pulse having a pulse width Δτ of about several nanoseconds. it can. The intensity modulator 11 can be configured using, for example, a known LN intensity modulator.

図3を参照すると、光吸収セル13は、強度変調器11から光結合器12を介して一連のレーザ光パルスが入力される光入力端と、当該光吸収セル13の内部を透過した透過光パルスを出力する光出力端とを有する。光吸収セル13は、それら光入力端と光出力端との間に、主にターゲットと同種の気体分子からなる光吸収媒体が封入された領域を有する。この光吸収セル13に入力されたレーザ光パルスは、光吸収媒体内を伝搬する過程で減衰する。   Referring to FIG. 3, the light absorption cell 13 includes a light input terminal to which a series of laser light pulses are input from the intensity modulator 11 via the optical coupler 12, and transmitted light transmitted through the light absorption cell 13. And an optical output terminal for outputting a pulse. The light absorption cell 13 has a region in which a light absorption medium mainly composed of the same kind of gas molecules as the target is enclosed between the light input end and the light output end. The laser light pulse input to the light absorption cell 13 is attenuated in the process of propagating in the light absorption medium.

光分岐器14は、光吸収セル13の光出射端から入力された透過光パルスを2つの分岐光パルスに分割する。一方の分岐光パルス(第1の分岐光パルス)は光導波路G11に出力され、他方の分岐光パルス(第2の分岐光パルス)は光導波路G12に出力される。この光導波路G12は、光分岐器14の光出力端と光結合器12の光入力端との間を接続するように配置されている。光結合器12は、光導波路G12の光出力端を光吸収セル13の光入力端と光学的に結合する光学部材である。よって、図3に示されるように、光結合器12、光吸収セル13、光分岐器14及び光導波路G12によって、ループ光路が構成される。   The optical branching device 14 divides the transmitted light pulse input from the light emitting end of the light absorption cell 13 into two branched light pulses. One branch light pulse (first branch light pulse) is output to the optical waveguide G11, and the other branch light pulse (second branch light pulse) is output to the optical waveguide G12. The optical waveguide G12 is disposed so as to connect between the optical output end of the optical splitter 14 and the optical input end of the optical coupler 12. The optical coupler 12 is an optical member that optically couples the light output end of the optical waveguide G12 with the light input end of the light absorption cell 13. Therefore, as shown in FIG. 3, the optical coupler 12, the light absorption cell 13, the optical branching device 14, and the optical waveguide G12 constitute a loop optical path.

1個のレーザ光パルスがそのループ光路を1回循環する度に、光分岐器14は1個の分岐光パルスを出力する。仮に1個のレーザ光パルスが最後まで消滅せずにそのループ光路を1000回循環することができたとすれば、光分岐器14は、時間の経過とともに次第に強度が減衰する1000個の分岐光パルスを連続的に出力することとなる。   Each time one laser light pulse circulates in the loop optical path once, the optical branching device 14 outputs one branched light pulse. Assuming that one laser light pulse can be circulated 1000 times in the optical path of the loop without extinguishing to the end, the optical branching unit 14 has 1000 branched light pulses whose intensity gradually decreases with the passage of time. Will be output continuously.

光検出器15は、光導波路G11から入力された分岐光パルスをアナログ電気信号(以下「検出信号」という。)DSに変換し、この検出信号DSを信号処理部16に出力する。ここで、パルス周期T(図5)は、当該パルス周期T内に、1個のレーザ光パルスがループ光路を複数回循環して十分に減衰することができる時間長に設定されている。よって、検出信号DSは、パルス周期Tごとに、時間の経過とともに減衰する減衰波形を示すものとなる。   The photodetector 15 converts the branched light pulse input from the optical waveguide G11 into an analog electrical signal (hereinafter referred to as “detection signal”) DS, and outputs the detection signal DS to the signal processing unit 16. Here, the pulse period T (FIG. 5) is set to a time length during which one laser light pulse can circulate a plurality of times in the loop optical path and sufficiently attenuate within the pulse period T. Therefore, the detection signal DS shows an attenuation waveform that decays with time for each pulse period T.

信号処理部16は、制御対象であるオン波長λonに対応する検出信号DSが入力されたときに動作する。信号処理部16は、図3に示されるように、検出信号DSの減衰波形をサンプリングして当該サンプリングされた減衰波形を基にレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部40と、当該推定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部46と、このフィードバック制御信号を、アナログ信号である波長制御信号CTRに変換するD/A変換器(DAC)47とを含んで構成されている。波長推定部40は、A/D変換器(ADC)41、積算処理部42、正規化部43、フィッティング部44及び波長演算部45を含む。 The signal processing unit 16 operates when a detection signal DS corresponding to the on-wavelength λ on to be controlled is input. As shown in FIG. 3, the signal processing unit 16 samples the attenuation waveform of the detection signal DS and estimates the current wavelength of the laser light pulse based on the sampled attenuation waveform, A control signal generator 46 that generates a feedback control signal that reduces the difference between the estimated current wavelength and the target wavelength Λ on, and D that converts this feedback control signal into a wavelength control signal CTR that is an analog signal A / A converter (DAC) 47 is included. The wavelength estimation unit 40 includes an A / D converter (ADC) 41, an integration processing unit 42, a normalization unit 43, a fitting unit 44, and a wavelength calculation unit 45.

