重点研究
光計測技術を応用したひずみ計測システムの開発（第１報）
清水 暁
*植竹 大輔
*Development of a Strain Measuring System applying Optical Method (1st Report)
Akira SHIMIZU and Daisuke UETAKE
FBGセンサを用いたひずみ計測システムの開発に向け，レーザー光源の試作ならびに検出系の検 討を行った。中心波長1030nm，帯域15nmの光源を試作し，FBGセンサからの出力を確認した。 Key Words : FBG， フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー ， ANDiレ ー ザ ー ， 動 ひ ず み 計 測
１ は じ め に 近 年 ， ト ン ネ ル ， 橋 梁 ， プ ラ ン ト 等 の 安 全 性 を 確 保 す る た め ， そ の 構 造 体 の ひ ず み （ 静 ） を 監 視 す る 手 法 が 用 い ら れ て い る 。 そ の 設 置 環 境 か ら 電 気 抵 抗 式 ひ ず み ゲ ー ジ の 使 用 は 難 し い た め ， 静 ひ ず み の 監 視 用 セ ン サ と し て ， 耐 熱 性 ， 耐 久 性 ， 耐 電 磁 ノ イ ズ 性 ， 信 号 線 の 長 距 離 性 に 優 れ る 光 フ ァ イ バ セ ン サ の 一 つ で あ る FBG（ Fiber Bragg Grating） セ ン サ が 利 用 さ れ て い る 。 FBG セ ン サ は ， レ ー ザ ー 光 の ブ ラ ッ グ 反 射 を 利 用 し て ， 光 フ ァ イ バ ー 中 に 周 期 的 に 屈 折 率 の 異 な る 回 折 格 子 を 形 成 し た 構 造 で あ る た め ， 容 易 に 構 造 体 に 埋 め 込 む こ と が で き る 。 こ の 利 点 に 着 目 し ， 航 空 宇 宙 分 野 等 に お い て ，CFRP 構 造 体 の 中 に FBG セ ン サ を 埋 め 込 み ，航 空 機 や ロ ケ ッ ト 等 の ひ ず み（ 動 ひ ず み ） を リ ア ル タ イ ム に 計 測 し ， そ の 構 造 体 に 作 用 す る 振 動 ・ 衝 撃 等 を 計 測 す る こ と が 検 討 さ れ て い る1 )。 動 ひ ず み の 計 測 の た め に は ， ひ ず み の 変 化 を 高 速 に 検 出 す る こ と が 必 要 と さ れ る が ， 従 来 の 静 ひ ず み 計 測 は ， レ ー ザ ー 光 の 強 度 変 化 を 光 ス ペ ク ト ラ ム ア ナ ラ イ ザ 等 で 計 測 す る 手 法 で あ り ， 高 速 な 振 動 現 象 を 計 測 す る こ と が 困 難 で あ っ た 。 本 研 究 で は ， FBG セ ン サ の 出 力 を フ ォ ト ダ イ オ ー ド 等 で 検 出 す る こ と で ， 動 ひ ず み を 計 測 す る た め の シ ス テ ム 開 発 を 行 う こ と を 目 標 と し ， レ ー ザ ー 光 源 の 試 作 な ら び に 検 出 系 の 検 討 を 行 っ た の で 報 告 す る 。 １ ． １ F B G セ ン サ F B G と は ， 図 1 に 示 す よ う に ， 光 フ ァ イ バ ー の コ ア 内 に 周 期 的 な グ レ ー テ ィ ン グ を 形 成 し た フ ァ イ バ ー 型 の デ バ イ ス で あ り ， グ レ ー テ ィ ン グ の 周 期 に よ る ブ ラ ッ グ 反 射 条 件 を 満 た す 光 を 反 射 さ せ る こ と が で き る 。 F B G へ の ひ ず み が 変 化 す る と ， ブ ラ ッ グ 波 長 が 変 化 す る た め ， F B G に 広 帯 域 光 を 入 射 し た 場 合 ， ブ ラ ッ グ 波 長 を 含 む 狭 帯 域 光 が 反 射 さ れ る 。 こ の 性 質 を セ ン サ と し て 利 用 す る こ と で ， F B G に 加 わ る ひ ず み や 振 動 を 検 出 す る こ と が で き る 。 レ ー ザ ー 光 は ，サ ー キ ュ レ ー タ を 介 し て ，F B G セ ン サ へ 入 射 さ れ る 。 サ ー キ ュ レ ー タ は 図 2 に 示 す よ う に 3 ポ ー ト を 有 し て お り ， サ ー キ ュ レ ー タ の ポ ー ト 1 に 入 射 し た 光 は ポ ー ト 2 へ 出 射 し ， ポ ー ト 2 に 入 射 し た 光 は ポ ー ト 3 に 出 射 す る 。 ポ ー ト 2 に F B G を 接 続 す る こ と で ， F B G か ら の 反 射 光 を ポ ー ト 3 か ら 取 り 出 す こ と が で き る 。 図 １ F B G セ ン サ 図 ２ サ ー キ ュ レ ー タ １ ． ２ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー は 小 型 軽 量 ，高 効 率 ，高 安 定 ， 長 距 離 伝 送 可 能 等 の 特 徴 が あ り ， 加 工 分 野 を 中 心 に * 栃 木 県 産 業 技 術 セ ン タ ー 機 械 電 子 技 術 部
