JP2022016762A - レーザドップラ速度計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
レーザドップラ速度計は、動作検証が1964 年に行われている。その一例が、非特許文献1に開示されている。この報告では、レーザ光線のドップラシフト現象を利用して、液体の流速を観測している。報告例では、光源に波長633nmのヘリウムネオンレーザ(HeNeレーザ)を用い、そのコリメート光をビームスプリッタで2つに分け、一方の光を流れる液体に照射し、もう一方の光を光変調器に入れてSSB変調(Single Sideband Modulation)を行い、光源のレーザ光源に光周波数シフトを施して局部発振光として用いている。流れる流体に照射され散乱した光である散乱光と、前記局部発振光を再結合させ光検出器に入射させて、光検出器からの電気信号をスペクトルアナライザで観測する。この構成では、流体の流速に比例して、前記散乱光の光周波数がドップラシフトを起こし、前記光検出にて散乱光と局部発振光の光ヘテロダイン検波を行うと、その出力である前記電気信号のビート信号にて、流体の流速に対応した周波数シフトが起こることが観測された。結果、光のドップラシフトを用いて液体の流速が観測できることが報告されている。
その後、光のドップラシフト現象をより有効に利用して、レーザドップラ速度計の感度向上と適用範囲の向上を図ったが例が、非特許文献2に示されている。この報告では、レーザドップラ速度計で測定する非測定物を流体から固体に拡張するために、速度計の感度向上策を示している。この感度向上策は、光変調器を用いた従来の光周波数シフト方式に、差動型レーザドップラ型の速度計を組み合わせたものである。
図6にて、レーザ101には、横モードが基本モードのTEM00モードで、縦モードがマルチモード発振するヘリウムネオンレーザが使用されている。なお、本明細書では、横モードが基本モード(シングルモード)であり、縦モードがマルチモードである動作のことをマルチモードといい、横モードが基本モード(シングルモード)であり、縦モードがシングルモードである動作のことをシングルモードあるいは単一モードいう。
レーザドップラ速度計では、上述の高感度化の検討の他に、小型化の検討と開発も行われている。上述の例は、レーザ光源に大型のガスレーザであるヘリウムネオンレーザを用いていたが、装置を小型化するため、半導体レーザを用いた例が、非特許文献3に示されている。
レーザドップラ速度計の高性能化と小型化を図った例が、特許文献1に示されている。この例は、高感度化が可能な差動型レーザドップラ速度計を基本に、速度がゼロやマイナス(逆方向)も検出可能な周波数シフト変調を行い速度計の汎用性を向上させ、光源にシングルモードの半導体レーザを採用して、小型化を達成している。また、照射光ビームの幅を広く取る工夫を施し、レーザドップラ速度計の焦点深度を深くすることを特徴としている。
前述した非特許文献3(図7)では、ブレーズド型の回折格子2を用いて、半導体レーザの一部の波長成分を切りだして、単一モード動作を実現している。このブレーズド型回折格子は、300LINE/mmの均一で微細なスリットが必要な光学部品であり、高額となる。安価を目指す汎用速度計には、回折格子の適用は難しい。
単一モード動作の半導体レーザとしては、分布帰還型レーザ(DFB-LD:Distributed Feedback Laser Diode)、分布反射型レーザ(DBR-LD:Distributed Bragg Reflector Laser Diode)が知られている。これらのレーザは波長グレーティング構造を半導体内部に組み込んだもので、光ファイバ通信用に波長1550nm帯で開発されたものである。波長が半分以下となる600~800nm帯では波長グレーティング構造の微細化が難しく、安定動作の安価なDFB-LDやDBR-LDは開発されていない。
また、単一モード動作の半導体レーザとして、ゲインチップ(端面に無反射コーティングを施したファブリペロー型半導体レーザ)の外部に回折格子(もしくは回折格子とミラー)を設置した外部共振型レーザ(External Cavity Laser:ECL)がある。この外部共振器型レーザは、高精度の回折格子を共振ミラーに使用するため、狭線幅の光源が実現されているが、回折格子を使用するため高価で且つ大型であり、小型で安価を目指すレーザドップラ速度計用の光源には適さない。
Lc=c*T=c/Δf=λ2/Δλ
ここで、 c:光速、T:時間コヒーレンス(単位:second)、
Δf:光源の周波数幅(単位:Hz)、λ:光源の中心波長(単位:meter)、
Δλ:光源のスペクトル幅(単位:meter)
また、0次回折光51や一次回折光52の光路に存在する無偏光ビームスプリッタ4やλ/2波長板5、ミラー7の取り付け位置等により、0.8mm以上の光路差長が発生し、0次回折光51と一次回折光52の光路差長をゼロとするのは極めて困難である。
