JPH0232561B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ光を用いて温度や圧力等の物理
量をＳ／Ｎ良く高精度に測定検出可能な実用性の
高い光学的センサ装置に関する。

温度や圧力等の物理量の検出は、一般に電気的
手段により行われている。然し乍ら検出対象が超
高電圧電気機器内部等の場合、電気的信号に混入
する電磁誘導雑音の問題や高電界による信号ケー
ブルの絶縁破壊等の問題があり、その実施が極め
て困難である。そこで近年では、音波を用いたり
あるいはレーザ光等の光を用いて上記電磁誘導等
の悪影響を受けることのない物理量検出を行うこ
とが試みられている。例えば光を用いた検出で
は、物理量に感応して光の透過率や反射率が変化
する光センシング物質を用い、この光センシング
物質を介する光のレベルをアナログ的に検出し
て、上記物理量を評価する測定検出メカニズムを
有する方式が開発されている。然し乍ら、この光
を用いたアナログ的検出では、光源の安定性や光
伝搬路が受ける外部擾乱が検出精度を大きく左右
し、実用化の点で種々の問題を有していた。そし
て、このような問題を除くべく、光検出において
もデイジタル的な信号検出による高精度化が強く
望まれていた。

ところで近時、フアブリペロ共振器における２
枚の対向した反射鏡間隔距離Ｌと、その反射鏡間
の屈折率ｎとの積（ｎ・Ｌ）が温度や圧力等の物
理量に感応して変化すると、これに伴つて光の共
振波長が変化することを利用して、光センシング
素子として用いることが考えられている。第１図
はその一例を示すもので、１は２枚の反射鏡２，
３を距離Ｌを隔てて対向配置したフアブリペロ共
振器を示している。このフアブリペロ共振器１
に、レーザ発振器４から波長掃引されるレーザ光
を光フアイバ５を介して導入し、その反射光を別
の光フアイバ６を介してあるいは方向性結合器を
介して光検出器７に導入する如く構成される。し
かしてこのように構成された光学的センサ装置に
よれば、レーザ光の波長掃引によつてフアブリペ
ロ共振器１は或る波長成分に対してのみ共振し、
この結果光検出器７から第２図に示す如く検出出
力を得ることができる。そこで、この検出出力か
ら共振点波長間の差、ここでは周波数差Δを求
めることによつて、 Δ＝Ｃ／２・n_(T)・L_(T) Ｃ：光速 （Ｔ）：温度の関数 なる関係から、ここに温度なる物理量の検出を行
うことが可能となる。つまり、レーザ光の強度を
アナログ的に直接検出することなく物理量の検出
測定が可能となる。

ところがこのような光学的検出法は、理論的に
は非常に優れているが、光検出器７が検出可能な
レベルの光信号を上記光検出器７に導くには、反
射鏡２，３の光反射率を略100％程度と高精度に
することが必要である。しかも反射レーザ光がレ
ーザ発振器４に戻つて、その動作が不安定化する
ことを防ぐには、光フアイバ５に発振レーザ光と
その反射光との混合を防ぐ為の十分な光アイソレ
ート機能を持たせることが必要となる。同時にレ
ーザ発振器４の発振出力を十分に高く設定するこ
とが必要である。このようにしておかなければ、
フアブリペロ共振器１におけるレーザ光共振作用
による反射光変化が顕著に生じない。従つて、こ
のような方式を用いて物理量検出を行うには、未
だ多くの技術的課題を克服しなければならず、実
用化には問題があつた。

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、レーザ光を用い
てＳ／Ｎ良く高精度な物理量検出が可能な、簡易
で実用性の高い構造の光学的センサ装置を提供す
ることにある。

