JPH01282488A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光ファイバセンサに係り、特に光源として短
波長でコヒーレンシーの良いレーザダイオード励起固体
レーザを有する光ファイバセンサに関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバセンサは、光ファイバを信号の伝送路ないし
はセンサそのものとして用いるものであり、光の有する
高速性、無電磁誘導性及び光フブイバの有する低損失性
・軽量等の特徴を生かして、様々なセンサが提案され、
一部実用化が始まっている。

光ファイバセンサは光源から出射した光波を被計測物に
照射し、戻り光の１）光強度、２）偏光、３）周波数、
４）位相のいずれかを検出することにより、被計測物の
有する温度、加速度、振動、その他様々な物理量を計測
するものである。このうち、３）や４）は光源からの出
射光を信号光と参照先に分けて、被計測物によって変調
された信号光と、参照光を合波して干渉させることによ
り、被計測物の有する物理量を計測するものであり、干
渉型光ファイバセンサと呼ばれる。このような光ファイ
バセンサにおいては、光源のコヒーレンシーが本質的に
重要である。コヒーレンシーの度合いを表わすパラメー
タとしては、一般に干渉可能な最大の光路差長さとして
コヒーレンス長Ｌｃ＝Ｃ／Δνが用いられる。但し、Ｃ
は高速、ΔＶは光スペクトルの周波数幅を示す。干渉型
光ファイバセンサの光源のコヒーレンス長としては、１
０〜１００ｍ程度以上を求められる場合が多い。従って
、従来の技術においては、気体レーザの一種である１（
ｅ−Ｎｅレーザが用いられてきた。ｌ１ｅ−Ｎｅレーザ
のコヒーレンス長は　ｌ０００ｍ程度である。ところが
、１１ｅ−Ｎｅレーザを光源として用いる場合の問題点
として、第１に気体レーザの特徴として、共振器長を長
くとる必要があり（通常２０ｃｍ程度の長さ）、光ファ
イバセンサ全体を小型化することが困難である。第２に
全固体型の半導体レーザ等と比べて信頼性において劣っ
ている。第３に充分な出力を得られる波長は６３２．８
ｎｍ迄であり、これより短波長の光を利用できない。光
ファイバによる計測信号は、光波長が短波長化するほど
変調率が増大するものが多いので、短波長光を利用でき
ないことは素子設計上大きな欠点となる。

一方、近年Ｈｅ−Ｎｅレーザに代えて半導体レーザを光
源として用いる光ファイバセンサも試みられている。半
導体レーザは小型で量産性にも優れ、ｌ１ｅ−Ｎｅレー
ザの第１．第２の問題点を解決すると考えられる。とこ
ろが、干渉型光ファイバセンサ光源として最も重要なコ
ヒーレンス長が数１０ｃｍ〜数ｍと短く、光のビーム形
状、広がり角、モード等が、気体レーザや固体レーザと
比べて大きく劣っている。そこでコヒーレンス長の長い
レーザダイオードを得る方法として、光帰還型、電気帰
還型、長井振器分布帰還型等のレーザダイオードが提案
されているが、現在のところ基礎研究段階であり実用化
には至っていない。従って、実用可能なレーザダイオー
ド光は低コヒーレンス長であり、干渉測定用の光源とし
ては不適当である。またレーザダイオード光の波長には
現在のところ大きな技術的制約があり、６００ｎｍ以下
の発振は不可能である。光ファイバセンサで検出する変
調量の大きさは、短波長はど増大するものが多い。たと
えば光ファイバ温度センサにおいて温度変化ΔＴによっ
て生じる信号光の位相変化量は、但し、しは使用する光
ファイバセンサ部分の長さ、ｎｌはコアの屈折率、λは
光の波長を表わしている。Δφを大きくとるためにはλ
が小さいことが望ましいが、レーザダイオード光の場合
６００ｒ＋ｍ以下にすることは不可能である。

［発明の解決しようとする課題］ 以上に記述したように、干渉型光ファイバセンサの光源
として従来より用いられてきたレーザ光源のうち、ｔｉ
ｅ−Ｎｅレーザで代表される気体レーザはコヒーレンス
長が長く干渉測定に適するという長所を有する反面で、
形状が大きい、信頼性の点で固体型レーザと比べて劣る
などの応用上大きな障害となる問題点を有していた。