I-V 変 換 回 路 に よ り 電 圧 に 変 換 し ， 増 幅 回 路 に よ り 電 圧 増 幅 を 行 う 。 本 年 度 は ， FBG か ら の 反 射 光 を 測 定 す る た め ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド と I-V 変 換 回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。 図 ４ 検 出 系 概 要 図 ３ 結 果 お よ び 考 察 ３ ． １ レ ー ザ ー 光 源 の 試 作 お よ び そ の 特 性 図 5に 試 作 し た フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 光 源 の 外 観 を 示 す 。 ま た 、 図 6に LD単 体 の 出 力 特 性 を ， 図 7に 試 作 し た ANDiレ ー ザ ー の 出 力 特 性 を 示 す 。 出 力 特 性 は ， レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド の 電 流 を 変 化 さ せ た と き の レ ー ザ ー の 出 力 を パ ワ ー メ ー タ で 測 定 し た 。図 6の LD単 体 の 出 力 特 性 は ， WDMに 融 着 す る 前 の パ ワ ー を 測 定 し ， 図 7 の フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 出 力 特 性 は ， QWP， HWPを 調 整 し モ ー ド 同 期 状 態 に な る こ と を 確 認 し た 後 ， レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド の 電 流 値 を 0mAか ら 500mAま で 変 化 さ せ ， PBSを 透 過 し た レ ー ザ ー 光 の パ ワ ー を 測 定 し た 。 LD単 体 の 場 合 の 発 振 し き い 値 は ， 直 線 近 似 か ら 37.3mA，ス ロ ー ブ 効 率 は 0.58W/Aで あ っ た 。フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 場 合 LD電 流 が 280mAま で は レ ー ザ ー 出 力 は 単 調 に 増 加 す る が 300mAで 不 連 続 な 変 化 を 示 す 。 次 に 高 速 デ ィ テ ク タ を 用 い ，オ シ ロ ス コ ー プ で PBS の か ら の 透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た 。 LD電 流 が 300mA の 時 の パ ル ス 波 形 を 図 8に 示 す 。 LD電 流 を 0mAか ら 500mAま で 変 化 さ せ な が ら ，透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た と こ ろ ， 280mAか ら 300mAで ， 不 安 定 な パ ル ス の 生 成 が 始 ま り ，300mA以 上 の 領 域 で モ ー ド ロ ッ ク に よ る 安 定 し た パ ル ス が 生 成 さ れ ，480mAを 超 え る と パ ル ス 生 成 が 不 安 定 に な る こ と が わ か っ た 。 安 定 し た パ ル ス が 得 ら れ る 最 大 出 力 は 87.4mWと な っ た 。 パ ル ス 周 期 は 30.3nsで あ り ， 33MHzで動 作 していることがわかる。 フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の ス ペ ク ト ル を 図 9に 示 す 。ス ペ ク ト ル は ，1030nmを 中 心 に 15nm程 度 の 帯 域 を 持 つ 。 LD電 流 が 480mAの 時 ，レ ー ザ ー の 出 力 は 87.4mWで あ る こ と か ら 1パ ル ス あ た り の エ ネ ル ギ ー は 最 大 で 2.6nJ と 見 積 も る こ と が で き る 。 図 ５ 試 作 し た フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 光 源 図 ６ レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド 出 力 特 性 図 ７ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 出 力 特 性 図 ８ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 時 間 波 形 LD出力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 LD Current [mA] LD Powe r [mW] レーザー出力特性 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 LD Current [mA] Po wer [mW]
CW
Mode
0.0E+00 5.0E‐03 1.0E‐02 1.5E‐02 2.0E‐02 2.5E‐02 3.0E‐02 3.5E‐02-5.0E-08 -2.5E-08 0.0E+00 2.5E-08 5.0E-08
In te ns ity [a. u] Time [sec] ファイバーレーザ出力波形
QWP
HWP
QWP
ISO
BPF
普 及 し 始 め て い る 。 そ れ に 伴 い ， 光 学 部 品 や レ ー ザ ー 光 源 の 低 価 格 化 が 進 ん で い る た め ， フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー を 光 源 と し て 用 い る こ と で ， ひ ず み 計 測 シ ス テ ム の コ ス ト を 抑 え る こ と が で き る 。し か し な が ら ， 一 般 的 な フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー で は ，帯 域 が 狭 い た め ， セ ン サ の 光 源 と し て 使 用 す る こ と が で き な い 。 そ の た め 本 研 究 で は ，FBG セ ン サ 用 の 光 源 と し て ， レ ー ザ ー を 短 パ ル ス 化 す る こ と で ， レ ー ザ ー 光 源 の 広 帯 域 化 が 可 能 な ， 正 常 分 散 モ ー ド 同 期 レ ー ザ ー (All Nomal Dispersion Laser:ANDi レ ー ザ ー )に つ い て 検 討 し た 。 