JP2004226093A - Laser vibrometer - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser vibrometer capable of attaining actual time vibration measurement of a measuring object without adjustment, with ultra-high sensitivity, and without requiring at all a device for extracting a vibration signal such as an optical interferometer. <P>SOLUTION: This laser vibrometer is equipped with a photodetector, a frequency modulated wave demodulator and a signal processing device for allowing a part of output light emitted from a laser oscillator to pass a light frequency shifter and to enter the measuring object, and measuring vibration of the measuring object from a modulated waveform of a laser output induced by interference between return light from the measuring object and the output light. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、光干渉計及び超高感度検波器を使用することなく、被測定物の振動を実時間で、かつ極めて高い感度で測定することのできる、簡便・小型なレーザ振動計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ振動計は、基本的に、図１のようにレーザ発振器から出力されるレーザ光を被測定物に入射させ、該被測定物の振動に応じてドップラーシフトした散乱光と前記レーザ出力光をマイケルソン干渉計などの光干渉計を用いて干渉させ、干渉縞の時間変化やビート信号を測定することにより、被測定物の振動を計測する方法が採られている。
【０００３】
しかしながら、このタイプのレーザ振動計では、レーザ出力光と極微弱な散乱光との波面を整合させるために、高精度・高安定に調整できる光干渉計が不可欠であり、また、超高感度の光検出器とヘテロダイン検波器を必要とするため、振動計として大型で、極めて高価なものになるという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記の光干渉計など振動信号を抽出する装置を一切必要とせずに、被測定物の実時間振動計測を無調整且つ超高感度で達成することのできるレーザ振動計を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明のレーザ振動計により解決することができる。すなわち、レーザ発振器から出射する出力光の一部を光周波数シフターを通過させた後、被測定物に入射させ、被測定物からの戻り光と前記出力光との干渉により誘起されるレーザ出力の変調波形を、光検出器、周波数変調波復調器および信号処理装置で処理することにより、被測定物の振動を計測するレーザ振動計である。この発明は請求項１に記載されている。
【０００６】
上記のレーザ振動計において、被測定物からの戻り光は、レーザ発振器の発振軸方向に無調整で帰還される。この帰還光は、光周波数シフターによる１パス当たりの周波数シフト量の２倍の周波数をキャリア周波数ｆ_ｃとして、被測定物受光面の振動に伴うドップラー効果による周波数変調を受けている。この帰還光のコヒーレント電界成分は、レーザ発振器から出射した発振出力光電界と干渉する。その結果、発振出力光電界の周波数と周波数変調された帰還光電界の差の周波数で干渉縞の明部と暗部が交互にレーザ出力鏡に現れる。従って、出力鏡の透過率、すなわちレーザ発振器の損失が上記差の周波数で等価的に変調され、レーザ出力はｆ_ｃをキャリア周波数とする周波数変調波の形の強度変調を受けることになる（Ｋ． Ｏｔｓｕｋａ， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ＱＥ−１５， ６５５ （１９７９））。
【０００７】
この変調された発振光を光検出器で検出して電気信号に変換し、この電気信号を周波数変調波復調器で検波し、振動振幅を信号処理装置で実時間で表示・記録する。振動振幅Ａ_ｖ（ｔ）は、レーザの発振波長をλ、周波数ｆ_ｃのキャリア波と変調波の位相差をΔφ（ｔ）とすると、
Ａ_ｖ（ｔ） ＝ λΔφ（ｔ）
で与えられる。従って、通常のＦＭ受信機と同様に、周波数変調波復調器で位相差を検出することにより、振動振幅変化Ａ_ｖ（ｔ）を実時間にて測定することができる。
【０００８】