A/D変換器41は、検出信号DSを所定の時間分解能でディジタル信号に変換するサンプリング回路である。図6A及び図6Bは、検出信号DSの減衰波形の例を概略的に示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は、検出信号DSの強度を示し、横軸は、パルス周期Tごとにカウントされる時間τを示している。図6Aに示される減衰波形は、時間の経過とともに強度が減衰する多数のパルス波形の集合体である。図6Aの例では、A/D変換器41の時間分解能が高いので、個々のパルス波形の形状を識別することができる。一方、図6Bは、図6Aの場合よりも、A/D変換器41の時間分解能が低い場合の減衰波形を示すグラフである。図6Bの例では、その時間分解能が低いため、個々のパルス波形を識別することができない。   The A / D converter 41 is a sampling circuit that converts the detection signal DS into a digital signal with a predetermined time resolution. 6A and 6B are graphs schematically showing an example of an attenuation waveform of the detection signal DS. In these graphs, the vertical axis represents the intensity of the detection signal DS, and the horizontal axis represents the time τ counted for each pulse period T. The attenuation waveform shown in FIG. 6A is an aggregate of a large number of pulse waveforms whose intensities are attenuated over time. In the example of FIG. 6A, since the time resolution of the A / D converter 41 is high, the shape of each pulse waveform can be identified. On the other hand, FIG. 6B is a graph showing an attenuation waveform when the time resolution of the A / D converter 41 is lower than in the case of FIG. 6A. In the example of FIG. 6B, since the time resolution is low, individual pulse waveforms cannot be identified.

図3を参照すると、積算処理部42は、A/D変換器41でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する機能を有する。A/D変換器41は、パルス周期Tごとに1つの減衰波形を出力する。積算処理部42は、複数のパルス周期を通じて連続的に入力された複数の減衰波形を積算することにより積算波形のデータを生成することができる。正規化部43は、この積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。   Referring to FIG. 3, the integration processing unit 42 has a function of generating an integrated waveform by integrating a plurality of attenuation waveforms sampled by the A / D converter 41. The A / D converter 41 outputs one attenuation waveform for each pulse period T. The integration processing unit 42 can generate integrated waveform data by integrating a plurality of attenuation waveforms continuously input through a plurality of pulse periods. The normalizing unit 43 generates normalized waveform data by normalizing the integrated waveform with the maximum value of the integrated waveform.

そして、フィッティング部44は、その正規化波形を予め用意された減衰関数でフィッティングすることにより減衰曲線を算出する。フィッティングは、公知の最小自乗法を用いて実行することが可能である。光強度の減衰には、光分岐器14を構成する光カプラの挿入損失、光分岐器14の分岐比、光吸収セル13内の光吸収媒体の光の吸収係数、その光吸収媒体のモル濃度、及び、光吸収セル13内の光の伝搬長といった種々のパラメータが影響を与えるので、これらパラメータを考慮してフィッティングに適した減衰関数が決定されればよい。ランベルト・ベール(Lambert−Beer)の法則によれば、或る波長の光が気体分子の中を通過するとき、その光の強度は指数関数的に減衰することが知られているので、フィッティングに使用される減衰関数として減衰型の指数関数を使用することができる。ただし、本発明は、減衰型の指数関数に限定されるものではない。差分吸収ライダ装置1の想定される使用環境に応じて、多項式関数などの他の種類の減衰関数が使用されてもよい。減衰関数は、予め実験または計算機シミュレーションを実行することにより決定することが可能である。   Then, the fitting unit 44 calculates an attenuation curve by fitting the normalized waveform with an attenuation function prepared in advance. The fitting can be performed using a known least square method. For attenuation of light intensity, the insertion loss of the optical coupler constituting the optical branching device 14, the branching ratio of the optical branching device 14, the light absorption coefficient of the light absorbing medium in the light absorbing cell 13, the molar concentration of the light absorbing medium. Since various parameters such as the propagation length of light in the light absorption cell 13 influence the attenuation function suitable for the fitting may be determined in consideration of these parameters. According to Lambert-Beer's law, when light of a certain wavelength passes through gas molecules, the intensity of the light is known to decay exponentially. An attenuation type exponential function can be used as the attenuation function used. However, the present invention is not limited to the attenuation type exponential function. Other types of attenuation functions such as a polynomial function may be used depending on the assumed usage environment of the differential absorption lidar apparatus 1. The attenuation function can be determined in advance by performing an experiment or a computer simulation.

