JP2018179825A - レーザ圧力・ひずみ計 - Google Patents

Abstract

【課題】光共振器として低損失かつ光軸調整が不要な長尺光ファイバリング共振器を利用することで、簡便かつ安価で超高感度なレーザ圧力・ひずみ計を提供する。【解決手段】光ファイバリングをセンサ部１０に巻き付けて、光ファイバリング共振器１１を形成し、外部の圧力および／またはひずみの変化に伴うセンサ部の形状変化を、光ファイバリング共振器１１の共振周波数変化から検出するための共振周波数検出部１２を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ圧力・ひずみ計に関するものである。本発明は、特に、極めて高感度に津波や地殻変動量を計測するレーザ圧力・ひずみ計に関するものである。

従来、津波計としては水晶振動式の水圧変化計が幅広く利用されている。この計測器は、水圧変化に伴う水晶振動子の振動周波数の変化を電気信号として検出する方式を採用しているため、海中で電気信号を絶縁するための絶縁処理を施さなければならない。このため、海中でこの計測器を長期間使用すると、次第に絶縁が劣化し、これが故障の要因となることがある。また、この計測器には電源が必要であり、その駆動用バッテリーで決まる計測器の寿命がある。

そこで、このような従来の津波計の手段に代わるものとして、レーザを利用した津波計が提案されている（例えば特許文献１または２参照）。図１０に、特許文献２に開示されたレーザ津波計の構成を示す。図１０において、１は高感度センサ部、２は低感度センサ部、３は凹面鏡、４は凹面鏡ホルダ、５は直角プリズム、６はコリメータ、７はシール部、８は円筒容器、９は光ファイバを示す。このレーザ津波計は、円筒容器８の内部に一対の凹面鏡３からなるファブリー・ペロー型光共振器を取り付けることにより、水圧による円筒容器の内径変化をその光共振器の共振周波数変化として計測する方式を採用している。本方式の特徴は、沖合に設置したレーザの出力光を、光ファイバ９を介して海底に配置したセンサ部へ供給する遠隔計測が可能であり、またセンサ部に電源が不要であることである。

さらに、同レーザ計測技術を利用した他の計測応用として、円筒容器内部に複数の光共振器を取り付け、０°、１２０°、２４０°の三方向のひずみの変化を同時に検出する三成分ひずみ計が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

なお、本発明者等により、光周波数の基準光源として、１．５５μｍ帯のアセチレン分子やシアン化水素分子の吸収線ピークに光周波数を安定化させた周波数安定化レーザが開発されており（例えば、非特許文献１，２参照）、周波数可変レーザとして、狭線幅な発振スペクトルが得られる１．５５μｍ帯エルビウムファイバレーザが開発されている（例えば、非特許文献３参照）。

特許第２８７６５２８号公報 特開２００３−１６６８８９号公報 特許第２５６０２６０号公報

K. Kasai, A. Suzuki, M. Yoshida, and M. Nakazawa, "Performance improvement of an acetylene (C2H2) frequency-stabilized fiber laser," IEICE Electron. Express, November 2006, Vol. 3, No. 22, pp. 487-492 K. Kasai, M. Yoshida, and M. Nakazawa, "295 mW output, frequency-stabilized erbium silica fiber laser with a linewidth of 5 kHz and a RIN of -120 dB/Hz", Opt. Express, February 2016, Vol. 24, No. 3, pp. 2737-2748 K. Kasai, J. Hongo, M. Yoshida, and M. Nakazawa, "Optical phase-locked loop for coherent transmission over 500 km using heterodyne detection with fiber lasers", IEICE Electron. Express, February 2007, Vol. 4, No. 3, pp. 77-81

特許文献１乃至３に記載のレーザを利用した津波計ならびにひずみ計の分解能を高めるためには、高いフィネスを有する光共振器を円筒容器８の内部に取り付ける必要がある。そのため、凹面鏡３、直交プリズム５およびコリメータ６からなる光共振器部の作製に高精度な光軸調整や、軸ずれに対する長期信頼性が要求され、その結果、センサ部の構造が複雑になり、製造コストもかかるといった課題があった。また、光共振器長も実質上制限されるため高感度化にも制限があるという課題もあった。