一方レーザダイオードを単体で用いる方法も試みられて
はいるが、一般にレーザダイオードの光はコヒーレンス
長が短く良好な干渉信号を得にくいという問題点を有し
ていた。

本発明は、以上のような問題点を解決して、小型で信頼
性が高く、しかもコヒーレンス長の長い光源を有する光
ファイバセンサを新たに提供することを目的とするもの
である。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであ
り、レーザダイオード励起固体レーザな光源とし、該光
源からのレーザ光を光ファイバにより導光して被計測物
に照射し、被計測物からの反射光を計測することにより
被計測物の有する物理量又は物理量の変化を検出するこ
とを特徴とする光ファイバセンサを提供するものである
。

レーザダイオード励起固体レーザは、従来の固体レーザ
がアークランプやフラッシュランプを励起光源としてい
たのに対し、レーザダイオード光を励起光源として用い
る固体レーザであり、高効率、超小型、長寿命などの点
において従来のランプ励起方式を大きく上回る性能を有
するものである。第２図にその基本構造を示した。レー
ザダイオード２は、レーザロッド４の吸収ピーク波長に
近い発振波長を有するものを選ぶ。たとえば最も一般的
な固体レーザ結晶であるＮｄ　：　ＹＡＧロッドの場合
、レーザダイオードの波長は　８１０ｎｍ程度が望まし
い。レーザダイオード２は必要に応じてベルチェ効果型
素子、水冷構造型素子等の冷却素子ｌによって温度コン
トロールされる。レーザダイオード２から出射した光は
レンズ系３によってコリメートされ、レーザロッド４に
入射される。このレーザロッド４のレーザダイオード光
入射側端面と出力ミラー６とによって、ファブリベロー
型共振器が構成される。以上の光学系の各パラメータを
調整することにより、レーザ発振光７を得る。Ｎｄ　：
　ＹＡＧをロッドとして用いた場合、最も一般的な発振
波長は　１．０６４μｍである。

このようなレーザダイオード励起固体レーザの発振光は
、空間的対称性、パワー密度の点で優れたＴＥモード発
振光であり、コヒーレンス長もレーザダイオードと比べ
て長い。

また、共振器内または共振器外に高調波発生素子５を挿
入してやることにより容易に高調波を発生することが可
能である。たとえば、高調波発生素子としてＫＴＰ　（
ＫＴ　ｉ　０ＰＯ４）を用いた場合、前述のＮｄ　：　
ＹＡＧロッドを用いると、第２高調波として５３２ｎｍ
の短波長光を得られる。このような高調波発生はパワー
密度の小さなレーザダイオードでは困難である。

本発明においては、このレーザダイオード励起固体レー
ザの発振光を光ファイバセンサ光源として用いるところ
に特徴がある。光ファイバセンサは今日多くの種類が提
案され実用化されており、本発明は様々のものに適用可
能なものである。−例として、光ファイバレーザドツプ
ラ速度計に適用したものを第１図に示す。光源１１であ
るレーザダイオード励起固体レーザから出た光は、光分
波器であるビームスプリッタ１２により透過光と反射光
に分けられる。透過光はビームスプリッタ１６を介して
被計測物１８に照射され、反射光は参照光として用いら
れる。被計測物１８によって散乱された光と参照光は、
光合波器であるビームスプリッタ１６で再び合波し、そ
れらの干渉信号をヘテロダイン検波して周波数分析する
ことにより、ドツプラー周波数を知ることができ、被計
測物の移動速度及び方向を検知することができる。この
ような干渉型光ファイバセンサの光源としてはｌ１ｅ−
Ｎｅレーザが最も一般的に用いられてきたが、本発明に
より小型で信頼性の高く検出感度の良い光ファイバセン
サを製造することが可能である。