図1、図2は、実施例1のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例1は、差動型レーザドップラ速度計光学部の小型化を図った構成例であり、0次回折光51と1次回折光52の光路の形は、差動型構成を生かした線対称の形に近づけ、0次回折光51と1次回折光52の光路長は、ほぼ同長となる構成としている。
そこで、図1の光路長調整機構による光路長調整は、ミラー81(第1のミラー)とミラー83(第2のミラー)を同一方向かつ同時に動かすことにより行う。0次回折光51側の光路長を長くしたい場合はミラー81とミラー83を右方向に摺動させ、1次回折光52側の光路を長くしたい場合はミラー81とミラー83を左方向に摺動させる。
例えば光路長調整機構は、XY平面内に配設される平板状の摺動部S(ステージ)で構成され、摺動部Sの一部にレール穴Rを設けて、ベース(装置基板)に接続された複数(図2では二箇所)の支柱N(摺動支持部)がレール穴Rに位置するように摺動部Sを配置することで、摺動部Sはレール穴Rの長軸方向に支柱N(摺動支持部)に沿って摺動可能に構成される。
摺動には必要に応じ適宜設計されたギアを含む歯車等を用いることができる。レール穴Rの長軸方向は、ビームスプリッタ4を出てミラー81に至る光軸方向、およびミラー82とミラー83間の光軸方向とも一致させることが最も調整量を少なくする点から好ましい。
また、摺動支持部は、摺動する摺動部Sを支持できる形態であれば如何なる形態であってもよい。例えば、摺動支持部は歯車状の形態であってもよい。また、複数の支柱ではなく、レール穴部と嵌合する連続する長形体であってもよい。また、図2では摺動部Sの一部がレール穴Rであったが、レール穴Rは摺動部Sと別部材であってもよく、また、必ずしもレール形状のものでなくてもよい。摺動支持部に支持され、摺動部と共に摺動する形態であれば如何なる形態であってもよい。例えば、摺動支持部が歯車状の形態であれば、それとかみ合うような凹凸条に形成された部材であってもよい。また、摺動部と摺動支持部の関係を例えばモノレールとそのレールの関係とする構成であってもよい。
図2の光路長調整機構を変形したものとしては、例えば、両端にミラー(ミラー81、83)を係止した棒状部材で摺動部が形成され、棒状部材の側面は歯車(摺動支持部)がかみ合うように凹凸状に形成され、この歯車(摺動支持部)で棒状部材が支持され、また、歯車(摺動支持部)を回すことで光路長差を調整する形態がある。
なお、何れの場合も支柱N(摺動支持部)はベース(装置基板)に接続され、また、複数箇所(図2では2箇所)に存在し、摺動部Sは移動方向と直角(Y方向)に遊びの無い構造であること、また、摺動部Sは支柱Nにより複数箇所で固定されることが望ましい。
この形態については後述する実施例2で詳細を説明する。
この形態については後述する実施例3で詳細を説明する。
また、ミラー83で反射されるのが0次回折光51であり、ミラー81で反射されるのが1次回折光52であったが、その形態でなくてもよい。例えば、ミラー83で反射されるのが1次回折光で、ミラー81で反射されるのが0次回折光である形態であってもよい。
図3は、実施例2のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例2は、レーザドップラ速度計のレーザ光源1の反射戻り光耐力を向上させた形態であり、半導体レーザ光源1に反射戻り光対策のための高周波電流重畳機構を用いている。図3の構成は、実施例1(図1、2)の構成に半導体レーザ光源1の周辺に追加の電気回路を取り付けたもので、他の構成は実施例1と同様(特に光路長調整機構の構成は同様)であるため、ここでは、図3の半導体レーザ光源1の回りの構成とその効果について、説明する。
図4は、実施例3のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。実施例3は、差動型レーザドップラ速度計のさらなる小型化を図るために、実施例1(図1、2)での周波数シフト素子4とλ/4波長板85、86を取り外した形態である。周波数シフト素子4を取り外したため、図4のレーザドップラ速度計は、小型で安価となるが、移動する物体0の移動方向(移動の極性)は検出できなくなる。
図5は、実施例4のレーザドップラ速度計の光学部分の構成図である。図5の摺動部はミラー81、83と係止されていたのに対し、図5の摺動部は、偏光ビームスプリッタ4と係止されている。すなわち、光路長調整時にミラ-81とミラー83は摺動せず、偏光ビームスプリッタ4が摺動する。その他の構成は実施例1(図1、2)と同じである。
偏光ビームスプリッタ4の形状は10mm(縦)×10mm(横)×10mm(高)の立方体であり、調整のための摺動距離は1mm以下である。偏光ビームスプリッタ4の摺動位置が変わった場合、0次回折光51の光路に変化はないが、1次回折光52はその反射点が変化するため、その光路長が変化する。この構成によっても2つの光路長差をコヒーレント長以下に抑えることが可能となる。また、実施例1(図1、2)と同様の効果を奏する。さらに実施例1の構成に比べ摺動部分が少ないので、製造工程が簡略化できるとともに、より短時間での調整が可能となる。したがって、低コスト化に繋がる。
