JPWO2004106971A1 - コヒーレントレーザレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
高信頼性と送信光の高出力化を実現するコヒーレントレーザレーダ装置を得る事を目的とし、光源からのレーザ光をローカル光と送信光に分岐する第１の光カプラ、送信光を変調する光変調器、変調された送信光を増幅する空間型光増幅器、増幅された送信光を目標に照射し、目標からの散乱光を受光する送受光学系、送信光と受信光を分離する送受信光分離装置、ローカル光と分離された受信光を混合する第２の光カプラ、混合光をヘテロダイン検波する光検出器、検波信号を増幅するビート信号増幅器、増幅された信号を処理する信号処理装置、その結果を表示する表示装置を備え、第１と第２の光カプラ及び光変調器を偏波保存型光学素子で構成し、レーザ光源から第１の光カプラを経て空間型光増幅器まで、送受光分離装置から第２の光カプラを経て光検出器まで、第１の光カプラから第２の光カプラまでの各光路を偏波保存型シングルモード光ファイバで接続する。
Description
この発明は、コヒーレントレーザレーダ装置に関するものであり、特に、目標の距離、速度、密度分布、速度分布などの物理情報を測定することを目的とし、光学部品を光ファイバで接続した光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置に関するものである。
レーザレーダ（Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ）は、遠隔より目標（大気、大気中の微粒子やエアロゾル、建築物等）にレーザ光を照射し、その反射光（散乱光）を受信することにより、大気中の微粒子、分子の分布、風速、建築物までの距離など、様々な情報を遠隔より測定することが可能である。
レーザレーダは、野外で使用される場合が多く、高い信頼性が要求される。また、遠方まで高精度に測定するため、大きな出力と回折限界のビーム品質が要求される。また、風速や被測定物の速度を検出するコヒーレントレーザレーダ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ）では、散乱光のわずかなドップラー周波数シフトを検出するため、送信光に単一周波数が要求されるとともに、高い速度分解能を得るために、長いパルス幅が要求される。さらに、野外で使用する場合、人間の目に対する安全性が要求される。波長１．４μｍ以上の波長を有するレーザ光はアイセーフ波長と呼ばれ、目に対する許容度が大きい。従って、波長１．４μｍ以上のレーザ光を用いることにより、大きな出力と目に対する安全性を両立させることが可能となる。
例えば、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１６，ｐ１２６２−１２６４（２００１年）に示された従来の空間共振器型コヒーレントレーザレーダ装置では、波長１．５４μｍで発振するＥｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓレーザ媒質と、ミラー等の光学部品を用いてレーザ共振器を空間に配置した空間型レーザ共振器が用いられてきた。
また、単一周波数化をはかるため、ローカル光を共振器内に注入して、ローカル光と同じ波長でレーザ発振を発生させるインジェクションシーディング法と、レーザ共振器の縦モードとローカル光の波長を一致させるための共振器長制御が用いられてきた。
さらに、長いパルス幅を得るために、長い共振器長（２ｍ）の空間型レーザ共振器が用いられてきた。
しかし、波長１．４μｍ以上で発振するレーザ媒質は、一般に利得が小さいため、高効率にレーザ光を発生する事が困難であった。また、空間型レーザ共振器では、ミラー等の光学部品に高い設置精度が要求されるが、野外で使用されることが多いレーザレーダ装置では、温度変化や振動、衝撃により、容易にアライメントずれが発生し、レーザ共振器内の損失が増加する。その結果、送信光の出力が変動するという問題があった。このアライメントずれの影響は、一般に、レーザ媒質の利得が小さいほど、また、共振器が長くなるほど顕著になる。
さらに、単一周波数の送信光を得るには共振器長を制御する必要があるため、制御が不安定になると単一周波数出力が得られなくなるという問題があった。さらに、共振器長制御は、機械的に共振器内部の光学部品を動かす事により実現するため、動作時のアライメントずれによる出力低下が発生するという問題があった。このため、従来の空間共振器型コヒーレントレーザレーダ装置では、高い信頼性を得る事が困難であった。
このような問題を解決する手段として、例えば１１ｔｈ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｍａｌｖｅｒｎ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ，ＵＫ，Ｊｕｌｙ ２００１）のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（ｐ．１４４−１４６）には、図８に示すような、送信光源に光ファイバ増幅器を用いた従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置が示されている。
図８に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、単一波長で発振したレーザ光を光ファイバ出力するレーザ光源１、光ファイバ型の第１の光カプラ２、光変調器３、光ファイバ増幅器４、送受信光分離装置５、送受光学系６、光ファイバ型の第２のカプラ７、光受信器８、信号処理器９、第１の偏波制御器１０、第２の偏波制御器１１を備えている。
ここで、前記送受信光分離装置５は、図９に示すように、第１の結合光学系２１、偏光子２２、１／４波長板２３、第２の結合光学系２４で構成されている。
図８に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置において、レーザ光源１から光変調器３を経た送受信分離装置５までの光学部品、第１の光カプラ２から第２の偏波制御器１１を経た第２の光カプラ７までの光学部品、および、送受信分離装置５から第２の光カプラ７までの光学部品は、インラインファイバ型の光学部品であり、それぞれシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）により結合されている。
次に、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の動作について説明する。単一波長（周波数ｆ０）で発振するレーザ光源１からのレーザ光は、第１の光カプラ２により２分岐され、一方はローカル光に用いられ、他方は送信光として第１の光カプラ２及び第１の偏波制御器１０を経て光変調器３により変調される。
ここで、光変調器３は、パルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子であり、前記レーザ光の光周波数を周波数ｆ１だけ周波数シフトし、かつ、パルス状にレーザ光を変調して出力する。前記パルス化されたレーザ光は、光ファイバ増幅器４で増幅された後、送受信光分離装置５を介して、送受光学系６により目標に向けて照射される。
目標に照射された送信光は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数ｆｄ）を受けて散乱されて受信光となる。受信光は、送受光学系６を介して送受信光分離装置５において送信光と分離され、第２の光カプラ７において前記ローカル光と合波される。
前記受信光とローカル光との混合光は、光受信器８においてヘテロダイン検波され、ローカル光と受信光との周波数差（ｆ１＋ｆｄ）の周波数を持つビート信号が出力される。前記ビート信号は、信号処理器９において信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、および、ドップラー周波数から、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報が測定される。
送受信光分離装置５では、偏光を用いて送信光と受信光との分離を行っている。図９に示すように、光ファイバ増幅器４からのパルスレーザ光は、送信光に用いられ、第１の結合光学系２１により、略平行ビームとして偏光子２２に入射される。偏光子２２は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面に対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子２２で反射された送信光は、紙面に対して垂直な直線偏光となる。