モ ー ド 同 期 法 は ， 短 パ ル ス を 発 生 さ せ る た め に 用 い ら れ る 手 法 で あ る 。 利 得 媒 質 を 含 む 共 振 器 の 長 さ を L， 光 速 を C と し た 時 ， 共 振 器 の 中 で 多 く の 縦 モ ー ド で 発 振 し て い る と す る と ， 隣 り 合 う 縦 モ ー ド 角 周 波 数 Δ ω は ， Δ ω = π c/L (1) と 表 す こ と が で き る 。 N 本 の 縦 モ ー ド で 発 振 し て い る 場 合 の 電 界 は 以 下 の 式 で 表 す こ と が で き る 。 E(t)=Σ Enexp(j(ω0+nΔ ω )t + φn) (2) 全 て の 位 相 が 揃 う 場 合 (φ n = 0)を 考 え る と ， モ ー ド ロ ッ ク 時 の レ ー ザ ー 強 度 は ，I(t) = I0sin2{NΔ ω t/2}/sin2{Δ ω t/2} (3)
と 表 す こ と が で き る 。 こ の 式 は ， 時 間 T = 2π /Δ ω 毎 に 最 大 値 を と る パ ル ス 列 を 表 し て い る 。 パ ル ス を 維 持 す る た め に は ， 位 相 を 揃 え る 必 要 が あ る が ， フ ァ イ バ ー 中 を パ ル ス が 伝 播 す る 間 に ， 波 長 毎 に 位 相 が ず れ ， パ ル ス の 幅 は 広 が っ て い く 。 こ れ を 補 償 す る た め に 共 振 器 内 に チ ャ ー プ ミ ラ ー ， 回 折 格 子 ，プ リ ズ ム 対 等 が 用 い ら れ る2 )が ，こ れ ら は ， 小 型 化 が 難 し い ， 損 失 が 大 き い ， 外 乱 に 弱 い 等 の 問 題 が あ る 。ANDi レ ー ザ ー は ，偏 向 子 と ス ペ ク ト ル フ ィ ル タ 等 で 構 成 で き る た め ， 小 型 化 ， 安 定 性 の 面 で 優 れ て い る 。 本 研 究 で 試 作 し た ANDi レ ー ザ ー は ，パ ル ス 幅 を 補 償 す る た め に ， 光 フ ァ イ バ ー の 非 線 形 効 果 を 利 用 し て い る 。 フ ァ イ バ ー 中 を 強 度 の 強 い 光 が 伝 搬 す る と 自 己 位 相 変 調 と 相 互 位 相 変 調 に よ り パ ル ス 強 度 に 依 存 し て 位 相 が 変 化 し ，偏 波 が 回 転（ 非 線 形 偏 波 回 転 ） す る 。 こ の 効 果 に よ り ， レ ー ザ ー が フ ァ イ バ ー 中 を 伝 播 す る 間 に 偏 光 は 強 度 に 依 存 し て 回 転 す る た め ， パ ル ス 中 心 に お け る 偏 光 の 回 転 は パ ル ス 両 端 に 比 べ て 大 き く な る 。 偏 向 子 と PBS を 用 い ， 強 度 の 強 い パ ル ス 中 心 の 偏 光 の み を 通 過 さ せ る こ と で ， パ ル ス 整 形 を 行 う こ と が 可 能 と な る 。 ２ 研 究 の 方 法 ２ ． １ 光 源 の 開 発 ANDi レ ー ザ ー 光 源 に よ る ひ ず み 計 測 シ ス テ ム の 概 要 を 図 3 に 示 す 。 図 3 の PBS( P o l a r i z i n g B e a m S p l i t t e r ) よ り 左 側 が ANDi レ ー ザ ー 光 源 ， 右 側 が FBG セ ン サ 部 で あ る 。 中 心 波 長 976nm の レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド (LD)か ら の 光 が Yb フ ァ イ バ ー を 通 過 す る 際 に ， 1030nm の 光 が 生 成 さ れ る 。 Yb フ ァ イ バ ー で 生 成 し た 1030nm の 光 を 増 幅 す る た め に WDM と ア イ ソ レ ー タ に よ り 単 方 向 の リ ン グ キ ャ ビ テ ィ を 構 成 し た 。 戻 り 光 に よ る LD の 損 傷 を 防 ぐ た め に ， LD は ポ ン プ プ ロ テ ク タ を 介 し て WDM に 接 続 し た 。Yb フ ァ イ バ ー を 通 過 し た レ ー ザ ー 光 は ， フ ァ イ バ ー 型 コ リ メ ー タ ー で 平 行 光 に し ， 空 間 に 放 出 す る 。 1/4 波 長 板 ， 1/2 波 長 板 ，PBS， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ， ア イ ソ レ ー タ ， 1/4 波 長 板 の 順 番 で 通 過 さ せ ， 再 び コ リ メ ー タ ー に よ り フ ァ イ バ ー 中 に 結 合 す る 。 こ こ で ， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ は 自 己 位 相 変 調 に よ り 広 が る ス ペ ク ト ル を カ ッ ト し ， 振 幅 変 調 を 起 こ す 役 割 を 果 た し て い る 。 ま た ， 1/4 波 長 板 (QWP)と 1/2 波 長 板 (HWP)に よ り ， パ ル ス の 高 強 度 部 分 の み が PBS を 通 過 で き る よ う に 設 定 し た 。 こ れ に よ り ， フ ァ イ バ ー 中 で 広 が っ た パ ル ス を PBS に お い て 再 び 圧 縮 す る こ と が で き る 。 光 学 系 を 調 整 す る た め に ，1/2波 長 板 ，1/4波 長 板 ， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ を 設 置 し な い 状 態 で リ ン グ キ ャ ビ テ ィ の 調 整 を 行 い ，共 振 を 確 認 し た 後 ，1/2波 長 板 ， 1/4波 長 板 ，バ ン ド パ ス フ ィ ル タ を 設 置 し ，波 長 板 の 調 整 を 行 う こ と で ，レ ー ザ ー を モ ー ド 同 期 状 態 に し ， 短 パ ル ス の 発 生 を 試 み た 。 