ここで、従来、自己光混合変調がレーザの飽和効果などレーザの非線形性に基づくものとする間違った理解があることを指摘しておきたい。レーザは、符号に依らず差周波数で変調を受けるため、光周波数シフターによる周波数オフセットの付与は、振動振幅、振動方向の検出に不可欠な要素である。光周波数シフターを用いない場合、変位を求めるには、変調信号の最大値あるいは最小値の交番回数を電子カウンタなどで計数する必要があり、自己光混合変調効果の特徴を奏することができず、実時間計測は達成されない。
【発明の実施の形態】
【０００９】
第１の実施形態は、上記のレーザ振動計において、レーザ発振器からの出力光を光ファイバーを介して被測定物に入射させるというものである。これにより、レーザ光を被測定物に直接入射させることができない場合にも円滑に対応することができる。この発明は請求項２に記載されている。
【００１０】
第２の実施形態は、上記のレーザ振動計において、レーザ発振器からの出力光を多数に分岐し、それぞれを異なる被測定物や３次元被測定物の異なる場所に入射させ、多数の被測定物や３次元被測定物からの多数の戻り光を前記レーザ発振器に帰還させるというものである。これにより、多数の被測定物や３次元被測定物の振動計測を単一のレーザ発振器を用いて行なうことができる。この発明は請求項３に記載されている。
【００１１】
第３の実施形態は、上記のレーザ振動計において、光周波数シフターでの周波数シフト量をレーザ固有の緩和振動周波数に一致させ、共鳴させるというものである。これにより光感度の更なる向上を達成することができる。この発明は請求項４に記載されている。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明に係わるレーザ振動計の各実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。
【００１３】
（第１実施例）
図２は、本発明の第１実施例のレーザ振動計を示す概略構成図である。このレーザ振動計１は、レーザ発振器２、ビームスプリッタ３、光周波数シフター４、集光レンズ５、被測定物６、光検出器７、周波数変調波復調器８、信号処理装置９から概略構成されている。光検出器７としては、例えばＩｎＧａＡｓ（インジュウム・ガリウム・砒素）からなるフォトダイオード等が、また、信号処理装置９としてはディジタルオシロスコープ、ディジタル・フォスファ・オシロスコープ、スペクトル・アナライザーなどが好適に用いられる。
【００１４】
光周波数シフター４の構造の一例は図１１に示す通りで、圧電媒質と超音波を伝搬させる音響光学効果を有する光学媒質から構成される。動作原理を以下に説明する。発振器により圧電媒質に周波数ｆ_ｓの超音波を発生させる。超音波が光学媒質中を伝搬すると、音響光学効果により超音波の波長λ_ｓの周期を持つ屈折率の粗密格子が音速で進行することとなり、レーザ入射波の波長をλとすると、ブラッグの条件：
２λ_ｓｓｉｎθ＝λ
が満たされるとき、図１１に示すように、角度θ方向にレーザ光が回折される。ブラッグの条件は運動量保存則と等価である。また、図１１の場合、レーザ入射波は超音波からエネルギーをもらい、回折光の周波数ｆ_ｄは、入射波の周波数をｆとして、エネルギー保存則により、
ｆ_ｄ＝ｆ＋ｆ_ｓ
となる。図１１で超音波の進行方向が逆転した場合は、レーザ入射波が超音波にエネルギーを与え、回折光の周波数はエネルギー保存則により、
ｆ_ｄ＝ｆ−ｆ_ｓ
となる。これらの現象はブリュリアン散乱と呼ばれ、この現象を用いた光周波数シフターが音響光学変調器である。
【００１５】
なお、このレーザ振動計１においては、集光レンズ５は必ずしも必要ではない。また、ビームスプリッタ３を除き、レーザ発振器２の反対側から出射する出力光を光検出器で検出し、周波数変調波復調器８と信号処理装置９を用いて振動を計測する構成も当然含まれる。
【００１６】
図３は、前記レーザ振動計１のより具体的な構成を示す構成図である。このレーザ振動計１０は、レーザ発振器として半導体レーザ１１で励起される、発振波長λ＝１０４８ｎｍ、１ｍｍ厚のリチウム・ネオジム・テトラフォスフェイトレーザ（ＬｉＮｄＰ_４Ｏ_１２＝ＬＮＰレーザ）１２を用い、ビームスプリッタ３と光周波数シフター４との間に可変光減衰器１３を挿入し、被測定物としてスピーカー１４を用いた。光周波数シフターとしては、図１１で説明したように、２台の音響光学変調器１５、１６を用い、それぞれの変調器に周波数ｆ_１、ｆ_２の電圧を印加し、レーザ入射波に対して互いに反対方向に超音波を伝搬させた。正負の周波数シフト量 ｆ_１、−ｆ_２を調節して、往復の周波数シフト量：
ｆ_ｃ＝２（ｆ_１−ｆ_２）
を設定した。信号処理装置９としては、スペクトラム・アナライザ、ディジタル・オシロスコープのいずれかを用いた。
【００１７】
図４は、スピーカー１４に２Ｖの正弦波電圧を印加して該スピーカーを振動させたときのレーザ出力光の変調波形（同図（ａ））とそのパワースペクトル（同図（ｂ））を示す。平均表面粗さ１００μｍのスピーカー粗面からレーザ発振器への光強度の帰還率は−１００ｄＢであった。パワースペクトルには
ｆ_ｃ＝２ＭＨｚ
をキャリア周波数として周波数変調に特有の測帯波が形成されている。測帯波の周波数間隔から振動周波数ｆ_ｍ＝２２．６ｋＨｚが求まり、ＦＭ変調指数βの測定値から、振動振幅が
Ａ_ｖ＝λβ／２π＝６０ｎｍ
と求まる。
【００１８】