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、光共振器として低損失かつ光軸調整が不要な長尺光ファイバリング共振器を利用することで、簡便かつ安価で超高感度なレーザ圧力・ひずみ計を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明に係るレーザ圧力・ひずみ計は、光ファイバリングをセンサ部に巻き付けて、光ファイバリング共振器を形成し、外部の圧力および／またはひずみの変化に伴う前記センサ部の形状変化を、該光ファイバリング共振器の共振周波数変化から検出可能に構成されていることを特徴とする。またＱ値の高い光ファイバリング共振器にレーザ周波数をトラッキングするために、狭線幅のレーザ光源を用いることにより高感度化が実現できる。

本発明に係るレーザ圧力・ひずみ計は、前記センサ部に、圧力および／またはひずみの変化に対し高感度に形状が変化する高感度検出部と、前記高感度検出部よりも低感度に形状が変化する低感度検出部とを有し、前記高感度検出部および前記低感度検出部における形状変化量の差分に基づいて、前記圧力および／またはひずみの変化を高精度に検出可能に構成されていてもよい。

また、前記センサ部に、それぞれ０°、１２０°、および２４０°の各方向にかかるひずみに対応して高感度に形状が変化する３つの検出部を有し、各検出部で検出した三成分のひずみの変化により地殻変動量を計測可能に構成されていてもよい。

また、前記光ファイバリング共振器の共振周波数に、前記センサ部の外部に設置した波長可変レーザの発振周波数を負帰還させて安定化し、前記波長可変レーザの発振周波数により前記光ファイバリング共振器の共振周波数を検出してもよい。ここで、波長可変レーザの発振周波数を光ファイバリング共振器の共振周波数に一致させるように安定化することより、レーザ発振周波数の変化によりひずみ量を直接検出することができる。このため遠隔地に配置した光ファイバリング共振器により高感度な圧力・ひずみ計測が可能となる。

本発明により、光ファイバをセンサ部に多数回巻きつけた簡便な構成のレーザ圧力・ひずみ計を実現できる。また、光ファイバリング共振器は光軸のずれの問題がないため長期信頼性にも優れている。さらに、光ファイバリング共振器はファイバを多数回巻き付けることにより長尺化し、それにより高いＱ値を有することから、圧力・ひずみ計測に高い分解能が得られる。以上のように本発明によると、光共振器として低損失かつ光軸調整が不要な長尺光ファイバリング共振器を利用することで、簡便かつ安価で超高感度な実用性の高いレーザ圧力・ひずみ計を提供できる。

本発明の第１の実施形態のレーザ圧力・ひずみ計を示すブロック図である。 図１に示すレーザ圧力・ひずみ計の光ファイバリング共振器の構成例を示す（ａ）偏波保持型光ファイバリング共振器、（ｂ）非偏波保持型光ファイバリング共振器のブロック図である。 図２（ｂ）に示す非偏波保持型光ファイバリング共振器の伝達関数（透過スペクトル）の実測例を示すグラフである。 図１に示すレーザ圧力・ひずみ計の共振周波数検出部の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態のレーザ圧力・ひずみ計を示すブロック図である。 図５に示すレーザ圧力・ひずみ計のセンサ部の構成例を示す（ａ）充填型センサの斜視図、（ｂ）〜（ｆ）空洞型センサの斜視図（左図）および断面図（右図）である。 図５に示すレーザ圧力・ひずみ計の、図６（ｃ）の空洞型センサを用いたときの、水圧計測結果の一例を示す（ａ）ビート信号のスペクトル波形、（ｂ）水位とビート信号の中心周波数との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態のレーザ圧力・ひずみ計を示すブロック図である。 図８に示すレーザ圧力・ひずみ計のセンサ部の構成例を示す（ａ），（ｂ）円筒型センサ、（ｃ），（ｄ）球型センサの斜視図（左図）および断面図（右図）である。 従来のレーザ津波計を示す断面図（左図）および側面図（右図）である。

以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態のレーザ圧力・ひずみ計を示すブロック図である。図において、レーザ圧力・ひずみ計は、センサ部１０の外周に、例えば１０^８程度の高いＱ値を有する光ファイバリング共振器１１を適度な強さで巻き付け、その共振周波数を、共振周波数検出部１２を用いてモニタする系からなる。センサ部１０として、例えば金属製の円筒あるいは球構造体を用いることができる。