本発明に用いるレーザダイオード励起固体レーザの固体
レーザホストとしては、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ　：　ＹＬ
Ｆ、Ｎｄ　ニガラス等のほかあらゆる種類の固体レーザ
ホストを使用することが可能である。また光ファイバセ
ンサとしては、レーザドツプラー速度計のほかあらゆる
干渉型光ファイバセンサ、光ファイバ自体からの戻り光
を計測して光ファイバの温度分布を検出する分布型光フ
ァイバ温度測定装置、光パルス試験器（ＯＴＤＲ）に適
用可能であり、特に高いコヒーレンシーを求められるリ
ング共振器型光ファイバジャイロや光ヘテロダイン方式
をとり入れた光ファイバセンサ等への応用に適している
。

［作用］ 本発明においては、レーザダイオード励起固体レーザを
光ファイバセンサの光源として用いることにより、光フ
ァイバセンサシステムに対して様々な望ましい効果をも
たらす。第１に、レーザダイオード光を単独で用いる場
合と比べてコピーレンジ−の高い光を容易に得ることが
可能であり、特に干渉型光ファイバセンサ用光源として
用いた場合、信号の検出、処理が極めて容易になること
が期待される。第２に高調波発生素子による波長変換が
容易であり、レーザダイオードでは困難な６００ｎｍ程
度以下の短波長を利用できる。その結果として、多くの
場合に被計測物によ・る光信号の変調量を大きくとるこ
とが可能となる。第３に気体レーザと比べてはるかに小
型であるため、光ファイバセンサ全体の小型化が容易と
なる。

［実施例］ 以下、第１図及び第２図を用いて、本発明の具体的実施
例を説明する。ここでは、レーザダイオード励起Ｎｄ　
：　ＹＡＧレーザを用いて、光ファイバレーザドツプラ
ー速度計を試作した例を示している。

レーザダイオードとしては、８１０ｎｍ近傍に中心波長
を有するＧａＡｌＡｓ系レーザダイオード２を用い、ペ
ルチェ効果型の冷却素子ｌによって温度コントロールを
行なった。レーザダイオード光はしどズ系３によってコ
リメートした後、Ｎｄ　：　ＹＡＧロッド４の端面に垂
直に入射し縦励起を行なった。Ｎｄ　：　ＹＡＧロッド
の入射端面には、１．０６４μｍ光に対して高反射率が
つ８１０ｎｍ光に対して高透過率の光学膜をコートした
。Ｎｄ：ＹＡＧロッドの出射側端面には１、０６４μｍ
光に対する無反射コートを行なった。

出力ミラーとしては焦点距離ｆ＝−５０ｍｍの凹レンズ
を用い、１．０６４μｍ光に対して９０％反射の膜をコ
ートした。共振器長は２５ｍｍとした。さらに共振器内
部に第２高調波を発生する高調波発生素子５としてＫＴ
Ｐを挿入した。以上に説明した方法により　５３２ｎｍ
の連続発振光を得た。

このレーザダイオード励起Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザをレ
ーザ光源】１として、光ファイバレーザドツプラー速度
計を試作した。その構成を第１図に示した。

レーザダイオード励起Ｎｄ　：　ＹＡＧレーザ光をビー
ムスプリッタ１２によって信号光と参照先に分け、参照
先は音響光学素子を用いた光変調器１４により周波数シ
フトした。信号光は被計測物１８に照射され、ドツプラ
ー効果を受けた反射光となり、ビームスプリッタ１６に
おいて参照光と合波した後、光検出器１７で受けて、光
ヘテロダイン検波した。

上記の実施例において、レーザダイオード単体を光源と
して用いた場合には、位相雑音の除去、信号光と参照光
の光路差長を長くできない等、良好な信号を得るのが困
難であったのに比べ、レーザダイオード励起固体レーザ
を用いることによ・り雑音の少ない高感度の測定を容易
に行なうことができた。

第３図にもう１つの実施例を示す。レーザ光源２１は第
２図に示したものと同じで、レーザダイオード励起Ｎｄ
　：　ＹＡＧレーザを用いている。レーザ光源２１のレ
ーザ光を未駆動の光変調器２２を通して被測定ファイバ
２３へ入射する。光変調器２２は音響光学素子からなり
、駆動時に入射された光を回折し偏向せしめるものであ
る。