図５は、光検出器７からの変調出力を周波数変調波復調器８で検波し、ディジタル・オシロスコープで計測した実時間の電圧と対応する振動波形を示す。異なる印加電圧について示したものである。
【００１９】
これらの実験結果より動作原理が確認され、また、実時間でのナノメートル領域の振動計測が実証された。このレーザ振動計では、音声周波数帯域２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚにおいて、０．０８ｎｍ〜０．８ｍｍの範囲での振動振幅計測が達成された。対応する計測速度範囲は１０μｍ／ｓ〜１０ｃｍ／ｓである。
【００２０】
この振動計の顕著な特徴は、共振器厚１ｍｍのマイクロチップ固体レーザを使用することにより、−１００ｄＢという極少の光強度帰還率εでナノメートル領域の振動計測を実時間で達成できる点にある。レーザの強度変調度Ｍは
Ｋ＝τ／τ_ｐ
（τ：蛍光寿命、τ_ｐ：光子寿命）として
Ｍ∝Ｋε^１／２
で表される。マイクロチップ固体レーザでは、共振器長に比例する光子寿命を蛍光寿命（１００μｓ程度）に比べて５〜７桁短くできるため、驚異的な光感度を容易に実現することができる。また、Ｋを一定とすれば、レーザの強度変調度は光強度帰還率のみで決定され、レーザの出力パワーに全く依存しない。
【００２１】
また、レーザでの自己光混合変調を利用することにより実現される更なる際だった特徴は、光周波数シフターによる周波数シフト量をレーザ固有の緩和振動周波数に一致させて共鳴させることにより、光感度を更に飛躍的に向上させることが可能になることである。
【００２２】
緩和振動周波数ｆ_Ｒは、
ｆ_Ｒ∝（Ｐ／Ｐｔｈ−１）^１／２
（ここに、Ｐ： レーザの励起パワー、Ｐｔｈ：レーザの閾値励起パワー）
で与えられるので、レーザへの励起パワーを調節する機構を具備することにより、容易に共鳴効果をもたらすことができる。
【００２３】
このように、緩和振動周波数ｆ_Ｒはレーザへの励起パワーを変化させることにより、光周波数シフト量（キャリア周波数）は超音波の周波数を変化させることにより、それぞれ独立に、かつ任意の値に調整できる。この特徴を利用して、後述する第２実施例の実験において、ｆ_Ｒ ＝ ｆ_ｃ＝２ＭＨｚに調節することにより、２０ｄＢの光感度の増強が達成され、−１２０ｄＢの光強度帰還率で、図４〜図５の実験結果が再現された。この場合、周波数変調の最大周波数偏移が緩和振動の共鳴幅に比べ十分小さいため、線形性を損なうことはない。同様の光感度増強効果は以下の全ての実施例においても実証された。従来のマイケルソン干渉計を基本とした振動計において用いられる光周波数シフターは、単に周波数オフセットを与えるだけであり、光感度の増強効果は原理的に発現しない。
【００２４】
（第２実施例）
図６は、本発明の第２実施例のレーザ振動計を応用した実時間音声再生装置１７を示す構成図である。この音声再生装置１７では、第１実施例の振動計において、スピーカー１４にディジタル・ディスクプレーヤー１８の出力を印加し、殆ど聞き取れない程度（音圧レベル＜２０ｄＢ ＳＰＬ）の振幅で該スピーカーを振動させ、該スピーカーの振動信号を周波数変調波復調器８で検波し、他のスピーカー１９から明瞭な音楽を実時間で再生することができた。共鳴効果を利用することにより、光強度帰還率−１２０ｄＢで、電子カウンタや周波数分析器などの煩雑な装置を一切使用せずに、簡便な周波数変調波復調器のみにより実時間再生を達成した。図７は、音楽の音量が急激に変化した時のスピーカ表面の振動波形をとらえたものである。
【００２５】
（第３実施例）
図８のレーザ振動計２０は、本発明の第１実施例のレーザ振動計１０において、被測定物６へのレーザ発振光の入射を光ファイバー２１を介して行なったものである。振動計測結果は第１実施例のレーザ振動計と同等である。
【００２６】
（第４実施例）
図９の音声再生装置は、本発明の第２実施例の音声再生装置１７において、被測定物１４へのレーザ発振光の照射を光ファイバー２１を介して行なったものである。音声再生結果は第２実施例の音声再生装置と同等である。
【００２７】
（第５実施例）
図１０のレーザ振動計２３は、本発明の第１実施例のレーザ振動計１０において、レーザ発振器からの出力光を複数に分割し、それぞれ異なるスピーカー１４に入射させ、光路を切り替えることにより、単一のレーザで複数のスピーカー１４の振動を計測するものである。第１実施例のレーザ振動計１０と同等の振動計測が個々のスピーカーについて実証された。また、第４実施例のごとく光ファイバーを用いても同様の結果が得られた。図１０には３個のスピーカーを示しているが、より多数でも構わない。また、光変調器などによる光路の高速切り替えを採用することにより、多数の振動体のほぼ同時計測が可能である。さらに、同一振動体の異なる場所への入射により、航空機翼などに代表される３次元物体の異なる場所の振動振幅、振動方向の実時間計測というレーザ振動計１０より優れた効果も奏することができる。
【００２８】
【発明の効果】
請求項１記載のレーザ振動計によれば、極少光強度帰還率でナノメータ領域の振動を簡便且つ実時間で計測することができる。特に、従来の光干渉計を基本としたレーザ振動計とは異なり、レーザ出力の変調度は、光強度帰還率のみで決定され、レーザ出力パワーに全く依存しないので、小型低出力レーザを用いてレーザ振動計を構成できる効果がある。
【００２９】