図7は、フィッティング部44で得られた減衰曲線の3つの例を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸は、減衰曲線D1,D2,D3の強度(正規化強度)を示し、横軸は、パルス周期単位でカウントされる時間τを示している。正規化強度の最大値は「1」である。図7に示されるように、減衰曲線D1,D2,D3は、τ=0を始点として時間の経過とともに指数関数的に減衰している。光吸収量が多くなるほど、減衰曲線の減衰速度が大きくなる。よって、減衰曲線D1,D2,D3に対応する3つの波長のうち、最も光吸収量の多い波長は、減衰曲線D1に対応する波長である。たとえば、基準値1/e(e:自然対数の底)に対応する減衰曲線D1,D2,D3の観測時間τ,τ,τに着目すると、光吸収量が多くなるほど、観測時間はτ=0の時点に近づいていくことが分かる。図8は、オン波長λonとオフ波長λoffとにそれぞれ対応する減衰曲線Don,Doffの例を示すグラフである。図8に示されるように、基準値1/eに対応する減衰曲線Don,Doffの観測時間τon,τoffに着目すると、観測時間τonは、観測時間τoffよりもτ=0の時点に近いことが分かる。また、減衰曲線Donの減衰速度は、減衰曲線Doffの減衰速度よりも大きい。 FIG. 7 is a graph showing three examples of attenuation curves obtained by the fitting unit 44. In this graph, the vertical axis indicates the intensity (normalized intensity) of the attenuation curves D1, D2, and D3, and the horizontal axis indicates the time τ counted in pulse cycle units. The maximum value of the normalized strength is “1”. As shown in FIG. 7, the attenuation curves D1, D2, and D3 are exponentially attenuated with the passage of time starting from τ = 0. As the amount of light absorption increases, the attenuation rate of the attenuation curve increases. Therefore, among the three wavelengths corresponding to the attenuation curves D1, D2, and D3, the wavelength with the largest amount of light absorption is the wavelength corresponding to the attenuation curve D1. For example, focusing on the observation times τ 1 , τ 2 , and τ 3 of the attenuation curves D1, D2, and D3 corresponding to the reference value 1 / e (e: the base of natural logarithm), the observation time becomes longer as the amount of light absorption increases. It can be seen that the time approaches τ = 0. FIG. 8 is a graph showing examples of attenuation curves D on and D off corresponding to the on wavelength λ on and the off wavelength λ off , respectively. As shown in FIG. 8, when attention is paid to the observation times τ on and τ off of the attenuation curves D on and D off corresponding to the reference value 1 / e, the observation time τ on is τ = 0 rather than the observation time τ off. You can see that it is close to the point of time. Further, the attenuation rate of the attenuation curve D on is greater than the attenuation rate of the attenuation curve D off.

次に、図3に示される波長演算部45は、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、フィッティング部44で得られた減衰曲線の特性値に対応する波長を判定し、レーザ光パルスの現在の波長をその判定された波長と推定する。ここで、変換テーブルは、減衰曲線の特性値と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰関数の特性値が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。図9は、3種類の減衰曲線D1,D2,D3の特性値を説明するためのグラフである。図9に示される判定時間τは、強度変調器11から出力された1個のレーザ光パルスがループ光路内を所定回数以上循環することができるように予め設定された時間である。波長演算部45は、その判定時間τにおける減衰曲線D1,D2,D3の正規化強度値I,I,Iを特性値として利用することができる。波長演算部45は、予め用意された変換テーブルまたは変換関数を用いて、特性値に対応する波長を取得することが可能である。 Next, the wavelength calculator 45 shown in FIG. 3 determines a wavelength corresponding to the characteristic value of the attenuation curve obtained by the fitting unit 44 by referring to a conversion table prepared in advance or using a conversion function, The current wavelength of the laser light pulse is estimated as the determined wavelength. Here, the conversion table is a lookup table that defines the correspondence between the characteristic value of the attenuation curve and the wavelength. The conversion function calculates a wavelength corresponding to the input value when a characteristic value of the attenuation function is given as the input value. FIG. 9 is a graph for explaining the characteristic values of the three types of attenuation curves D1, D2, and D3. The determination time τ p shown in FIG. 9 is a time set in advance so that one laser light pulse output from the intensity modulator 11 can circulate a predetermined number of times or more in the loop optical path. The wavelength calculation unit 45 can use the normalized intensity values I 1 , I 2 , I 3 of the attenuation curves D1, D2, D3 at the determination time τ p as characteristic values. The wavelength calculator 45 can acquire the wavelength corresponding to the characteristic value using a conversion table or conversion function prepared in advance.

制御信号生成部46は、波長演算部45で判定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。図9の例では、減衰曲線D1,D2,D3にそれぞれ対応する3つの波長のうち最も目標波長Λonに近い波長は、減衰曲線D1に対応する波長である。 The control signal generation unit 46 generates a feedback control signal that reduces the difference between the current wavelength determined by the wavelength calculation unit 45 and the target wavelength Λ on . In the example of FIG. 9, the wavelength closest to the target wavelength Λ on among the three wavelengths respectively corresponding to the attenuation curves D1, D2, and D3 is the wavelength corresponding to the attenuation curve D1.

