(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動している物体にレーザビームを当て、ドップラー効果により変化した上記レーザビームの周波数に応じて上記物体の速度を測定するレーザドップラー速度計において、
上記レーザビームを少なくとも一つの入力端から少なくとも一対の出力端に導波させる分岐型光導波路を結晶基板に形成してなり、かつ上記分岐型光導波路の上記入力端から分岐部までの直線部分と平行となる上記分岐部から一方の出力端にかけての直線部分に、一対の金属電極からなる光変調器を形成してなる光導波路素子と、
上記分岐型光導波路の一方の出力端から出射された上記光変調器による変調レーザビームと上記分岐型光導波路の他方の出力端から出射された非変調レーザビームとを干渉させるために上記光導波路素子の外部に設けた光学系と、
上記光学系による干渉で得られた信号から周波数差を検出する検出手段とを備え、
上記光学系は、上記変調レーザビーム又は上記非変調レーザビームを上記物体に照射すると共に上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームを参照用にするためにその光路を折り曲げるレンズと、
上記レンズによって光路が折り曲げられた参照用の上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームを反射するミラーと、
上記レンズによって上記物体に照射された上記変調レーザビーム又は上記非変調レーザビームの当該物体からの反射ビームと上記ミラーによって反射された参照用の上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームの参照用反射ビームとを干渉させるためのビームスプリッタとを
有することを特徴とするレーザドップラー速度計。
【請求項２】
上記分岐型光導波路の分岐部上に金属被覆部を形成してなることを特徴とする請求項１記載のレーザドップラー速度計。
【請求項３】
上記光学系はさらに偏光板を有し、上記ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１記載のレーザドップラー速度計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、振動している物体にレーザビームを当て、ドップラー効果により変化した上記レーザビームの周波数に応じて上記物体の速度を測定するレーザドップラー速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動している被測定物のもつ速度を測定する装置としては、ドップラ効果を応用したドップラー速度計が使われてきた。振動現象を含めて動くものすべてには、必ず速度がある。このため速度をもった物体に一定の周波数をもった音や光を当てると、測定媒体のもつ周波数が変化する。これはドップラーシフトと呼ばれ、この周波数のシフト分から相手の速度を割り出すことができる。
【０００３】
ドップラー速度計のうち、単一の波をもった光であるレーザビームを使用して物体の微小な振動の速度を測定するのがレーザドップラー速度計である。すなわち、レーザドップラー速度計は、振動している物体にレーザビームを照射し、ドップラー現象により変化した周波数を利用して振動している物体の速度を測定する。このレーザドップラー速度計では、物体の振動現象の方向性も検出するために光を変調する必要がある。
【０００４】
図８にレーザドップラー速度計３０の概略構成をレーザビームの波形と共に示す。先ず、極めて高い周波数を持つレーザビームＬ０は、偏向ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１により２方向に分けられる。その内の一つは、ＰＢＳ３２と、１／４波長板３３を透過して、被測定物である振動物体３４に照射される。振動物体３４で反射した戻り光Ｌ１は、ドップラー効果により、振動物体３４の速度に比例した周波数偏移を受けている。戻り光Ｌ１は再び１／４波長板３３を通過し、ＰＢＳ３２に入射する。ここで、戻り光Ｌ１は１／４波長板３３により偏光方向が９０゜回転されているので、ＰＢＳ３２により反射される。
【０００５】
ＰＢＳ３１で２つに分けられた他方は、変調部３５により変調を受けて、変調レーザビームＬ２となり、ＰＢＳ３６に入射する。変調レーザビームＬ２とミラー３７で反射された上記戻り光Ｌ１は、偏光板３８を通過して、同じ偏光成分が干渉し、ビート信号Ｌ３が発生する。このビート信号Ｌ３を例えばフォトディテクタのような光検出器３９で検出して電気信号に変換してから、復調器４０で復調し、復調速度信号Ｓ０を得る。