本発明の概要は、物理量に感応して共振波長特
性が変化するフアブリペロ共振器を光学的センシ
ング素子として用い、このフアブリペロ共振器
に、例えば単一モード光フアイバを介して波長掃
引されるレーザ光を導びくと共に、このレーザ光
の上記フアブリペロ共振器による反射光（共振波
長光）を上記単一モード光フアイバを介して上記
レーザ光を発振出力するレーザ発振器に導入し、
この導入されたレーザ光によつてレーザ発振器の
発振作用が変化することから、レーザ発振器の出
力レーザ光を検出することにより前記フアブリペ
ロ共振器の共振波長を検出測定し、この検出され
た共振波長に従つて同共振器が受けた物理量を求
めて上記した目的を効果的に達成したものであ
る。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第３図は実施例装置の概略構成図である。レー
ザ発振器１１は、レーザ活性物質のレーザ励起方
向両端に共振器ミラーを設けて構成されるもの
で、例えば電流注入により発振波長が掃引可能に
構成されている。このレーザ発振器１１の一方の
端面であるレーザ光主出力側には光検出器１２が
設けられ、レーザ発振器１１の発振出力が検出さ
れている。またレーザ発振器１１の他方の端面で
あるレーザ光副出力側には、単一モード光フアイ
バ１３の一端面が対向配置されている。この単一
モード光フアイバ１３はフアブリペロ共振器１４
と上記レーザ発振器１１との間を相互に光結合す
るものである。しかしてフアブリペロ共振器１４
は、基本的には２枚の光反射鏡１５，１６を所定
の距離を隔てて対向配置して構成される。そし
て、上記距離Ｌと、２枚の反射鏡１５，１６間の
光伝搬体屈折率をｎとしたとき、その積（ｎ・
Ｌ）によつて定まる共振条件で入力レーザ光に対
して共振する。このようなフアブリペロ共振器１
４を構成するセンシング素子、例えば第４図に示
すように光フアイバマイクロホンとして実現され
る、この光フアイバマイクロホンは、単一モード
光フアイバ１３の端部に筒体１７を嵌込み固定
し、上記フアイバ１３の端面に対向する筒体１７
の開口部に薄板１８固定した構造を有し、薄板１
８と光フアイバ１３の端面とが平行に、且つ所定
距離Ｌを隔てる如く構成されている。これらの薄
板１８と光フアイバ１３の端面、そして筒体１７
の内壁によつて囲まれた内部空間は光フアイバ１
３を介して伝搬されたレーザ光の上記薄板１８へ
の伝搬路を形成するものであり、また上記内部空
間は筒体１７に設けられた細径孔１９により外部
と連通されている。これにより薄板１８は、外部
圧力Ｐに感応して矢印方向に振動することにな
る。またこの薄板１８は、その光フアイバ１３対
向面に誘電対多層膜を蒸着形成して、フアブリペ
ロ共振器１４を構成する一方の光反射鏡となつて
いる。また前記光フアイバ１３の端面も光反射鏡
加工されており、この光フアイバ１３の端面と前
記薄板１８とによりフアブリペロ共振器１４が形
成されている。しかして、前記薄板１８は外部圧
力を受けて振動し、従つてフアブリペロ共振器１
４の反射鏡間の距離が変化するようになつてい
る。

そこで今、このように構成された光フアイバマ
イクロホン、つまりフアブリペロ共振器１４に、
単一モード光フアイバ１３を介して前記レーザ発
振器１１からレーザ光を導入すると、フアブリペ
ロ共振器１４は前記距離によつて定まる或る波長
のレーザ光に対して共振する。従つて、レーザ発
振器１１が上記共振波長のレーザ光を発振出力し
たとき、その波長のレーザ光は共振器１４にて共
振したのち、単一モード光フアイバ１３を介して
レーザ発振器１１に戻り、そのレーザ活性物理内
に導入される。このようにしてフアブリペロ共振
器１４にて共振し、このフアブリペロ共振器１４
にて反射された上記共振波長のレーザ光がレーザ
発振器１１に導入されると、この反射レーザ光の
位相とレーザ発振器１１の発振レーザ光の位相と
のずれに起因して、レーザ発振器１１はその動作
モードが乱されて発振停止あるいは発振出力の大
幅な低下を生じると云う現象を生じる。ちなみに
レーザ発振器１１から発振出力されたレーザ光が
フアブリペロ共振器１４にて共振しない場合に
は、そのレーザ光がほとんど反射することがない
ので、フアブリペロ共振器１４からの反射レーザ
光によつてレーザ発振器１１の動作が乱されるこ
とは殆どない。この結果、レーザ発振器１１は上
述した波長掃引によつてフアブリペロ共振器１４
の共振波長のレーザ光を発振出力した時にだけそ
の動作が乱されることになる。前記光検出器１２
はこのようなレーザ発振器１１の現象を前記レー
ザ発振器１１の出力から直接検出することにな
る。