ところで、積算処理部42で生成された積算波形の一部が飽和することがある。この場合、仮に、正規化部43が当該積算波形の飽和した部分の強度最大値を用いて積算波形を正規化したとしても、フィッティングに適した正規化波形を得ることが難しい。このため、積算波形の一部が飽和する場合には、正規化部43は、飽和領域を避けた時間τにおける強度値を用いて正規化波形を生成することが望ましい。図10は、飽和領域を避けた時間τにおける強度値を用いて生成された正規化波形の一例を示す図である。この場合、波長演算部45は、図11に示されるように、時間τよりも後の時間を判定時間τとして利用する。これにより、積算波形の一部が飽和したとしても、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。 By the way, a part of the integrated waveform generated by the integration processing unit 42 may be saturated. In this case, even if the normalizing unit 43 normalizes the integrated waveform using the maximum intensity value of the saturated portion of the integrated waveform, it is difficult to obtain a normalized waveform suitable for fitting. For this reason, when a part of the integrated waveform is saturated, it is desirable that the normalization unit 43 generates the normalized waveform using the intensity value at the time τ N avoiding the saturation region. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a normalized waveform generated using the intensity value at time τ N avoiding the saturation region. In this case, the wavelength calculating unit 45, as shown in FIG. 11, utilizes a time later than the time tau N as determined time tau p. Thereby, even if a part of the integrated waveform is saturated, the current wavelength of the laser light pulse can be estimated with high accuracy.

このような信号処理部16のハードウェア構成は、たとえば、ワークステーションまたはメインフレームなどのCPU(Central Processing Unit)内蔵のコンピュータ構成を有する情報処理装置により実現可能である。あるいは、上記信号処理部16のハードウェア構成は、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)またはFPGA(Field−Programmable Gate Array)などのLSI(Large Scale Integrated circuit)を有する情報処理装置により実現されてもよい。   Such a hardware configuration of the signal processing unit 16 can be realized by an information processing apparatus having a computer configuration with a built-in CPU (Central Processing Unit) such as a workstation or a mainframe. Alternatively, the hardware configuration of the signal processing unit 16 is an LSI (Large Information System) such as a DSP (Digital Signal Processor), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array). May be realized.

次に、実施の形態1における波長制御器10の変形例について説明する。図12は、波長制御器10の第1変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第1変形例は、光結合器12よりも前段に配置された光増幅器51を有しており、この光増幅器51は、強度変調器11と光結合器12との間に設けられている。   Next, a modification of the wavelength controller 10 in the first embodiment will be described. FIG. 12 is a diagram schematically showing a part of the configuration of the first modification of the wavelength controller 10. This first modified example has an optical amplifier 51 arranged in front of the optical coupler 12, and this optical amplifier 51 is provided between the intensity modulator 11 and the optical coupler 12. .

光増幅器51は、光吸収セル13に入力すべきレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器51が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器51が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形がτ=0の時点からほぼ零強度付近に減衰するまでの期間(以下「減衰期間」という。)が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器51が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器51としては、EDFAなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器(SOA:Semiconductor Optical Amplifier)を使用すればよい。   Since the optical amplifier 51 increases the intensity of the laser light pulse to be input to the light absorption cell 13, the laser light pulse can be circulated in the loop optical path without disappearing as compared with the case without the optical amplifier 51. The number of times increases. As a result, compared with the case where the optical amplifier 51 is not provided, the decay rate of the normalized waveform is reduced, and the period until the normalized waveform decays to near zero intensity from the time point τ = 0 (hereinafter referred to as “attenuation period”). Is longer). Therefore, the normalization unit 43 can generate a normalized waveform that is more suitable for fitting. As a result, the wavelength calculation unit 45 can estimate the current wavelength of the laser light pulse with higher accuracy than when the optical amplifier 51 is not provided. As the optical amplifier 51, an optical fiber amplifier such as EDFA or a semiconductor optical amplifier (SOA) may be used.

また、図13は、実施の形態1における波長制御器10の第2変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第2変形例では、光結合器12の入力端と光分岐器14の出力端との間を接続する光導波路内に光増幅器52が設けられている。すなわち、光増幅器52の光入力端は、光導波路G12aを介して光分岐器14の光出力端と接続され、光増幅器52の光出力端は、光導波路G12bを介して光結合器12の光入力端と接続されている。   FIG. 13 is a diagram schematically illustrating a part of the configuration of the second modification of the wavelength controller 10 according to the first embodiment. In this second modification, an optical amplifier 52 is provided in an optical waveguide that connects between the input end of the optical coupler 12 and the output end of the optical branching device 14. That is, the optical input end of the optical amplifier 52 is connected to the optical output end of the optical splitter 14 via the optical waveguide G12a, and the optical output end of the optical amplifier 52 is connected to the light of the optical coupler 12 via the optical waveguide G12b. Connected to the input terminal.