請求項２記載のレーザ振動計によれば、レーザ発振器からの出力光を光ファイバーを介して被測定物に入射させるので、生体内部などレーザ光を直接入射することのできない場合や、遠距離にある被測定物の測定に対応させることのできる帰還光学系を構成することができる。とくに、コヒーレンス長の長い固体レーザにおいては１キロメートル程度離れた被測定物のリモートセンシングも可能である。
【００３０】
請求項３記載のレーザ振動計によれば、レーザ発振器からの出力光を複数に分割し、それぞれ異なる被測定物に入射させ、複数の被測定物の振動を計測する帰還光学系を具備させることとしたので、光路切り替えにより、単一のレーザで複数の被測定物の振動をほぼ同時に計測することができる。また、光変調器などによる光路の高速切り替えを採用することにより、同一振動体の異なる場所への入射により、３次元物体の振動振幅、振動方向の実時間計測という請求項３の優れた効果も奏することができる。
【００３１】
請求項４記載のレーザ振動計によれば、レーザ固有の緩和振動周波数に光周波数シフターでの周波数シフト量を共鳴させることとしたので、光感度の更なる増強というすぐれた効果を奏することができる。この効果は、光干渉計を使用する従来のレーザ振動計では実現できないものである。
【００３２】
以上により、微調整可能な高安定化光干渉計や超高感度の信号処理系を一切必要とせずに、多数の被測定物や３次元被測定物の振動を実時間で簡便且つ超高光感度で測定することのできる小型・安価なレーザ振動計を提供することができる。
【００３３】
本発明の振動計は、地震微弱振動の振幅・方向の同時計測、乱流流体の計測、被測定物のスキャンによる表面形状計測など多岐にわたる光計測分野に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ振動計の概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施例としての、レーザ振動計を示す概略構成図である。
【図３】本発明の第１実施例のレーザ振動計のより具体的な構成を示す構成図である。
【図４】本発明の第１実施例のレーザ振動計において、（ａ）レーザ出力光の変調波形および（ｂ）対応するパワースペクトルを測定した実験結果を示す図である。
【図５】本発明の第１実施例のレーザ振動計を用いてスピーカーの振動波形を計測した実験結果を示す図である。
【図６】本発明の第２実施例としての、音声再生装置を示す構成図である。
【図７】本発明の第２実施例の音声再生装置でとらえたスピーカーの振動波形である。
【図８】本発明の第３実施例としての、光ファイバーアクセス型レーザ振動計の構成図である。
【図９】本発明の第４実施例としての、光ファイバーアクセス型音声再生装置の構成図である。
【図１０】本発明の第５実施例としての、複数の被測定物に対応したレーザ振動計の構成図である
【図１１】本発明に用いる光周波数シフターの構造の一例を、その作用と共に説明する概念図である。
【符号の説明】
１、１０、２０、２３…レーザ振動計
２…レーザ発振器
３…ビームスプリッタ
４…光周波数シフター
５…集光レンズ
６…被測定物（本発明外）
７…光検出器
８…周波数変調波復調器
９…信号処理装置
１１…半導体レーザ
１２…ＮＬＰ固体レーザ
１３…可変光減衰器
１４、１９…スピーカー
１５、１６…音響光学変換器
１７、２２…音声再生装置
１８…ディジタル・ディスクプレーヤー
２１…光ファイバー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a simple and compact laser vibrometer capable of measuring the vibration of an object to be measured in real time and with extremely high sensitivity without using an optical interferometer and an ultra-high sensitivity detector.
[0002]
[Prior art]
A conventional laser vibrometer basically has a laser light output from a laser oscillator as shown in FIG. 1 made incident on an object to be measured, and scattered light Doppler shifted according to the vibration of the object to be measured and the laser output. 2. Description of the Related Art A method has been adopted in which light is caused to interfere using an optical interferometer such as a Michelson interferometer, and the time change of an interference fringe or a beat signal is measured to measure the vibration of an object to be measured.