さらに、１／４波長板２３を透過する事により円偏光に変換された後、送受光学系６に送られる。目標の散乱による偏波変動が無いものとすると、送受光学系６からの受信光は円偏光であり、１／４波長板２３を透過する事により、紙面に対して平行な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子２２を透過し、第２の結合光学系２４を介して、第２の光カプラ７に至る光ファイバに結合される。
送信光の送受信光分離装置５における透過損失を最小にするためには、光ファイバ増幅器４からの送信光を紙面に対して垂直な直線偏光とする必要がある。このため、第１の偏波制御器１０により、光ファイバ増幅器４からの送信光は紙面に対して垂直な直線偏光となるように調整される。
また、光ヘテロダイン検波において、検波効率を最大にするためには、ローカル光と受信光の偏波面を一致させる必要がある。このため、第２の偏波制御器１１により、ローカル光の偏波面を受信光の偏波面に略一致するように調整される。
前記のように、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送受信光分離装置５、および、送受光学系６を除いた全てを光ファイバで構成しているため、温度変化や振動、衝撃に強く、高い信頼性を有する。
図８に示した従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送信光の高出力化のため、シングルモード光ファイバを用いた光ファイバ増幅器４を用いている。シングルモード光ファイバは、直径数μｍ〜十数μｍの小さなコアの中を光が伝搬するが、送信光の出力を大きくした場合、コア内のパワー密度が大きくなり、ブリルアン散乱やラマン散乱等の非線形効果が発生する。また、光ファイバ内や光ファイバ端面、インライン型光部品内の光学部品等に損傷が発生する。このため、送信光の出力パワーが制限される。
この発明は、前記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、高い信頼性と送信光の高出力化を実現したコヒーレントレーザレーダ装置を得る事を目的とする。
レーザレーダは、野外で使用される場合が多く、高い信頼性が要求される。また、遠方まで高精度に測定するため、大きな出力と回折限界のビーム品質が要求される。また、風速や被測定物の速度を検出するコヒーレントレーザレーダ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ）では、散乱光のわずかなドップラー周波数シフトを検出するため、送信光に単一周波数が要求されるとともに、高い速度分解能を得るために、長いパルス幅が要求される。さらに、野外で使用する場合、人間の目に対する安全性が要求される。波長１．４μｍ以上の波長を有するレーザ光はアイセーフ波長と呼ばれ、目に対する許容度が大きい。従って、波長１．４μｍ以上のレーザ光を用いることにより、大きな出力と目に対する安全性を両立させることが可能となる。
例えば、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．１６，ｐ１２６２−１２６４（２００１年）に示された従来の空間共振器型コヒーレントレーザレーダ装置では、波長１．５４μｍで発振するＥｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓレーザ媒質と、ミラー等の光学部品を用いてレーザ共振器を空間に配置した空間型レーザ共振器が用いられてきた。
また、単一周波数化をはかるため、ローカル光を共振器内に注入して、ローカル光と同じ波長でレーザ発振を発生させるインジェクションシーディング法と、レーザ共振器の縦モードとローカル光の波長を一致させるための共振器長制御が用いられてきた。
さらに、長いパルス幅を得るために、長い共振器長（２ｍ）の空間型レーザ共振器が用いられてきた。
しかし、波長１．４μｍ以上で発振するレーザ媒質は、一般に利得が小さいため、高効率にレーザ光を発生する事が困難であった。また、空間型レーザ共振器では、ミラー等の光学部品に高い設置精度が要求されるが、野外で使用されることが多いレーザレーダ装置では、温度変化や振動、衝撃により、容易にアライメントずれが発生し、レーザ共振器内の損失が増加する。その結果、送信光の出力が変動するという問題があった。このアライメントずれの影響は、一般に、レーザ媒質の利得が小さいほど、また、共振器が長くなるほど顕著になる。
さらに、単一周波数の送信光を得るには共振器長を制御する必要があるため、制御が不安定になると単一周波数出力が得られなくなるという問題があった。さらに、共振器長制御は、機械的に共振器内部の光学部品を動かす事により実現するため、動作時のアライメントずれによる出力低下が発生するという問題があった。このため、従来の空間共振器型コヒーレントレーザレーダ装置では、高い信頼性を得る事が困難であった。
このような問題を解決する手段として、例えば１１ｔｈ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｌａｓｅｒ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｍａｌｖｅｒｎ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒｓｈｉｒｅ，ＵＫ，Ｊｕｌｙ ２００１）のＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ（ｐ．１４４−１４６）には、図８に示すような、送信光源に光ファイバ増幅器を用いた従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置が示されている。
図８に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、単一波長で発振したレーザ光を光ファイバ出力するレーザ光源１、光ファイバ型の第１の光カプラ２、光変調器３、光ファイバ増幅器４、送受信光分離装置５、送受光学系６、光ファイバ型の第２のカプラ７、光受信器８、信号処理器９、第１の偏波制御器１０、第２の偏波制御器１１を備えている。
ここで、前記送受信光分離装置５は、図９に示すように、第１の結合光学系２１、偏光子２２、１／４波長板２３、第２の結合光学系２４で構成されている。
図８に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置において、レーザ光源１から光変調器３を経た送受信分離装置５までの光学部品、第１の光カプラ２から第２の偏波制御器１１を経た第２の光カプラ７までの光学部品、および、送受信分離装置５から第２の光カプラ７までの光学部品は、インラインファイバ型の光学部品であり、それぞれシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）により結合されている。
次に、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の動作について説明する。単一波長（周波数ｆ０）で発振するレーザ光源１からのレーザ光は、第１の光カプラ２により２分岐され、一方はローカル光に用いられ、他方は送信光として第１の光カプラ２及び第１の偏波制御器１０を経て光変調器３により変調される。
ここで、光変調器３は、パルス駆動された音響光学（ＡＯ）素子であり、前記レーザ光の光周波数を周波数ｆ１だけ周波数シフトし、かつ、パルス状にレーザ光を変調して出力する。前記パルス化されたレーザ光は、光ファイバ増幅器４で増幅された後、送受信光分離装置５を介して、送受光学系６により目標に向けて照射される。
目標に照射された送信光は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数ｆｄ）を受けて散乱されて受信光となる。受信光は、送受光学系６を介して送受信光分離装置５において送信光と分離され、第２の光カプラ７において前記ローカル光と合波される。
前記受信光とローカル光との混合光は、光受信器８においてヘテロダイン検波され、ローカル光と受信光との周波数差（ｆ１＋ｆｄ）の周波数を持つビート信号が出力される。前記ビート信号は、信号処理器９において信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、および、ドップラー周波数から、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報が測定される。
送受信光分離装置５では、偏光を用いて送信光と受信光との分離を行っている。図９に示すように、光ファイバ増幅器４からのパルスレーザ光は、送信光に用いられ、第１の結合光学系２１により、略平行ビームとして偏光子２２に入射される。偏光子２２は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面に対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子２２で反射された送信光は、紙面に対して垂直な直線偏光となる。