光増幅器52は、ループ光路内を循環するレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器52が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器52が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器52が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器52としては、EDFAなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器を使用すればよい。   Since the optical amplifier 52 increases the intensity of the laser light pulse that circulates in the loop optical path, the number of times that the laser light pulse can circulate in the loop optical path without extinguishing as compared with the case without the optical amplifier 52 is increased. Become more. As a result, compared with the case without the optical amplifier 52, the decay rate of the normalized waveform is reduced, and the decay period of the normalized waveform is lengthened. Therefore, the normalization unit 43 can generate a normalized waveform that is more suitable for fitting. As a result, the wavelength calculation unit 45 can estimate the current wavelength of the laser light pulse with higher accuracy than when the optical amplifier 52 is not provided. As the optical amplifier 52, an optical fiber amplifier such as an EDFA or a semiconductor optical amplifier may be used.

以上に説明したように実施の形態1の波長制御器10は、光吸収セル13における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、ループ光路内のレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。   As described above, the wavelength controller 10 of the first embodiment is based on the attenuation waveform generated by the circulation of the laser light pulse in the loop optical path even when the absorption coefficient of the light absorption medium in the light absorption cell 13 is small. Thus, the current wavelength of the laser light pulse can be estimated with high accuracy. Therefore, it is possible to realize a stable wavelength lock with high accuracy.

実施の形態2.
次に、本発明に係る実施の形態2の差分吸収ライダ装置1Aについて説明する。図14は、この差分吸収ライダ装置1Aの概略構成を示す図である。図14に示されるように、この差分吸収ライダ装置1Aは、上記実施の形態1の波長制御器10と同一構成を有する波長制御器10と、差分吸収ライダ部20Aとを備えている。
Embodiment 2. FIG.
Next, the differential absorption lidar apparatus 1A according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of the differential absorption lidar apparatus 1A. As shown in FIG. 14, the differential absorption lidar apparatus 1A includes a wavelength controller 10 having the same configuration as the wavelength controller 10 of the first embodiment and a differential absorption lidar unit 20A.

本実施の形態の差分吸収ライダ部20Aの構成は、光分岐器26及び光増幅器27の配置が異なる点を除いて、上記実施の形態1の差分吸収ライダ部20の構成と同じである。すなわち、本実施の形態の差分吸収ライダ部20Aでは、光増幅器27は、光変調器25と光分岐器26との間に介在している。光分岐器26は、光増幅器27から出力されたレーザ光パルスを2分割して光導波路G5,G6aに出力する。光導波路G5に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器10に入力される。一方、光導波路G6aに出力されたレーザ光パルスは、光サーキュレータ28を介して送受信光学系29に供給される。   The configuration of the differential absorption lidar unit 20A of the present embodiment is the same as the configuration of the differential absorption lidar unit 20 of the first embodiment except that the arrangement of the optical branching device 26 and the optical amplifier 27 is different. That is, in the differential absorption lidar unit 20A of the present embodiment, the optical amplifier 27 is interposed between the optical modulator 25 and the optical branching device 26. The optical branching unit 26 divides the laser light pulse output from the optical amplifier 27 into two and outputs it to the optical waveguides G5 and G6a. The laser light pulse output to the optical waveguide G5 is input to the wavelength controller 10. On the other hand, the laser light pulse output to the optical waveguide G 6 a is supplied to the transmission / reception optical system 29 via the optical circulator 28.

光増幅器27は、波長制御器10に入力されるレーザ光パルスの強度を大きくする。このため、光増幅器27が無い場合と比べると、波長制御器10のループ光路内をレーザ光パルスが消滅せずに循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器27が無い場合と比べると、正規化部43(図3)で生成される正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部43は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部45は、光増幅器52が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。   The optical amplifier 27 increases the intensity of the laser light pulse input to the wavelength controller 10. For this reason, compared with the case where the optical amplifier 27 is not provided, the number of times that the laser light pulse can be circulated in the loop optical path of the wavelength controller 10 without annihilation increases. As a result, compared with the case where the optical amplifier 27 is not provided, the attenuation rate of the normalized waveform generated by the normalizing unit 43 (FIG. 3) is reduced, and the attenuation period of the normalized waveform is increased. Therefore, the normalization unit 43 can generate a normalized waveform that is more suitable for fitting. As a result, the wavelength calculation unit 45 can estimate the current wavelength of the laser light pulse with higher accuracy than when the optical amplifier 52 is not provided.

なお、実施の形態1と同様に、実施の形態2でも、図12及び図13に示した光増幅器51,52のうちの一方または双方を有するように波長制御器10の構成が変形されてよい。   As in the first embodiment, in the second embodiment, the configuration of the wavelength controller 10 may be modified to have one or both of the optical amplifiers 51 and 52 shown in FIGS. .