被測定ファイバ２３に入射したレーザ光は被測定ファイ
バ２３中の接続箇所、破損箇所で反射５散乱され、又被
測定ファイバ２３の構成物質により後方散乱、ラマン散
乱を起こす。そのような反射光、散乱光の一部は被測定
ファイバ２３中を逆戻りし、光変調器２２によって回折
され、光検出器２４で検出される。

被測定ファイバ２３からの戻り光の強度を測定すること
により、光パルス試験器（ＱＴＤＲ）　、あるいは戻り
光中のラマン散乱により発生したストークス光と反スト
ークス光を測定することにより、分布型光ファイバ温度
測定装置として用いることができる。

上記の実施例において、レーザ光源２１であるレーザダ
イオード励起Ｎｄ　二ＹＡＧレーザのレーザ光は、ビー
クパワーが大きく、またビームがコリメートされている
ため光ファイバとの結合効率が良いので、戻り光の光量
が大きくとれる。従って、精度の良い測定ができるとい
う効果を有する。又、従来と比べて短波長のレーザ光が
使用できるので、光ファイバの細かい欠陥を検出できる
という効果を有する。

［発明の効果］ 本発明は、光ファイバセンサの光源として、小型で信頼
性も高くしかもコヒーレンシーの高い光源を提供するも
のであるので、特に干渉型光ファイバセンサに用いた場
合、高感度な測定を容易に行なうことが可能となる。こ
れはレーザダイオード単独では容易には実現困難である
。また、レーザダイオード励起固体レーザは気体レーザ
等に比べて極めて小型であり、しかも全固体型素子であ
るために光ファイバセンサシステム全体の小型化、高信
頼化のために非常に役立つ。特に、レーザダイオード励
起固体レーザとビームスプリッタ、音響光学光変調器等
を一体化することにより、光ファイバセンサの光学系の
調整を大幅に簡略化することも可能である。また、現在
のところレーザダイオードの光の短波長側の限界は６０
０ｎｍ程度とされているのに対し、レーザダイオード励
起固体レーザにおいては、高調波発生素子により容易に
短波長化できる。光ファイバセンサで検出する変調量は
波長が短いほど大きくなるものが多く、短波長化によっ
て計測の精度が高くなるという効果も有する。さらにレ
ーザダイオード励起固体レーザは音響光学Ｑスイッチ素
子等を組み込んでＱスイッチ動作が可能であり、レーザ
ー光の変調、高ピーク出力化も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明の実施例を示し、第１図は光フ
ァイバレーザドツプラー速度計のブロック図であり、第
２図はレーザダイオード励起固体レーザの基本構成図で
あり、第３図は分布型光ファイバ温度測定装置もしくは
光パルス試験器の基本構成図である。 ２：レーザダイオード ４：レーザロッド ５：高調波発生素子 １４：光変調器 １７：光検出器 １８：被計測物 第　１　回 タ　３　ぼ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザダイオード励起固体レーザを光源とし、該
   光源からのレーザ光を光ファイバにより導光して被計測
   物に照射し、被計測物からの反射光を計測することによ
   り被計測物の有する物理量又は物理量の変化を検出する
   ことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. （２）レーザダイオード励起固体レーザを光源とし、該
   光源からのレーザ光を光ファイバに入射し、該光ファイ
   バからの戻り光を計測することにより光ファイバ及び光
   ファイバ周辺の物理量又は物理量の変化を検出すること
   を特徴とする光ファイバセンサ。
3. （３）レーザダイオード励起固体レーザを光源とし、該
   光源からのレーザ光を光分波器により２つの光路に分波
   し、一方の光を光変調器によって周波数シフトして参照
   光とし、もう一方の光を被計測物に照射して、前記参照
   光と被計測物からの反射光を光合波器で合波して、該合
   波された光を光検出器で計測することにより、被計測物
   の移動方向及び移動速度を検出する特許請求の範囲第１
   項記載の光ファイバセンサ。
4. （４）レーザダイオード励起固体レーザの共振器の内部
   又は外部に高周波発生素子を配置し、前記高調波発生素
   子を通してレーザ発振する光源を有する特許請求の範囲
   第１項〜第３項いずれか１項記載の光ファイバセンサ。