【０００６】
このレーザドップラー速度計３０は、変調部３５として、光波が伝搬する媒質内に弾性波である音響波を用いて歪を発生させ、その歪により生じた屈折率変化を利用して光を変調する音響光学変調器を用いたバルク型波長変換素子を用いている。
【０００７】
このレーザドップラー速度計３０の動作原理を説明する。レーザ光源より出射された周波数ｆ０のレーザビームＬ０は、ＰＢＳ３１を介して振動物体３４への入射ビーム系と、機器内部で戻される参照ビーム系の２系統に分割される。入射ビーム系側に進んだレーザビームＬ０は、さらにＰＢＳ３２を介して振動物体３４に照射され、振動物体３４の持つ速度に応じてドップラーシフトを起こした戻り光Ｌ１となり、１／４波長板３３、ＰＢＳ３２を介してミラー３７に供給される。ここで、シフト周波数をｆＤとすると、ドップラーシフトはｆ０±ｆＤとなる。一方、参照ビーム系側に進んだレーザビームＬ０は、レーザビームそのものの持つ周波数ｆ０が極めて高く直接測定が困難なことから、検出しやすいように変調部３５を介して周波数がｆ０±ｆＭと変調され変調レーザビームＬ２となる。
【０００８】
振動物体３４に当たって反射してきた戻り光Ｌ１は、ドップラーシフトを起こしているので、参照光となる上記変調レーザビームＬ２と干渉させると、ｆＭ±ｆＤのビート周波数のビート信号Ｌ３が発生するため、ドップラー周波数の正負すなわち往復運動である振動速度と振動方向が判別できる。
【０００９】
ビート信号Ｌ３は、さらに光検出器３９でドップラーシフトした周波数分（ｆＤ）だけ取り出され、復調器４０でＦＭ復調されて振動物体の振動速度に応じた電気信号とされた後、電圧出力として出力される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記バルク型波長変換素子は、音響光学変調器を用いているため高価であり、小型化も困難であった。このため、上記レーザドップラー速度計３０は、高価であり、大型化してしまっていた。
【００１１】
そこで、結晶中に結晶よりも屈折率の大きい光導波路を作製し、そのなかに光波を閉じこめ、該光導波路近傍に形成された一対の金属薄膜電極からなる電気光学変調器を用いて該光導波路に電界を印加し、屈折率を変化させて光を変調する光導波路型波長変換素子（以下、光導波路素子という。）を変調部３５に用いることが考えられる。光導波路と一対の金属薄膜電極は、フォトリソグラフィーにより作製できるため、安価で小型化が可能なためである。
【００１２】
しかし、それでも光学部品の個数が多いため、低価格、小型化を実現することは困難であった。
【００１３】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、光学部品を減少させ、低価格、小型化を実現できるレーザドップラー速度計の提供を目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザドップラー速度計は、上記課題を解決するために、レーザビームを少なくとも一つの入力端から少なくとも一対の出力端に導波させる分岐型光導波路を結晶基板に形成してなり、かつ上記分岐型光導波路の上記入力端から分岐部までの直線部分と平行となる上記分岐部から一方の出力端にかけての直線部分に、一対の金属電極からなる光変調器を形成してなる光導波路素子と、上記分岐型光導波路の一方の出力端から出射された上記光変調器による変調レーザビームと上記分岐型光導波路の他方の出力端から出射された非変調レーザビームとを干渉させるために上記光導波路素子の外部に設けた光学系と、上記光学系による干渉で得られた信号から周波数差を検出する検出手段とを備えている。
【００１５】
上記光学系は、上記変調レーザビーム又は上記非変調レーザビームを上記物体に照射すると共に上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームを参照用にするためにその光路を折り曲げるレンズと、上記レンズによって光路が折り曲げられた参照用の上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームを反射するミラーと、上記レンズによって上記物体に照射された上記変調レーザビーム又は上記非変調レーザビームの当該物体からの反射ビームと上記ミラーによって反射された参照用の上記非変調レーザビーム又は上記変調レーザビームの参照用反射ビームとを干渉させるためのビームスプリッタとを有する。
【００１６】