そこで、レーザ発振器１１の発振出力レーザ光
の波長を電荷注入等によつて或る波長範囲に亘つ
て掃引すれば、この波長掃引されるレーザ光が導
入されるフアブリペロ共振器１４は、共振器１４
が設けられた測定対象の物理的条件、ここでは圧
力によつて定まる共振条件、つまり共振器長に対
応する波長において共振することになる。この結
果、レーザ光の掃引波長範囲においてフアブリペ
ロ共振器１４共振作用が生じる都度、レーザ発振
器１１は発振停止若しくは出力低下するので、レ
ーザ発振器１１が光検出器１２に対して出力する
レーザ光強度が変調作用を受けることになる。し
かもレーザ発振器１１の出力変化は波長掃引にお
いてどのように変化するかはすでにわかつている
から、これを補正することができるので上記フア
ブリペロ共振器１４からの反射光によつて変調さ
れるレーザ光出力は例えば第５図に示すように弁
別の容易な大振幅変調されたものとしてとり出す
ことができる。従つて、このレーザ光出力の振幅
検出による前記フアブリペロ共振器１４の共振波
長検出をＳ／Ｎ良く高精度に行うことが可能とな
る。そして、上記検出共振波長から、フアブリペ
ロ共振器１４の反射鏡間距離が求められ、この距
離から物理量である圧力Ｐを高精度に求めること
が可能となる。

ここで特に強調されるところは、フアブリペロ
共振器１４の共振出力を直接検出するものではな
く、上記変化量の小さい共振出力によつて大振幅
変調されるレーザ発振器１１の出力を検出すると
云う点である。従つて、このような検出メカニズ
ムであれば、フアブリペロ共振器１４による共振
作用の効果が反射光として微小な変化しか示さな
くてもこれを極めて効果的に検出することができ
るので、デイジタル的なレベル弁別処理等をＳ／
Ｎ良く高精度に行うことが可能となる。これに加
えて、光検出器１２が設けられる観測部と、フア
ブリペロ共振器１４が設けられる測定対象部位と
の間に付設する単一モード光フアイバも１本でよ
く、また従来のような往復レーザ光のアイソレー
ト機構も全く必要としないと云う、システム的な
利点効果も奏する。尚、ここでは光フアイバ１３
を用いてレーザ発振器１１から発振レーザ光をフ
アブリペロ共振器１４に導き、その反射レーザ光
を上記光フアイバ１３を再度用いてレーザ発振器
１１に導入するようにしたが、他の光学素子を用
いて上記レーザ光の伝播路を形成することも勿論
可能である。例えばレーザ発振器１１から発振出
力されるレーザ光をレンズを用いて平行光に変換
し、これをミラーやプリズム等の光学素子を用い
てフアブリペロ共振器１４に導くようにしても良
い。然い乍ら、この場合には、前述した光フアイ
バ１３を用いる場合よりもその光伝播路を形成す
る自由性が損なわれると云う問題があることが否
めない。

ところで上記例では、フアブリペロ共振器１４
を圧力に感応する光フアイバマイクロホンとして
実現したが、第６図に示すように２つの反射鏡間
に温度によつて屈折率ｎが変化する例えばアクリ
ル樹脂や特定方向の結晶等の物質２０を介在さ
せ、これによつて温度センサとして機能させるよ
うにしてもよい。このような構成とすればフアブ
リペロ共振器１４の共振波長が屈折率ｎの変化と
云う温度の関数となる為、装置を第３図に示す如
く構成とすることによつて、レーザ発振器１１の
出力から温度検出をＳ／Ｎ良く高精度に行うこと
が可能となる。またこのように屈折率ｎを変化さ
せた場合、共振波長特性が一般に大幅に変化する
ことから、更に精度の高い検出が可能となる。

さて、レーザ光を伝搬する光フアイバ１３が擾
乱を受け、上記レーザ光に雑音が混入する場合が
ある。このような場合には第７図に示すようにし
て上記擾乱の影響を除去するようにすればよい。
即ち、レーザ発振器１１が波長掃引する波長範囲
外で、且つフアブリペロ共振器１４の入力段で反
射される波長λ_rのレーザ光を別のレーザ発振器２
１で発振させ、そのレーザ光を単一モード光フア
イバ２２から方向性結合器２３を介して前記単一
モード光フアイバ１３に導入し、フアブリペロ共
振器１４に導く。そして、波長λ_rのレーザ光を共
振器１４の入力側反射鏡１５にて反射させるよう
に構成し、上記レーザ発振器２１の発振出力を光
検出器２４により検出するようにする。