さらに、１／４波長板２３を透過する事により円偏光に変換された後、送受光学系６に送られる。目標の散乱による偏波変動が無いものとすると、送受光学系６からの受信光は円偏光であり、１／４波長板２３を透過する事により、紙面に対して平行な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子２２を透過し、第２の結合光学系２４を介して、第２の光カプラ７に至る光ファイバに結合される。
送信光の送受信光分離装置５における透過損失を最小にするためには、光ファイバ増幅器４からの送信光を紙面に対して垂直な直線偏光とする必要がある。このため、第１の偏波制御器１０により、光ファイバ増幅器４からの送信光は紙面に対して垂直な直線偏光となるように調整される。
また、光ヘテロダイン検波において、検波効率を最大にするためには、ローカル光と受信光の偏波面を一致させる必要がある。このため、第２の偏波制御器１１により、ローカル光の偏波面を受信光の偏波面に略一致するように調整される。
前記のように、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送受信光分離装置５、および、送受光学系６を除いた全てを光ファイバで構成しているため、温度変化や振動、衝撃に強く、高い信頼性を有する。
図８に示した従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送信光の高出力化のため、シングルモード光ファイバを用いた光ファイバ増幅器４を用いている。シングルモード光ファイバは、直径数μｍ〜十数μｍの小さなコアの中を光が伝搬するが、送信光の出力を大きくした場合、コア内のパワー密度が大きくなり、ブリルアン散乱やラマン散乱等の非線形効果が発生する。また、光ファイバ内や光ファイバ端面、インライン型光部品内の光学部品等に損傷が発生する。このため、送信光の出力パワーが制限される。
この発明は、前記のような問題点を解決することを課題としてなされたものであり、高い信頼性と送信光の高出力化を実現したコヒーレントレーザレーダ装置を得る事を目的とする。
この発明に係るコヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、前記レーザ光源からのレーザ光をローカル光と送信光とに二分岐する偏波保存型の光学素子である第１の光カプラと、前記第１の光カプラから分岐された送信光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、前記光変調器から出力された送信光を空間伝搬により増幅する空間型光増幅器と、前記空間型光増幅器により増幅された送信光を目標に向けて照射すると共に、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、前記空間型光増幅器により増幅された送信光と前記目標から散乱された受信光とを分離する送受信光分離装置と、前記第１の光カプラより分岐されたローカル光と前記送受信光分離装置より分離された受信光とを混合する偏波保存型の光学素子である第２の光カプラと、前記第２の光カプラからの混合光をヘテロダイン検波して受信光のビート信号を出力する光検出器と、前記光検出器より出力されたビート信号を増幅するビート信号増幅器と、前記ビート信号増幅器により増幅された信号を信号処理する信号処理装置と、前記信号処理装置で信号処理された結果を表示する表示装置とを備え、前記レーザ光源から前記第１の光カプラを経て前記空間型光増幅器までの光路、前記送受光分離装置から第２の光カプラを経て光検出器までの光路、および、前記第１の光カプラから前記第２の光カプラまでの光路を、偏波保存型シングルモード光ファイバで接続したことを特徴とする。
図１は、この発明の実施の形態１による光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図２は、送受信光分離装置の構成を示すブロック図、
図３は、この発明の実施の形態２に係るＯＰＡを用いた空間型光増幅器の構成を示すブロック図である。
図４は、非線形材料としてＭｇＰＰＬＮを用いた時の励起光から送信光へのパワーの変換効率と非線形材料の結晶長の関係を示す図、
図５は、この発明の実施の形態３に係るもので、送信光と励起光のパルス幅を同じ程度にした場合に、パルスジッタによる励起光のタイミングのずれにより、送信光の増幅率が低下または全く増幅されない場合の説明図、
図６は、この発明の実施の形態３に係るもので、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅よりも長くして、増幅率の劣化を抑制する例を示した図、
図７は、この発明の実施の形態４に係るもので、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅よりも短くして、増幅率の劣化を抑制する例を示した図、
図８は、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図９は、図８の送受信光分離装置の構成を示すブロック図である。
図２は、送受信光分離装置の構成を示すブロック図、
図３は、この発明の実施の形態２に係るＯＰＡを用いた空間型光増幅器の構成を示すブロック図である。
図４は、非線形材料としてＭｇＰＰＬＮを用いた時の励起光から送信光へのパワーの変換効率と非線形材料の結晶長の関係を示す図、
図５は、この発明の実施の形態３に係るもので、送信光と励起光のパルス幅を同じ程度にした場合に、パルスジッタによる励起光のタイミングのずれにより、送信光の増幅率が低下または全く増幅されない場合の説明図、
図６は、この発明の実施の形態３に係るもので、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅よりも長くして、増幅率の劣化を抑制する例を示した図、
図７は、この発明の実施の形態４に係るもので、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅よりも短くして、増幅率の劣化を抑制する例を示した図、
図８は、従来の光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図、
図９は、図８の送受信光分離装置の構成を示すブロック図である。
以下、この発明の各実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源３１、レーザ光源３１からのレーザ光をローカル光と送信光とに２分割する第１の光カプラ３２、第１の光カプラ３２からの送信光を変調する光変調器３３、光変調器３３から出力された送信光の偏光を偏波モニタ出力に基づいて調整する偏波制御器３４、偏波制御器３４より出力された送信光を増幅する光ファイバ増幅器３５、光ファイバ増幅器３５より出力された送信光を直交した二つの直線偏光成分に分離する偏波分離カプラ３６、偏波分離カプラ３６の一方の出力をモニタし偏波モニタ出力を前記偏波制御器３４に出力する偏波モニタ３７、偏波分離カプラ３６の他の一方の出力を増幅する空間型光増幅器３８を備える。
また、この光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、送信光と受信光を分離する送受信光分離装置３９、送信光を目標４１に向けて照射し、目標４１からの散乱光を受光する送受光学系４０、第１のカプラ３２より分割されたローカル光と受信光とを混合する第２の光カプラ４２、第２の光カプラ４２からの混合光をヘテロダイン検波してビート信号を出力する光検出器４３、光検出器４３の出力を送受信光学系の内部散乱が発生している時間と目標からの散乱光を受信している時間とで切り替えるスイッチ４４、スイッチ４４を介して得られた内部散乱によるビート信号をモニタするパルスモニタ４５、スイッチ４４を介して得られた受信光のビート信号を増幅する増幅器４６、増幅器４６により増幅された受信光のビート信号を信号処理する信号処理装置４７、信号処理装置４７により得られた処理結果を表示する表示装置４８を備える。
ここで、前記送受信光分離装置３９は、図２に示すように、偏光子７１、１／４波長板７２、結合光学系７３により構成される。
また、図１において、光変調器３３−偏波制御器３４−光ファイバ増幅器３５は、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）で接続され、レーザ光源３１−第１の光カプラ３２−光変調器３３、光ファイバ増幅器３５−偏波分離カプラ３６−偏波モニタ３７−空間型光増幅器３８、送受信光分離装置３９−第２の光カプラ４２−検出器４３、および、第１の光カプラ３２−第２の光カプラ４２は、それぞれ偏波保存型のシングルモード光ファイバ（ＰＤＦ）で接続されている。また、第１の光カプラ３２、光変調器３３、偏波分離カプラ３６、および、第２の光カプラ４２は、偏波保存型の光学素子である。