実施の形態3.
次に、本発明に係る実施の形態3について説明する。図15は、実施の形態3の差分吸収ライダ装置1Bの概略構成を示す図である。この差分吸収ライダ装置1Bは、実施の形態1の差分吸収ライダ部20と同一構成の差分吸収ライダ部20と、波長制御器10Bとを備えている。この波長制御器10Bの構成は、実施の形態1の信号処理部16に代えて図15の信号処理部16Bを有する点を除いて、実施の形態1の波長制御器10の構成と同じである。また、信号処理部16Bの構成は、実施の形態1の波長推定部40に代えて図15の波長推定部40Bを有する点を除いて、実施の形態1の信号処理部16の構成と同じである。更に、波長推定部40Bの構成は、実施の形態1のフィッティング部44及び波長演算部45に代えて図15の減衰強度検出部44B及び波長演算部45Bを有する点を除いて、上記実施の形態1の波長推定部40の構成と同じである。
Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment according to the present invention will be described. FIG. 15 is a diagram illustrating a schematic configuration of the differential absorption lidar apparatus 1B according to the third embodiment. The differential absorption lidar apparatus 1B includes a differential absorption lidar unit 20 having the same configuration as the differential absorption lidar unit 20 of the first embodiment and a wavelength controller 10B. The configuration of the wavelength controller 10B is the same as the configuration of the wavelength controller 10 of the first embodiment, except that the signal processing unit 16B of FIG. 15 is provided instead of the signal processing unit 16 of the first embodiment. . Further, the configuration of the signal processing unit 16B is the same as the configuration of the signal processing unit 16 of the first embodiment except that the wavelength estimation unit 40B of FIG. 15 is provided instead of the wavelength estimation unit 40 of the first embodiment. is there. Furthermore, the configuration of the wavelength estimation unit 40B is the same as that in the above embodiment except that the attenuation intensity detection unit 44B and the wavelength calculation unit 45B in FIG. 15 are provided instead of the fitting unit 44 and the wavelength calculation unit 45 of the first embodiment. 1 is the same as the configuration of the wavelength estimation unit 40.

上述のとおり、正規化部43は、積算処理部42で生成された積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。本実施の形態の減衰強度検出部44Bは、この正規化波形の減衰期間内の所定観測時間(たとえば当該正規化波形の最大値に対応する時間よりも後の判定時間τ)における当該正規化波形の強度値を減衰強度として検出する。光吸収セル13を含むループ光路での光吸収量が多いほど、正規化波形の減衰速度が大きくなり、減衰強度が小さくなる。波長演算部45Bは、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、その減衰強度に対応する波長を取得し、レーザ光パルスの現在の波長を当該取得された波長と推定することができる。ここで、変換テーブルは、減衰強度と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰強度が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。制御信号生成部46は、波長演算部45Bで推定された現在の波長と目標波長Λonとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。 As described above, the normalization unit 43 generates normalized waveform data by normalizing the integrated waveform generated by the integration processing unit 42 with the maximum value of the integrated waveform. The attenuation intensity detection unit 44B according to the present embodiment normalizes the normalization during a predetermined observation time (for example, a determination time τ p after the time corresponding to the maximum value of the normalization waveform) within the attenuation period of the normalization waveform. The intensity value of the waveform is detected as the attenuation intensity. As the amount of light absorption in the loop optical path including the light absorption cell 13 increases, the attenuation rate of the normalized waveform increases and the attenuation intensity decreases. The wavelength calculation unit 45B refers to a conversion table prepared in advance or uses a conversion function to acquire a wavelength corresponding to the attenuation intensity, and estimates the current wavelength of the laser light pulse as the acquired wavelength. Can do. Here, the conversion table is a lookup table that defines a correspondence relationship between attenuation intensity and wavelength. The conversion function calculates a wavelength corresponding to the input value when the attenuation intensity is given as the input value. The control signal generator 46 generates a feedback control signal that reduces the difference between the current wavelength estimated by the wavelength calculator 45B and the target wavelength Λ on .

以上に説明したように実施の形態3の波長制御器10Bは、光吸収セル13における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、正規化部43で生成された正規化波形の減衰強度に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。   As described above, the wavelength controller 10B according to the third embodiment is based on the attenuation intensity of the normalized waveform generated by the normalizing unit 43 even when the absorption coefficient of the light absorption medium in the light absorption cell 13 is small. The current wavelength of the laser light pulse can be estimated with high accuracy. Therefore, it is possible to realize a stable wavelength lock with high accuracy.

なお、実施の形態3の差分吸収ライダ部20に代えて、上記実施の形態2の差分吸収ライダ部20Aが使用されてもよい。また、実施の形態1と同様に、実施の形態3でも、図12及び図13に示した光増幅器51,52のうちの一方または双方を有するように波長制御器10Bの構成が変形されてよい。   Instead of the differential absorption lidar unit 20 of the third embodiment, the differential absorption lidar unit 20A of the second embodiment may be used. Similarly to the first embodiment, in the third embodiment, the configuration of the wavelength controller 10B may be modified so that one or both of the optical amplifiers 51 and 52 shown in FIGS. 12 and 13 are included. .