図 ３ ひ ず み 計 測 シ ス テ ム 概 要 図 ２ ． ２ 検 出 回 路 FBG セ ン サ か ら の 反 射 光 は ， サ ー キ ュ レ ー タ を 通 過 後 ， 検 出 系 へ 入 射 す る 。 振 動 に よ る FBG セ ン サ の ブ ラ ッ グ 波 長 の 変 化 を と ら え る た め に ，本 研 究 で は ， 図 4 に 示 す よ う に ， ブ ラ ッ グ 波 長 の 変 化 を 光 学 フ ィ ル タ に よ り 光 強 度 の 変 化 に 変 換 し た 後 に ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド で 検 出 す る 。 フ ォ ト ダ イ オ ー ド の 出 力 を
I-V 変 換 回 路 に よ り 電 圧 に 変 換 し ， 増 幅 回 路 に よ り 電 圧 増 幅 を 行 う 。 本 年 度 は ， FBG か ら の 反 射 光 を 測 定 す る た め ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド と I-V 変 換 回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。 図 ４ 検 出 系 概 要 図 ３ 結 果 お よ び 考 察 ３ ． １ レ ー ザ ー 光 源 の 試 作 お よ び そ の 特 性 図 5に 試 作 し た フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 光 源 の 外 観 を 示 す 。 ま た 、 図 6に LD単 体 の 出 力 特 性 を ， 図 7に 試 作 し た ANDiレ ー ザ ー の 出 力 特 性 を 示 す 。 出 力 特 性 は ， レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド の 電 流 を 変 化 さ せ た と き の レ ー ザ ー の 出 力 を パ ワ ー メ ー タ で 測 定 し た 。図 6の LD単 体 の 出 力 特 性 は ， WDMに 融 着 す る 前 の パ ワ ー を 測 定 し ， 図 7 の フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 出 力 特 性 は ， QWP， HWPを 調 整 し モ ー ド 同 期 状 態 に な る こ と を 確 認 し た 後 ， レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド の 電 流 値 を 0mAか ら 500mAま で 変 化 さ せ ， PBSを 透 過 し た レ ー ザ ー 光 の パ ワ ー を 測 定 し た 。 LD単 体 の 場 合 の 発 振 し き い 値 は ， 直 線 近 似 か ら 37.3mA，ス ロ ー ブ 効 率 は 0.58W/Aで あ っ た 。フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の 場 合 LD電 流 が 280mAま で は レ ー ザ ー 出 力 は 単 調 に 増 加 す る が 300mAで 不 連 続 な 変 化 を 示 す 。 次 に 高 速 デ ィ テ ク タ を 用 い ，オ シ ロ ス コ ー プ で PBS の か ら の 透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た 。 LD電 流 が 300mA の 時 の パ ル ス 波 形 を 図 8に 示 す 。 LD電 流 を 0mAか ら 500mAま で 変 化 さ せ な が ら ，透 過 光 の 波 形 を 観 測 し た と こ ろ ， 280mAか ら 300mAで ， 不 安 定 な パ ル ス の 生 成 が 始 ま り ，300mA以 上 の 領 域 で モ ー ド ロ ッ ク に よ る 安 定 し た パ ル ス が 生 成 さ れ ，480mAを 超 え る と パ ル ス 生 成 が 不 安 定 に な る こ と が わ か っ た 。 安 定 し た パ ル ス が 得 ら れ る 最 大 出 力 は 87.4mWと な っ た 。 パ ル ス 周 期 は 30.3nsで あ り ， 33MHzで動 作 していることがわかる。 フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー の ス ペ ク ト ル を 図 9に 示 す 。ス ペ ク ト ル は ，1030nmを 中 心 に 15nm程 度 の 帯 域 を 持 つ 。 LD電 流 が 480mAの 時 ，レ ー ザ ー の 出 力 は 87.4mWで あ る こ と か ら 1パ ル ス あ た り の エ ネ ル ギ ー は 最 大 で 2.6nJ と 見 積 も る こ と が で き る 。 図 ５ 試 作 し た フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 光 源 図 ６ レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド 出 力 特 性 図 ７ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 出 力 特 性 図 ８ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー 時 間 波 形 LD出力 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 50 100 150 200 LD Current [mA] LD Powe r [mW] レーザー出力特性 0 20 40 60 80 100 0 100 200 300 400 500 LD Current [mA] Po wer [mW]