また、本発明のレーザドップラー速度計は、分岐型光導波路の分岐部上に金属被覆部を形成してなることが好ましい。また、上記光学系はさらに偏光板を有し、上記ビームスプリッタが偏光ビームスプリッタであることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザドップラー速度計の実施の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、図１に示すように、振動している物体９にレーザビームＬ１を当て、ドップラー効果により変化した上記レーザビームの周波数に応じて上記物体９の速度を測定する図１に示すようなレーザドップラー速度計１である。
【００１８】
このレーザドップラー速度計１は、レーザ光源から出射されたレーザビームＬ０を入力端３ａから一対の出力端３ｃ及び３ｄに導波させるＹ字分岐型光導波路３を形成してなる光導波路素子２と、Ｙ字分岐型光導波路３の一方の出力端３ｃからのレーザビームＬ１を物体９に照射すると共に、その反射レーザビームＬ３と他方の出力端３ｄからのレーザビームＬ２とを干渉させる光学系５と、この光学系５で干渉させられたレーザビームから周波数差を検出する光検出器１２とを備えて成る。光検出器１２は、周波数差を電気信号に変換してから復調器１３に供給する。復調器１３は、上記電気信号を復調し、復調速度信号Ｓ０を出力する。
【００１９】
光学系５は、レンズ６と、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳという。）７と、１／４波長板８と、ミラー１０と、偏光板１１からなる。
【００２０】
光導波路素子２は、図２に示すように、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下ＬＮという。）よりなる結晶基板に例えばチタン（Ｔｉ）を熱拡散して一つの入力端３ａと一対の出力端３ｃ及び３ｄを持つＹ字分岐型光導波路３を形成し、このＹ字分岐型光導波路３を挟み込むように結晶基板表面に例えば一対のアルミニウム（Ａｌ）薄膜電極よりなる光変調器４を設けてなる。
【００２１】
ここで、上記光導波路素子２における光導波路３の形成工程について図３を参照しながら説明する。先ず、図３の（ａ）に示す結晶基板２０上に液状レジストをスピンコーディングし、熱乾燥させて図３の（ｂ）に示すようにレジスト膜２１を形成する。このレジスト膜２１に図３の（ｃ）に示すようにフォトマスク２２を通して光Ｌを照射する。フォトマスク２２を通して光Ｌが照射されたレジスト膜２１を現像すると、図３の（ｄ）に示すようなレジストパターンが得られる。このレジストパターンの全面に蒸着法により図３の（ｅ）に示すようにＴｉ膜２３を形成する。レジストパターンの全面に形成されたＴｉ膜２３は、レジスト膜２１上のＴｉ膜２３がリフトオフ法により剥離されることにより、図３の（ｆ）に示すようにＴｉパターン２３’として所望の位置のみに残る。そして、最後にＴｉパターン２３’を１０００℃以上の温度で数時間熱拡散することによりＴｉ拡散された光導波路３を形成することができる。
【００２２】
次に、光変調器４の形成工程について図４を参照しながら説明する。先ず、図４の（ａ）に示すようにＹ字分岐型光導波路３が形成された結晶基板２０上に液状レジストをスピンコーディングし、熱乾燥させて図４の（ｂ）に示すようにレジスト膜２４を形成する。このレジスト膜２４に図４の（ｃ）に示すようにフォトマクス２５を通して光Ｌを照射する。フォトマスク２５を通して光Ｌが照射されたレジスト膜２４を現像すると、図４の（ｄ）に示すようなレジストパターンが得られる。このレジストパターンの全面に蒸着法により図４の（ｅ）に示すようにＡｌ膜２５を形成する。レジストパターンの全面に形成されたＡｌ膜２５は、レジスト膜２４上のＡｌ膜２５がリフトオフ法により剥離されることにより、図４の（ｆ）に示すようにＡｌパターン２５’として所望の位置のみに残る。ここでは、光導波路３の一方（出力端３ｃ側）を挟み込むような位置にＡｌパターン２５’を残して光変調器４を形成している。すなわち、一対のＡｌ薄膜電極よりなる光変調器４は、Ｙ字分岐型光導波路３の分岐部３ｂから一方の出力端３ｃにかけての光導波路の入力端３ａから分岐部３ｂまでの分岐前の光導波路部分と平行な直線部分に、該直線部分の光導波路を挟み込むように形成されている。
【００２３】
先ず、レーザ光源から出射された極めて高い周波数を持つレーザビームＬ０は、Ｙ字分岐型光導波路３の入力端３ａから入射し、分岐部３ｂで分岐され、一方の出力端３ｃ及び他方の出力端３ｄに導波される。一方の出力端３ｃ側には、上述したような一対のＡｌ薄膜電極よりなる光変調器４が形成されているので、出力端子３ｃからは変調レーザビームＬ１が出射される。他方の出力端３ｄからは変調されないレーザビームＬ２が出射される。