図２に第１の実施形態の光ファイバリング共振器１１の構成例を示す。図２（ａ）は、偏波保持単一モードファイバ１３、偏波ビームスプリッタ１４および２分の１波長板１５をリング状に閉じた偏波保持型光ファイバリング共振器の構成例を示す。偏波ビームスプリッタ１４の偏波軸に偏波状態を合わせることで、外部からの光信号を共振器内へ無損失で結合できる利点がある。また、２分の１波長板１５により、共振器内への光電力の帰還率ｒ^２とレーザ外部への出力率１−ｒ^２とを任意に調整できる。ここで、ｒは、偏波ビームスプリッタ１４における光電界の反射係数である。

一方、図２（ｂ）は、標準単一モードファイバ１６と２つの光カプラ１７とをリング状に閉じた非偏波保持型光ファイバリング共振器の構成例を示す。この共振器は偏波無依存であるため、外部からの入力光信号の偏波状態の制御が不要であるといった利点がある。図２（ａ）および（ｂ）に示すいずれの共振器においても、共振器内に挿入する光デバイスとしてインライン型の市販光ファイバモジュールを用いることができる。

つぎに、図２（ｂ）に示す非偏波保持型光ファイバリング共振器を例にとり、光ファイバリング共振器の共振の鋭さについて述べる。共振器への入力光の電界振幅をＡ_ｉｎ、２つの光カプラ１７における光反射係数（共振器内へ帰還する光電界の振幅比率）をいずれもｒとすると、共振器から出力される光電界振幅Ａ_ｏｕｔは次式で与えられる。
ここで、δ_０は２つの光カプラ１７間における光位相変化量、δは共振器内を一周する際の光位相変化量である。

光周波数をｆ、共振器を構成する光ファイバ長をｌ、光ファイバの屈折率をｎ、光速をｃとすると、次式の関係が成り立つ。

光ファイバリング共振器の伝達関数は、式（１）を用いて次式で与えられる。
ここで、光カプラにおける光電力の帰還率をＲとすると、Ｒ＝ｒ^２の関係より、式（３）は次式で与えられる。

式（４）は、ｓｉｎ（δ／２）＝０の関係を満たすとき、すなわちｆ＝Ｎｃ／ｎｌ（Ｎは整数）の共振周波数において、伝達関数が最大値１を示すことを表している。例えば、センサ部における圧力が変化し、光ファイバリング共振器の長さがΔｌだけ変動した場合には、この伝達関数の共振周波数の変化Δｆ＝−ＮｃΔｌ／ｎｌ^２をモニタすることにより、その圧力変化を計測することができる。この圧力計測における分解能は、伝達関数の半値全幅ｆ_ＦＷＨＭに比例するため、計測感度を高めるためにはｆ_ＦＷＨＭの小さい、すなわちＱ値の高い共振器を用いることが重要となる。

光ファイバリング共振器のｆ_ＦＷＨＭは、式（２）を式（４）に代入することにより次式で与えられる。

式（５）は、ｆ_ＦＷＨＭの値を下げるためには光カプラの帰還率Ｒを高め、共振器長ｌを長くすればよいことを示している。ここで、２つの光カプラによる共振器の挿入損失をＬ［ｄＢ］とすると、Ｌ＝−１０log（Ｒ^２）の関係が成り立つ。一般の光デバイスには０．５ｄＢ前後の挿入損失があるため、Ｌを０に近づけることには限界がある。一方、共振器を構成する光ファイバは、０．２ｄＢ／ｋｍと低損失であるため、ｌを数ｍから数１００ｍのオーダーに長くすることで、ｆ_ＦＷＨＭの値を容易に下げることができる。このことが光ファイバリング共振器の特長である。