CW
Mode
0.0E+00 5.0E‐03 1.0E‐02 1.5E‐02 2.0E‐02 2.5E‐02 3.0E‐02 3.5E‐02-5.0E-08 -2.5E-08 0.0E+00 2.5E-08 5.0E-08
In te ns ity [a. u] Time [sec] ファイバーレーザ出力波形
QWP
HWP
QWP
ISO
BPF
普 及 し 始 め て い る 。 そ れ に 伴 い ， 光 学 部 品 や レ ー ザ ー 光 源 の 低 価 格 化 が 進 ん で い る た め ， フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー を 光 源 と し て 用 い る こ と で ， ひ ず み 計 測 シ ス テ ム の コ ス ト を 抑 え る こ と が で き る 。し か し な が ら ， 一 般 的 な フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー で は ，帯 域 が 狭 い た め ， セ ン サ の 光 源 と し て 使 用 す る こ と が で き な い 。 そ の た め 本 研 究 で は ，FBG セ ン サ 用 の 光 源 と し て ， レ ー ザ ー を 短 パ ル ス 化 す る こ と で ， レ ー ザ ー 光 源 の 広 帯 域 化 が 可 能 な ， 正 常 分 散 モ ー ド 同 期 レ ー ザ ー (All Nomal Dispersion Laser:ANDi レ ー ザ ー )に つ い て 検 討 し た 。 モ ー ド 同 期 法 は ， 短 パ ル ス を 発 生 さ せ る た め に 用 い ら れ る 手 法 で あ る 。 利 得 媒 質 を 含 む 共 振 器 の 長 さ を L， 光 速 を C と し た 時 ， 共 振 器 の 中 で 多 く の 縦 モ ー ド で 発 振 し て い る と す る と ， 隣 り 合 う 縦 モ ー ド 角 周 波 数 Δ ω は ， Δ ω = π c/L (1) と 表 す こ と が で き る 。 N 本 の 縦 モ ー ド で 発 振 し て い る 場 合 の 電 界 は 以 下 の 式 で 表 す こ と が で き る 。 E(t)=Σ Enexp(j(ω0+nΔ ω )t + φn) (2) 全 て の 位 相 が 揃 う 場 合 (φ n = 0)を 考 え る と ， モ ー ド ロ ッ ク 時 の レ ー ザ ー 強 度 は ，I(t) = I0sin2{NΔ ω t/2}/sin2{Δ ω t/2} (3)
と 表 す こ と が で き る 。 こ の 式 は ， 時 間 T = 2π /Δ ω 毎 に 最 大 値 を と る パ ル ス 列 を 表 し て い る 。 パ ル ス を 維 持 す る た め に は ， 位 相 を 揃 え る 必 要 が あ る が ， フ ァ イ バ ー 中 を パ ル ス が 伝 播 す る 間 に ， 波 長 毎 に 位 相 が ず れ ， パ ル ス の 幅 は 広 が っ て い く 。 こ れ を 補 償 す る た め に 共 振 器 内 に チ ャ ー プ ミ ラ ー ， 回 折 格 子 ，プ リ ズ ム 対 等 が 用 い ら れ る2 )が ，こ れ ら は ， 小 型 化 が 難 し い ， 損 失 が 大 き い ， 外 乱 に 弱 い 等 の 問 題 が あ る 。ANDi レ ー ザ ー は ，偏 向 子 と ス ペ ク ト ル フ ィ ル タ 等 で 構 成 で き る た め ， 小 型 化 ， 安 定 性 の 面 で 優 れ て い る 。 本 研 究 で 試 作 し た ANDi レ ー ザ ー は ，パ ル ス 幅 を 補 償 す る た め に ， 光 フ ァ イ バ ー の 非 線 形 効 果 を 利 用 し て い る 。 フ ァ イ バ ー 中 を 強 度 の 強 い 光 が 伝 搬 す る と 自 己 位 相 変 調 と 相 互 位 相 変 調 に よ り パ ル ス 強 度 に 依 存 し て 位 相 が 変 化 し ，偏 波 が 回 転（ 非 線 形 偏 波 回 転 ） す る 。 こ の 効 果 に よ り ， レ ー ザ ー が フ ァ イ バ ー 中 を 伝 播 す る 間 に 偏 光 は 強 度 に 依 存 し て 回 転 す る た め ， パ ル ス 中 心 に お け る 偏 光 の 回 転 は パ ル ス 両 端 に 比 べ て 大 き く な る 。 偏 向 子 と PBS を 用 い ， 強 度 の 強 い パ ル ス 中 心 の 偏 光 の み を 通 過 さ せ る こ と で ， パ ル ス 整 形 を 行 う こ と が 可 能 と な る 。 ２ 研 究 の 方 法 ２ ． １ 光 源 の 開 発 ANDi レ ー ザ ー 光 源 に よ る ひ ず み 計 測 シ ス テ ム の 概 要 を 図 3 に 示 す 。 図 3 の PBS( P o l a r i z i n g B e a m S p l i t t e r ) よ り 左 側 が ANDi レ ー ザ ー 光 源 ， 右 側 が FBG セ ン サ 部 で あ る 。 中 心 波 長 976nm の レ ー ザ ー ダ イ オ ー ド (LD)か ら の 光 が Yb フ ァ イ バ ー を 通 過 す る 際 に ， 1030nm の 光 が 生 成 さ れ る 。 Yb フ ァ イ バ ー で 生 成 し た 1030nm の 光 を 増 幅 す る た め に WDM と ア イ ソ レ ー タ に よ り 単 方 向 の リ ン グ キ ャ ビ テ ィ を 構 成 し た 。 戻 り 光 に よ る LD の 損 傷 を 防 ぐ た め に ， LD は ポ ン プ プ ロ テ ク タ を 介 し て WDM に 接 続 し た 。