[0003]
However, in this type of laser vibrometer, an optical interferometer that can be adjusted with high accuracy and high stability is indispensable in order to match the wavefront between the laser output light and the extremely weak scattered light. Since a photodetector and a heterodyne detector are required, there is a problem that the vibrometer becomes large and extremely expensive.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a laser vibrometer capable of achieving real-time vibration measurement of an object to be measured with no adjustment and ultra-high sensitivity without any need for a device for extracting a vibration signal such as the optical interferometer described above. To provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The above problem can be solved by the laser vibrometer of the present invention. That is, after a part of the output light emitted from the laser oscillator passes through the optical frequency shifter, it is made incident on the device under test, and the laser output induced by the interference between the return light from the device under test and the output light. This is a laser vibrometer that measures a vibration of an object to be measured by processing a modulation waveform with a photodetector, a frequency modulation wave demodulator, and a signal processing device. This invention is described in claim 1.
[0006]
In the above-mentioned laser vibrometer, the return light from the object to be measured is returned without adjustment in the oscillation axis direction of the laser oscillator. The feedback light is twice the frequency shift amount per one pass due to optical frequency shifter as the carrier frequency f _c, is subjected to frequency modulation by the Doppler effect associated with the vibration of the object-receiving surface. The coherent electric field component of the feedback light interferes with the oscillation output light electric field emitted from the laser oscillator. As a result, the bright portion and the dark portion of the interference fringe alternately appear on the laser output mirror at the frequency of the difference between the oscillation output optical electric field frequency and the frequency-modulated return optical electric field. Therefore, the transmittance of the output mirror, that is, the loss of the laser oscillator is equivalently modulated at the frequency of the difference, and the laser output is subjected to intensity modulation in the form of a frequency modulated wave having _fc as the carrier frequency (K Otsuka, IEEE J. Quantum Electron.QE-15,655 (1979)).
[0007]
The modulated oscillating light is detected by a photodetector, converted into an electric signal, the electric signal is detected by a frequency modulation wave demodulator, and the vibration amplitude is displayed and recorded in real time by a signal processing device. The vibration amplitude A _{v (t)} is the oscillation wavelength of the laser lambda, when the phase difference between the carrier wave and the modulation wave frequency f _c and [Delta] [phi (t),
A _v (t) = λΔφ (t)
Given by Therefore, the vibration amplitude change A _v (t) can be measured in real time by detecting the phase difference with the frequency modulation wave demodulator in the same manner as a normal FM receiver.
[0008]
Here, it should be pointed out that conventionally, there is a misunderstanding that self-light mixing modulation is based on laser nonlinearity such as laser saturation effect. Since the laser is modulated at the difference frequency irrespective of the sign, the provision of the frequency offset by the optical frequency shifter is an essential element for detecting the vibration amplitude and the vibration direction. If the optical frequency shifter is not used, in order to obtain the displacement, it is necessary to count the number of alternations of the maximum value or the minimum value of the modulation signal with an electronic counter or the like. Real-time measurement is not achieved.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0009]
In the first embodiment, in the above-described laser vibrometer, output light from a laser oscillator is incident on an object to be measured via an optical fiber. This makes it possible to smoothly cope with a case where the laser beam cannot be directly incident on the object to be measured. This invention is described in claim 2.
[0010]
The second embodiment is different from the above-described laser vibrometer in that the output light from the laser oscillator is branched into a large number, each of which is incident on a different object or a different place of a three-dimensional object, and a large number of objects are measured. And a large number of return lights from the three-dimensional object to be measured are fed back to the laser oscillator. This makes it possible to measure the vibration of a large number of DUTs or three-dimensional DUTs using a single laser oscillator. This invention is described in claim 3.
[0011]
In the third embodiment, in the above-mentioned laser vibrometer, the amount of frequency shift in the optical frequency shifter is made to resonate with the relaxation oscillation frequency inherent to the laser. Thereby, the light sensitivity can be further improved. This invention is described in claim 4.
[0012]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the laser vibrometer according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0013]
(First embodiment)
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a laser vibrometer according to the first embodiment of the present invention. This laser vibrometer 1 is roughly composed of a laser oscillator 2, a beam splitter 3, an optical frequency shifter 4, a condenser lens 5, a device under test 6, a photodetector 7, a frequency modulation wave demodulator 8, and a signal processing device 9. ing. As the photodetector 7, a photodiode made of, for example, InGaAs (indium gallium arsenide) is preferably used, and as the signal processing device 9, a digital oscilloscope, a digital phosphor oscilloscope, a spectrum analyzer, or the like is suitably used.