次に動作について説明する。レーザ光源３１から出力された直線偏光のレーザ光は、第１の光カプラ３２により、送信光とヘテロダイン検波用のローカル光に２分岐される。光変調器３３は、第１の光カプラ３２により分岐された送信光を変調する。ここで、光変調器３３は、例えば、パルス駆動される音響光学（ＡＯ）素子であり、前記送信光の光周波数を周波数ｆ１だけ周波数シフトし、かつ、パルス状にレーザ光を変調して出力する。
光変調器３３によりパルス状に変調された送信光は、偏波制御器３４により偏光状態が調整されて、光ファイバ増幅器３５に入射される。そして、光ファイバ増幅器３５で増幅された送信光は、偏波分離カプラ３６を介して空間型光増幅器３８に入射される。ここで、空間型光増幅器３８および送受信光分離装置３９では、送信光に直線偏光が要求される。
光ファイバ増幅器３５は、通常、偏波を保持しないＳＭＦで構成される。従って、光ファイバ増幅器３５から出力される送信光の偏波状態が変動する。偏光状態を保存するＰＤＦを用いた光ファイバ増幅器を用いれば、偏波状態の変動は抑制されるが、一般に、ＰＤＦを用いた光ファイバ増幅器は高価である。
そこで、光ファイバ増幅器３５から出力された送信光を、偏波分離カプラ３８により、直交した二つの偏光成分に分離し、一方の出力パワーを偏波モニタ３７でモニタして、偏波モニタ３７側に分岐される送信光が最小となるように、偏波制御器３４で偏波の制御を行う。
これにより、光ファイバ増幅器３５から出力される送信光は、偏波カプラ３６の空間型光増幅器３８側に分岐される直線偏光に調整され、ほぼ全てのパワーが空間型光増幅器３８へ出射される。
空間型光増幅器３８では、光ファイバから出力された送信光を略平行光にして空間に出射した後、増幅を行う。ここで、送信光を空間に出射して増幅を行うため、光ファイバ内のパワー密度に依存せずに増幅を行うことができ、任意のパワーに増幅を行うことが可能である。
空間型光増幅器３８において、送信光は単一周波数であるため、単一周波数増幅が可能な方法を用いる必要がある。単一周波数増幅を行う方法としては、ＯＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）や、固体レーザ媒質を用いた直接増幅を用いることが可能である。固体レーザ媒質を用いた直接増幅では、単一周波数の増幅が得やすいが、波長１．４μｍ以上で利得を持つ固体レーザ媒質は、一般に、利得が小さく、大きな増幅率を得る事は困難であるため、ＯＰＡを用いる事が望ましい。
空間型光増幅器３８で増幅された送信光は、送受信光分離装置３９を介して送受光学系４０により目標に照射される。送受信光分離装置３９では、偏光を用いて送信光と受信光の分離を行っている。
図２において、空間型光増幅器３８により増幅された送信光は、空間を伝搬して、偏光子７１に入射される。偏光子７１は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面に対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子７１で反射された送信光は、紙面に対して垂直な直線偏光となる。さらに、１／４波長板７２は、結晶軸が送信光の偏光方向に対して４５°をなすように配置され、１／４波長板７２を透過する事により円偏光に変換された後、送受光学系４０に送られる。
目標４１にて散乱された受信光は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数ｆｄ）を受け、送受光学系４０により受信される。目標４１の散乱による偏波変動が無いものとすると、送受光学系４０からの受信光は円偏光であり、１／４波長板７２を透過する事により、紙面に対して平行な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子７１を透過し、結合光学系７３を介して第２の光カプラ４２に至る光ファイバに結合される。
受信光は、第２の光カプラ４２において、前記第１の光カプラ３２により分岐されたローカル光と合波される。前記受信光とローカル光の混合光は、光検出器４３においてヘテロダイン検波され、ローカル光と受信光の周波数差の周波数を持つビート信号が出力される。
ここで、光検出器４３には、目標からの受信光の他に、送受信光分離装置３９内、および、送受光学系４０内の光学部品からの内部散乱光が入射する。内部散乱光は受信光に比べて強度が大きいため、内部散乱光のビート信号がそのまま、増幅器４６、および、信号処理装置４７に入射すると、電気回路で制限される飽和が発生し、飽和が緩和されるまでの緩和時間内は、受信光のビート信号を受信する事ができなくなり、近距離の測定が困難となる。また、飽和が発生しないように電気回路の調整を行った場合、信号処理装置４７でビート信号を取り込む際において大きなダイナミックレンジが要求され、信号処理装置４７が複雑で高価なものとなる。
そこで、スイッチ４４により、内部散乱光のビート信号と、受信信号によるビート信号とを時間的に分離し、受信光のビート信号のみを増幅器４６で増幅し、信号処理装置４７のダイナミックレンジに合うように調整する。スイッチ４４で分けられた内部散乱光のビート信号は、パルスモニタ４５に入力される。内部散乱光は送信光が出力された時間に観測されるので、信号処理装置４７におけるＡ／Ｄ変換を開始するサンプリングスタート信号として用いる。これにより、空間型光増幅器３８におけるパルスジッタや、その他の光学素子による動作遅れ等の影響を排除し、送信光が出力された時間を正確に検出する事が可能である。
信号処理装置４７は、パルスモニタ４５より得られるサンプリングスタート信号により、受信光のビート信号のＡ／Ｄサンプリングを開始する。Ａ／Ｄサンプリングされたビート信号は、信号処理装置４７で信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、および、ドップラー周波数から、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を抽出し、表示装置４８により表示される。
従って、実施の形態１に係る光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送信光の出力パワーを空間型光増幅器３８で任意に増幅できるので、光ファイバ内の非線形効果や光学部品の損傷により出力が制限されない、高い出力を実現する事が可能である。
また、内部散乱光のビート信号をスイッチ４４で分離し、パルスモニタ４５で検出するので、増幅器４６や信号処理装置４７において電気回路の飽和を防ぐ事ができる。これにより、内部散乱光が終了した直後から観測を行う事ができ、近距離の測定が可能である。
また、偏波分離カプラ３６、偏波モニタ３７、および、偏波制御器３４により、光ファイバ増幅器３５による偏波変動を抑制するので、ＳＭＦを用いた光ファイバ増幅器を用いることができ、廉価に装置を構成する事ができるとともに、空間型光増幅器３８に要求される利得が低減され、安定した送信光出力を得る事ができる。
ここで、空間型光増幅器３８、送受信光分離装置３９、送受光学系４０からなる光学系部と、それ以外の光学部品からなる本体とに分けて構成し、偏波分離カプラ３６から空間型光増幅器３８、および、送受信光分離装置３９から第２の光カプラ４２を、任意の長さの光ファイバで接続しても良い。このように構成すれば、光学系のみを屋外に配置し、本体を環境条件に優れた室内に置くなど、設置の自由度を大きくする事ができる。
なお、空間型光増幅器３８に入射する送信光を増幅するため、偏波制御器３４、光ファイバ増幅器３５、偏波分離カプラ３６、偏波モニタ３７を用いたが、空間型光増幅器３８の利得が十分大きければ、光変調器３３から空間型光増幅器３８を直接ＰＤＦで接続しても良い。このように配置すれば、光ファイバ内のパワー密度が低減され、さらに非線形効果や損傷を抑制できるとともに、構成部品が低減されるため廉価に装置を構成する事ができる。
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２によるＯＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を用いた空間型光増幅器３８の構成を示すブロック図である。図３に示すように、空間型光増幅器３８は、コリメート光学系６１、パルス状の励起光を出力する励起光源６２、送信光と励起光とを合波するダイクロイックミラー６３、非線形効果により励起光のパワーを送信光のパワーに変換する第１の非線形材料６４、ＯＰＡで発生したアイドラ光を反射し、送信光と励起光を透過する第１の分離ミラー６５、非線形効果により励起光のパワーを送信光のパワーに変換する第２の非線形材料６６、アイドラ光と励起光を反射し、送信光のみを透過する第２の分離ミラー６７で構成されている。
ＯＰＡは、非線形材料の非線形効果を利用して、波長の短い励起光のパワーを波長の長い二つの波長（信号光、アイドラ光）に移譲することにより、信号光を増幅する方法である。この時、信号光として送信光を入射すれば、送信光が増幅され、アイドラ光が発生する。励起光波長、信号光波長、アイドラ光波長をそれぞれλｐ、λｓ、λｉとすると、エネルギー保存則より以下の関係が成り立つ。