Yb フ ァ イ バ ー を 通 過 し た レ ー ザ ー 光 は ， フ ァ イ バ ー 型 コ リ メ ー タ ー で 平 行 光 に し ， 空 間 に 放 出 す る 。 1/4 波 長 板 ， 1/2 波 長 板 ，PBS， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ， ア イ ソ レ ー タ ， 1/4 波 長 板 の 順 番 で 通 過 さ せ ， 再 び コ リ メ ー タ ー に よ り フ ァ イ バ ー 中 に 結 合 す る 。 こ こ で ， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ は 自 己 位 相 変 調 に よ り 広 が る ス ペ ク ト ル を カ ッ ト し ， 振 幅 変 調 を 起 こ す 役 割 を 果 た し て い る 。 ま た ， 1/4 波 長 板 (QWP)と 1/2 波 長 板 (HWP)に よ り ， パ ル ス の 高 強 度 部 分 の み が PBS を 通 過 で き る よ う に 設 定 し た 。 こ れ に よ り ， フ ァ イ バ ー 中 で 広 が っ た パ ル ス を PBS に お い て 再 び 圧 縮 す る こ と が で き る 。 光 学 系 を 調 整 す る た め に ，1/2波 長 板 ，1/4波 長 板 ， バ ン ド パ ス フ ィ ル タ を 設 置 し な い 状 態 で リ ン グ キ ャ ビ テ ィ の 調 整 を 行 い ，共 振 を 確 認 し た 後 ，1/2波 長 板 ， 1/4波 長 板 ，バ ン ド パ ス フ ィ ル タ を 設 置 し ，波 長 板 の 調 整 を 行 う こ と で ，レ ー ザ ー を モ ー ド 同 期 状 態 に し ， 短 パ ル ス の 発 生 を 試 み た 。 図 ３ ひ ず み 計 測 シ ス テ ム 概 要 図 ２ ． ２ 検 出 回 路 FBG セ ン サ か ら の 反 射 光 は ， サ ー キ ュ レ ー タ を 通 過 後 ， 検 出 系 へ 入 射 す る 。 振 動 に よ る FBG セ ン サ の ブ ラ ッ グ 波 長 の 変 化 を と ら え る た め に ，本 研 究 で は ， 図 4 に 示 す よ う に ， ブ ラ ッ グ 波 長 の 変 化 を 光 学 フ ィ ル タ に よ り 光 強 度 の 変 化 に 変 換 し た 後 に ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド で 検 出 す る 。 フ ォ ト ダ イ オ ー ド の 出 力 を
2 ) J . R . B u c k l e y ， F . W . W i s e “ F e m t o s e c o n d f i b e r l a s e r s w i t h p u l s e e n e r g i e s a b o v e 1 0 n J ” ， O P T I C S L E T T E R S ， V o l . 3 0 ， N o . 1 4 ， p p 1 8 8 8 - 1 8 9 0 ， ( 2 0 0 5 ) 図 ９ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー ス ペ ク ト ル ３ ． ２ F B G セ ン サ 出 力 試 作 し た レ ー ザ ー 光 源 に サ ー キ ュ レ ー タ と F B G を 接 続 し ，F B G か ら の 反 射 光 の 計 測 を 行 っ た 。 図 2 の ポ ー ト 1 か ら の 戻 り 光 に よ り ， レ ー ザ ー 光 源 の パ ル ス が 乱 れ る 現 象 が 確 認 さ れ た た め ， サ ー キ ュ レ ー タ の 前 段 に ア イ ソ レ ー タ を 挿 入 し た 。 図 1 0 に F B G セ ン サ か ら の 反 射 光 の ス ペ ク ト ル を 示 す 。 反 射 光 の 波 長 は 1 0 3 4 . 9 7 n m ， 半 値 幅 は 0 . 6 1 n m で あ っ た 。 ま た ， レ ー ザ ー 光 源 か ら の パ ワ ー を 5 0 m W に 設 定 し た 場 合 ， コ リ メ ー タ レ ン ズ を 介 し て ， サ ー キ ュ レ ー タ に 入 射 す る レ ー ザ ー の パ ワ ー は 2 3 m W で あ り ， F B G に 入 射 さ れ る レ ー ザ ー の パ ワ ー は 7 . 0 m W ，サ ー キ ュ レ ー タ か ら 出 力 さ れ る レ ー ザ ー の パ ワ ー は ， 2 . 4 m W で あ っ た 。 図 １ ０ F B G セ ン サ ス ペ ク ト ル 図 1 0 か ら わ か る よ う に ，F B G か ら の 反 射 ス ペ ク ト ル に は ，1 0 3 4 . 9 7 n m の ピ ー ク 以 外 に 1 0 2 0 n m ま で の 波 長 の ス ペ ク ト ル が 含 ま れ て い る 。 こ の 部 分 を バ ッ ク グ ラ ウ ン ド と し て 除 去 す る と ， ピ ー ク 部 分 の パ ワ ー は ， お よ そ 0 . 6 m W と な る 。 次 に F B G セ ン サ か ら の 出 力 を 検 出 す る た め の 回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。F B G セ ン サ か ら の 出 力 を I n G a A s フ ォ ト ダ イ オ ー ド で 受 信 し ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド か ら の 電 流 を 電 圧 に 変 換 す る た め の 回 路 を 試 作 し た 。 電 圧 に 変 換 し た 後 ， 反 転 増 幅 回 路 に よ り 1 0 倍 に 電 圧 増 幅 し た 。 F B G セ ン サ か ら の 出 力 ( 2 . 