このような構成としておけば、光フアイバ１３
を介してフアブリペロ共振器１４との間を伝搬す
る波長掃引されるレーザ発振器１１からのレーザ
光およびレーザ発振器２１が発振する波長λ_rのレ
ーザ光は、共に同じ擾乱を受け、各レーザ発振器
１１，１２に同様なノイズ的出力レベル変動を与
えることになる。このノイズ的出力レベル変動は
レーザ発振器１１の変調された出力に重畳された
如きノイズ分として現われる。そして、このノイ
ズ的出力レベル変動は、レーザ発振器２１の出力
変動として光検出器２４により直接検出されてい
る。従つて、この検出ノイズレベル成分を前記レ
ーザ発振器１１の出力検出から差引くことによつ
て、単一モード光フアイバ１３が受ける擾乱によ
る誤差要因を効果的に除去することが可能とな
る。尚、この差引処理による擾乱打消しは、光検
出器１２，２４の検出出力を入力する差動増幅器
を用いて電気的に行つてもよく、あるいはレーザ
発振器２１の出力レーザ光位相を反転させてレー
ザ発振器１１の出力レーザ光に加えることにより
誤差変動分を相殺するようにして行うようにして
もよい。

以上説明したように本発明は、レーザ発振器の
出力レーザ光を波長掃引して単一モード光フアイ
バを介してフアブリペロ共振器に導き、このフア
ブリペロ共振器が物理量に感応して共振波長特性
を変化した際の共振波長レーザ反射光を上記レー
ザ発振器に導入して発振レーザ光出力を大振幅変
調せしめるので、ここに極めてＳ／Ｎ良く、且つ
高精度にデイジタル的に上記フアブリペロ共振器
の共振波長特性を検出することが可能となる。そ
して、この共振波長特性から、フアブリペロ共振
器に影響を与えた物理量を求めることが可能とな
るので、その実用的利点は絶大である。しかも上
述したようにシステム構成が簡単であり、従来の
ような種々の制約がないので実用化が容易である
等の従来の光学的センシングシステムには全く期
待することのできない絶大なる効果を奏する。

尚、本発明は上記実施例に限定されるものでは
ない。例えばレーザ光の発振波長掃引範囲や光フ
アイバの長さ等は使用に応じて定めればよいもの
である。またフアブリペロ共振器の構成も、上記
した圧力や温度のみならず、湿度やその他の物理
量に感応して共振波長特性が変化するように構成
すればよい。また感応物質として屈折率ｎが変化
するものや反射鏡間距離が変るもの等を適宜用い
ることが可能である。要するに本発明はその要旨
を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来考えられた光学的センサ装置の概
略構成図、第２図は上記従来装置の検出メカニズ
ムを説明する為の図、第３図は本発明の一実施例
装置を示す概略構成図、第４図は同実施例装置に
おけるフアブリペロ共振器の一構成例を示す図、
第５図は本装置における検出信号例を示す図、第
６図はフアブリペロ共振器の他の構成例を示す
図、第７図は本発明の別の実施例を示す概略構成
図である。 １１……レーザ発振器、１２……光検出器、１
３……単一モード光フアイバ、１４……フアブリ
ペロ共振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ光を発振出力するレーザ発振器と、こ
   のレーザ発振器のレーザ光発振波長を掃引制御す
   る手段と、対向配置された２枚の光学反射鏡の間
   隔とその間の屈折率との積を測定部の物理量に感
   応して変化させてレーザ光反射特性を変えるフア
   ブリペロ共振器と、このフアブリペロ共振器に前
   記レーザ発振器からの発振レーザ光を導くと共
   に、このレーザ光の前記フアブリペロ共振器によ
   る反射光を前記レーザ発振器に導入する手段と、
   この反射光が導入された前記レーザ発振器から出
   力されるレーザ光を検出する光検出器とを具備し
   たことを特徴とする光学的センサ装置。 ２ レーザ発振器からの発振レーザ光をフアブリ
   ペロ共振器に導くと共に、このレーザ光の上記フ
   アブリペロ共振器による反射光を前記レーザ発振
   器に導入する手段は、光フアイバからなることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の光学的
   センサ装置。