実測例として、試作した共振器長ｌが４．５ｍ、挿入損失Ｌが２ｄＢである非偏波保持型光ファイバリング共振器の伝達関数を図３に示す。周波数間隔ｃ／ｎｌが４５ＭＨｚで、半値全幅ｆ_ＦＷＨＭが３．５ＭＨｚ（式（４）より算出される値３．３ＭＨｚと同等）の鋭い共振モードが観測されている様子を示している。本共振器は光ファイバで構成されているため、外乱の存在する環境下においても光軸の問題はなく、この鋭い伝達関数は長期に亘り保持される利点がある。

一方、従来の２枚のミラーを対向させたファブリー・ペロー共振器を用いてこれと同等の伝達関数を得るためには、例えば、その共振器長を５０ｍｍとした場合、凹面鏡の光軸を高精度に調整し９９．７％もの反射率を達成しなければならない。また、ファブリー・ペロー共振器では、外乱による光学軸のずれの影響を受け易いため、あるいはレーザ鏡間での空気の対流や長期的な汚れなども無視できず、このような高反射率を有する共振器を長期に亘り保持する機構を実現することは極めて困難である。

図４に、第１の実施形態の共振周波数検出部１２の構成の一例を示す。光周波数の基準となる参照光源１８と、センサ部１０に巻き付けた光ファイバリング共振器１１の共振周波数に発振周波数をトラッキング（一致）させる周波数可変レーザ１９と、光ファイバリング共振器１１の中心周波数へのトラッキング制御に用いる負帰還制御回路２０と、これら２台のレーザの出力光を分岐／合波するための光カプラ２１と、２台のレーザ間のヘテロダインビート信号を検出するための光検出器２２と、そのビート信号の中心周波数を測定するための周波数カウンタ２３とからなる。参照光源１８の発振周波数ν_０と周波数可変レーザ１９の発振周波数ν_１との差分を、ヘテロダインビート信号（中心周波数ｆ_Ｂ＝ν_１−ν_０）より測定し、その中心周波数の時間に対する変動量Δｆ_Ｂ＝Δν_１をモニタすることで、センサ部１０に巻き付けた光ファイバリング共振器１１の共振周波数変化を計測できる。

例えば、このビート信号の検出に用いるレーザ光源の波長を光通信波長１．５５μｍ帯に設定することで、共振器周波数検出部１２とセンサ部１０との間を長距離の光ファイバ伝送路で結ぶことができる。その結果、共振器周波数検出部１２を平野部に配置し、そこから遠く離れた海底や火山地域にセンサ部１０を配置した、安全な遠隔計測が可能となる。また、複数個所にセンサ部１０を配置し、面状に多点計測を行う光ファイバ計測網を構築することも容易となる。そのため、参照光源１８としては、１．５５μｍ帯のアセチレン分子やシアン化水素分子の吸収線ピークに光周波数を安定化させた周波数安定化レーザが有効である（非特許文献１，２参照）。また、周波数可変レーザ１９としては、狭線幅な発振スペクトルが得られる１．５５μｍ帯エルビウムファイバレーザが有効である（非特許文献３参照）。

図５は、本発明の第２の実施形態を示すブロック図である。図において、外部の圧力変化に対する計測感度が異なる高感度センサ部２４と低感度センサ部２５とを設け、それぞれのセンサ部の外周に、例えば１０^８程度の高いＱ値を有する光ファイバリング共振器１１を巻き付ける。そして、２台の周波数可変レーザ１９の発振周波数を、それぞれ高感度センサ部２４および低感度センサ部２５に巻き付けた光ファイバリング共振器１１の共振周波数にトラッキングし、光カプラ２１、光検出器２２および周波数カウンタ２３を用いて、両レーザの発振周波数の差を測定する。これにより、高感度センサ部２４および低感度センサ部２５に巻き付けた２つの光ファイバリング共振器１１の間の共振周波数差を検出する。

光ファイバリング共振器１１の共振周波数は、センサ外部の圧力変化の他、例えばセンサ部周辺の温度変化によっても変動してしまう。そのため、温度変化の影響を補償することが重要となる。そこで、図５では、圧力変化に対する感度の異なる２つのセンサを隣接して配置し、それらが共通の温度変化の影響を受けるようにすることで、前記共振周波数差を測定した際に、温度変化に伴う共振周波数変化分を相殺できる。一方、圧力変化に伴う共振周波数変化に対しては、両センサの感度が異なるため、その差分を検出することができる。ここで、光ファイバリング共振器１１の構成は、第１の実施形態と同様である。