4 m W ) を 検 出 回 路 に 入 力 し た と こ ろ ， 5 0 m V の 電 圧 出 力 が 得 ら れ る こ と が わ か っ た 。 ピ ー ク 部 分 ( 0 . 6 m W ) に 換 算 す る と ， 1 2 . 5 m V 程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と に な る 。 こ の こ と か ら ，後 段 の 増 幅 は 少 な く と も 1 0 0 倍 程 度 に 設 定 す る 必 要 が あ る こ と が わ か っ た 。 今 回 使 用 し た フ ォ ト ダ イ オ ー ド K P D E 0 8 6 S ( 京 セ ミ ㈱ ) は ，1 0 3 0 n m で 受 光 感 度 が 0 . 6 A / W 程 度 で あ る た め ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド に 入 射 す る レ ー ザ ー の パ ワ ー が 2 . 4 m W の 場 合 ，お よ そ 1 . 4 4 m A の 電 流 が 流 れ る 。 回 路 シ ミ ュ レ ー タ に よ り ， 出 力 電 圧 を 計 算 し た と こ ろ 1 5 0 m V の 出 力 が 得 ら れ る は ず で あ る が ，実 際 に は 1 / 3 程 度 の 出 力 し か 得 ら れ な か っ た 。 こ れ は ， レ ー ザ ー 光 源 の 繰 り 返 し 周 波 数 が 3 3 M H z で あ る の に 対 し ，フ ォ ト ダ イ オ ー ド の 帯 域 が 3 0 M H z で あ る こ と が 原 因 と 考 え ら れ る 。今 後 は ， さ ら に 広 帯 域 の フ ォ ト ダ イ オ ー ド を 使 用 す る と と も に ， 検 出 回 路 の 素 子 定 数 の 最 適 化 を 行 う 必 要 が あ る 。 ４ お わ り に F B G セ ン サ を 用 い た ひ ず み ・ 振 動 計 測 シ ス テ ム を 構 築 す る た め ， レ ー ザ ー 光 源 な ら び に 検 出 回 路 を 試 作 し ， F B G セ ン サ か ら の 出 力 を 確 認 し た 。レ ー ザ ー 光 源 は ，中 心 波 長 1 0 3 0 n m ，帯 域 1 5 n m ， 繰 り 返 し 周 波 数 3 3 M H z ，最 大 出 力 8 7 . 4 m W の 性 能 で あ っ た 。 ま た ， F B G セ ン サ か ら の 出 力 は ， 中 心 波 長 1 0 3 4 . 9 7 n m ，半 値 幅 0 . 6 1 n m で あ り ，2 . 4 m W の 出 力 に 対 し て I V 変 換 回 路 で 検 出 し た と こ ろ 5 0 m V 程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と が わ か っ た 。 今 後 は ，検 出 回 路 の 最 適 化 等 を 行 う と と も に ， 本 研 究 で 作 製 し た シ ス テ ム を 振 動 測 定 に 適 用 し ， 複 数 個 所 の 振 動 を 同 時 に 測 定 す る シ ス テ ム を 開 発 す る 。 謝 辞 本 研 究 を 実 施 す る に あ た っ て 貴 重 な ア ド バ イ ス を い た だ い た 宇 都 宮 大 学 工 学 研 究 科 学 際 先 端 シ ス テ ム 学 専 攻 東 口 武 史 准 教 授 に 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。 参 考 文 献 1 ) 中 島 富 男 ， 荒 川 敬 弘 ： ” F B G セ ン サ に よ る 高 速 動 ひ ず み 計 測 技 術 に つ い て ” , I I C R e v i e w ,No.38,pp.37-44(2007) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1020 1025 1030 1035 1040 In te n si ty [ a. u ] 波長[nm] ファイバーレーザースペクトル 0.0E+00 1.0E-06 2.0E-06 3.0E-06 4.0E-06 5.0E-06 6.0E-06 7.0E-06 1020 1025 1030 1035 1040 In ten sity (a. u ) 波長 [nm] FBGからの反射スペクトル
2 ) J . R . B u c k l e y ， F . W . W i s e “ F e m t o s e c o n d f i b e r l a s e r s w i t h p u l s e e n e r g i e s a b o v e 1 0 n J ” ， O P T I C S L E T T E R S ， V o l . 3 0 ， N o . 1 4 ， p p 1 8 8 8 - 1 8 9 0 ， ( 2 0 0 5 ) 図 ９ フ ァ イ バ ー レ ー ザ ー ス ペ ク ト ル ３ ． ２ F B G セ ン サ 出 力 試 作 し た レ ー ザ ー 光 源 に サ ー キ ュ レ ー タ と F B G を 接 続 し ，F B G か ら の 反 射 光 の 計 測 を 行 っ た 。 図 2 の ポ ー ト 1 か ら の 戻 り 光 に よ り ， レ ー ザ ー 光 源 の パ ル ス が 乱 れ る 現 象 が 確 認 さ れ た た め ， サ ー キ ュ レ ー タ の 前 段 に ア イ ソ レ ー タ を 挿 入 し た 。 図 1 0 に F B G セ ン サ か ら の 反 射 光 の ス ペ ク ト ル を 示 す 。 反 射 光 の 波 長 は 1 0 3 4 . 9 7 n m ， 半 値 幅 は 0 . 6 1 n m で あ っ た 。 