半導体レーザーを用いた光波長掃引ヘテロダイン法 による音波測定
著者 小柳津 翔太
URL http://hdl.handle.net/10236/13564
2014
年度 修士論文要旨
半導体レーザーを用いた光波長掃引ヘテロダイン法
による音波測定
関西学院大学理工学研究科 物理学専攻 栗田研究室 小柳津翔太
音場の測定するマイクロホンアレイは測定時に音場を乱すという問題点がある。この要求から近年光を 使用して音場を測定する研究もなされてきている。そこで私は非接触での音場測定を目的として半導体レ ーザーを用いた光波長掃引ヘテロダイン法による音波測定の研究を行った。
半導体レーザーの注入電流に図1のような鋸波変調をかける。半導 体レーザーの注入電流と発振周波数の間には、線形な関係があることが 知られており、その発振波長も鋸波状に変化する。図2のようなマイ ケルソン干渉計を示す。で分波、合波すると、2つの光で光路差がある 場合、２つの光の周波数に差が生じ、干渉によってこの差に相当するビ ート信号が観測される。このビート信号の周波数によって位置の情報を 把握することができる。
𝜔𝑙をレーザー光の角周波数、Δtを変調角周波数の周期、∆ωは角周 波数の変化量とする光路差をxとして時刻tにおけるレーザーの角周 波数を
𝜔𝑙(𝑡) = 𝜔0+∆𝜔
∆𝑡tと書くと、ビート信号は
2cos (𝑘𝑥 + (𝜔0+∆𝜔
∆𝑡𝑡) 𝑡 − 𝜔0+∆𝜔
∆𝑡(𝑡 −𝑥
𝑐) 𝑡)となる。
本実験ではファンクションジェネレーターを使用し、半導体レー ザーの発振電流を変化させ、ビート信号をオシロスコープで得た。ス ピーカーを使用して図2のM1を振動させ、光路差を
x = 𝑥
0+ ∆𝑥sin𝜔
𝑎𝑡
と変化させた。光路差を変化したビート周波 数を解析して、スピーカーによる振動の状態を観測した。実際にオシロスコープで観測したビート周波数の波形を図3とし て示す。青い信号はファンクションジェネレーターからの変調波の 周期を示しておりこのビート信号から振動体の位置と振
動状態の両方を得ることができる。
図3 光路差35cmで観測されたビート周波数 ビート周波数はおよそ70kHzである。
図1 鋸波変調
図2マイケルソン干渉計