１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉ
例えば、λｓ＝１．５４μｍ、λｐ＝１．０３μｍのとき、λｉ＝３．１１μｍとなる。
さらに、信号光が増幅されるには、非線形材料の中で信号光、励起光、アイドラ光の伝搬速度が同じになる条件（位相整合条件）を満たす必要がある。具体的には、３つの波長が感じる屈折率が同じになるようにする必要がある。１．５μｍ帯の信号光を増幅する場合、非線形材料としては、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）やＫＴＰの単結晶の他、ＬｉＮｂＯ３やＫＴＰの軸方位を周期的に反転させたＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｐｏｌｅｄ ＬＮ）、ＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ）、さらに、ＰＰＬＮにマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＭｇＰＰＬＮが用いられる。
単結晶の場合、非線形材料への入射角度（位相整合角）と温度により位相整合の調整を行い、ＰＰＬＮ、ＭｇＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰでは、反転周期と温度により位相整合の調整を行う。軸方位を周期的に反転させた非線形材料を用いたＯＰＡでは、結晶へのレーザ光の入射角度に対する許容度が大きく、安定性の高いＯＰＡが可能である。さらに、ＰＰＬＮは非線形効果が大きい。
しかし、一般的なＰＰＬＮは、光による損傷（フォトリフラクティブダメージ）に弱く、損傷を防ぐため温度を高温に保つ必要がある。ＭｇＰＰＬＮは、非線形効果はＰＰＬＮと同等であり、さらに、光による損傷に強く、常温によるＯＰＡが可能であるため、非線形材料として、ＭｇＰＰＬＮを用いる事が望ましい。
また、励起光源６２として用いるレーザ装置には、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧなどの１μｍ帯の波長で発振するレーザ媒質をＱスイッチ動作させることにより実現可能である。これらのレーザ媒質は、Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓなどの１．４μｍ以上で発振するレーザ媒質に比べて利得が高く、高効率に励起光を発生させる事ができる。また、利得が高いため、アライメントずれ等で発生する共振器損失増加の影響が小さく、高い信頼性を実現する事ができる。
次に動作について説明する。コリメート光学系６１より略平行光として出力された送信光は、ダイクロイックミラー６３により、励起光源６２より出力された励起光と合波され、第１の非線形材料６４に入射される。第１の非線形材料６４では、励起光のパワーが送信光に移譲し、送信光が増幅され、アイドラ光が発生する。第１の非線形材料６４を出力された送信光、励起光は、第１の分離ミラー６５でアイドラ光と分離されて、第２の非線形材料６６に入射する。送信光は、第２の非線形材料６６でさらに増幅されて出力される。第２の非線形材料６６を出射した送信光は、第２の分離ミラー６７により、励起光、および、アイドラ光と分離されて、送受信光分離装置３９に出射される。
ここで、図４に、非線形材料としてＭｇＰＰＬＮを用いた時の、励起光から送信光へのパワーの変換効率と、非線形材料の結晶長の関係を示す。実線は一つのＭｇＰＰＬＮで結晶長を変えた場合の変換効率、破線は１個目の非線形材料において最大の変換効率が得られる長さでアイドラ光を除去した後、再度、非線形材料に入射した場合の変換効率を示す。
非線形材料が１個の場合、結晶長を長くすると、送信光とアイドラ光が再び励起光波長に変換される逆変換が発生し、送信光のパワーは低下する。一方、途中でアイドラ光を除去し、再度、非線形結晶に入射すると、逆変換が抑制され、高い変換効率が得られる。なお、前記の構成では、非線形材料が２個の場合を示したが、３個以上を配置して、それぞれの非線形材料の間に、アイドラ光を除去する分離ミラーを入れても良い。なお、第１の分離ミラー６５、および、第２の分離ミラー６７は、透過特性と反射特性が反対のものを用いても同様の効果が得られることは明かである。
このような複数個の非線形材料を用いて途中でアイドラ光を除去するＯＰＡ構成では、送信光とアイドラ光の、励起光への逆変換を抑制できるので、送信光の増幅率が高い空間型光増幅器を得る事ができる。
ここで、送信光が単一周波数で、励起光が単一周波数でない（波長λｐ１、λｐ２．．．）の場合、エネルギー保存則より、１／λｐ１＝１／λｓ＋１／λｉ１、１／λｐ２＝１／λｓ＋１／λｉ２．．．の関係が成立し、複数波長のアイドラ光が発生する。この時、例えば１／λｐ１＝１／λｓ’＋１／λｉ２を満たす波長が位相整合条件を満足すると、波長λｓ’の信号光が発生する。同様の組合せは多数存在するため、送信光に波長の異なる信号光が重畳されてしまう。波長の異なる信号光が発生した場合、送信光の増幅率が低下するとともに、送信光と波長が近い信号光は、光検出器におけるヘテロダイン検波の際に雑音を発生させ、装置の特性を劣化させる。従って、励起光源６２を単一周波数化することが望ましい。
励起光源６２を単一周波数化するには、インジェクションシーディング法と共振器長制御を用いてローカル光とレーザ発振波長を一致させる方法や、共振器内にエタロンを設置し発振波長を制限する方法などがある。ＯＰＡの励起光源の場合、ローカル光と波長を一致させる必要は無く、単一周波数発振が得られれば良い事から、装置構成の単純なエタロンを用いることで実現可能である。
このように、励起光源を単一周波数化すれば、送信光の増幅率を向上させるとともに、光検出器におけるヘテロダイン検波の際に雑音を発生させず、信頼性の高い空間型光増幅器を構成する事ができる。
実施の形態３．
ＯＰＡでは、励起光、および、送信光が共にパルスであり、図５に示すように、結晶内で励起光（図５（ｂ）参照）と送信光（図５（ａ）参照）が時間的に重なっている場合のみ、送信光は増幅される（図５（ｃ）参照）。送信光は、ＣＷ出力のレーザ光源を光変調器によりパルス化しているため、パルスのタイミングのばらつき（パルスジッタ）は電気回路の特性による。一方、励起光源に固体レーザを使用し、Ｑスイッチ動作を行った場合、温度環境や励起状態の変化などにより、送信光に比べて大きなパルスジッタが発生する。従って、送信光と励起光のパルス幅を同じ程度にすると、パルスジッタによる励起光のタイミングのずれにより増幅率が低下、または、全く増幅されない場合が発生する。
この実施の形態３では、このような問題を解決する方法について述べる。図６は、この発明の実施の形態３による、送信光と励起光のパルス幅の関係を示した図である。図６（ａ）は送信光のパルス時間波形、図６（ｂ）は励起光のパルス時間波形を示している。送信光のパルス幅は、励起光のパルスジッタと同等か、または、パルスジッタに比べて広くなっており、励起光にパルスジッタが発生した場合でも、励起光は送信光と時間的な重なりが存在する。
このように構成すれば、励起光にパルスジッタが発生した場合でも、増幅率の劣化が抑制され、効率の高い空間型光増幅器を構成することができる。
なお、空間型光増幅器において増幅された送信光のパルス形状は、主に、励起光のパルス形状で決まるため、送信光に励起光のパルスジッタが発生することになる。このパルスジッタは、実施の形態１で示したように、図１においてパルスモニタ４５より得られるサンプリングスタート信号により、受信光のビート信号のＡ／Ｄサンプリングを開始するようにすれば、パルスジッタによる計測誤差は発生しない。
実施の形態４．
前記実施の形態３においては、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅に比べて長く設定しているが、図７に示すように、励起光（図７（ｂ）参照）のパルス幅を送信光（図７（ａ）参照）のパルス幅に比べて長く設定して、増幅後の送信光（図７（ｃ）参照）を得ても良い。