図６に、第２の実施形態におけるセンサ部の構成例を示す。図６（ａ）は、異なるヤング率を有する２つの円筒型金属材料を利用した充填型センサの構成例である。低ヤング率の金属部を高感度センサ部２４、高ヤング率の金属部を低感度センサ部２５として用いる。充填型センサは、複雑な加工が不要といった利点がある。

一方、図６（ｂ）〜（ｆ）は、センサ内部が空洞である空洞型センサの構成例である。本センサは、同一の材料で高感度センサ部２４および低感度センサ部２５を構成できることより、両センサ部の熱膨張係数が完全に一致し、温度変化に伴う共振周波数変化をより高い精度で相殺できる利点がある。図６（ｂ）に示すセンサ部は、厚みの異なる２つの円筒構造体からなり、肉薄部を高感度センサ部２４、肉厚部を低感度センサ部２５として用いている。図６（ｃ）に示すセンサ部は、図６（ｂ）のものと同じ動作原理であるが、光ファイバリング共振器１１を巻き付ける向きが直交の関係にある。図６（ｄ）に示すセンサ部は、その一部に薄目の蛇腹構造を有し、特定の直径方向（蛇腹構造のある軸に対し直交の向き）の圧力変化に対し高い感度が得られるように工夫を施したものである。図６（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ図６（ｃ）および（ｄ）のセンサを球構造にしたものである。

図７に、第２の実施形態による水圧計測の結果の一例を示す。センサ部として図６（ｃ）に示す空洞型センサを利用した。直径１２０ｍｍ、高さ２００ｍｍの円筒型アルミ材を加工し、高感度センサ部２４および低感度センサ部２５の外壁の厚みがそれぞれ３ｍｍおよび１０ｍｍである空洞構造を形成した。また、各センサ部の外周に光ファイバを巻き付けるための溝を施した。

計２台の光ファイバリング共振器１１としては、図２（ｂ）に示す非偏波保持型光ファイバリング共振器を利用した。２つの分岐比１：９９の光カプラモジュールおよび、反射光の影響を除くための光アイソレータモジュールをリング状に融着接続し、長さ４．５ｍのリング共振器を構成した。共振器の挿入損失は約２ｄＢであり、図３に示す伝達関数を有する。この光共振器を２つ作製し、それらを高感度センサ部２４および低感度センサ部２５に巻き付けた。また、共振周波数差を検出するための２台の周波数可変レーザ１９には、１．５５μｍで発振するエルビウム添加ファイバレーザを使用した。本レーザは、全長が４ｍの偏波保持ファイバリング共振器からなり、その共振器内に、３ｄＢ帯域が１．２ＧＨｚであるファイバブラッググレーティング狭帯域光フィルタを挿入することで、単一モード動作を得ている。

また、共振器を構成する光ファイバの一部を円筒型ピエゾ（ＰＺＴ）素子に巻き付け、ＰＺＴ素子への印加電圧によりレーザ周波数を可変にしている。レーザの線幅は５ｋＨｚと狭く、１００ｍＷ以上の高出力（スロープ効率３５％）が得られている。ＬＮ光位相変調器とバランスミキサからなる位相敏感検波系とを用いて、本ファイバレーザの発振周波数と、センサ部に巻き付けた光ファイバリング共振器１１の共振周波数とのずれ量を電圧信号として検出し、その検出電圧信号を、ＰＩ制御回路を介してレーザ共振器内のＰＺＴ素子へ帰還することで、両周波数の一致（トラッキング制御）を図っている。

高感度センサ部２４および低感度センサ部２５にトラッキングした２台のファイバレーザ出力光のヘテロダインビート信号のＲＦスペクトルを、図７（ａ）に示す。狭線幅なファイバレーザを用いることで、ヘテロダインビート信号の短期的な揺らぎ幅を±１１０ｋＨｚの範囲に抑えることができている。つぎに、センサ部を水槽の中に沈め、その水位を１ｃｍずつ下げたとき（水位誤差２ｍｍ）のビート信号の中心周波数変化を測定した結果を、図７（ｂ）に示す。図より、ビート信号の中心周波数は、水位変化に対し−１２．２ＭＨｚ／ｃｍの傾きで変化していることがわかる。水位変化の測定において、図７（ａ）に示すようなビート信号の短期的な周波数揺らぎが測定誤差を与え、この誤差が測定分解能を決めている。この周波数揺らぎ幅が２２０ｋＨｚであることより、本試験における水位変化の測定分解能は、１８０μｍであるといえる。以上のように、第２の実施形態を用いて、１ｍｍ以下の極めて高い分解能を有する水圧計測が実現できている。