【００２４】
上記変調レーザビームＬ１は、レンズ６、ＰＢＳ７及び１／４波長板８を透過し、振動物体９に照射される。振動物体９からの反射レーザビームＬ３は、ドップラー効果により、振動物体の速度に比例した周波数偏移を受けている。この反射レーザビームＬ３は、１／４波長板８で偏光方向が９０゜回転されるので、ＰＢＳ７により反射される。
【００２５】
上記レーザビームＬ２は、レンズ６により光路を曲げられ、ミラー１０で反射され、ＰＢＳ７を透過する。
【００２６】
偏光板１１を通過した上記反射レーザビームＬ３と上記レーザビームＬ２は、同偏光成分が干渉する。そして、ビート信号Ｌ４が発生する。このビート信号Ｌ４をフォトディテクタのような光検出器１２で検出して電気信号に変換してから、復調器１３で復調し、復調速度信号Ｓ０を得ることができる。
【００２７】
なお、ここでは、Ｙ字分岐型光導波路３の一方の出力端３ｃから出力された変調レーザビームを被測定物９に照射し、他方の出力端３ｄから出力されたレーザビームをミラー１０を介して参照光としたが、レンズ６の機能を変え、変調レーザビームの光路を折り曲げてミラー１０に照射して参照光とし、出力端３ｄから出力されたレーザビームを被測定物９に照射してもよい。
【００２８】
以上より、本実施の形態となるレーザドップラー速度計１は、レーザビームを少なくとも一つの入力端３ａから少なくとも一対の出力端３ｃ及び３ｄに導波させるＹ字分岐型光導波路３の一方の出力端３ｃからのレーザビームを被測定物９に照射すると共に、その反射レーザビームと他方の出力端３ｄからのレーザビームを干渉させ、この干渉させられたレーザビームから周波数差を検出しているので、光学部品を減少させ、低価格、小型化を実現できる。
【００２９】
なお、上記実施の形態では、入力１チャンネル、出力２チャンネルのＹ字分岐型光導波路３を形成した光導波路素子２を用いたが、光導波路素子としては、入力チャンネル数及び出力チャンネル数を増やしてもよい。例えば、図５に１チャンネル入力で４チャンネル出力の光導波路３１を形成した光導波路素子３０を示す。入力端３１ａから入射したレーザビームは、分岐部３１ｂで分岐され、さらに分岐部３１ｃ及び３１ｄで分岐された後、出力端３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ及び３１ｈから出力される。分岐部３１ｃと出力端３１ｅの間の光導波路には、該光導波路を挟み込むように一対のＡｌ薄膜電極からなる光変調器３２が形成されている。また、分岐部３１ｄと出力端３１ｇの間の光導波路には、該光導波路を挟み込むように一対のＡｌ薄膜電極からなる光変調器３３が形成されている。この光導波路素子３０を上述したようなレーザドップラー速度計に適用すれば、二つの被測定物の速度を計測することが可能となる。
【００３０】
ところで、上記レーザドップラー速度計１では、光の干渉性を良くするために例えばＹ字分岐型光導波路３に入射させるレーザビームを単一の偏光成分を持つレーザビームとしている。光導波路素子２の場合、用いているレーザビームの偏光成分は結晶基板の表面と平行なＴＥモードとなる。したがって、結晶基板の厚さ方向に偏光しているＴＭモードは不要光となる。このような不要光が存在するとそれらが干渉してしまい、不要干渉光が発生する。不要干渉光はレーザドップラー速度計１で復調する光に含まれるので、復調して得られる速度信号を制限し、レーザドップラー速度計１の性能を劣化させる。しかし、上述したようなＹ字分岐型光導波路３では単一な偏光をもつ光を光導波路に入射しても出力光には偏光が変わった不要光が含まれてしまう。例えば、ＴＥモードを入射した場合の直線導波路と分岐型光導波路でのＴＥモードとＴＭモードの消光比の差は約１０ｄＢ位になってしまう。
【００３１】
そこで、本発明に係るレーザドップラー速度計では、Ｙ字分岐型光導波路３上に金属被覆（金属クラッディング）を形成し不要な偏光成分を持つ光を減衰させるような図６に示す光導波路素子４０を用いてもよい。
【００３２】
この光導波路素子４０は、例えばＬＮよりなる結晶基板に例えばＴｉを熱拡散して一つの入力端３ａと一対の出力端３ｃ及び３ｄを持つＹ字分岐型光導波路３を形成し、このＹ字分岐型光導波路３を挟み込むように結晶基板表面に例えば一対のＡｌ薄膜電極よりなる光変調器４を設け、さらにＹ字分岐型光導波路３の分岐部３ｂ上にＡｌよりなる金属クラッディング４１を装荷している。