このように設定すれば、送信光のパルス形状は、主に、空間型光増幅器入射前の送信光のパルス形状で決まる。コヒーレントライダの空間分解能は送信光のパルス幅に比例し、風速測定精度はパルス幅の逆数に比例するため、空間分解能が要求される測定では送信光のパルス幅を短く、風速測定精度が要求される測定では送信光のパルス幅を長くするなど、コリメート光学系６１からの送信光のパルス幅を可変にしてさまざまな要求に応じた測定が可能となる。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置の構成を示すブロック図である。図１に示す光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源３１、レーザ光源３１からのレーザ光をローカル光と送信光とに２分割する第１の光カプラ３２、第１の光カプラ３２からの送信光を変調する光変調器３３、光変調器３３から出力された送信光の偏光を偏波モニタ出力に基づいて調整する偏波制御器３４、偏波制御器３４より出力された送信光を増幅する光ファイバ増幅器３５、光ファイバ増幅器３５より出力された送信光を直交した二つの直線偏光成分に分離する偏波分離カプラ３６、偏波分離カプラ３６の一方の出力をモニタし偏波モニタ出力を前記偏波制御器３４に出力する偏波モニタ３７、偏波分離カプラ３６の他の一方の出力を増幅する空間型光増幅器３８を備える。
また、この光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置は、送信光と受信光を分離する送受信光分離装置３９、送信光を目標４１に向けて照射し、目標４１からの散乱光を受光する送受光学系４０、第１のカプラ３２より分割されたローカル光と受信光とを混合する第２の光カプラ４２、第２の光カプラ４２からの混合光をヘテロダイン検波してビート信号を出力する光検出器４３、光検出器４３の出力を送受信光学系の内部散乱が発生している時間と目標からの散乱光を受信している時間とで切り替えるスイッチ４４、スイッチ４４を介して得られた内部散乱によるビート信号をモニタするパルスモニタ４５、スイッチ４４を介して得られた受信光のビート信号を増幅する増幅器４６、増幅器４６により増幅された受信光のビート信号を信号処理する信号処理装置４７、信号処理装置４７により得られた処理結果を表示する表示装置４８を備える。
ここで、前記送受信光分離装置３９は、図２に示すように、偏光子７１、１／４波長板７２、結合光学系７３により構成される。
また、図１において、光変調器３３−偏波制御器３４−光ファイバ増幅器３５は、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）で接続され、レーザ光源３１−第１の光カプラ３２−光変調器３３、光ファイバ増幅器３５−偏波分離カプラ３６−偏波モニタ３７−空間型光増幅器３８、送受信光分離装置３９−第２の光カプラ４２−検出器４３、および、第１の光カプラ３２−第２の光カプラ４２は、それぞれ偏波保存型のシングルモード光ファイバ（ＰＤＦ）で接続されている。また、第１の光カプラ３２、光変調器３３、偏波分離カプラ３６、および、第２の光カプラ４２は、偏波保存型の光学素子である。
次に動作について説明する。レーザ光源３１から出力された直線偏光のレーザ光は、第１の光カプラ３２により、送信光とヘテロダイン検波用のローカル光に２分岐される。光変調器３３は、第１の光カプラ３２により分岐された送信光を変調する。ここで、光変調器３３は、例えば、パルス駆動される音響光学（ＡＯ）素子であり、前記送信光の光周波数を周波数ｆ１だけ周波数シフトし、かつ、パルス状にレーザ光を変調して出力する。
光変調器３３によりパルス状に変調された送信光は、偏波制御器３４により偏光状態が調整されて、光ファイバ増幅器３５に入射される。そして、光ファイバ増幅器３５で増幅された送信光は、偏波分離カプラ３６を介して空間型光増幅器３８に入射される。ここで、空間型光増幅器３８および送受信光分離装置３９では、送信光に直線偏光が要求される。
光ファイバ増幅器３５は、通常、偏波を保持しないＳＭＦで構成される。従って、光ファイバ増幅器３５から出力される送信光の偏波状態が変動する。偏光状態を保存するＰＤＦを用いた光ファイバ増幅器を用いれば、偏波状態の変動は抑制されるが、一般に、ＰＤＦを用いた光ファイバ増幅器は高価である。
そこで、光ファイバ増幅器３５から出力された送信光を、偏波分離カプラ３８により、直交した二つの偏光成分に分離し、一方の出力パワーを偏波モニタ３７でモニタして、偏波モニタ３７側に分岐される送信光が最小となるように、偏波制御器３４で偏波の制御を行う。
これにより、光ファイバ増幅器３５から出力される送信光は、偏波カプラ３６の空間型光増幅器３８側に分岐される直線偏光に調整され、ほぼ全てのパワーが空間型光増幅器３８へ出射される。
空間型光増幅器３８では、光ファイバから出力された送信光を略平行光にして空間に出射した後、増幅を行う。ここで、送信光を空間に出射して増幅を行うため、光ファイバ内のパワー密度に依存せずに増幅を行うことができ、任意のパワーに増幅を行うことが可能である。
空間型光増幅器３８において、送信光は単一周波数であるため、単一周波数増幅が可能な方法を用いる必要がある。単一周波数増幅を行う方法としては、ＯＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）や、固体レーザ媒質を用いた直接増幅を用いることが可能である。固体レーザ媒質を用いた直接増幅では、単一周波数の増幅が得やすいが、波長１．４μｍ以上で利得を持つ固体レーザ媒質は、一般に、利得が小さく、大きな増幅率を得る事は困難であるため、ＯＰＡを用いる事が望ましい。
空間型光増幅器３８で増幅された送信光は、送受信光分離装置３９を介して送受光学系４０により目標に照射される。送受信光分離装置３９では、偏光を用いて送信光と受信光の分離を行っている。
図２において、空間型光増幅器３８により増幅された送信光は、空間を伝搬して、偏光子７１に入射される。偏光子７１は紙面に対して平行な偏光成分を透過し、紙面に対して垂直な偏光成分を反射するように設定されている。偏光子７１で反射された送信光は、紙面に対して垂直な直線偏光となる。さらに、１／４波長板７２は、結晶軸が送信光の偏光方向に対して４５°をなすように配置され、１／４波長板７２を透過する事により円偏光に変換された後、送受光学系４０に送られる。
目標４１にて散乱された受信光は、目標の速度に応じたドップラーシフト（ドップラー周波数ｆｄ）を受け、送受光学系４０により受信される。目標４１の散乱による偏波変動が無いものとすると、送受光学系４０からの受信光は円偏光であり、１／４波長板７２を透過する事により、紙面に対して平行な直線偏光に変換される。直線偏光に変換された受信光は偏光子７１を透過し、結合光学系７３を介して第２の光カプラ４２に至る光ファイバに結合される。
受信光は、第２の光カプラ４２において、前記第１の光カプラ３２により分岐されたローカル光と合波される。前記受信光とローカル光の混合光は、光検出器４３においてヘテロダイン検波され、ローカル光と受信光の周波数差の周波数を持つビート信号が出力される。
ここで、光検出器４３には、目標からの受信光の他に、送受信光分離装置３９内、および、送受光学系４０内の光学部品からの内部散乱光が入射する。内部散乱光は受信光に比べて強度が大きいため、内部散乱光のビート信号がそのまま、増幅器４６、および、信号処理装置４７に入射すると、電気回路で制限される飽和が発生し、飽和が緩和されるまでの緩和時間内は、受信光のビート信号を受信する事ができなくなり、近距離の測定が困難となる。また、飽和が発生しないように電気回路の調整を行った場合、信号処理装置４７でビート信号を取り込む際において大きなダイナミックレンジが要求され、信号処理装置４７が複雑で高価なものとなる。
そこで、スイッチ４４により、内部散乱光のビート信号と、受信信号によるビート信号とを時間的に分離し、受信光のビート信号のみを増幅器４６で増幅し、信号処理装置４７のダイナミックレンジに合うように調整する。スイッチ４４で分けられた内部散乱光のビート信号は、パルスモニタ４５に入力される。内部散乱光は送信光が出力された時間に観測されるので、信号処理装置４７におけるＡ／Ｄ変換を開始するサンプリングスタート信号として用いる。これにより、空間型光増幅器３８におけるパルスジッタや、その他の光学素子による動作遅れ等の影響を排除し、送信光が出力された時間を正確に検出する事が可能である。
信号処理装置４７は、パルスモニタ４５より得られるサンプリングスタート信号により、受信光のビート信号のＡ／Ｄサンプリングを開始する。Ａ／Ｄサンプリングされたビート信号は、信号処理装置４７で信号処理され、受信光の受信強度、ラウンドトリップ時間、および、ドップラー周波数から、目標までの距離、速度、密度分布、速度分布といった物理情報を抽出し、表示装置４８により表示される。
従って、実施の形態１に係る光ファイバ型コヒーレントレーザレーダ装置では、送信光の出力パワーを空間型光増幅器３８で任意に増幅できるので、光ファイバ内の非線形効果や光学部品の損傷により出力が制限されない、高い出力を実現する事が可能である。
また、内部散乱光のビート信号をスイッチ４４で分離し、パルスモニタ４５で検出するので、増幅器４６や信号処理装置４７において電気回路の飽和を防ぐ事ができる。これにより、内部散乱光が終了した直後から観測を行う事ができ、近距離の測定が可能である。
また、偏波分離カプラ３６、偏波モニタ３７、および、偏波制御器３４により、光ファイバ増幅器３５による偏波変動を抑制するので、ＳＭＦを用いた光ファイバ増幅器を用いることができ、廉価に装置を構成する事ができるとともに、空間型光増幅器３８に要求される利得が低減され、安定した送信光出力を得る事ができる。