図８は、本発明の第３の実施形態を示すブロック図である。図において、０°、１２０°、２４０°の三方向のひずみの変化を計測するための３つのセンサ部（０°センサ部２６、１２０°センサ部２７、２４０°センサ部２８）に、それぞれ例えば１０^８程度の高いＱ値を有する光ファイバリング共振器１１を巻き付け、各センサ部における共振周波数の変化を、計３台の共振周波数検出部１２でモニタする系からなる。この三成分ひずみ計の基本動作は、第１の実施形態と同様である。

図９に、第３の実施形態におけるセンサ部の構成例を示す。図９（ａ），（ｂ）は円筒構造を有する円筒型センサ、図９（ｃ），（ｄ）は球構造を有する球型センサの構成例である。図９（ａ）と（ｃ）に示すセンサ部は、一部の外壁の厚みを薄くし、その部分に付与されるひずみに対する検出感度を高めている。一方、図９（ｂ）と（ｄ）に示すセンサ部は、一部の外壁を蛇腹構造にし、それと直交する方向のひずみに対する検出感度を高めている。いずれの構造においても、０°、１２０°、２４０°の三方向に対し高感度センサ部を設けている。

本発明に係るレーザ圧力・ひずみ計は、光ファイバを介した遠隔計測が可能であり、沖合から遠く離れた海底における水圧変化（津波）、地震および、地中のひずみの変化（地殻変動）を極めて高感度に計測できる。このため、早期にかつ安全に津波・火山などの情報が得られ、それらからの災害を小さいものにすることができる。

１ 高感度センサ部
２ 低感度センサ部
３ 凹面鏡
４ 凹面鏡ホルダ
５ 直角プリズム
６ コリメータ
７ シール部
８ 円筒容器
９ 光ファイバ

１０ センサ部
１１ 光ファイバリング共振器
１２ 共振周波数検出部
１３ 偏波保持単一モードファイバ
１４ 偏波ビームスプリッタ
１５ ２分の１波長板
１６ 標準単一モードファイバ
１７ 光カプラ
１８ 参照光源
１９ 周波数可変レーザ
２０ 負帰還制御回路
２１ 光カプラ
２２ 光検出器
２３ 周波数カウンタ
２４ 高感度センサ部
２５ 低感度センサ部
２６ ０°センサ部
２７ １２０°センサ部
２８ ２４０°センサ部

Claims (4)

1. 光ファイバリングをセンサ部に巻き付けて、光ファイバリング共振器を形成し、外部の圧力および／またはひずみの変化に伴う前記センサ部の形状変化を、前記光ファイバリング共振器の共振周波数変化から検出可能に構成されていることを特徴とするレーザ圧力・ひずみ計。
2. 前記センサ部に、圧力および／またはひずみの変化に対し高感度に形状が変化する高感度検出部と、前記高感度検出部よりも低感度に形状が変化する低感度検出部とを有し、前記高感度検出部および前記低感度検出部における形状変化量の差分に基づいて、前記圧力および／またはひずみの変化を高精度に検出可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ圧力・ひずみ計。
3. 前記センサ部に、それぞれ０°、１２０°、および２４０°の各方向にかかるひずみに対応して高感度に形状が変化する３つの検出部を有し、各検出部で検出した三成分のひずみの変化により地殻変動量を計測可能に構成されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ圧力・ひずみ計。
4. 前記光ファイバリング共振器の共振周波数に、前記センサ部の外部に設置した波長可変レーザの発振周波数を負帰還させて安定化し、前記波長可変レーザの発振周波数により前記光ファイバリング共振器の共振周波数を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーザ圧力・ひずみ計。