[0014]
An example of the structure of the optical frequency shifter 4 is as shown in FIG. 11, and is composed of a piezoelectric medium and an optical medium having an acousto-optic effect for transmitting ultrasonic waves. The operation principle will be described below. To generate ultrasonic frequency f _s to the piezoelectric medium by the oscillator. When an ultrasonic wave propagates in an optical medium, a dense grating with a refractive index having a period of the wavelength λ _s of the ultrasonic wave travels at the _speed of sound due to the acousto-optic effect. If the wavelength of the laser incident wave is λ, the Bragg condition :
2λ _s sin θ = λ
Is satisfied, the laser beam is diffracted in the angle θ direction as shown in FIG. Bragg's condition is equivalent to the law of conservation of momentum. In addition, in the case of FIG. 11, the laser incident wave receives energy from the ultrasonic wave, and the frequency f _{d of the} diffracted light is represented by the energy conservation law, where f is the frequency of the incident wave.
_{f d} = f + f _s
It becomes. If the traveling direction of the ultrasonic wave is reversed in FIG. 11, the laser incident wave gives energy to the ultrasonic wave, and the frequency of the diffracted light is
_{f d} = f-f _s
It becomes. These phenomena are called Brillouin scattering, and an optical frequency shifter using this phenomenon is an acousto-optic modulator.
[0015]
In this laser vibrometer 1, the condenser lens 5 is not always necessary. Except for the beam splitter 3, a configuration in which output light emitted from the opposite side of the laser oscillator 2 is detected by a photodetector and vibration is measured by using a frequency modulation wave demodulator 8 and a signal processing device 9 is naturally included. .
[0016]
FIG. 3 is a configuration diagram showing a more specific configuration of the laser vibrometer 1. The laser vibrometer 10 uses a laser neodymium tetraphosphate laser (LiNdP ₄ O ₁₂ = LNP laser) 12 having an oscillation wavelength λ = 1048 nm and a thickness of 1 mm, which is excited by a semiconductor laser 11 as a laser oscillator. A variable optical attenuator 13 was inserted between the optical frequency shifter 3 and the optical frequency shifter 4, and a speaker 14 was used as an object to be measured. As described with reference to FIG. 11, two acousto-optic modulators 15 and 16 are used as the optical frequency shifters, and voltages of frequencies f ₁ and f ₂ are applied to each of the modulators. Ultrasonic waves were propagated in opposite directions. By adjusting the positive and negative frequency shift amounts f ₁ and −f ₂ , the reciprocating frequency shift amount:
_{f c = 2 (f 1 -f} 2)
It was set. Either a spectrum analyzer or a digital oscilloscope was used as the signal processing device 9.
[0017]
FIG. 4 shows a modulation waveform (FIG. 4A) of the laser output light and a power spectrum (FIG. 4B) when a sine wave voltage of 2 V is applied to the speaker 14 to vibrate the speaker. . The feedback ratio of the light intensity from the rough surface of the speaker having an average surface roughness of 100 μm to the laser oscillator was −100 dB. F _c = 2 MHz for the power spectrum
Is used as a carrier frequency to form a band wave peculiar to frequency modulation. The vibration frequency f _m = 22.6 kHz is determined from the frequency interval of the band wave, and the vibration amplitude is A _v = λβ / 2π = 60 nm from the measured value of the FM modulation index β.
Is obtained.
[0018]
FIG. 5 shows an oscillation waveform corresponding to a real-time voltage measured by a digital oscilloscope when a modulation output from the photodetector 7 is detected by the frequency modulation wave demodulator 8. This is for different applied voltages.
[0019]
These experimental results confirmed the principle of operation, and demonstrated real-time vibration measurement in the nanometer range. With this laser vibrometer, vibration amplitude measurement in the range of 0.08 nm to 0.8 mm was achieved in the audio frequency band of 20 Hz to 20 kHz. The corresponding measurement speed range is 10 μm / s to 10 cm / s.
[0020]
A remarkable feature of this vibrometer is that the use of a microchip solid-state laser with a resonator thickness of 1 mm enables real-time vibration measurement in the nanometer range with a very small light intensity feedback rate ε of -100 dB. . The intensity modulation degree M of the laser is K = τ / τ _p
(Τ: fluorescence lifetime, τ _p : photon lifetime) as M∝Kε ^1/2
Is represented by In a microchip solid-state laser, the photon lifetime proportional to the cavity length can be shortened by 5 to 7 orders of magnitude compared to the fluorescence lifetime (about 100 μs), so that surprising light sensitivity can be easily realized. If K is fixed, the intensity modulation degree of the laser is determined only by the light intensity feedback rate and does not depend on the output power of the laser at all.