ここで、空間型光増幅器３８、送受信光分離装置３９、送受光学系４０からなる光学系部と、それ以外の光学部品からなる本体とに分けて構成し、偏波分離カプラ３６から空間型光増幅器３８、および、送受信光分離装置３９から第２の光カプラ４２を、任意の長さの光ファイバで接続しても良い。このように構成すれば、光学系のみを屋外に配置し、本体を環境条件に優れた室内に置くなど、設置の自由度を大きくする事ができる。
なお、空間型光増幅器３８に入射する送信光を増幅するため、偏波制御器３４、光ファイバ増幅器３５、偏波分離カプラ３６、偏波モニタ３７を用いたが、空間型光増幅器３８の利得が十分大きければ、光変調器３３から空間型光増幅器３８を直接ＰＤＦで接続しても良い。このように配置すれば、光ファイバ内のパワー密度が低減され、さらに非線形効果や損傷を抑制できるとともに、構成部品が低減されるため廉価に装置を構成する事ができる。
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２によるＯＰＡ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を用いた空間型光増幅器３８の構成を示すブロック図である。図３に示すように、空間型光増幅器３８は、コリメート光学系６１、パルス状の励起光を出力する励起光源６２、送信光と励起光とを合波するダイクロイックミラー６３、非線形効果により励起光のパワーを送信光のパワーに変換する第１の非線形材料６４、ＯＰＡで発生したアイドラ光を反射し、送信光と励起光を透過する第１の分離ミラー６５、非線形効果により励起光のパワーを送信光のパワーに変換する第２の非線形材料６６、アイドラ光と励起光を反射し、送信光のみを透過する第２の分離ミラー６７で構成されている。
ＯＰＡは、非線形材料の非線形効果を利用して、波長の短い励起光のパワーを波長の長い二つの波長（信号光、アイドラ光）に移譲することにより、信号光を増幅する方法である。この時、信号光として送信光を入射すれば、送信光が増幅され、アイドラ光が発生する。励起光波長、信号光波長、アイドラ光波長をそれぞれλｐ、λｓ、λｉとすると、エネルギー保存則より以下の関係が成り立つ。
１／λｐ＝１／λｓ＋１／λｉ
例えば、λｓ＝１．５４μｍ、λｐ＝１．０３μｍのとき、λｉ＝３．１１μｍとなる。
さらに、信号光が増幅されるには、非線形材料の中で信号光、励起光、アイドラ光の伝搬速度が同じになる条件（位相整合条件）を満たす必要がある。具体的には、３つの波長が感じる屈折率が同じになるようにする必要がある。１．５μｍ帯の信号光を増幅する場合、非線形材料としては、ＬｉＮｂＯ３（ＬＮ）やＫＴＰの単結晶の他、ＬｉＮｂＯ３やＫＴＰの軸方位を周期的に反転させたＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｐｏｌｅｄ ＬＮ）、ＰＰＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｐｏｌｅｄ ＫＴＰ）、さらに、ＰＰＬＮにマグネシウム（Ｍｇ）をドープしたＭｇＰＰＬＮが用いられる。
単結晶の場合、非線形材料への入射角度（位相整合角）と温度により位相整合の調整を行い、ＰＰＬＮ、ＭｇＰＰＬＮ、ＰＰＫＴＰでは、反転周期と温度により位相整合の調整を行う。軸方位を周期的に反転させた非線形材料を用いたＯＰＡでは、結晶へのレーザ光の入射角度に対する許容度が大きく、安定性の高いＯＰＡが可能である。さらに、ＰＰＬＮは非線形効果が大きい。
しかし、一般的なＰＰＬＮは、光による損傷（フォトリフラクティブダメージ）に弱く、損傷を防ぐため温度を高温に保つ必要がある。ＭｇＰＰＬＮは、非線形効果はＰＰＬＮと同等であり、さらに、光による損傷に強く、常温によるＯＰＡが可能であるため、非線形材料として、ＭｇＰＰＬＮを用いる事が望ましい。
また、励起光源６２として用いるレーザ装置には、Ｎｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＬＦ、Ｎｄ：ＹＶＯ４、Ｙｂ：ＹＡＧなどの１μｍ帯の波長で発振するレーザ媒質をＱスイッチ動作させることにより実現可能である。これらのレーザ媒質は、Ｅｒ、Ｙｂ：Ｇｌａｓｓなどの１．４μｍ以上で発振するレーザ媒質に比べて利得が高く、高効率に励起光を発生させる事ができる。また、利得が高いため、アライメントずれ等で発生する共振器損失増加の影響が小さく、高い信頼性を実現する事ができる。
次に動作について説明する。コリメート光学系６１より略平行光として出力された送信光は、ダイクロイックミラー６３により、励起光源６２より出力された励起光と合波され、第１の非線形材料６４に入射される。第１の非線形材料６４では、励起光のパワーが送信光に移譲し、送信光が増幅され、アイドラ光が発生する。第１の非線形材料６４を出力された送信光、励起光は、第１の分離ミラー６５でアイドラ光と分離されて、第２の非線形材料６６に入射する。送信光は、第２の非線形材料６６でさらに増幅されて出力される。第２の非線形材料６６を出射した送信光は、第２の分離ミラー６７により、励起光、および、アイドラ光と分離されて、送受信光分離装置３９に出射される。
ここで、図４に、非線形材料としてＭｇＰＰＬＮを用いた時の、励起光から送信光へのパワーの変換効率と、非線形材料の結晶長の関係を示す。実線は一つのＭｇＰＰＬＮで結晶長を変えた場合の変換効率、破線は１個目の非線形材料において最大の変換効率が得られる長さでアイドラ光を除去した後、再度、非線形材料に入射した場合の変換効率を示す。
非線形材料が１個の場合、結晶長を長くすると、送信光とアイドラ光が再び励起光波長に変換される逆変換が発生し、送信光のパワーは低下する。一方、途中でアイドラ光を除去し、再度、非線形結晶に入射すると、逆変換が抑制され、高い変換効率が得られる。なお、前記の構成では、非線形材料が２個の場合を示したが、３個以上を配置して、それぞれの非線形材料の間に、アイドラ光を除去する分離ミラーを入れても良い。なお、第１の分離ミラー６５、および、第２の分離ミラー６７は、透過特性と反射特性が反対のものを用いても同様の効果が得られることは明かである。
このような複数個の非線形材料を用いて途中でアイドラ光を除去するＯＰＡ構成では、送信光とアイドラ光の、励起光への逆変換を抑制できるので、送信光の増幅率が高い空間型光増幅器を得る事ができる。
ここで、送信光が単一周波数で、励起光が単一周波数でない（波長λｐ１、λｐ２．．．）の場合、エネルギー保存則より、１／λｐ１＝１／λｓ＋１／λｉ１、１／λｐ２＝１／λｓ＋１／λｉ２．．．の関係が成立し、複数波長のアイドラ光が発生する。この時、例えば１／λｐ１＝１／λｓ’＋１／λｉ２を満たす波長が位相整合条件を満足すると、波長λｓ’の信号光が発生する。同様の組合せは多数存在するため、送信光に波長の異なる信号光が重畳されてしまう。波長の異なる信号光が発生した場合、送信光の増幅率が低下するとともに、送信光と波長が近い信号光は、光検出器におけるヘテロダイン検波の際に雑音を発生させ、装置の特性を劣化させる。従って、励起光源６２を単一周波数化することが望ましい。
励起光源６２を単一周波数化するには、インジェクションシーディング法と共振器長制御を用いてローカル光とレーザ発振波長を一致させる方法や、共振器内にエタロンを設置し発振波長を制限する方法などがある。ＯＰＡの励起光源の場合、ローカル光と波長を一致させる必要は無く、単一周波数発振が得られれば良い事から、装置構成の単純なエタロンを用いることで実現可能である。
このように、励起光源を単一周波数化すれば、送信光の増幅率を向上させるとともに、光検出器におけるヘテロダイン検波の際に雑音を発生させず、信頼性の高い空間型光増幅器を構成する事ができる。
実施の形態３．
ＯＰＡでは、励起光、および、送信光が共にパルスであり、図５に示すように、結晶内で励起光（図５（ｂ）参照）と送信光（図５（ａ）参照）が時間的に重なっている場合のみ、送信光は増幅される（図５（ｃ）参照）。送信光は、ＣＷ出力のレーザ光源を光変調器によりパルス化しているため、パルスのタイミングのばらつき（パルスジッタ）は電気回路の特性による。一方、励起光源に固体レーザを使用し、Ｑスイッチ動作を行った場合、温度環境や励起状態の変化などにより、送信光に比べて大きなパルスジッタが発生する。従って、送信光と励起光のパルス幅を同じ程度にすると、パルスジッタによる励起光のタイミングのずれにより増幅率が低下、または、全く増幅されない場合が発生する。
この実施の形態３では、このような問題を解決する方法について述べる。図６は、この発明の実施の形態３による、送信光と励起光のパルス幅の関係を示した図である。図６（ａ）は送信光のパルス時間波形、図６（ｂ）は励起光のパルス時間波形を示している。送信光のパルス幅は、励起光のパルスジッタと同等か、または、パルスジッタに比べて広くなっており、励起光にパルスジッタが発生した場合でも、励起光は送信光と時間的な重なりが存在する。