以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記光導波路G1〜G8,G10〜G12,G12a,G12b,G6aは、光ケーブルで構成することができるが、これに限定されるものではない。   Although various embodiments according to the present invention have been described above with reference to the drawings, these embodiments are examples of the present invention, and various forms other than these embodiments can be adopted. For example, the optical waveguides G1 to G8, G10 to G12, G12a, G12b, and G6a can be configured with optical cables, but are not limited thereto.

また、上記実施の形態1,2,3は、第2レーザ光源21Bの出力波長λonのみをロックする構成を有しているが、これに限定されるものではない。たとえば、オン波長λonのレーザ光パルスが光導波路G5に入力される期間内に第2レーザ光源21Bの出力波長λonをロックし、オフ波長λoffのレーザ光パルスが光導波路G5に入力される期間内に第1レーザ光源21Aの出力波長λoffをロックするように上記実施の形態1,2,3の構成が変形されてもよい。 Moreover, although the said Embodiment 1, 2, 3 has the structure which locks only the output wavelength (lambda) on of the 2nd laser light source 21B, it is not limited to this. For example, the output wavelength λ on of the second laser light source 21B is locked within the period in which the laser light pulse having the on wavelength λ on is input to the optical waveguide G5, and the laser light pulse having the off wavelength λ off is input to the optical waveguide G5. The configurations of the first, second, and third embodiments may be modified so that the output wavelength λ off of the first laser light source 21A is locked within a period.

なお、本発明はその発明の範囲内において、上記実施の形態1,2,3の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。   In the present invention, within the scope of the invention, the above-described first, second, and third embodiments can be freely combined, any constituent element in each embodiment can be modified, or any constituent element in each embodiment can be omitted. Is possible.

G1〜G8,G10〜G12,G6a,G12a,G12b 光導波路、1,1A, 1B 差分吸収ライダ装置、10,10B 波長制御器、11 強度変調器、12 光結合器、13 光吸収セル、14 光分岐器、15 光検出器、16 信号処理部、20,20A 差分吸収ライダ部、21A 第1レーザ光源、21B 第2レーザ光源、22A,22B 光源駆動部、23 光スイッチ、24 光分岐器、25 光変調器、26 光分岐器、27 光増幅器、28 光サーキュレータ、29 送受信光学系、31 光合波器、32 バランスドレシーバ、33 A/D変換器(ADC)、34 信号処理部、40,40B 波長推定部、41 A/D変換器(ADC)、42 積算処理部、43 正規化部、44 フィッティング部、45,45B 波長演算部、46 制御信号生成部、47 D/A変換器(DAC)、51,52 光増幅器。   G1-G8, G10-G12, G6a, G12a, G12b Optical waveguide, 1, 1A, 1B Differential absorption lidar device, 10, 10B Wavelength controller, 11 Intensity modulator, 12 Optical coupler, 13 Optical absorption cell, 14 Light Branching device, 15 photo detector, 16 signal processing unit, 20, 20A differential absorption lidar unit, 21A first laser light source, 21B second laser light source, 22A, 22B light source driving unit, 23 optical switch, 24 optical branching unit, 25 Optical modulator, 26 Optical splitter, 27 Optical amplifier, 28 Optical circulator, 29 Transmission / reception optical system, 31 Optical multiplexer, 32 Balanced receiver, 33 A / D converter (ADC), 34 Signal processing unit, 40, 40B Wavelength estimation unit, 41 A / D converter (ADC), 42 integration processing unit, 43 normalization unit, 44 fitting unit, 45, 45B wavelength Calculation unit, 46 control signal generation unit, 47 D / A converter (DAC), 51 and 52 an optical amplifier.

Claims (13)