[0021]
Another distinctive feature realized by using self-mixing modulation in the laser is that the optical frequency shifter can resonate by matching the frequency shift amount to the relaxation oscillation frequency inherent in the laser, thereby achieving optical sensitivity. Can be further dramatically improved.
[0022]
The relaxation oscillation frequency f _R is
f _R ∝ (P / Pth−1) ^1/2
(Where, P: laser excitation power, Pth: laser threshold excitation power)
By providing a mechanism for adjusting the pumping power to the laser, a resonance effect can be easily obtained.
[0023]
As described above, the relaxation oscillation frequency f _R is adjusted independently and to an arbitrary value by changing the excitation power to the laser, and the optical frequency shift amount (carrier frequency) is changed by changing the frequency of the ultrasonic wave. it can. Using this feature, in the experiment of the second embodiment described _later, by adjusting the f R ₌ f c ₌ 2MHz, enhancement of photosensitivity of 20dB is achieved, the light intensity feedback ratio of -120 dB, Fig. The experimental results of FIGS. 4 to 5 were reproduced. In this case, since the maximum frequency shift of the frequency modulation is sufficiently smaller than the resonance width of the relaxation oscillation, the linearity is not impaired. A similar photosensitivity enhancing effect was demonstrated in all of the following examples. An optical frequency shifter used in a conventional Michelson interferometer-based vibrometer merely gives a frequency offset, and does not exhibit an optical sensitivity enhancement effect in principle.
[0024]
(Second embodiment)
FIG. 6 is a block diagram showing a real-time audio reproducing apparatus 17 to which the laser vibrometer according to the second embodiment of the present invention is applied. In the sound reproducing apparatus 17, the output of the digital disc player 18 is applied to the speaker 14 in the vibrometer of the first embodiment, and the speaker is vibrated at an amplitude of almost inaudible (sound pressure level <20 dB SPL). Then, the vibration signal of the speaker was detected by the frequency modulation wave demodulator 8 and clear music could be reproduced from the other speakers 19 in real time. By utilizing the resonance effect, real-time reproduction was achieved only with a simple frequency modulation wave demodulator at a light intensity feedback rate of -120 dB without using any complicated devices such as an electronic counter and a frequency analyzer. FIG. 7 shows a vibration waveform on the speaker surface when the volume of music suddenly changes.
[0025]
(Third embodiment)
The laser vibrometer 20 of FIG. 8 differs from the laser vibrometer 10 of the first embodiment of the present invention in that laser oscillation light is incident on the object 6 via the optical fiber 21. The vibration measurement results are equivalent to those of the laser vibrometer of the first embodiment.
[0026]
(Fourth embodiment)
The sound reproducing apparatus shown in FIG. 9 differs from the sound reproducing apparatus 17 according to the second embodiment of the present invention in that the object 14 is irradiated with laser oscillation light via an optical fiber 21. The sound reproduction result is equivalent to that of the sound reproduction device of the second embodiment.
[0027]
(Fifth embodiment)
The laser vibrometer 23 shown in FIG. 10 is different from the laser vibrometer 10 of the first embodiment of the present invention in that the output light from the laser oscillator is divided into a plurality of lights, each of which is incident on a different speaker 14, and the optical path is switched. The vibration of a plurality of speakers 14 is measured by one laser. Vibration measurement equivalent to that of the laser vibrometer 10 of the first embodiment was demonstrated for each speaker. Similar results were obtained by using an optical fiber as in the fourth embodiment. Although three speakers are shown in FIG. 10, more speakers may be used. Also, by adopting high-speed switching of the optical path by an optical modulator or the like, it is possible to measure a large number of vibrating bodies almost simultaneously. In addition, when the same vibrating body is incident on different places, a more excellent effect than the laser vibrometer 10 such as real-time measurement of vibration amplitude and vibration direction of a three-dimensional object represented by an aircraft wing or the like at different places can be achieved. .
[0028]
【The invention's effect】
According to the laser vibrometer of the first aspect, the vibration in the nanometer range can be measured simply and in real time with the minimum light intensity feedback rate. In particular, unlike laser vibrometers based on conventional optical interferometers, the degree of modulation of the laser output is determined only by the light intensity feedback rate and does not depend at all on the laser output power. There is an effect that a laser vibrometer can be configured.
[0029]
According to the laser vibrometer according to the second aspect, since the output light from the laser oscillator is made incident on the object to be measured via the optical fiber, the laser light cannot be directly incident, such as inside a living body, or is located at a long distance. A feedback optical system that can correspond to the measurement of the device under test can be configured. In particular, with a solid-state laser having a long coherence length, remote sensing of an object to be measured at a distance of about 1 km is also possible.