このように構成すれば、励起光にパルスジッタが発生した場合でも、増幅率の劣化が抑制され、効率の高い空間型光増幅器を構成することができる。
なお、空間型光増幅器において増幅された送信光のパルス形状は、主に、励起光のパルス形状で決まるため、送信光に励起光のパルスジッタが発生することになる。このパルスジッタは、実施の形態１で示したように、図１においてパルスモニタ４５より得られるサンプリングスタート信号により、受信光のビート信号のＡ／Ｄサンプリングを開始するようにすれば、パルスジッタによる計測誤差は発生しない。
実施の形態４．
前記実施の形態３においては、送信光のパルス幅を励起光のパルス幅に比べて長く設定しているが、図７に示すように、励起光（図７（ｂ）参照）のパルス幅を送信光（図７（ａ）参照）のパルス幅に比べて長く設定して、増幅後の送信光（図７（ｃ）参照）を得ても良い。
このように設定すれば、送信光のパルス形状は、主に、空間型光増幅器入射前の送信光のパルス形状で決まる。コヒーレントライダの空間分解能は送信光のパルス幅に比例し、風速測定精度はパルス幅の逆数に比例するため、空間分解能が要求される測定では送信光のパルス幅を短く、風速測定精度が要求される測定では送信光のパルス幅を長くするなど、コリメート光学系６１からの送信光のパルス幅を可変にしてさまざまな要求に応じた測定が可能となる。
以上のように、この発明によれば、高い信頼性と送信光の高出力化を実現したコヒーレントレーザレーダ装置を得ることができる。
Claims (10)
- 直線偏光したレーザ光を発振するレーザ光源と、
前記レーザ光源からのレーザ光をローカル光と送信光とに二分岐する偏波保存型の光学素子である第１の光カプラと、
前記第１の光カプラから分岐された送信光を変調する偏波保存型の光学素子である光変調器と、
前記光変調器から出力された送信光を空間伝搬により増幅する空間型光増幅器と、
前記空間型光増幅器により増幅された送信光を目標に向けて照射すると共に、前記目標からの散乱光を受光する送受光学系と、
前記空間型光増幅器により増幅された送信光と前記目標から散乱された受信光とを分離する送受信光分離装置と、
前記第１の光カプラより分岐されたローカル光と前記送受信光分離装置より分離された受信光とを混合する偏波保存型の光学素子である第２の光カプラと、
前記第２の光カプラからの混合光をヘテロダイン検波して受信光のビート信号を出力する光検出器と、
前記光検出器より出力されたビート信号を増幅するビート信号増幅器と、
前記ビート信号増幅器により増幅された信号を信号処理する信号処理装置と、
前記信号処理装置で信号処理された結果を表示する表示装置と
を備え、
前記レーザ光源から前記第１の光カプラを経て前記空間型光増幅器までの光路、前記送受光分離装置から第２の光カプラを経て光検出器までの光路、および、前記第１の光カプラから前記第２の光カプラまでの光路を、偏波保存型シングルモード光ファイバで接続した
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記光変調器から出力された送信光の偏光を偏波モニタ出力が最小となるように調整する偏波制御器と、
前記偏波制御器から出力された送信光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器により増幅された送信光を直交した二つの直線偏光成分に分離する偏波分離カプラと、
前記偏波分離カプラで分離された一方の偏光成分をモニタして前記偏波制御器に偏波モニタ出力を送出する偏波モニタと
をさらに備え、
前記空間型光増幅器は、前記偏波分離カプラで分離された他方の偏光成分を、送信光として空間伝搬により増幅し、
前記第１の光カプラから前記空間型光増幅器までの光路中の前記光変調器から前記偏波制御器を経て前記光ファイバ増幅器までの光路をシングルモード光ファイバで接続した
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記光検出器の出力を、前記送受光学系の内部散乱が発生している時間と目標からの散乱光を受信している時間とで切り替えるスイッチと、
前記スイッチを介して得られた内部散乱による信号をモニタしスタート信号を出力するパルスモニタと
をさらに備え、
前記ビート信号増幅器は、前記スイッチを介して得られた受信光のビート信号を増幅し、
前記信号処理装置は、前記ビート信号増幅器により増幅されたビート信号の取り込みを、前記パルスモニタより得られたスタート信号に基づいて開始する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記光変調器から出力された送信光の偏光を偏波モニタ出力が最小となるように調整する偏波制御器と、
前記偏波制御器から出力された送信光を増幅する光ファイバ増幅器と、
前記光ファイバ増幅器により増幅された送信光を直交した二つの直線偏光成分に分離する偏波分離カプラと、
前記偏波分離カプラで分離された一方の偏光成分をモニタして前記偏波制御器に偏波モニタ出力を送出する偏波モニタと
をさらに備え、
前記空間型光増幅器は、前記偏波分離カプラで分離された他方の偏光成分を、送信光として空間伝搬により増幅し、
前記第１の光カプラから前記空間型光増幅器までの光路中の前記光変調器から前記偏波制御器を経て前記光ファイバ増幅器までの光路をシングルモード光ファイバで接続すると共に、
前記光検出器の出力を、前記送受光学系の内部散乱が発生している時間と目標からの散乱光を受信している時間とで切り替えるスイッチと、
前記スイッチを介して得られた内部散乱による信号をモニタしスタート信号を出力するパルスモニタと
をさらに備え、
前記ビート信号増幅器は、前記スイッチを介して得られた受信光のビート信号を増幅し、
前記信号処理装置は、前記ビート信号増幅器により増幅されたビート信号の取り込みを、前記パルスモニタより得られたスタート信号に基づいて開始する
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項１ないし４のいずれか１項に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記空間型光増幅器は、
前記偏波保存型シングルモードファイバより出力される送信光をコリメートするコリメート光学系と、
パルス状の励起光を出力する励起光源と、
前記コリメート光学系より出力された送信光と前記励起光源より出力された励起光とを合波するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより合波された送信光と励起光との入射を受けて、励起光のパワーを送信光のパワーに変換して送信光を増幅するＯｐｔｉｃａｌ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ（ＯＰＡ）機能を有する非線型材料と
を備えたことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項５に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記空間型光増幅器は、前記非線型材料として、二個以上の非線型材料を有すると共に、それぞれの非線型材料の間でアイドラ光を除去する分離ミラーをさらに備えた
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項５に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記非線型材料として、マグネシウム添加のＰｅｒｉｏｄｉｃ Ｐｏｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３（ＭｇＰＰＬＮ）を用いた
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項５に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記コリメート光学系からの送信光のパルス幅を、前記励起光源からの励起光のパルス幅よりも長くした
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項５に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記コリメート光学系からの送信光のパルス幅を、前記励起光源からの励起光のパルス幅よりも短くした
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。 - 請求項９に記載のコヒーレントレーザレーダ装置において、
前記コリメート光学系からの送信光のパルス幅を可変とした
ことを特徴とするコヒーレントレーザレーダ装置。
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