ま た ， レ ー ザ ー 光 源 か ら の パ ワ ー を 5 0 m W に 設 定 し た 場 合 ， コ リ メ ー タ レ ン ズ を 介 し て ， サ ー キ ュ レ ー タ に 入 射 す る レ ー ザ ー の パ ワ ー は 2 3 m W で あ り ， F B G に 入 射 さ れ る レ ー ザ ー の パ ワ ー は 7 . 0 m W ，サ ー キ ュ レ ー タ か ら 出 力 さ れ る レ ー ザ ー の パ ワ ー は ， 2 . 4 m W で あ っ た 。 図 １ ０ F B G セ ン サ ス ペ ク ト ル 図 1 0 か ら わ か る よ う に ，F B G か ら の 反 射 ス ペ ク ト ル に は ，1 0 3 4 . 9 7 n m の ピ ー ク 以 外 に 1 0 2 0 n m ま で の 波 長 の ス ペ ク ト ル が 含 ま れ て い る 。 こ の 部 分 を バ ッ ク グ ラ ウ ン ド と し て 除 去 す る と ， ピ ー ク 部 分 の パ ワ ー は ， お よ そ 0 . 6 m W と な る 。 次 に F B G セ ン サ か ら の 出 力 を 検 出 す る た め の 回 路 に つ い て 検 討 を 行 っ た 。F B G セ ン サ か ら の 出 力 を I n G a A s フ ォ ト ダ イ オ ー ド で 受 信 し ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド か ら の 電 流 を 電 圧 に 変 換 す る た め の 回 路 を 試 作 し た 。 電 圧 に 変 換 し た 後 ， 反 転 増 幅 回 路 に よ り 1 0 倍 に 電 圧 増 幅 し た 。 F B G セ ン サ か ら の 出 力 ( 2 . 4 m W ) を 検 出 回 路 に 入 力 し た と こ ろ ， 5 0 m V の 電 圧 出 力 が 得 ら れ る こ と が わ か っ た 。 ピ ー ク 部 分 ( 0 . 6 m W ) に 換 算 す る と ， 1 2 . 5 m V 程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と に な る 。 こ の こ と か ら ，後 段 の 増 幅 は 少 な く と も 1 0 0 倍 程 度 に 設 定 す る 必 要 が あ る こ と が わ か っ た 。 今 回 使 用 し た フ ォ ト ダ イ オ ー ド K P D E 0 8 6 S ( 京 セ ミ ㈱ ) は ，1 0 3 0 n m で 受 光 感 度 が 0 . 6 A / W 程 度 で あ る た め ， フ ォ ト ダ イ オ ー ド に 入 射 す る レ ー ザ ー の パ ワ ー が 2 . 4 m W の 場 合 ，お よ そ 1 . 4 4 m A の 電 流 が 流 れ る 。 回 路 シ ミ ュ レ ー タ に よ り ， 出 力 電 圧 を 計 算 し た と こ ろ 1 5 0 m V の 出 力 が 得 ら れ る は ず で あ る が ，実 際 に は 1 / 3 程 度 の 出 力 し か 得 ら れ な か っ た 。 こ れ は ， レ ー ザ ー 光 源 の 繰 り 返 し 周 波 数 が 3 3 M H z で あ る の に 対 し ，フ ォ ト ダ イ オ ー ド の 帯 域 が 3 0 M H z で あ る こ と が 原 因 と 考 え ら れ る 。今 後 は ， さ ら に 広 帯 域 の フ ォ ト ダ イ オ ー ド を 使 用 す る と と も に ， 検 出 回 路 の 素 子 定 数 の 最 適 化 を 行 う 必 要 が あ る 。 ４ お わ り に F B G セ ン サ を 用 い た ひ ず み ・ 振 動 計 測 シ ス テ ム を 構 築 す る た め ， レ ー ザ ー 光 源 な ら び に 検 出 回 路 を 試 作 し ， F B G セ ン サ か ら の 出 力 を 確 認 し た 。レ ー ザ ー 光 源 は ，中 心 波 長 1 0 3 0 n m ，帯 域 1 5 n m ， 繰 り 返 し 周 波 数 3 3 M H z ，最 大 出 力 8 7 . 4 m W の 性 能 で あ っ た 。 ま た ， F B G セ ン サ か ら の 出 力 は ， 中 心 波 長 1 0 3 4 . 9 7 n m ，半 値 幅 0 . 6 1 n m で あ り ，2 . 4 m W の 出 力 に 対 し て I V 変 換 回 路 で 検 出 し た と こ ろ 5 0 m V 程 度 の 出 力 が 得 ら れ る こ と が わ か っ た 。 今 後 は ，検 出 回 路 の 最 適 化 等 を 行 う と と も に ， 本 研 究 で 作 製 し た シ ス テ ム を 振 動 測 定 に 適 用 し ， 複 数 個 所 の 振 動 を 同 時 に 測 定 す る シ ス テ ム を 開 発 す る 。 謝 辞 本 研 究 を 実 施 す る に あ た っ て 貴 重 な ア ド バ イ ス を い た だ い た 宇 都 宮 大 学 工 学 研 究 科 学 際 先 端 シ ス テ ム 学 専 攻 東 口 武 史 准 教 授 に 深 く 感 謝 申 し 上 げ ま す 。 参 考 文 献 1 ) 中 島 富 男 ， 荒 川 敬 弘 ： ” F B G セ ン サ に よ る 高 速 動 ひ ず み 計 測 技 術 に つ い て ” , I I C R e v i e w ,No.38,pp.37-44(2007) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 1020 1025 1030 1035 1040 In te n si ty [ a. u ] 波長[nm] ファイバーレーザースペクトル 0.0E+00 1.0E-06 2.0E-06 3.0E-06 4.0E-06 5.0E-06 6.0E-06 7.0E-06 1020 1025 1030 1035 1040 In ten sity (a. u ) 波長 [nm] FBGからの反射スペクトル