【００３３】
一般に、光波長領域では、金属中における電荷の慣性効果によって、金属は誘電率が負でかつ損失の大きい誘電体としてふるまうので、光波は金属クラッディング４１により伝搬損失を受ける。ＴＭモードはＴＥモードよりもより深く電磁界分布が金属中に浸透するので、より多く金属クラッディング４１の影響を受け、伝搬損失が大きくなる。例えば、Ａｌの金属クラッディング４１を装荷しない場合のＴＥモードとＴＭモードの消光比は１２ｄＢ程度であるが、Ａｌの金属クラッディング４１を装荷した場合の消光比は１７ｄＢ程度となり、Ａｌの金属クラッディング４１により不要な偏光成分を持つ光を減衰できることが分かる。
【００３４】
この金属クラッディング４１の形成工程について図７を参照しながら説明する。先ず、図７の（ａ）に示すようにＹ字分岐型光導波路３が形成された結晶基板２０上に液状レジストをスピンコーディングし、熱乾燥させて図７の（ｂ）に示すようにレジスト膜４２を形成する。このレジスト膜４２に図７の（ｃ）に示すようにフォトマスス４３を通して光Ｌを照射する。フォトマスク４３を通して光Ｌが照射されたレジスト膜４２を現像すると、図７の（ｄ）に示すようなレジストパターンが得られる。このレジストパターンの全面に蒸着法により図７の（ｅ）に示すようにＡｌ膜４４を形成する。レジストパターンの全面に形成されたＡｌ膜４４は、レジスト膜４２上のＡｌ膜４４がリフトオフ法により剥離されることにより、図７の（ｆ）に示すようにＡｌパターン４４’として所望の位置のみに残る。このＡｌパターン４４’が金属クラッディング４１となる。なお、この金属クラッディング４１は、Ａｌ以外に、Ｎｉ、Ｃｕなどを用いて作製してもよい。
【００３５】
また、Ｙ字分岐型光導波路３は、Ｔｉを熱拡散して形成したが、Ｎｉ、Ｃｕを熱拡散して形成してもよい。
【００３６】
また、熱拡散法によりＹ字分岐型光導波路３を作製する以外にも、加熱した安息香酸溶液中にＬＮを浸してＬｉ＋→Ｈ＋の交換を起こし高屈折率層を形成し光導波路を得るプロトン交換法や、イオン交換法やイオン注入法などを用いて光導波路を作製してもよい。
【００３７】
また、結晶基板２０にＬＮを用いたが、ＬＮ以外にリチウム酸タンタル（ＬｉＴａＯ２）やＫＴｉＯＰＯ４を用いてもよい。
【００３８】
また、光変調器４をＡｌで作製しているが、Ａｌ以外にＴｉ−ＡｕやＣｒ−Ａｕなどを用いて作製してもよい。
【００３９】
また、Ｙ字分岐型光導波路３、光変調器４及び金属クラッディング４１の金属パターンの堆積を蒸着法により作製しているが、蒸着法以外にスパッタリング法を用いて作製してもよい。
【００４０】
また、Ｙ字分岐型光導波路３、光変調器４及び金属クラッディング４１の金属パターンの形成をリフトオフ法により作製しているが、リフトオフ法以外にエッチング法を用いて作製してもよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明に係るレーザドップラー速度計は、レーザビームを少なくとも一つの入力端から少なくとも一対の出力端に導波させる分岐型光導波路の一方の出力端からのレーザビームを物体に照射すると共に、その反射レーザビームと他方の出力端からのレーザビームを干渉させ、この干渉させた信号から周波数差を検出しているので光学部品を減少させ、低価格、小型化を実現できる。
【００４２】
また、分岐型光導波路の分岐部上に金属被覆部を装荷することにより、光導波路素子の不要光を減衰させることができ、レーザドップラー速度計の性能の劣化を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザドップラー速度計の実施の形態の概略構成図である。
【図２】上記実施の形態で使われる光導波路素子の模式図である。
【図３】上記光導波路素子で使われるＹ字分岐型光導波路の形成工程図である。
【図４】上記光導波路素子で使われる光変調器の形成工程図である。
【図５】上記光導波路素子の変形例の模式図である。
【図６】金属クラッディングを形成した光導波路素子の模式図である。
【図７】上記金属クラッディグの形成工程図である。
【図８】従来のレーザドップラー速度計の概略構成図である。
【符号の説明】
１  レーザドップラー速度計
２  光導波路素子
３  Ｙ字分岐型光導波路
４  光変調器
５  光学系
１２  光検出器
１３  復調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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