なお、偏光ビームスプリッタ4の摺動方向は図5では紙面のXY面(水平面)内において、偏光ビームスプリッタ4とミラー81を結ぶ光路に対して平行方向であり、そのことによって実施例1と同様の効果を奏するが、実施例4においては必ずしもその方向に限定しなくてもよい。紙面のXY面(水平面)内であれば、他の方向でも同様の効果を奏する場合がある。例えば、偏光ビームスプリッタ4とミラー81を結ぶ光路に対して、垂直方向(物体0からの散乱光と同じ方向)に動かしても同様の効果を奏する。
なお、摺動部に係止する部材は偏光ビームスプリッタ4に限らない。レーザドップラ速度計測装置としての機能を阻害しなければ、レーザドップラ速度計測装置を構成する他の部材をこれと共に係止しても良い。
2 コリメータレンズ
3 周波数シフト素子
4 偏光ビームスプリッタ
5 λ/2波長板
6 無偏光ビームスプリッタ
7 ミラー
8 レンズ
9 受光素子
10 増幅器
11 水晶発振器
12 PLL発振器
13 ミキサ
14 ローパスフィルタ
15 A/Dコンバータ
16 デジタル演算器
17 デジタル信号発生器
18 D/Aコンバータ
19 カウンタ
20 CPU
51 0次回折光
52 1次回折光
71 光路差長調整器
72、73 ミラー
74 コーナーキューブ・リフレクタ
81、82、83、84 ミラー
85、86 λ/4波長板
91 発振器
92 高周波電流重畳回路
101 レーザ
102 レンズ
103 周波数シフト変調器
104 105 ミラー
106、107 レンズ
108 ウォラストンプリズム
109 ミラー
110 レンズ
111 ミラー
112 レンズ
113 移動物体表面
114 レンズ
116 偏光プリズム
117、118 光検出器
121 無偏光ビームスプリッタ
122 第一のビーム
123 第二のビーム
201 半導体レーザ
202 レンズ
203 回折格子
204 レンズ
205 ガラス管
206 光検出器
0 物体
R レール穴
S 摺動部
N 支柱(摺動支持部)
上記課題を解決するための発明は、光源から移動する物体にレーザ光を照射し、移動する物体からの散乱光を受けて移動する物体の速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、マルチモード動作の半導体レーザ光源と、該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、平行ビームを二分するビームスプリッタと、ビームスプリッタで二分されたレーザビームを反射して物体に照射する第1および第2のミラーと、光路長調整機構と、前記移動する物体からの散乱光を集光するレンズを含む光学系を備え、前記光路長調整機構は、前記ビームスプリッタから出て移動する物体に照射される双方のレーザビーム間の光路差長を前記レーザ光源のコヒーレンス長以下に調整すること、及び、摺動支持部と、前記ビームスプリッタが係止されるとともに、前記摺動支持部に沿って摺動可能な摺動部と、からなることを特徴とする。
Claims (6)
- 光源から移動する物体にレーザ光を照射し、移動する物体からの散乱光を受けて移動する物体の速度を計測する差動型レーザドップラ速度計に於いて、
マルチモード動作の半導体レーザ光源と、該レーザ光源からのレーザビームを平行ビームにするコリメータレンズと、平行ビームを二分するビームスプリッタと、ビームスプリッタで二分されたレーザビームを反射して物体に照射する第1および第2のミラーと、光路長調整機構と、前記移動する物体からの散乱光を集光するレンズを含む光学系を備え、
前記光路長調整機構は、前記ビームスプリッタから出て移動する物体に照射される双方のレーザビーム間の光路差長を前記レーザ光源のコヒーレンス長以下に調整すること、を特徴とするレーザドップラ速度計測装置。 - 前記光路長調整機構は、前記第1のミラーおよび第2のミラーを同一方向かつ同時に摺動可能とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザドップラ速度計測装置。
- 前記光路長調整機構は、摺動支持部と、第1のミラーおよび第2のミラーが係止されるとともに、前記摺動支持部に沿って摺動可能な摺動部とからなることを特徴とする請求項1または2に記載のレーザドップラ速度計測装置。
- 前記光路長調整機構は、前記ビームスプリッタを摺動可能とすることを特徴とする請求項1に記載のレーザドップラ速度計測装置。
- 前記光路長調整機構は、摺動支持部と、前記ビームスプリッタが係止されるとともに、前記摺動支持部に沿って摺動可能な摺動部とからなることを特徴とする請求項1または4に記載のレーザドップラ速度計測装置。
- 前記第1のミラーおよび第2のミラーの両者の位置合わせをして前記摺動部に係止した後、前記摺動部を装置に組み前記摺動支持部に沿って摺動させることで光路長調整することを特徴とする請求項3に記載のレーザドップラ速度計測装置の製造方法。
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