一連のレーザ光パルスが入力される光入力端を有し、該光入力端に入力された各レーザ光パルスを減衰させる光吸収媒体を含む光吸収セルと、
前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第1の分岐光パルスと第2の分岐光パルスとに分割する光分岐器と、
前記第2の分岐光パルスを前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、
前記第1の分岐光パルスを電気信号に変換して出力する光検出器と、
前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、
当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする波長制御器。
A light absorption cell having a light input end to which a series of laser light pulses are input, and including a light absorption medium for attenuating each laser light pulse input to the light input end;
An optical branching device that splits a transmitted light pulse output from the light absorption cell into a first branched light pulse and a second branched light pulse;
An optical coupler for inputting the second branched light pulse from the light input terminal to the light absorption cell;
A photodetector that converts the first branched optical pulse into an electrical signal and outputs the electrical signal;
A wavelength estimation unit that samples an attenuation waveform of an output signal of the photodetector and estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the sampled attenuation waveform;
A control signal generation unit that generates a feedback control signal that reduces the difference between the estimated current wavelength and the target wavelength;
The wavelength controller, wherein the light absorption cell, the optical branching unit, and the optical coupler constitute a loop optical path that circulates each laser light pulse input to the optical input terminal a plurality of times.
請求項1記載の波長制御器であって、前記一連のレーザ光パルスのパルス周期は、当該各レーザ光パルスが前記ループ光路を複数回循環して前記減衰波形を形成する期間よりも長いことを特徴とする波長制御器。   2. The wavelength controller according to claim 1, wherein a pulse period of the series of laser light pulses is longer than a period in which the laser light pulses circulate a plurality of times in the loop optical path to form the attenuation waveform. Characteristic wavelength controller. 請求項1または請求項2記載の波長制御器であって、
前記波長推定部は、
前記減衰波形をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する積算処理部と、
前記積算波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長演算部と
を含むことを特徴とする波長制御器。
The wavelength controller according to claim 1 or 2, wherein
The wavelength estimator is
A sampling unit for sampling the attenuated waveform;
An integration processing unit that integrates a plurality of attenuation waveforms sampled by the sampling unit to generate an integrated waveform; and
A wavelength controller that estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the integrated waveform.
請求項3記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記積算波形を正規化して正規化波形を生成する正規化部を更に含み、
前記波長演算部は、前記正規化波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
4. The wavelength controller according to claim 3, wherein the wavelength estimation unit further includes a normalization unit that normalizes the integrated waveform to generate a normalized waveform,
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the normalized waveform.
請求項4記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記正規化波形を予め用意された減衰関数でフィッティングして減衰曲線を算出するフィッティング部を更に含み、
前記波長演算部は、前記減衰曲線に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
5. The wavelength controller according to claim 4, wherein the wavelength estimation unit further includes a fitting unit that calculates an attenuation curve by fitting the normalized waveform with an attenuation function prepared in advance.
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the attenuation curve.
請求項5記載の波長制御器であって、前記減衰曲線は、減衰型の指数関数であることを特徴とする波長制御器。   6. The wavelength controller according to claim 5, wherein the attenuation curve is an attenuation type exponential function. 請求項4記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記正規化波形の減衰強度を検出する減衰強度検出部を更に含み、
前記波長演算部は、前記減衰強度に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
The wavelength controller according to claim 4, wherein the wavelength estimation unit further includes an attenuation intensity detection unit that detects an attenuation intensity of the normalized waveform,
The wavelength controller, wherein the wavelength controller estimates a current wavelength of the series of laser light pulses based on the attenuation intensity.
請求項1から請求項7のうちのいずれか1項記載の波長制御器であって、前記光入力端に入力されるべき一連のレーザ光パルスを短パルス化する強度変調器を更に備えることを特徴とする波長制御器。   8. The wavelength controller according to claim 1, further comprising an intensity modulator that shortens a series of laser light pulses to be input to the optical input terminal. Characteristic wavelength controller. 請求項1から請求項8のうちのいずれか1項記載の波長制御器であって、前記光結合器よりも前段に配置された光増幅器を更に備えることを特徴とする波長制御器。   9. The wavelength controller according to claim 1, further comprising an optical amplifier disposed in front of the optical coupler. 10. 請求項1から請求項8のうちのいずれか1項記載の波長制御器であって、前記光分岐器の光出射端と前記光結合器の光入射端との間に配置されて前記ループ光路の一部を構成する光増幅器を更に備えることを特徴とする波長制御器。   9. The wavelength controller according to claim 1, wherein the loop optical path is disposed between a light emitting end of the optical branching device and a light incident end of the optical coupler. 10. A wavelength controller further comprising an optical amplifier constituting a part of the wavelength controller. 一連のレーザ光パルスを外部のターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光し、その受光結果を基に当該ターゲットの濃度を算出する差分吸収ライダ部と、
前記一連のレーザ光パルスを入力とする請求項1から請求項10のうちのいずれか1項記載の波長制御器と
を備え、
前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
A differential absorption lidar unit that irradiates a series of laser light pulses toward an external target, receives scattered light reflected by the target, and calculates the concentration of the target based on the light reception result;
The wavelength controller according to any one of claims 1 to 10, wherein the series of laser light pulses are input.
The differential absorption lidar unit is configured to make the wavelength of the series of laser light pulses coincide with the target wavelength in accordance with a feedback control signal generated by the wavelength controller.
請求項11記載の差分吸収ライダ装置であって、前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器に入力されるべき一連のレーザ光パルスを増幅する光増幅器を含むことを特徴とする差分吸収ライダ装置。   12. The differential absorption lidar apparatus according to claim 11, wherein the differential absorption lidar unit includes an optical amplifier that amplifies a series of laser light pulses to be input to the wavelength controller. . 請求項12記載の差分吸収ライダ装置であって、
前記差分吸収ライダ部は、
連続波のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光をパルス化して前記一連のレーザ光パルスを生成する光変調器と
を含み、
前記光増幅器は、前記光変調器よりも後段に配置されている
ことを特徴とする差分吸収ライダ装置。
The differential absorption lidar apparatus according to claim 12,
The differential absorption lidar part is:
A laser light source that outputs continuous wave laser light;
An optical modulator that pulses the laser light to generate the series of laser light pulses;
The differential absorption lidar apparatus, wherein the optical amplifier is arranged downstream of the optical modulator.
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