[0030]
According to the laser vibrometer according to the third aspect, a feedback optical system is provided which divides the output light from the laser oscillator into a plurality of light beams, makes the light beams incident on different objects to be measured, and measures the vibrations of the plurality of objects. Therefore, by switching the optical path, it is possible to measure the vibrations of a plurality of DUTs almost simultaneously with a single laser. In addition, by adopting high-speed switching of the optical path by an optical modulator or the like, the excellent effect of claim 3 is obtained in that the same vibration body is incident on different places and the vibration amplitude and vibration direction of the three-dimensional object are measured in real time. Can play.
[0031]
According to the laser vibrometer according to the fourth aspect, since the frequency shift amount of the optical frequency shifter resonates with the relaxation oscillation frequency inherent to the laser, an excellent effect of further enhancing the optical sensitivity can be obtained. . This effect cannot be realized by a conventional laser vibrometer using an optical interferometer.
[0032]
As described above, the vibration of a large number of DUTs or three-dimensional DUTs can be easily and simply realized in real time without any need for a highly stabilized optical interferometer that can be fine-tuned or an ultra-high sensitivity signal processing system. It is possible to provide a small and inexpensive laser vibrometer that can be measured with a laser.
[0033]
The vibrometer of the present invention can be applied to a wide variety of optical measurement fields such as simultaneous measurement of the amplitude and direction of an earthquake weak vibration, measurement of a turbulent fluid, and measurement of a surface shape by scanning an object to be measured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a conventional laser vibrometer.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a laser vibrometer as a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a more specific configuration of the laser vibrometer according to the first embodiment of the present invention.
4A and 4B are diagrams showing experimental results obtained by measuring (a) a modulation waveform of laser output light and (b) a corresponding power spectrum in the laser vibrometer according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing an experimental result of measuring a vibration waveform of a speaker using the laser vibrometer of the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a configuration diagram showing an audio reproduction device as a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a vibration waveform of a speaker captured by a sound reproducing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a configuration diagram of an optical fiber access type laser vibrometer as a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a configuration diagram of an optical fiber access type audio reproduction device as a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration diagram of a laser vibrometer corresponding to a plurality of DUTs according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 11 shows an example of the structure of an optical frequency shifter used in the present invention, together with its operation. It is a conceptual diagram explaining.
[Explanation of symbols]
Reference numerals 1, 10, 20, 23: laser vibrometer 2, laser oscillator 3, beam splitter 4, optical frequency shifter 5, condenser lens 6, object to be measured (outside the present invention)
7 Photodetector 8 Frequency modulated wave demodulator 9 Signal processor 11 Semiconductor laser 12 NLP solid-state laser 13 Variable optical attenuator 14, 19 Speaker 15, 16 Acousto-optic converter 17, 22 Audio Reproducing device 18: Digital disk player 21: Optical fiber

Claims (4)

レーザ発振器から出射する出力光の一部を光周波数シフターを通過させた後に被測定物に入射させ、被測定物からの戻り光を前記光周波数シフターを介して前記レーザ発振器に帰還させ、該戻り光と前記出力光との干渉により誘起されるレーザ出力の周波数変調波を、光検出器、周波数変調波復調器および信号処理装置を用いて処理することにより、被測定物の振動状態を計測することを特徴とするレーザ振動計。A part of the output light emitted from the laser oscillator is made to pass through the optical frequency shifter and then enters the device under test, and the return light from the device under test is fed back to the laser oscillator through the optical frequency shifter. A vibration state of an object to be measured is measured by processing a frequency modulated wave of a laser output induced by interference between light and the output light using a photodetector, a frequency modulated wave demodulator and a signal processing device. A laser vibrometer characterized by the above-mentioned. 前記レーザ発振器の出力光を光ファイバーを介して被測定物に入射させることを特徴とする請求項１記載のレーザ振動計。2. The laser vibrometer according to claim 1, wherein the output light of the laser oscillator is made incident on an object to be measured via an optical fiber. 前記レーザ発振器からの出力光を多数に分岐させ、それぞれを異なる被測定物や３次元被測定物の異なる場所に入射させ、多数の被測定物や３次元被測定物からの多数の戻り光を前記レーザ発振器に帰還させる光学系を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ振動計。The output light from the laser oscillator is branched into a large number of lights, each of which is incident on a different object or a different place of a three-dimensional object, and a large number of return lights from the many objects or the three-dimensional object. 3. The laser vibrometer according to claim 1, further comprising an optical system that feeds back the laser to the laser oscillator. 前記光周波数シフターでの周波数シフト量をレーザ固有の緩和振動周波数に一致させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ振動計。4. The laser vibrometer according to claim 1, wherein a frequency shift amount of the optical frequency shifter is matched with a relaxation oscillation frequency specific to the laser.

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